ОСОБЕННОСТИ КРОВЕЛЬНЫХ РАБОТС ПРИМЕНЕНИЕМ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ ЧЕРЕПИЦЫ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 692.4

ОСОБЕННОСТИ КРОВЕЛЬНЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ ЧЕРЕПИЦЫ

Вождаев Даниил Сергеевич, студент, направление подготовки 08.03.01 Строительство, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: rjaviy99@mail.ru

Научный руководитель: Гаврилов Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры механики материалов, конструкций и машин, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: pialex@bk.ru

Аннотация. В современном мире вопрос экономии энергии и поиска ее альтернативных источников стоит особо остро. На фоне сложившейся экономической, экологической и политической обстановки сфера строительства вынуждена непрерывно развиваться в направлении снижения расходов на материалы и их сырье. Именно поэтому современные строительные материалы должны обладать уникальными для своего времени свойствами. Целью написания данной статьи и является сравнение фотогальванической черепицы с другими, более привычными материалами. Используемые подходы базируются на расчетах затрат на сами материалы, монтаж и настройку, а также на сроке окупаемости данной кровли. Основные полученные результаты, позволяющие сделать вывод об эффективности рассмотренного материала, представлены в виде таблицы и диаграммы. Научная новизна работы заключается в эмпирической обоснованности выбора фотогальванической кровли как материала, удовлетворяющего все запросы своего времени. Данный анализ имеет высокую практическую значимость, так как материал уже выпускается на рынок, но из-за своей новизны не пользуется высоким спросом. Дальнейшие исследования в данной области помогут усовершенствовать новую черепицу, сделать ее более доступной и эффективной.

Ключевые слова: кровля, черепица, энергоснабжение, фотоэлемент, солнечная энергия, гелиевые мо-

Для цитирования: Вождаев Д. С. Особенности кровельных работ с применением фотогальванической черепицы // Шаг в науку. - 2021. - № 1. - С. 68-72.

FEATURES OF ROOFING WORKS WITH THE USE OF PHOTOVOLTAIC TILES Vozhdaev Daniil Sergeevich, student, training program 08.03.01 Construction, Orenburg State University, Oren-e-mail: rjaviy99@mail.ru

Research advisor: Gavrilov Alexander Alexandrovich, PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Mechanics of Materials, Structures and Machines, Orenburg State University, Orenburg e-mail: pialex@bk.ru

Abstract. In the modern world, the issue of saving energy and finding its alternative sources is especially acute. Against the background of the current economic, environmental and political situation, the construction industry is forced to continuously develop in the direction of reducing the cost of materials and their raw materials. That is why modern building materials must have properties unique for their time. The purpose of writing this article is to compare photovoltaic tiles with other, more familiar materials. The approaches used are based on calculations of the costs of the materials themselves, installation and adjustment, as well as on the payback period of this roof. The main results obtained, allowing to draw a conclusion about the effectiveness of the material under consideration, are presented in the form of a table and a diagram. The scientific novelty of the work lies in the empirical validity of the choice ofphotovoltaic roofing as a material that satisfies all the needs of its time. This analysis is of high practical importance, since the material is already being released on the market, but due to its novelty it is not in high demand. Further research in this area will help improve the new shingles, make them more affordable and efficient.

Key words: roofing, tiles, power supply, photocell, solar energy, helium modules.

Cite as: Vozhdaev, D. S. (2021) [Features of roofing works with the use of photovoltaic tiles]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 1, рр. 68-72.

Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов - фотоэлектрических, реализующих фотовольтаический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом материалы испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера [1].

Солнечные панели - это модули, выполненные из различных видов кремния. Они ламинируются пленкой и преобразуют солнечную энергию в электрическую [4]. Их главной особенностью является экологичность. Ведь процесс преобразования энергии не сопровождается какими-либо выбросами загрязняющих веществ в атмосферу [3].

Важнейшей особенностью фотогальванической черепицы является отказ от устройства традиционной кровли. Помимо этого, солнечные батареи в своем первоначальном виде не способны обеспечивать защиту от механических воздействий, ветра, дождя и снега. Современная солнечная кровля объединяет в себе достоинства многих традиционных материалов и обладает эстетичностью и архитектурной выразительностью [6]. Такое покрытие не нуждается в специальных системах монтажа, оно выполняется на стандартной обрешетке и не требу-

ет дополнительных подконструкций [5].

Данный материал часто сопоставляют с гелиоустановкой. Преимуществом фотогальванической кровли является высокая плотность размещения энерговыделяющих элементов. Это позволяет использовать всю площадь крыши, в то время как у гелиоустановок имеются недостатки в виде рамок или отступов от краев ската. Важной особенностью являются также оптические свойства защитного прозрачного покрытия. У современной кровли оно выступает фотоловушкой, что обеспечивает высокий уровень сорбции лучей с малым углом падения. Такая особенность помогает решить задачу с генерацией энергии в утренние и вечерние часы1.

В результате исследований и экспериментов было установлено, что для плоских крыш целесообразней использовать рулонные интегрированные материалы с тонкопленочными фотоэлектропрео-бразователями.

На сегодняшний день производством и продажей гальванической кровли в мире занимается узкий круг фирм. Среди них: Sunrise Solar Solution, Tesla, Apollo II от Certainteed, Powerhouse 3.0 отRGS, SolteQ. При выборе фирмы необходимо руководствоваться двумя главными показателями: мощность и стоимость за один квадратный метр.

Таблица 1. Сравнительная таблица гальванической кровли ведущих компаний

Компания-производитель Параметры гальванической кровли

мощность, Вт/пик/кв.м стоимость с установкой, € на кв. м.

SolteQ 208 390

Tesla 48,5 217,5

Certainteed 60 294

Рисунок 1. Фотогальваническая черепица

1 Прогноз развития энергетики мира и России до 2035 года: электрон. журн. 2012. № 4. [Электронный ресурс]. - URL: http://

www.akw-mag.ru (дата обращения: 21.04.2020).

Сегодня фирмы производят гелиевые модули, площадь которых может превышать два квадратных метра. При этом материал изготавливается с различными видами фактур поверхности и выполняется в любом цвете. Такая продукция выпускается и в виде рулонов.

Производители рекомендуют использовать для скатных кровель гелиевые модули в виде черепицы, называемой «солнечной черепицей». Своим внешним видом она напоминает известную битумную черепицу, но при этом обладает солнеч-

ными фотоэлектропреобразователями.

Такие модули выполнены в виде конструкций с полужесткой структурой и несколькими кремниевыми солнечными ячейками, а их габаритные размеры немного превышают размеры обычной черепицы.

Новейшие фотоэлектрические преобразователи, которые базируются на тонких пленках, выполняются в том виде, который пожелает заказчик, при этом размеры и гибкость остаются как и у керамической черепицы.

Таблица 2. Сравнительные характеристики солнечной кровли и панелей

Кровля, черепица, тонкие модули Панель

Дороже традиционных панелей примерно на 30 %, в настоящее время это около $3.30 за Ватт. Доступны среднему домовладельцу.

С точки зрения эстетики более приемлемы, поэтому полностью зависимы от наклона и ската крыши, ее ориентации. Заметны, привлекают внимание. Могут устанавливаться под углом к крыше и даже следовать за солнцем при наличии специального механизма.

Является полноценной кровлей. Целесообразна для нового строительства, где на стадии проектирования учитывается ориентация крыши по сторонам света. Устанавливается на готовую крышу с кровельным материалом. Вопрос только в сложности установки.

С целью предупреждения перегрева элементов под плитки устанавливается коллекторная система нагрева воды. Под панелью заводятся насекомые, пытаются гнездиться птицы и осы, летучие мыши, забиваются листья и мусор. Модули имеют риск перегрева.

Количество сбоев в работе системы возрастает в 10-30 раз. Меньшее количество соединительных элементов электрической цепи, что уменьшает вероятность возникновения сбоев.

Поломка одного элемента выводит всю систему кровли из работы, а ее замена трудоемка. Замена вышедшей из строя панели проще, не нарушает целостность кровли.

Несомненное преимущество тонкопленочных фотоэлектрических систем - это их небольшой вес. Он достигает 4,9 кг/м2 кровли. Таким образом, нагрузка на конструкции здания остается минимальной.

Фоточерепица может прослужить эффективно до 40 лет. Однако многие производители дают гарантию всего на 25 лет, поскольку этот строительный материал с солнечными батареями еще не опробован долгим временем эксплуатации.

Потребление электроэнергии частного дома средних размеров составляет около 1000 Вт. Тогда количество черепицы, необходимое для получения 1 кВт = 1 кВт / 68 Вт = 14,7 ~ 15 шт. Полезная площадь, необходимая для получения 1 кВт = 2,88 х 0,385 х 15 шт. = 17 м2. Общая площадь кровли этого же сооружения может достигать 200 м2. Таким образом, современная черепица позволяет обеспечить энергией любой частный дом.

Стоимость комплекта солнечной кровли, включающего в себя 15 листов черепицы, составляет 540000 рублей. При этом в комплект входят четы-

ре аккумулятора, блок бесперебойного питания и контроллер заряда, поэтому дополнительные затраты буду складываться не только из материалов для конструкции кровли, а также монтажа и пуско-наладочных работ2.

Затраты на пиломатериалы, утеплитель, пленки, транспорт, крепежные и расходные материалы составят около 227468 рублей. Стоимость монтажа всех узлов и элементов будет равняться около 240000 рублей. Общая стоимость солнечной кровли - 1007468 рублей.

Средний тариф на 1кВт/ч электроэнергии составляет 3 рубля3. За месяц на обслуживание дома необходимо в среднем 1500 кВт/ч энергии или 4500 рублей (с учетом дневных и ночных тарифов). Так как расчет ведется для полностью автономной системы (дом не потребляет энергию от центральной сети), то разделив стоимость современной кровли на затраты на электроэнергию получаем срок окупаемости 1007468/4500/12=18,65 или 19 лет (при сроке службы 40 лет).

2 SunShines. Солнечная энергетика [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sun-shines.ru/shop/solar-power/komplekt-tegola-optimum/ (дата обращения: 01.05.2020).

3 Эффективность экономики России: Федеральная служба государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.gks.ru/dbscripts/cbsd/dbinet.cgi?pl=1921001 (дата обращения 1.01.2020).

Ниже приведены сравнительные итоги расчетов стоимости кровли из цементно-песчаной, мягкой, металлической и фотогальванической черепиц4.

Таблица 3. Итоговый расчет стоимости готовой кровли

Наименование Цементно-песчаная черепица Мягкая черепица Металлочерепица «полиэстер» Современная кровля «Tegosolar»

Стоимость 1 м2 покрытия (руб.) 342 306 245 -

Стоимость материала, необходимого для всей кровли (руб.) 118735 103066 87340 540000

Пиломатериалы, утеплитель, пленки, транспорт, крепежные и расходные материалы (руб.) 195548 227468 187268 227468

Монтаж (стропила, утепление, гидро-и пароизоляция, кровельное покрытие, подшивка свесов) (руб.) 228250 233950 213050 240000

Итого в рублях: 543533 564484 487658 1007468

Стоимость 1 м2 укомплектованной кровли с монтажом: 2855 2971 2567 -

Рисунок 2. Сравнение затрат для устройства кровли с применением разных видов покрытий

Таким образом, к преимуществам солнечной черепицы можно отнести:

- интеграция в любой внешний дизайн дома;

- улучшение экологической обстановки [7];

- устранение необходимости наличия больших поверхностей, которые требуются для традиционной установки солнечных панелей;

- эстетический внешний вид;

- солнечные черепицы бывают разных размеров и моделей: сплошные панели с галькой, полужесткие кремниевые ячейки и системы с тонкой солнечной пленкой;

- легкая установка может быть выполнена сшиванием материала на месте проведения монтажа;

- конструктивная совместимость с традиционными видами кровель;

- солнечная черепица выдерживает существенную ветровую нагрузку;

- большая эффективность в генерировании

электроэнергии по сравнению с традиционными панелями;

- может покрывать большие площади по сравнению с традиционными солнечными батареями;

- отсутствие бликов;

- простой уход, поверхность материала очищается самостоятельно при дождливой погоде;

- работает при температуре до 85 °- рассеянный свет не препятствует процессу получения электроэнергии [2].

Среди недостатков можно выделить:

- стоимость;

- небольшое КПД;

- необходимость в дополнительном оборудовании;

- относительно длительный срок окупаемости;

- необходимость в замене аккумуляторных батарей.

Литература

1. Челяев В. Ф. Солнечная энергетика - энергетика будущего // Энергия: экономика, техника, экология. - 2008. - № 10. - С. 15-20.

2. Алхасов А. Б. Возобновляемая энергетика: монография. / А. Б. Алхасов; под ред. В. Е. Фортова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. - 256 с.

3. Бирюков А. Р., Саразов А. В. Использование альтернативных источников энергии. Солнечная энергетика, применение солнечных модулей. Проблемы и перспективы использования энергии солнца // Современная техника и технологии. - 2014 - № 7. - С. 64-66.

4. Иванова К. М., Иванова П. М. Кровельные солнечные панели в строительстве для увеличения

4 Арком. Проектирование, строительство, гарантия, обслуживание [Электронный ресурс].

arkom.su/art/roof/roof.html (дата обращения: 15.04.2020).

Режим доступа: http://www.

энергоэффективности // Синергия наук - 2017. - № 17. - С. 576-593.

5. Агеенко М. В., Деенков А. И. Фотогальваническая черепица // Инженерные системы и сооружения - 2014. - № 4(21). - С. 49-51.

6. Солнечные панели или фотогальваническая черепица: что выбрать? // Кровельные и изоляционные материалы - 2017. - № 1. - С. 38-39.

7. Бушуев В. В. Энергия российского Экоса. Часть 1. Энергия и энергетика - Москва, 2013. - 208 с.

Статья поступила в редакцию: 06.05.2020; принята в печать: 19.01.2021. Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.