Поточні перспективи інтегрованих в будівлі сонячних фотоелектричних систем та їх застосування…

Поточні перспективи інтегрованих в будівлі сонячних фотоелектричних систем та застосування двосторонніх фотоелектричних модулів

Zuher R. Халіфа Абоджела 1,2. Mohd Khairunaz Mat Desa 2 та Ahmad H. Sabry 3

  • 1 Кафедра електротехніки та електроніки, Інженерний коледж, Університет Сабрата, Сабрата, Лівія
  • 2 Школа електротехніки та електроніки, Інженерний кампус USM, Нібонг Тебал, Пенанг, Малайзія
  • 3 Кафедра комп’ютерної інженерії, Університет Ан-Нахрайн, Багдад, Ірак

Інтегровані в будівлі сонячні фотоелектричні системи (BIPV) привернули увагу в останні роки як спосіб відновлення теплового комфорту будівлі та виробництва сталої енергії в будівельних конструкціях. BIPV-системи можуть забезпечити тінь від сонячних променів, одночасно виробляючи додаткову електричну енергію. Протягом останніх десятиліть інженери намагаються підвищити ефективність BIPV-систем. BIPV-системи з різними типами установки, включаючи дах, балкон, завісу, сонцезахисний козирок і настінний фасад, постійно досліджуються та інтенсивно презентуються для підвищення енергоефективності та зменшення використання кондиціонерів. Ця робота надає огляд сонячних BIPV-систем і зосереджується, зокрема, на існуючих застосуваннях двостороннього типу BIPV-систем. Спочатку представлено мотивацію та огляд BIPV-систем, а потім розглянуто методологію дослідження та внесок. У цій роботі обговорюються фотоелектричні технології біфазних фотоелектричних модулів (монокристалічні та полікристалічні біфазні модулі), встановлення BIPV [штори, дах, плоский дах, прозорі фасади, балконні вікна (прозорі), непрозорі фасади стін, плоскі дахи та типи сонцезахисних козирків], програмне забезпечення для моделювання та оптимізації (програмне забезпечення для моделювання та майбутні тенденції), технологія BIPV з нульовим споживанням енергії, а також методи оптимізації фотоелектричних систем BIPV. Насамкінець, представлені пропозиції щодо внесення змін до поточного дизайну BIPV, які, можливо, сприятимуть зростанню ефективності, надійності та вартості системи в якості майбутніх теорій проектування для всієї системи в цілому.

Вступ

1.1 Огляд та мотивація

Одним з основних перспективних інструментів для виробництва електроенергії є фотоелектрична (ФЕ) система. Фотоелектричні станції потенційно можуть замінити електростанції, що працюють на викопному паливі, які виробляють величезну кількість парникових викидів. Однак, фотоелектрична електростанція потребує значної земельної площі для виробництва однакової кількості електроенергії, оскільки її ефективність є нижчою, ніж у звичайної електростанції. Ідея виробництва електроенергії з меншим рівнем забруднення стає все більш привабливою, оскільки зростає занепокоєння та інтерес до екологічних проблем. Сонячна фотоелектрична енергія використовує безкоштовне паливо, на відміну від традиційних методів генерації. Крім того, сонячні фотоелектричні системи можуть бути просто встановлені на даху житлових будинків і на стінах бізнес-структур, щоб генерувати енергію, не створюючи жодного забруднення навколишнього середовища. Сонячна фотоелектрична енергія дає можливість забезпечувати електроенергією ізольовані міста та установи, недоступні для електричних компаній, на додаток до підключених до мережі фотоелектричних систем (Zahedi, 2006).

Сонячна фотоелектрична енергія стає все більш популярною в усьому світі. На сьогоднішній день у світі побудовано сонячних фотоелектричних систем загальною потужністю понад 3 500 МВт. Вартість фотоелектричних систем неухильно знижується з 1970 року (Peters et al., 2019). В результаті такого зниження цін у всьому світі заохочується використання малих домашніх фотоелектричних систем. Нещодавні події спонукали експертів-екологів розпочати значні дослідницькі ініціативи щодо використання відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна енергія. Використання сонячної фотоелектричної енергії як джерела енергії сприймається більш серйозно, що є гарною ознакою майбутнього цієї технології. Мета цієї публікації. представити найновіші досягнення в галузі сонячних фотоелектричних енергетичних систем (Klenk, 2018).

Однією з нових стратегій підтримки відновлюваної енергетики в житловому секторі є використання сонячних генеруючих пристроїв або систем, відомих як інтегровані в будівлю фотоелектричні системи (BIPV), які плавно вбудовуються в огороджувальні конструкції і включаються в елементи будівлі, такі як вікна, дахи або фасади. Системи BIPV, які встановлюють фотоелектричні модулі, інтегровані в огороджувальні конструкції будівлі, набули популярності в останні роки. Вони зменшують потребу в будівельних ресурсах, оскільки дозволяють виробляти відновлювану енергію на місці, і можуть замінити традиційні будівельні компоненти.

Системи BIPV мають подвійну перевагу: вони збільшують потенціал відновлюваної енергії в будівлях та забезпечують економію коштів та часу під час будівництва за рахунок заміни традиційних будівельних компонентів. BIPV повинні вирішувати складні проблеми, пов’язані з втратами при передачі та розподілі електроенергії (Редді, 2020). Тому однією з цілісних стратегій, яка зменшує потребу в таких величезних земельних просторах, є включення будівель, покритих фотоелектричними панелями. Енергетичні характеристики будівель є основним правовим інструментом для підвищення енергоефективності будівель, поряд з Директивою з енергоефективності (Sabry et al., 2017; Тіна, 2020). Це означає, що в майбутньому нові структури повинні досягти мети бути майже повністю енергонезалежними.

BIPV-системи можуть включати навіси, дахи, навіси та стіни фасадів будівель для блокування сонячного світла з одночасним виробництвом допоміжної електричної енергії. Останні досягнення в галузі фотоелектричних технологій дозволили створити напівпрозорі фотомодулі, такі як тонкоплівкові сонячні панелі та двосторонні кремнієві сонячні панелі, що пропускають певну кількість світла та забезпечують прозорість. Це робить систему BIPV застосовною для дахових ліхтарів, вікон та привабливих фасадів будівель, оскільки вона забезпечує достатню кількість денного світла для будівлі. Таким чином, BIPV-вікна мають перевагу в тому, що вони одночасно виробляють електроенергію, зменшуючи кількість енергії, необхідної для охолодження або обігріву будівлі, і дозволяють освітлювати приміщення (Wang et al., 2017).

1.2 Основні моменти дослідження

Метою цієї роботи є ретельна оцінка життєздатності інтеграції сонячних фотоелектричних модулів з огороджувальними конструкціями будівлі, річного виходу енергії, а також методів оптимізації електроенергії на рівні житлових будинків та методів забезпечення доступності впорскування енергії фотоелектричних модулів в мережу. Порівняння цієї роботи з іншими оглядовими статтями в літературі наведено в Таблиці 1.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 1. Порівняння цієї роботи з іншими оглядовими статтями в літературі.

Основні внески можна розглянути наступним чином:

Представлено загальний огляд інтеграції будівель з сонячними фотоелектричними установками та зосереджено увагу на існуючих та потенційних застосуваннях біфазних типів фотоелектричних установок у системах BIPV.

Обговорення поточних перспектив використання двосторонніх модулів в галузі фотоелектричних технологій.

Надання огляду важливих результатів існуючих двосторонніх фотоелектричних систем BIPV з точки зору розрахунків ефективності, річного виходу енергії, економії енергії та фінансових вигод.

Представлення чіткого розуміння BIPV та двосторонніх BIPV-структур, які дозволяють оцінювати такі системи.

Надання комплексної оцінки перспектив інтегрованих в будівлі біфазних сонячних фотоелектричних систем з точки зору типів установок для посилення BIPV-систем.

Обговорення потенційного використання методів оптимізації потужності для вдосконалення двосторонніх BIPV-систем. Крім того, також обговорюється порівняння між оптимізаційною технологією звичайних фотоелектричних систем та стратегіями оптимізації двосторонніх фотоелектричних систем.

Класифікація BIPV-інсталяцій

BIPV-системи встановлюються на спорудах, які використовують енергію, яку вони генерують, що робить їх нейтральними системами з найменшим негативним впливом на навколишнє середовище. Фотоелектричні елементи, вбудовані в огороджувальні конструкції будівлі (BIPV), взаємодіють з будівлею різними способами, впливаючи на її закони, стандарти, безпеку, продуктивність, технічне обслуговування, екологічні проблеми, довговічність, дизайн і конструктивність (Abdallah et al., 2013; Abdelhafez, 2021). Основні компоненти BIPV-систем можна класифікувати залежно від типів сонячних модулів, способів підключення до мережі, призначення або застосування.

Система BIPV може складатися з підключеної до мережі системи, автономної системи або гібридної системи. Енергія виробляється і доставляється туди, де вона потрібна, за допомогою системи BIPV. Вона також може постачати енергію на вимогу за допомогою системи зберігання енергії (ESS). Тому в цій роботі система BIPV класифікується як цілісна структура категоризації, включаючи моделювання та оптимізацію, як показано на Рисунку 1. Більшість досліджень, представлених на цій схемі, будуть детально пояснені в наступних розділах цього дослідження.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Класифікація BIPV-систем.

2.1 Фотоелектричні технології

Вчені з Bell Laboratories були першими, хто використав явище перетворення енергії фотонів в електрику. У 1954 році вони створили функціональний кремнієвий сонячний елемент, який виробляв електричний струм під впливом сонячного світла. Згодом сонячні батареї почали використовувати для живлення космічних кораблів, годинників, комп’ютерів та інших пристроїв. Щоб допомогти в живленні електромережі, сонячні системи зараз будуються у великих масштабах. Електроенергія, вироблена сонячними батареями, зараз широко доступна і економічно життєздатна. Більшість сонячних елементів на ринку сьогодні виготовлені на основі кремнію і пропонують конкурентну вартість та високу ефективність (швидкість, з якою сонячний елемент перетворює сонячне світло в електрику). Для створення масивних, комунальних систем ці елементи зазвичай об’єднують у більші модулі, які можна встановлювати на дахах будинків або підприємств або використовувати з наземними стійками.

Матеріали, з яких виготовляються фотоелектричні модулі, класифікуються наступним чином:

Si: понад 90% сучасних фотоелектричних систем використовують модулі з кристалічного кремнію. Архітектура модулів може відрізнятися незначними, але суттєвими відмінностями. Через широке використання модулів з кристалічного кремнію, інші типи модулів можуть мати відмінності в конструкції, але для кращого відстеження розвитку технології, типи модулів з кристалічного кремнію поділяються, як детально описано в наступному тексті.

Перовськіт: ці модулі побудовані з матеріалів зі структурою перовськіту, що зазвичай позначається як ABX3, де A позначає органічний або неорганічний катіон (наприклад, метиламоній), B позначає катіон металу (зазвичай Pb2), а X позначає галогенід (наприклад, I- та/або Br-). Гібридний органічно-неорганічний метиламоній галогенід свинцю перовскіт. так називається структура, яка найчастіше використовується. Кристалічна структура CaTiO3 слугує представленням загальної структури перовскіту.

OPV (органічна фотоелектрична технологія): об’ємні гетероперехідні модулі, виготовлені з органічних та/або полімерних малих молекул, використовуються в більшості технологій OPV. Поділ фотоіндукованого екситону на вільні електрони і дірки, які виробляють фотострум, полегшується завдяки концепції об’ємного гетеропереходу.

III-V: ці модулі використовують елементи з третьої та п’ятої колонок періодичної таблиці Менделєєва. Деякі з цих звітів стосуються стеків з декількох шарів, часто відомих як мультипереходи, оскільки ці матеріали можуть складатися з широкого діапазону заборонених зон. Оскільки їхні константи решітки настільки порівнянні, арсеніди германію та галію часто виробляють разом. Модулі, що містять германій, для зручності віднесені до цієї категорії.

Гібридні: ці курси включають контент з різних категорій. Складається здебільшого з комбінації кремнію та III-V модулів. У майбутньому модулі, виготовлені з інших комбінацій матеріалів, таких як перовскіти, також можуть потрапити під цю категорію.

Сенсибілізовані барвником: як правило, ці модулі використовують пористу матрицю з діоксиду титану з тонким шаром барвника, що міцно закріплюється. Колір поглинає фотоносії (екситони), а світло розщеплюється на межі розділу між електролітом і оксидом титану, зокрема, проникаючи в титанію.

Халькогенід: це матеріал, який має не менше однієї частини шостого стовпчика циклічної таблиці, наприклад, телуридів, селенідів та сульфідів. Найбільш відомими з них є селенід міді індію галію (CIGS) та CdTe.

Амоний кремній: містить тонкоплівкові кремнієві модулі з одним, двома і трьома переходами і вирощується на склі або інших недорогих підкладках. Деякі багатоперехідні маси включають сплави з частково кристалізованими шарами германію для отримання шарів з меншою шириною забороненої зони.

Для різних фотоелектричних систем, з 1988 року по теперішній час, найбільша підтверджена ефективність перетворення для модулів Champion підтримується Національною лабораторією відновлюваної енергетики (NREL) у вигляді графіка. На малюнку 2 показана діаграма, що виражає ефективність фотоелектричних модулів Champion.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

2.1.1 Монокристалічні та двосторонні модулі

Монокристалічні сонячні модулі, також відомі як монокристалічні модулі, виготовляються з кремнію, вирізаного з одного великого кристала. Це вказує на те, що внутрішня структура дуже добре впорядкована і що електрони можуть легко проходити через неї. З басейну розплавленого кремнію поступово витягується стрижень для формування кристалів кремнію. Довгий циліндричний кристал утворюється на кінці стрижня, коли він відходить у ретельно контрольованих умовах. Після цього колону тонко розрізають на частини для сонячних модулів. Перед кристалізацією розплавлений кремній поєднується з речовинами, які дозволяють йому демонструвати характеристики n-типу або p-типу (Enaganti et al., 2020; Сюй та ін., 2021). Порожнеча, де був край кристалічного стовпчика в кутах монокристалічних сонячних модулів, може бути використана для їх ідентифікації. Завдяки постійній орієнтації кристалів, кожен модуль також матиме послідовний візерунок. Хоча монокристалічні кремнієві сонячні модулі є найефективнішими, вони також є найдорожчими через технологію, необхідну для виробництва масивних, дуже однорідних кристалів кремнію.

Монокристалічні сонячні панелі дорожчі за полікристалічні, але це не обов’язково означає, що вони не є ідеальним вибором. Структура кремнію є ключовим фактором, що визначає різницю в ціні між цими двома типами сонячних панелей. Виробники заливають розплавлений кремній у квадратні форми для створення полікристалічних панелей, а потім розділяють отримані пластини на окремі модулі. І навпаки, ретельний контроль затвердіння кремнію під час виробництва монокристалічних панелей вимагає більш складної процедури, що підвищує вартість монокристалічних сонячних модулів. Монокристалічні сонячні панелі є дорожчими, якщо порівнювати витрати на два типи панелей. Однак обидві системи мають однакову ціну на інвертори, електропроводку, заходи електробезпеки, стелажі та робочу силу. Крім того, якщо є лише невелика кількість місця для встановлення сонячних панелей, слід зазначити, що монокристалічні панелі можуть забезпечити кращу віддачу від інвестицій завдяки своїй вищій ефективності. Нарешті, слід зазначити, що федеральний податковий кредит на сонячну енергію все ще доступний для обох різновидів сонячних панелей. Монокристалічні кремнієві двосторонні модулі складаються з комірок, які зазвичай називають кремнієвими. Як випливає з назви, весь об’єм комірки складається з одного кристала кремнію. Це тип клітин, чиє комерційне застосування в даний час є більш поширеним. Використовуючи монокристали кремнію, монокристалічний сонячний елемент створюється за допомогою процесу Чохральського. Ефективність монокристалічної структури коливається від 15% до 20%. Він побудований з кремнієвих злитків і має циліндричну форму. Щоб максимізувати продуктивність, чотири бічні сторони циліндричних злитків вирізаються для розміщення кремнієвих пластин (Fang et al., 2020; Sun et al., 2021). Недорогий промисловий метод трафаретного друку, який виробляє біфазні сонячні елементи на монокристалічних підкладках CZ, був представлений Янгом (Yang, 2011). Крім того, були досягнуті нові успіхи в цій галузі досліджень (Janßen, 2009; Yan et al., 2019). Металізація, пасивація поверхні розсіяним бором і дифузія бору BBr3 є основними труднощами з двосторонніми сонячними елементами CZ з трафаретним друком. Модифікація умов дифузії бору для досягнення критично важливих фізичних властивостей комірки, необхідних для роботи біфазного модуля, була зроблена Monokroussos та ін. (Monokroussos et al. (2020).

Національна лабораторія відновлюваної енергетики виміряла спектральний відгук репрезентативного монокристалічного кремнієвого фотоелемента Atonometrics для дослідження (Gostein et al., 2020). Усереднюючи розраховані спектральні криві реакції для шести комерційно існуючих біфазних фотомодулів, про які повідомляють Zhang et al. (2020), були отримані типові спектральні відгуки від задньої та передньої сторін двосторонніх фотоелектричних модулів. Для отримання відбивної здатності R(λ) для кожного ґрунтового матеріалу в дослідженні було змодельовано дев’ять різних ґрунтово-поверхневих ресурсів з використанням записів спектральної відбивної здатності, знайдених у програмному забезпеченні для моделювання SMARTS. Рисунок 3А показує спектральну відбивну здатність для всього обладнання.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

(A) Коефіцієнт відбиття R (λ) для дев’яти різних поверхонь землі на основі набору даних “SMARTS” (Gostein et al., 2020), (B) монокристалічні та полікристалічні кремнієві сонячні модулі (Китайський монокристалічний двосторонній сонячний модуль типу P LYGF-BP72P завод і постачальники | Ліньян, 2023), і (C) полікристалічна панель двостороннього фотоелектричного модуля з 144 осередками.

2.1.2 Полікристалічні та двосторонні модулі

На закінчення, монокристалічні сонячні панелі часто мають кращу ефективність і включають чорні сонячні модулі, побудовані з одного кристала кремнію, але вартість цих панелей часто вища. У полікристалічних панелях використовується кілька кристалів кремнію, які були сплавлені, щоб сформувати сині сонячні елементи. Ці панелі коштують дешевше, але часто менш ефективні. Як моно-, так і полікристалічні сонячні системи знизять витрати на електроенергію. Вирішальними факторами є оптимальний фінансовий план, міркування щодо місця та особисті уподобання. Призначення як монокристалічних, так і полікристалічних сонячних модулів в сонячній фотоелектричній системі в цілому однакове, а знання, що випливають з нього, прості: вони однаково приймають сонячну енергію і перетворюють її в електричну енергію. Крім того, вони обидва складаються з кремнію, який є поширеним і неймовірно міцним елементом, що використовується в сонячних панелях. Численні компанії виробляють як монокристалічні, так і полікристалічні сонячні панелі. Як полікристалічні, так і монокристалічні сонячні панелі можуть бути винятковими варіантами для будівель, але перед тим, як прийняти остаточне рішення про покупку сонячних панелей, слід пам’ятати про численні суттєві особливості. Тип кремнієвого сонячного модуля, який використовується в обох технологіях, є основною відмінністю між ними: монокристалічні сонячні панелі використовують кремнієві сонячні модулі, виготовлені з одного кристала кремнію, в той час як полікристалічні сонячні панелі використовують кремнієві сонячні модулі, виготовлені з великої кількості кремнієвих фрагментів, які були розплавлені разом. Монокристалічні та полікристалічні кремнієві сонячні модулі показані на малюнку 3B.

Колір двох типів сонячних панелей. це те, що найбільш помітно відрізняє їх один від одного з точки зору зовнішнього вигляду: монокристалічні панелі часто чорні, але полікристалічні панелі можуть мати синюватий відтінок. На довговічність сонячних панелей здебільшого не впливає тип кремнієвого модуля, з якого вони складаються. Щонайменше 25 років монокристалічні та полікристалічні панелі будуть ефективно виробляти енергію. Подібно до ефективності, монокристалічні сонячні панелі часто працюють краще, ніж полікристалічні, за температурним коефіцієнтом. Звідси випливає, що монокристалічні сонячні панелі краще працюють при високих температурах, оскільки температурний коефіцієнт панелі. це просто міра того, наскільки добре вона працює при високих температурах (чим ближче до нуля, тим краще) (Sabry et al., 2018). Порівняння монокристалічних і полікристалічних модулів за важливими ключовими показниками наведено в Таблиці 2.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 2. Порівняння монокристалічних і полікристалічних модулів за основними ключовими показниками.

У пустелі Атакама була створена дослідницька станція для фотоелектрики, яка працювала протягом 8 місяців в умовах високого зовнішнього опромінення (Ayala et al.)., 2018). На метеорологічній станції чотири внутрішньовенні трекери були прикріплені до монокристалічних, полікристалічних, тонкоплівкових та біфазних модулів; два внутрішньовенні трекери також були підключені до двох фотоелектричних модулів, щоб проаналізувати явище забруднення. Тонкоплівкова технологія має коефіцієнт корисної дії 90%, полікристалічна технологія. 88%, монокристалічна технологія. 78%, а біфазна технологія. 96%, коли приймається лише номінальна потужність передньої панелі. Після виявлення природного ефекту очищення, спричиненого високою вологістю, що часто трапляється рано вранці, коефіцієнт забруднення утримувався на рівні 0.94 і 0.01 протягом наступних 2 місяців. Протягом перших 2 місяців коефіцієнт забруднення зменшився менш ніж на 2.5%. У дослідженні були розглянуті реконфігурації фотомодулів з використанням селеніду міді індію галію (CIGS) та полікристалічної фотоелектричної технології (Ul-Haq et al.)., 2020). Цей звіт також включає ретельну кількісну оцінку впливу досліджуваних фотоелектричних проблем на електроенергетичну систему. Згідно з даними MATLAB/Simulink, фотоелектрична технологія CIGS перевершує полікристалічну з точки зору вихідної потужності при різних сценаріях несправностей. Наведені результати дають зрозуміти, що оптимальна реконфігурація фотоелектричних модулів може сприяти оптимізації енергоспоживання від фотоелектричних систем з меншою кількістю піків фотоелектричної активності. Отже, це призведе до кращої продуктивності фотоелектричної системи. Полікристалічна панель двостороннього фотомодуля з 144 осередками показана на рисунку 3C.

Енергетичний вихід такої технології може бути збільшений до 30% у поєднанні з сучасними сонячними елементами з кристалічного кремнію PANDA n-типу, які прокидаються раніше і засинають пізніше, ніж традиційні сонячні елементи p-типу. Електричні структури з послідовними і паралельними з’єднаннями і декількома напівкомірками шини можуть знизити втрати CTM і підвищити вихідну потужність модуля.

2.2 Застосування BIPV

BIPV-системи складаються з фотоелектричних модулів, які використовуються для інтеграції з енергоефективною обшивкою будівлі. Сюди входять дахи, балкони, штори, сонцезахисні навіси та типи стін, що генерують енергію від прямого сонячного світла, відбитого сонячного світла та дифузійного випромінювання. Такі системи надають будівлям можливість виконувати два завдання. BIPV-системи повинні, в першу чергу, відповідати стандартам традиційних огороджувальних матеріалів, включаючи прийнятну структурну міцність, теплоізоляцію, захист від атмосферних впливів та захист від шуму. Це тому, що вони слугують обшивкою для будівель. По-друге, BIPV-системи виробляють електроенергію і слугують джерелом живлення будівлі (Huang and Hewitt, 2020; Kurian and Karthi, 2021).

BIPV-модулі, які зараз представлені на ринку, виготовлені на основі селеніду міді індію галію (CIGS) (Ritzen, 2019), телуриду кадмію (CdTe) (Sabry et al.)., 2018; Sun et al., 2020), тонкоплівкові технології, такі як амоний кремній (a-Si) (Dai et al., 2021), або сонячні модулі з кристалічного кремнію (c-Si) (Santoyo-Castelazo et al., 2021). У більшості технологій напівпрозорості можна досягти, наприклад, у навісних стінах або мансардних вікнах, шляхом розміщення непрозорих c-Si сонячних модулів на певній відстані один від одного або шляхом створення прозорого тонкоплівкового шару. Однак, коли прозорість зростає, ефективність модуля падає, оскільки менше сонячного світла поглинається фотоелектричним шаром і використовується для генерації електроенергії. Ritzen (2019) розробив оцінку життєвого циклу для конфігурацій BIPV за трьома типами фотоелектричних технологій, а саме: мідь-індій-галієвий (di) селенід (CIGS), амо-Si та мульти-Si, у трьох типах розташування BIPV на даху, тобто вентильованих з бамбуковою конструкцією, вентильованих з алюмінієвою конструкцією та невентильованих. Ця оцінка була застосована до трьох сценаріїв: циркуляція, переробка та повторне використання. Отримані результати продемонстрували, що при оцінці 100% переробки, 1 квадратний метр не вентильованої конфігурації amorf-Si показує найнижчий вплив на навколишнє середовище.

Sun et al. (2020) обговорили ефективність поєднання тонкоплівкових напівпрозорих фотомодулів з телуриду кадмію (CdTe) з прозорістю 50% і 10% та фотомодулів з кристалічного кремнію в якості вікна, що виходить на південь. Результати показали, що вікно з 10% прозорості напівпрозорого фотоелектричного модуля CdTe здатне покращити продуктивність фотоелектричних годин в діапазоні від 500 до 2 000 опромінень, що може ефективно зменшити можливість виникнення відблисків. Dai et al. (2021) досліджено гнучкий тонкоплівковий фотомодуль з амоного кремнію (a-Si) з розробкою BIPV в діапазоні сонячного випромінювання від 200 до 1 000 Вт/м2. Дослідження охоплювало такі параметри сонячних фотоелектричних модулів, як напруга відкритого контуру прийнятого a-Si фотомодуля, яка була знижена приблизно на 0.40% лінійно зі збільшенням на 1°C до температури 91.5°C максимум у порівнянні з органічним інтегрованим фотоелектричним модулем, який зменшується до 0.12% при підвищенні на 1°C до 78°C.

Щодо застосування інтеграції мультикристалічних кремнієвих модулів у будівлях, Santoyo-Castelazo et al. (2021) встановили сонячну фотоелектричну систему потужністю 12 модулів (3 кВт) з нахилом 20° на південь та інвертором 2.5 кВт. Ця система виробляє 1 282 кВт-год/кВт-год в середньому на рік при коефіцієнті корисної дії 0.75. Три традиційні фотоелектричні системи генерації, засновані на різних технологіях, були порівняні з фотоелектричною системою на основі мультикристалічного кремнію, оціненою в цьому дослідженні (мідно-індій-селенові сонячні модулі, амоний кремній та монокристалічний кремній). Результати показали, що оцінка життєвого циклу мультикристалічних кремнієвих модулів, порівняно з іншими системами, призводить до збільшення викидів забруднюючих речовин протягом усього терміну служби і майже завжди має менший екологічний тягар у більшості категорій впливу (шість з одинадцяти).

Покриття BIPV слугує одночасно елементом архітектурної мови будівлі та її водонепроникним бар’єром. Вивчення високоефективних фасадних продуктів і технологій, таких як фотоелектричні матеріали, девелоперами та архітекторами спонукають більш суворі будівельні вимоги та правила щодо екологічної стійкості та архітектури. BIPV є компонентом будівельних систем, на відміну від типових фотоелектричних систем, якщо брати до уваги контекст встановлення, виробничу послідовність, з’єднання, конструкцію та матеріали (Adamovic et al., 2017). фотоелектричні модулі значно покращилися з точки зору продуктивності, форми та кольору, щоб відповідати різноманітним варіантам фотоелектричної оболонки будівлі, оскільки архітекторам потрібна значна свобода дизайну щодо технологічних рішень для кастомізації оболонки будівлі (Hemmerle, 2017).

На додаток до того, що BIPV-модуль слугує в якості зовнішньої оболонки будівлі, він також може бути компонентом будівельної системи і може замінити традиційні будівельні елементи. За допомогою звичайних будівельних матеріалів системи BIPV усувають необхідність передачі тепла через огороджувальні конструкції (Oliveira et al., 2021). BIPV-системи часто поділяють на три категорії: дахи (модулі на легкій підкладці або прозорі ламінати для плоских дахів, модулі з інтегрованими сонячними модулями в якості елементів покриття даху, сонячні ламінати, фотоелектрична черепиця, фотоелектрична черепиця для даху тощо).) (D’Orazio et al., 2013), фасади (облицювальні стіни та навісні стіни з BIPV) та аксесуари (пристрої для затінення BIPV та балкони). Загальні категорії систем BIPV показані на рисунку 4, а посилання відповідно до класифікації типу установки BIPV перераховані в наступних підрозділах.

Поширені категорії типів інсталяцій BIPV.

2.2.1 Встановлення завіси

Martín-Chivelet et al. (2022) використовували навісні стіни та дощові екрани BIPV для оцінки двох стаціонарних моделей температури фотоелектричних модулів. Щоб охопити досліджувані монтажні конфігурації, експериментальні установки розташовували BIPV-модулі перпендикулярно та з різними умовами заднього краю. Чотири окремі метрики, коефіцієнт детермінації, середня похибка зміщення, середньоквадратична похибка та середня абсолютна похибка, були використані для порівняння фактичних та змодельованих температур протягом цілого року в якості експериментальної бази для оцінки кожної моделі. Оцінка показала, що модель є найбільш придатною для прогнозування річного виробітку фотоелектричної енергії в таких застосуваннях, як дощові екрани та навісні стіни. У цьому ж контексті було проаналізовано, випробувано та спроектовано навісні стіни BIPV, визначено їх потенціал застосування, а також запропоновано вдосконалення та пропозиції Лі та ін. (2021). Це може значно підвищити ефективність фотоелектричних модулів та забезпечити більш рівномірне освітлення в приміщенні. Згідно з даними, отриманими в режимі реального часу, коефіцієнт пропускання системи BIPV досягає 9.1% в ясну погоду). Зима мала найвищу ефективність генерації системи завіс BIPV (26.5%), а потім окремо осінь та літо. Крім того, завісні системи BIPV можуть задовольнити потреби в ізоляції будівель і створити більш стабільне середовище освітлення в приміщенні.

Методи покращення теплових характеристик, такі як нещодавно розроблений дефлектор потоку, напівпрозора фотоелектрична технологія, а не непрозора фотоелектрична технологія, та кілька входів, були оцінені Rounis et al. (2021). Згідно з результатами випробувань, теплова ефективність може досягати 33%. Позаду фотоелектричної панелі було виявлено, що схема з декількома входами за допомогою дефлектора потоку покращує теплові характеристики на 16% і знижує пікову температуру фотоелектричних модулів на 3%.5°C, з незначним покращенням електричної ефективності. Для моделювання конвективних явищ в системах BIPV необхідний більш розширений підхід, оскільки було виявлено, що зареєстровані числа Нуссельта мають погану або незначну узгодженість з формулюваннями, наведеними у відповідній літературі. Lai та Hokoi (2017) розробили вентильовані навісні стіни BIPV, які можуть автономно регулювати навколишнє середовище, використовуючи виштовхувальну силу, інтегруючи фотоелектричну систему, двошарову конструкцію та механізм теплового потоку. Обчислювальна гідродинаміка та повномасштабне експериментальне моделювання були проведені для дослідження теплових характеристик вентильованих навісних фасадів BIPV та характеристик структури потоку повітря в каналі за різних умов опалення, товщини стінок та типів отворів. Зберігаючи відповідні теплові характеристики стін, створені вентильовані навісні стіни BIPV успішно знизили надходження сонячного тепла. Хуанг та ін. (2018) надали ретельний аналіз теплових та електричних характеристик унікального вакуумного фотоелектричного склопакета. Порівняльне дослідження демонструє чудові теплоізоляційні можливості вакуумних фотоелектричних систем, які можуть зменшити надходження та втрати тепла в Харбіні (HB) та Гонконгу (HK) на 81.63% та 75.03%, відповідно. У різних кліматичних ситуаціях чиста економія енергії становить від 37.79% та 39.82% можна досягти, встановивши вакуумні фотоелектричні системи на всіх доступних фасадах прототипу будівлі.

2.2.2 Установка на даху (непрозора)

Встановлення біфазних сонячних панелей на пласких дахах комерційних будівель є хорошим підходом для збільшення виробництва. Двосторонній приріст в значній мірі визначається альбедо плоского даху. Складно передбачити вихідну потужність двосторонніх фотоелектричних систем з часом, оскільки вона змінюється в результаті забруднення та росту моху. Кілька попередніх досліджень обговорювали системи встановлення на даху, наприклад, дослідження Muehleisen et al. (2021), в якому оцінювалися біфазні фотоелектричні дахові системи з використанням 20 панелей, розташованих на даху, пофарбованих у білий колір, з оптимізаторами потужності та орієнтацією зі сходу на захід. Повідомлялося, що в порівнянні з панелями з 70% двосторонністю, яка є відношенням номінальної ефективності на передній стороні до ефективності на задній стороні, використання панелей з 92% двосторонністю дало до 3% більший дохід. На рисунку 5А показано приклад установки на даху (непрозорий).

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

(А) Приклад двосторонньої фотоелектричної установки на даху (непрозорої) зі штаб-квартирою в Каліфорнії (двосторонні модулі “Maxima” від Sunpreme пропонують потужність 380 Вт та узгодження імпедансу. PV Tech, 2022). (B) Приклад прозорої двосторонньої фотоелектричної установки (Yin et al.)., 2022). (C) Приклад вікна з прозорою двосторонньою фотоелектричною технологією, що використовується в готелі в Греції (проект ЄС SmartFlex завершує еталонний сонячний фасад | glassonweb.com, 2022). (D) Приклад настінної непрозорої фасадної двосторонньої фотоелектричної установки (Електроенергія зі стіни будинку. великий потенціал фасадів будівель для уловлювання сонячної енергії. Інститут екологічного міського та регіонального розвитку ім. Лейбніца, 2023 р.). (E) Приклад двосторонньої фотоелектричної системи на плоскому даху. (F) Приклад двосторонньої сонячної фотоелектричної установки типу дахового сонцезахисного навісу.

Відповідні припущення щодо площі модуля, ефективності модуля та співвідношення площ мають значний вплив на можливий розрахунок промислового фотоелектричного обладнання. Kutlu (2022) запропонував модель з відкритим вихідним кодом для оцінки потенційного виходу енергії п’яти різних модулів дахових ФЕС з різною ефективністю, яка була перевірена для всіх типів дахових ФЕС. Згідно з отриманими даними, найбільший результат дають тонкоплівкові (M5) і моно-Si напіврозрізані (M2) модулі в житловому секторі і моно-Si і M2 біфазні модулі (M3) в комерційних і громадських будівлях. Одномісячні дослідження моделювання та експлуатації були представлені Joge (2003), але без кількісних результатів, в той час як розрахунки енергетичного потенціалу двосторонніх фотоелектричних систем на даху протягом 1 місяця також були розглянуті в Дубаї, ОАЕ (Ahmad et al.)., 2021), для зменшення споживання та збільшення виробництва енергії. Для моделювання сонячних фотоелектричних панелей на даху та фасаді були використані різні конфігурації BIPV. Виробництво енергії збільшилося на 9.93% для двостороннього і 19.88% для доріжок на даху. Симуляція виходу енергії від двосторонньої сонячної фотоелектричної системи в листопаді склала 1965.4 кВт-год і склав 25625.9 кВт-год на рік в Дубаї, ОАЕ.

2.2.3 Двосторонній плоский дах

Встановлення біфазних сонячних панелей на пласких дахах комерційних будівель є хорошим підходом для збільшення виробництва. Двосторонній виграш в значній мірі визначається альбедо плоского даху. Складно передбачити вихідну потужність двосторонніх фотоелектричних систем з часом, оскільки вона змінюється в результаті забруднення і росту моху (Muehleisen et al., 2021).

На основі двосторонніх сонячних елементів були створені двосторонні фотоелектричні панелі, які зараз готуються до масового виробництва (Joge, 2003). На даху будівлі була побудована система, інтегрована в огорожу, як одне з застосувань для тестування польових характеристик біфазних фотоелектричних панелей. За результатами імітаційних досліджень та 1-місячної експлуатації було підтверджено наступне. 1) Система здатна виробляти електричну енергію, порівнянну з тією, що виробляє типовий однофазний масив, встановлений на південь з ідеальним нахилом. 2) У гарний день вихідна потужність швидко зростає зі сходом сонця і залишається практично незмінно високою до заходу сонця, що призводить до ідеального добового та річного розподілу потужності.

2.2.4 Прозорий фасад

Огороджувальні конструкції, особливо фасади, є важливим компонентом, оскільки вони впливають на внутрішні теплові навантаження, а також забезпечують значний простір для генерації енергії. Однак, багато елементів конструкції впливають на ефективність роботи біфазних сонячних модулів. Таким чином, для застосування біфазних сонячних модулів на будівлях слід провести аналіз продуктивності біфазних фотомодулів. Цей аналіз повинен враховувати різні фактори проектування та відображати різноманітні умови встановлення. Прозора біфазна фотоелектрична система була розглянута Muehleisen et al. (2021), порівнюючи його з відповідним показником для чорного заднього листа, де результати показали виграш у 17% відносно 15%. Сонг та ін. (2022) розглянули прозорі біфазні сонячні модулі в дизайнерських сферах, де узагальнено переваги та теорії біфазних модулів. У дослідженні обговорювалися екологічні та економічні витрати, довговічність пристрою та вихідна потужність. Прозорий двосторонній напівпрозорий фотоелектричний пристрій з естетично приємними кольорами та емоційно нешкідливими характеристиками був розроблений Myong та Jeon (2016), поєднуючи колір заднього скла за допомогою прозорого заднього контакту та тестування при ідеальному куті нахилу 30°. Коефіцієнт корисної дії напівпрозорого фотомодуля становив близько 124.5% практично, що значно перевищує його прогнозоване значення, отримане в результаті моделювання. Двостороння фотоелектрична генерація може компенсувати втрату зменшеного прямого опромінення площини решітки при більшому куті нахилу, оскільки відбите альбедо має тенденцію до зростання в напрямку вищих градусів нахилу. Збираючи відбите та освітлене світло, прозора двостороння фотоелектрична система підходить для вертикально встановлених фотоелектричних модулів BIPV для використання в шумозахисних бар’єрах, дахах, фасадах та навісних стінах (Myong and Jeon, 2016). Висновки Kang et al. (2016) вказали, що аспекти проектування прозорого простору та відбивна здатність мають найбільший вплив на рівень продуктивності. Відстань між модулем і стіною менше впливає на продуктивність. Залежно від компонентів конструкції, двосторонній BIPV-модуль забезпечував вихід до 30% вище, ніж вихід односторонніх фотомодулів. Коефіцієнт прозорого простору не менше 30% повинен бути присутнім у самих двосторонніх модулях BIPV. Двосторонні BIPV-модулі з коефіцієнтом прозорості 40% і вище слід використовувати, коли на зовнішній стіні використовується темний колір з відбивною здатністю 50% або менше. Приклад прозорого двостороннього фотомодуля показаний на рисунку 5B.

Для того, щоб захопити більше сонячної енергії та гарантувати вищу ефективність, ніж традиційні ФЕМ, були розроблені двосторонні прозорі перовскітні сонячні модулі (BTPSC) (Gao et al., 2017). Важливим фактором у досягненні ефективності фотоелектричного обміну був коефіцієнт пропускання та опір Au електродів (PCE). Максимальне значення PCE 14.74% було досягнуто за рахунок покращення здатності сконструйованих BTPSC збирати світло. Крім того, було показано, що основними змінними, що впливають на ПКЕ, є кут освітлення та інтенсивність відбитого світла. Ці BTPSC можуть бути використані для інтеграції фотоелектричних модулів у будівлі, наприклад, у венеціанських жалюзі або напівпрозорих фотоелектричних вікнах.

2.2.5 Балконні вікна (прозорі)

Раніше вважалося, що фотоелектричні модулі можна встановлювати виключно на дахах будівель. Однак зараз існує безліч типів фотоелектричних модулів, які можна встановлювати на різних поверхнях будівель, включаючи балкони, вікна та навісні стіни. З огляду на те, що дизайн компонування (орієнтація модулів, розташування, тип і розмір) має значний вплив на продуктивність фотоелектричної системи, важливо провести ретельне моделювання потенціалу випромінювання на різних поверхнях будівлі, щоб визначити найбільш ефективну схему розміщення фотоелектричних модулів. Салімзаде та ін. розглянули приклад високого хмарочоса в Монреалі, Канада. (2020), в якому різні сценарії були ретельно порівняні та розроблені з точки зору витрат та енергії. У дослідженні представлена модель для початкових інвестицій у порівнянні з середньорічною рентабельністю інвестицій (регіон, що представляє інтерес) на відміну від терміну окупності. Ця модель може допомогти інвестору розпізнати правильний інвестиційний підхід відповідно до бюджетних обмежень. Наприклад, якщо досяжний фінансовий план для встановлення фотоелектричних компонентів на нульовий рік становив 100 тис. євро, інвестор може очікувати періоди окупності 3, 5, 10, 15, 20 і 25 років з рентабельністю інвестицій 18%, 30%, 36%, 37%, 36% і 34%, відповідно. Приклад вікна з прозорими двосторонніми фотоелектричними модулями показаний на рисунку 5C.

2.2.6 Настінний непрозорий фасад

Частково вентильований і прозорий фотоелектричний фасад, інтегрований в огороджувальні конструкції енергоефективної будівлі, постійно зростає. Така установка використовує теплообмін між основною стіною будівлі, фотоелектричним фасадом та повітрям у порожнині для рекуперації тепла взимку (механічна вентиляція) та охолодження фотоелектричних модулів влітку (за допомогою природної конвекції). У порівнянні зі звичайною стіною, непрозорий вентильований фотоелектричний/тепловий (PV/T) фасад може скоротити тепловий потік через зовнішні огороджувальні конструкції на 40% (Liang et al., 2020). Конкретний PV/T-фасад може бути гібридним модулем, виготовленим з одностороннього надувного пластинчастого колектора, сонячних модулів, скляної ламінації та етилен-вінілацетату. За словами Ляна та ін. (2020), результати середньої ефективності фотоелектричного перетворення можуть досягати близько 9%, а коефіцієнт корисної дії розробленої системи може досягати 3.1%. Приклад настінного непрозорого фасадного двостороннього фотомодуля показаний на рисунку 5D.

Саадон та ін. (2016) обговорили моделювання фотоелектричного фасаду, інтегрованого в енергоефективну огороджувальну конструкцію, яка частково вентилюється та є прозорою. Повідомляється, що вплив фасаду на потреби в теплі є мінімальним, оскільки ці потреби є низькими для кожного місця, проаналізованого в Тулузі, Франція. Було виявлено, що вимоги до вентиляції дещо вищі для всіх виміряних місць.

Сьюзан і Вардхані (2020) розглянули випадок Університету Чіпутра, який є будівлею, спроектованою з урахуванням екологічних аспектів. Метою цього дослідження було відстежити зусилля, спрямовані на максимізацію виробництва електричної енергії з відновлюваних джерел енергії та кількість оптимальної електричної енергії, виробленої в порівнянні з вимогами мобільного зеленого будівництва. Використовуючи найкращий кут нахилу та орієнтації, фотоелектричні панелі були інтегровані в компоненти фасаду будівлі (затінюючий пристрій, прозора стіна, непрозора стіна та дах). Результат продемонстрував, що 6-22% від необхідної максимальної потреби в енергії може бути заміщено за рахунок використання концепції BIPV. Прогнозована ефективність виробництва електроенергії за допомогою BIPV становить від 8% до 9%.5%, без впливу температури зовнішнього повітря та швидкості вентиляційного потоку на охолодження фотоелектричних модулів. Всього 7.5%-4.5% добового сонячного випромінювання може бути використано як надходження тепла через непрозорі огороджувальні стіни, а від 75% до 35% добового сонячного випромінювання може бути використано для попереднього нагрівання повітря для вентиляції приміщень (Domjan et al., 2020).

2.2.7 На плоскому даху

Сталі будівлі з біфазними фотоелектричними модулями, встановленими на пласких дахах, є ефективним методом підвищення біфазного коефіцієнта підсилення, а отже, і виходу енергії, що визначається альбедо плаского даху. Складно передбачити вихідну потужність біфазних фотоелектричних систем з часом, оскільки вона змінюється в результаті росту моху та забруднення. Приклад біфазного фотомодуля, встановленого на плоскому даху, показаний на малюнку 5E.

На даху будівлі, інтегрованої в огорожу, було встановлено невелику установку з 20 панелями, включаючи манекени, для вивчення впливу біфазних фотоелектричних систем на даху (Joge, 2003). Комерційний двосторонній фотоелектричний модуль, що підтримує конструкцію, був встановлений на пофарбованому в білий колір плоскому даху, щоб забезпечити ідеальну продуктивність (Muehleisen et al., 2021). Повідомляється, що спочатку орієнтовані на схід і захід панелі двостороннього модуля з прозорою задньою панеллю перевершували панелі модуля з чорною задньою панеллю на 17% і 15% відповідно. Через втрату альбедо через ріст моху і забруднення, після 1 року експлуатації, панелі, орієнтовані на схід і захід, все ще забезпечували вимірювану вигоду в 7% і 5%, відповідно. У порівнянні з панелями з 70% двостороннім розташуванням, використання панелей з 92% двостороннім розташуванням дало до 3% більший вихід електроенергії.

2.2.8 Тип дахового сонцезахисного козирка

Фотоелектричні панелі можуть бути з’єднані зі спорудами різними способами, включаючи мансардні вікна та сонцезахисні козирки, що не тільки допомагає виробляти енергію, але й створює теплову енергію та денне світло. Це також покращує естетичну привабливість будівлі. Будівельна галузь споживає більше третини світової енергії. В одному дослідженні вивчалися типи встановлення мансардних вікон та сонцезахисних козирків у Варанасі, Індія (Gupta and Tiwari, 2017). Повідомляється, що ефективність перетворення протягом життєвого циклу, коефіцієнт виробництва енергії та час окупності енергії для середньодобової сонячної радіації = 450 Вт/м2 та ΔT = 8°C були отримані рівними 0.47 років (на 300 років), 19.58 років (на 300 років) та 15.32 роки, відповідно. Приклад двостороннього фотоелектричного модуля для дахового сонцезахисного козирка показаний на Рисунку 5F.

2.3.1 Програмне забезпечення для моделювання

Методи моделювання та оптимізації мають велике значення для аналізу системи BIPV. В академічних дослідженнях робота з моделювання зросла завдяки останнім технологічним досягненням. Ці досягнення роблять аналіз та проектування систем BIPV простішими та доступнішими. У таблиці 3 перераховані програми, які використовуються для проектування та аналізу.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 3. Програмне забезпечення та програми моделювання, які використовуються для оптимізації, проектування та аналізу систем BIPV.

Загалом, моделювання було виконано для оцінки продуктивності BIPV шляхом ретельного аналізу рідини та температури. Для проведення теоретичних розрахунків також було використано програмне забезпечення, яке вирішує складні математичні рівняння. Saretta та ін. (2020) запропонували обчислювальну методику для узгодження архітектурних характеристик фасадів з поточним аналізом фотоелектричного випромінювання з використанням типологічних показників будівлі. У цьому ж контексті Таблада та ін. (2018) представили концепцію продуктивного фасадного методу для інтеграції фотоелектричних модулів як елементів затінення та для сільськогосподарських плантацій. Максимальні фасадні системи були встановлені на основі умов, наявності ресурсів та контексту Сінгапурської лабораторії тропічних технологій, де вони були встановлені. Салімзаде та Хаммад (2017) обговорили оптимізацію розташування фотоелектричних панелей на балконних вікнах шляхом оптимізації розташування, кількості та розміру фотоелектричних модулів для досягнення максимальної генерації енергії та максимальної потужності панелі.

2.3.2 Майбутні тенденції

Існуючі дослідження продемонстрували, що BIPV-системи є перспективним напрямком для підтримки виробництва енергії в будівлях з майже нульовим споживанням енергії, особливо коли BIPV-система є двостороннім фотоелектричним типом. Однак збір нерівномірно розподіленої освітленості зворотного падіння є дуже складною проблемою в системах BIPV, і більшість досліджень не в змозі обробляти величезні набори змінних плану і автоматично надавати колекцію різних найкращих проектів. На клітинному, модульному та системному рівнях все ще існує багато можливостей для розвитку та оптимізації двосторонніх фотоелектричних систем. Документ, опублікований NREL (Sahu et al)., 2021) надає короткий огляд технічних тем віртуального семінару Bifacial PV Workshop 2020. Двосторонні фотоелектричні модулі з оптимізацією потужності можуть бути одним з рішень для підвищення надійності BIPV-систем. Тому в цій роботі порівнюються стратегії оптимізації на основі нормальних та двосторонніх фотоелектричних установок.

Опитування щодо пов’язаних оглядів

Відповідно до зібраних публікацій у галузі BIPV, кілька оглядових досліджень обговорювали такі системи з точки зору проектних топологій, застосувань, типів установок, виходу енергії, методів оптимізації, розкоші та теплового комфорту. У Таблиці 4 перераховано кілька цінних літературних досліджень, класифікованих за сферою виходу електричної енергії та теплової продуктивності з відповідними застосуваннями.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 4. Літературні дослідження, класифіковані відповідно до регіону інтересу, з їх FOCUS та важливими висновками.

Таблиця демонструє ряд моментів, на які можна звернути увагу. Для областей виходу електричної енергії та теплової продуктивності, дослідження Biyik et al. (2017), Pandey (2016) та Yu et al. (2021) принесуть користь дослідникам та практикам, які працюють над проєктуванням, аналізом, моделюванням, оцінкою ефективності, фінансовим розвитком та стимулюванням систем BIPV або зацікавлені в них, а також новими методами та тенденціями. Вихід електричної енергії має цікаві напрямки, такі як роботи Zahedi (2006), Martín-Chivelet et al. (2018), Акбарі та ін. (2019), Іршад та ін. (2019), Ідзковскі та ін. (2020), Dai and Bai (2021), Singh et al. (2021), Uzum (2021) та Lamnatou et al. (2022), в якій розглянуто функцію зберігання енергії для фотоелектричних систем в умовах перспективного розвитку накопичення енергії, надано оцінку між перевагами та недоліками ключових методів, а також досліджено методи вирішення, які використовують машинне навчання, глибоке навчання та оптимізацію на основі штучного інтелекту. Згідно з цими дослідженнями, можна досягти збільшення на 22% потенційного енергозбереження та зниження температури в приміщенні на 5°C-10°C порівняно з навколишнім середовищем. Категоризація інтегрованих у фасади будівель фотоелектричних теплових систем показана на Рисунку 6.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Категоризація інтегрованих у фасад будівлі фотоелектричних теплових систем.

У зв’язку з екологічними проблемами, необхідністю енергетичної незалежності та високою вартістю викопних видів палива, технології відновлюваної та сталої енергетики вийшли на перше місце. Очікується, що дослідники та практики, які працюють або зацікавлені у фінансовому розвитку, оцінці ефективності, моделюванні, аналізі, проектуванні, стимулюванні, інноваційних підходах та тенденціях систем BIPV, отримають користь від таких ретельних оглядових досліджень. Інтелектуальне управління попитом повинно використовуватися в поєднанні з ефективними та доступними рішеннями для зберігання енергії, щоб фотоелектричні системи були повністю інтегровані в мережі. Збільшення використання енергії, виробленої за допомогою фотоелектричних технологій, стане вирішальним для підтримки цілісності енергосистеми, оскільки світовий ринок сонячної фотоелектрики розширюється і перевищує 76 ГВт. Аналіз всіх різних систем зберігання електричної та теплової енергії, які можуть бути поєднані з фотоелектричними системами, був розглянутий Акбарі та ін. (2019). Поряд з функцією зберігання енергії для фотоелектричних систем в контексті майбутніх удосконалень в області зберігання енергії, розглядалася інтеграція фотоелектричних систем зберігання енергії в “розумних” будівлях (Pandey, 2016). BIPV має чудові можливості інтеграції для забезпечення електричних і теплових навантажень у будівлях. Біїк та ін. (2017) ретельно дослідив продуктивність, ефективність, номінальну потужність, кількість виробленої енергії та типи методів оцінки застосування BIPV та теплових BIPV. Встановлено, що двома основними напрямками досліджень BIPV є: 1) підвищення ефективності системи за рахунок вентиляції, що призводить до кращої продуктивності при нижчій температурі панелей, і 2) передові тонкоплівкові технології, які чудово підходять для інтеграції в будівлі.

Сонячні колектори та фотоелектричні перетворювачі поєднуються з фасадами будівель для виробництва електричної та теплової енергії. В результаті, навантаження на охолодження/опалення будівель може бути зменшене, а ефективність використання сонячної енергії може бути значно підвищена. Таким чином, таке застосування пропонує життєздатний спосіб створення будівель з низьким або навіть нульовим споживанням енергії за рахунок різкого скорочення енергоспоживання будівлі (Yu et al., 2021). Чан (Chan, 2019) представив дослідження для вибору та ідентифікації 25 доступних комерційних будівель з різним ступенем прилеглого затінення [з точки зору орієнтації та діапазону (0.16-0.95) фактор виду на небо]. Загальна встановлена фотоелектрична потужність в деяких країнах, таких як Індія, досягла 33.7 ГВт до кінця грудня 2020 року, як повідомляє Редді (2020), який заявив, що з точки зору зменшення навантаження на систему опалення, вентиляції та кондиціонування повітря на будівлю, системи BIPV є найкращим варіантом для індійського контексту. Загальний огляд системи BIPV, включаючи використані моделі, результати та вхідні дані, показано на Рисунку 7.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Загальний огляд системи BIPV, включаючи використані моделі (синім кольором), результати моделювання (білим кольором) та вхідні дані (червоним кольором) (Cavadini and Cook, 2021).

У сфері оптимізації енергоспоживання дослідження Mellit (2020), Hashempour et al. (2020), і Ramos et al. (2021) представляє концепції, що підтримуються формулюванням труднощів оптимізації, які пояснюються адміністратором суспільства, особливостями комфортного середовища та деякими типами погодних умов, за винятком теплового комфорту. Liu et al. (2021) проаналізували сферу електричної енергії та сонячного випромінювання, щоб представити цінну інформацію для розширення схем BIPV на ділянках з високим сонячним випромінюванням. В іншому контексті, Zhou (2021) розглядає лише питання теплової енергії. Повідомляється, що BIPV можуть підвищити ефективність комплексного використання сонячної енергії та представити оригінальні ідеї для потенційних досліджень щодо оплати за зібрану енергію. Нарешті, дослідження Barzegkar-Ntovom et al. (2020) оцінює економічну життєздатність гібридних систем PV та накопичувачів для BIPV-систем.

У цих дослідженнях BIPV-системи були детально розглянуті з точки зору проектних топологій, застосувань, типів установок, виходу енергії, методів оптимізації, розкоші та теплового комфорту. Однак усі дослідження розглядають інтеграцію фотоелектричних модулів з мало- та великомасштабними будівлями, але не з двофазними фотоелектричними модулями.

Інтегровані будівлі на основі двосторонніх фотоелектричних модулів

Якщо електроенергія, що генерується за рахунок біфазності, буде вловлюватися, то біфазні фотомодулі можуть стати переконливою заміною монофазним фотомодулям навіть у контексті комбінацій будівель. Двосторонні фотомодулі здатні виробляти більше енергії, ніж звичайні фотомодулі (Appelbaum, 2019). Вплив двостороннього фотоелектричного модуля на внутрішнє середовище ускладнюється термоелектричним ефектом, який виникає через втрати на задній панелі модуля. За допомогою експериментів та моделювання фотоелектричної будівлі (Zhao et al., 2022), досліджуючи внутрішнє середовище біфазних фотоелектричних модулів як огороджувальних конструкцій, було виявлено, що оптимізаційний дизайн значно покращив внутрішнє середовище та підвищив річний тепловий комфорт приблизно на 8%.

У моделюванні будівель з інтегрованими активними фасадами була представлена чисельна модель, яка дозволяє оцінити теплову та електричну енергетичну рівновагу фасадів BIPV Tina et al. (2021). Двофазний фотоелектричний фасад зі скла та скла генерує приблизно на 5% більше енергії, ніж однофазний фасад BIPV, згідно з розрахунками, зробленими з використанням метеорологічних даних з Катанії, Італія. Kim et al. (2021) обговорили двосторонні BIPV для будівель з нульовим споживанням енергії для досягнення високої вихідної потужності за рахунок збору світла з обох сторін, але збір нерівномірно розподіленого світла, що падає назад, є дуже складною проблемою у двосторонніх BIPV.

Для віконних застосувань BIPV були використані пасивні сонячні концентратори, виготовлені з плівки (Cook and Al-Hallaj, 2019). Для того, щоб змусити віконне скло діяти як хвилевід і направляти світло на тильну сторону двосторонніх BIPV-модулів, були використані мікрофасетки для створення повного внутрішнього відбиття. В експериментальній перевірці були використані дві легкодоступні плівки. Обидві плівки зробили модуль пасивним сонячним концентратором, дозволяючи сонячній енергії досягати задньої сторони модуля в діапазоні кутів падіння, що розглядалися. Максимальний показник становив 35.1% збільшення потужності. Результати показують, що оптичні компоненти на основі плівки можуть бути використані в BIPV в якості пасивних сонячних концентраторів. За даними Appelbaum (2019), продуктивність вертикального монтажу для екваторіальних регіонів двосторонніх фотоелектричних панелей незначно поступається продуктивності широтного монтажу. Одна модель для двостороннього застосування BIPV, яка досягла точності 99%, описана Alam et al. (2021) з використанням методу генерації скінченно-елементних сіток для формування квазі-однорідних сіток.

Річна падаюча енергія (глобальна енергія, дифузна та променева) на козирки, що складаються зі звичайних та біфазних фотомодулів, розрахована Appelbaum et al. (2019) разом з коливанням тіней, що створюються навісами на дверях, вікнах та навісах для автомобілів. Частина тильної сторони біфазного фотомодуля отримує відбиту енергію (5% або більше) від землі та стін. При середній температурі фотоелектричних модулів, що досягає 68.3°C у теплу пору року, значний тепловий градієнт спостерігається по всьому фасаду, як і очікувалося, і здебільшого спричинений альбедо ділянки. Креативний фасад генерував 63.8 кВт-год/м2 сукупної електричної енергії щорічно, з коефіцієнтом корисної дії 0.7 а середньорічна ефективність склала 6.28%. У порівнянні з еталонним показником, спостерігається значне зниження загального енергоспоживання будівлі до 92% протягом зими (Assoa et al., 2021). Кут нахилу викликає зміни в рівновазі потужності двох різних типів фотомодулів, біфазних і монофазних, які обговорювалися в роботі Bilčík et al. (2020). Щоб перевірити ефективність інтегрованої двосторонньої сонячної фотоелектричної системи та технології “холодного даху” для збільшення виробництва сонячної енергії та зменшення енергоспоживання будівлі, Ахмад та ін. (Ahmad et al.). (2021) представив дизайн та аналіз продуктивності двосторонньої сонячної фотоелектричної системи для енергоефективного будинку з системою відстеження та без неї. Завдяки поєднанню декількох технологій виробництво енергії збільшилося на 19.88% для відстеження на даху, 9.93% для двофазності та 10.14% для моніторингу фасаду. Система відстеження самоспоживає зі швидкістю 4.66%. Порівнюючи результати з результатами традиційної монофазної стаціонарної установки, загальне покращення склало 35.було відзначено 29%. Потужність енергетичної системи в результаті моделювання склала 25 625.9 кВт-год на рік. Потужність двосторонньої сонячної фотоелектричної системи в листопаді склала 1 965.4 кВт-год. У таблиці 5 представлено коротке порівняння раніше проведених досліджень для двосторонніх фотоелектричних панелей для інтегрованих будівель.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 5. Порівняльна таблиця раніше проведених досліджень для будівель з двосторонніми фотоелектричними модулями.

Одноповерхові сонячні фотоелектричні будівлі

З метою уловлювання сонячної енергії за допомогою фотоелектричних установок та споживання тепла було розширено інтегровану в будівлю багатофункціональну покрівельну систему. Ця система мінімізує ефективність фотоелектричних установок та усуває трудові та матеріальні надлишки стандартної фотоелектричної системи. Ельнош та ін. (2018) досліджували фотоелектричні модулі, орієнтовані на південь, протягом 2 років у Дубаї, Об’єднані Арабські Емірати, під трьома різними кутами нахилу (5, 25 і 90). Було виявлено, що хоча кут нахилу не впливає на температурні втрати, він має значний вплив на втрати від забруднення, причому менші кути нахилу призводять до більших втрат від забруднення. Результати дослідження можуть бути використані для вибору найкращої технології, типу та кута нахилу фотомодулів для будівельних фотоелектричних установок (BAPV), які частково або повністю живляться від сонячних фотоелектричних модулів, та інтегрованих фотоелектричних систем у різних географічних точках. Модифікована будівельна система, в якій звичайні фотоелектричні модулі інтегровані з вентильованим фасадом, також обговорювалася Martín-Chivelet et al. (2018). У дослідженні повідомляється, що для типового метеорологічного року прогнозується, що підключена до мережі фотоелектрична система вироблятиме 20 МВт-год електроенергії щорічно. Ця сума дорівнює 4.6% від 432 МВт-год/рік загального річного споживання електроенергії будівлі до проекту реабілітації. Протягом цілого року, з жовтня 2016 року по вересень 2017 року, відстежувалося виробництво 19 МВт-год/рік. Після завершення енергетичної модернізації, включаючи заміну вікон та освітлення, очікується скорочення споживання енергії на 30%. Тоді фотоелектрична енергія становитиме 6.6% від загального споживання.

Двома основними методами підвищення енергетичної стійкості будівель на рівні мікрорайону є впровадження відновлюваних джерел енергії та архітектурна реабілітація, хоча одночасна оптимізація цих процесів є складним завданням. Результати дослідження Guen (2018) демонструють, що модернізація всіх будівель зменшує потребу в опаленні приміщень на 70%-85% і зменшує коливання попиту на енергію, що дозволяє інтегрувати додаткову відновлювану енергію. Згідно з розрахунками, BIPV можуть задовольнити річне енергоспоживання всього села. Оцінка енергосистеми показує, що навіть з інтеграцією недиспетчеризованих технологій відновлюваної енергетики складно вийти за межі 60%. Як наслідок, з’явилися можливості для встановлення фотомодулів у подвійних фасадах. Бажано розміщувати фотоелектричні модулі подалі від південних стін будівлі, щоб забезпечити відведення тепла, запобігти перегріву та зберегти ефективність (Zogou and Stapountzis, 2011). У тому ж контексті, згідно з дослідженням австралійського міста Мельбурн, більша частина потенціалу сонячної енергії міста забезпечується фотоелектричними установками на дахах будинків. Однак показано, що фотоелектрична перспектива вікон стає більш вираженою для конкретних будівель з високою компактністю засклення та висотних будівель (Panagiotidou et al., 2021). Описаний тут технологічний робочий процес дозволяє різним містам спростити прийняття рішень щодо досягнення фотоелектричної енергії в міських умовах (Panagiotidou et al., 2021).

Коефіцієнт корисної дії (ККД), який є відношенням виміряної потужності до очікуваної потужності за певний звітний період, для системи BIPV, підключеної до мережі на дослідному майданчику, виявився на рівні 71.21%, в той час як PR для стаціонарних фотоелектричних систем був визначений на рівні 75.1%. Це справедливо для підключених до мережі фотоелектричних систем (Makinde et al., 2021). За оцінками дослідження, дахи та фасади будівель кампусів можуть генерувати 8.1 ГВт-год фотоелектричної енергії на рік, що може покрити 10% поточного попиту на енергію, тоді як кампус в цілому потребує 82.6 ГВт-год електроенергії щорічно (Zhou, 2022). У таблиці 6 представлено коротке порівняння раніше проведених досліджень для однофасадних будівель з фотоелектричною інтеграцією.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

ТАБЛИЦЯ 6. Порівняльна таблиця раніше проведених досліджень для однофасадних PV-інтегрованих будівель.

Як показано в Таблиці 6, невідповідність просідань напруги мережі постійного струму та проблеми управління передачею енергії для фотоелектричної мікромережі рідко визнаються. Замість рейтингових систем, заснованих на тому, наскільки ефективно вони перетворюють або транспортують енергію протягом дня, всі опубліковані дослідження конкурують на прискоренні МПП. Виклик полягає в отриманні значень MPP при використанні високої частоти вибірки. Ця проблема є критичною для MPPT у підключених до мережі фотоелектричних системах без акумуляторів, що, в свою чергу, вимагає швидкого процесора та пам’яті. Силові модулі можуть піддаватися більшому навантаженню і мати менший термін експлуатації через ці високі частоти перемикання (Jia et al., 2018). Таким чином, перемикання на дещо нижчій частоті та підтримання стабільної напруги постійного струму є важливими для того, щоб система мікромереж виробляла якісну електроенергію та надійно функціонувала.

Будівлі з нульовим споживанням енергії, інтегровані з фотоелектричними модулями

Ідея “будівель з нульовим споживанням енергії” фокусується на підвищенні енергоефективності огороджувальних конструкцій будівлі, а потім на використанні відновлюваних джерел енергії для забезпечення балансу попиту на енергію. У цій ситуації фотоелектричні системи пропонують надійний варіант постачання електроенергії як у нових, так і в існуючих структурах. Концепція будівель з майже нульовим споживанням енергії (nZEB), запропонована Тіною (2020), наголошує на покращенні енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій та інтеграції ВДЕ для задоволення попиту на енергію. Коли двосторонні фотомодулі вмонтовані у фасад будівлі, вони працюють як активна система, що виробляє “зелену” енергію, так і пасивна система, яка зменшує потребу в охолодженні будівлі. Було показано, що двосторонні фотомодулі скло-скло можуть виробляти енергію, яка приблизно на 5% вища, ніж у односторонніх фотомодулів (Tina, 2020). Напівпрозора фотоелектрика (STPV) або фотоелектричні пристрої затінення (PVSD). це два приклади BIPV, які зосереджені на вікнах і пропонуються як ефективні методи для виробництва електроенергії та підвищення енергоефективності будівель (Skandalos and Karamanis, 2021). Однак, оскільки на розробку прозорого віконного скла з хорошою видимістю пішло більше тисячі років, заміна скла на сучасні фотоелектричні концепції вимагає ретельного розгляду енергетичних та екологічних наслідків. Існує мало порівняльних досліджень запропонованих варіантів інтеграції фотоелектричних систем та найкращих інтеграційних рішень для різних кліматичних регіонів, незважаючи на велику кількість опублікованих досліджень про ефективність кожної технології.

BIPV є ефективною технологією для досягнення нульового енергоспоживання будівель (ZEB) за рахунок використання сонячної енергії. Система BIPV може легко інтегрувати фотоелектричні модулі в зовнішні поверхні будівлі, такі як стіни, дахи, затінюючі пристрої та декоративні компоненти. Поверхні BIPV можна використовувати на дахах і фасадах, а на їх ефективність і продуктивність впливають такі фактори, як напрямок, тінь і відбиття від поверхні (Boccalatte et al., 2020). Виявлено, що річні критерії NZED задовольняються в цьому випадку шляхом збору сонячної енергії на 60% дахів і 60% загальної площі фасадів, при цьому втрати у виробництві енергії на одиницю площі фотоелектричної установки становлять 11% через ефекти “затемнення”, спричинені фотоелектричними установками навколишніх будівель.

Для досягнення максимального потенційного фінансового результату операційні витрати на електроенергію для замку, зважені з тарифом на подачу електроенергії в утиліту (Gremmelspacher et al., 2021), азимут і нахил другої фотоелектричної системи були оптимізовані для максимального виробництва електроенергії. У цьому дослідженні було використано дев’ять фінансових сценаріїв для вивчення життєздатності обох фотоелектричних систем за допомогою розрахунку вартості життєвого циклу з використанням методу чистої теперішньої вартості. Порівняння первинної енергії, виробленої та використаної історичною будівлею, було надано для двох сценаріїв, і воно продемонструвало, що об’єкт дослідження може досягти чистого ZEB.

Шанкар та ін. запропонували для офісної будівлі розумну систему освітлення, що включає збір денного світла за допомогою BIPV. (2021), щоб зменшити споживання енергії та покращити візуальні вподобання орендарів. Для запропонованої системи в ZEB були підкреслені переваги низьковольтної системи електропостачання постійного струму. Крім того, було досліджено потенціал енергозбереження в запропонованій системі штучного освітлення з BIPV в якості огороджувальних конструкцій будівлі з урахуванням візуальних уподобань мешканців за різних умов небосхилу. Результати дослідження показали, що енергія, вироблена BIPV-модулем, може повністю забезпечити запропоновану систему освітлення. Крім того, було помічено значну кількість додаткової енергії. Порівнюючи результат з існуючою мережею, вирівняна вартість електричної енергії (LCOE), яка є визначенням середньої чистої поточної ціни виробництва електроенергії генератором з урахуванням терміну його служби, визнана компетентною.

Оптимізація BIPV-систем

Інтегрований в будівлю дизайн фотоелектричних огороджувальних конструкцій вимагає врахування значної кількості характеристик, пов’язаних з фотоелектричними перетворювачами та огороджувальними конструкціями, а також конкуруючих стандартів продуктивності. Таким чином, оптимізація дизайну BIPV має важливе значення і зараз є складним завданням, яке обговорюється в декількох дослідженнях. Руссо (2012) заявив, що з покращеними навичками прогнозування можна буде розробляти більш ефективні інтегровані в будівлю фотоелектричні системи та максимізувати збір енергії з систем з незвичними умовами монтажу (Сьюзан, 2021).

Samarasinghalage et al. (2022) запровадив систему, яка включає кілька параметрів проектування огороджувальних конструкцій на додаток до характеристик, пов’язаних з фотоелектричними системами, таких як тип фотоелектричного продукту, розташування фотоелектричних модулів, співвідношення вікна до стіни (WWR) та кут нахилу. В результаті дослідження було складено список найкращих можливостей проектування BIPV на основі різноманітних цілей, структурних характеристик та фотоелектричних продуктів. Найкращий BIPV-продукт та характеристики поверхні будівлі для певного критерію ефективності є прикладами альтернативних конструкцій. Висновки Samarasinghalage et al. (2022) продемонструвало, що MOO є функціональним для раннього вибору дизайну BIPV на основі технічних енергетичних та вартісних факторів. Jung et al. (2021) оцінили вироблення електроенергії фотоелектричними установками та зменшили тепловий вплив вікон за допомогою мобільного пристрою затінення та з використанням підходів штучного інтелекту для аналізу впливу на тепловіддачу вікон. В роботі було виявлено, що коефіцієнт теплопередачі вікон в ANN-контролі становив 86.на 3% нижче в період охолодження та на 9.на 7% нижче під час опалювального періоду. Крім того, в період охолодження фотоелектрична система генерувала 3.0%-3.на 1% більше електроенергії за умови належного контролю. Діаграма співчуття, що показує методологію для автономних та підключених до мережі BIPV-модулів, показана на Рисунку 8.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Діаграма співчуття, що показує методологію для автономних та підключених до мережі BIPV-модулів: (A) автономний BIPV, (B) підключений до мережі BIPV.

Fathabadi (2015) запропонував план з використанням батареї фотоелектричних перетворювачів для підвищення енергоефективності BIPV. Результати як змодельованих, так і реальних експериментів показали збільшення приблизно на 10% та 9.3% в енергоефективності, відповідно, в той час як дослідження Chen et al. (2019) представили порівняльний аналіз з методом цілісної оптимізації дизайну. Аналіз чутливості на основі дисперсії та скринінгу поєднується з генетичним алгоритмом сортування без домінування-II (NSGA-II) та гібридною оптимізацією рою частинок з пошуком узагальненого шаблону в методі цілісної оптимізації дизайну (HGPSPSO). Це дослідження провело експерименти в умовах спекотного літа та теплої зими в Гонконзі та повідомило, що чистий попит на будівництво може бути зменшений до 71.36% з ідеальною проектною конфігурацією. Omar et al. (2022) запропонували підхід до переходу від традиційного навчального закладу до будівлі з нульовим споживанням енергії (NZEB). Для того, щоб застосувати таку систему стратегій модернізації на практиці, в якості прикладу було обрано будівлю школи в Єгипті. Виявлено, що оптимальними розмірами є 140 кВт та 120 кВт, з капітальними витратами 30 399 та 98 000 для інвертора та фотоелектричного комплекту, відповідно. Ці компоненти інтегровані в будівлю після підвищення її енергоефективності. Крім того, системі PV/мережа для нового навантаження знадобиться 24 роки, щоб окупити всі свої витрати (після використання методу модернізації).

Результати цих досліджень можуть бути використані на ранніх стадіях планування керівних принципів низькоенергетичного будівництва та інтегрованих фотоелектричних систем. Однак більшість досліджень не здатні обробляти величезні набори змінних дизайну і автоматично надавати колекцію альтернативних оптимальних дизайнів. Проектування оболонки BIPV тепер значною мірою спирається на методологію оптимізації. Графічне зображення кількості публікацій за основним досліджуваним напрямком методів енергетичної оптимізації для BIPV-систем наведено на рисунку 9.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Графічне зображення кількості публікацій за основними досліджуваними напрямками методів енергетичної оптимізації для BIPV-систем.

Цей рисунок показує, що найбільший інтерес викликав розрахунок виходу електричної енергії BIPV-систем і що річний вихід енергії є ключовим фактором для оцінки продуктивності системи. Результати опитування є очікуваними, оскільки високий попит на енергію спостерігається в більшості міст в останні роки в результаті індустріалізації та швидкого зростання населення. Однією з головних проблем вчених та політиків у всьому світі є забезпечення достатньої кількості електричної енергії при одночасному зниженні викидів парникових газів. Енергетичні органи більшості країн все більше усвідомлюють необхідність зменшення негативного впливу невідновлюваних джерел енергії на навколишнє середовище шляхом дослідження альтернативних стійких джерел енергії та підвищення енергоефективності будівель. Технологія BIPV останнім часом привертає увагу як можливий метод забезпечення будівель миттєвою сталою енергією. Сонячна енергія повинна широко використовуватися в житлових будівлях у міському контексті, щоб зробити значний внесок у створення будівель з нульовим споживанням енергії.

Висновок

У представленому документі ретельно обговорено та оцінено життєздатність інтеграції сонячних фотоелектричних модулів з огороджувальними конструкціями, річний вихід енергії та методи оптимізації споживання електроенергії на рівні житлових будинків. Надано загальний огляд принципів роботи BIPV та біфазних фотоелектричних систем та їх характеристик, а також знання про деякі погодні параметри та їх руйнівні наслідки. Також була розглянута дискусія про відмінності в розрахунку ефективності BIPV і двосторонніх BIPV систем. Забезпечення чіткого розуміння для вивчення таких систем та представлення всебічної оцінки поточних досліджень щодо проактивних заходів з підвищення ефективності BIPV та двосторонніх фотоелектричних установок. Використання двосторонніх фотоелектричних інтегрованих систем та типів установок для посилення BIPV-систем є одним з таких рішень, яке було повністю обговорено в цьому дослідженні.

Використання BIPV, особливо з двосторонніми фотоелектричними модулями, в даний час все ще обмежене в реальних умовах, незважаючи на нещодавнє зростання уваги до BIPV-систем. Сталі будівлі з двосторонніми фотоелектричними модулями, встановленими на огороджувальних конструкціях, є ефективним способом підвищення двостороннього коефіцієнта підсилення і, отже, виходу енергії, що визначається альбедо цих будівельних конструкцій. З огляду на те, що дизайн компонування (орієнтація модулів, розташування, тип і розмір) має значний вплив на продуктивність фотоелектричної системи, це дослідження показало, що необхідно провести ретельне дослідження потенціалу випромінювання на різних поверхнях будівлі, щоб визначити найбільш ефективну схему розташування фотоелектричних модулів. Існуючі дослідження показали, що BIPV-системи є перспективним напрямком для підтримки виробництва енергії в будівлях з майже нульовим споживанням енергії, особливо коли BIPV-модуль є біфазним фотоелектричним модулем. Однак, обрізання нерівномірно розподіленого падаючого денного світла є надзвичайно складною проблемою в системах BIPV, і більшість досліджень не в змозі обробляти величезні набори даних змінних плану та автоматично надавати колекцію замінних найкращих можливих конфігурацій.

Бажано розміщувати фотоелектричні модулі подалі від південних стін будівлі, щоб забезпечити відведення тепла, запобігти перегріву та зберегти ефективність у всіх місцях, які були розглянуті в цій статті. Інша складність полягає у використанні тепла, яке відводиться фотоелектричними модулями, особливо в країнах з жарким кліматом. Графічне представлення кількості публікацій по основним досліджуваним напрямкам методів енергетичної оптимізації показало, що найбільший інтерес викликає обчислення виходу електричної енергії для фотоелектричних систем BIPV. Дизайн конверта BIPV тепер в значній мірі покладається на методологію оптимізації. В існуючих публікаціях питання оптимізації розглядалося лише з точки зору модернізації програмного забезпечення. Тому майбутні напрямки повинні бути зосереджені на розробці нових апаратних конфігурацій для оптимізації генерації фотоелектричної енергії для кожного типу установки окремо, оскільки кожен тип установки має свої погодні умови.

Особистий внесок автора

Всі автори брали участь у розробці концепції та дизайну дослідження. Підготовку матеріалів, збір даних та аналіз виконали ZA, MD та AS. Перший проект рукопису був написаний ZA, і всі автори коментували попередні версії рукопису. Всі автори прочитали і схвалили остаточний варіант рукопису.

Подяки

Конфлікт інтересів

Примітка видавця

Усі твердження, висловлені в цій статті, належать виключно авторам і не обов’язково відображають погляди їхніх афілійованих організацій, а також видавця, редакторів та рецензентів. Будь-який продукт, який може бути оцінений у цій статті, або заява, яка може бути зроблена його виробником, не гарантується і не схвалюється видавцем.

Список використаних джерел

Abdallah, T., Діабат, А., та Рігтер, Дж. (2013). Дослідження можливості встановлення малих фотоелектричних установок на дахах об’єктів у зеленому ланцюжку поставок. Int. J. Prod. Econ. 146, 465-477. doi:10.1016/j.ijpe.2013.03.016

Абдельхафез, М. H. H. (2021). Інтеграція сонячної фотоелектрики в житлових будинках: На шляху до будівель з нульовим споживанням енергії в місті Град, Південна Корея. Швейцарія: Сталий розвиток. doi:10.3390/su13041845

Адамович, Н., Zimmermann, A., Caviasca, A., Harboe, R., та Ibanez, F. (2017). Спеціально розроблені фотоелектричні модулі для фотоелектричних систем PIPV та BIPV. J. Renew. Підтримати. Energy 9, 021202. doi:10.1063/1.4979820

Agrawal, B., і Tiwari, G. N. (2011). Енергетичний та ексергетичний аналіз будівельних інтегрованих фотоелектричних теплових систем. Джерела енергії, частина А: Відновлення, використання та вплив на навколишнє середовище. doi:10.1080/15567030903226280

Ahmad, F. F., Генай, С., та Belpoliti, V. (2021). “Аналіз продуктивності комбінованої двосторонньої сонячної фотоелектричної системи, вбудованої фотоелектричної системи та системи відстеження сонячної енергії для енергоефективного будинку”, на Міжнародній конференції ZEMCH.

AjithgopiSudhakar, K., та Wai Keng, N. (2021). Розробка та моделювання проєктів сонячних дахів для енергонезалежного університетського кампусу. IOP Conf. Ser. Mater. Науково-технічна доповідь “Енергозбереження в житловому секторі. Eng. 1078, 012013. doi:10.1088/1757-899x/1078/1/012013

Akbari, H., Браун, М. C., Ортега, А., Huang, M. J., Хьюітт, Н. J., Нортон, Б., та ін. (2019). Ефективні технології зберігання енергії для фотоелектричних систем. Соль. Енергетика 192, 144-168. doi:10.1016/j.фотоелектричний перетворювач.2018.03.052

Акбарі Пайдар, M. (2020). Оптимальний дизайн вбудованого фотоелектричного модуля будівлі як рухомого затінювального пристрою. Сталі міста та суспільство. doi:10.1016/j.scs.2020.102368

Алам, М., Гюль, М. S., і Мунір, Т. (2021). Модель обчислення коефіцієнта наземного огляду для поля двостороннього фотоелектричного колектора: Однорідні та неоднорідні поверхні. Енергетичний представник. 7, 9133-9149. doi:10.1016/j.egyr.2021.11.206

Alkhateeb, E., і Абу-Хіджлех, Б. (2019). Потенціал для модернізації федеральної будівлі в ОАЕ до будівлі з нульовим споживанням електроенергії (nZEB). Heliyon 5, e01971. doi:10.1016/j.гелій.2019.e01971

Appelbaum, J., Aronescu, A., та Маор, Т. (2019). Затінення висячими фотоелектричними колекторами. Швейцарія: Прикладні науки. doi:10.3390/app9204280

Аппельбаум, Дж. (2019). Двосторонні модулі: У кожної сонячної панелі є дві сторони. Енергії.

Arnaout, M. A., Go, Y. I., та Saqaff, A. (2020). Пілотне дослідження інтегрованих в будівлі фотоелектричних систем: технічна оцінка та економічний аналіз. Int. J. Energy Res. 44, 9538-9559. doi:10.1002/er.5204

Assoa, Y. B., Thony, P., Messaoudi, P., Шмітт, Е., Bizzini, O., Gelibert, S., та ін. (2021). Дослідження інтегрованого двостороннього фотоелектричного фасаду будівлі. Соль. Енергія 227, 497-515. doi:10.1016/j.соленоїд.2021.09.004

Ayala, P., Muñoz, C., Osorio, N., Ернандес, П., Зуріта, Ф., Gutierrez, V., та ін. (2018). Ефективність біфазної технології в порівнянні з трьома комерційними монофазними фотоелектричними технологіями в умовах високого зовнішнього опромінення в пустелі Атакама. у 2018 році IEEE 7-а Всесвітня конференція з фотоелектричного перетворення енергії (WCPEC) (Спільна конференція 45-ї IEEE PVSC, 28-ї PVSEC 34-ї EU PVSEC) ( IEEE ), 0672-0675. doi:10.1109/PVSC.2018.8547345

Бакос, Г. C., Soursos, M., та Tsagas, N. F. (2003). Техніко-економічна оцінка інтегрованої в будівлю фотоелектричної системи для енергозбереження в житловому секторі. Energy Build. 35, 757-762. doi:10.1016/S0378-7788(02)00229-3

Bambrook, S. M., та Спроул, А. B. (2012). Максимізація енергетичної потужності повітряної системи PVT. Sol. Energy 86, 1857-1871. doi:10.1016/j.розрядник.2012.02.038

Барзегкар-Нтовом, Г. A., Chatzigeorgiou, N. G., Nousdilis, A. I., Vomva, S. A., Kryonidis, G. C., Kontis, E. O., та ін. (2020). Оцінка життєздатності акумуляторних систем зберігання енергії в поєднанні з фотовольтаїкою за схемою чистого самоспоживання. Renew. Енергетика 152, 1302-1309. doi:10.1016/j.ренен.2020.01.061

Bilčík, M., Божикова, М., Kotoulek, P., Kišev, M., Csillag, J., та Петрович, А. (2020). Порівняння річного балансу потужності фотоелектричних модулів. J. Процес. Energy Agric. 24, 18-21. doi:10.5937/jpea24-25659

Біїк, Є., Араз, М., Hepbasli, A., Шахрестані, М., Yao, R., Шао, Л., та ін. (2017). Ключовий огляд будівельних інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV). Eng. Sci. Technol. Int. J. 20, 833-858. doi:10.1016/j.jestch.2017.01.009

Boccalatte, A., Fossa, M., та Ménézo, C. (2020). Найкраще розташування поверхонь BIPV для майбутніх районів NZEB з урахуванням ефекту міського теплового острова та зменшення відбитого випромінювання від сонячних фасадів. Поновити. Energy 160, 686-697. doi:10.1016/j.renene.2020.07.057

Cavadini, G. B., and Cook, L. M. (2021). Вибір зеленого та прохолодного даху інтегрований у моделювання сонячної енергії на даху. Appl. Energy 296, 117082. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117082

Діаграма ефективності фотоелектричних модулів Champion | Фотоелектричні дослідження | NREL (2022). Доступно за посиланням: https://www.nrel.gov/pv/module-efficiency.html (дата звернення: 30 грудня 2022 р.).

Чан, А. L. S. (2019). Вплив сусіднього затінення на енергетичні та екологічні характеристики фотоелектричної системи скління в будівлях. Energy 187, 115939. doi:10.1016/j.енергія.2019.115939

Chandrika, V. S. (2021). Оцінка ефективності окремо розташованої та інтегрованої в мережу фотоелектричної системи для південної частини Індії. Інженерні дослідження та технології в галузі будівельних послуг. doi:10.1177/0143624420977749

Чен, Ф., та Yin, H. (2016). Виготовлення та лабораторні випробування продуктивності інтегрованої в будівлю фотоелектричної теплової покрівельної панелі. Appl. Energy 177, 271-284. doi:10.1016/j.apenergy.2016.05.112

Chen, X., Хуан, J., Yang, H., та Peng, J. (2019). Наближення до низькоенергетичної висотної будівлі шляхом інтеграції пасивного архітектурного дизайну з фотоелектричним застосуванням. J. Clean. Prod. 220, 313-330. doi:10.1016/j.jclepro.2019.02.137

Китайський монокристалічний двосторонній сонячний модуль типу P LYGF-BP72P завод і постачальники (2023). Ліньян. Доступно за посиланням: https://global.ліньян.com/p-type-monocrystalline-bifacial-solar-module-lygf-bp72p-product/ (Дата звернення: 16 січня 2023 р.).

Кук, М. J., та Аль-Халладж, С. (2019). Плівкові оптичні елементи для пасивної концентрації сонячної енергії у вікнах BIPV. Sol. Energy 180, 226-242. doi:10.1016/j.розрядник.2018.12.078

Dai, Y., Bai, Y., та Cai, Z. (2021). Теплова та механічна оцінка інтеграції склопластику та тонкоплівкових гнучких фотоелементів для будівельних застосувань. J. Чистота. Prod. 289, 125809. doi:10.1016/j.jclepro.2021.125809

Dai, Y., та Bai, Y. (2021). Покращення продуктивності для побудови інтегрованих фотоелектричних систем на практиці: Огляд. Energies 14, 178. doi:10.3390/en14010178

Dalal, R., Бансал, К., та Thapar, S. (2021). Подолання енергетичного розриву в житлових будинках Індії за допомогою дахових сонячних фотоелектричних систем для зірок вищої енергії. Clean. Енергетика 5, 423-432. doi:10.1093/ce/zkab017

Defaix, P. R. (2012). Технічний потенціал фотоелектрики на будівлях в ЄС-27. Сонячна енергетика. doi:10.1016/j.розрядник.2012.06.007

Добжицький, А., Kurz, D., Mikulski, S., та Wodnicki, G. (2020). Аналіз впливу інтегрованих будівельних фотоелектричних систем (BIPV) на зменшення попиту на електричну та теплову енергію в будівлях, розташованих у Польщі. Енергетика 13, 2549. doi:10.3390/en13102549

Domjan, S., Petek, L., Аркар, С., и Медвідь, С. (2020). Експериментальне дослідження енергоефективності багатофункціональної заскленої фасадної конструкції з BIPV в опалювальний сезон. Енергетика 13, 2772. doi:10.3390/en13112772

Д’Ораціо, М., Ді Перна, С., та Ді Джузеппе, Е. (2013). Оцінка продуктивності різних інтегрованих фотоелектричних модулів на даху в умовах середземноморського клімату. Energy Procedia 42, 183-192. doi:10.1016/j.egypro.2013.11.018

Електрика зі стіни будинку. великий потенціал фасадів будівель для уловлювання сонячної енергії. Інститут екологічного міського та регіонального розвитку імені Лейбніца (2023). Електрика зі стіни будинку. великий потенціал фасадів будівель для вловлювання сонячної енергії. Доступно за посиланням: https://www.ioer.de/en/press/news/electricity-from-the-house-wall-the-great-potential-of-building-facades-to-capture-solar-energy (Доступно 7 січня 2023 року).

Єльнош, А., Al-Ali, H. O., John, J. J., Alnuaimi, A., Убінас, Е. R., Stefancich, M., та ін. (2018). Польове дослідження факторів, що впливають на продуктивність фотоелектричних модулів в будівлях (BIPV/BAPV), встановлених в ОАЕ. 2018 IEEE 7th World Conf. Фотовольт. Energy Converses. WCPEC 2018. A Jt. Conf. 45-й IEEE PVSC, 28-й PVSEC 34-й E. U. PVSEC. doi:10.1109/PVSC.2018.8547298

Enaganti, P. K., Двіведі, П. K., Srivastava, A. K., та Goel, S. (2020). Дослідження сонячного опромінення та аналіз продуктивності занурених монокристалічних та полікристалічних сонячних елементів. Prog. Photovoltaics Res. Appl. 28, 725-735. doi:10.1002/pip.3264

Проект ЄС SmartFlex завершує створення еталонного сонячного фасаду | glassonweb.com (2022). Доступно за посиланням: https://www.glassonweb.com/news/eu-smartflex-project-finishes-reference-solar-facade (Дата звернення: 15 грудня 2022 р.).

Ікло, Z., Xu, Z., Jang, T., Zhou, F., та Huang, S. (2020). Кількісна характеристика середньоквадратичного відхилення та оптимізація процесу отримання пірамідальної текстури монокристалічних кремнієвих комірок. Матеріали 13, 564. doi:10.3390/ma13030564

Fathabadi, H. (2015). Підвищення енергоефективності фотоелектричного перетворювача-батареї окремо розташованих будівельних інтегрованих фотоелектричних систем. Енергетичне будівництво. 101, 1-11. doi:10.1016/j.enbuild.2015.04.024

Гао, Л., Чжао, Е., Yang, S., Ван, Л., Li, Y., Zhao, Y., та ін. (2017). Світлотехніка для двосторонніх прозорих перовскітних сонячних елементів з високою продуктивністю. Опт. Eng. 56, 1. doi:10.1117/1.oe.56.11.117107

Giouri, E. D., Tenpierik, M., та Turrin, M. (2020). Нульовий енергетичний потенціал висотної офісної будівлі в середземноморському кліматі: Використання багатоцільової оптимізації для розуміння впливу проектних рішень на висотні будівлі з нульовим енергоспоживанням. Енергетика та будівлі. doi:10.1016/j.enbuild.2019.109666

Гоштайн, М., Marion, B., і Stueve, B. (2020). “Спектральні ефекти при вимірюванні альбедо та опромінення ззаду для оцінки двосторонньої продуктивності”, в Записи конференції IEEE Conference of the IEEE photovoltaic Specialists Conference. doi:10.1109/PVSC45281.2020.9300518

Греммельспахер, Я. M., Campamà Pizarro, R., van Jaarsveld, M., Davidsson, H., та Йоханссон, Д. (2021). Реконструкція історичної будівлі та оптимізація фотоелектричної енергії в рамках програми NetZEB у Швеції. Sol. Energy 223, 248-260. doi:10.1016/j.розрядник.2021.02.067

Гуен, М. Ле (2018). Підвищення енергетичної стійкості швейцарського села шляхом реконструкції будівель та інтеграції відновлюваних джерел енергії. Енергетика та будівлі. doi:10.1016/j.enbuild.2017.10.057

Gupta, N., та Тіварі, Г. N. (2017). Енергетичні матриці будівельних інтегрованих фотоелектричних теплових систем: Практичний приклад. J. Архітектор. Eng. 23. doi:10.1061/(asce)ae.1943-5568.0000270

Guzman, C. P., Аріас, Н. B., Franco, J. F., Soares, J., Вейл, З., та Romero, R. (2021). Збільшення використання зеленої енергії для зарядки електромобілів у розумних будівлях, керованих агрегатором, за допомогою нового індексу використання відновлюваних джерел енергії. IEEE Access 9, 105357-105368. doi:10.1109/ACCESS.2021.3099426

Hashempour, N., Taherkhani, R., та Махдіхані, М. (2020). Оптимізація енергоефективності існуючих будівель: Огляд літератури. Сталі міста та суспільство. doi:10.1016/j.scs.2019.101967

Hemmerle, C. (2017). Будівельні скіни для сонячних фотоелектричних установок. структурні вимоги та екологічні переваги. J. Фасад Des. Eng. doi:10.7480/jfde.2017.1.1528

Huang, J., Чен, X., Янг, Х., та Zhang, W. (2018). Чисельне дослідження нової вакуумної фотоелектричної навісної стіни та комплексна оптимізація фотоелектричних огороджувальних систем. Appl. Energy 229, 1048-1060. doi:10.1016/j.apenergy.2018.08.095

Huang, M. J., Eames, P. C., та Нортон, Б. (2004). Терморегулювання інтегрованої в будівлі фотоелектрики з використанням матеріалів з фазовими змінами. Інт. J. Перетворення теплової маси. 47, 2715-2733. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2003.11.015

Huang, M. J., та Hewitt, N. J. (2020), Підвищення ефективності використання енергії в будівлях шляхом поєднання вбудованих фотоелектричних модулів та теплового насосу з повітряним джерелом для підігріву підлоги з використанням матеріалів з фазовою зміною. doi:10.1007/978-3-030-18488-9_67

Hwang, T., Kang, S., та Кім, J. T. (2012). Оптимізація інтегрованої фотоелектричної системи в офісних будівлях. FOCUS на орієнтації, куті нахилу та встановленій площі. Energy Build. 46, 92-104. doi:10.1016/j.enbuild.2011.10.041

Idzkowski, A., Karasowska, K., та Walendziuk, W. (2020). Аналіз температури автономних та інтегрованих в будівлі фотоелектричних систем на основі моделювання та даних вимірювань. Енергетика 13, 4274. doi:10.3390/en13164274

Іршад, К., Хабіб, К., Сайдур, Р., Карім, М., та Саха, Б. B. (2019). Дослідження термоелектричної та фотоелектричної фасадної системи для енергоефективного будівництва: Огляд. J. Чистота. Prod. 209, 1376-1395. doi:10.1016/j.jclepro.2018.09.245

Janßen, L. (2009). Двосторонні сонячні елементи з нітриду кремнію, пасивовані двостороннім Cz-кремнієм. Матеріали для сонячної енергетики та сонячні елементи. doi:10.1016/j.солмат.2009.03.015

Джаятісса, П. (2016). Оцінка життєвого циклу динамічної інтегрованої фотоелектричної системи будівлі. Матеріали для сонячної енергетики та сонячні елементи. doi:10.1016/j.сольмат.2016.04.017

Jia, H., Xiao, Q., та He, J. (2018). Удосконалений метод балансування струму мережі та напруги конденсатора постійного струму для триконтактної гібридної мікромережі змінного/постійного струму. IEEE Trans. Smart Grid 3053 (1), 5876-5888. doi:10.1109/TSG.2018.2834340

Joge, T. (2003). “Розширене застосування біфаціального сонячного моделю”, в Матеріали 3-ї всесвітньої конференції з фотоелектричного перетворення енергії.

Юнг, Д. E., Lee, C., Лі, К. H., Шин, М., і Do, S. L. (2021). Оцінка енергетичних характеристик будівлі з оптимальним керуванням рухомим пристроєм затінення, інтегрованим з фотоелектричною системою. Energies 14, 1799. doi:10.3390/en14071799

Kamel, R. S., та Fung, A. S. (2014). Моделювання, імітація та техніко-економічний аналіз житлової системи BIPV/TASHP в холодному кліматі. Канада. Енергетичне будівництво. 82, 758-770. doi:10.1016/j.enbuild.2014.07.081

Kang, J. G., Kim, J. H., та Кім, J. T. (2016). Елементи конструкції та електричні характеристики двостороннього модуля BIPV. Int. J. Фотоенергетика 2016, 1-10. doi:10.1155/2016/6943936

Khan, M. A. (2018). Проектування інтегрованої в будівлю фотоелектричної системи з новою дворефлекторною фотоелектричною системою (BRPV) та оптимальним механізмом керування. Швейцарія: Експериментальне дослідження. doi:10.3390/electronics7070119

Кім, С., Jeong, M. S., Ko, J., Ко, М., Кан, М. G., та Song, H. J. (2021). Неоднорідний задній рефлектор спричиняє ризик виникнення гарячих точок та втрату потужності в інтегрованих в будівлю двосторонніх фотоелектричних модулях з c-Si. Поновити. Енергетика 163, 825-835. doi:10.1016/j.ренен.2020.09.020

Kirimtat, A. (2022). Керування фотоелектричними інтегрованими пристроями затінення в будівлях: Огляд. Будівництво та навколишнє середовище. doi:10.1016/j.buildenv.2022.108961

Кленк, М. (2018). “Двосторонні фотоелектричні системи та дані про продуктивність (двосторонній коефіцієнт підсилення)”, в Двостороння фотоелектрика: технологія, застосування та економіка. doi:10.1049/PBPO107E_ch5

Kumar, N. M., Sudhakar, K., та Самикано, М. (2019). Порівняння продуктивності BAPV та BIPV систем з фотоелектричними технологіями c-Si, CIS та CdTe в тропічних погодних умовах. Тематичне дослідження. Терм. Eng. 13, 100374. doi:10.1016/j.csite.2018.100374

Куріян, Я., та Карті, Л. (2021). Інтегрована фотоелектрична енергетика в будівлях. огляд. Підтримувати. Agri, Food Environ. Res. 10. doi:10.7770/safer-v10n1-art2495

Kutlu, E. C. (2022). Технічний потенціал сонячної фотоелектрики на дахах для Анкари. Відновлювана енергетика. doi:10.1016/j.ренен.2021.12.079

Lai, C. M., та Hokoi, S. (2017). Експериментальні та чисельні дослідження теплотехнічних характеристик вентильованих навісних фасадів з пінополістиролу. Внутрішнє та забудоване середовище. doi:10.1177/1420326X15611194

Lamnatou, C., Чемісана, Д., та Крістофарі, C. (2022). Розумні мережі та розумні технології стосовно фотоелектрики, систем зберігання, будівель та навколишнього середовища. Відновлювана енергетика. doi:10.1016/j.ренен.2021.11.019

Li, H., Cao, C., Feng, G., Zhang, R., та Huang, K. (2015). Дизайн системи BIPV/T на основі моделювання та її застосування в інтегрованій системі опалення. Procedia Eng. 121, 1590-1596. doi:10.1016/j.proeng.2015.09.184

Лі, J., Zhang, W., He, B., Xie, L., Хао, Х., Mallick, T., та ін. (2021). Експериментальне дослідження комплексної продуктивності інтегрованої параболічної концентруючої фотоелектричної системи на навісній стіні будівлі. Energy 227, 120507. doi:10.1016/j.енергія.2021.120507

Liang, R., Wang, P., Zhou, C., Пан, Q., Riaz, A., та Zhang, J. (2020). Дослідження теплових характеристик активного сонячного фасаду будівлі зі спеціальними гібридними фотоелектричними модулями. Energy 191, 116532. doi:10.1016/j.енергія.2019.116532

Liu, Z., Zhang, Y., Юань, X., Liu, Y., Xu, J., Zhang, S., та ін. (2021). Комплексне дослідження доцільності та застосовності будівництва інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV) в регіонах з високим рівнем сонячного опромінення. J. Чистий. Prod. 307, 127240. doi:10.1016/j.jclepro.2021.127240

Лу, Л., and Law, K. M. (2013). Загальна енергетична ефективність напівпрозорого однокамерного фотоелектричного вікна для типового офісу в Гонконзі. Renew. Energy 49, 250-254. doi:10.1016/j.ренен.2012.01.021

Lydon, G. P., Hofer, J., Светозаревич, Б., Nagy, Z., та Шлютер, А. (2017). Поєднання енергетичних систем з легкими конструкціями для будівлі “мережа плюс енергія. Appl. Енергетика 189, 310-326. doi:10.1016/j.apenergy.2016.11.110

Макінде, К. A., Adewuyi, O. B., Amole, A. O., та Adeaga, O. A. (2021). Проектування мережевих та автономних фотоелектричних систем для побутового використання енергії: Технічний аналіз. J. Energy Res. Рев. 34-50. doi:10.9734/jenrr/2021/v8i130203

Martín-Chivelet, N., Gutiérrez, J., Алонсо-Абелла, М., Ченло, Ф., та Cuenca, J. (2018). Модернізація будівлі за допомогою фотоелектрики: будівництво та експлуатація вентильованого фасаду BIPV. Energies 11, 1719. doi:10.3390/en11071719

Martín-Chivelet, N., Polo, J., Sanz-Saiz, C., Núñez Benítez, L. T., Алонсо-Абелла, М., та Куенка, J. (2022). Оцінка температурних моделей фотоелектричних модулів для інтегрованих в будівлі фотоелектричних систем (BIPV). Підтримувати. Switz. 14, 1500. doi:10.3390/su14031500

Mellit, A. (2020). Удосконалені методи прогнозування вихідної потужності фотоелектричних систем: Огляд. Швейцарія: Прикладні науки. doi:10.3390/app10020487

Меслоуб, А., Albaqawy, G. A., та Kandar, M. Z. (2020). Оптимальна продуктивність вбудованих фотоелектричних вікон (BIPV) в умовах напівзасушливого клімату в алжирських офісних будівлях. Sustain. Швейцарія. 12, 1654. doi:10.3390/su12041654

Монокруссос, C., Гао, Q., Zhang, X., Lee, E., Wang, Y., Zou, C., та ін. (2020). Спектральне опромінення задньої сторони при 1 сонці та застосування до номінальної потужності двостороннього модуля. Prog. Фотовольтаїка Res. Додаток. 28, 755-766. doi:10.1002/pip.3268

Muehleisen, W., Loeschnig, J., Feichtner, M., Burgers, A., Bende, E., Zamini, S., та ін. (2021). Вимірювання виходу енергії піднесеної фотоелектричної системи на білому плоскому даху та порівняння продуктивності однофазних і двофазних модулів. Renew. Energy 170, 613-619. doi:10.1016/j.ренен.2021.02.015

Мйонг, С. Y., та Jeon, S. W. (2016). Ефективні зовнішні характеристики естетичних двосторонніх напівпрозорих фотоелектричних модулів a-Si: H. Додаток. Енергія 164, 312-320. doi:10.1016/j.apenergy.2015.11.063

Najafi, M., Телен, М., Fledderus, H., Zhang, D., Зардетто, В., ван Акен, Б., та ін. (2022). Світлопоглинаючі стабільні напівпрозорі та двосторонні перовскітні сонячні елементи для одноперехідної та тандемної архітектури. Sol. RRL 6, 2100621. doi:10.1002/solr.202100621

Олівейра, Р., Almeida, R. M., Фігейредо, А., і Vicente, R. (2021). Тематичне дослідження стохастичного оптимізаційного підходу до інтеграції фотоелектричних панелей у багатоквартирному соціальному житлі. Energies 14, 7615. doi:10.3390/en14227615

Омар, A. I., Khattab, N. M., та Абдель Алім, С. H. E. (2022). “Оптимальна стратегія переходу на чисту нульову енергію в освітніх будівлях: Тематичне дослідження в місті Ель-Шорук, Єгипет. Сталі енергетичні технології та оцінки. doi:10.1016/j.сета.2021.101701

Панагіотіду, М., Бріто, М. C., Хамза, К., Jasieniak, J. J., та Zhou, J. (2021). Перспективи фотоелектричних дахів, стін та вікон у масштабах від міста до будівлі. Sol. Energy 230, 675-687. doi:10.1016/j.розрядник.2021.10.060

Pandey, A. K. (2016). Останні досягнення в сонячних фотоелектричних системах для нових тенденцій і передових застосувань. doi:10.1016/j.rser.2015.09.043Renew. Сталий розвиток. Energy Rev.

Peng, C., Хуан, Ю., та Wu, Z. (2011). Інтегрована в будівлі фотоелектрика (BIPV) в архітектурному дизайні в Китаї. Енергетичне будівництво. 43, 3592-3598. doi:10.1016/j.enbuild.2011.09.032

Pérez-Alonso, J., Перес-Гарсія, М., Пасамонтес-Ромера, М., та Кальєхон-Ферре, A. (2012). Аналіз продуктивності та нейронне моделювання інтегрованої фотоелектричної системи теплиці. Відновити. Підтримувати. Energy Rev. 16, 4675-4685. doi:10.1016/j.rser.2012.04.002

Петерс, І. M., Родрігес Гальєгос, C. D., Софія, С. E., та Буонассісі, Т. (2019). Значення ефективності у фотоелектриці. Джоуль 3, 2732-2747. doi:10.1016/j.джоуль.2019.07.028

Рабані, М., Bayera Madessa, H., та Nord, N. (2021). Досягнення нульового енергоспоживання в будівлях з підвищеним тепловим та візуальним комфортом шляхом оптимізації засклення, огороджувальних конструкцій, затінення та системи енергопостачання. Сталі енергетичні технології та оцінки. doi:10.1016/j.seta.2021.101020

Radmehr, M., Вілліс, К., та Kenechi, U. E. (2014). Структура для оцінки ВЕС для BIPV при проектуванні житлових будинків у країнах, що розвиваються: Приклад Північного Кіпру. Енергетична політика 70, 207-216. doi:10.1016/j.енпол.2014.03.041

Ramos, S., Фороозанде, Z., Соарес, J., Таварес, І., Faria, P., і Вейл, Z. (2021). Спільне фотоелектричне виробництво в енергетичних громадах та будівлях. Renew. Енергетика Енергетика Кваліфікація. J. 19, 459-464. doi:10.24084/repqj19.318

Редді, П. (2020). Стан систем BIPV та BAPV для менш енергоємних будівель в Індії. огляд. Швейцарія: Прикладні науки. doi:10.3390/app10072337

Religiana, H., та Wiyantara, W. (2014). “Аналіз застосування фотоелектричних технологій в умовах традиційного будинку на даху. Тематичне дослідження: Традиційна форма даху Julang ngapak Sundanese,” в Передові дослідження матеріалів. doi:10.4028/www.науковий.net/AMR.1025-1026.1066

Рітцен, М. J. (2019). Оцінка впливу на навколишнє середовище на основі пропускної здатності будівельних інтегрованих фотоелектричних систем. doi:10.1016/j.сета.2018.12.006Підтримувати. Енергетичні технології. Оцінки

Rounis, E. D., Athienitis, A. K., та Stathopoulos, T. (2021). Навісні фасадні системи BIPV/T: Проектування, розробка та випробування. J. Build. Eng. 42, 103019. doi:10.1016/j.робота.2021.103019

Руссо, J. (2012). “Характеристика впливу дифузного анізотропного освітлення на вихід біфазних та голографічних плоских концентруючих конфігурацій фотоелектричних панелей”, в Записи конференції IEEE Conference of Photovoltaic Specialists. doi:10.1109/PVSC.2012.6317842

Saadon, S., Gaillard, L., Giroux-Julien, S., та Ménézo, C. (2016). Імітаційне дослідження інтегрованої фотоелектричної/теплової (BIPV/T) оболонки будівлі з природною вентиляцією. Поновити. Енергетика 87, 517-531. doi:10.1016/j.ренен.2015.10.016

Sabry, A. H., Хасан, В. Z. W., Кадір, М. A., Радзі, М. A. M., та Shafie, S. (2017). Система “Розумний дім” на основі фотоелектричної енергії з навколишнім середовищем постійного струму. J. Comput. Теор. Нанонауки. 14, 4158-4173. doi:10.1166/jctn.2017.6882

Sabry, A. H., Хасан, В. Z. W., Кадір, М. A., Radzi, M. A. M., та Shafie, S. (2018). Прототип бездротового моніторингу фотоелектричних параметрів. Індонезійський J. Electr. Eng. Comput. Sci. 11 (1), 9-17. doi:10.11591/ijeecs.v11.i1.pp9-17

Sabry, Y. H., Hasan, W. Z. W., Сабрі, А. H., Кадір, М. Z. A. A., Радзі, М. A. M., та Shafie, S. (2018). Моделювання напівпрозорого тонкоплівкового фотомодуля з CdTe на основі вимірювань на основі спеціальної нейронної мережі. IEEE Access 6, 34934-34947. doi:10.1109/ACCESS.2018.2848903

Sahu, P. K., Roy, J. N., Chakraborty, C., та Sundaram, S. (2021). Нова модель для оцінки вилучення енергії з двосторонніх фотоелектричних модулів. Energies 14, 5089. doi:10.3390/en14165089

Salimzadeh, N., та Хаммад, А. (2017). “Високорівневий фреймворк для оптимізації фотоелектричного потенціалу будівель на основі ГІС у міському масштабі з використанням BIM та LiDAR”, на Міжнародній конференції зі сталої інфраструктури 2017: Методологія. Матеріали Міжнародної конференції зі сталої інфраструктури 2017. doi:10.1061/9780784481196.012

Salimzadeh, N., Вахдатихакі, Ф., та Хаммад, А. (2020). Параметричне моделювання та аналіз поверхневої чутливості розміщення фотоелектричних модулів на фасаді будівлі з використанням BIM. Energy Build. 216, 109953. doi:10.1016/j.enbuild.2020.109953

Samarasinghalage, T. I., Wijeratne, W. P. U., Yang, R. J., та Wakefield, R. (2022). Багатоцільова система оптимізації для інтегрованого в будівлю проектування огороджувальних конструкцій, що балансує енергію та вартість. J. Чистота. Prod. 342, 130930. doi:10.1016/j.jclepro.2022.130930

Santoyo-Castelazo, E., Солано-Оліварес, К., Martínez, E., García, E., та Santoyo, E. (2021). Оцінка життєвого циклу для підключеної до мережі фотоелектричної системи з мультикристалічного кремнію потужністю 3 кВт: Тематичне дослідження для Мексики. J. Чистота. Prod. 316, 128314. doi:10.1016/j.jclepro.2021.128314

Saretta, E., Bonomo, P., та Frontini, F. (2020). Метод розрахунку потенціалу BIPV швейцарських фасадів на рівні LOD2.5 у міських районах: Випадок з регіону Тічино. Sol. Energy 195, 150-165. doi:10.1016/j.соленер.2019.11.062

Шнайдер, А., ван Акен, Б., Prakash, J., Fakhfouri, V., Sheng, K. Y., Halm, A., та ін. (2018). “Двосторонні модулі: Варіанти дизайну, характеристики та надійність”, в Біфазна фотовольтаїка: технології, застосування та економіка. doi:10.1049/PBPO107E_ch3

Shankar, A., Віджаякумар, К., і Бабу, Б. C. (2021). Потенціал енергозбереження через систему штучного освітлення в фотоелектричних інтегрованих розумних будівлях. J. Будувати. Eng. 43, 103080. doi:10.1016/j.джоби.2021.103080

Shanmugavalli, K. R., і Ведамуту, R. (2021). Сонячна енергія та її оціночний внесок в енергетичний попит житлових квартир в Індії через їхні огороджувальні конструкції: Технічний та комерційний підхід. Джерела енергії, частина А. Відновлення, використання. Environ. Eff., 1-16. doi:10.1080/15567036.2020.1859009

Shimoda, Y., Сугіяма, М., Nishimoto, R., та Momonoki, T. (2021). Оцінка сценаріїв декарбонізації та вимог до енергоменеджменту в житловому секторі Японії за допомогою висхідного моделювання попиту на кінцеве споживання енергії у 2050 році. Appl. Енергія 303, 117510. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117510

Shoukry, I., Берріан, Д., Лібаль, Дж., та Хаффнер, Ф. (2018). “Імітаційні моделі для прогнозування енергетичного виходу біфазних систем”, в Біфазна фотовольтаїка: технологія, застосування та економіка. Стівенідж, Велика Британія: Інженерно-технічний інститут (IET). doi:10.1049/PBPO107E_ch4

Сінгх, Д., Chaudhary, R., та Картік, А. (2021). Огляд прогресу у створенні прикладних/інтегрованих фотоелектричних систем. Навколишнє середовище. Sci. Pollut. Res. 28, 47689-47724. doi:10.1007/s11356-021-15349-5

Sivaram, P. M., Манде, А. B., Премалата, М., та Арунагірі, А. (2020). Дослідження інтегрованої в будівлю технології пасивної сонячної енергії для вентиляції повітря, чистої води та електроенергії. Energy Conv. Управління. 211, 112739. doi:10.1016/j.підприємець.2020.112739

Скандалос, Н., and Karamanis, D. (2021). Оптимізаційний підхід до інтеграції фотоелектричних будівель до низькоенергетичних будівель у різних кліматичних зонах. Appl. Енергетика 295, 117017. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117017

Song, Z., Li, C., Chen, L., та Yan, Y. (2022). Перовскітні сонячні елементи стають двосторонніми. взаємна вигода для ефективності та довговічності. Adv. Mater. 34, 2106805. doi:10.1002/adma.202106805

Sun, J., Zuo, Y., Сонце, R., та Zhou, L. (2021). Дослідження ефективності перетворення та технології підготовки монокристалічних кремнієвих елементів на основі статистичного розподілу. Підтримувати. Energy Technol. Assess. 47, 101482. doi:10.1016/j.сета.2021.101482

Sun, Y., Liu, D., Флор, Ж. F., Shank, K., Baig, H., Wilson, R., та ін. (2020). Аналіз ефективності використання денного світла віконних інтегрованих фотоелектричних систем. Поновити. Енергія 145, 153-163. doi:10.1016/j.ренен.2019.05.061

Двосторонні модулі “Maxima” від Sunpreme пропонують потужність 380 Вт та узгодження імпедансу. PV Tech (2022). Двосторонні модулі “Maxima” забезпечують потужність 380 Вт та узгодження імпедансу. PV Tech. Доступно за посиланням: https://www.pv-tech.org/sunpremes-maxima-bifacial-modules-offer-380w-and-impedance-matching-perform/ (Дата звернення: 26 листопада 2022 р.).

Сьюзен, (2021). Оптимізація BIPV на основі виробленої електроенергії та повернення інвестицій. ARTEKS J. Tek. Arsit. doi:10.30822/arteks.v6i3.1103

Susan, S., та Wardhani, D. (2020). Інтегрована фотоелектрична система як інструмент відновлюваної енергетики на місці від GREENSHIP. Результати Eng. 7, 100153. doi:10.1016/j.rineng.2020.100153

Таблада, А. (2018). Оптимізація дизайну продуктивних фасадів: Інтеграція фотоелектричних і сільськогосподарських систем у лабораторії тропічних технологій. doi:10.3390/su10103762Sustain. Switz.

Tarigan, E. (2018). Моделювання та техніко-економічне обґрунтування дахової фотоелектричної системи для будівель університетського містечка в Сурабаї, Індонезія. Int. J. Renew. Energy Res. doi:10.20508/ijrer.v8i2.7547.g7377

Тіна, Г. M. (2020) “Новий вентильований фасад будівлі з інтегрованими двосторонніми фотоелектричними модулями: Аналіз електричних та теплових характеристик”, у 2020 році 5-а Міжнародна конференція з розумних та сталих технологій, SpliTech. doi:10.23919/SpliTech49282.2020.9243810

Tina, G. M., Scavo, F. B., Aneli, S., та Gagliano, A. (2021). Оцінка електричних і теплових характеристик вбудованих двосторонніх фотоелектричних модулів для будівель. J. Чистий. Prod. 313, 127906. doi:10.1016/j.jclepro.2021.127906

Ul-Haq, A., Alammari, R., Iqbal, A., Jalal, M., та Gul, S. (2020). Обчислення вилучення потужності з фотоелектричних масивів за різних умов несправності. IEEE Access 8, 47619-47639. doi:10.1109/ACCESS.2020.2978621

Uzum, B. (2021). Вплив проникнення сонячних фотоелектричних систем на дахах на розподільчу мережу та подальші фактори зростання. комплексний огляд. doi:10.3390/electronics10010055Electron. Швейцарія.

Vuong, E., Kamel, R. S., та Fung, A. S. (2015). “Моделювання та імітація BIPV/T в EnergyPlus та TRNSYS”, в Energy Procedia. doi:10.1016/j.egypro.2015.11.354

Wang, H., Meng, K., Dong, Z. Y., Xu, Z., Luo, F., та Вонг, К. P. (2015). Підхід MILP для розміщення більшої кількості вбудованих фотоелектричних систем у розподільчій мережі. IEEE Power Energy Soc. Загальні збори. doi:10.1109/PESGM.2015.7286173

Ван, М., Peng, J., Yang, H., Wang, C., Лі, X., і Лу, Т. (2017). Порівняння енергетичних характеристик двофасадних фотоелектричних фасадів та фотоелектричних склопакетів. Appl. Energy 194, 148-160. doi:10.1016/j.apenergy.2017.03.019

Wittkopf, S., Valliappan, S., Liu, L., Ang, K. S., та Cheng, S. C. J. (2012). Аналітичний моніторинг ефективності роботи 142.Підключена до мережі дахова BIPV-система потужністю 5 кВт на даху в Сінгапурі. Поновити. Energy 47, 9-20. doi:10.1016/j.ренен.2012.03.034

Xu, J., Liu, Y., та Wu, Y. (2021). Автоматична дефектоскопія внутрішньої поверхні монокристалічних сонячних елементів методом самопорівняння електролюмінесцентних зображень. IEEE Trans. Інструмент. Meas. 70, 1-11. doi:10.1109/TIM.2021.3096602

Ян, X., Wang, E. C., Чен, Н., Zhang, L., Gong, X., Чжан, X., та ін. (2019). Дослідження поля розсіяного фосфору на задній поверхні (ПЗП) у біфазних сонячних елементах nFAB. Sol. Energy 179, 335-342. doi:10.1016/j.соленер.2018.12.052

Yang, L. (2011). “Високоефективні двосторонні сонячні елементи з трафаретним друком на монокристалічному кремнії CZ”, в Progress in photovoltaics: Дослідження та застосування. doi:10.1002/pip.1018s

Янг, Т., та Athienitis, A. K. (2014). Дослідження варіантів проектування інтегрованої фотоелектричної/теплової (BIPV/T) системи з заскленим повітряним колектором та кількома входами. Sol. Енергетика 104, 82-92. doi:10.1016/j.розрядник.2014.01.049

Інь, Н. M., Янг, Д., Келлі, Г., та Garant, J. (2013). Проектування та експлуатація нової інтегрованої фотоелектричної/теплової системи для підвищення енергоефективності будівель. Sol. Енергетика 87, 184-195. doi:10.1016/j.соленер.2012.10.022

Інь, Х., Задшир, М., та Пао, Ф. (2022). “Перспективи сучасних, нових та майбутніх технологій BIPVT”, в Будівельні інтегровані фотоелектричні теплові системи. doi:10.1016/b978-0-12-821064-2.00008-0

Yoo, S. H., та Manz, H. (2011). “Доступне моделювання реконструкції для BIPV як затінювального пристрою”, в Матеріали для сонячної енергетики та сонячні елементи. doi:10.1016/j.солмат.2010.02.015

Yu, G., Yang, H., Yan, Z., та Kyeredey Ansah, M. (2021). Огляд конструкцій та характеристик фасадних інтегрованих фотоелектричних і теплових систем (BIPVT) для будівель. Додаток. Терм. Eng. 182, 116081. doi:10.1016/j.applthermaleng.2020.116081

Yu, H., Ван, Q., Лу, С., та Вей, С. (2015). “Дослідження нового типу модулів BIPV, побудованих за допомогою тонкоплівкових фотоелектричних панелей (або модулів) / поліуретану / кольорової сталевої пластини з органічним покриттям”, в 2015 р. IEEE 42-а конференція фахівців з фотоелектрики (PVSC) (IEEE), 1-6.

Zahedi, A. (2006). Сонячна фотоелектрична (PV) енергія; останні розробки в галузі інтегрованих та гібридних PV-систем для будівель. Поновити. Енергетика 31, 711-718. doi:10.1016/j.ренен.2005.08.007

Zhang, Y., Ю., Ю., Meng, F., та Liu, Z. (2020). Експериментальне дослідження впливу затінення та неузгодженості на продуктивність біфазних фотоелектричних модулів. IEEE J. Фотоелектрика 10, 296-305. doi:10.1109/JPHOTOV.2019.2949766

Zhao, O., Чжан, В., Xie, L., Wang, W., Chen, M., Li, Z., та ін. (2022). Дослідження внутрішнього середовища та теплового комфорту будівлі з двосторонніми фотоелектричними модулями. Підтримувати. Cities Soc. 76, 103463. doi:10.1016/j.фотоелектричні панелі.2021.103463

Zhou, B. (2021). Огляд сонячного покриття та фотоелектричної/теплової (PV/T) системи. Транспортні дослідження, частина D: Транспорт і навколишнє середовище. doi:10.1016/j.trd.2021.102753

Zhou, Y. (2022). Комплексний робочий процес для 3D-картування сонячного фотоелектричного потенціалу з високою роздільною здатністю в умовах щільної міської забудови: Тематичне дослідження. Кампус Делфтського технічного університету’. doi:10.1002/solr.202100478

Zogou, O., та Stapountzis, H. (2011). Енергетичний аналіз вдосконаленої концепції інтегрованих фотоелектричних панелей в офісній будівлі в центральній Греції. Appl. Енергетика 88, 853-866. doi:10.1016/j.apenergy.2010.08.023

Zomer, C., Custódio, I., Антоніоллі, А., і Rüther, R. (2020). Оцінка ефективності частково затінених фотоелектричних систем, інтегрованих в будівлю (BIPV), в будівлі лабораторії сонячної енергетики з позитивною енергією: Архітектурні перспективи. Sol. Energy 211, 879-896. doi:10.1016/j.інвертор.2020.10.026

Ключові слова: інтегровані в будівлі фотоелектричні модулі, вихід енергії, аналіз енергетичної оптимізації, моделювання фотоелектричних установок, надійність

Цитування: Абожела З.Р.К., Деса М.К.М. та Сабрі А.Х. (2023) Сучасні перспективи інтегрованих в будівлі сонячних фотоелектричних систем та застосування двосторонніх фотоелектричних перетворювачів. Спереду. Energy Res. 11:1164494. doi: 10.3389/fenrg.2023.1164494

Отримано: 12 лютого 2023 р.; Прийнято: 03 квітня 2023; Опублікована: 20 квітня 2023.

Тао Чжан, Шанхайський університет електроенергетики, Китай

Бін Чжао, Китайський науково-технічний університет, КитайАмджад Хумайді, Технологічний університет, Ірак, ІракАбідаун Хамдан, Університет Діяла, Ірак

Copyright © 2023 Abojela, Desa and Sabry. Це стаття з відкритим доступом, яка розповсюджується на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License (CC BY). Використання, розповсюдження або відтворення на інших форумах дозволяється за умови посилання на автора(ів) та власника(ів) авторських прав, а також за умови посилання на оригінальну публікацію в цьому журналі, відповідно до прийнятої академічної практики. Забороняється будь-яке використання, розповсюдження або відтворення, що не відповідає цим умовам.

Ця стаття є частиною дослідницької теми

Передові технології використання та керування сонячною енергією в будівлях

Технологія ізоляції допомагає інтегрувати сонячні фотоелектричні системи в інтелектуальну мережу

Більша частина електричної енергії, що виробляється безпосередньо з сонячного випромінювання, генерується сонячними фотоелектричними (ФЕ) елементами, які перетворюють фотони світлової енергії в потік електронів, що утворює електричний струм. На рисунку 1 показано аерофотознімок великої сонячної фотоелектричної установки.

Сонячний фотоелектричний (PV) інвертор ефективно перетворює електричну енергію від сонячної панелі та передає її в електромережу. Енергія постійного струму від сонячних панелей, які діють як джерело постійного струму, перетворюється на змінний струм і подається в електромережу з правильним співвідношенням фаз. з ефективністю до 98%. Процес перетворення фотоелектричного інвертора може відбуватися в один або кілька етапів.

Етап 1. це, як правило, перетворення постійного струму з низьковольтних сонячних елементів, з яких складаються панелі, на низьковольтний струм, сумісний зі змінною напругою мережі. Цей етап може бути непотрібним, в залежності від топології і якщо достатньо сонячних елементів з’єднані послідовно на стороні постійного струму, щоб забезпечити стабільну високу напругу при будь-яких умовах навантаження.

На етапі 2 постійний струм перетворюється в змінний, як правило, з використанням топології H-моста. Конструкції фотоелектричних інверторів можуть використовувати варіації Н-моста, такі як затискач нейтральної точки (NPC), для підвищення ефективності та зменшення реактивної потужності в системі.

Ранні сонячні фотоелектричні інвертори були просто модулями, які скидали енергію в електромережу. Новітні конструкції роблять акцент на безпеці, інтелектуальній інтеграції з мережею та зниженні витрат. Розробники шукають нові технології, які не використовуються в існуючих сонячних інверторних модулях, щоб підвищити продуктивність і знизити вартість.

Ключовим елементом є комп’ютерні прилади та управління, але ізоляційний бар’єр повинен захищати вимірювальні та обчислювальні схеми від схем обробки потужності, а також від перехідних сигналів, що виникають при перемиканні. У цій статті ми розповімо, як технологія ізоляції i Coupler® може знизити вартість, підвищити інтеграцію в інтелектуальну мережу і підвищити безпеку сонячних фотоелектричних інверторів за рахунок використання ізольованих аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) і драйверів затворів від Analog Devices.

Розумна мережа

Що таке інтелектуальна мережа? IMS Research визначає інтелектуальну мережу як “інфраструктуру енергопостачання з притаманною їй здатністю ефективно узгоджувати і управляти виробництвом і споживанням, отримуючи при цьому максимальну вигоду від наявних ресурсів”.” Це означає, що нове покоління сонячних фотоелектричних інверторів вимагає більшої інтелектуальності для підключення до “розумної” мережі, особливо для усунення дисбалансу в тих випадках, коли з декількох джерел надходить більше енергії, ніж потрібно мережі. З цієї причини інтелектуальні системи фотоелектричних систем повинні бути зосереджені на інтеграції з мережею, де кожен учасник енергосистеми повинен співпрацювати для стабілізації мережі, а не просто подавати живлення в розімкнутому контурі. Інтеграція в мережу вимагає кращого вимірювання, контролю та аналізу якості енергії, що подається в мережу. Крім того, нові директиви і більш високі технічні вимоги вимагають нової технології.

Отже, важливою локальною особливістю інтеграції інтелектуальних мереж може бути зберігання енергії для зменшення турбулентності в мережі шляхом зберігання непотрібної електричної енергії до тих пір, поки вона не знадобиться під час пікового навантаження. Решта статті буде зосереджена на ролі електричної ізоляції в захисті приладових схем, що використовуються для вимірювання та управління джерелами, з’єднаннями та елементами зберігання. з основним акцентом на ключову роль технології i Coupler. Ізольований АЦП AD7401A і драйвер ізольованого затвора ADuM4223, зокрема, забезпечують продуктивність, яка відповідає вимогам нових конструкцій сонячних фотоелектричних інверторів.

Технологія ізоляції

У технології i Coupler трансформатори об’єднують дані між двома ланцюгами з окремим живленням, уникаючи будь-якого гальванічного зв’язку між ними. Трансформатори виготовляються безпосередньо на мікросхемі з використанням технологічного процесу на рівні пластини. Шар полііміду з високою стійкістю до пробою під шаром золота ізолює верхню котушку від нижньої. Вхідні логічні переходи, закодовані за допомогою імпульсів тривалістю 1 нс, направляються на первинну сторону трансформатора. Імпульси, що передаються від однієї котушки трансформатора до іншої, виявляються схемою на вторинній стороні трансформатора.

Ізольований АЦП

На рисунку 2 показана пара сонячних фотоелектричних інверторів, подібних до описаних у вступі. Прив’язані до шини живлення, яка підключена до електромережі, вони незалежно вимірюються і перемикаються. Кожна сонячна панель підключена до свого підвищувального ланцюга постійного струму, а потім до інвертора постійного струму змінного струму. (При використанні, акумуляторна батарея буде підключена і перемикатися, під контролем. Будь-яке обговорення зберігання опускається для спрощення цього пояснення).

Цифровий сигнальний процесор (DSP) контролює процес. Ізольований АЦП AD7401A вимірює вихідний змінний струм порядку 25 А. Сонячні фотоелектричні інверторні системи можуть мати або не мати розділовий трансформатор на виході. Якщо трансформатор не використовується для економії коштів, сонячний фотоелектричний інвертор також повинен вимірювати будь-яку постійну складову вихідного струму. Наявність і величина цієї “інжекції постійного струму” є критичним питанням, оскільки занадто великий постійний струм, що вводиться в мережу, може наситити будь-які трансформатори на його шляху. Це значення повинно бути обмежене діапазоном малих міліампер, тому AD7401A повинен вимірювати як змінний струм в діапазоні 25 А, так і малі міліампер постійного струму.

Ізольований Σ-∆-модуляторний АЦП AD7401A i Coupler з Σ-∆-модулятором безперервно вимірює напругу на струмовому шунті, як показано на рисунку 3. Його вихід. це 1-бітний потік даних, який ізольований і подається безпосередньо в DSP. Щільність одиниць у вихідному потоці представляє вхідну амплітуду, яка може бути відновлена за допомогою цифрового фільтра, реалізованого в DSP.

Ізоляція необхідна в системах сонячних фотоелектричних інверторів, в першу чергу через високу напругу, що з’являється в мережі змінного струму. Напруга змінного струму, навіть в однофазних системах, може досягати піку 380 В. Ізоляція AD7401A витримує біполярну напругу до 561 В, що робить його дуже придатним для цього застосування. Ключовою перевагою використання AD7401A є те, що його невеликий корпус дозволяє розмістити АЦП дуже близько до фактичного шунта змінного струму, в той час як DSP може знаходитися на деякій відстані. або навіть на іншій платі в системі. Це підвищує точність і надійність даних в системі вимірювання і управління. Вихідні дані АЦП надсилаються на DSP послідовно через однобітовий потік з тактовою частотою 16 МГц, що забезпечується DSP.

Ця система може вимірювати змінний струм до 25 А і інжекції постійного струму в діапазоні низьких міліампер. Рисунок 4 ілюструє помилки зміщення та лінійності сонячного модуля AD7401A SMS. Це показує струм зміщення в шунті при ±20 мА при температурі. Таким чином, модуль може вимірювати інжекції постійного струму до 20 мА, а також струми системи 25 А (або більше), використовуючи одне рішення. Для трансформаторів струму та інших типів вимірювальних систем можуть знадобитися два пристрої: один для великих змінних струмів (діапазон 25 А) і один для малих постійних струмів (діапазон 300 мА). Це один з прикладів того, як технологія i Coupler може забезпечити інтеграцію в інтелектуальну мережу з економією витрат.

Щоб мінімізувати втрати потужності (і теплові похибки через самонагрівання) в шунті, його опір повинен бути якомога меншим, зазвичай 1 мОм. Дуже висока роздільна здатність Σ-∆ перетворювачів дозволяє зберегти втрати на струмових шунтах на рівні з традиційними рішеннями магнітних перетворювачів, досягаючи при цьому кращої точності та меншого зсуву, як показано на рисунку 4.

Хоча повномасштабна точність надзвичайно хороша, реальним випробуванням лінійності пристрою є його абсолютна похибка, особливо в низьких діапазонах. Абсолютна похибка. це похибка, пов’язана з вимірюванням в діапазоні його значень, на відміну від просто похибки на повній шкалі. Деякі трансформатори струму вказують свої пристрої як 0.1% повномасштабного діапазону. Хоча це виглядає добре, це може не розповісти повну історію.

З даних, наведених на рисунку 4, абсолютна похибка вимірювання струму за допомогою AD7401A є досить низькою у всьому діапазоні, що свідчить про низьку нелінійність і зменшені гармонійні спотворення форми сигналу з виходу сонячного фотоелектричного інвертора. Це, в свою чергу, допомагає зменшити гармонійні спотворення при інтеграції з мережею, що є ще одним прикладом того, як ця нова технологія покращує продуктивність.

Ізольований драйвер затвора

Чим вища ефективність сонячного фотоелектричного інвертора, тим більше енергії він може генерувати за рік від заданого сонячного входу, що призводить до кращої окупності інвестицій для сонячної електростанції. Через їх нижчу вартість сучасна тенденція полягає в тому, що безтрансформаторні електричні системи підключаються до електромережі загального користування. Відповідно, більш високі рівні ефективності інвертора вимагають більшої уваги до внутрішньої ізоляції його вимірювальної та керуючої електроніки, тобто ізоляції, необхідної між силовою частиною MOSFET і/або драйверами затворів інвертора та ланцюгом низької напруги.

На рисунку 5 показана одна з можливих реалізацій конфігурації H-моста для перетворювача постійного струму в змінний струм типового сонячного фотоелектричного інвертора. Напруга ланки постійного струму в ланцюзі може становити від 300 В до 1000 В для нових JFETs типу SiC, представлених сьогодні на ринку. Форма вихідного сигналу Н-моста фільтрується за допомогою котушок індуктивності та конденсаторів. Вихідні реле під’єднують відфільтрований вихід до мережі контрольованим чином. Драйвер затвора необхідний для управління затвором і вихідними клемами MOSFET в умовах високої напруги. ще один привід для ізоляції в сонячних фотоелектричних інверторах.

Як приклад, ізольований двоканальний драйвер вентилів ADuM4223 на 4 А з двома незалежними каналами ізоляції показаний на рисунку 6. Він має максимальну затримку поширення 60 нс і стійкість до синфазних перехідних процесів 100 кВ/мкс (макс.). Цей пристрій відповідає різним стандартам, таким як відповідні розділи DIN VDE0110, DIN VDE 088410 і UL1577, як описано в технічному паспорті.

Нижче наведено деякі з найважливіших параметрів ізоляції ADuM4223:

Пристрій має два канали в одному корпусі, по одному для верхнього і нижнього MOSFET. Наявність обох каналів в одному корпусі економить як вартість, так і місце на друкованій платі.

Зі звичайними оптронами потрібна або одна оптопара зі зміщенням рівня на ізольованому затворі, або можуть знадобитися дві оптрони (див. технічну статтю MS-2318 для більш детальної інформації). ще один приклад того, як ця нова технологія ізоляції може знизити собівартість.

Ще однією важливою проблемою для сонячних фотоелектричних інверторів є висока стійкість до синфазних перехідних процесів, необхідна для забезпечення того, щоб будь-які великі перехідні процеси (dV/dt) в системі не перетинали ізоляційні бар’єри, незалежно від того, пов’язані вони ємнісно чи ні, оскільки це зробить можливим одночасне (і катастрофічне) включення як високовольтних, так і низьковольтних MOSFET. ADuM4223 має високу стійкість до синфазних перехідних процесів: 100 кВ/мкс (максимум), що є ще одним прикладом того, як ця нова технологія може підвищити безпеку в системі.

Висновок

Гальванічна розв’язка є важливою вимогою для систем вимірювання та управління, необхідних для реалізації інтелектуальних мереж, які інтегрують велику кількість сонячних фотоелектричних інверторів. Ізольовані АЦП Analog Devices, з їх здатністю вимірювати як великі струми, так і струми постійного струму в одному рішенні, можуть компактно і ефективно сприяти інтеграції схем інтелектуальних мереж. Ізольовані драйвери затворів ADI з хорошими характеристиками стійкості до синфазних перехідних процесів сприяють підвищенню безпеки та надійності цих нових систем фотоелектричних інверторів.

Нова технологія стане основним фактором, що сприяє інтеграції інтелектуальних мереж та безпечному й ефективному виробництву зеленої енергії, відіграючи ключову роль у стабілізації мережі та підвищенні безпеки для всього персоналу, що працює в електромережевих системах. Розглянуті тут продукти ізоляції є яскравими прикладами інновацій, доступних в широкому асортименті продукції Analog Devices для промислових вимірювань і контролю. як для поточних, так і для майбутніх проектів.

Посилання

“Визначення розумних мереж та розумних можливостей.”

Технічна стаття MS-2318, Основи проектування ізольованого напівмостового драйвера вентилів.

Автор

Мартін Мурнан є членом команди сонячних фотоелектричних перетворювачів в Analog Devices в Лімерику, Ірландія. Раніше обіймав посади в автомобільній команді ADI. До приходу в ADI він працював на кількох посадах, включаючи розробку додатків в системах рециркуляції енергії (Schaffner Systems), розробку прикладного програмного забезпечення / баз даних на базі Windows (Dell Computers) і розробку продуктів з використанням технології тензометричних датчиків (BMS). Він має ступінь з електронної інженерії та ступінь магістра.B.A. від Університету Лімерика.

Наступна сонячна революція: Все буде фотоелектричними панелями

Сталий розвиток. Швидкий розвиток сонячних технологій і зниження витрат прокладають шлях до майбутнього, в якому будівлі будуть генерувати власну енергію.

Аналіз

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Roofit.Будівництво сонячних дахів

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Меріен тен Хаутен

Сонячні панелі стають все більш доступними, що призводить до трансформації будівництва, коли будівлі генерують власну енергію з мінімальними додатковими витратами. Оскільки ціна сонячних панелей знижується, вони інтегруються в будівлі, роблячи їх більш візуально привабливими та функціональними. Компанії, такі як Roofit.Solar пропонує інтегровані сонячні металеві дахи, що поєднують в собі довговічність та естетику, а інші інновації, такі як прозорі сонячні панелі, дозволяють створювати вікна, що виробляють енергію. Сонячні магістралі розробляються, а енергоефективна сонячна черепиця вже доступна.

Від додаткових панелей до інтегрованих фотоелектричних систем

Стрімке зниження вартості сонячних панелей веде до нової ери в будівництві, коли сонячні технології інтегровані в саму тканину будівель, а не додаються до них в останню чергу. Ця зміна має далекосяжні наслідки для естетики та функціональності будівель, а також потенціалу для збільшення виробництва відновлюваної енергії в міському середовищі.

Одним з таких прикладів такої зміни фокусу є розробка інтегрованих в будівлі фотоелектричних систем (BIPV). BIPV замінює традиційні будівельні матеріали, такі як скло та черепиця, на інтегровані з сонячною енергією матеріали, які виконують подвійну функцію: виробляють електроенергію та забезпечують ізоляцію, зниження шуму та захист від погодних умов. Це відкриває безліч можливостей для кастомізації, дизайну та підвищення енергоефективності будівель.

Порушення будівельної галузі

Оскільки сонячні панелі стають все більш економічно ефективними, зростає тенденція до інтеграції фотоелектрики в різні аспекти будівництва будівель. Сонячні вікна, сонячні фасади та сонячні дахи. все це варіанти BIPV, які можуть бути встановлені під час будівництва або модернізації будівель, змінюючи наше уявлення про традиційні будівельні матеріали.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Наприклад, сонячне скло, що використовує фотоелектрику, може використовуватися у фіксованих вікнах, пеораційних вікнах та навісних стінах, серед інших застосувань. Цей інноваційний підхід до будівництва не лише генерує чисту енергію, але й підвищує естетичну привабливість будівель.

Долаючи виклики та використовуючи можливості

Хоча впровадження BIPV стикається з такими проблемами, як висока вартість та недостатня обізнаність серед будівельників та бізнесу, нещодавній інтерес до функціональності призвів до зниження та підвищення доступності. Освіта щодо програм ціноутворення та демонстрація практичного використання в ініціативах з будівництва будівель з нульовим споживанням енергії може допомогти боротися з помилковими уявленнями та заохочувати впровадження технології BIPV.

поточні, перспективи, інтегрованих, будівлі

Новий сонячний елемент виготовлений з того ж матеріалу, що і 95% всіх існуючих сонячних елементів, але працює набагато краще. на 26.81% ефективності.

Крім того, технологічні досягнення в галузі енергоефективності та прозорості сонячних матеріалів відкривають додаткові можливості для більш широкого впровадження BIPV у різних сферах застосування. Будівельна галузь повинна кинути виклик традиційним матеріалам, продемонструвавши ефективність та результативність BIPV, прокладаючи шлях до нового покоління стійких та енергоефективних будівель.

Трансформація міського середовища

BIPV має потенціал революціонізувати міське середовище, інтегруючи естетично привабливу та енергоефективну фотоелектричну енергію в будівлі та інфраструктуру. Прикладами цієї трансформаційної технології є напівпрозорі органічні сонячні елементи для електричних вікон та фасадів, а також сонячна черепиця, яка бездоганно поєднується з дахами.

Крім того, розробляються сонячні автостради і велосипедні доріжки, що виробляють енергію, демонструючи універсальність і потенціал інтегрованих сонячних технологій. Перехід до інтеграції сонячних панелей в саму тканину нашого антропогенного середовища не тільки допоможе досягти кліматичних цілей, але й переосмислити наше ставлення до відновлюваних джерел енергії в повсякденному житті.

Що таке інтегрована в будівлі фотоелектрика (BIPV)?

Інтегрована в будівлю фотоелектрика. це будівельні матеріали подвійного призначення, які використовують фотоелектричний ефект для виробництва екологічно чистої електроенергії та виконують функцію зовнішнього кліматичного екрану будівлі. Від вікон і мансардних вікон, укріплених фотоелектричним склінням, до дахів, фасадів будівель або перил. фотоелектричні компоненти повністю інтегровані в будівлю. Конструктивно матеріали BIPV замінюють основні архітектурні елементи.

Дізнайтеся, чому BIPV змінює сонячну енергетику

Перший дах BIPV, встановлений компанією SunStyle у 1998 році

BIPV замінює будівельні елементи

Від вікон і мансардних вікон, посилених фотоелектричним склінням, до дахів, фасадів будівель або перил, фотоелектричні компоненти повністю інтегровані в будівлю. Конструктивно сонячні установки BIPV замінюють основні архітектурні елементи. Оскільки сонячні дахи знаходяться в авангарді сміливої еволюції сонячної енергетики. від сонячних панелей до сонячних дахів. BIPV знаходиться на передньому краї сонячної технології.

BIPV швидко розвивається

З моменту свого зародження в Європі на початку 1990-х років, BIPV балансує на межі успіху на ринку. Після того, як перша хвиля спроб сонячних компаній спробувати комерціалізувати продукцію BIPV здебільшого зазнала невдачі через відсутність цінової конкурентоспроможності з традиційними сонячними модулями, перспективи сьогодні є багатообіцяючими. Ринок інтегрованих в будівлі фотоелектричних систем (BIPV) зростає в міру того, як технологія розвивається, а витрати знижуються.

Архітектори покладаються на BIPV

Архітектори тяжіють до BIPV за його універсальність, використовуючи енергетичний потенціал продуктивної поверхні. Вперше матеріали подвійного призначення знижують витрати в порівнянні з традиційними сонячними панелями, які повинні бути прикріплені до існуючої архітектурно обґрунтованої конструкції. Включення багатофункціональних матеріалів у зелений дизайн також дозволяє виробляти електроенергію на місці, що має переконливий потенціал для зменшення залежності будівлі від електромережі.

Сувора кліматична політика, спрямована на прискорення нашого колективного переходу до вуглецевої нейтральності, також буде благом для будівництва інтегрованих фотоелектричних систем. Минулого року Каліфорнія постановила, що більшість нових будинків повинні бути обладнані системами сонячної енергії. Кілька міст, серед яких Уотертаун, штат Массачусетс, тепер зобов’язують модернізувати будівлі, що відповідають вимогам, сонячними системами, а нові споруди повинні бути “готовими до використання сонячної енергії”.” Кліматичні лобісти мають намір до 2022 року запровадити подібне законодавство в десятці штатів. Ця нещодавня обов’язкова сонячна політика вже стимулює попит на більш красиві, стійкі будівельні продукти.

Маючи таку ж функціональність і більш індивідуальний естетичний вигляд, фотоелектричні модулі, інтегровані в будівлі, пропонують рішення для тих, кому може не подобатися зовнішній вигляд традиційних сонячних панелей. Крім інтеграції в нові будівлі, більш витончений зовнішній вигляд означає, що BIPV використовується для реконструкції об’єктів культурної спадщини, що охороняються, з використанням відновлюваних джерел енергії. Також, на відміну від традиційних панелей, кольорові шари або плівки можуть бути вбудовані в технологію BIPV, що дозволяє персоналізувати кольорове покриття для доповнення будь-якого архітектурного стилю.

Залишити відповідь