ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7107| Title: | Дослідження ефективності використання інтегрованих сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних конструкціях будівель |
| Authors: | Кисельов, Владлен Борисович Радченко, Максим Сергійович |
| Keywords: | BIPV;інтегровані фотоелектричні системи;енергоефективність;моделювання;міський острів тепла;відновлювана енергетика |
| Issue Date: | Dec-2025 |
| Abstract: | У роботі проаналізовано сучасний стан і тенденції розвитку технології BIPV у світовій та українській практиці, визначено її відмінності від традиційних BAPV-систем, переваги та обмеження впровадження. Досліджено конструкції інтегрованих фотоелектричних модулів для фасадів, дахів і світлопрозорих елементів будівель, обґрунтовано їх вплив на енергоефективність та теплотехнічні характеристики огороджувальних конструкцій. Розроблено імітаційні моделі BIPV-систем у MATLAB/Simulink і виконано моделювання мікрокліматичних процесів у ENVI-met, що дозволило оцінити їх енергетичну ефективність і вплив на міське середовище. Підтверджено перспективність BIPV як напряму розвитку енергоефективної та сталої архітектури в Україні. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7107 |
| Appears in Collections: | 141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| ВКРМ_Радченко.pdf Restricted Access | 3.75 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(назва факультету)
Кафедра електротехнічних систем
(повна назва кафедри)
«До захисту допущено»
Завідувач кафедри ЕТС
______________________
“_____” _________2025 р.
Кваліфікаційна робота
на здобуття ступеня вищої освіти магістра
на тему:
«Дослідження ефективності використання інтегрованих сонячних
фотоелектричних модулів у огороджувальних конструкціях будівель»
Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу, групи мЕСЕ–44
Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
Радченко Максим Сергійович ____________
(прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис)
Науковий керівник к.т.н., доцент Владлен КИСЕЛЬОВ ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)
Нормоконтроль к.т.н., доцент Костянтин КЛЮЧКА ____________
(наук. ступінь, вчене звання Власне ім’я ПРІЗВИЩЕ) (підпис)
Засвідчую, що у цій кваліфікаційній роботі немає запозичень з праць інших авторів без
відповідних посилань.
Здобувач вищої освіти ______________
(підпис)
Черкаси 2025 р.
3
РЕФЕРАТ
Магістерська дисертація містить 98 сторінок, 55 рисунків, 5 таблиць та 22
використаних джерела.
Мета роботи полягає у дослідженні ефективності використання
інтегрованих сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних
конструкціях будівель з урахуванням кліматичних, енергетичних та
конструктивних факторів.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі завдання:
1. Проаналізувати сучасний стан та тенденції розвитку інтегрованих
фотоелектричних систем (BIPV) у світовій та вітчизняній практиці
енергоефективного будівництва.
2. Дослідити конструктивні, технологічні та функціональні особливості
інтегрованих фотоелектричних модулів, що використовуються в
огороджувальних конструкціях будівель (дахових, фасадних, віконних), а також
принципи їх роботи та основні параметри, що впливають на енергетичну
ефективність.
3. Розробити імітаційні моделі інтегрованих фотоелектричних модулів у
середовищі MATLAB/Simulink для дослідження вольт-амперних і вольт-ватних
характеристик різних типів модулів залежно від рівня сонячного
випромінювання та температури елементів.
4. Провести моделювання впливу масового застосування інтегрованих
фотоелектричних систем на мікроклімат міського середовища в умовах типового
мегаполісу України із застосуванням програмного комплексу ENVI-met.
У першому розділі виконано аналіз сучасного стану, тенденцій розвитку та
методів дослідження технології BIPV у світовій та українській практиці.
Встановлено, що інтегровані системи відрізняються від традиційних (BAPV) тим,
що є невід’ємною частиною конструкції будівлі, виконуючи роль
4
огороджувальних елементів і джерела генерації електроенергії. Визначено
основні переваги BIPV – енергоефективність, екологічність, архітектурна
гнучкість – та стримувальні чинники їх упровадження в Україні.
У другому розділі досліджено сучасні конструкції та принципи
функціонування фотоелектричних модулів, інтегрованих у фасади, дахи та
віконні системи будівель. Проведено порівняльний аналіз технологій BAPV і
BIPV, визначено їх технічні особливості, переваги та сфери застосування.
Показано, що використання BIPV-модулів сприяє не лише генерації
електроенергії, а також покращенню теплоізоляційних властивостей
огороджувальних конструкцій.
У третьому розділі розроблено імітаційні моделі різних типів інтегрованих
фотоелектричних модулів у середовищі MATLAB/Simulink, що дозволяють
оцінити енергетичну ефективність систем у різних умовах освітленості та
температури. Проведено перевірку адекватності моделей, відхилення якої не
перевищують 7%. Також здійснено моделювання мікрокліматичних процесів у
середовищі ENVI-met, результати якого показали, що масове впровадження BIPV
у міське середовище може посилювати ефект «міського острова тепла», що
потребує комплексного підходу до проєктування таких систем із урахуванням
теплотехнічних та екологічних аспектів.
Отримані результати підтверджують, що інтегровані фотоелектричні
системи є перспективним напрямом розвитку енергоефективної архітектури,
здатним підвищити енергетичну незалежність України, знизити викиди
парникових газів і сприяти переходу до сталого будівництва.
Ключові слова: BIPV, інтегровані фотоелектричні системи,
енергоефективність, моделювання, MATLAB/Simulink, ENVI-met, міський острів
тепла, відновлювана енергетика.
5
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ......................................................................... 8
ВСТУП .......................................................................................................................... 9
1.1. Загальні відомості про інтегровані фотоелектричні системи...................... 12
1.2. Світові тенденції розвитку ринку інтегрованих фотоелектричних систем
(BIPV ........................................................................................................................ 15
1.2.1. Драйвери росту ринку BIPV ..................................................................... 15
1.2.2. Регіональний аналіз ринку ........................................................................ 16
1.2.3. Прогнози та майбутні напрями ................................................................ 17
1.3. Перспективи використання інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV)
в Україні ................................................................................................................... 18
1.3.1. Сучасний стан та фактори, що впливають на розвиток BIPV в Україні
................................................................................................................................ 18
1.3.2. Радиаційно-тепловий вплив і «міський тепловий острів» .................... 20
1.3.3. Приклади впровадження BIPV в Україні ................................................ 23
1.4. Методи та засоби дослідження ефективності використання інтегрованих
сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних конструкціях будівель
................................................................................................................................... 25
1.4.1. Теоретичні та розрахункові методи енергетичної продуктивності BIPV
................................................................................................................................ 25
1.4.2. Експериментальні методи та натурні випробування ............................. 26
1.4.3. Методи моделювання інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV) 29
1.5. Висновки до розділу 1 ..................................................................................... 31
6
РОЗДІЛ 2. ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ МОДУЛІ ДОДАНІ ТА ІНТЕГРОВАНІ В
ОГОРОДЖУВАЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ БУДІВЛІ .................................................... 34
2.1 Фотоелектричні модулі, інтегровані в огороджувальні конструкції будівель
................................................................................................................................... 34
2.2 Фотоелектричні модулі як частина огороджувальної конструкції будівлі . 36
2.3 Додані та інтегровані фотоелектричні панелі ................................................ 36
2.3.1 Фотоелектричні модулі що вбудовуються в покрівлю будинків .......... 40
2.3.2 Фотоелектричні модулі що вбудовуються в фасади будинків .............. 46
2.3.3. Фотоелектричні модулі інтегровані у вікна будівель ............................ 48
2.4 Висновки до розділу 2 ...................................................................................... 55
РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ІНТЕГРОВАНИХ
ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ ЗАСОБАМИ КОМП’ЮТЕРНОГО
МОДЕЛЮВАННЯ ..................................................................................................... 57
3.1. Визначення характеристик сонячних модулів за допомогою програмного
середовища MATLAB/SIMULINK ........................................................................ 57
3.1.1. Постановка задачі моделювання .............................................................. 57
3.1.2. Розробка та дослідження імітаційної моделі сонячного модуля .......... 63
3.1.3. Розробка та дослідження імітаційної моделі сонячної черепиці .......... 68
3.1.4. Розробка та дослідження імітаційної моделі напівпрозорого
фотоелектричного модуля інтегрованого в конструкцію будівлі .................. 72
3.1.5. Розробка та дослідження імітаційної моделі непрозорого
фотоелектричного модуля інтегрованого в конструкцію будівлі .................. 77
3.2. Моделювання ефективності інтегрованих фотоелектричних систем в
умовах «міського теплового острова» з використанням програмного
комплексу ENVI-met ............................................................................................... 81
7
3.2.1. Початкові умови для моделювання ......................................................... 82
3.2.2 Визначення впливу фотоелектричних установок (ФЕУ) на мікроклімат
забудови ................................................................................................................ 84
2.3.3. Аналіз результатів моделювання ............................................................. 87
3.8. Висновки до розділу 3 ..................................................................................... 94
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................. 98
8
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
РГ – розподілена генерація
МЕА – міжнародна енергетична агенція
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
СЕП – система електропостачання
PV – photovoltaics
BAPV – building added photovoltaics
BIPV – building itegrated photovoltaics
ІЕС – інтегрована енергетична система
ВАХ – Вольт-амперна характеристика
ВВХ – Ват-вольтна характеристика
ФЕУ – фотоелектричні установки
ККД – коефіцієнт корисної дії
9
ВСТУП
Сучасний розвиток енергетики, будівництва та архітектури тісно
пов’язаний із глобальними тенденціями переходу до сталого розвитку,
енергоефективності та зменшення антропогенного впливу на навколишнє
середовище. В умовах поглиблення енергетичної кризи, зростання вартості
традиційних енергоносіїв та необхідності зменшення викидів парникових газів
особливого значення набуває впровадження відновлюваних джерел енергії у
житлово-комунальний та промисловий сектори [1].
Одним із найперспективніших напрямів розвитку «зеленої» енергетики є
використання сонячної енергії шляхом застосування фотоелектричних систем.
Традиційно сонячні панелі монтуються на дахах або поруч із будівлями, однак
сучасні технології дозволяють інтегрувати фотоелектричні модулі безпосередньо
в конструктивні елементи будівель – фасади, дахи, віконні системи та інші
огороджувальні конструкції. Такий підхід, відомий як Building Integrated
Photovoltaics (BIPV), який забезпечує подвійний ефект: виробництво
електроенергії та виконання будівельною конструкцією захисних, естетичних і
теплотехнічних функцій [11, 18].
Інтегровані фотоелектричні системи дозволяють зменшити енергетичні
втрати будівель, підвищити їх клас енергоефективності, знизити залежність від
зовнішніх джерел енергопостачання та зменшити експлуатаційні витрати.
Водночас виникає необхідність комплексного аналізу ефективності таких
рішень, оскільки продуктивність фотоелектричних модулів значною мірою
залежить від орієнтації будівлі, кліматичних умов, теплових характеристик
матеріалів огороджень, рівня інсоляції та конструктивних особливостей
інтеграції.
В Україні, де середньорічна сонячна радіація становить 1000–1400
кВт·год/м², потенціал використання BIPV-технологій є значним [6]. Проте
10
реальні приклади впровадження таких систем залишаються поодинокими через
відсутність достатніх досліджень, нормативної бази та методик оцінювання
ефективності. Тому дослідження ефективності використання інтегрованих
сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних конструкціях будівель є
актуальним і має як наукове, так і практичне значення.
Мета роботи полягає у дослідженні ефективності використання
інтегрованих сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних
конструкціях будівель з урахуванням кліматичних, енергетичних та
конструктивних факторів.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі завдання:
1. Проаналізувати сучасний стан та тенденції розвитку інтегрованих
фотоелектричних систем (BIPV) у світовій та вітчизняній практиці
енергоефективного будівництва.
2. Дослідити конструктивні, технологічні та функціональні особливості
інтегрованих фотоелектричних модулів, що використовуються в
огороджувальних конструкціях будівель (дахових, фасадних, віконних), а також
принципи їх роботи та основні параметри, що впливають на енергетичну
ефективність.
3. Розробити імітаційні моделі інтегрованих фотоелектричних модулів у
середовищі MATLAB/Simulink для дослідження вольт-амперних і вольт-ватних
характеристик різних типів модулів залежно від рівня сонячного
випромінювання та температури елементів.
4. Провести моделювання впливу масового застосування інтегрованих
фотоелектричних систем на мікроклімат міського середовища в умовах типового
мегаполісу України із застосуванням програмного комплексу ENVI-met.
Об’єкт дослідження – процеси енергозабезпечення будівель із
використанням інтегрованих фотоелектричних систем.
11
Предмет дослідження – ефективність використання інтегрованих
сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних конструкціях будівель,
що визначається сукупністю енергетичних, теплотехнічних та економічних
показників.
Методи дослідження: комплекс теоретичних і практичних методів
дослідження, математичне моделювання енергетичних процесів у
фотоелектричних системах.
Наукова новизна. У роботі розроблено та досліджено імітаційні моделі
інтегрованих фотоелектричних модулів у середовищі MATLAB/Simulink для
дослідження ВАХ та ВВХ різних типів BIPV-модулів (монокристалічні,
тонкоплівкові, напівпрозорі, черепичні) залежно від інтенсивності сонячного
випромінювання та температури. Це дозволяє оцінювати енергетичну
ефективність систем у будівельних конструкціях без наявності
експериментальних даних, з відхиленням від паспортних характеристик менше 7
%.
Практичне значення. Результати дослідження можуть бути використані
для розрахунку енергетичних балансів будівель, оптимізації архітектурно-
конструктивних рішень BIPV-систем, а також для подальших
експериментальних і натурних досліджень ефективності інтегрованих
фотоелектричних модулів у реальних умовах експлуатації.
Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження магістерської
роботи були обговорені на студентській науково-практичній конференції ЧДТУ,
яка відбувалася 22-24 квітня 2025 р.
12
РОЗДІЛ 1
АНАЗІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ТА ТЕНДЕНЦІЙ ВИКОРИСТАННЯ
ІНТЕГРОВАНИХ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ
1.1. Загальні відомості про інтегровані фотоелектричні системи
Сучасний етап розвитку енергетики характеризується пошуком та
впровадженням відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), серед яких сонячна енергія
посідає одне з провідних місць. Традиційні фотоелектричні (ФЕ) системи, що
монтуються на готові конструкції будівель (так звані BAPV – Building-Applied
Photovoltaics), добре відомі та широко використовуються. Однак, останнім часом
все більшої популярності набуває концепція інтегрованих фотоелектричних
систем (BIPV – Building-Integrated Photovoltaics), яка виходить за рамки простого
виробництва енергії та перетворює елементи будівлі на багатофункціональні
компоненти. Такі системи одночасно виконують архітектурно-конструктивну та
енергетичну функції, забезпечуючи не лише електричну генерацію, а й
теплозахист, звукоізоляцію, естетичну привабливість будівлі. Відповідно до
міжнародних стандартів IEC 63092-1:2020 та IEC 63092-2:2020, BIPV-модулі
визнаються повноцінними будівельними виробами, до яких висуваються вимоги
щодо механічної міцності, стійкості до атмосферних впливів, пожежної безпеки
та довговічності [12-14].
Інтегровані фотоелектричні системи (BIPV) – це технологія, що передбачає
заміну традиційних елементів будівельної оболонки (таких як дах, фасад, вікна
або навіси) на фотоелектричні модулі, які одночасно виконують дві ключові
функції [4, 11]:
13
− Функція огородження: Захист внутрішніх приміщень від впливу
зовнішнього середовища (опади, вітер, температура, шум), тобто
виконання ролі будівельного матеріалу.
− Енергетична функція: Генерація електричної енергії за рахунок сонячного
випромінювання.
Таким чином, BIPV не є додатком до будівлі, а стає її невід'ємною
архітектурною та конструктивною частиною. Це дозволяє досягти синергії між
будівельною галуззю та енергетикою, зменшуючи матеріальні витрати та
спрощуючи конструкцію.
Класифікація BIPV-систем [15]
BIPV-системи класифікують за кількома ознаками, зокрема за типом
інтеграції та локалізацією в будівлі.
За типом інтеграції:
− Стійкі BIPV (Retrofit BIPV): Системи, що інтегруються в будівлю під
час її реконструкції або капітального ремонту.
− Нові BIPV (New Construction BIPV): Системи, що проектуються та
встановлюються безпосередньо під час будівництва нової будівлі.
За локалізацією в будівлі:
Покрівельні системи:
− BIPV-черепиця та плитка: замінюють традиційну дахову покрівлю.
− BIPV-покриття для плоских або скатних дахів: виконують роль
водонепроникного покриття та ізоляції.
Фасадні системи:
− BIPV-вентильовані фасади: замінюють зовнішні облицювальні панелі.
− BIPV-скляні фасади (вітрини, кура-стіни): використовують
напівпрозорі модулі, що дозволяють пропускати світло та генерувати
енергію.
14
Віконні та скляні системи:
− Напівпрозорі BIPV-модулі з різним ступенем прозорості.
− Сонцезахисні системи (BIPV-ламелі для маркіз або бrise-soleil).
Переваги та недоліки BIPV-технологій [15]
Основні переваги BIPV-систем включають:
1. Енергоефективність: Зниження споживання енергії від зовнішніх мереж та
зменшення втрат на транспортування електроенергії.
2. Архітектурна естетика: Можливість створення унікального архітектурного
вигляду будівлі, широкий вибір кольорів, текстур та форм модулів.
3. Економія матеріалів та коштів: Заміна традиційних будматеріалів на BIPV-
модулі дозволяє компенсувати частину їх вартості за рахунок генерації
енергії.
4. Екологічність: Зменшення викидів парникових газів та вуглецевого сліду
будівлі.
5. Додаткові функції: Деякі BIPV-модулі можуть виконувати додаткові
функції, такі як теплозахист, шумоізоляція або освітлення.
До основних недоліків та викликів можна віднести:
1. Висока вартість: Інвестиційні витрати на BIPV, як правило, вищі, ніж на
традиційні ФЕ-системи та будматеріали.
2. Складність проектування та монтажу: Необхідність міждисциплінарного
підходу з участю архітекторів, будівельників та енергетиків.
3. Питання ефективності: Енергоефективність може залежати від орієнтації та
кута нахилу будівлі, що не завжди є оптимальним для генерації.
4. Нормативна база: Недосконалість або відсутність будівельних та
енергетичних стандартів для BIPV в деяких країнах.
15
5. Довговічність та ремонтопридатність: Складність заміни окремих модулів та
необхідність гарантувати їхній термін служби, сумісний із терміном
експлуатації самої будівлі.
1.2. Світові тенденції розвитку ринку інтегрованих фотоелектричних
систем (BIPV)
Ринок інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV) перетворився з
нішевої технології на динамічний сектор глобальної енергетики та будівельної
галузі. Його розвиток стимулюється поєднанням екологічних імперативів,
урядової підтримки, технологічних проривів та зростаючої обізнаності про
енергоефективність в архітектурі. Аналіз світових тенденцій дозволяє визначити
ключові драйвери росту, регіональні особливості та стратегічні напрями для
подальшого розвитку [11].
1.2.1. Драйвери росту ринку BIPV
На розвиток ринку BIPV впливає низка потужних чинників [17]:
1. Політика декарбонізації та регуляторна підтримка: Глобальна мета
досягнення нульових викидів вуглецю (Net Zero) змушує уряди
впроваджувати амбітні програми. Це включає:
o Строгіші будівельні норми: Стандарти, подібні до «Nearly Zero-
Energy Building» (nZEB) в ЄС, які зобов'язують нові будівлі мати
дуже високий рівень енергоефективності, частково покривається за
рахунок ВДЕ.
o Фінансові стимули: Податкові пільги, «зелені» тарифи, гранти та
субсидії на встановлення BIPV-систем, що значно знижують їхню
приведену вартість енергії (LCOE).
16
o Міські плани та обов'язкові вимоги: Деякі міста та регіони вводять
обов'язкові вимоги щодо встановлення сонячних панелей на дахах
нових комерційних або житлових будівель.
2. Технологічні інновації та зниження витрат:
o Різноманітність продуктів: Поява на ринку не лише стандартних
модулів, але й BIPV-черепиці, скляних фасадних панелей,
напівпрозорих модулів та гнучких рішень розширює архітектурні
можливості.
o Підвищення ефективності: Впровадження технологій
гетероперехідних елементів (HJT), перовскітних та органічних
фотоелементів обіцяє вищу продуктивність і кращі естетичні якості.
o Економія на масштабі: Масове виробництво як власне
фотоелектричних елементів, так і спеціалізованих будівельних
матеріалів на основі BIPV продовжує знижувати собівартість.
3. Зростання попиту на «зелені» будівлі: Інвестори, девелопери та кінцеві
споживачі все більше цінують екологічність та енергоефективність
нерухомості. Сертифікати, подібні до LEED, BREEAM, DGNB, часто
винагороджують використання BIPV, підвищуючи ринкову вартість
об'єкта.
1.2.2. Регіональний аналіз ринку
Динаміка ринку BIPV суттєво відрізняється за регіонами, залежно від рівня
економічного розвитку, енергетичної політики та кліматичних умов [11, 21].
• Європа: Є одним з найбільш просунутих і найбільших ринків BIPV.
Лідерами є Німеччина, Італія, Франція та Швейцарія. Це зумовлено
потужною підтримкою на рівні ЄС (Зелений курс ЄС – European Green
Deal), високою ціною на електроенергію та розвиненою архітектурною
17
культурою, орієнтованою на сталість. Тут особливо розвинені фасадні та
покрівельні BIPV-рішення.
• Азійсько-Тихоокеанський регіон: Демонструє найвищі темпи зростання
завдяки швидкій урбанізації та масштабному будівництву. Китай є
світовим лідером не лише у виробництві фотоелектричних модулів, але й у
впровадженні BIPV в рамках своєї стратегії «блакитного
неба». Японія та Південна Корея також активно розвивають цей напрям
через обмеженість енергоресурсів та високий попит на
інновації. Сінгапур робить ставку на BIPV як на ключовий елемент свого
плану «Місто у саді».
• Північна Америка: Ринок США і Канади розвивається децентралізовано,
залежно від політики окремих штатів та провінцій. Каліфорнія, Нью-Йорк
та Массачусетс є лідерами завдяки агресивним цілям у галузі
відновлюваної енергетики. Попит зосереджений переважно на
преміальному житловому сегменті та комерційних об'єктах високого класу.
• Решта світу: На ринках таких країн, як ОАЕ та Саудівська Аравія, BIPV
набуває обертів у рамках стратегій диверсифікації економіки та
будівництва футуристичних міст (наприклад, проект NEOM). В Австралії
та Латинській Америці ринок зростає, але повільніше, переважно через
високі капітальні витрати.
1.2.3. Прогнози та майбутні напрями
Згідно з аналітичними звітами (наприклад, від Grand View Research,
MarketsandMarkets), очікується, що глобальний ринок BIPV продовжить
зростання із середньорічним темпом зростання (CAGR) понад 15% у найближчі
5-10 років. Ключовими майбутніми напрямами є [2, 4]:
18
• Конвергенція технологій: Інтеграція BIPV з системами накопичення
енергії (акумуляторами), зарядними станціями для електромобілів та
технологіями «розумного будинку» для створення цілісних
енергоефективних екосистем.
• Розвиток напівпрозорих та кольорових модулів: Акцент на архітектурній
естетиці, що дозволить інтегрувати BIPV в історичні будівлі та об'єкти з
високими вимогами до дизайну.
• Стандартизація та сертифікація: Розробка міжнародних стандартів
(наприклад, від Міжнародної Електротехнічної Комісії - IEC) для безпеки,
довговічності та оцінки продуктивності BIPV-продуктів, що знизить
ризики для інвесторів і будівельників.
1.3. Перспективи використання інтегрованих фотоелектричних систем
(BIPV) в Україні
Розвиток технології інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV) в
Україні знаходиться на початковому етапі, однак він посилюється в умовах
енергетичної трансформації, активізації відновлення після воєнних руйнувань та
прагнення до євроінтеграції. Український ринок BIPV демонструє значний
потенціал, який стимулюється як глобальними трендами, так і специфічними
внутрішніми викликами [6].
1.3.1. Сучасний стан та фактори, що впливають на розвиток BIPV в
Україні
На сьогоднішній день український ринок BIPV можна охарактеризувати як
нішевий, що формується, з переважно пілотними та демонстраційними
проектами. Основними факторами, що визначають його стан, є [1]:
19
• Енергетична незалежність та безпека: Постраждалі від воєнних дій
енергетична інфраструктура та системи теплопостачання зробили питання
децентралізації та стійкості енергопостачання пріоритетними. Це створює
потужний стимул для розгляду BIPV як складової відновлення та нового
будівництва.
• Відсутність цілеспрямованої державної підтримки: На відміну від країн
ЄС, в Україні відсутні спеціальні програми стимулювання BIPV
(наприклад, податкові пільги або збільшені «зелені» тарифи). Розвиток
відбувається переважно за рахунок ентузіазму приватних інвесторів,
девелоперів та громад.
• Нормативно-правове середовище: Діюча будівельна нормативна база
(ДБН) не містить конкретних вимог або стандартів для інтеграції
фотоелектричних систем в конструкцію будівель як невід'ємного елемента.
Це ускладнює процедуру узгодження та впровадження таких рішень.
Рис. 1.1. Український ринок BIPV
20
• Економічні чинники: Висока початкова вартість BIPV-рішень у поєднанні
з їхньою непоширеністю є основним бар'єром для масового застосування.
Однак зростання цін на традиційні енергоносії та здешевлення
фотоелектричних модулів поступово покращують економічну
привабливість.
1.3.2. Радиаційно-тепловий вплив і «міський тепловий острів»
Одним із основних факторів, що знижують біокліматичну комфортність
урбанізованих територій України унаслідок посилення відчуття перегріву
людини в містах помірного та теплішого клімату в літній період є «міський
тепловий острів» (UHI). Це явище полягає у підвищенні температури повітря в
межах міста порівняно з прилеглою сільською місцевістю та є наслідком
комплексу причин: забруднення повітря, що змінює його оптичні властивості;
зміни теплофізичних характеристик міської забудови (альбедо, теплоємності,
теплопровідності, параметра шорсткості); заміни природних поверхонь
штучними, які блокують надходження ґрунтової вологи та не випаровують її; а
також утруднення конвективного повітро- та теплообміну між приземним шаром
і прохолоднішими шарами атмосфери внаслідок щільної забудови [3, 4].
Усе це спричиняє суттєві зміни радіаційно-теплового балансу міст, що в
підсумку призводить до зростання температури повітря. При цьому в різні пори
року провідну роль у формуванні ефекту міського теплового острова відіграють
різні чинники. Як показано у [33, 34], взимку теплова аномалія приблизно на 90
% зумовлена емісією техногенного тепла в навколишнє середовище, тоді як у
літній період понад половина аномалії формується внаслідок зміни фізичних
властивостей міської поверхні: близько 23 % припадає на збільшення поглинутої
радіації через зменшення альбедо, а приблизно 35 % – на зменшення витрат тепла
на випаровування.
21
Особливості прояву міських теплових острів в Україні були докладно
вивчені в низці праць [35, 36, 34, 32, 37 та ін.]. Узагальнення результатів показує,
що максимальна середньорічна інтенсивність теплового острова у м. Київ (ΔTₘₐₓ),
розрахована як різниця температур між центром міста і пригородом (смт. Чабани)
досягає 2,2 °C [16]. Якщо ж для характеристики теплового режиму Києва
враховувати також метеостанції, розташовані на околицях, то усереднена
інтенсивність (ΔTₛₑᵣ) становить 1,2 °C, що перевищує значення UHI для більшості
мегаполісів світу [18].
Інтенсивність теплового острова має виражену сезонну та добову
мінливість, яка спостерігається у ясну, безвітряну, антициклональну погоду. На
сучасному етапі UHI у м. Київ влітку інтенсивніший, ніж узимку, хоча раніше
спостерігалася протилежна тенденція. За даними [21], у 1977–1988 рр. тепловий
острів проявлявся сильніше взимку, а при усередненні за період 1950–1989 рр.
інтенсивність UHI у літній та зимовий періоди була майже однаковою.
Амплітуда коливань середньомісячних значень UHI може бути суттєвою: у
2018 р. вона становила 1,9 °C для ΔTₘₐₓ (від 3,3 °C у серпні до 1,4 °C у січні) та
0,8 °C для ΔTₛₑᵣ (від 1,6 °C до 0,8 °C відповідно) [21]. У добовому циклі
максимальні значення UHI спостерігаються у нічні та передсвітанкові години,
мінімальні — удень. У середньому за період 2017–2024 рр. улітку ΔTₘₐₓ
коливалася від 4 °C уночі до 1 °C удень, тоді як узимку амплітуда зменшувалася
утричі. Екстремальні значення інтенсивності UHI фіксуються влітку вночі й
можуть досягати 10 °C, а в окремих випадках – до 14 °C [22].
Таке значне підвищення температури має широкий спектр екологічних та
біокліматичних наслідків. Частина з них є позитивними — наприклад, зменшення
витрат палива в холодний сезон або кліматичне «зміщення» міста на 300–400 км
у південному напрямку [16], що дозволяє інтродукувати більш стійкі до
забруднення види рослин. Водночас негативні наслідки UHI переважають.
Улітку додаткове нагрівання атмосфери міста збільшує енергоспоживання на
22
кондиціонування, і в регіонах із теплим кліматом ця додаткова витрата
перевищує економію в опалювальний період, що своєю чергою посилює ефект
теплового острова через викиди теплого повітря в навколишнє середовище.
Крім підвищення температури, урбанізація істотно змінює вітровий режим.
Через ефект «теплового острова» в містах знижується середня швидкість вітру,
але вузькі міські вулиці можуть створювати локальні посилення вітру до
штормових значень. Додатково може формується мезомасштабна циркуляція
циклонічного типу, спрямована від передмість до центру міста зі швидкістю 2–3
м/с, що посилює нічні вітри. Через несиметричне розташування ізотерм поблизу
щільно забудованих зон можуть виникати різкі пориви холодного повітря,
аналогічні ефекту проходження фронту.
Таким чином, інтенсивність «міського теплового острова» продовжує
зростати незалежно від коливань глобального потепління, а його існування
супроводжується численними несприятливими екологічними та
біокліматичними наслідками. Тому надзвичайно важливим завданням є кількісна
оцінка того, як масове впровадження фотоелектричних установок (ФЕУ),
інтегрованих безпосередньо в архітектурне середовище, може вплинути на
формування «міського теплового острова». Постає питання: чи не здатен
потенційний негативний ефект від посилення «міського теплового острова»
повністю нівелювати переваги від розвитку відновлюваної енергетики у місті,
розташованому в умовах помірного континентального клімату.
У цьому контексті особливої актуальності набуває дослідження впливу
масового впровадження фотоелектричних установок, інтегрованих у міське
середовище, на формування теплового острова. Визначення можливих сценаріїв
взаємодії між розвитком відновлюваної енергетики та локальними кліматичними
процесами дозволить оцінити, чи не нівелюють потенційні теплові ефекти
використання ФЕУ екологічні переваги від переходу до сталого
енергозабезпечення міст у помірному континентальному кліматі.
23
1.3.3. Приклади впровадження BIPV в Україні
Незважаючи на виклики, в Україні вже реалізовано низку успішних
проектів, які демонструють практичну придатність та переваги технології [1]:
• Проект «ЖК Соларіс» (м. Київ): Один з найвідоміших прикладів, де
сонячні панелі були інтегровані в фасад житлового будинку. Цей проект
став архітектурною візитівкою, яка наочно показує можливість поєднання
енергоефективності та сучасного дизайну. Система не тільки покриває
частину потреб будинку в електроенергії, але й слугує елементом засклення
балконів.
• Відновлення інфраструктури: Після пошкодження багатоквартирних
будинків з'являються ініціативи з відбудови з використанням
енергоефективних технологій, включаючи сонячні панелі. BIPV
розглядається як потенційний елемент для створення «енергетично
позитивних» будинків у постраждалих регіонах.
• Комерційні та промислові об'єкти: Деякі бізнеси, зокрема в сфері логістики
та виробництва, починають інтегрувати сонячні панелі в покрівлі нових
ангарів та складів, що є переходом від BAPV до BIPV, оскільки покрівельне
покриття одночасно виконує функцію генерації.
• Приватні котеджі та громадські будівлі: Зростає кількість приватних
домоволодінь та громадських центрів, де сонячні панелі не просто
встановлені на дах, а інтегровані в нього як єдине покрівельне покриття
(BIPV-черепиця), або використовуються як навіси та козирки.
1.3.4. Перспективи розвитку BIPV в Україні
Потенціал для розвитку BIPV в Україні є дуже значним і може бути
реалізований через такі напрями [1]:
24
1. Інтеграція в процес відбудови: Масове відновлення інфраструктури
створює унікальне вікно можливостей для застосування сучасних
енергоефективних стандартів. BIPV може стати ключовим елементом
стратегії будівництва стійких, енергонезалежних громад.
2. Гармонізація законодавства: Приведення українських ДБН у відповідність
до європейських директив щодо енергоефективності будівель (наприклад,
Energy Performance of Buildings Directive - EPBD) стане потужним
драйвером, що зобов'яже застосовувати ВДЕ, включаючи BIPV.
3. Розвиток вітчизняного виробництва: Поява українських виробників
спеціалізованих BIPV-рішень (наприклад, сонячної черепиці або фасадних
панелей) могла б значно знизити вартість та популяризувати технологію.
4. Підвищення обізнаності: Просвітницька робота серед архітекторів,
будівельників, інвесторів та громадськості щодо довгострокових переваг
BIPV (економія на енергії, додаткова вартість нерухомості, екологічність)
є необхідною умовою для формування попиту.
Основними драйверами розвитку є:
• посилення екологічних вимог (Європейська директива EPBD, «Green
Deal»);
• зниження вартості фотоелектричних модулів — середня ціна зменшилася
у понад 15 разів за останні два десятиліття;
• розширення спектру архітектурних матеріалів на основі PV-технологій;
• державна підтримка через «зелені тарифи», податкові пільги та грантові
програми.
Країни Європейського Союзу (Німеччина, Італія, Швейцарія, Нідерланди)
є світовими лідерами у впровадженні BIPV. Наприклад, у Німеччині з 2022 р.
діє вимога про обов’язкову установку PV-систем на нових громадських
будівлях.
25
1.4. Методи та засоби дослідження ефективності використання
інтегрованих сонячних фотоелектричних модулів у огороджувальних
конструкціях будівель
Дослідження ефективності інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV) є
комплексним завданням, оскільки воно охоплює не лише енергетичну
продуктивність, а й теплотехнічні, економічні та архітектурно-конструктивні
аспекти. Для отримання всебічної оцінки необхідно застосовувати комбінацію
теоретичних, експериментальних та чисельних методів дослідження [3].
1.4.1. Теоретичні та розрахункові методи енергетичної
продуктивності BIPV
Ця група методів є основою для прогнозування та первинного
проектування BIPV-систем. У таблиці 1.1 наведено порівняльний аналіз двох
основних підходів до розрахунку енергетичної продуктивності систем BIPV
(Building Integrated Photovoltaics) – детальної моделі та спрощеної інженерної
моделі [9].
Детальна модель забезпечує високу точність результатів і враховує теплові
та радіаційні процеси в модулі, однак потребує великої кількості вхідних даних і
складних розрахунків.
Спрощена модель є зручнішою у практичному застосуванні, дозволяє
швидко оцінити потенціал системи, але має нижчу точність.
26
Таблиця 1.1
Порівняння методів розрахунку енергетичної продуктивності BIPV[19]
Критерій Детальна модель Спрощена інженерна
модель
Базується на рівнянні Використовує
Основний принцип енергетичного балансу узагальнені коефіцієнти
фотоелектричного втрат для різних типів
модуля. інтеграції.
Сонячна радіація,
температура модуля, Інсоляція, орієнтація
Враховані фактори відбиття, неповне поверхні, тип інтеграції,
поглинання, втрати в середні втрати.
елементах системи.
Висока, дозволяє Середня, придатна для
Точність розрахунків оцінити реальні умови попередніх оцінок або
роботи BIPV. проектних розрахунків.
Детальні метеорологічні
Необхідні вхідні дані дані, характеристики Дані про середню
модуля, параметри інсоляцію, орієнтацію
будівельної оболонки. фасаду, тип конструкції.
Врахування температури Точне моделювання на Використовуються
модуля основі теплообміну з усереднені поправочні
будівлею. коефіцієнти.
Висока, потребує
спеціального Низька, може бути
Складність реалізації програмного виконана в електронних
забезпечення таблицях або простих
(EnergyPlus, TRNSYS). симуляторах.
Попереднє
Наукові дослідження, проектування, техніко-
Сфера застосування енергоаудит, оптимізація економічне
BIPV-систем. обґрунтування, оцінка
потенціалу.
1.4.2. Експериментальні методи та натурні випробування
Ці методи передбачають збір реальних даних з діючих BIPV-систем або
тестових стендів і є найбільш достовірними [6].
27
1. Моніторинг енергетичних параметрів: Використання піранометрів для
вимірювання загальної та дифузної сонячної радіації, датчиків температури
(термопари, терморезистори), установлених на передній і задній поверхнях
модулів, в повітряному прошарку та навколишньому середовищі. Електричні
параметри (напруга, струм, потужність) фіксуються за допомогою систем збору
даних (Data Loggers) та ватметрів.
Метою моніторингу є оцінка реальної ефективності перетворення енергії,
визначення впливу температури на продуктивність, побудова реальних графіків
генерації електроенергії.
2. Тепловізійна діагностика. Застосування тепловізійної камери дозволяє
візуалізувати розподіл температури по поверхні BIPV-модуля та навколишніх
конструкціях. Цей метод ефективний для виявлення "гарячих плям" (ознака
деградації або дефектів елементів), місць втрат тепла або надмірного нагріву
через недостатню вентиляцію.
3. Калориметричний метод. Проведення випробувань у кліматичних
камерах для точного вимірювання коефіцієнта теплопередачі (U-value)
фрагмента BIPV-конструкції в контрольованих умовах.
Таблиця 1.2 порівнює два основні методи експериментальної оцінки BIPV-
систем – моніторинг енергетичних параметрів і теплові випробування., які
взаємодоповнюють один одного: перший фіксує енергетичну ефективність у
реальних умовах, а другий — теплову надійність і якість конструкції.
28
Таблиця 1.2
Порівняння методів експериментальної оцінки BIPV-систем
Критерій / Моніторинг енергетичних Теплові випробування
Параметр параметрів
1 2 3
Визначення реальної
Мета енергетичної продуктивності Аналіз теплових характеристик
дослідження та впливу температури на BIPV-модулів і виявлення
ефективність дефектів
Піранометри, датчики
Основні засоби температури (термопари, Тепловізор, кліматична камера,
вимірювання терморезистори), ватметри, калориметричне обладнання
Data Logger
Об’єкт Електричні та температурні Поверхня модулів та їх теплова
спостереження параметри BIPV-системи під поведінка в контрольованих
час роботи умовах
Часові ряди (інсоляція, Теплові карти, зображення
Тип даних температура, потужність, розподілу температури,
напруга, струм) значення коефіцієнта
теплопередачі (U-value)
– Реальні умови експлуатації – Висока точність вимірювань
– Довготривала оцінка – Виявлення локальних
Переваги ефективності дефектів
– Виявлення сезонних змін – Можливість контролю
продуктивності теплоізоляційних властивостей
– Залежність від погодних
умов – Потребує спеціалізованого
Недоліки – Необхідність тривалого лабораторного обладнання
моніторингу – Обмеженість у відтворенні
– Висока кількість даних для реальних умов
обробки
Реальні показники
Результат енергетичної ефективності та Визначення теплових аномалій,
впливу температури на дефектів, U-value та
генерацію оптимізація вентиляції
Експлуатаційний контроль Лабораторні або передвведенні
Застосування діючих BIPV-систем, оцінка випробування нових
річної генерації конструкцій і матеріалів
29
1.4.3. Методи моделювання інтегрованих фотоелектричних систем
(BIPV)
Моделювання є ключовим інструментом для проектування, оптимізації та
прогнозування ефективності інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV). Воно
дозволяє оцінити їхню поведінку в реальних умовах експлуатації ще до їх
фізичного впровадження, мінімізуючи ризики та капітальні витрати. Для
комплексної оцінки BIPV використовується низка методів моделювання, які
можна умовно класифікувати за їх призначенням [22].
1. Електричне моделювання, метою якого є точне прогнозування кількості
електроенергії, що генерується BIPV-системою. Використовують еквівалентні
електричні схеми, найвідомішою з яких є однопівперіодна модель. Ця модель
описує ВАХ фотоелемента за допомогою джерела струму, діода, послідовного
та паралельного опорів. Її параметри (стурму короткого замикання Isc, напруга
неробочого ходу Voc, коефіцієнти ідеальності тощо) визначаються для
стандартних умов випробувань (STC) і корегуються в залежності від реальних
умов.
Чинники впливу, що враховуються:
− сонячна радіація – основний вхідний параметр, яким є інтенсивність
падаючого випромінювання;
− температура модуля – електрична ефективність напівпровідників
значно падає зі зростанням температури. Для BIPV це критично важливий
параметр, оскільки ступінь інтеграції (наявність вентильованого прошарку)
безпосередньо впливає на тепловий режим;
− моделювання затінення, що дозволяє оптимізувати електричну
схему (наприклад, використання мікроінверторів або оптимізаторів потужності)
для мінімізації цих втрат.
Програмні засоби: SAM (System Advisor Model), PVsyst, PV*SOL.
30
2. Теплоенергетичне та енергобалансове моделювання будівлі. Оскільки
BIPV є частиною будівельної оболонки, її вплив на енергоспоживання будівлі є
багатогранним. Для його оцінки використовуються складні динамічні моделі.
• Вплив на теплові потоки: BIPV-модуль змінює теплові характеристики
оболонки. Він може:
o Зменшити теплопритоки влітку, затримуючи частину сонячної
радіації і перетворюючи її на електрику, тим самим знижуючи
навантаження на систему кондиціювання.
o Впливати на теплові втрати взимку, виступаючи додатковим шаром
ізоляції, але також можучи перешкоджати пасивному сонячному
обігріву.
• Динамічне моделювання: Спеціалізоване програмне забезпечення для
моделювання енергоспоживання будівель дозволяє врахувати ці ефекти в
поєднанні з іншими факторами: орієнтацією, кліматом, внутрішніми
тепловими надходженнями, роботою систем ОВК.
• Програмні засоби: EnergyPlus (має вбудовані модулі для детального
моделювання BIPV, включаючи вентильовані фасади), TRNSYS (гнучка
модульна система), IES-VE.
3. Теплогідравлічне моделювання (CFD). Для детального аналізу теплових
процесів у складних BIPV-конструкціях, зокрема вентильованих фасадах,
застосовується метод комп'ютерної гідродинаміки (CFD).
• Мета: Моделювання розподілу температур, швидкостей повітряних
потоків і тисків у вентильованих повітряних прошарках.
• Результати: CFD-аналіз дозволяє:
o Визначити ефективність відведення тепла від модуля, що
безпосередньо впливає на його електричний ККД.
o Виявити зони застою повітря та перегріву.
31
o Оптимізувати геометрію фасаду (розміри вхідних/вихідних отворів)
для забезпечення природної конвекції.
• Програмні засоби: ANSYS Fluent/CFX, OpenFOAM, COMSOL
Multiphysics.
4. Оптичне моделювання. Для напівпрозорих BIPV-систем (скляні фасади,
вікна) критично важливим є прогнозування їх оптичних властивостей.
• Мета: Визначення коефіцієнта пропускання світла, відбиття та
поглинання для різних довжин хвиль.
• Застосування: Ці дані використовуються для оцінки природного
освітлення приміщень, вибору типів скла та фотоелектричних прошарків,
що забезпечують баланс між генерацією енергії та комфортом
користувачів.
Інтегрований підхід до моделювання
Найбільш точні результати досягаються при ко-симуляції – коли кілька
моделей обмінюються даними в реальному часі. Наприклад:
1. EnergyPlus розраховує загальне теплове навантаження на будівлю.
2. Для детального розрахунку температури BIPV-фасаду викликається CFD-
модель.
3. Отримана температура передається назад в електричну
модель у EnergyPlus для точного розрахунку генерації електроенергії.
1.5. Висновки до розділу 1
У першому розділі було здійснено аналіз сучасного стану, тенденцій
розвитку та методів дослідження інтегрованих фотоелектричних систем (BIPV –
Building Integrated Photovoltaics). Узагальнення теоретичних і практичних
відомостей показало, що технологія BIPV є перспективним напрямом у сфері
32
енергоефективного та сталого будівництва, який поєднує архітектурно-
конструктивні, енергетичні та екологічні функції будівельних оболонок.
1. Встановлено, що інтегровані фотоелектричні системи відрізняються від
традиційних (BAPV) тим, що є невід’ємною частиною конструкції будівлі,
виконуючи одночасно роль огороджувального елемента і джерела генерації
електроенергії. Класифікація BIPV-систем охоплює різні типи інтеграції (нове
будівництво та реконструкція) і варіанти розміщення (дахові, фасадні, віконні та
сонцезахисні рішення). Основними перевагами таких систем є
енергоефективність, екологічність, архітектурна гнучкість і економія матеріалів,
тоді як головними стримувальними факторами залишаються висока початкова
вартість, складність проєктування та відсутність розвиненої нормативної бази.
2. Аналіз світових тенденцій показав, що ринок BIPV демонструє стабільне
зростання з середньорічним темпом понад 15 %. Основними драйверами цього
процесу є політика декарбонізації, розвиток концепції «зелених» будівель,
технологічні інновації (зокрема використання перовскітних і гетероперехідних
фотоелементів) та урядові програми стимулювання відновлюваної енергетики.
Лідерами впровадження BIPV є країни Європи (Німеччина, Італія, Швейцарія,
Франція), Японія, Південна Корея та Китай, де інтегровані сонячні технології
стали важливою складовою архітектури майбутнього.
3. Встановлено, що в Україні розвиток BIPV перебуває на початковому
етапі. Ринок формується переважно за рахунок пілотних проєктів і приватних
ініціатив, серед яких показовими є приклади інтеграції сонячних фасадів у
житлових і громадських будівлях. Визначальними факторами, що стримують
широке впровадження є відсутність державної підтримки, недосконалість
нормативно-правової бази та висока собівартість обладнання. Водночас процес
відбудови після воєнних руйнувань, гармонізація національних стандартів із
європейськими директивами (EPBD, Green Deal) і розвиток вітчизняного
виробництва створюють значні передумови для зростання сектора.
33
Особливої актуальності набуває дослідження впливу масового
впровадження фотоелектричних установок, інтегрованих у міське середовище на
формування «теплового острова». Визначення можливих сценаріїв взаємодії між
розвитком відновлюваної енергетики та локальними кліматичними процесами
дозволить оцінити, чи не нівелюють потенційні теплові ефекти використання
ФЕУ екологічні переваги від переходу до сталого енергозабезпечення міст у
помірному континентальному кліматі.
4. Розглянуті методи дослідження ефективності BIPV-систем охоплюють
теоретичні, експериментальні та чисельні підходи. Теоретичні методи базуються
на енергетичних моделях різного рівня деталізації, експериментальні – на
натурному моніторингу енергетичних та теплотехнічних параметрів, тоді як
моделювання із застосуванням сучасного програмного забезпечення (PVsyst,
EnergyPlus, MATLAB/Simulink, ANSYS Fluent) забезпечує комплексну оцінку
енергетичної, теплової й оптичної поведінки систем.
Таким чином, інтегровані фотоелектричні системи є важливим елементом
сучасних концепцій «розумного» та енергоефективного будівництва. Їх
упровадження в Україні сприятиме підвищенню енергетичної незалежності,
скороченню викидів парникових газів і формуванню нових підходів до
архітектурного проєктування. Подальші дослідження доцільно спрямувати на
оптимізацію конструктивно-енергетичних характеристик BIPV-модулів та
адаптацію міжнародних стандартів до національних умов.
34
РОЗДІЛ 2
ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ МОДУЛІ ДОДАНІ ТА ІНТЕГРОВАНІ В
ОГОРОДЖУВАЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ БУДІВЛІ
2.1 Фотоелектричні модулі, інтегровані в огороджувальні конструкції
будівель
Активне використання джерел відновлюваної енергії сприяє дедалі
ширшому застосуванню сонячних елементів у облицюванні будівлі.
Фотоелектричні модулі (PV), інтегровані в огороджувальні конструкції будівлі,
приймають на себе нові функції, не обмежуючись лише виробництвом
електроенергії. Одночасно ростуть і стають більш жорсткими вимоги до цих
систем [6].
25 квітня 2021 року Верховна Рада України підтримала у другому читанні
законопроект № 8449-д, що мав би забезпечити конкурентні умови виробництва
електроенергії з альтернативних джерел. Закон розроблявся перш за все для
регулювання роботи великих виробників електроенергії з ВДЕ. Натомість деякі
внесені поправки унеможливлять розвиток домашніх сонячних станцій і
негативно вплинуть на розвиток розподіленої генерації в Україні в цілому. Адже
фундаментом глобального переходу до «зеленої» енергетики є принцип 3D:
Decentralization, Decarbonization, Digitalization. Один з них, децентралізацію,
український парламент суттєво підкосив [6].
Норма закону вимагає, щоб сонячні електростанції домогосподарств, що
отримують «зелений тариф», були розташовані винятково на дахах та/або
фасадах будівель та інших капітальних споруд. Згідно законом максимальна
потужність збільшена до 50 кВт, що є кроком на зустріч розвитку домашньої
генерації [6].
35
Фотоелектричні модулі пропонуються у вигляді плоских або гнучких
поверхонь з комірчастою або багатошаровою структурою. Їх можна вбудовувати
в будь-яку частину оболонки будівлі, і завдяки своїм характеристикам (розміри,
гнучкість, форма та зовнішній вигляд) вони можуть бути елементом дизайну.
Фотоелектричні модулі використовують з традиційними для архітектури
матеріалами – склом та металом, – причому як у непрозорому, так і у
напівпрозорому варіанті [5].
Більшість фотоелектричних модулів розробляється як виключно допоміжні
елементи, покликані лише виробляти енергію. Типорозміри модулів
оптимізуються для збору енергії та полегшення процесу складання, а питанням
їх інтеграції в архітектуру та конструкцію будівлі приділяється дуже мало уваги.
Тому їх монтаж та експлуатація викликають багато запитань. Основним
джерелом проблеми є недостатньо висока компетентність виробників
фотоелементів, пов'язана, як правило, з відсутністю відповідних стандартів.
Фотоелектричні модулі повинні розроблятися у відповідності з певними
технологічними вимогами і водночас повинні поєднувати в собі функції
огороджувальної конструкції (щоб їх можна було легко вмонтувати в покрівлю,
фасад, парапет і т.д.), бути надійними та безпечними. Вбудований модуль
повинен відповідати вищим вимогам, ніж традиційний (з точки зору теплового та
механічного опору). Це вкрай важливо особливо у сьогоднішніх умовах, коли
стандарти, що регулюють це питання, відсутні. Мета нашої роботи – допомогти
виробникам та проектувальникам з проведенням випробувань для виготовлення
нових прототипів модулів фотоелектричних систем, які можна було б інтегрувати
в огороджувальні конструкції нових або існуючих будівель [5].
36
2.2 Фотоелектричні модулі як частина огороджувальної конструкції
будівлі
Фотоелектричні модулі та установки є автономними пристроями,
початкова функція яких полягає у перетворенні сонячної енергії в електричну. З
цієї причини традиційні фотоелектричні системи розглядаються лише як
генератори фотоелектричні енергії [17, 18].
Нагальна проблема у сфері фотоелектричних систем полягає в тому, що, з
одного боку, ринок вимагає економічних рішень з використанням
фотоелектричних систем (вартість модуля на ват пікового навантаження), а з
іншого боку, виробники повинні самостійно розробляти нове обладнання,
витрачаючи на це значні суми. Фотоелектричні системи можуть
використовуватися на будь-якій частині огороджувальної конструкції будівлі,
яка знаходиться під впливу прямих сонячних променів. Їх слід розміщувати на
покрівлі, фасадах та сонцезахисних козирках. Фотоелектричні системи можуть
бути змонтовані шляхом: додавання фотоелектричних модулів на існуючу
конструкцію, заміною частини огороджувальних конструкцій будівлі та
інтеграцією модулів у огороджувальні конструкції будівлі. При їх використанні
слід враховувати особливості огороджувальних конструкцій, архітектуру, а
також енергетичні властивості будівлі. Наприклад, модуль з напівпрозорого
двостороннього скла при використанні його на заскленому фасаді повинен також
виконувати функції ізолюючого елемента з необхідними характеристиками
теплової ізоляції, регулювання інсоляції, захисту від відблисків і т.д.
2.3 Додані та інтегровані фотоелектричні панелі
Існує два основні варіанти застосування фотоелектричних панелей у
будівлі [5, 17, 18]:
37
− додавання фотоелектричних панелей поверх огороджувальної
конструкції будівлі (building added photovoltaics, BAPV);
− заміна частин огороджувальних конструкцій будівлі встроюваними
фотоелектричними панелями (building integrated photovoltaics, BIPV).
Якщо говорити про елементи, що монтуються поверх огороджувальних
конструкцій, BAPV, то зазвичай для цих цілей застосовують традиційні
фотоелектричні модулі із відповідними системами монтажу. BAPV-модулі
включають в себе широкий спектр фотоелектричних елементів, що
встановлюються на фасаді будівлі, а також низка традиційних фотоелектричних
систем для монтажу на покрівлі – зазвичай після завершення будівництва. До
фотоелектричних модулів зазвичай не висуваються спеціальні вимоги, оскільки
вони не несуть будь-яких додаткові функції для будівлі. Достатньо проведення
лише ряду випробувань IEC із невеликими коригуваннями.
При цьому фотоелектричні модулі, які мають замінити традиційні захисні
елементи конструкцій будівлі, повинні компенсувати всі функції елемента, що
видаляється. Це означає, що модуль, що вбудовується в огороджувальні
конструкції, BIPV повинен задовольняти більшій кількості вимог, ніж
стандартний фотоелектричний модуль. Стандарти, що регулюють це питання,
нині відсутні. По цій причині система повинна відповідати декільком
нормативам: стандарту з електротехнічних вимог, а також стандартам з
будівельних виробів [17, 18].
38
Рис.2.1. Сонячні модулі встановлені додатково встановлені на поверхні
покрівлі будинку
Рис.2.2. Сонячні модулі вбудовані в покрівлю будинку
39
Рис.2.3. Монтаж Solar Roof
Однак, якщо відповідність стандартам IEC гарантується виробником
фотоелектричного модуля і вказується в його паспорті, то будівельні вимоги досі
не включені до процедури сертифікації та маркування модулів. Для
одноманітності стандартів CENELEC запустив проект «prEN 50XXX:
Фотоелектричні елементи будівель» (CLC/TC 82), який заснований на роботі
Технічного комітету з електротехнічної стандартизації та метою якого є
«підготовка європейських стандартів для систем та елементів перетворення
сонячної енергії в електричну, а також для всіх складових єдиної
фотоелектричної системи». У проекті стандарту визначено кілька категорій його
застосування, які поділяються відповідно до обов'язкових вимог Директиви ЄС з
будівельних виробів: механічна міцність та надійність, пожежна безпека,
санітарно-гігієнічні та екологічні вимоги, безпека експлуатації, захист від шуму,
енергоекономічність та теплозахист [17, 18].
Для ліквідації цієї прогалини та допомоги виробникам фотоелектричних
систем у питанні сертифікації якості продукції Швейцарський центр випробувань
40
фотоелектричних модулів розробляє BIPV-методику, яка має охоплювати всі
законодавчі вимоги ЄС. Насамперед, інтегровані фотоелектричні модулі не
повинні розглядатися як автономні елементи; вони є частиною огороджувальної
конструкції будівлі (наприклад, черепиця на покрівлі). Результати випробувань
повинні переконати домовласників у тому, що вбудовані в покрівлю
фотоелектричні модулі, наприклад, «сонячна черепиця», заповнюють функції
огороджувальної конструкції по механічної міцності, пожежної безпеки та
герметичності всієї системи. Дуже важливу роль відіграють також елементи
кріплення, для яких також необхідно проводити спеціальні випробування.
2.3.1 Фотоелектричні модулі що вбудовуються в покрівлю будинків
Сонячна черепиця (Solar Roof) поєднує в собі покрівлю та фотоелектричні
елементи в один продукт. Він відрізняється від інших продуктів, які об’єднують
фотоелектричні покрівлі з існуючими покрівлями, оскільки установка Solar Roof
замінює всі існуючі покрівлі матеріалами, які дозволяють більшій частині даху
виробляти електроенергію. Компоненти покрівлі перевіряються на відповідність
стандартам, специфічним для покрівлі, включаючи стійкість до вогню, вітру та
ударів. Аналогічно фотоелектричні та електричні компоненти перевіряються на
відповідність застосовним стандартам, включаючи пожежні, електричні та
механічні стандарти [17, 18].
41
Рис.2.4. Приклад вбудованих PV-модулів Tesla Solar Roof в покрівлю
будинку
Рис.2.5. Приклад вбудованих PV-модулів Bluesun BSM-30D в покрівлю
будинку
42
Відмінність від традиційних фотоелектричних елементів [17, 18]:
− Здалеку покрівельні та енергогенеруючі модулі виглядають дуже
схожими;
− Модулі мають набагато нижчу напругу, ніж традиційні фотоелектричні
модулі стандартного формату, менше 14 В постійного струму;
− Короткі рядки модулів поєднуються з кабелем, що входить до списку
UL, який називається Diode Harness;
− Металевий каркас, який є на традиційних сонячних панелях,
видаляється, усуваючи потенційний шлях несправності.
Подібність з традиційними фотоелектричними елементами [17, 18]:
− Модулі виробляють електроенергію постійного струму, як і традиційні
фотоелектричні модулі;
− Панелі виготовлені із загартованого скла;
− Як і традиційні фотоелектричні системи, Solar Roof використовує
кремнієві фотоелементи;
− Модулі Solar Roof використовують розподільні коробки,
фотоелектричний провід та роз'єми;
− Використовуються стандартні струнні інвертори.
Сонячна черепиця функціонує принципово так само, як і традиційні
фотоелектричні системи, встановлені на даху. Сонячне світло перетворюється в
електрику постійного струму в кожному окремому модулі. Окремі модулі
з’єднуються послідовно за допомогою діодних джгутів, щоб утворити повну PV
«струну». Одна або кілька ланцюгів підключаються паралельно до звичайного
струнного інвертора для перетворення живлення в змінний струм [17, 18].
43
Рис.2.6. Конструкція Solar Roof
У стандарті IEC 61215 описаний процес випробування фотоелектричних
модулів, що вбудовуються в покрівлю будівлі (Таких як «сонячна черепиця»).
Для цього під навантаженням 2400 Па (у відповідності до стандарту IEC)
випробовувався не тільки модуль, але також і системи кріплення, затискних
пристроїв та монтажних конструкцій. Для проведення експерименту вся
конструкція була поміщена в камеру випробувань на навантаження. На
конструкції модуля, кріпильних та затискних пристосуваннях було розміщено до
шести датчиків, що фіксують відхилення по вертикалі із похибкою до 0,5 мм [17,
18].
44
Рис.2.7. Приклад випробувань на міцність для моделей сонячної черепиці
Рис.2.8. Приклад випробувань на міцність для моделей сонячної черепиці
Випробування всієї конструкції в реальних умовах вказують на слабкі
місця обладнання та проблеми кріплення модулів один з одним та з
огороджувальною конструкцією.
Фотоелектричні модулі (BIPV), що вбудовуються, є електричними
установками, тому вони повинні відповідати стандартам по електричним
системам. Крім цього, оскільки дані модулі є в водночас елементом
огороджувальної конструкції будівлі, вони повинні відповідати вимогам
45
будівельних стандартів. Стандарт prEN 50583 покликаний об'єднати існуючі
вимоги, а також ліквідувати прогалини у нормативній документації [12-14].
Приклади застосування:
Рис.2.9. BIPV-фасад у Швейцарії
На південній стіні Науково-дослідного центру у Невшателі (Швейцарія)
з'явився сонячний фасад. Інтегровані до нього сонячні панелі зроблені за
експериментальною технологією, розробленою компанією Meyer Burger. Фасад
створено з використанням технології високоефективних гетеропереходів для
сонячних панелей (HJT) та "розумної" системи з'єднання панелей SmartWire
(SWCT) [17, 18].
Фотоелектричний фасад вирізняється елегантним дизайном своїх модулів.
Завдяки практично невидимим сполучним елементам сонячні модулі фасаду
утворюють майже однорідну поверхню протягом 633 м2. Усього на реалізацію
цього проекту пішло 18 місяців, а фінансуванням будівництва займалася влада
міста, енергопостачальна компанія Viteos та науковий центр CSEM. Інноваційні
технології дозволили досягти високої енергоефективності фасаду та гарантували
максимальний вихід енергії навіть за дуже високих температур.
46
За словами фахівців з Meyer Burger, інтегровані до будівлі сонячні панелі
(BIPV) стають будівельним матеріалом, який чудово впишеться в архітектурну
стилістику будь-якої будівлі. А застосування в них нових технологій
високоефективних гетеропереходів та розумної системи з'єднання панелей
SmartWire (SWCT) дозволить збільшити продуктивність сонячних панелей у
різних кліматичних зонах [17, 18].
Нові сонячні панелі, створені із застосуванням цих технологій, стали
доступними для масового споживача в Швейцарії в середині 2016 року.
2.3.2 Фотоелектричні модулі що вбудовуються в фасади будинків
Сонячні батареї можна використовувати як рішення для облицювання
сонячних фасадів, яке підходить як для нових фасадів (для інтеграції), так і для
існуючих фасадів для оновлення або реставрації фасаду, перетворюючи його на
енергоефективне будівельне рішення. Фотоелектричні фасадні модулі мають
легку вагу та конкурентоспроможні ціни, тому їх можна вибрати як варіант
облицювання будівлі для досягнення візуальної привабливості та
енергоефективності. Крім виробництва електричної енергії, вони можуть
створити додаткову економію енергії завдяки чудовим теплоізоляційним
властивостям і контролю сонячної радіації [8].
47
Рис.2.10. Будівля з фасадними фотоелектричними модулями
Сонячні панелі можуть бути налаштовані відповідно до бажаної системи
кріплення або фіксації до стіни.
Переваги PV фасаду [14]:
Сонячні фасади є чудовим рішенням, не кажучи вже про генерацію енергії,
вони дають масу переваг: утеплення фасадів, фасадне та балконне скління,
додаткові теплотехнічні властивості, зниження шуму (від скління балконів
можна очікувати 8-12 децибел зниження шуму від транспорту). Модулі сонячних
фасадів також можна інтегрувати в існуючі фасади будівель, модернізуючи їх і
перетворюючи їх на енергоефективні.
При спорудженні фасадних секцій будівлі можливі такі методи включення
фотоелектричних елементів в конструкцію [12]:
− модулі можуть бути включені безпосередньо при зведенні бетонних
секцій;
48
− модулі можуть бути нашаровані на бетонні плити;
− модулі можуть бути прикріплені до бетонних плит за допомогою
шпильок, гвинтів тощо.
Застосування сонячних фасадів BIPV:
− сонячні батареї для облицювання стін;
− вентильовані сонячні фасади;
− друга оболонка сонячних фасадів;
− сонячні ребра;
− фасадне скління;
− сонячні батареї для балконів і балюстрад;
− фотоелектричні мансардні вікна та інше застосування.
Можлива кастомізація усіх модулів у різних стилях, з можливістю
налаштувати дизайн:
− розмір і форму;
− колір скла, сонячні батареї, прозорість;
− розташування клітин, диференціація щілин;
− товщина і вага;
− ефективність, розподільна коробка;
− адаптується до різного кріплення та інше за запитом до виробника.
2.3.3. Фотоелектричні модулі інтегровані у вікна будівель
Фотоелектричні вікна — це (напів)прозорі модулі, які можна
використовувати для заміни ряду архітектурних елементів, які зазвичай
виготовляються зі скла або подібних матеріалів, таких як вікна та мансардні
вікна. Крім виробництва електричної енергії, вони можуть створити додаткову
49
економію енергії завдяки чудовим теплоізоляційним властивостям і контролю
сонячної радіації [14].
Сонячні вікна з фотоелектричним склінням – це сонячна технологія, яка
дозволяє будинкам виробляти власну відновлювану електроенергію через вікна
або конструкцію свого будинку, а не лише з панелей на даху. Ринок сонячних
батарей продовжує розвиватися, і багато виробників виходять за рамки
традиційних сонячних панелей, встановлених на даху [14].
Сонячні вікна – це термін, який часто називають крізь сонячні панелі, які
нагадують скляні панелі. Панелі включають сонячну фотоелектричну
технологію, необхідну для виробництва електроенергії від сонця. Теоретично це
означало б, що ми могли б замінити наші стандартні скляні вікна на версії, які
також функціонують як сонячні панелі, максимізуючи відновлювану енергію,
вироблену в наших будинках [13, 14].
Виготовлення прозорих сонячних панелей, які виробляють електроенергію
від сонця, потребує нанотехнологій або технології квантових точок. Це дозволить
пропускати світло через вікно, водночас генеруючи електрику, оскільки енергія
поглинатиметься через квантові точки.
Фотоелектричне скло використовується в будівництві величезних
комерційних будівель, автобусних зупинок і бензозаправок, використовується в
якості стін і дахів будинків, теплиць, мансардних вікон і фасадів.
Деякі виробники досягли великих успіхів у виробництві сонячного скла.
Polysolar UK описує своє сонячне скло як «практично прозоре». Polysolar
UK використовує технологію тонкоплівкової фотоелектричної, яка дозволяє їм
виробляти елементи для сонячних фотоелектричних панелей, які є повністю
прозорими або непрозорими [17, 18].
Onyx Solar є міжнародним виробником і постачальником фото-
електричного скла для використання в комерційних і побутових будівлях, таких
як фасади, навісні стіни, атріуми, навіси та підлога на терасі.
50
Останній дизайн (сірий колір) від Polysolar забезпечує рівень ефективності
між 12-15%, що більше, ніж у багатьох стандартних сонячних панелей на ринку.
Попередня версія з помаранчевим відтінком мала нижчу ефективність, але
коштувала близько 175 фунтів стерлінгів за квадратний метр, а нова версія –
близько 250 фунтів стерлінгів за квадратний метр [17, 18].
Ще одна подібна технологія, яка вже наближається до виробництва, —
жалюзі від сонячних панелей. Замість того, щоб само віконне скло виробляло
електроенергію, були розроблені жалюзі з сонячними фотоелементами, які
можна повісити на внутрішній або зовнішній бік вікна. Вони будуть автоматично
обертатися, щоб стежити за положенням сонця протягом дня, максимізуючи
виробництво енергії [17, 18].
Polysolar виробляє широкий спектр різних технологій сонячного скла BIPV,
розроблених для найкращого задоволення потреб та потреб клієнтів [17, 18].
Серія PS-CT – прозора прозора тонкоплівкова фотоелектрична технологія
з телуриду кадмію (CdTe). Безбарвний/сірий/чорний піксельний вигляд.
Доступний у діапазоні прозорих плівк, непрозорих до 80% світлопропускання.
Стандартний розмір панелі 1200x600x7,1 мм, але доступний у будь-якій формі та
розмірі до 3 м. Ефективність від 12% або 118 Вт/м². Характеристики модельного
ряду серії PS-CT наведено на рис.2.12 [17, 18].
Рис.2.11. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-CT
51
Рис.2.12. Характеристики модельного ряду серії PS-CT [17, 18]
Серія PS-MC-ST – напівпрозора фотоелектрична технологія на базі
монокристалічного кремнію (c-Si). Усі чорні квадратні силіконові елементи
вбудовані в прозорий скляний ламінат. Доступний у різних прозорих плівках
та/або із задньою білою або чорною плівкою. Стандартна панель 10%
світлопропускання та розміри 1049x1770x7,1 мм (60 клітинок). Ефективність від
20% або 210 Вт/м². Характеристики моделі серії PS-MC-ST наведено на рис.2.14.
Рис.2.13. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-MC-ST [17]
52
Рис.2.14. Характеристики моделі серії PS-MC-ST [17]
Серія PS-C & A – прозора фотоелектрична технологія на базі аморфного
кремнію (a-Si). Коричневий/оранжевий прозорий вигляд. Доступна у вигляді
непрозорої панелі або панелі, яка пропускає світло з червоним спектром 20%.
Стандартні розміри панелі 1300x1100x7 мм. Ефективність від 8% або 70 Вт/м².
Характеристики модельного ряду серії PS-C & A наведено на рис.2.16.
Рис.2.15. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-C & A
53
Рис.2.16. Характеристики модельного ряду серії PS-C & A [18]
Серія PS-MC-ML – Індивідуальна фотоелектрична технологія напів-
прозорого монокристалічного кремнію (c-Si). Кремнієві осередки затиснуті в
ламінат зі скла. Доступні в різних розмірах, формах і прозорих плівках, а також
специфікаціях скла, з осередками, розміщеними на відстані між ними, щоб
забезпечити світло між ними. Стандартний розмір панелі 1640х992 мм.
Ефективність від 22,5% або 212 Вт/м² [18].
Рис.2.17. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-MC-ML
54
Серія PS-CIGS – фотоелектрична технологія напівпрозорого міді-індій-
галій-селеніду (CIGS). Прозорий тонкоплівковий ламінат з візерунком зі скла з
перфорованим заднім склом. Доступний у асортименті прозорих та кольорових
ламінатів. Стандартна панель 23% світлопропускання, розміри 1192х792x33 мм.
Ефективність 10% або 105 Вт/м² [18].
Рис.2.18. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-CIGS
Серія PS-OPV – Polysolar є провідним розробником фотовольтаїки
наступного покоління з органічними полімерами (OPV). Вироби на основі
прозорого скла ще не виробляються, але є можливість замовити гнучкий OPV на
пластикових або скляних підкладках для спеціалізованих застосувань [18].
Серія PS-CIGS-HM – Гнучкі сонячні панелі з найвищою доступною
щільністю потужності. Ці тонкоплівкові фотоелектричні панелі 3-го покоління
Miasole міді-індій-галій-селенід (CIGS) пропонують легкі модулі, розроблені для
застосування, де скляні панелі непридатні.
55
Рис.2.19. Зображення сонячного скла модельного ряду серії PS-CIGS-HM
2.4 Висновки до розділу 2
У другому розділі магістерської роботи проведено всебічний аналіз
конструкцій, принципів функціонування та технічних особливостей
фотоелектричних модулів, які інтегруються або додаються до огороджувальних
конструкцій будівель. Досліджено сучасні технології типу BAPV (Building Added
Photovoltaics) та BIPV (Building Integrated Photovoltaics), визначено їх
відмінності, переваги та сфери застосування.
1. Розглянуто сучасні технології інтеграції сонячних панелей у будівлі,
зокрема системи Solar Roof, а також фасадні та віконні модулі компаній Tesla,
Bluesun, Polysolar та Onyx Solar. Показано, що такі рішення забезпечують
економію матеріалів, підвищують енергоефективність і водночас покращують
архітектурний вигляд споруд.
2. Встановлено, що перевага інтегрованої фотовольтаїки перед
неінтегрованими системами полягає у можливості часткової компенсації
початкових витрат за рахунок зменшення матеріальних і трудових ресурсів під
час будівництва. Крім того, технологія BIPV дозволяє ефективно
використовувати сонячну енергію в поєднанні з естетичними вимогами до
56
архітектури будівель. Завдяки цьому BIPV є одним із найперспективніших і
швидкозростаючих напрямів розвитку фотоелектричної промисловості. Окрім
генерації електроенергії, інтегровані модулі забезпечують додаткову економію
енергії за рахунок покращених теплоізоляційних властивостей.
3. Визначено, що інтегровані фотоелектричні модулі не можна
розглядати як автономні елементи, оскільки вони є складовою частиною
огороджувальної конструкції будівлі. Результати досліджень мають
підтверджувати, що такі модулі забезпечують необхідну механічну міцність,
пожежну безпеку та герметичність усієї системи.
57
РОЗДІЛ 3
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ІНТЕГРОВАНИХ
ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ ЗАСОБАМИ КОМП’ЮТЕРНОГО
МОДЕЛЮВАННЯ
3.1. Визначення характеристик сонячних модулів за допомогою
програмного середовища MATLAB/SIMULINK
3.1.1. Постановка задачі моделювання
На підставі відомих технічних характеристик сонячних модулів (напруги
холостого ходу і струму короткого замикання) в середовищі Matlab/Simulink
побудувати математичну імітаційну модель зняття сімейства вольт-амперних та
вольт-ватних характеристик при різних рівнях освітленості. Отримані результати
порівняти з реальними вольт-амперними характеристиками, наданими
виробником [19, 22].
При дослідженні характеристик фотоелектричних перетворювачів
виколисуватиму метод імітаційного моделювання використанням можливостей
середовища Matlab/Simulink [19].
Сонячні фотоелектричні модулі (СМ) та сонячні фото електричні батареї
(СБ) складаються з безлічі окремих сонячних фотоелектричних елементів (СЕ),
які з'єднуються послідовно та паралельно з метою забезпечення необхідних
вихідних значень струму та напруги. Сонячний фотоелектричний елемент (solar
photovoltaic cell) – сонячний елемент на основі фотоефекту, що перетворює
енергію сонячного випромінювання на електричну енергію. Дія фотоелемента
ґрунтується на внутрішньому фотоефекті [20]. Саме внутрішній фотоефект, а
точніше процес поділу генерованих квантами світла електронно-діркових пар на
58
p-n переході, лежить в основі процесу генерації електричного струму в сонячних
фотоелементах.
Найбільш поширені сьогодні сонячні панелі на основі моно- та
полікристалічного кремнію, на частку яких припадає близько 80% світового
ринку. При цьому інтенсивно впроваджуються нові інноваційні технології
виробництва різних типів тонкоплівкових сонячних елементів.
СЕ може бути представлений у вигляді функціонального блоку, що має
зовнішні, внутрішні та вихідні параметри (рис.3.1.). До зовнішніх параметрів
відносять освітленість СЕ (G) і температуру СЕ (T). До внутрішніх параметрів
відносять напругу холостого ходу (Uxx) і струм короткого замикання (Iкз).
Вихідні параметри – вихідна напруга (U), струм навантаження (I) та вихідна
потужність (P) [19].
Рис.3.1. Сонячний елемент у вигляді функціонального блоку
Основною характеристикою сонячного елемента (модуля) є ВАХ –
залежність між струмом навантаження та напругою на клемах ФЕП при
постійних значеннях температури і інтенсивності сонячного випромінювання,
що надходить. У визначенні ВАХ ФЕП важливими факторами є інтенсивність
сонячного випромінювання та температура. Для вимірювання інтенсивності
сонячного випромінювання (Вт/м2) використовуються спеціальні прилади. На
рис.3.2. представлена принципова схема зняття ВАХ ФЕП.
59
Рис.3.2. Принципова схема зняття ВАХ ФЕП
Напруга холостого ходу (Uxx) – напруга, при якій струм дорівнює нулю.
З іншого боку, струм, при якому напруга дорівнює нулю, називається струмом
короткого замикання (Iкз). Це крайні точки ВАХ, в яких потужність ФЕП
дорівнює нулю. Максимальні значення струму та напруги (Imax, Umax) при
постійних значеннях освітленості та температури визначають точку
максимальної потужності (ТМП). На рис.3.3. показані типові ВАХ та ВВХ
фотоелектричних перетворювачів.
Рис. 3.3. Типові ВАХ та ВВХ ФЕП
Максимальна потужність ФЕП – потужність у ТМП на вольт – амперній
характеристиці, де значення твору струму на напругу максимально.
60
Встановлено, що інтенсивність сонячного випромінювання надає вплив на
величину вихідного струму, а температура – на вихідну напругу сонячного
елемента. Так, при зменшенні інтенсивності світлового потоку в 2 рази струм
короткого замикання СЕ зменшується в 2 рази, час як напруга холостого ходу
незначно змінюється. Існує температурний коефіцієнт, що враховує різницю
температур і що становить близько кількох міліампер на один градус Цельсія.
Математична модель фотоелектричного елемента будується на основі
класичної еквівалентної схеми заміщення із зосередженими параметрами
(рис.3.4). Ця еквівалентна схема включає генератор фотоструму, діод,
шунтуючий і послідовний з опори [19].
Рис.3.4. Класична еквівалентна схема заміщення СЕ
Відповідно до еквівалентної схеми заміщення СЕ, представленої на
рис.3.4. можна записати
���� = ����Ф − ����Д − ����Ш, (1)
де ���� – струм навантаження;
����Ф – фотострум;
����Д – струм, що протікає через діод;
����Ш – струм, що протікає через шунтуючий опір ����Ш.
61
Виразивши величини струмів через фізичні параметри ФЕП, отримаємо
аналітичний вираз ВАХ у наступному вигляді [22].
���� = ���� − ���� ����(����+��������П) ����+��������П
Ф 0 ������������� � � − 1� − , (2)
������������ ����Ш
де ����0 – зворотній струм насичення;
U – вихідна напруга;
����Ш – шунтуючий опір ФЕП;
����П – послідовний опір ФЕП;
q – заряд електрона;
k – постійна Больцмана;
А – параметр ВАХ ФЕП, який називається діодним фактором;
Т – абсолютна температура СЕ, K.
З огляду на те, що ККД СЕ залежить від форми його ВАХ (рис.3.3.),
параметри СЕ, що входять до рівняння ВАХ (2), визначають ефективність СЕ.
Вираз (2) є п'ятипараметричною модель ВАХ ФЕП, що становить особливий
інтерес лише для розробників сонячних елементів і модулів.
Ефективність фотоелектричного перетворення визначається світловий
вольт-амперною характеристикою СЕ, форма якої залежить від ряду параметрів:
послідовного та паралельного (шунтуючого) з опір СЕ, щільності струму
насичення діода, діодного коефіцієнта та деяких інших [9].
Відповідно потужність, що виробляється сонячним елементом дорівнює
62
���� = ���� ∙ ���� (3)
Задовільна точність моделі може бути отримана за умови, що відомі
значення внутрішніх опорів фотоелементів. Як правило, при моделюванні
спостерігаються систематичні відхилення теоретичної кривої ВАХ від
експериментальної, що є наслідком змінних величин щільностей струмів і
градієнтів напруги [20].
Розглянута модель широко використовується при аналізі сонячних
елементів, модулів і батарей, проте характеристики, отримані на основі цієї
моделі, мають незначні, але часом небажані від відхилення від характеристики
реального сонячного елемента або модуля. Однією з причин відхилень є
труднощі точного виміру послідовного опору елемента [20].
Слід зазначити, що з додаткових параметрів, що входять до (2), суттєвий
вплив на форму ВАХ СЕ надає. Шунтуючий опір приймають досить великим, а
послідовний опір – щодо малим.
Моделювання характеристик ФЕП використовується при вирішенні таких
завдань, як [19]:
- оптимізація схеми ФЕП;
- визначення оптимальної робочої точки в умовах мінливої
освітленості та температури;
- оцінка схемних втрат;
- визначення впливу часткового затінення на вихідні характеристики
ФЕП та зміни його потужності;
- розрахунок та моделювання фотоелектричних систем
електропостачання;
- аналіз та прогнозування роботи фотоелектричної станції.
63
При моделюванні ВАХ та ВВХ необхідно знати базові параметри
сонячного модуля: напруга холостого ходу (Uxx) та струм короткого замикання
(Iкз). Ці параметри вказуються виробником у паспорті на сонячний елемент або
модуль. З практики відомо, що особливий вплив на характеристики ФЕП мають
послідовний опір, температура Т і діодний параметр А. Чим менша величина, тим
більше потужність, що виробляється СЕ, а отже, і ККД. З збільшенням
температури Т зменшується величина Uxx, при цьому Iкз практично не змінює
свого значення [20].
3.1.2. Розробка та дослідження імітаційної моделі сонячного модуля
Для моделювання було обрано монокристалічний Passivated Emitter and
Rear Cell (PERC) модуль TITAN RSM150-8-485-510BMDG. Параметри для
моделювання було задано згідно параметрів реального модуля при освітленості
1000 Вт/м2: P = 510 Вт; U = 43,32 В; I = 11,8 А; Uxx = 51,45; Iкз = 12,6 А. Габаритні
розміри фотоелектричного модуля становлять 2240×1102×30 мм [4].
Simulink-модель, що дозволяє реєструвати основні характеристики
сонячного фотоелектричного модуля, представлена на рис.3.5.
Побудована модель включає наступні підсистеми і блоки [19].
Блок «Irradiance» (Constant) задає значення інтенсивності сонячного
випромінювання G, Вт/м2. Блок, що задає, пов'язаний з вхідним портом під
системи сонячного модуля. Значення інтенсивності сонячного випромінювання
задається в скрипті програми.
Підсистема «TITAN RSM150-8-485-510BMDG» реалізує собою сонячний
модуль. Розгорнута структура пропонованої підсистеми сонячного модуля
представлена на рис.3.6.
64
. Simulink-модель вимірювання сонячних характеристик модуля
Підсистема містить такі блоки: "Simulink-PS Converter", "PS-Simulink
Converter" - перетворювачі сигналів; "Voltage Sensor", "Current Sensor" -
вимірювачі напруги та струму; "Solver Configuration" - блок конфігурації;
"Product" - блок множення [19].
З бібліотеки Simscape програми було вибрано наявний універсальний блок
«Solar Cell» («Сонячний елемент»). Налаштування блоку проводиться у вікні
параметрів, представленому на рис.3.7. Цей елемент описується математичним
65
виразом, показаним у верхній частині вікна параметрів. Значення температурних
параметрів виставляються в наступній вкладці (рис.3.8.).
Блоки сонячних елементів з'єднуються послідовно та об'єднуються у
підсистеми (рис.3.9.).
Структура підсистеми регульованого опору Rvar включає в собі блок
«Ramp», який формує лінійний сигнал і перетворює блок «Simulink-PS Converter»
(рис.3.10.).
Рис.3.7. Вікно встановлення параметрів блоку Solar Cell
Рис.3.8. Встановлення значень температурних параметрів
66
а)
б)
в)
Рис.3.9. Підсистеми із блоків «Solar Cell»: а) із 15 елементів; б) із 75
елементів; в) із 150 елементів
Рис.3.10. Структура підсистеми регульованого опору Rvar
Для знаходження результатів створюється файл Script, що виконує
побудову графіків значень одного сигналу до функції іншого.
67
Результати моделювання сонячного PERC модуля TITAN RSM150-8-485-
510BMDG
При моделюванні приймалися такі припущення: ВАХ та ВВХ
моделювалися без урахування часткового затінення сприймаючої поверхні ФЕП
та без можливого її пошкодження. Дані припущення дають можливість
застосовувати класичні аналітичні вирази для моделювання характеристик ФЕП.
Приймаємо температуру сонячних елементів, що дорівнює 25ºС (рис.3.8.).
Слід також зазначити, що точність моделювання залежить від можливих
технологічних розкидів для кожного елемента та модуля в цілому.
Нижче наведено результати моделювання (рис. 3.11.) із зазначенням
значень точок максимальної потужності (ТМП). Криві ВАХ та ВВХ отримані при
наступних рівнях освітленості: 200; 400; 600; 800; 1000 Вт/м2.
а) б)
Рис.3.11. Результати моделювання ВАХ (а) ВВХ (б) сонячного модуля
68
Складемо таблицю параметрів в точках відбору максимальної потужності
модуля TITAN RSM150-8-485-510BMDG при різних значеннях сонячного
випромінювання (табл.3.1.).
Таблиця 3.1
Параметри в точках відбору максимальної потужності модуля TITAN
RSM150-8-485-510BMDG
Випромінювання ������������ ,В ������������ ,А ������������ ,Вт
200 Вт/м2 31,86 2,062 65,7
400 Вт/м2 33,7 4,41 148,6
600 Вт/м2 35,98 6,624 283,3
800 Вт/м2 37,4 8,883 332,2
1000 Вт/м2 39,1 10,99 429,8
3.1.3. Розробка та дослідження імітаційної моделі сонячної черепиці
Для моделювання було обрано триаркову сонячну черепицю з подвійним
склом Bluesun BSM-30D. Параметри для моделювання було задано згідно
параметрів реального модуля при освітленості 1000 Вт/м2: P = 30 Вт; U = 8,6 В; I
= 3,5 А; Uxx = 10,6 В; Iкз = 4 А. Габаритні розміри сонячної черепиці становлять
500×718×41 мм. Simulink-модель, що дозволяє реєструвати основні
характеристики сонячного фотоелектричного модуля, представлена на рис.3.12.
Рис.3.12. Simulink-модель вимірювання сонячних характеристик модуля
69
Побудована модель включає наступні підсистеми і блоки [19].
Блок «Irradiance» (Constant) задає значення інтенсивності сонячного
випромінювання G, Вт/м2. Блок, що задає, пов'язаний з вхідним портом під
системи сонячного модуля. Значення інтенсивності сонячного випромінювання
задається в скрипті програми.
Підсистема «BSM-30D» реалізує собою сонячний модуль. Розгорнута
структура пропонованої підсистеми сонячного модуля представлена на рис.3.13.
Рис.3.13. Структура підсистеми сонячного модуля
Підсистема містить такі блоки: "Simulink-PS Converter", "PS-Simulink
Converter" - перетворювачі сигналів; "Voltage Sensor", "Current Sensor" -
вимірювачі напруги та струму; "Solver Configuration" - блок конфігурації;
"Product" - блок множення.
З бібліотеки Simscape програми було вибрано наявний універсальний блок
«Solar Cell» («Сонячний елемент»). Налаштування блоку проводиться у вікні
параметрів, представленому на рис.3.14. Значення температурних параметрів
виставляються в наступній вкладці (рис.3.15.).
Блоки сонячних елементів з'єднуються послідовно та об'єднуються у
підсистеми (рис.3.16.).
70
Рис.3.14. Вікно встановлення параметрів блоку Solar Cell
Рис.3.15. Встановлення значень температурних параметрів
а) б)
Рис.3.16. Підсистеми із блоків «Solar Cell»: а) із 7 елементів; б) із 21
елементів
71
Результати моделювання сонячної черепиці Bluesun BSM-30D
При моделюванні приймалися такі припущення: ВАХ та ВВХ
моделювалися без урахування часткового затінення сприймаючої поверхні ФЕП
та без можливого її пошкодження. Дані припущення дають можливість
застосовувати класичні аналітичні вирази для моделювання характеристик ФЕП.
Приймаємо температуру сонячних елементів, що дорівнює 25ºС
(рис.3.14.). Слід також зазначити, що точність моделювання залежить від
можливих технологічних розкидів для кожного елемента та модуля в цілому.
Нижче наведено результати моделювання (рис.3.17.) із зазначенням
значень точок максимальної потужності (ТМП). Криві ВАХ та ВВХ отримані при
наступних рівнях освітленості: 200; 400; 600; 800; 1000 Вт/м2.
а) б)
Рис.3.17. Результати моделювання ВАХ (а) ВВХ (б) сонячного модуля
72
Складемо таблицю параметрів в точках відбору максимальної потужності
модуля Bluesun BSM-30D при різних значеннях сонячного випромінювання
(табл.3.2.).
Таблиця 3.2
Параметри в точках відбору максимальної потужності модуля Bluesun
BSM-30D
Випромінювання ������������ ,В ������������ ,А ������������ ,Вт
200 Вт/м2 7,139 0,7371 5,262
400 Вт/м2 8,32 1,33 11,06
600 Вт/м2 8,268 2,146 17,75
800 Вт/м2 8,437 2,888 24,36
1000 Вт/м2 7,99 3,82 30,52
3.1.4. Розробка та дослідження імітаційної моделі напівпрозорого
фотоелектричного модуля інтегрованого в конструкцію будівлі
Для моделювання було обрано напівпрозорий (прозорість 50%)
тонкоплівковий фотоелектричний модуль з телуриду кадмію (CdTe) Polysolar PS-
ASG-53. Параметри для моделювання було задано згідно параметрів реального
модуля при освітленості 1000 Вт/м2: P = 53 Вт; U = 75 В; I = 0,71 А; Uxx = 99 В;
Iкз = 0,9 А. Габаритні розміри фотоелектричного модуля становлять
1100×1400×6,8 мм.
Simulink-модель, що дозволяє реєструвати основні характеристики
сонячного фотоелектричного модуля, представлена на рис.3.18.
73
Рис.3.18. Simulink-модель вимірювання сонячних характеристик модуля
Побудована модель включає наступні підсистеми і блоки.
Блок «Irradiance» (Constant) задає значення інтенсивності сонячного
випромінювання G, Вт/м2. Блок, що задає, пов'язаний з вхідним портом під
системи сонячного модуля. Значення інтенсивності сонячного випромінювання
задається в скрипті програми.
Підсистема «Polysolar PS-ASG-53» реалізує собою сонячний модуль.
Розгорнута структура пропонованої підсистеми сонячного модуля представлена
на рис.3.19.
Рис.3.19. Структура підсистеми сонячного модуля
74
Підсистема містить такі блоки: "Simulink-PS Converter", "PS-Simulink
Converter" - перетворювачі сигналів; "Voltage Sensor", "Current Sensor" -
вимірювачі напруги та струму; "Solver Configuration" - блок конфігурації;
"Product" - блок множення.
З бібліотеки Simscape програми було вибрано наявний універсальний блок
«Solar Cell» («Сонячний елемент»). Налаштування блоку проводиться у вікні
параметрів, представленому на рис.3.20. Цей елемент описується математичним
виразом, показаним у верхній частині вікна параметрів. Значення температурних
параметрів виставляються в наступній вкладці (рис.3.21.).
Блоки сонячних елементів з'єднуються послідовно та об'єднуються у
підсистеми (рис.3.22.).
Рис.3.20. Вікно встановлення параметрів блоку Solar Cell
Рис.3.21. Встановлення значень температурних параметрів
75
а)
б)
Рис.3.22. Підсистеми із блоків «Solar Cell»: а) із 10 елементів; б) із 60
елементів
Результати моделювання інтегрованого сонячного фотомодуля Polysolar
PS-ASG-53
При моделюванні приймалися такі припущення: ВАХ та ВВХ
моделювалися без урахування часткового затінення сприймаючої поверхні ФЕП
та без можливого її пошкодження. Дані припущення дають можливість
застосовувати класичні аналітичні вирази для моделювання характеристик ФЕП.
76
Приймаємо температуру сонячних елементів, що дорівнює 25ºС (рис.3.21.).
Слід також зазначити, що точність моделювання залежить від можливих
технологічних розкидів для кожного елемента та модуля в цілому.
Нижче наведено результати моделювання (рис.3.23.) із зазначенням
значень точок максимальної потужності (ТМП). Криві ВАХ та ВВХ отримані при
наступних рівнях освітленості: 200; 400; 600; 800; 1000 Вт/м2.
а) б)
Рис.3.23. Результати моделювання ВАХ (а) ВВХ (б) сонячного модуля
Складемо таблицю параметрів в точках відбору максимальної потужності
модуля Polysolar PS-ASG-53 при різних значеннях сонячного випромінювання
(табл.3.3.).
Таблиця 3.3
Параметри в точках відбору максимальної потужності модуля Polysolar
Випромінювання ������������ ,В ������������ ,А ������������ ,Вт
200 Вт/м2 87,01 0,175 15,22
400 Вт/м2 88,54 0,3502 31,01
600 Вт/м2 89,3 0,5264 47,01
800 Вт/м2 89,66 0,7042 63,13
1000 Вт/м2 90,56 0,8766 79,39
77
3.1.5. Розробка та дослідження імітаційної моделі непрозорого
фотоелектричного модуля інтегрованого в конструкцію будівлі
Для моделювання було обрано непрозорий (прозорість 0%) тонкоплівковий
фотоелектричний модуль з телуриду кадмію (CdTe) Polysolar PS-ASG-110.
Параметри для моделювання було задано згідно параметрів реального модуля
при освітленості 1000 Вт/м2: P = 110 Вт; U = 78 В; I = 1,41 А; Uxx = 100 В; Iкз =
1,79 А. Габаритні розміри фотоелектричного модуля становлять 1100×1400×6,8
мм.
Simulink-модель, що дозволяє реєструвати основні характеристики
сонячного фотоелектричного модуля, представлена на рис.3.24.
Блок «Irradiance» (Constant) задає значення інтенсивності сонячного
випромінювання G, Вт/м2. Блок, що задає, пов'язаний з вхідним портом під
системи сонячного модуля. Значення інтенсивності сонячного випромінювання
задається в скрипті програми.
Підсистема «TITAN RSM150-8-485-510BMDG» реалізує собою сонячний
модуль. Розгорнута структура пропонованої підсистеми сонячного модуля
представлена на рис.3.25.
Рис.3.24. Simulink-модель вимірювання сонячних характеристик модуля
78
Рис.3.25. Структура підсистеми сонячного модуля
Підсистема містить такі блоки: "Simulink-PS Converter", "PS-Simulink
Converter" - перетворювачі сигналів; "Voltage Sensor", "Current Sensor" -
вимірювачі напруги та струму; "Solver Configuration" - блок конфігурації;
"Product" - блок множення.
З бібліотеки Simscape програми було вибрано наявний універсальний блок
«Solar Cell» («Сонячний елемент»). Налаштування блоку проводиться у вікні
параметрів, представленому на рис.3.26. Цей елемент описується математичним
виразом, показаним у верхній частині вікна параметрів. Значення температурних
параметрів виставляються в наступній вкладці (рис.3.27.).
Блоки сонячних елементів з'єднуються послідовно та об'єднуються у
підсистеми (рис.3.28.).
Рис.3.26. Вікно встановлення параметрів блоку Solar Cell
79
Рис.3.27. Встановлення значень температурних параметрів
а)
б)
Рис.3.28. Підсистеми із блоків «Solar Cell»: а) із 10 елементів; б) із 60
елементів
80
Результати моделювання інтегрованого сонячного фотомодуля Polysolar
PS-ASG-110
При моделюванні приймалися такі припущення: ВАХ та ВВХ
моделювалися без урахування часткового затінення сприймаючої поверхні ФЕП
та без можливого її пошкодження. Дані припущення дають можливість
застосовувати класичні аналітичні вирази для моделювання характеристик ФЕП.
Приймаємо температуру сонячних елементів, що дорівнює 25ºС
(рис.3.27.). Слід також зазначити, що точність моделювання залежить від
можливих технологічних розкидів для кожного елемента та модуля в цілому.
Нижче наведено результати моделювання (рис.3.29.) із зазначенням
значень точок максимальної потужності (ТМП). Криві ВАХ та ВВХ отримані при
наступних рівнях освітленості: 200; 400; 600; 800; 1000 Вт/м2.
а) б)
Рис.3.29. Результати моделювання ВАХ (а) ВВХ (б) сонячного модуля
81
Складемо таблицю параметрів в точках відбору максимальної потужності
модуля Polysolar PS-ASG-110 при різних значеннях сонячного випромінювання
(табл.3.4.).
Таблиця 3.4
Параметри в точках відбору максимальної потужності модуля Polysolar PS-
ASG-110
Випромінювання ������������ ,В ������������ ,А ������������ ,Вт
200 Вт/м2 87,24 0,3495 30,49
400 Вт/м2 88,64 0,7004 62,08
600 Вт/м2 89,21 1,054 94,02
800 Вт/м2 90,52 1,397 126,4
1000 Вт/м2 91,15 1,744 158,9
3.2. Моделювання ефективності інтегрованих фотоелектричних систем
в умовах «міського теплового острова» з використанням програмного
комплексу ENVI-met
Кількісна оцінка впливу масового застосування фотоелектричних
установок (ФЕУ) на мікроклімат забудови та ефект «міського теплового острова»
(UHI) для природно-кліматичних умов типового мегаполісу України доцільно
проводити із використанням програмного комплексу ENVI-met (v 4.4). Цей
програмний комплекс містить аеродинамічну CFD-модель, яка враховує мезо- та
мікромасштабну циркуляцію повітря з урахуванням молекулярного,
конвективного та радіаційного теплообміну між повітрям, будівлями та
поверхнею ґрунту.
Головною перевагою ENVI-met є наявність модуля сонячної радіації, що
дозволяє враховувати вплив сонячного випромінювання на тепловий баланс
території і конструкцій будівель, включаючи їх теплофізичні властивості.
Такі моделі називають «денними», і вони забезпечують точніше відтворення
82
мікрокліматичних процесів, ніж моделі, які не враховують інсоляцію («нічні»
моделі).
Програмна реалізація ENVI-met заснована на кінцево-різницевому методі
розв’язання системи рівнянь Нав’є-Стокса, розроблена фахівцями Географічного
інституту Рурського університету (м. Бохум, Німеччина).
3.2.1. Початкові умови для моделювання
Як початкові умови для моделювання були прийняті кліматичні
характеристики липня згідно з довідковими даними спостережень. Зокрема, для
різних періодів доби бралися значення температури та вологості повітря, а також
температури верхніх шарів ґрунту [22].
Рис. 3.30. Добовий хід кліматичних характеристик липня
83
За початок моделювання прийнято 00 годин за сонячним часом 14 липня
(що відповідає 00:36 за Київським часом 15 липня). Тривалість моделювання
складатиме 72 години, до 23:59 16 липня.
Відповідно до мети дослідження, фіксація результатів зміни
мікрокліматичних параметрів у межах розрахункової області здійснюватиметься
щогодини.
Для кожної наступної години модельного часу результати попереднього
кроку прийматимуться як початкові умови, за винятком температурно-
вологісних характеристик повітря, що надходить із Заходу. Для цих параметрів
застосовувалися реальні спостереження, представлені у [21].
Моделювальна область має розміри 500 × 500 м. Передбачається, що в
межах цієї території розташована контрастна середньощільна міська забудова з
висотою будівель 9…14 поверхи (середня висота 35 м), із площею забудови
близько 7 тис. м²/га та коефіцієнтом забудованості 12,5% (рис. 3.31).
Рис. 3.31. Загальний вигляд моделювальної території
Такий тип міського середовища характерний для районів м. Київ, що
активно забудовувалися до 2000-х років.
84
3.2.2 Визначення впливу фотоелектричних установок (ФЕУ) на
мікроклімат забудови
Для оцінки впливу ФЕУ на мікроклімат міської забудови було проведено
два варіанти моделювання:
1. «Нульовий» варіант – теплофізичні властивості забудови приймалися
такими, як у реальних умовах (без врахування фотоелектричних систем).
2. Варіант з інтегрованими ФЕУ – на фасадах і покрівлях будівель розміщені
фотоелектричні установки, інтегровані в будівельні конструкції.
У першому («нульовому») варіанті відбиваюча здатність фасадів
визначалася на основі переважаючого кольору та фактури оздоблення згідно з
характеристиками відповідних матеріалів, при цьому частка скління фасадів
становила 30% від їх загальної площі. Середньозважений коефіцієнт відбиття
віконних прорізів (з урахуванням рам) приймався рівним 0,22.
Альбедо фасадів розраховуємо за виразом
Aфас = 0,7 ⋅ ρозд + 0,3 ⋅ ρвікн = 0,7 ⋅0,7 + 0,3 ⋅0,2 = 0,55,
де 0,7 – відносна площа непрозорих огороджувальних конструкцій фасадів;
0,3 – відносна площа світлопрозорих елементів (віконних прорізів);
ρозд – коефіцієнт відбиття оздоблювального матеріалу фасаду;
ρвікн – середньозважений коефіцієнт відбиття віконних прорізів.
Альбедо території забудови визначається як середньозважене альбедо
внутрішньої частини мікрорайону, розраховане з урахуванням середнього
балансу території при нормативному забезпеченні площами зелених насаджень
відповідно до містобудівних норм.
Орієнтовний баланс території житлової забудови приймається:
− асфальтовані поверхні – 30%;
85
− ділянки з відкритим ґрунтом – 10%;
− майданчики та доріжки з плитковим покриттям – 10%;
− зелені насадження – 50%, у тому числі:
- дерева – 20%,
- чагарники – 10%,
- газони та квітники – 20%.
Таким чином, середньозважене альбедо одиниці площі території житлової
забудови в межах забудови житлового кварталу в літній період розраховується за
виразом
Aсер = 0,3 ⋅ Aсер + 0,1⋅ Aасф + 0,1⋅ Aгрунт + 0,2 ⋅ Aплит + 0,3 ⋅ Aдер-кущ.
На основі врахування різних типів покриттів та їхніх середніх коефіцієнтів
відбиття визначено середньозважене альбедо території житлової забудови
(таблиця 3.1).
Таблиця 3.1
Середньозважене альбедо території житлової забудови
Тип поверхні Частка від Орієнтовний
площі, % коефіцієнт відбиття Добуток
(альбедо) (внесок)
Асфальтовані
поверхні 30 0,10 0,030
Відкритий ґрунт 10 0,20 0,020
Майданчики і доріжки
з плитки 10 0,25 0,025
Зелені насадження
(разом) 50 0,25 0,125
Разом
(середньозважене 100 - 0,20
альбедо)
86
Таким чином, середнє альбедо території житлової забудови в літній період
складає приблизно 0,20 (або 20%).
Це значення відповідає типовим умовам міської території з помірною
часткою зелених насаджень та переважаючими асфальтованими покриттями.
Це значення при моделюванні застосовується для всієї території, яка вільна
від будівель. Окремо ділянки з різними типами покриттів (асфальт, газони тощо)
у моделюваній зоні не виділялися, щоб пов’язані з ними локальні зміни
мікрокліматичних параметрів не відволікали увагу від результатів, пов’язаних із
впливом ФЕУ на мікроклімат і біокліматичний комфорт території забудови.
У другому варіанті альбедо фасадів і дахів будівель приймаємо з
урахуванням інтеграції в них ФЕУ, яке за оцінками, наведеними у [16], становить
10–15%. У зв’язку з винятками та обмеженнями застосування фотоелементів на
фасадах при моделюваній забудові займали 2/3 площі нескляної частини фасадів
будівель. Також вільною від ФЕУ залишалася нижня третина фасадів по висоті,
оскільки ця частина фасадів затінюється рослинністю, оточуючими будівлями та
сильно забруднюється, а також повністю – північні фасади.
Передбачалося також, що ФЕУ займають 50% площі дахів будівель і
розташовані горизонтально. Більшу частину вони займати не можуть з технічних
причин (наприклад – через технологічні надбудови на дахах, необхідність
облаштування проходів тощо). Варіант нахиленої установки панелей не
розглядався, оскільки при цьому через панелі, розташовані по краю даху,
збільшуються видимі габарити будівель, а отже, й тіні, що вони відкидають. Це
може призвести до порушення норм та інсоляції у сусідніх житлових будинках.
Крім того, у літній період різниця у сонячній енергії, що отримується
горизонтальними та нахиленими до південної частини горизонту (але не
вертикальними) ФЕУ невелика.
87
2.3.3. Аналіз результатів моделювання
Відповідно до обраних параметрів початкових та граничних умов за
допомогою програми ENVI-met (v 4.4) було розраховано мікрокліматичні
параметри забудови протягом трьох діб із часовим кроком збереження
результатів 1 година. Програма здатна розраховувати понад 30 параметрів стану
приземного шару атмосфери, зокрема необхідні для оцінки параметри швидкості
вітру, вологості повітря, температури повітря та радіаційної температури, що
визначається температурою навколишніх поверхонь у розрахункових точках [7].
Результати розрахунків температури повітря та радіаційної температури у
приземному шарі в їх триденній динаміці для двох варіантів – звичайна забудова
та забудова з інтегрованими ФЕУ представлені на рис. 3.32.
а) б)
Рис. 3.32. Зміна температури в приземному шарі протягом моделюваного
періоду: а) усереднена по території забудови температура повітря; б) те
саме, радіаційна температура
Результати розрахунків за двома іншими параметрами мікроклімату, що
визначають біокліматичний комфорт – швидкості вітру та вологості повітря – на
рисунках не представлені, оскільки швидкість вітру в обох варіантах практично
88
ідентична, а вологість повітря змінюється майже в точності навпаки до зміни
температури повітря в обох варіантах, оскільки парціальний тиск водяної пари на
«вході» повітря в забудову був однаковим і не встиг суттєво змінитися в межах
розрахункового прямокутника.
Як видно з рис. 3.32, відмінності у значеннях обох температур із кожним
модельованим днем збільшуються. У першу добу температура повітря в різних
варіантах забудови відрізняється незначно, причому в звичайній забудові до
обіду першої доби вона навіть трохи вища (рис. 3.33, а). Це пов’язано з тим, що
ФЕУ, розташовані на фасадах, поглинають більше сонячної радіації, ніж звичайні
фасади. Завдяки цьому зменшується кількість сонячної радіації, відбитої
фасадами на рельєф, через що він нагрівається менше, і температура в
приземному шарі зростає повільніше.
а) б)
Рис. 3.33. Збільшення температури повітря в приземному шарі за рахунок
ФЕУ: а) о 05:00; б) о 12:00
Перевищення температури повітря у варіанті з ФЕУ над варіантом
розрахунку зі звичайною забудовою на третю добу становить уже близько 0,5–
0,7 °С вдень і 1,9–2,2 °С вночі (рис. 3.33). Ця закономірність, зумовлена більш
89
інтенсивним нагріванням забудови з ФЕУ через більшу кількість поглиненої
сонячної радіації, добре простежується і в рівняннях лінійної апроксимації
температури, наведених на рис. 3.32. Використовуючи ці рівняння та
припускаючи, що лінійний характер зміни температури з часом збережеться,
через 5 діб перегрівання приземного повітря у забудові з ФЕУ порівняно зі
звичайною забудовою в середньому за день може скласти близько 2,5 °С.
Аналогічна тенденція спостерігається і для радіаційної температури в
приземному шарі (рис. 3.33, б). Найбільші різниці Tr між варіантами забудови
досягаються в ранкові години перед Сходом сонця і можуть становити 2,5–3,0°С.
У обідні години на третю добу моделювання різниці Tr складатимуть 1,2–1,7°С.
Це свідчить про те, що фасади з інтегрованими ФЕУ вдень активно
акумулюють тепло, яке не встигає віддаватися протягом ночі. Внаслідок цього у
варіанті забудови з ФЕУ внутрішнє середовище будівель піддаватиметься більш
стійкому та інтенсивному перегріванню порівняно зі звичайною забудовою.
Тому навіть у нічні години всередині приміщень буде відчуття спеки, і в такій
ситуації дуже важливо забезпечити житлові приміщення сквозним або кутовим
провітрюванням.
Лінійна апроксимація залежності радіаційної температури від часу
аналогічна залежності температури повітря, але демонструє більш інтенсивне
зростання Tr. У перші доби різниці Tr невеликі, але вже на третю добу радіаційна
температура в забудові з ФЕУ вночі на 3–4°С, а вдень на 1–2°С перевищує Tr у
звичайній забудові (рис. 3.34), а через п’ять діб це перевищення може становити
10–12°С, що безумовно вплине на радіаційно-тепловий режим та біокліматичний
комфорт території забудови і внутрішнього середовища будівель.
90
а) б)
Рис. 3.34. Збільшення радіаційної температури повітря в приземному шарі
за рахунок ФЕУ: а) о 05:00; б) о 12:00
Слід зазначити, що отримані закономірності добового ходу температури
для різних умов добре збігаються з даними інструментальних спостережень,
наведеними в [21], що свідчить про високу достовірність відтворюваних
програмою ENVI-met механізмів формування мікрокліматичних умов,
пов’язаних із перенесенням та поглинанням короткохвильової та довгохвильової
радіації в забудові.
Далі на основі розрахункових значень мікрокліматичних параметрів
забудови за допомогою додаткового модуля програми «Biomet» були розраховані
значення параметра біокліматичного комфорту PMV у приземному шарі
забудови на третю добу моделюваного періоду, коли через «накопичення» ефекту
перегріву забудови з ФЕУ різниці мікрокліматичних параметрів та показника
PMV стали досить очевидними. Розрахунок на більш тривалий проміжок часу не
проводився через високі вимоги програми до обчислювальних ресурсів. Проте
навіть отриманих значень виявилося достатньо, щоб зробити чіткі висновки про
91
характер впливу ФЕУ на мікроклімат і комфортність території забудови та надати
кількісну оцінку цього впливу.
У зв’язку з нелінійністю процесів мікро- та мезомасштабної циркуляції та
переносу тепла як явно, так і за рахунок радіаційного випромінювання, отримані
результати неможливо масштабувати на всю траєкторію руху частинок повітря
по території міста. Нелінійність процесу посилення ефекту «острова тепла» у
міру руху повітря від передмість у глиб забудови до центру пов’язана з тим, що
інтенсивність турбулентного обміну повітря та, відповідно, тепла між територією
забудови та верхніми шарами повітря пропорційна квадрату швидкості руху
повітря, а інтенсивність тепловіддачі будівель та рельєфу за рахунок їхнього
теплового випромінювання пропорційна четвертій степені їхньої абсолютної
температури.
Для визначення параметрів масштабування процесів підвищення
температури міського середовища та посилення його біокліматичного
дискомфорту був виконаний додатковий діагностичний розрахунок для ділянки
забудови розміром 5×5 км і інтервалу часу 10 діб, протягом яких задавалися
аналогічні першій серії розрахунків антициклонічні погодні умови. У цьому
розрахунку забудова задавалася відповідною параметризацією шорсткості
поверхні.
У результаті розрахунку встановлено, що із збільшенням відстані приріст
інтенсивності теплового впливу зменшуватиметься, приймаючи вигляд
степеневої функції. При 10-кратному збільшенні відстані (від 0,5 до 5 км) та
подвоєнні тривалості моделюваного періоду (до шести діб) приріст температури
повітря складе 1,5 рази, а радіаційної температури – 1,3 рази.
Таким чином, результати зміни біокліматичного комфорту, отримані для
перших 500 м, подвояться, і значення індексу PMV на окремих ділянках забудови
збільшиться майже на одну одиницю (рис. 3.35). Це означає, що там, де за
відчуттями дорослої людини, одягненої в легкий літній костюм, було «трохи
92
тепло» (PMV=1), стане «тепло» (PMV=2); там, де було «тепло», стане «жарко»
(PMV=3); там, де було «жарко», стане «нестерпно жарко» (PMV>3). Причому
територія з умовами «жарко» та «нестерпно жарко» займатиме майже половину
площі забудови.
Рис. 3.35. Приріст значення індексу PMV у приземному шарі за рахунок
ФЕУ на відстані 5 км від межі забудови через 5 діб
Слід звернути увагу на те, що в найбільшій мірі перегріватися будуть
ділянки забудови, розташовані у внутрішніх кутах будівель, з підвітряного боку
від них та прилеглі до південних фасадів. У меншій мірі перегрів відчуватиметься
поблизу навітряних фасадів та у проміжках між забудовою, де відбуватиметься
посилення швидкості руху повітряного потоку.
З цього можна зробити висновок, що перегріванню сприятиме порушення
циркуляції повітря, що заважає турбулентному теплообміну між рельєфом,
фасадами та верхніми шарами атмосфери, тобто через підвищення радіаційної
93
температури, зумовлене нагріванням забудови за рахунок ФЕУ. У меншій мірі
перегрівання відчуватиметься на ділянках, забезпечених хорошими умовами
аерації. Тобто підвищення температури повітря при достатній швидкості його
руху буде менш суттєвим фактором зниження теплового комфорту, ніж
збільшення радіаційної температури при низькій швидкості руху повітря.
У міру наближення до центральних районів міста коефіцієнт забудованості
збільшується, а висотна контрастність забудови зменшується. Через це
ускладнюється конвекція, що забезпечує обмін повітря приземного шару з
верхніми шарами атмосфери. Тому на рівні рельєфу можна очікувати ще
більшого підсилення біокліматичного дискомфорту у бік перегрівних умов.
Майже скрізь в центрі міста влітку в сонячну погоду буде «жарко» та
«нестерпно жарко», температура повітря вдень перебуватиме на позначці 30–
32°С, тобто приблизно рівній середній температурі поверхні тіла людини При
такій температурі повітря конвективна теплообмінність від надлишкового тепла
тіла людини в навколишнє середовище неможлива, тому організм буде змушений
користуватися єдиним залишковим механізмом терморегуляції –
випаровуванням дифузної вологи з поверхні шкіри. Однак можливості цього
механізму терморегуляції дуже обмежені і в звичайних умовах (стан
«комфортно» та «трохи тепло») складають не більше 10% від усього теплообміну
організму з навколишнім середовищем.
У результаті виникає небезпека зневоднення організму, що потребує
постійного поповнення водного балансу. Навіть якщо забезпечити достатню
кількість споживаної води, в організмі порушуватиметься водно-сольовий
баланс, що при тривалому перебуванні в умовах перегріву також може призвести
до погіршення стану здоров’я, не кажучи вже про фізіологічний дискомфорт,
пов’язаний із постійно підвищеною вологістю шкірних покривів.
94
3.8. Висновки до розділу 3
1. Розроблені імітаційні моделі в середовищі MATLAB/Simulink для різних
типів інтегрованих сонячних фотоелектричних модулів, що можуть бути
застосовані в огороджувальних конструкціях будівель – покрівлях, фасадах,
віконних системах. До дослідження залучено монокристалічні, тонкоплівкові,
напівпрозорі та черепичні модулі, характерні для систем типу BIPV (Building
Integrated Photovoltaics). Розроблені моделі дозволяють відображати сімейство
вольт-амперних (ВАХ) та вольт-ватних (ВВХ) характеристик сонячних модулів
залежно від інтенсивності сонячного випромінювання та температури елементів,
що є ключовими параметрами при розрахунку енергетичної ефективності
фотоелектричних огороджувальних конструкцій.
В результаті аналізу отриманих даних в результаті моделювання
встановлено, що зі зростанням інтенсивності опромінення збільшується вихідна
потужність і струм, тоді як підвищення температури знижує напругу неробочого
ходу та ефективність перетворення енергії. Ці закономірності підтверджують
необхідність теплотехнічної оптимізації конструкцій BIPV, що поєднують
енергогенеруючі та огороджувальні функції.
Для оцінки адекватності розроблених моделей, проведено порівняння
отриманих результатів моделювання з паспортними характеристиками.
Відхилення не перевищують 7%, що свідчить про адекватність і достовірність
розроблених моделей, що у свою чергу дає змогу використовувати розроблений
програмний комплекс для аналізу функціонування інтегрованих
фотоелектричних систем у різних архітектурно-кліматичних умовах.
Розроблений програмний комплекс моделювання, також забезпечує
можливість визначення параметрів у точці максимальної потужності (ТМП) у
випадку відсутності експериментальних даних або характеристик у технічній
95
документації. Це є важливим для попереднього енергетичного аналізу та підбору
оптимальних типів модулів при проектуванні BIPV-систем.
Таким чином, розроблені імітаційні моделі можуть бути використані для
оцінювання ефективності інтегрованих фотоелектричних модулів у будівельних
конструкціях, визначення їх енергетичного потенціалу та формування
рекомендацій щодо підвищення ефективності архітектурно-енергетичних рішень
у системах BIPV.
2. Проведене моделювання в програмному середовищі ENVI-met (v 4.4)
продемонстрували, що масове застосування фотоелектричних панелей,
інтегрованих в оболонку будівель, у природних кліматичних умовах типового
мегаполісу України (м. Київ) призведе майже до подвоєння ефекту «міського
острова тепла» у теплий період року за умов антициклонової погоди. Це, у свою
чергу, може сприяти збільшенню повторюваності та інтенсивності
несприятливих погодних явищ, зумовлених підсиленням термічної конвекції.
Моделювання мікрокліматичних процесів показало, що масове
застосування BIPV може впливати на міське теплове середовище, зокрема
посилювати ефект «острова тепла» та погіршувати біокліматичний комфорт у
літній період. Це підкреслює необхідність комплексного підходу до
проєктування BIPV-систем, який враховує не лише енергетичну ефективність, а
й теплотехнічні та екологічні наслідки.
Таким чином, результати дослідження доводять, що інтегровані
фотоелектричні модулі є перспективним елементом енергоефективної
архітектури, здатним забезпечити часткову автономність будівель і зниження
споживання традиційних енергоресурсів. Водночас для досягнення максимальної
ефективності необхідна оптимізація конструктивних, теплотехнічних і
архітектурних параметрів огороджувальних елементів із урахуванням локальних
кліматичних умов.
96
ВИСНОВКИ
У магістерській кваліфікаційній роботі проведено комплексне дослідження
сучасного стану, тенденцій розвитку, конструктивно-енергетичних особливостей
та екологічних аспектів застосування інтегрованих фотоелектричних систем
(BIPV – Building Integrated Photovoltaics) у будівельних конструкціях.
У ході виконання роботи отримано такі основні результати:
1. Проаналізовано сучасний стан і перспективи розвитку BIPV-технологій.
Встановлено, що інтегровані фотоелектричні системи поєднують функції
огороджувальних елементів і генераторів електроенергії, що забезпечує
зниження матеріалоємності, підвищення енергоефективності та архітектурної
гнучкості будівель. Світові тенденції демонструють стале зростання ринку BIPV
із середньорічним темпом понад 15 %, що зумовлено розвитком концепції
«зелених» будівель та політикою декарбонізації.
2. Визначено передумови та обмеження впровадження BIPV в Україні.
Розвиток галузі перебуває на початковому етапі через високу собівартість,
відсутність нормативно-правового регулювання та державних стимулів. Разом із
тим, відбудова інфраструктури, адаптація українських стандартів до
європейських директив (EPBD, Green Deal) і поява національних виробників
створюють значний потенціал для розширення BIPV-сектора в Україні.
2. Розроблено та верифіковано імітаційні моделі інтегрованих
фотоелектричних модулів у середовищі MATLAB/Simulink. Моделі дозволяють
відтворювати вольт-амперні (ВАХ) та вольт-ватні (ВВХ) характеристики модулів
різних типів (монокристалічних, тонкоплівкових, напівпрозорих, черепичних)
залежно від інтенсивності сонячного випромінювання та температури елементів.
Відхилення розрахункових характеристик від паспортних значень не перевищує
7 %, що підтверджує адекватність моделей і дає можливість використовувати їх
для попереднього енергетичного аналізу при проєктуванні BIPV-систем.
97
3. Проведено чисельне моделювання впливу масового застосування BIPV
на мікроклімат міського середовища. Результати розрахунків у програмному
середовищі ENVI-met (v 4.4) показали, що масштабне використання інтегрованих
фотоелектричних панелей у кліматичних умовах Києва може призвести до майже
дворазового посилення ефекту «міського теплового острова» у літній період за
антициклональних умов. Це свідчить про необхідність урахування
теплотехнічних та екологічних наслідків при плануванні сонячної інтеграції в
архітектуру міст.
4. Визначено напрями подальшої оптимізації конструкцій BIPV. Для
мінімізації небажаних теплових ефектів доцільно впроваджувати системи
активного охолодження модулів, застосовувати світловідбивні покриття та
використовувати композитні матеріали з покращеними теплоізоляційними
властивостями.
Отримані результати підтверджують, що інтегровані фотоелектричні
системи є перспективним напрямом розвитку енергоефективного та сталого
будівництва, який поєднує архітектурно-конструктивні, енергетичні й екологічні
аспекти.
Їх широке впровадження в Україні сприятиме підвищенню енергетичної
незалежності, скороченню викидів парникових газів і створенню нових підходів
до архітектурного проєктування. Разом із тим, реалізація потенціалу BIPV
потребує розроблення національної нормативної бази, економічного
стимулювання інвестицій та врахування мікрокліматичних особливостей
міського середовища.
98
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Державне агентство з енергоефективності та енергозбереження
України. Звіт про стан розвитку відновлюваної енергетики в Україні за 2024 рік.
Київ: Держенергоефективності, 2025.
2. Кучеренко С. П. Інноваційні технології сонячної енергетики. Харків:
ХНУРЕ, 2019. — 180 с.
3. Литвиненко О. М. Фотоелектричні системи та енергоефективність
будівель. Львів: ЛНУ, 2021. — 132 с.
4. Писаренко В. І., Коваль С. П. Інноваційні технології сонячної
енергетики у будівництві. Київ: Ліра-К, 2023.
5. Радченко М. С., Кисельов В. Б. Інтеграція фотоелектричних модулів
в огороджувальні конструкції будівель // Збірник тез доповідей студентської
науково-практичної конференції ЧДТУ (22–24 квітня 2025 р.) [Електронний
ресурс] / упоряд.: Єгорова О. В., Захарова О. В., Тичков В. В. та ін.; МОН України,
Черкаський державний технологічний університет. Черкаси: ЧДТУ, 2025. – С.
122.
6. Романов В. І., Гречанюк П. В. Відновлювана енергетика в Україні.
Київ: НТУУ «КПІ», 2020. — 145 с.
7. ANSYS Fluent. Computational Fluid Dynamics Software. URL:
https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent.
8. Burg B. R., Ruch P. et al. Effects of radiative forcing of building integrated
photovoltaic systems in different urban climates // Solar Energy. – 2017. – No. 147. –
P. 399–405. DOI: 10.1016/j.solener.2017.03.004.
9. EnergyPlus. Energy Simulation Software. URL: https://energyplus.net.
10. European Commission. Energy Performance of Buildings Directive
(EPBD) Recast Proposal. Brussels, 2023.
99
11. Fraunhofer ISE. BIPV Status Report 2024: Building-Integrated
Photovoltaics in Europe. Freiburg: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems,
2024.
12. IEC 61215:2021. Terrestrial photovoltaic (PV) modules — Design
qualification and type approval. Geneva: IEC, 2021.
13. IEC 61730:2016. Photovoltaic (PV) module safety qualification. Geneva:
IEC, 2016.
14. IEC 63092-1:2020. Photovoltaics in buildings – Part 1: BIPV modules.
Geneva: International Electrotechnical Commission, 2020.
15. International Energy Agency. Trends in Photovoltaic Applications 2024.
IEA PVPS Report T1-42:2024. Paris: IEA, 2024.
16. Jacobson M. Z., Ten Hoeve J. E. Effects of Urban Surfaces and White
Roofs on Global and Regional Climate // Journal of Climate. – 2012. – Vol. 25. – P.
1028–1044. DOI: 10.1175/JCLI-D-11-00032.1.
17. Luque A., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and
Engineering. 3rd ed. Wiley, 2019.
18. Messenger S., Ventre J. Photovoltaic Systems Engineering. Boca Raton:
CRC Press, 2017.
19. Patel H., Agarwal V. Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with
Simulink // Proceedings of the International Conference on Power Electronics and
Drives Systems. – 2008.
20. PVsyst. Software for the study, sizing, simulation and data analysis of
complete PV systems. URL: https://www.pvsyst.com.
21. SolarPower Europe. EU Market Outlook for Solar Power 2025–2029.
Brussels: SolarPower Europe, 2025.
22. Villalva M. G., Gazoli J. R., Filho E. R. Comprehensive Approach to
Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays // IEEE Transactions on Power
Electronics. – 2009. – Vol. 24(5). – P. 1198–1208.