Переосмысление геометрии модулей для увеличения мощности солнечных батарей на крышах

26 февраля 2026

Если отойти от традиционной прямоугольной формы модулей, можно увеличить площадь солнечных панелей на крышах зданий нестандартной формы за счет повышения эффективности размещения и расширения возможностей установки.

Более 30 лет солнечная энергетика строилась на использовании прямоугольных панелей. Все, начиная с резки кремниевых элементов и заканчивая их обрамлением, транспортировкой, монтажом и подключением к инверторам, было рассчитано на прямые линии и прямые углы. Такая стандартизация помогла снизить затраты, повысить надежность и способствовала стремительному развитию солнечной энергетики по всему миру.

Жилые дома имеют скаты, впадины, слуховые окна, световые люки, дымоходы и обязательные отступы для обеспечения безопасности. Коммерческие здания часто имеют наклонные стены и неровные линии крыши. По мере того как архитектура становится все более креативной и сложной, размещение жесткой прямоугольной сетки на таких поверхностях может стать непростой задачей. Во многих проектах по установке солнечных панелей на крышах основным ограничением является не количество солнечного света или размер оборудования, а то, насколько хорошо панели вписываются в форму крыши. По мере того как солнечные панели появляются в более урбанизированных и сложных с архитектурной точки зрения пространствах, геометрия становится важным, хотя и часто упускаемым из виду фактором.

В отрасли уже опробовали альтернативные варианты. Для заполнения промежутков по краям были введены треугольные и другие нестандартные модули, особенно в Японии. Несмотря на то, что они решали проблему в конкретных случаях, они не значительно повысили общую эффективность упаковки. Из-за усложнения производства и незначительного повышения производительности прямоугольные модули по-прежнему доминируют.

Сегодня этот вопрос можно поставить по-другому. Вместо того чтобы использовать панели неправильной формы только в качестве небольших вставок, мы можем рассматривать форму панелей как часть общей стратегии проектирования. Другими словами, форма модуля становится еще одним инструментом, с помощью которого инженеры могут укладывать больше панелей на крыши неправильной формы или в ограниченном пространстве.

Современное программное обеспечение для проектирования солнечных электростанций уже позволяет рассматривать крышу как цифровую головоломку. Крыша изображается в виде фигуры, обычно многоугольника. Дымоходы, световые люки и вентиляционные отверстия обозначаются как препятствия. Добавляются отступы для безопасности и правила соблюдения расстояния между элементами. Цель этой цифровой модели проста: разместить как можно больше солнечных панелей, соблюдая все правила.

При использовании традиционных прямоугольных панелей монтажники обычно размещают их только в двух направлениях: в книжной или альбомной ориентации. Это хорошо подходит для плоских прямоугольных крыш. Но многие крыши не являются идеально квадратными. Если край крыши имеет наклон или разделен на несколько частей, прямоугольные панели не могут быть уложены ровно. По краям и в углах остаются небольшие зазоры. Эти зазоры накапливаются, и полезная площадь уменьшается. Если панели можно поворачивать под большим углом, а не только под двумя, появляется больше вариантов их размещения. Это значит, что панели могут в большей степени повторять естественную форму крыши. Один из примеров — панели в форме ромбов, особенно те, что основаны на мозаике Пенроуза. Благодаря своей симметрии они могут поворачиваться на определенные углы, например на 36° или 72°, и при этом плотно прилегать друг к другу, не оставляя зазоров. Такая дополнительная гибкость позволяет заполнять участки вблизи угловых краев, не создавая хаотичных или неаккуратных стыков.

Чтобы понять, насколько это важно, представьте себе два реальных сравнения крыш, где все было одинаковым: одинаковый размер крыши, одни и те же препятствия, одинаковые расстояния для обеспечения безопасности. Единственное отличие заключалось в форме панелей и количестве возможных направлений их установки.

В макете А поместился 31 прямоугольный модуль по сравнению с 39 ромбовидными модулями Пенроуза, что на 25,8 % больше.
В макете Б поместился 19 прямоугольных модулей по сравнению с 28 ромбовидными модулями Пенроуза, что на 47,4 % больше.

Если каждая панель вырабатывает примерно одинаковое количество энергии, то чем больше панелей, тем больше электричества. Проще говоря, при увеличении установленной мощности увеличивается и годовая выработка энергии. Такие инструменты моделирования, как PVsyst, показывают, что на крышах нестандартной формы или с узкими границами расширение возможностей ориентации панелей может увеличить годовую выработку энергии примерно на 40%. (Читатели, которым нужны подробные математические выкладки и сравнительная методология компоновки, могут обратиться к недавней статье Шета на IEEE TechRxiv).

Распространенное опасение, связанное с использованием солнечных панелей не прямоугольной формы, заключается в том, что это может привести к проблемам с электричеством. На самом деле панель в форме ромба может быть изготовлена с использованием тех же внутренних компонентов, что и обычная прямоугольная панель. Внутри нее по-прежнему используются стандартные кремниевые солнечные элементы, соединенные последовательно, а также небольшие защитные устройства, называемые байпасными диодами, которые помогают снизить потери мощности, если часть панели находится в тени. Основные электрические характеристики, то есть способы получения напряжения и силы тока, остаются прежними.

Производители могут использовать стандартные полуячейки в непрямоугольной раме. Если изменить количество ячеек в панели, изменится и напряжение, но сила тока останется прежней. Это значит, что панель можно будет подключать к тем же типам инверторов и систем проводки, которые используются сегодня. Монтажники будут следовать уже знакомым им правилам проектирования электросетей.

Проще говоря, форма панели не влияет на процесс выработки электроэнергии. Принцип движения электронов внутри солнечных элементов остается неизменным. Геометрия в основном влияет на то, насколько плотно панели прилегают к крыше, а не на эффективность выработки энергии.

Может ли производство адаптироваться?

Вполне естественно, что люди с осторожностью относятся к солнечным панелям нестандартной формы. Солнечная промышленность десятилетиями строила заводы и разрабатывала оборудование специально для прямоугольных панелей. Изменение формы потребует другой резки стекла, настройки производственных машин, перепроектирования рам и систем крепления, а также прохождения новых испытаний на безопасность и сертификацию. Это существенные изменения, а не мелкие доработки. В прошлом на некоторых рынках пробовали использовать треугольные панели, но дополнительная сложность не приносила достаточной выгоды, чтобы оправдать крупномасштабное производство.

Тем не менее есть способы уменьшить количество сбоев в работе. Один из практичных подходов заключается в том, чтобы использовать те же прямоугольные солнечные элементы внутри панели, но просто изменить внешнюю форму модуля. Современные производственные технологии, такие как лазерная резка, черепичная конструкция и гибкие электрические соединители, уже упрощают переход на новые компоновки без полной перестройки производства. Ключевой вопрос — экономический: оправдывают ли дополнительные производственные затраты дополнительное пространство на крыше, которое можно использовать? На рынках, где площадь крыши ограничена или очень ценна, ответ может быть положительным. Важно отметить, что для внедрения такого рода инноваций не нужно изобретать новые материалы для солнечных батарей. В основном речь идет о переосмыслении способов упаковки и сборки элементов в готовую панель.

Наибольший потенциал для создания новых форм панелей может открыться в сфере интегрированной в здания солнечной энергетики, когда солнечные панели являются частью самого здания, а не чем-то, что крепится сверху. Сегодня архитекторы и застройщики хотят, чтобы солнечные системы не только вырабатывали электроэнергию, но и органично вписывались в конструкцию здания и служили защитой от непогоды. Хорошим примером являются солнечные черепицы. Вместо того чтобы устанавливать панели на крыше, можно заменить обычные кровельные материалы солнечными черепицами, которые будут служить защитным слоем от дождя и непогоды. Аналогичным образом в некоторых зданиях солнечные панели используются в качестве облицовки наружных стен и одновременно вырабатывают электроэнергию. В таких случаях внешний вид и гибкость дизайна не менее важны, чем функциональность.

Использование таких форм, как ромбовидная черепица, позволяет создать гладкую, цельную поверхность без жестких рядов традиционных прямоугольных панелей. Края такой черепицы можно сделать так, чтобы они соединялись внахлест, слегка перекрывая друг друга, и скрывали крепежные элементы, как у обычных кровельных материалов. Даже те участки, которые не вырабатывают электричество, могут быть выполнены в едином стиле, чтобы все здание выглядело аккуратно и единообразно. Отрасль уже продемонстрировала свою способность к развитию благодаря таким инновациям, как двусторонние модули, технология черепичных ячеек, безрамные конструкции «стекло-стекло» и солнечная черепица. На зданиях с изогнутыми или необычными формами черепица меньшего размера может прилегать к поверхности плотнее, чем большие прямоугольные панели. Такой подход может быть полезен при строительстве крыш стадионов, транспортных узлов и современных коммерческих зданий с оригинальным дизайном. В таких случаях форма солнечных панелей — это не просто техническая деталь.

По мере того как солнечные батареи становятся все более распространенными в городах, а архитектура — все более сложной, изменение формы панелей может стать еще одним практичным шагом вперед. Это не означает, что нужно повсеместно заменять прямоугольные панели. Они по-прежнему очень эффективны на больших простых поверхностях. Речь идет о том, чтобы дать проектировщикам больше возможностей, когда здания не имеют идеально квадратную форму. В мире крыш неправильной формы и креативной архитектуры такая дополнительная гибкость может сыграть решающую роль.