Vývoj hybridního fotovoltaicko-termálního kolektoru
Přidaná hodnota oproti samostatným fotovoltaickým a tepelným systémům
Prototyp systému FVT, popisovaný v tomto článku, byl navržen pro soutěžní dům “FOLD house” v rámci mezinárodní studentské soutěže Solar Decathlon Europe 2012. Hybridní systém dosahuje výrazného růstu účinnosti výroby elektřiny v důsledku aktivního chlazení fotovoltaických článků.
Abstrakt
Cílem tohoto článku je informovat o vývoji fotovoltaicko-tepelného (FVT) systému a jeho porovnání se samostatným fotovoltaickým a tepelným systémem založených na stejných technologiích. Výsledný prototyp je výsledkem spolupráce týmu Technical University of Denmark (DTU) a soukromé dánské firmy RAcell (www.racell.com).Uvedený FVT je hybridní systém, který dosahuje výrazného růstu účinnosti výroby elektřiny v důsledku aktivního chlazení fotovoltaických (FV) článků systémem potrubí na zadní stranu FV panelů. Tepelná část soustavy odebírá teplo, ochlazuje tak FV články na optimální teplotu a zvyšuje jejich účinnost při výrobě el. stejnoměrného proudu při STC (Standardní Testovací Podmínky) o 14,8 %, oproti běžnému FV systému sestávajícího z FV článků stejného druhu za stejných klimatických podmínek.
Prototyp systému FVT, popisovaný v tomto článku, byl navržen pro soutěžní dům „FOLD house“ v rámci mezinárodní studentské soutěže Solar Decathlon Europe (SDE) 2012 pořádané v Madridu, Španělsko, na podzim roku 2012. Návrh systému byl optimalizován jak pro běžné použití, tak pro kriteria daných pravidly soutěže SDE. Nároky byly kladeny na pozitivní energetickou bilance při hospodaření s energetickými potřebami domu a s energiemi z obnovitelných zdrojů, při poskytnutí nejvyššího možného vnitřního komfortu.
Navržený FVT systém byl oceněn první místem v kategorii Integrované solární systémy (Solar system integration), v rámci soutěže SDE 2012. „Vysoce účinný a inovativní způsob integrace fotovoltaického a tepelného systému, které není dodatečným a s budovou nesouvisejícím zařízením, ale naopak tvoří jeho přidanou hodnotu, aniž by poutal přílišnou pozornost na sebe samo,“ řekl jeden z členů poroty o systému FVT při vyhlašování vítěze.
Použito bylo inovativní řešení pro střešní integraci a pro vzájemné spoje potrubí mezi panely. FVT systém byl porovnán se samostatným fotovoltaickým a samostatným termálním systémem z energetického a ekonomického hlediska. Pro celoroční využití v klimatu Španělska i Dánska byl navržený FVT systém shledán přínosným v porovnání s oběma systémy odděleně.
1. Úvod
| COP | Coefficient of performance = Topný faktor tepelného čerpadla udává poměr vyprodukovného tepla a spotřebované energie |
| Drain-back | Systém s úplným vyprázdněním |
| EVA | Ethylene-vinyl acetate (Etylenvinylacetát)průsvitná pružná hmota |
| FOLD | Oficiální název soutěžního domu týmu DTU během SDE2012 |
| FV | Fotovoltaický |
| FVT | Fotovoltaicko-tepelný |
| G | Intenzita slunečního záření |
| SDE | Solar Decathlon Europe |
| STC | Standard test conditions = standardní testovací podmínky sluneční energie dopadá na fotovoltaický panel kolmo s intenzitou E = 1 kW/m2, spektrum Am1,5 global, teplota panelu 25 °C (pro srovnání chladicích režimů byla uvažována T jako teplota okolí) |
| Tedlar | Polyvinyl Fluoride Film |
| dle Tichel- manna | Každá hydraulická větev systému má stejnou tlakovou ztrátu (stejný součet délky přívodního a zpětného potrubí) bez ohledu na umístění v systému |
| TUV | Zásobník (ohřívač) teplé užitkové vody |
| Wp | Wattpeak – watt jmenovitého výkonu při STC |
| η | Účinnost |
| ΔT / G | Střední teplota panelu − teplota okolí / intenzita slunečního záření |
Dokument Solar Thermal Vision 2030 uvádí o solární energii: „Budovy mají potenciál stát se aktivními budovami s pokrytím 100 % energetických potřeb pomocí solární energie. Solární technologie se mohou v budoucnu stát nejdůležitějším zdrojem energie pro bydovy.“ [3] „K tomu je nutné, aby architekti a inženýři uměli navrhovat budovy v komplexním pojetí spojujícím důmyslnou architekturu, vysokou energetickou účinnost a šetrnost, pokročilé systémy regulace solárních zisků a inovační řešení solárních systémů pro zajištění žádaných dodávek energií.“ [2] „Snaha o racionální využití obálky budovy pro jímání sluneční energie a přeměnu na požadovanou formu energie ústí ve vývoj prvků integrujících aktivní solární zařízení do konstrukce budovy.“ [4] Velký inovační potenciál spočívá v použití víceúčelových řešení, které by spojily výše uvedené funkce do jednoho komplexního elementu.
Fotovoltaický článek je základním prvkem fotovoltaického panelu, který převádí energii světla na stejnosměrný proud při procesu zvaném fotovoltaický jev. Standardní forovoltaické panely přemění kolem 15 % slunečního záření na elektrickou energii, zbytek záření se částečně odrazí do okolí a částečně je absorbován, přemění se na teplo a ohřeje FV panel. S rostoucí teplotou FV článků klesá účinnost konvenčních fotovoltaických systémů. Teplota je tedy limitujícím faktorem pro lepší využití FV článků, které jsou obvykle chlazeny pouze přirozenou konvekcí. Koncept systému FVT je založen na aktivním chlazení fotovoltaických článků přidruženou tepelnou soustavou.
FVT je hybridní systém, kde tepelná část odebírá teplo z fotovoltaických článků, které aktivně ochlazuje a zvyšuje tak účinnost fotovoltaické přeměny ve srovnání se stejnými FV články bez aktivního chlazení za stejných klimatických podmínek. Odebírané teplo může být dále využito jako zdroj energie pro jiné tepelné zařízení, na který jsou FVT panely napojeny. Pro plné využití všech výhod, které FVT technologie nabízí, je proto nezbytné, aby projektant přistupoval k řešení technického zařízení komplexně, a zvolil takový systém, který bude jednak poskytovat stálý zdroj chladu pro ochlazování FVT panelů a dokáže nejlépe využít odpadního tepla.
V následujících kapitolách je popsán vývoj základního FVT panelu, následný návrh nadřazeného FVT systému. Ve druhé části je potom popsna jeho integrace do soutěžního domu „FOLD“ a následný vliv na celkovou energetickou bilanci domu.
2. Vývoj a testování FTV panelu
2.1 Normy
Vývoj níže popsaného FVT systému, vyrobeného na zakázku, respektoval požadavky norem: IEC 60364-7-712 o speciálních FV zařízeních, IEC 60364 o instalaci FV, IEC 61215 povinná norma pro zakázkovou výrobu FV panelů, IEC 61727 náležitosti FV systémů s výkonu do 10 kW a napojením na el. síť, Royal Decree 1699/2011 Španělská norma upravující připojení na el. síť, ISO 9806-1:1994 zkušební metody pro solární kolektory, DS/ENV 13005 příručka o nejistotě měření.
2.2 Cíle
Prvotní záměr zněl navýšit výrobu elektrické energie FVT panelů pomocí nucené cirkulace chladicí kapaliny. Při návrhu byla věnována zvláštní pozornost hydraulickému uspořádání chladicího soustavy uvnitř FVT panelu, řešení rozebíratelných spojů mezi panely a návaznosti návrhu tepelné a FV části. Cílem bylo představit řešení, které umožní nízkou úroveň údržby při zachování vysoké spolehlivosti a životnosti celého systému.
2.3 Konstrukce FVT panelu
Elektřina byla generována monokrystalickými silikonovými solární články SUNPOWER a-300 o rozměrech 125 mm x 125 mm. V návrhu bylo počítáno i s výrobou velkoplošných panelů bez nosného rámu. Články byly proto rozděleny na 3 stejné obdélníkové díly o rozměrech 41x125 mm z důvodu snížení rizika jejich možného poškození při průhybu FVT panelu. Menší velikost článků je také vhodnější pro úspornější vyplnění panelů nepravidelného tvaru, Obr. 4. Uvnitř laminování byly integrovány bypassové diody, vždy jedna společná dioda pro 8 až 14 článků. V případě částečného zastínění velkoformátového panelu nebo v případě poruchy individuálního článku by tak byl vyřazen mimo provoz jen určitý počet článků ve stejné skupině a zbytek panelu by stále produkovat energii beze změny. Vzhledem k požadavku architektů na velmi tenké provedení střešní konstrukce, panely nebyly vybaveny svorkovnicovými skříňkami, pouze kabelovými vývody.
Krycí vrstva FVT panelu je z texturovaného skla značky Saint Gobain - Albarino G, Obr. 1, které má samočisticí vlastnosti, při odlesku snižuje riziko oslnění okolí a garantuje o 3% větší optickou účinnost dle IEC 61215 díky zpětnému lomu slunečních paprsků, především při velkém úhlu dopadu (slunce nízko nad obzorem).
Obr. 1 Snížení odrazu na rozhraní vzduch – sklo (vlevo), zpětný odraz světla (uprostřed), detail struktury skla Albarino G (vpravo)![Obr. 2 Příčný řez PVT panelem [6]](/docu/clanky/0120/012028o4.jpg)
Obr. 2 Příčný řez PVT panelem [6]
Fotovoltaické články byly vodotěsně přilepeny na hladkou stranu skleněné tabule pomocí materiálu „EVA“ a za působení tlaku. Pojicí vrstva je kryta černou izolační fólií „Tedlar“, ta bezpečně odděluje elektrickou a tepelnou část.
Tepelná část tvořená měděným plechem a potrubím je připojena také materiálem EVA s krytím další folií „Tedlar“. Dodatečně byla nalepena technická pěnová izolace Armaflex AF, založená na bázi syntetického kaučuku s uzavřenými buňkami (nenasákavá). Izolace snižuje tepelné ztráty konvekcí na zadní straně FTV panelu, Obr. 2.
2.4 Návrh a posouzení tepelné části
Byla provedena řada simulací stanovující závislost účinnosti panelu na vnitřním uspořádání podélného chladicího potrubí, které je zobrazeno na Obrázku 2. Detailně byly porovnány varianty s uspořádáním potrubí 6 a 10 trubic na metr délky.
Na obr. 3B je vidět průběh teplot napříč absorpční vrstvou panelu (absorbérem) při použití dvou různých roztečí potrubí, 100 a 166 mm. Simulace probíhala za STC okrajových podmínek: intenzita sluneční záření 1000 W/m2, teplota vzduchu 25 °C a bezvětří. Vrcholky křivek představují prostor mezi sousedícími trubkami, kde je teplo nejhůře odváděno a teplota je tedy největší. V ideálním případě by byla teplota napříč panelem zcela rovnoměrná. Proto byla vybrána varianta s roztečí potrubí 100 mm, pro kterou bylo kolísání teploty nižší.
![Obr. 3A Tepelná účinnost pro dvě různé rozteče podélného potrubí [1]](/docu/clanky/0120/012028o6.png)
Obr. 3A Tepelná účinnost pro dvě různé rozteče podélného potrubí [1]
![Obr. 3B Průběh teplot napříč panelem pro dvě rozteče podélného potrubí [1]](/docu/clanky/0120/012028o7.png)
Obr. 3B Průběh teplot napříč panelem pro dvě rozteče podélného potrubí [1]
Z Obr. 3A je zřejmé, že při rozteči 100 mm (10 trubek na metr) je absorbovaná sluneční energie účinněji přenesena do chladicí kapaliny, než u rozteče 166 mm (6 trubic na metr). Rozdíl v účinnosti obou variant je nejpatrnější při malém rozdílu teplot mezi povrchem FVT panelu a okolím, tedy kdy je tepelná ztráta do okolí minimální (levá část obr. 3A). Taková situace je přitom uvažována jako ideální stav v kontextu k vyšší elektrické účinnosti FV článků při nižších povrchových teplotách FVT panelu.
Panel byl testován na vnějším testovacím zařízení o sklonu 67,5 ° s orientací na čistý jih (0°).
![Obr. 4 Testovaný FTV panel [6]](/docu/clanky/0120/012028o17.png)
Obr. 4 Testovaný FTV panel [6]
Obr. 5 Tepelná účinnost FTV panelu
Tepelná účinnost byla měřena ve dvou režimech: aktivní fotovoltaické články, kdy byla z fotovoltaického panelu odebírána elektrická energie; pasivní fotovoltaické články, kdy elektrická energie odebírána nebyla. V případě aktivních článků (1), bylo asi 42 % slunečního záření přeměněno na teplo. Při testu s pasivními články (2), bylo dosaženo účinnosti okolo 48 %.
Aktivní FV články, které jsou umístěny ve vrstvě nad tepelnou částí, „ubíraly“ část sluneční energie tepelné části. Tato energie byla z panelu odváděna ve formě stejnosměrného el. proudu. Proto tepelná část, umístěna pod FV články obdržela při aktivním režimu FV článků méně energie na výrobu tepla. Tento jev vysvětluje anomálii dvojí tepelné charakteristiky pro jeden panel, Obr. 5. Při započítání vyrobené el. energie, odebraného tepla a tepelných ztrát do okolí a vedení, tak celková energetická bilance panelu zůstala stejná za obou podmínek.
2.5 Návrh a posouzení elektrické části
![Obr. 6 Elektrické schéma testovacího zařízení [1]](/docu/clanky/0120/012028o21.png)
Obr. 6 Elektrické schéma testovacího zařízení [1]
Stanovení elektrických charakteristik bylo provedeno na stejném zkušebním zařízení jako předchozí tepelná měření. Napětí a proud byly zaznamenávány pomocí „Uganda“ metody, jejích schematické zapojení je znázorněno na Obr. 6.
| El. účinnost [%] | Teplota panelu [°C] | Teplota okolí [°C] | Intenzita slun. záření [W/m2] | |
|---|---|---|---|---|
| Aktivní chlazení | ~15,5 | 32±0,5 | 22,5±0,5 | 880÷950 |
| Přirozené chlazení | ~13,5 | 66±0,5 | 22,5±0,5 | 880÷950 |
Výsledná změřená el. účinnost, na Obr. 7A, je vyjádřena křivkou určena vztahem teplotního rozdílu mezi panelem a jeho okolím a slunečním zářením. Měření el. účinnosti FVT panelu bylo provedeno v exteriéru za běžných klimatických podmínek dánského letního počasí, Tabulka 1, a za přirozeného i aktivního chlazení FVT panelu pomocí vody z městské vodovodní sítě proudící tepelnou částí. Křivka účinnosti byla idealizována, Obr. 7B, a rozdělena do dvou pásem. Horní modrá zóna představuje oblast el. účinnosti při aktivním chlazení FV článku a rudá zóna udává oblast nižší účinnosti při přirozeném chlazení konvekcí do okolí. Tři vyznačené úrovně pak odpovídají el. účinnosti při podmínkách daných STC a teplotě panelu: 32 °C pro cirkulaci chladicí kapaliny mezi FVT panelem a zemním tepelným výměníkem* (vlevo), 35 °C pro nabíjení zásobníku TUV přes FVT (uprostřed) a 66 °C pro běžný FV panel chlazený přirozeně (vpravo).
![Obr. 7A Výsledek měření el. účinnosti FTV panelu [6]](/docu/clanky/0120/012028o12.png)
Obr. 7A Výsledek měření el. účinnosti FTV panelu [6]
![Obr. 7B Idealizovaná křivka el. účinnosti FVT panelu [6]](/docu/clanky/0120/012028o20.png)
Obr. 7B Idealizovaná křivka el. účinnosti FVT panelu [6]
Elektrické charakteristiky fotovoltaických článků zůstaly po celou dobu měření beze změny bez ohledu na režimy chlazení. Aktivní chlazení však poskytuje článkům lepší podmínky pro vyšší elektrickou účinnost, o 2 % absolutně nebo 13 % relativně, v porovnání s přirozeným chlazením FVT panelu za stejných klimatických podmínek.
2.6 Celková účinnost
Pro lepší vyjádření obou výše určených charakteristik, elektrické a tepelné účinnosti, byla použita veličina hybridní účinnost. Až 58 % sluneční energie, která dopadá na povrch FVT panelu může být využito, viz Rovnice (4). Každý bod křivky hybridní účinnosti, Obr. 8, představuje okamžitý součet elektrické a tepelné účinnosti při daném rozdílu teplot FVT panelu a okolí a při dané intenzitě slunečního záření, za podmínky, že oba systémy pracují souběžně při aktivním chlazení.
![Obr. 8 Hybridní účinnost FVT panelu [1]](/docu/clanky/0120/012028o19.png)
Obr. 8 Hybridní účinnost FVT panelu [1]
3. Závěr
Uvedený hybridní FVT systém dosahuje výrazného růstu účinnosti výroby elektřiny v důsledku aktivního chlazení FV článků systémem potrubí na zadní stranu FV panelů. Tepelná část soustavy odebírá teplo, ochlazuje tak FV články na optimální teplotu a zvyšuje jejich účinnost při výrobě el. stejnoměrného proudu při STC (Standardní Testovací Podmínky) o 14,8% relativně, oproti běžnému FV systému sestávajícího z FV článků stejného druhu za stejných klimatických podmínek. Výsledná maximální účinnost FVT panelu za STC je 58,3%.
Navazující článek popisuje integraci popsaného FVT kolektoru do domu FOLD v rámci soutěže Solar Decathlon 2012 a vliv FVT systému na celkovou energetickou bilanci domu.
Anglický originál příspěvku z konference Clima 2013: Development and benefits of using PVT compared to PV_clima2013.pdf
Reference
- [1] Børgesen J., Nielsen K., Afgangsprojekt “Test af PVT panel”, februar – juli, år 2012, Technical university of Denmark, (15th April 2012)
- [2] Charalambous, P. G. a kol.: Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review. Applied Thermal Engineering 27, pp. 275–286. (2007)
- [3] European Solar Thermal Technology Platform: “Solar Thermal Vision 2030 document” http://www.esttp.org. (2006)
- [4] Hestnes, A. G.: Building integration of solar energy systems. Solar Energy 67, No. 4–6, pp. 181–187, 1999
- [5] Kazanci, O. B., Skrupskelis, M., Solar Sustainable heating, cooling and ventilation of a net zero energy house, Technical university of Denmark, (2012)
- [6] Sevela, P., “Energy management in DTU Solar Decathlon house”, Technical university of Denmark, (2012)
- [7] Team DTU, Project manual, Delivery #6, DTU, Denmark, (2012)
- [8] Wiedemann M., Energy Performance of zero-energy Houses: LCA on the FOLD Project Building, DTU, 2012
The goal of this paper was to inform about the development of the building integrated photovoltaic thermal (PV-T) system and evaluate its performance in compared to PV installation built of same photovoltaic cells. The study was collaboration among the Technical University of Denmark (DTU and Danish company RAcell (end-reference to website). This project was applied and optimized with the coupled house system on FOLD house, built in purpose of international student competition Solar Decathlon Europe 2012 held in Madrid in September 2012. The proposed PVT system was awarded with first price in Solar system integration sub-contest, during the competition SDE 2012.“Highly effective and innovative integration of PV and thermal systems that is not only a machine added to a house, but added value without creating too much attention to that machinery,” said one of the jury members about the PVT system, announcing the winner.
The PV-T is a hybrid system where the significant growth of efficiency of electricity generation is caused by cooling the cells to optimal temperature by system of embedded pipes on the backside of photovoltaic panels. The thermal part removes the heat, cools down the cells and increases its el. production up to 14,8 % according to PV system using the same cells in the same weather conditions. New solution was carried out for piping connection between panels. The house integrated PV-T system was compared with separate Photovoltaic and Thermal systems from energy and economy point of view. For annual usage of the FOLD house in Spain and Denmark was the PV-T system found as a more beneficial in compare to two separate systems.