Obkladové prvky pro akumulaci solární energie
Předmětem řešení bylo navrhnout solárně aktivní prvky, jejichž výroba a montáž bude spojena s nižšími náklady při zachování očekávané účinnosti a životnosti jako standardně realizované solární a fotovoltaické panely. Návrh využívající sklovláknobetonový nosič pro instalaci teplosměnných trubic a fotovoltaických článků je inovativním řešením, které současně splňuje solárně účinnou a konstrukční funkci pro použití v podobě fasádních i střešních dílců.
Úvod
Předmětem řešení bylo navrhnout solárně aktivní prvky, jejichž výroba a montáž bude spojena s nižšími náklady při zachování očekávané účinnosti a životnosti jako standardně realizované solární a fotovoltaické panely.
Navržené řešení využívající sklovláknobetonový nosič pro instalaci teplosměnných trubic a fotovoltaických článků je inovativním řešením, které současně splňuje solárně účinnou a konstrukční funkci pro použití v podobě fasádních i střešních dílců.
Problematika solárně aktivních povrchů
Řešitel nechce provádět úpravu panelů pro instalaci kompletního fotovoltaického panelu, ale vyrobit dílec standardním způsobem a na jeho povrch osadit soustavu fotovoltaických článků s odpovídající povrchovou ochranou. Tradiční překrytí sklem v tomto případě nahradí zalití transparentní vrstvou silikonu. Provedené zkoušky prokázaly, že tato finální úprava dílců nijak nesnižuje účinnost fotovoltaických článků.
V rámci řešení proběhlo srovnání celkem 3 variantních řešení plošných solárně aktivních sklovláknobetonových kompozitních dílců modulového rozměru 1200 x 600 mm:
- sklovláknobetonový dílec s topnými trubicemi umístěnými v ploše desky exponované slunečnímu záření a na odvrácené straně izolovaný proti úniku tepla kompaktní deskou z tvrzeného polystyrenu
- sklovláknobetonový dílec bez topných trubic, jehož pohledová plocha je osazena soustavou fotovoltaických článků
- sklovláknobetonový dílec s topnými trubicemi umístěnými v ploše desky exponované slunečnímu záření, jehož pohledová plocha je osazena soustavou fotovoltaických článků
Sledování vlastností solárních prvků v laboratoři
Ve snaze o cílené proměření jedné proměnné, tj. slunečního svitu a jeho měřitelného účinku na ostatní parametry soustavy byla navržena experimentální jednotka pro měření v interiéru. Ta umožňuje sluneční svit simulovat trvalým zdrojem tepla a ostatní parametry udržovat jako konstantní. Jako zdroj záření jsou použity infračervené žárovky o výkonu 150 W ze vzdálenosti 0,5 m při napájecím napětí 180 V. Spolu s měřením vlivu různé intenzity slunečního záření je možno také proměřit vliv deště, větru, difúzního světla a dalších přírodních veličin, a to efektivněji než v exteriérových podmínkách.
Sledování vlastností solárních prvků v exteriéru
Byl vyroben a odzkoušen funkční vzorek fasádního dílce včetně zapojení do systému. Topná trubice Ø 8 mm, vyrobená z materiálu co nejlépe vedoucího teplo, je umístěna v ploše dílce, příp. i v žebrech co nejblíže povrchu pro snadný přechod tepla a slouží k rozvodu média, které se vlivem slunečního záření dopadajícího na povrch dílce ohřívá a je odváděno do tepelného výměníku, kde svou energii předává.
V roce 2008 proběhlo první měření navrženého solárního prvku v exteriéru. Při experimentálním měření a hodnocení tepelné účinnosti modelu solárního kolektoru bylo prokázáno, že na výsledné hodnoty přenosu tepla má zásadní vliv více parametrů současně, a proto se při exteriérovém hodnocení téhož kolektoru mohou výsledky zjištění pohybovat ve velmi širokém rozmezí od 30 až do 70 %. Mezi proměnné parametry lze zařadit intenzitu osvitu, podíl primárního a sekundárního difúzního záření, dobu osvitu, účinek větru, místní klimatické podmínky.
V průběhu měsíce srpna 2011 proběhlo sledování provozu a měření vyrobené tepelné energie zkušebním solárně aktivním panelem v reálných rozměrech 2460 x 1160 mm, který byl pomocí měděných trubic napojen na vodní okruh ukončený zásobníkem teplé vody. Zkušební panel byl nainstalován v poloze svislé a následně pod úhlem 40°. Byly sledovány následující parametry:
- intenzita dopadající sluneční radiace na plochu ve W/m2
- teplota exteriéru
- teplota povrchu panelu
- teplota přívodního a vratného teplonosného média
- teplota teplé vody v zásobníkovém ohřívači
- množství vyrobené tepelné energie
Ve spolupráci s renomovanou firmou z oblasti solárních panelů byla připravena série reálných modelů SVB dílců o rozměrech 1200 x 600 mm a vyhodnocena účinnost fotovoltaického povrchu při laboratorních i reálných podmínkách ve srovnání s komerčním fotovoltaickým panelem. Další vzorky byly podrobeny urychleným zkouškám trvanlivosti a soudržnosti celého kompozitu v simulovaných klimatických podmínkách, zahrnujících skrápění deštěm, sluneční záření, UV záření a zmrazování. Vytipovaná silikonová hmota vyhověla expozici odpovídající 30 rokům na povětrnosti, což je i deklarovaná životnost komerčních panelů.
Na 6 vzorcích osazených fotovoltaickými články byly provedeny následující zkoušky:
- měření volt-ampérových charakteristik
- měření metodou elektroluminiscence
- sledování pomocí termovize
- analýza vlastností panelů za přirozených klimatických podmínek
- zkouška solárních panelů v klimatické komoře – urychlené stárnutí
Účinnost navržených panelů dosahovala hodnot přes 11 %. Lze tedy konstatovat, že SVB fotovoltaické panely se mohou svými vlastnostmi vyrovnat standardně realizovaným fotovoltaickým panelům. Výsledkem projektu je tedy nový způsob integrace fotovoltaických panelů do budov ojedinělý i ve světovém srovnání.
Závěr
Výzkum byl zaměřen na možnosti využití sklovláknobetonového kompozitu jako nosiče pro účinné fotovoltaické články, ať už pro použití jako střešní nebo fasádní dílec. Oproti solárním panelům se zabudovanými topnými trubicemi jsou dílce opatřené fotovoltaickými články výrobně jednodušší a dochází k menšímu zatížení podkonstrukce, zvláště v případě jejich použití jako střešních panelů. Myšlenka využití měděných trubic by však v tomto případě zůstala zachována pouze pro odvod tepla z povrchu fotovoltaických článků, u kterých by tím nedocházelo k nadměrnému zahřívání a snížení jejich výkonu. V současné době probíhá hodnocení možností vstupu tohoto výrobku na trh.
Tento příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu podporovaného MPO ČR 2A-3TP1/118 Plošné solárně aktivní stavebně konstrukční prvky s využitím odpadních materiálů.
Literatura
[1] ČECHMÁNEK, R., SVOBODA M.: Plošné solárně aktivní stavebně konstrukční prvky s využitím odpadních materiálů. Brno, 2011. Závěrečná zpráva projektu. Výzkumný ústav stavebních hmot, a.s.
Thin-walled composites made of fine-grained cement-sand matrix reinforced by alkali-resistant glass fibres are currently used for the range of applications in the building industry, especially as architectural elements and cladding panels. Their advantage is mainly low weight as well as resistance to mechanical and weather impacts. These preconditions led to an innovative solution of cladding elements for accumulation and consecutive utilization of solar energy. Solar energy is transformed into heat energy by the means of an integrated pipe system and the heat achieved is deposited by the means of a heat water reservoir. Element surface can be set with photovoltaic cells. This material is possible to use as a roof panel as well. On the contrary to standard robust photovoltaic panels a difficult superstructure is not necessary and roof structure assembling is much easier. A wide range of simulation trials in interior as well as real tests in exterior was carried out with cooperation of a renowned company from the photovoltaic branch.