1/81
FV panely v provozu provozní podmínky energetická bilance panelu výpočet roční produkce
integrace (BIPV) hybridní FVT kolektory
2/81
Účinnost FV panelu
jaká je roční účinnost FV systému ?
3/81
Vliv provozních podmínek na produkci
integrace do pláště
nad střechou
analýza FV systémů na pasivních domech Koberovy Staněk, K., FSV ČVUT (2011)
4/81
Integrace do pláště – zajištění chlazení
5/81
Instalace nad střechou teploty až 70 °C rozdíl mezi dolními a horními moduly > 10 °C 70
FV panely horní FV panely dolní vzduch horní vzduch dolní
50 40 30 20 10
čas (hod)
23:00
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0 0:00
Teplota FV panelů (°C)
60
6/81
Instalace nad střechou
70
60
0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
Teplota FV panelů (°C)
7/81
Porovnání dosahovaných teplot
K6 – integrace do krytiny K7 – nad krytinou
50
K7 dolní K7 horní K6 dolní K6 horní
40
30
20
10
0
čas (hod)
čas (hod) 23:00
1,04
22:00
21:00
20:00
19:00
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
6:00
5:00
4:00
3:00
2:00
1:00
0:00
Relativní vývoj účinnosti (-)
8/81
Porovnání vlivu na účinnost
K6 – integrace do krytiny K7 – nad krytinou
1,08
K7
K6
1,00
0,96
0,92
0,88
0,84
0,80
9/81
Experimentální FV systém na FSv ČVUT
zdroj: K. Staněk
10/81
Experimentální FV systém na FSv ČVUT
11/81
Experimentální FV systém na FSv ČVUT
12/81
Experimentální FV systém na FSv ČVUT
13/81
Energetická bilance FV panelu
Qs
Qz,o
Qz,t Qe
Qs – Qz,o – Qz,t – Qe = 0
[W]
14/81
Energetická bilance FV panelu sluneční příkon Qs závislý na úhlu dopadu, denní době
optické ztráty Qz,o odrazivost panelu, závislost na úhlu dopadu
tepelné ztráty Qz,t vliv venkovní teploty, teploty oblohy, proudění okolního vzduchu, způsobu instalace (volně stojící, integrace do střechy) teplota FV panelu, přestup tepla
elektrický výkon Qe vliv teploty panelu, vliv ozáření, druh technologie
15/81
Energetická bilance FV panelu
Qs
Qz,o
Qz,t
h Qe
te G
e tFV
Ak G Ak G Ak h Ak t FV t e FV G Ak 0
16/81
Produkce elektřiny G r 1 k ln Gr
vliv sluneční ozáření
r 1 t FV t r
vliv teploty
[%/K]
Typ článku Krystalické Si
-0,35 až -0,52
Amorfní Si
-0,10 až -0,30
CIS
-0,33 až -0,60
CdTe
-0,18 až -0,36
Qe Qs r 1 t FV 25 1 0,03 ln
G 1000
17/81
Účinnost = f (G, tFV, ...) 16
účinnost elektrickáucinnost konverzni (%)[%]
14 12 10 8 6 Teplota clanku: 25 °C 50 °C 75 °C 100 °C
4 2 0
0
100
200
300
400
500
600
700
intenzita zareni (W/m2) 2 sluneční ozáření [W/m ]
800
900
1000
18/81
Odrazivost panelů n
q
19/81
Odrazivost panelů 1,0 0,9
1 1 (1 n)1 b0 1 cosq
0,8 0,7
0.05
0,6 0,5 0,4 0,3
všesměrová hodnota 50°
0,2 0,1 0,0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
20/81
Tepelné ztráty sálání vůči obloze 4 qs,o p (TFV To4 )
hs,o
zataženo
jasno
To 0.0552 Te
To Te
4 TFV To4 p TFV Te
1.5
(Swinbank, 1963)
To
TFV
sálání vůči střeše q s,st
4 TFV
1
z
1
p
Ts4
s
1
Te
Ts
z
s
21/81
Tepelné ztráty konvekce vlivem větru hk,w hw 5.7 3.8 w
kombinace volné konvekce a nucené konvekce 25
McAdams Test
20
Sharples Watmuff
2
hw [W/m K]
15 Johnson Sparrow
10 Theory
5
0 0
1
2
3
w [m/s]
4
5
6
22/81
Tepelné ztráty celkový tepelný tok z FV panelu do okolí q p
4 (TFV
To4 )
hw t FV t e
4 (TFV Ts4 )
1
z
1
s
1
hw t FV t s
Qz,t q Ak h Ak tFV t e
tFV t e
Qz,t h Ak
te
Qs Qz,o Qe h Ak
Qe = f (tFV)
h = f (tFV) vede k iteračnímu řešení
23/81
Součinitel NOCT jmenovitá provozní teplota FV článku Nominal Operating Cell Temperature (IEC/TS 61836)
G = 800 W/m2, te = 20 °C, w = 1 m/s naprázdno (nezapojený panel)
h t FV t e 1 G (1 FV )
FV = 0
jedná se o zjednodušenou bilanci, obecně je odrazivost panelu již zahrnuta v FV
24/81
Součinitel NOCT příklad NOCT = 45 °C h
1 G 0.95 800 30.4 W/m 2 K t FV t e 45 20
nejen vliv konvekce a sálání ale i tepelného odporu vrstev mezi článkem a okolím nezohledňuje způsob integrace (do pláště, nad střechou)
25/81
Zjednodušená bilance FV systému stanovení HT,den tabulky, např. TNI 73 0331 (výpočet energetické náročnosti budov), TNI 73 0302 (solární tepelné soustavy)
stanovení průměrné denní teploty FV panelu součinitel přestupu tepla h z NOCT
t FV t e,s
1 GT,m h
zjednodušený předpoklad: denní průměrná rychlost větru 1 m/s
26/81
Zjednodušená bilance FV systému stanovení denní účinnosti FV panelu FV ze jmenovité hodnoty r
vliv teploty panelu vliv slunečního ozáření bez vlivu úhlu dopadu
FV
r 1 t FV 25 1 0,03 ln
G 1000
27/81
Zjednodušená bilance FV systému stanovení denní produkce FV systému Qe,sys vliv úhlu dopadu
ztráty na DC vedení (2 %) ztráty na měniči a regulátoru (5 %)
srážka p = 8 %
ztráty na AC vedení (1 %)
Qe,sys 0,9 FV H T,den AFV 1 p
e,sys
Qe,sys,rok HT ,rok AFV
28/81
Průběh zisků a účinnosti 10 m2 FV systém, STC = 15 %
29/81
ČSN EN 15 316-4-6 výpočet roční produkce FV systému pro hodnocení ENB
špičkový výkon Ppk [kW] Ppk K pk AFV Kpk
součinitel špičkového výkonu, v kW/m2 při 1000 W/m2, 25 °C
AFV
plocha v m2
30/81
ČSN EN 15 316-4-6
součinitel špičkového výkonu = jmenovitá účinnost panelu
31/81
ČSN EN 15 316-4-6 roční produkce Qe Qe
HT ,rok Ppk f perf Gr
HT ,rok FV AFV f perf
HT,rok
dopadající sluneční energie v kWh/m2.rok
Gr
referenční sluneční ozáření 1 kW/m2
fperf
činitel výkonnosti systému [-]
32/81
Činitel výkonnosti FV systému
zahrnuje vliv teploty vliv záření
vliv úhlu dopadu systémové ztráty
0,80
0,75
0,70
33/81
Integrace FV do pláště budovy FV jako součást budov architektonické začlenění – estetický prvek
konstrukční začlenění – náhrada konstrukce
34/81
BIPV – stínicí zařízení
zdroj: eco green
35/81
BIPV – přirozené osvětlení transparentní moduly semitransparentní moduly
zdroj: BritSolar, Onyx
dvojitá okna s FV, argonová výplň
36/81
BIPV – přirozené osvětlení
37/81
BIPV – přirozené osvětlení
38/81
BIPV v konstrukční integraci
zdroj: 3S Swiss Solar Systems
39/81
BIPV v konstrukční integraci Národní divadlo amorfní moduly 22 kWp / 554 m2 19 MWh/rok provozní budova 2008, 22 kWp
Nová scéna 2009, 25 kWp
zdroj: FDT, ENESA
40/81
Integrace FV do pláště budovy 12 33 °C
29 °C 33 °C
11
36 °C
40 °C
41 °C 48 °C
36 °C 43 °C
standalone
46 °C
10
56 °C
el
61 °C
[%]
56 °C
63 °C
66 °C integrated
9
77 °C
ta = 25 °C 8
44 °C
76 °C
92 °C
3 m/s 0 m/s
reference el = 12 % (tPV=25 °C, G = 1000 W/m2)
106 °C
7 200
400
600
G [W/m2]
800
1000
41/81
Integrace FV do pláště budovy vliv zvýšené provozní teploty na výkon FV článku - snížená produkce elektrické energie
42/81
Integrace FV do pláště budovy vliv extrémních provozních teplot na životnost FV panelu - riziko vysokých teplot nad 80 °C pro EVA laminaci, delaminace, tvorba acetátů, naleptání kontaktů
43/81
Četnost teplot FV článku u BIPV nechlazené FV panely v těsné / konstrukční integraci mírné klima (Praha)
teplé klima (Atény)
1600
1400
PV: tilt 35°; tmax = 57 °C
1400
PV: tilt 30°; tmax = 64 °C 1200
BIPV: tilt 35°; tmax = 93 °C
1000
1000
frequency [h/year]
frequency [h/year]
1200
BIPV: tilt 30°; tmax = 101 °C
- 7 % produkce
800
600
- 9 % produkce
800
600
400
400
200
200
0
0 <10
10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60 60 - 70 70 - 80
PV temperature [°C]
> 80
<10
10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60 60 - 70 70 - 80
PV temperature [°C]
> 80
44/81
Jak ochránit FV panely? aktivní chlazení FV článků integrovaných do pláště budovy zvýšení produkce el. energie, navíc produkce tepla
ochrana proti degradaci modulů 30
30
high-tech roof BIPV-T
25
low-tech roof BIPV-T
20
9 to 15 % for 5 °C
15
4 to 7 % for 25 °C
25
increase of PV production [%]
increase of PV production [%]
high-tech roof BIPV-T
10
low-tech roof BIPV-T
20
15
10
15 to 24 % for 5 °C
5
5
9 to 14 % for 25 °C Atény
Praha 0
0 0
5
10
15
20
25
temperature of application [°C]
30
0
5
10
15
20
25
temperature of application [°C]
30
45/81
Hybridní FVT kolektory
46/81
Co jsou hybridní FVT kolektory? spojení fotovoltaického panelu a solárního tepelného kolektoru do jediného zařízení o společné ploše
společná produkce elektřiny a tepla = solární kogenerace fotovoltaický článek jako absorbér tepelného kolektoru fotovoltaická přeměna části pohlceného slunečního záření na elektřinu
část záření se mění na teplo a odvádí se teplonosnou látkou
EL
TEPLO
47/81
Konstrukční uspořádání
toto nejsou hybridní FVT kolektory!
48/81
Konstrukční uspořádání FV článek jako součást zasklení – nikoli jako absorbér
FV článek využívá viditelného záření, infračervené propouští nevyužívá se tepla z FV, FV článek není chlazen FV snižuje výkon kolektoru
zdroj: AIT
49/81
Konstrukční uspořádání
50/81
Hybridní kolektor FVT-vzduch zadní strana, vzduchový kanál, nezasklená varianta
větraná mezera ve dvojité fasádě, zasklená varianta
51/81
Chlazení FV vzduchem
52/81
Chlazení FV vzduchem výhody nuceného chlazení vzduchem využití tepla pro předehřev větracího vzduchu, cirkulačního otopného vzduchu, sušení lepší odvod tepla než systémy s přirozeným chlazením
nevýhody nuceného chlazení vzduchem velké průtoky, velké průměry potrubí, problém integrace pomocná energie pro provoz ventilátorů – výrazné snížení produkce el. energie celého FVT systému (vlastní spotřeba) teplý venkovní vzduch v létě omezuje schopnost chladit FV problém s využitím tepla v létě
53/81
Hybridní kolektor FVT-kapalina kolektor FVT-kapalina: výměník tepla pro chlazení zadní strany vyžaduje velmi dobrý tepelný kontakt s FV článkem nezasklená varianta
zasklená varianta
54/81
Hybridní kolektor FVT-kapalina nezasklená varianta: elektrická energie jako hlavní priorita potřeba nízkoteplotního tepla
primární okruhy tepelných čerpadel (0 - 10 °C) předehřev studené vody (10 - 20 °C celoročně) ohřev bazénové vody (25 - 30 °C)
55/81
Hybridní kolektor FVT-kapalina zasklená varianta: vyšší provozní teploty – vyšší využitelnost tepla ohřev vody, vytápění, ... nižší produkce el. energie (zasklení) problémy s teplotou FV absorbéru při klidovém stavu – z kolektoru se neodebírá teplo: teploty až 120 °C
EVA laminace běžná u FV panelů není odolná (max. 80 až 85 °C) nutná speciální laminace – silikonové gely
56/81
Ploché kapalinové FVT kolektory
zdroj: Wiosun, Solimpeks
57/81
Trubkové vakuové FVT kolektory
zdroj: Naked Energy
58/81
FVT kolektory s tepelnou trubicí
59/81
FVT kolektor s Fresnellovou čočkou osvětlení, řízení solárních zisků, využitelné teplo (TV), elektřina koncentrace zvyšuje účinnost FV článku, speciální FV články
vodní chlazení udržuje teplotu FV článku na nízké úrovni
zdroj: TIC Třebon
60/81
Koncentrační FVT kolektor zdroj: Cogenra
61/81
Kolik stojí FVT kolektory? nezasklené komerčně vyráběné na trhu, polykrystalické FV
cena FVT: 450 - 950 EUR/m2 (CZ 350 EUR/m2) cena FV:
< 150 EUR/m2
62/81
Nízkonákladový kapalinový FVT kolektor ABS PV
INS
20mm
FR
63/81
Nízkonákladový kapalinový FVT kolektor sestavený z běžných komponent FV modul + výměník/absorbér + lepidlo + (tepelná izolace)
cíl: porovnat výkonnost různých řešení
64/81
Zkoumané varianty
pipe structure epoxy resin no insulation
pipe structure epoxy resin thermal insulation XPS
pipe structure epoxy-AL resin no insulation
65/81
Zkoumané varianty
plate / pipe structure epoxy / epoxy-AL resin no insulation
plate / pipe structure epoxy / epoxy-AL resin thermal insulation XPS
plate / pipe structure epoxy / epoxy-AL resin thermal insulation XPS
66/81
Výsledky: pouze trubkový registr 0,6
0,6
th [-]
[-] insulation velmi nízký teplený without výkon: th
epoxy epoxy-AL
0,5
0,5
pipe structure adhesive bond without insulation
0,4
0,4
0,3 w < 1 m/s
0,2
with insulation
špatně vodivý laminát jako pipe structure adhesive bond (epoxy) lamela
0,3
w < 1 m/s 100 mm velká rozteč trubek
0,2
hliníková příměs pro epoxy zlepšuje přestup tepla
0,1
0,1
0,0 0,00
0,0 0,00
0,01
0,02
0,03 2
(t m - t e)/G" [m K/W]
0,04
0,05
0,01
0,02
0,03 2
(t m - t e)/G" [m K/W]
tepelná izolace zlepšuje přenos tepla z FV článku
0,04
0,05
67/81
Výsledky: výměník trubka-lamela 0,6
1000
th [-]
Q [W] tepelného výkonu zvýšení dry th
dry epoxy epoxy-AL
0,5
teplovodivá lamela zlepšuje plate/pipe structure chlazení modulu thermal insulation 600
plate/pipe structure thermal insulation
0,4
0,3
epoxy epoxy-AL
800
w < 1 m/s má špatně vodivá laminace 400 menší dopad pokud je zadní strana tepelně izolovaná
w < 1 m/s
0,2
200
0,1
0,0 0,00
0 0,02
0,04
2
0,06
0,08
0
(t m - t e)/G" [m K/W]
nezasklený FVT kolektor:
210 Wel,p a
15
30
45
(t m - t e) [K]
750 Wth,p
60
75
68/81
Výkon FVT kolektoru high-tech PVT
low-tech PVT 1000
1000 high-tech, separate, w = 0 m/s
600
800
absorbér lamela-trubka velké rozteče trubek
600
nízká hodnota F’
2
specific thermal output [W/m ]
plně smáčený absorbér vynikající přestup tepla do kapaliny
2
specific thermal output [W/m ]
800
low-tech, separate, w = 0 m/s
vysoká hodnota F’ 400
F’ = 0,97
400
F’ = 0,56
200
200
0
0 0
20
40
60
80
temperature difference t m - t a [K]
100
0
20
40
60
80
temperature difference t m - t a [K]
100
69/81
Výkon BI-FVT kolektoru (izolace) high-tech PVT
low-tech PVT
1000
1000 high-tech, separate, w = 0 m/s
low-tech, separate, w = 0 m/s
high-tech, building integrated, w = 0 m/s
low-tech, building integrated, w = 0 m/s
specific thermal output [W/m ]
800 2
2
specific thermal output [W/m ]
800
600
F’ = 0,99 400
600
F’ = 0,69 400
integrace do pláště budovy má významnější dopad 200 na méně kvalitní FVT kolektory
200
0
0 0
20
40
60
80
temperature difference t m - t a [K]
100
0
20
40
60
80
temperature difference t m - t a [K]
100
70/81
Proč hybridní FVT kolektory? multifunkční prvek zvýšení využití slunečního záření z dané plochy pláště budovy
současná produkce elektřiny, využitelného tepla (teplota)
FV
FT
FVT
FVT
150 We
2 x elektrický výkon ?
750 Wt
2 x tepelný výkon ?
71/81
Solární soustava (TV, EL) – analýza FVT
dostupná plocha kolektorů 100 m2
130 m venku 30 m uvnitř
bytový dům, 45 bytů, 100 obyvatel
72/81
Porovnání systémů FVT systém se 100 m2 plochy kolektorů (varianty s různými FVT) konvenční systém s FV a FT kolektory s různým poměrem ploch: 100%FV pouze FV
100 m2 polykrystalických modulů
75%FV-25%FT
75 m2 of FV + 25 m2 FT kolektorů
50%FV-50%FT
50 m2 of FV + 50 m2 FT kolektorů
25%FV-75%FT
25 m2 of FV + 75 m2 FT kolektorů
100%FT pouze FT
100 m2 solárních tepelných kolektorů
různé velikosti komponent u solární tepelné části podle plochy kolektorů (objem zásobníku TV, průměr potrubí, tloušťka izolace)
73/81
Cíl porovnání jaká je maximální cena hybridního FVT kolektoru konkurenceschopná s konvenční instalací kombinující FV panely a FT kolektory? uvažovány 4 různé koncepce FVT kolektorů: nezasklené FVT v kvalitě dostupné na trhu
zasklené FVT v kvalitě dostupné na trhu zasklené neselektivní FVT ve vývoji (testované) zasklené selektivní FVT ve vývoji (v návrhu)
74/81
Zasklené hybridní kolektory (ČVUT) využití pouzdření FV článků do polysiloxanového gelu tepelná odolnost do 200 °C (EVA do 90 °C)
trvale pružný gel vysoce transparentní (vyšší propustnost než EVA, vyšší tepelná vodivost než EVA)
zapouzdření FV článků mezi výměník a dvojsklo
75/81
Zasklené hybridní kolektory (ČVUT)
skladba zaskleného FVT kolektoru
absorbér se zasklením jako jedna komponenta
finální FVT kolektor
76/81
Tepelné charakteristiky 1,0 unglazed PVT collector (market) glazed PVT collector (market) gel lamination, nonselective (under development)
0,8
thermal efficiency [-]
gel lamination, selective (under development) state-of-art glazed collector 0,6
0,4
0,2
under MPPT 0,0 0,00
0,02
0,04
0,06
0,08 2
(t m-t e)/G [m .K/W]
0,10
0,12
77/81
Výsledky - energie Varianta
Popis
Úspora tepla [kWh/rok]
Úspora elektřiny [kWh/rok]
100PV
konvenční fotovoltaický systém, 100 % PV
-
13 514
75PV-25PT
kombinovaný konvenční, 75 % PV + 25 % PT
17 608
10 136
50PV-50PT
kombinovaný konvenční, 50 % PV + 50 % PT
31 133
6 757
25PV-75PT
kombinovaný konvenční, 25 % PV + 75 % PT
42 606
3 379
100PT
konvenční fototermický systém, 100 % PT
51 733
-
100PVT-UNGL
nezasklený FVT dostupný na trhu
12 751
13 361
100PVT-GL
zasklený FVT dostupný na trhu
35 033
10 859
100PVT-GLNS
zasklený FVT neselektivní (ČVUT)
40 966
11 137
100PVT-GLSE
zasklený FVT selektivní (ČVUT)
46 293
11 016
potřeba tepla na přípravu TV: potřeba elektřiny na provoz domu:
96.3 MWh/rok 112.5 MWh/rok
78/81
Výsledky - energie společná produkce elektřiny a tepla (zasklený FVT) nižší měrná produkce tepla
nižší měrná produkce elektřiny
FV
FT
50 m2 50 m2
FVT 100 m2
6.8 MWhe
11.0 MWhe
1.6 x
31.1 MWht
46.3 MWht
1.5 x
79/81
Ekonomická analýza cena FV panelu (polykrstalické panely):
120 €/m2
cena FT kolektoru (selektivní absorbér):
350 €/m2
cena kolektorů = 50 % celkové ceny systému (v obou případech)
cena tepla (Německo):
8 €cent/kWh
cena elektřiny (Německo):
16 €cent/kWh
diskontní míra = roční růst ceny energie =
5%
80/81
Ekonomická analýza 100000
jaké jsou maximální investiční náklady FVT systému pro dosažení stejné bilance po 20 letech?
total costs - savings [EUR]
80000
60000
investiční náklady pro konvenční FV + FT systém
40000
20000
0
-20000
-40000 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
years
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
81/81
Výsledky - ekonomika 370 €/m2 500 €/m2
PVT glazed selective (siloxane gel)
PVT glazed nonselective (siloxane gel)
PVT glazed (market)
100PT 25PV-75PT 50PV-50PT 75PV-25PT
PVT unglazed (market)
-200
100PV
-100
0
100
200
300
400
competitive price of PVT collector [€/m2]
500
600
