FT PANELY A JEJICH VYUŽITÍ

SOLÁRNÍ SYSTÉMY S FV/FT PANELY A JEJICH VYUŽITÍ

Sborník příspěvků z odborného semináře Realizováno v rámci projektu VaV/SN/3/174/05

DATUM:

3.4.2007, 9:30 - 15:00

MÍSTO:

České vysoké učení technické v Praze (ČVUT) Fakulta elektrotechnická ul. Technická 2

Předběžný program Přednášející

Téma

Bařinka, R.

Úvod do problematiky FV/T panelů

Tywoniak, J., Staněk, K.

Slunce v energetickém systému budovy

Ženka, M., Tywoniak, J., Staněk, K.

Solarní systémy a budova - architektonicko-stavební pohled

Maršík, F.

Možnosti kominovaného solárního chlazení a topení v podmínkách ČR s vazbou na FV

Matuška, T.

Hydraulické a tepelné charakteristiky absorbérů solárních kolektorů

Wolf, P.

Tepelné vlastnosti elektricky izolujícího kontaktu solární článek/absorbér

Macháček, Z.

Vliv teploty na elektrické parametry solárních článků

Vaněk, J.

Vliv stárnutí na vlastnosti pouzdřících materiálů ve fotovoltaických panelech

Matuška, T.

Simulační software - Kolektor 2.1

Šourek, B.

Zkoušky tepelného výkonů solárních tepelných kolektorů

Jirka, V.

FV modul s lineární Fresnelovou čočkou ze skla

Majchrák, O.

Využití slunečních kolektorů při teplovzdušném vytápění s větráním

Tomeš, M.

Možnosti napájení motorů oběhových čerpadel fototermických systémů

Novák, M.

Ekonomika využívání FV/T panelů

Sedlák, J.

Využití FV systémů pro hybridní větrání

Po přednáškách bude následovat otevřená diskuse, kde můžete prezentovat a konfrontovat své názory v oboru FV/T panelů. Doufáme a věříme, že s Vaší pomocí se nám podaří identifikovat problémové oblasti a nastínit směr dalšího výzkumu a vývoje.

Czech RE Agency si vyhrazuje právo k organizačním změnám semináře

-2-

Obsah: Předběžný program.......................................................................................................... 2 Obsah: ............................................................................................................................... 3 Úvod do problematiky FV/T panelů R. Bařinka, J. Šenkýř...................................................................................................... 5 Solární systémy a budova – architektonicko-stavební pohled Ženka Marek, Tywoniak Jan, Staněk Kamil .................................................................. 7 Možnosti kombinovaného solárního topení a chlazení s využitím fotovoltaiky v podmínkách ČR F. Maršík, P. Zima, J. Klomfar....................................................................................... 9 Hydraulické a tepelné charakteristiky solárních kolektorů pro maloplošné solární soustavy Tomáš Matuška ............................................................................................................ 11 Tepelný kontakt mezi FV článkem a tepelným výměníkem Petr Wolf ...................................................................................................................... 14 Vliv teploty na elektrické parametry solárních článků Zdeněk Macháček ........................................................................................................ 17 Vliv stárnutí na vlastnosti pouzdřících materiálů ve fotovoltaických panelech Vaněk J......................................................................................................................... 19 Počítačový program KOLEKTOR 2.1 pro modelování solárních kolektorů Tomáš Matuška, Vladimír Zmrhal ............................................................................... 22 Zkoušky tepelného výkonu solárních tepelných kolektorů Bořivoj Šourek, Tomáš Matuška.................................................................................. 25 Hybridní koncentrační stacionární PV-PT systém Vladimír Jirka, Radim Bařinka, Jan Červený, Jozef Korečko, Bořivoj Šourek........... 28 Napájení motorů čerpadel hybridních kolektorů Ing.Milan Tomeš, Csc. ................................................................................................. 32 Je využívanie FV/T kolektorov perspektívne? Ing. Milan Novák,CSc.................................................................................................. 36 Využití FV systémů pro hybridní větrání Jiří Sedlák..................................................................................................................... 38

-3-

-4-

Úvod do problematiky FV/T panelů R. Bařinka, J. Šenkýř Solartec s.r.o., Televizní 2618, 756 61 Rožnov pod Radhoštěm, [email protected], tel. 575 750 051, fax 575 750 013 Úvahy o kombinované výrobě tepla a elektrické energie ze slunečního záření a následné aktivity v této oblasti jsou vyvolány hned několika různými motivacemi. Přínosy plynoucí z kombinace obou systémů se jeví jako velice lákavé. První systematické výzkumné a vývojové práce probíhaly koncem 70.let a začátkem 80.let na dvou universitách v USA. Od té doby bylo podniknuto mnoho pokusů o komercionalizaci, nicméně komerční nabídka FV/T systémů je stále velmi omezená. Zvýšená aktivita v poslední době je významně podpořena vytvořením pracovní skupiny „PV/Thermal Solar Systems“ v rámci činnosti odborných skupin IEA (International Energy Agency). Je potřeba poznamenat, že v průběhu předchozích vývojových i komerčních aktivit byla zaznamenána spousta omezení technického charakteru. Neinformovaný a nekritický přístup k aktivitám v oblasti FV/T systémů může vést k opakování již vyzkoušených chyb a „slepých uliček“. Odborný seminář „Hybridní FV/FT panely a jejich využití“ pořádaný 3.4.2007 v Praze agenturou CZREA by měl napomoci k výměně zkušeností tuzemských odborníků a významně by měl přispět k efektivní kooperaci zúčastněných odborníků. Motivace výzkumu a vývoje systémů s kombinovanou výrobou tepla a elektrické energie ze slunečního záření jsou velmi rozdílné. Silnou motivaci vývoje kombinovaných systémů pro výzkumně-vývojová pracoviště a výrobní společnosti může představovat poptávka. Kombinované FV/T systémy jsou vhodné v aplikacích s možností uplatnit získané teplo a s možností účelně využít vyrobenou elektrickou energii. Takovými aplikacemi mohou být především instalace pro rodinné a bytové domy, administrativní budovy a objekty občanské vybavenosti. Koncepce budov, ať již nových či rekonstruovaných v nízkoenergetickém či pasivním standardu, je považována v tomto případě za nezbytný předpoklad. V zemích se silným ekonomickým prostředím a se zavedeným progresivním systémem motivace investorů (Německo, Nizozemí, Španělsko, Itálie, Japonsko a některé státy USA) je vedle fotovoltaiky „velkých investic“ značně rozvinut i sektor malých instalací (do 5kW) zvláště pro rodinné a bytové domy. K případnému využití kombinovaných systémů FV/T potom mohou vést různé důvody. z Snaha odebírat přebytečné teplo ze struktury solárních panelů za účelem zvýšení jejich účinnosti se současným účelným využitím solárního tepla. Vzhledem k potřebě chladit solární panely na teplotu do 35°C je případné využití tepla pro přípravu TUV značně ztíženo. Tento přístup je možné využít pro předehřev vody nebo pro ohřev vzduchu (vzduchové kolektory, solární kombinované fasády. z Dalším motivem může být snaha o maximální využití vhodné dostupné plochy obvodového pláště budovy (střecha, fasáda) pro získání tepla i elektřiny ze slunečního záření. Obě technologie – jak získání tepla, tak výroba elektřiny ze slunečního záření si mohou vzájemně konkurovat z hlediska dostupné plochy. V tomto případě se přímo nabízí možnost obě technologie sloučit do jednoho systému. z Důvodem rovněž může být záměr zajistit pohledově konzistentní design solárních panelů fototermických i fotovoltaických v kontrastu se situací, kdy jsou například na ploše střechy instalovány obě technologie samostatně. z Případné snížení instalačních nákladů v případě sloučení obou technologií do jednoho systému může být dalším z možných motivů. Situace s případnou poptávkou po FV/T systémech je v současné době v prostředí České republiky rozdílná. Zatímco solární termální kolektory nacházení na střechách budov své místo stále častěji, významnější rozvoj využívání fotovoltaických systémů je zaznamenán zatím jen u velkých systémů umístěných převážně na volném prostranství. V tomto případě jsou FV systémy plánovány či realizovány jako zajímavá forma dlouhodobého investování prostředků. Překážky pro širší využívání fotovoltaiky na budovách představují vedle cenové dostupnosti i situaci komplikující administrativní opatření. Nicméně i tak se vyskytuje zájem o solární panely, či systémy, ve kterých by se obě technologie vzájemně doplňovaly. -5-

z

z

z

z z z z z

Jedním z požadavků je zajištění zcela autonomního chodu fototermického systému pro přípravu TUV. Část absobční plochy je pokryta solárními články, které zajišťují napájení čerpadla a řídící elektroniky FT systému. Solární články jsou situovány na vstupu teplonosné kapaliny, čímž je zajištěno jejich chlazení. Systém přímého napájení je, dle zkušeností společnosti Tetom, vhodné doplnit o řídící elektroniku, která umožňuje předejít případným kolizním stavům v extrémních situacích. Obdobným případem je zcela autonomní a kompaktní systém pro solární ohřev bazénů se solárním napájením elektrických prvků. Výhodnost systému spočívá v nižší teplotě teplonosné kapaliny. Specifickou aplikaci představuje aktivní chlazení koncentrátorových FV systémů s druhotným využitím tepla. Solární články jsou v přímém tepelném kontaktu přichyceny k lamelovému absorbéru, který je neustále udržován v ohnisku lineární Fresnelovy čočky.

Možné varianty konstrukcí kombinovaných FV/T panelů: kombinovaný systém FV/T v podobě rovinných kolektorů pro střešní aplikace se solárními články bez kontaktu s kolektorovou plochou kombinovaný rovinný kolektor se solárními články v přímém tepelném kontaktu s absorbérem vzduchem chlazené fasádní FV systémy s využitím teplého vzduchu – netransparentní, transparentní lamelové koncentrátorové absorbéry pro Fresnelovy čočky – články jsou v tepelném kontaktu s kovovým chladičem lamelové koncentrátorové absorbéry pro Fresnelovy čočky s kapalinově chlazenými články Konstrukce kombinovaných kolektorů FV/T jsou zatíženy i některými nedostatky případně omezeními, se kterými je nutno počítat, a které je nutné řešit: − disproporce mezi požadavkem na účinné chlazení solárních článků a požadavkem maximálního zisku tepelné energie − se zvyšující se teplotou klesá účinnost solárních článku na bázi objemového krystalického křemíku − problematika kvalitního a dlouhodobě stabilního tepelného kontaktu solární článek/kovový absorbér − problematika dlouhodobě stabilní elektrické pevnosti těsného tepelného kontaktu solární článek/kovový absorbér − dlouhodobá stabilita materiálových vlastností v komplikované struktuře kombinovaného kolektoru − zvýšené riziko poruch v případě dvou technologií v jednom systému − problematika rozdílných teplotních roztažností materiálů ve struktuře FV/T panelů

Poděkování: Práce vznikla za podpory grantu MŠMT č. 1M06031 a projektu VaV-SN-3-17305 „Integrace zařízení pro využití obnovitelných zdrojů energie do struktury budov“ Ministerstva životního prostředí. Literatura [1] Zondag H.A., de Vries D.W.: The yield of different combined PV-thermal collector designs. Solar Energy 74 (2003) 253-269, Elsevier 2003 [2] Hansen J., Soerensen H.: IEA SHC Task 35 „PV/Thermal Solar Systems“, World Renewable Energy Congress, 19-25 August 2006 in Firenze, Italy [3] Zondag H.A., van Helen W.G.J., Elswijk M.J.: PV-Thermal collector development – an overview of the lessons learnt, EPVSECE, 7-11 June 2004, Paris, France

-6-

Solární systémy a budova – architektonicko-stavební pohled Ženka Marek*, Tywoniak Jan, Staněk Kamil ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra pozemních staveb, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 – Dejvice, * [email protected]

1. Úvod Budovy a jejich obvodové pláště jsou vhodným prostředím pro FV instalace, neboť často poskytují vhodně orientované a jinak nevyužité plochy. Pro integraci fotovoltaiky do budov se vžil anglický termín „Building Integrated Photovoltaics“, zkráceně BIPV, pro jehož naplnění je nutné respektovat následující kritéria - stavební začlenění a architektonický soulad fotovoltaiky s budovou - technologická návaznost na ostatní energetické systémy budovy - energetická návaznost na provoz a křivku potřeby elektrické energie v budově. Základní kategorie integrace FV prvků do obvodových plášťů budov jsou znázorněny na následujícím obrázku.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Obr. 1: Schématické znázornění způsobů integrace FV systémů do budov: (a) šikmá střecha, (b) plochá střecha, (c) fasáda, (d) tenkovrstvá FV pro velké střešní plochy, (e) průmyslové aplikace, (f) semitransparentní FV pro atria a výplně otvorů, (g) vnější stínící a clonící systémy

Moderně navržený FV systém slouží nejen k produkci elektrické energie, ale jako plnohodnotný stavební prvek zastává i další tradiční stavební funkce. Na základě stavebně-architektonického a funkčního vztahu fotovoltaiky a budovy lze definovat tři základní kategorie popisující způsob instalace FV panelů: • FV panely v otevřené poloze • FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí • FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí

2. FV panely v otevřené poloze Pro FV panely v otevřené poloze se dá předpokládat oboustranné stejnoměrné obtékání větrem, který efektivně odvádí produkované teplo do okolí. Výsledkem je uniformní teplota panelů v rámci FV generátoru. Příkladem instalace v otevřené poloze jsou zejména FV panely ve sklonu nesené samostatnými rámovými konstrukcemi na plochých střechách. Jedná se často o instalace na málo přístupných a málo vizuálně exponovaných místech. Nedá se tedy mluvit o přímé integraci do objektu. Tyto instalace jsou určeny výhradně výrobě elektrické energie. V otevřené poloze však mohou být i prvky, které se architektonicky na budově výrazně projevují, jako např. předsazené stínící markýzy.

3. FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí FV panely umístěné v těsné blízkosti jiných konstrukcí, nejčastěji obvodové stěny či střechy budovy, jsou větrem obtékány pouze z přední strany. Aby byl zajištěn efektivní odvod nadbytečného tepla i ze zadní strany panelů, je ve většině případů mezi FV panely a vnějším lícem obvodového pláště budovy zařazena otevřená vzduchová mezera. Zvláštním případem této skupiny jsou stavebně integrované FV panely, které přímo tvoří součást obvodového pláště budovy a často nahrazují fasádní obklad či střešní krytinu (viz Obr. 2). Jedná se zpravidla o konstrukce, na něž jsou kladeny značné estetické nároky. Proto je zapotřebí zabývat integrací i z hlediska architektonického výrazu. Významnou roli při návrhu systému zde hrají barevnost, struktura, členění atd. O podobě celku může rozhodnout i barva rámu nebo volba bezrámového řešení.

-7-

Obr.2: FV panely nahrazující střešní krytinu větrané dvouplášťové střechy – rodinné domy v Koberovech

U FV panelů instalované v těsné blízkosti jiných konstrukcí je teplo z přední strany panelů do okolního prostředí odváděno stejným způsobem jako u panelů v otevřené poloze, tedy konvekcí a radiací, přičemž dominantní roli zde hraje síla větru. Teplo ze zadní strany FV panelů je konvektivně odváděno do větrané dutiny a zároveň radiací směrem k vnějšímu lící přilehlé konstrukce. Významnou roli zde hraje charakter proudění ve větrané dutině, kterou lze pro většinu případů chápat jako kanál ohraničený dvěma paralelními rovinnými deskami spojený s okolním prostředím vstupním a výstupním otvorem.

4. FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí Tento druh instalace se často vyskytuje v atriích větších budov jako součást lehkých obvodových plášťů, nabízející variantní řešení k jiným výplním. Tyto instalace lze účelně využívat k ochraně interiéru před nadměrným přehříváním. Semitransparentní FV panely samy o sobě a v kombinaci s čirými tabulemi skla nabízejí architektům zajímavé možnosti práce s přirozeným osvětlením. Tenkovrstvé články propouštějí rozptýlené světlo, zatímco články z krystalického křemíku vytvářejí ostrý přechod světla a stínu. Správná volba systému je důležitá pro světelnou pohodu v interiéru. Instalace na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí musí splňovat všechny požadavky kladené na obvodové konstrukce. Z důvodu tak významné pozice, jak po stránce stavební, tak i architektonické, musí být technickému návrhu a provedení systému včetně detailů a estetickému ztvárnění věnována velká pozornost.

Obr.3: Semitransparentní FV výplně – budova STAWAG, Aachen, Německo

4. Závěr Na území ČR zatím existuje pouze několik málo integrovaných FV systémů. Je potřeba si uvědomit, že každá nově zrealizovaná instalace dělá veřejnosti svým vzhledem pozitivní nebo negativní reklamu technologii integrace fotovoltaických systémů do budov jako celku. Proto je žádoucí ke všem novým projektům přistupovat s vědomím širších souvislostí.

-8-

Možnosti kombinovaného solárního topení a chlazení s využitím fotovoltaiky v podmínkách ČR F. Maršík, P. Zima, J. Klomfar Ústav termomechaniky AV ČR v. v. i., Dolejškova 5, 182 00 Praha 8, [email protected], tel. 266 053 322, fax 286 584 695 Využití solární energie k chlazení a výrobě elektrické energie se v Evropě i ve světě těší stále větší oblibě. K dispozici jsou již i komerčně dostupné klimatizační systémy na bázi hybridních (PV/T) panelů pro domácnosti [1]. Kombinace solárního chlazení s tradičním využitím solární energie k topení či ohřevu užitkové vody a doplňkovým získáváním elektrické energie z fotovoltaických panelů může být při vhodných podmínkách zajímavou alternativou k systémům využívajícím pouze energii z elektrické sítě. V případě rozsáhlejších systémů se nabízí možnost integrace do konvenčních systémů. Příspěvek se zabývá možnostmi použití kombinovaných oběhů s tepelnými výměníky a chladícím oběhem v podmínkách ČR, které k získání potřebné energie využívají PV/T panely.

Maximální hodnota solární konstanty v ČR se pohybuje v rozmezí 0,8–1,0 kW/m2 a průměrná roční hodnota slunečního svitu je 950–1100 kWh/m2 [2]. Účinnost fotovoltaické přeměny v hybridním (PV/T) panelu využívajícím konvenční fotovoltaické (PV) články je přibližně 13 %, zatímco účinnost tepelné (T) přeměny je asi 75 %. Z panelů o ploše 8 m2 lze tedy získat přibližně 1 kW elektrického výkonu (při maximálním osvitu) a asi 5 kW tepelného příkonu na teplotě 70 °C. Z hlediska konstrukční složitosti, chlazení PV článků a integrace v budovách se jako vhodnější jeví ploché PV/T panely. (Koncentrátorová řešení mají obvykle vyšší tepelnou účinnost než ploché panely, jejich integrace s PV články je však technicky složitější.) Uvedeme krátkou termodynamickou analýzu solárního chlazení s využitím PV/T panelů. Vyjdeme z předpokladů na obr. 1 a provedeme přibližnou analýzu vyjadřující více kvalitativní vlastnosti chladícího či topícího procesu. Z bilance celkové energie plyne rovnost Q& L + Q& H − Q& M = 0

(1)

Účinnost transformace tepla z vyšší hladiny Q& H , např. o teplotě 70 °C, na hladinu Q& L , např. o teplotě 5 °C, při teplotě prostředí (teplota okolního vzduchu 40 °C) můžeme odhadnout z bilance entropie (2. zákona termodynamiky): Q& Q& Q& S& L + S&H − S&M = L + H − M = 0 TL TH TM

(2)

Za předpokladu, že transformace probíhají vratně (jde o idealizovaný případ; většinou se část energie na vyšší teplotě rozptýlí do okolí) je maximální hodnota chladícího faktoru (Coefficient of Performance) rovna Q& T − TM COPc ,rev = & L = H QH TH

⎛ TL ⎞ ⎟⎟ = 1,82 (3) ⎜⎜ T T − L ⎠ ⎝ M

Obr. 1 Možné zdroje Q& H , Q& L a výdeje Q& M tepelných energií, které mohou připadat do úvahy při obvyklém využití hybridních panelů.

-9-

V našich klimatických podmínkách připadají do úvahy dva typy chlazení: i) Přenos tepla pomocí kompresoru, který částečně využívá elektrické energie PV článku a udržuje teplotu panelu a vodní nádrže na teplotě vhodné jak pro vyšší účinnost fotovoltaické přeměny, tak pro využití v domácnosti, např. 50 °C (obr. 2). ii) Přenos tepla pomocí absorpčního procesu, např. ve směsi voda-čpavek (obr. 3). Tento oběh by byl navržen tak, aby pracoval jen na základě gravitačního (termosifónového) pohonu a jeho chladící faktor by byl však nízký. Jen pro potřeby vyššího výkonu a rychlého nastavení požadovaných teplot by využíval buď vlastní elektrické energie, nebo vnějšího (záložního) zdroje k pohonu čerpadla.

Obr. 2: Schéma tepelného a chladícího oběhu s PV/T panelem se standardním chladícím médiem, např. R32 nebo R134A [3]. V noci nebo při nedostatečné zářivém toku by se k pohonu kompresoru využíval vnější zdroj. Chladící faktor tohoto zařízení by byl poměrně vysoký

COPc =

Q& L Wkompresor

=

2,5 = 3,2 . 0,8

Obr. 3: Schéma absorpčního solárního chlazení pracujícího s částečnou nebo žádnou podporou vnějšího zdroje elektrické energie. V ohřívači zásobovaném teplem z PV/T panelu je voda s nízkým obsahem čpavku [4], tj. bod varu je

wB = ρ NH 3 ρ

kap.

= 0,25

a rosný bod je vysoký:

wB = ρ NH3 ρ

ρ = ρ NH + ρ H 3

2O

pára

= 0,99

je hustota směsi. Ve

výparníku je již většina čpavku v roztoku, který stéká zpět do ohřívače. Chladící faktor tohoto zařízení by byl relativně nízký

2,5 Q& = 0,55 . COPc = & L = QH 4,5 Poděkování: Práce vzniká za podpory grantu MŠMT č. 1M06031. Literatura [1] Solar powered air conditioning. Dostupné na webu: < http://www.coolmax.com.au/ > [2] Libra M., Poulek V.: Solární energie. ČZU Praha, 2005 [3] Petrák J., Klazar L.: Tepelné vlastnosti ekologicky vhodných chladiv. Skriptum FSI ČVUT, 1992 [4] Tillner-Roth R., Friend D.G.: A Helmholtz Free Energy Formulation of the Thermodynamic Properties of the Mixture {Water + Ammonia}, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 27, No. 1, 1998 [5] Markvart T., Castañer L.: Practical Handbook of Photovoltaics. Elsevier, 2003

- 10 -

Hydraulické a tepelné charakteristiky solárních kolektorů pro maloplošné solární soustavy Tomáš Matuška ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, Technická 4, Praha 6 Tel: 224 352 433, Fax: 224 355 606 E-mail: [email protected]

1. Úvod Zatímco vývoj solárních kolektorů se orientuje na dosažení co nejvyšší účinnosti použitím nových materiálů a na zlevnění technologie výroby, poněkud zanedbanou zůstává otázka hydraulické náročnosti solárních kolektorů a s ní spojená potřeba čerpací práce oběhových čerpadel v solárních soustavách. Hydraulická náročnost maloplošných solárních soustav (do 20 m2) není oproti využitelným solárním ziskům Qsu [kWh] nebo dosaženému solárnímu podílu f [%] příliš sledovaným parametrem. V hydraulicky náročných zapojeních absorbérů solárních kolektorů či zapojeních solárních soustav se přitom může spotřeba elektrické energie na pohon soustavy stát kritickým faktorem nejen pro energetickou bilanci, ale i pro ekonomické hodnocení solární soustavy [1].

2. Hydraulická zapojení absorbérů a jejich tlakové ztráty Aby byla provozní spotřeba elektrické energie celé solární soustavy udržena pod hladinou 23 % z celkového solárního zisku, je nutné hydraulicky optimalizovat jak kolektory, tak soustavu. Z hlediska hydraulického chování hraje zapojení absorbéru solárního kolektoru v běžných maloplošných soustavách dominantní roli. Obr. 1 Hydraulická zapojení absorbérů Absorbér je obecně tvořen trubkovým registrem navrženým pro účinné chlazení absorpčního povrchu. V maloplošných solárních kolektorech se používá několik základních typů zapojení trubkových registrů (viz obr. 1). Obecně lze rozlišit paralelní (Z, C), seriové (S) nebo sérioparalelní (U) zapojení. Způsob zapojení a 15 ∆p = 108 kPa dimenze použitých trubek ovlivňují rozložení voda 5U ∆p = 230 kPa PPG průtoků, intenzitu proudění v jednotlivých trubkách a tedy hydraulické chování absorbéru a 10 přenos tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny. Základní otázkou, která se nabízí je, ∆p zda zvýšené proudění vyskytující se v některých [kPa] typech zapojení doprovázené nárůstem tlakové 5Z 5 ztráty může být „ospravedlněno“ zvýšeným ∆p = 3,7 kPa přenosem tepla v kolektoru (vyšší účinností) [2]. ∆p = 2,0 kPa Jinými slovy, zda má smysl navrhovat jmenovitý hydraulicky náročná zapojení absorbérů (např. U prutok 720 l/h 0 a S) v solárních kolektorech s ohledem na 0 200 400 600 800 1000 1200 celkovou bilanci úspor primární energie (získaná V [l/h] energie, provozní spotřeba elektrické energie). Jako orientační příklad byla porovnána Obr. 2 Tlakové ztráty 5 trubkových registrů hydraulická zapojení typu Z a U z hlediska v zapojení Z a U pro vodu a nemrznoucí hydraulického chování a účinnosti celého směs voda-polypropylenglykol (PPG) kolektoru. Hydraulické charakteristiky trubkových registrů typu Z a U zapojené do kolektorového pole o 5 kolektorech byly experimentálně stanoveny na testovací trati pro určení tlakových ztrát [3]. Zkoumané registry byly vyrobeny z měděných trubek dimenze 22x1 mm pro rozvodnou a sběrnou trubku a - 11 -

8x0,6 mm pro spojovací trubky, rozměry každého registru absorbéru byly 1 x 2 m (rozměr většiny maloplošných kolektorů na trhu). Spojovací trubky jsou zanořeny do rozvodné a sběrné trubky s běžným přesahem od 3 do 5 mm. Hydraulické charakteristiky kolektorových polí složených z 5 trubkových registrů v zapojení Z a U jsou uvedeny v grafu na obr. 2 pro vodu a nemrznoucí směs voda-polypropylenglykol (PPG). V grafu jsou dále uvedeny tlakové ztráty pro návrhový průtok 5 kolektory 720 l/h, který odpovídá běžnému měrnému průtoku 0,02 kg/s pro zkoušky tepelného výkonu solárních kolektorů. Měření potvrdila předpoklad, že sério-paralelní zapojení (U) je hydraulicky výrazně náročnější než „klasické“ paralelní lyrové zapojení (Z). Jmenovitá tlaková ztráta pro pole 5 registrů v zapojení U je zhruba 50krát vyšší než u zapojení Z a jmenovitý pracovní bod hydraulického zapojení leží mimo rozsah běžných oběhových čerpadel.

3. Energetické bilance solárních soustav Energetické chování solárních kolektorů s oběma 1,0 zapojení Z, jmenovitý prutok typy zapojení trubkových registrů bylo zapojení U, jmenovitý prutok analyzováno počítačovou simulací pro soustavu zapojení U, snížený prutok (rovnost cerp. výkonu) s přípravou teplé užitkové vody. Solární 0,8 zapojení U, snížený prutok (stejná char. cerpadla) kolektory s oběma zapojeními registrů byly uvažovány s identickými optickými a tepelnými vlastnostmi. Charakteristika účinnosti celého 0,6 kolektorového pole byla modelována v programu KOLEKTOR 1.3 (Excel, Visual Basic) η [-] s nemrznoucí směsí (celoroční provoz). 0,4 Energetické chování zapojení U a Z bylo porovnáno z několika hledisek (variant pracovních bodů): 1) se jmenovitým průtokem, 2) 0,2 se sníženým průtokem v zapojení U stanoveným z podmínky rovnosti čerpacího výkonu obou zapojení (průtok zapojením U na 137 l/h, ∆p = 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 19,8 kPa) a 3) se sníženým průtokem v zapojení 2 U stanoveným z podmínky použití stejné (t in - t a)/G [m .K/W] charakteristiky oběhového čerpadla (průtok Obr. 3 Účinnost solárních kolektorů se zapojením U na 76 l/h, ∆p = 9,3 kPa). zkoumanými registry Křivky účinnosti pro typ zapojení Z a jednotlivé varianty hydraulického pracovního bodu v zapojení U jsou uvedeny na obr. 3. Pro jednotlivé varianty pracovních bodů solární soustavy byly počítačovou simulací s hodinovým krokem roční potřeba elektrické energie na roční provoz Qel dále přepočtená na primární energii Qpr, doba provozu tp, roční využitelné solární zisky Qsu a roční solární podíl f. Souhrnné výsledky jsou uvedeny v tab. 1. Varianty zapojení zapojení Z (jmenovitý průtok) zapojení U (jmenovitý průtok) zapojení U (bilance čerpacího výkonu) zapojení U (hydraulická bilance)

f [%]

tp [h/r]

60 62 56 52

Qel [kWh/r]

Qpr [kWh/r]

2090 2070 2150

Qsu [kWh/r] 4300 4380 4060

39 636 40

116 1909 119

2180

3800

11

33

Tab. 1 Energetické bilance solární soustavy s polem 5 kolektorů v zapojení Z a U

- 12 -

4. Závěr Analýza celkového energetického chování solárních kolektorů s trubkovým registrem v zapojení U ukázala nevhodnost jeho použití do maloplošných soustav s více kolektory. Sériové řazení takových kolektorů, doporučované výrobci a dodavateli, neúměrně zvyšuje hydraulickou náročnost solární soustavy. Zkoumaná maloplošná solární soustava s 5 kolektory (10 m2) s absorbéry v zapojení U vykazuje neúměrně vysokou provozní spotřebu elektrické energie (v případě dodržení specifických průtoků kolektory) nebo nižší tepelné solární zisky o cca 10 % (v případě snížení specifických průtoků kolektory) v porovnání se soustavou s „klasickým“ řešením trubkového registru kolektorů (paralelní zapojení Z). Solární kolektory s trubkovými registry v zapojení U se mohou uplatnit především ve velkoplošných soustavách v režimu s nízkým průtokem (low-flow) za podmínky použití pokročilých stratifikačních zásobníků.

Odkazy [1] Matuška, T.: Comparison of Different Hydraulic Small-Scale Absorber Configurations, Proceedings of Eurosun 2006. Glasgow, ISES 2006. [2] Matuška, T.: Vliv návrhu trubkového registru absorbéru na účinnost solárního kolektoru, Vytápění, větrání, instalace. 2006, roč. 15, č. 3, s. 143-145. ISSN 1210-1389. [3] Matuška, T.: Projekt IGS ČVUT 2005 č. CTU 0511412. Optimalizace solárního kolektoru pro kombinované soustavy vytápění a chlazení. ČVUT 2005.

- 13 -

Tepelný kontakt mezi FV článkem a tepelným výměníkem Petr Wolf, katedra elektrotechnologie ČVUT Obecné vlastnosti FVT systémů Kombinované fotovoltaicko-termální (FVT) systémy mají oproti samostatným systémům pro získávání elektrické a tepelné energie řadu výhod, objevují se zde však i nové problémy. Mezi výhody patří zvýšení celkové účinnosti běžného FV systému, možnost využít současně elektrickou a tepelnou energii, zajištění dostatečného chlazení FV článků a tím případná vyšší účinnost fotoelektrické konverze. Výrobní náklady na kombinovaný FVT systém mohou být nižší nežli dvou oddělených systémů, FVT systém má jednotný a lepší vzhled nežli dva oddělené systémy. Kvůli tepelným ztrátám je vhodné FVT kolektor tepelně izolovat. Materiály musí však být schopné odolat vyšším teplotám nežli u běžných FV systémů pro případ nedostatečného chlazení (havarijní stav). Světelné záření, které nebylo využito pro fotoelektrickou konverzi, ohřívá FV články. Ty je třeba účelně plošně chladit, a to svrchu či zespod. Svrchu jsme omezeni na teplonosné médium, které je průsvitné (např. vzduch či kapalina). Jednoduchý a efektivní způsob chlazení je založen na principu desky absorbéru a trubic. Je to nejčastější způsob provedení termálních kolektorů. Tepelná energie z FV článků proniká k desce absorbéru, ta ho rozvádí do trubic, kde ohřívá teplonosné medium (kapalinu). Pokud zajistíme rychlý oběh kapaliny (tzv. systém high flow) je rozdíl její teploty na vstupu a výstupu kolektoru minimální a lze uvažovat její střední hodnotu. Vlastní ohřev kapaliny v kolektoru pak nemá vliv na rozložení teploty. Důležitým předpokladem pro správnou funkčnost je minimální celkový tepelný odpor mezi FV články a kapalinou. Je vhodné, aby v rámci kolektoru bylo v potrubí proudění turbulentní (větší přestup tepla), mimo kolektor proudění laminární (nižší tlakové ztráty). To lze dosáhnout tenčími trubkami v kolektoru nežli ve zbytku soustavy. Použité materiály a geometrie částí kolektoru musí být voleny dle požadavků na pracovní podmínky, elektrickou a termální účinnost a celkovou cenu FVT kolektoru. Lze očekávat, že klesající cena FV článků bude stále více zvyšovat podíl ceny termální části (obvykle měď/hliník). Stejných parametrů účinnosti lze dosáhnout např. větší tloušťkou desky absorbéru či kratšími odstupy mezi trubicemi a snížit celkovou spotřebu materiálu. Vliv tepelné vodivosti mezi FV článkem a deskou absorbéru UX (W/m.K) V případě termálního kolektoru lze uvažovat stejnou teplotu na horní i dolní straně absorbéru. Pokud vytvoříme FVT kolektor tím, že na termální kolektor připevníme FV články pomocí tzv. mezivrstvy, je situace složitější. Mezi FV články a deskou absorbéru jeexistuje tepelný tok, teplota FV článků je rozdílná od teploty absorbéru. Uvažujme ztráty tepla do okolí pod deskou absorbéru vedením a nad FV články vedením, prouděním a event. radiací (linearizovanou pro okolí pracovního bodu). Celkový výkon záření zachycený v FV článcích E se dělí na složku využitou k fotoelektrické konverzi EEL a na složku ETH, kterou může využít termální část systému (obr.1).

Obr.1 Tepelné toky v FVT kolektoru možná by nevadilo přidat popis obrázku

- 14 -

Zjistěme, jaký má obecně vliv tepelný odpor UX na termální účinnost. Uvažujme situaci, kdy kolektor dodává konstantní tepelný výkon Q4, pracovní podmínky a vlastnosti kolektoru TU, TV, C, ULH, ULD jsou neměnné. V ustáleném stavu platí:

Q2 = Q3 + Q4 = U x (TFV − T A ) Q3 = U LD (TA − TU ) Q4 = C (T A − TV ) Q1 = U LH (TFV − TU )

(1) (2) (3)

(4) Za uvedených předpokladů pomocí (3) zjistíme, že TA= konstantní, dle (2) je Q3 konstantní, dle (1) je i Q2 konstantní. Místo tepelné vodivosti UX můžeme též uvažovat tepelný odpor RTHX = 1 / U X (m.K/W).

TFV = RTHX Q2 + TA ETH = Q1 + Q2 = U LH (RTHX Q2 + TA − TU ) + Q2 Označme neměnný člen k1 = U LH (TA − TU ) + Q2 . Dostáváme ETH = U LH RTHX Q2 + k1

(5) (6) (7)

Z (8) vyplývá, že pro stejný dodaný výkon Q4, roste potřebný výkon dodávaný zářením ETH sklon růstu závisí na pracovních podmínkách a dalších vlastnostech kolektoru. Termální účinnost lze vyjádřit jako η TH =

(8) lineárně,

Q4 , a při znalosti potřebných parametrů vyčíslit. E

Vlivem RTHX dojde k poklesu účinnosti kolektoru. Pro stejný dodávaný výkon Q4 je potřeba vyšší výkon dodávaný zářením ETH2. Reálný kolektor pracuje s účinností

ηTH 2 ETH 1 k1 = = , oproti ideálnímu stavu kdy RTHX = 0. ηTH 1 ETH 2 RTHX Q2U LH + k1

ηTH1, resp. ηTH2 je účinnost ideálního resp. reálného kolektoru a ETH1 resp. ETH2 jsou potřebné výkony ETH. 45

100%

40

90% 80%

35

70%

30

60% 25 50% 20 40% 15

30%

10

20%

5

10%

0

0% 0

5

10

15 RTHX

- 15 -

20

25

Graf 1 Vliv RTHX na chování článku: Dalším negativním vlivem je navýšení teploty FV článků o ∆T = Q2 RTHX , což se projeví na jejich nižší účinnosti. Analýza při konstantním dopadajícím záření E je výrazně složitější, tepelný a elektrický výkon modulu se navíc vzájemně ovlivňují. Testování konstrukčního provedení spojení FV článku a absorbéru Při praktické realizaci jsou na spojení FV článků a desky absorbéru kladeny tyto požadavky: - velká tepelná vodivost RTHX - dostatečné elektrické oddělení - tepelná odolnost, ochrana FV článků před zničením vlivem rozdílné teplotní roztažnosti částí konstrukce - minimální tloušťka mezivrstvy umožňující vestavění kontaktů na spodní straně FV článků Koncepce vyvíjená na katedře elektrotechnologie ČVUT vychází z principu lepení FV článků a absorbéru epoxidem. Jak bylo předpokládáno a na vzorcích potvrzeno měřením, měrnou tepelnou vodivost epoxidu λ(W/m.K) lze zvýšit přídavkem zrn bílého umělého korundu Al2O3. Byly připraveny vzorky v různém hmotnostním poměru (epoxid:korund), velikost zrn korundu (250 − ÷ 212) tomu nerozumím – má tam být to ÷? µm. Bylo zjištěno, že zrna korundu se usazují a nelze jednoduše zhotovit vzorky s nízkým obsahem korundu (nižším nežli 2:3). Od poměru 1:3 je nevytvrzený materiál těžce roztíratelný a pro aplikaci se nehodí. Poměr (2:3) se zdá být jako ideální. Byla zkonstruována aparatura pro měření měrné tepelné vodivosti vzorků materiálu porovnávací stacionární metodou a měření prováděna tak, aby byl minimální negativní vliv parazitních tepelných toků do okolí byl minimální. Tepelná vodivost kompozitních materiálů byla změřena λ(1:0) = 0,24W/m.K, λ(2:3) = 0,99W/m.K. Při uvažování shodné tloušťky mezivrstvy klesne při využití korundu jako plniva epoxidu hodnota RTHX více nežli 4krát. Tepelný odpor mezi FV článkem a absorbérem má negativní vliv na termální i elektrickou účinnost FVT kolektoru. Lze snížit např. využitím výše popsaného kompozitního materiálu za cenu zanedbatelnou s ostatními částmi FVT kolektoru. Uvedené úvahy jsou založené na rozboru chování FVT modulu a měření vzorku kompozitního materiálu. V další fázi vývoje je vhodné zhotovit reálný model FVT modulu a podrobit ho měření, zkouškám odolnosti atd.

Odkazy: [1] P. Isakson. Flat plate thermal solar collectors. ISBN 91-540-3329-2. Rok vydání1980. Sweden [2] P.Affolter. PV-Thermal systems marketing and R&D roadmap. 2003-2005. Netherlands - 16 -

Vliv teploty na elektrické parametry solárních článků Zdeněk Macháček ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektrotechnologie, ČESKÁ REPUBLIKA Změna teploty u FV článků se nejvíce projeví na hodnotě napětí naprázdno UOC. U krystalického křemíku je dle teoretického předpokladu pokles napětí naprázdno UOC o velikosti zhruba 0,4 % / °C (viz [1]). Pro ověření vlivu teploty na parametry FV článků bylo provedeno měření na 4“ monokrystalickém Si FV článku – výrobce Solartec s.r.o., kde parametry tohoto článku jsou uvedeny v tabulce 1. Naměřené voltampérové charakteristiky v závislosti na teplotě jsou znázorněny na obr. 1. U tohoto článku byl zjištěn téměř lineární pokles U OC průměrně o 0,38 % / °C (obr. 2, parametr označení jednotky hodnoty 1000 W/m2). Snížením napětí naprázdno se sníží proud nakrátko ISC A 3,21 i výkon FV článků a tím i účinnost článků. napětí naprázdno UOC V 0,59 Naměřený pokles účinnosti FV článku v závislosti na jeho teplotě pro různé hodnoty konverzní účinnost η % 13,64 intenzity záření je znázorněn na obr. 3 a 4, kde je činitel plnění FF % 74,18 také lineární pokles účinnosti a to průměrně výkon v MPP PMPP W 1,405 o 0,53 % / °C (pro 1000 W/m2). Vlivem teploty je tedy účinnost FV systémů napětí v MPP UMPP V 0,483 výrazně vyšší během zimy než během léta a proud v MPP IMPP A 2,91 rovněž se mění během dne (během slunečného sériový odpor Rs 0,018 Ω letního dne dosahuje celkový rozdíl teplot článků paralelní odpor Rp 19,63 Ω hodnot až 45 °C), (viz [2]). Tab. 1: Parametry testovaného solárního článku při STC. 3,5 3

I (A )

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

U (V) 25 °C

35 °C

45 °C

55 °C

65 °C

75°C

85 °C

95 °C

Obr. 2 Naměřené hodnoty UOC FV článku v závislosti na jeho teplotě pro různé intenzity dopadajícího záření.

Obr. 1: Vliv teploty na VA charakteristiky FV článku při 1000 W/m2 Ostatní parametry FV článků se se změnou teploty rovněž mění, avšak jejich vliv není tak velký jako u parametrů zmíněných výše. Proud nakrátko ISC se vlivem teploty nepatrně lineárně zvyšuje, to je patrné z VA charakteristik na obr. 1. Toto zvýšení je jen asi 0,05 % / °C. Další z parametrů FV článků je činitel plnění FF (fill factor), sériový Rs a paralelní Rp odpor FV článku. U těchto parametrů se hodnota činitele plnění se vzrůstající teplotou lineárně snižuje o cca 0,2 % / °C, hodnota sériového odporu se se vzrůstající teplotou zvyšuje také téměř lineárně o cca 0,32 % / °C a hodnota paralelního odporu se se vzrůstající teplotou snižuje také téměř lineárně o cca 0,7 % / °C. Tyto hodnoty byly naměřeny na FV článku při intenzitě záření 1000 W/m2 a teplotě v rozsahu od 20 °C do 100 °C. - 17 -

Obr. 3: Naměřená účinnost FV článku v závislosti na jeho teplotě pro různé intenzity dopadajícího záření.

Obr. 4: Průběh účinnosti testovaného FV článku v závislosti na jeho teplotě (0 až 100 °C) a intenzitě dopadajícího záření (0 až 1000 W/m2).

Protože teplota článků se při provozu zvyšuje (zahříváním sluneční energií), je třeba zajistit jejich dobré chlazení. Z toho plyne požadavek na co nejnižší teplotu článků. Pro každou aplikaci je tedy nezbytné disponovat konstrukcí umožňující efektivní chlazení (pokud možno přirozené), například umožněním cirkulace okolního vzduchu, které může výrazně zvýšit účinnost systému. Další z možností, jak snížit teplotu solárního panelu a navíc využít tepelnou energii, jsou hybridní panely. Hybridní panely kombinují funkci fotovoltaického panelu a funkci solárního tepelného kolektoru pro ohřev vody. Zadní povrch solárních článků je pomocí elektricky izolující ale tepelně vodivé vrstvy propojen se soustavou trubek s cirkulujícím chladícím médiem, které slouží k výměně tepla, které je následně skladováno v zásobníku jako ohřátá voda. Mohou tak vznikat kombinované systémy pro využití sluneční energie. LITERATURA [1] GOETZBERGER A., KNOBLOCH J. and VOSS B.: Crystalline Silicon Solar Cells, J.Wiley & Sons., Chichester, 1998 [2] MACHÁČEK Z.: Vliv externích podmínek na činnost fotovoltaického systému na ČVUT-FEL, diplomová práce, ČVUT-FEL K313 (2004) Kontaktní údaje: Zdeněk Macháček, Technická 2, 166 27 Praha 6, Česká Republika, [email protected]

- 18 -

Vliv stárnutí na vlastnosti pouzdřících materiálů ve fotovoltaických panelech Vaněk J.(1) Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně

Abstrakt Tato práce se zabývá vlivem stárnutí na pouzdřící materiály použité pří výrobě solárních panelů s krystalickými solárními články. Tyto materiály jsou testovány pomocí klimatických zkoušek. Aby bylo možné ověřit vliv stárnutí na jednotlivé pouzdřící materiály, musely se zhotovit měřící vzorky a připravit měřící pracoviště. Zhotovení vzorků proběhlo ve spolupráci s firmou Solartec s.r.o. z Rožnova pod Radhoštem. Pro vyhodnocení vlastností v průběhu zrychleného stárnutí je zvoleno namáhání vlivem cyklické změny teploty. Klíčová slova: solární panely, degradace, zrychlené stárnutí

ÚVOD Stárnutí je definováno jako nevratné změny vlastností materiálů zapříčiněné působením vnějších činitelů [4]. V tomto případě byla zvolena teplota jako degradační činitel. Vzorky zalaminované ve vlastním měřícím systému (obr. 1) jsou namáhány cyklickou změnou teploty (obr. 2) v peci (obr. 3), která byla upravena tak, aby bylo umožněno měření uvnitř při různých teplotách.(obr.4)

Obr. 1 Měřící systém

Obr. 2 Teplotní cyklus

Měření dielektrických vlastností materiálů probíhá při čtyřech různých teplotách (25°C, 45°C, 60°C, 80°C), aby bylo možné stanovit životnosti funkčních vzorků. Měření probíhá vždy po doběhnutí teplotního cyklu a to v intervalech 15, 30, 50, 100, 150, 200 cyklů. K měření je použit měřicí přístroj HP4284A od firmy Hewlett-Packard. Přístroj pracuje na principu mostové metody s automatickým vyvažováním. Tento RLC-metr s frekvenčním rozsahem 20Hz až 1MHz používá sběrnici HPIB pro komunikaci s PC prostřednictvím USB a obslužného softwaru. Výstupní data naměřených hodnot kapacity a ztrátového činitele se ukládají jako soubor v tabulkovém procesoru Microsoft Excel, ten z naměřených hodnot kapacity, ztrátového činitele a tloušťky materiálu dopočítává relativní permitivitu a ztrátové číslo. Velké dielektrické ztráty způsobují nadměrné ohřívání izolace a tím její předčasné znehodnocení (zestárnutí) následkem nevratných změn v její struktuře. Materiály sloužící k zapouzdření solárních panelů by se měly vyznačovat co nejmenšími hodnotami tg δ i εr, a to v celém rozsahu provozních teplot [4]. ZKOUMANÉ MATERIÁLY Etylenvinylacetát (EVA) používaný k zapouzdření solárních panelů slouží ke konstrukční podpoře, elektrické izolaci, fyzické izolaci i ochraně a vedení tepla solárním panelem [1].

- 19 -

Termoplastický polyuretan (TPU) se používá, protože nabízí značně lepší přilnavost s plátky křemíku a ocelí na zadní straně solárního panelu než etylenvinylacetát (EVA). Výsledkem je, že zapouzdřená struktura se neodděluje, to má za následek delší životnost a větší spolehlivost solárních panelů [2]. Polyvinylbutyral (PVB) byl poprvé syntetizován v roce 1935 a používá se především pro výrobu laminovaných skel (bezpečnostní skla v automobilech). Nyní nachází uplatnění také při pouzdření solárních panelů [2]. Ionoplastická fólie poskytuje vyšší pevnost ve srovnání s monolitickými a dalšími sklolaminátovými produkty, které se většinou používají. Větší pevnost otevírá nové možnosti v konstruování (tenčí konstrukce, větší nosnosti a menší prohýbání). Další výhodu tvoří větší odolnost před rozbitím. Ionoplastická fólie snáší větší namáhání tlakem než lamináty s PVB [3]. Epoxidová pryskyřice je typickým zástupcem zalévacích hmot. Jedná se o materiál se stálými mechanickými a elektrickými vlastnostmi. Tyto vlastnosti ho předurčují pro použití při pouzdření solárních panelů. Měření elektrické pevnosti Jako činitel stárnutí je opět zvolena teplota, tudíž bylo možné vzorky umístit do stejné pece jako vzorky pro dielektrické měření. Bylo použito 5 vzorků různých materiálů a to petex, tedlar bílý, tedlar černý, polymetylmetakrylát a polyethersulfon. Vzorky polymetylmetakrylát a polyethersulfon byly navíc ještě ztenčeny frézováním, z důvodu snížení průrazného napětí. Do pece byly tedy vloženy nejen vzorky původní, ale i vzorky ztenčené. Stárnutí probíhalo po 100 cyklech, což odpovídá 600 hodinám tepelného namáhání.

materiál Tedlar černý - nový Tedlar černý - zestárnutý Tedlar bílý nový Tedlar bílý zestárnutý Pertex nový

Obr. 5 Sestava solárního panelu použitého pro měření elektrické pevnosti

Pertex zestárnutý

č. m.

Up [kV]

1

18

2

17

3

18

1

18

2

18

3

18

1

11

2

11,5

3

11,5

1

12

2

12

3

13

1

8

2

9

3

8

1

7

h Upp [kV] [mm]

Ep [kV.mm-1]

18

0,151

117,0

18

0,151

119,2

11

0,151

75,1

12

0,151

81,7

8

0,08

104,2

7

0,08

87,5

Up – průrazné napětí, Upp – průměrná hodnota průrazného napětí, Ep – elektrická pevnost, h - tloušťka materiálu Tab. 1 Hodnoty elektrických pevností a průrazných napětí

Z naměřených hodnot je patrné, že rozdíly hodnot elektrické pevnosti mezi novými a zestárnutými materiály nejsou příliš velké. Naopak elektrická pevnost je u Tedlaru vyšší po stárnutí než před. S největší pravděpodobností došlo během namáhání suchým teplem k „dozrání“ materiálu a tím i k zlepšení jeho vlastností. Jediný Pertex jeví známky zestárnutí, kdy elektrická pevnost poklesla v řádu dvou desítek kV. Dielektrická měření Jednotlivá měření probíhala při různých teplotách (25 °C, 45 °C, 60 °C a 80 °C) vždy po dokončení teplotního cyklu a to v intervalech (15, 30, 50, 100, 150 a 200 cyklů). - 20 -

135

7,3

125 115

47,5 46,5 45,5

6,3

44,5

5,3

43,5 42,5

4,3

105

41,5

3,3 100

95 90

290

490

Ep. pryskyrice PVB no autoclav

690

Ionoplast EVA standart

890

1090 t [h]

1000

Araldit Ep. pryskyrice PVB no autoclav TPU

PVB autoclav EVA fast

ε' [-] pro TPU

8,3

ε' [-]

procenta [%]

48,5 145

10000

SentryGlas Ionoplast EVA standart

100000

40,5 1000000 f [Hz]

PVB autoclav EVA fast

Obr. 7 Porovnání vzorků, pozorovaný parametr ε' t = 80 °C, 1200 hodin

Obr. 6 Čáry stárnutí procentuálně - při 10 kHz a 45 °C, pozorovaný parametr ε'

Významným vodítkem pro výběr vhodného pouzdřícího materiálu jsou tzv. Čáry stárnutí, z kterých lze odečíst změnu pozorovaných parametrů v průběhu stárnutí. Pro větší zpřehlednění byly navíc sestrojeny tyto grafy v procentuálním provedení. Osa x (osa času) nezačíná od prvního měření, ale až od druhého (90 h). Tato skutečnost je dána tím, že k ustálení vlastností materiálů došlo až po 170 hodinách. Počáteční nestálost vlastností materiálů je zřejmě dána tím, že docházelo k dosušení materiálů. Zabránit tomuto jevu by mohlo umístění vzorků před měřením do exsikátoru. Nejlepší vlastnosti vykazují materiály na bázi epoxidových pryskyřic, ionoplast, PVB a EVA standart. Hodnoty relativní permitivity u těchto materiálů se mění v průběhu stárnutí v rozmezí ±5 %. Další měření, které podstoupily vybrané materiály a miniatura solárního panelu, bylo měření velikosti průrazného napětí. Testované vzorky i panel byly umístěny v peci s ostatními materiály. Testované materiály neprojevily žádné změny pozorovatelné pouhým okem, ale panel výrazně zežloutl. Z naměřených hodnot je patrné, že rozdíly hodnot elektrické pevnosti mezi novými a zestárnutými materiály (Tedlar a Pertex) nejsou příliš velké. Naopak elektrická pevnost je u Tedlaru vyšší po stárnutí než před. Ostatní materiály se nepodařilo proměřit, protože dodané velikosti nebyly vhodné k tomuto měření a větší by se nepodařilo zestárnout z kapacitních důvodů. U miniatury solárního panelu byla testována velikost průrazného napětí mezi sběrnými vodiči, přidanými vodiči pro tento experiment a rámem solárního panelu. Přesné průrazné napětí se nepodařilo zjistit, protože nastal vždy průraz vzduchem. Velikost tohoto napětí se pohybovala v rozmezí 16 kV- 18 kV. Je tedy zřejmé, že k elektrickému průrazu v solárním panelu mezi jednotlivými vodiči a rámem nedochází při napětí menším než 18 kV a to jak u nového tak i u zestárnutého panelu. PODĚKOVÁNÍ Tento článek mohl vzniknou díky podpoře grantových projektů GACR No. 102/05/P199, výzkumného záměru MSM0021630516 a za finančního přispění Ministerstva životního prostředí v rámci projektu VaV 320/11/03.

Reference [1] Photocap solar cell encapsulants. Enfield: STR, 1997. 18 p. [2] ETIMEX Primary packaging GmbH. Dietenheim, 2004 [3] DuPont Glass Laminating Solutions: Dupont SentryGlas Plus structural interlayers. [cit. 200602-12]. Dostupné z WWW: [4] KOCMAN, V. Fyzika a technologie elektrotechnických materiálů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1971, 526 s.

Kontaktní údaje: Vanek Jiri, Udolni 53, Brno, CZ, [email protected]

- 21 -

Počítačový program KOLEKTOR 2.1 pro modelování solárních kolektorů Tomáš Matuška, Vladimír Zmrhal Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze e-mail: [email protected], [email protected]

1. Úvod Matematické modelování a navrhování má pro výrobce solárních kolektorů velký význam z hlediska rozhodování o koncepci solárních kolektorů pro danou aplikaci (předpokládaný rozsah provozních teplot), dopadu konstrukčních změn kolektorů na roční bilance v dané aplikaci a klimatických podmínkách a především také z hlediska úspory nákladů na výrobu prototypů. Matematické modelování je vždy určitým zjednodušením skutečnosti. Příliš složitý model vyžaduje značnou potřebu strojního (počítačového) času pro výpočet, příliš jednoduchý model nepostihuje často významné vlivy různých parametrů a může vykazovat značnou nepřesnost výpočtu. Často se lze v literatuře setkat se zjednodušenými modely solárních kolektorů, které uvažují teplotně nezávislý součinitel prostupu tepla kolektoru (přímková závislost účinnosti na teplotním rozdílu) či zanedbávají rozložení teplot na povrchu absorbéru a teplotní spád mezi povrchem absorbéru a teplonosnou kapalinou. Hodnoty součinitelů přestupu tepla v kolektoru (konvekce) jsou výrazně závislé na teplotě a dalších parametrech (např. štíhlost vzduchové mezery) a zjednodušením narůstá chyba modelu. Takové modely se ukazují neporovnatelné s experimentálně zjištěnými charakteristikami zkoušených kolektorů a vykazují zřetelné odchylky především v oblasti vyšších teplotních spádů mezi kolektorem a okolím.

2. Matematický model Počítačový program KOLEKTOR (verze 2.1) principiálně vychází z verze 1.2 vyvinuté v prostředí tabulkového procesoru Excel. Základem programu je matematický model plochého kapalinového solárního kolektoru zahrnující bilance přenosu tepla, u kterého jsou iteračním výpočtem určovány střední teploty v základních rovinách kolektoru (viz obr. 1): zasklení – vnější (p1), vnitřní (p2) povrch, absorbér (abs), rám – vnější (z1), vnitřní (z2) povrch. Detailní výpočet rozložení teplot v dalších souřadnicích (výška, šířka absorbéru) je nahrazen výpočtem odvozeným z analytického řešení diferenciálních rovnic (vedení Obr. 1 Znázornění základních rovin kolektoru tepla žebrem, přenos tepla do trubky). Vstupními parametry modelu jsou vlastnosti jednotlivých částí solárního kolektoru (geometrické a fyzikální vlastnosti), klimatické parametry (sluneční ozáření G [W/m2], teplota okolí ta [°C], rychlost větru w [m/s]) a provozní parametry (průtok kolektorem m& [kg/s], teplota na vstupu do kolektoru tin [°C]). Výstupy modelu jsou využitelný tepelný výkon Q& u [W], účinnost η [-] a teplota teplonosné látky na výstupu z kolektoru te [°C]. Matematický model plochého kapalinového solárního kolektoru se skládá z vnější energetické bilance absorbéru (přenos tepla z povrchu absorbéru do okolí) a vnitřní energetické bilance absorbéru (přenos tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny). Model neuvažuje tepelnou kapacitu jednotlivých částí kolektoru, jde o řešení v ustáleném stavu popsané základní rovnicí pro výkonu solárního kolektoru (Hottel-Whilier-Bliss) ve tvaru Q& u = FR ⋅ [τ ⋅ α − U ⋅ (t in − t a )]⋅ G ⋅ Ac

- 22 -

(1)

V rámci vnější energetické bilance (viz obr. 2) se řeší přenos tepla z absorbéru volným prouděním ve vzduchové štěrbině mezi povrchem absorbéru a zasklením (resp. rámem), sálání mezi absorbérem a vnitřním povrchem zasklení (resp. rámu), prostup tepla zasklením (resp. rámem) a přenos tepla (prouděním, sáláním) z vnějšího povrchu zasklení (resp. rámu) do okolí. Pro stanovení jednotlivých součinitelů Obr. 2 Schema vnější bilance absorbéru přestupu tepla je nutná znalost teplot v jednotlivých rovinách kolektoru, které jsou zpětně závislé na hodnotách součinitelů přestupu tepla. Vnější bilance se proto řeší ve vlastním iteračním cyklu na základě zadané teploty absorbéru tabs [°C] a teploty okolí ta [°C]. Vnější bilance vede k určení teplotně závislého součinitele prostupu tepla kolektoru U [W/m2.K] daného součtem jednotlivých součinitelů prostupu tepla přední, zadní a boční strany kolektoru U = U p +U z +U b

Ab Ac

(2)

Vnitřní energetická bilance absorbéru spočívá v řešení přenosu tepla z povrchu absorbéru do teplonosné látky (obdoba technicky známého případu vedení tepla žebrem s dopadem slunečního záření). Bilance vede ke stanovení účinnostního součinitele F’ [-] a tepelného přenosového součinitele kolektoru FR [-] na základě provozních a klimatických parametrů. Hlavními výstupy vnitřní bilance jsou teplota na výstupu z kolektoru te [°C], střední teplota teplonosné látky tm [°C] a především střední teplota absorbéru tabs [°C], na které jsou zpětně závislé výpočty ve vnější bilanci. Vnitřní bilance se řeší ve vlastním iteračním cyklu vzhledem k vzájemné souvislosti tm a součinitele přestupu tepla nucenou konvekcí v potrubí absorbéru. Jelikož obě bilance jsou vzájemně propojené a na sobě závislé (viz schema), nadřazený iterační cyklus předává výsledky vnější bilance do vnitřní (součinitel prostupu tepla U) a výsledky vnitřní do vnější (teplota absorbéru tabs).

3. Program KOLEKTOR Matematický model plochého kapalinového solárního kolektoru byl převeden do programu KOLEKTOR 2.1 vytvořeného v prostředí Visual Basic Studio. Program je uživatelsky přístupnější než jeho předchozí verze 1.2 v prostředí tabulkového procesoru Excel. Parametry kolektoru se zadávají na příslušných kartách programu (viz obr. 3). Kromě základních geometrických a fyzikálních parametrů a charakteristik vlastního kolektoru umožňuje program zadat typ konstrukčního spojení absorbéru a trubkového registru, typ teplonosné kapaliny, případně směsi dvou kapalin, nebo vlastnosti přilehlé stavební konstrukce (případ integrace kolektoru do obálky budovy).

Obr. 3 Jednotlivé karty programu KOLEKTOR 2.1 Vstupní údaje pro výpočet mohou být uloženy do textového souboru (*.kol), ze kterého mohou být později opět do programu načteny. Výsledkem výpočtu může být jeden pracovní bod kolektoru

- 23 -

s hodnotami přenosových součinitelů mezi jednotlivými rovinami kolektoru (proudění, sálání, vedení) nebo standardní křivka účinnosti kolektoru (ta = 20 °C, G = 800 W/m2, w = 4 m/s). Křivku účinnosti lze vyhodnotit v závislosti na redukovaném teplotním spádu mezi střední teplotou teplonosné látky a okolím (tm – ta)/G pro účely porovnání s výsledky experimentálního zkoušení kolektoru nebo v závislosti na redukovaném teplotním spádu mezi teplotou teplonosné látky na vstupu do kolektoru a okolím (tin – ta)/G, což je vhodné především jako vstupní charakteristika pro simulační výpočty solárních soustav. Výstup výsledků výpočtu (nejčastěji hodnoty křivky účinnosti) je možné uložit do souboru tabulkového editoru (*.xls).

4. Závěr Počítačový model KOLEKTOR 2.1 v uživatelsky přístupném prostředí je účinným nástrojem pro návrh a analýzu plochých solárních kolektorů. Detailní zadání parametrů a výpočet kolektoru umožňuje relativně přesné a rychlé stanovení výkonových parametrů (výkon, křivka účinnosti), případně teplot při zadaných okrajových (provozních) podmínkách. V rámci projektu výzkumu a vývoje hybridního fotovoltaického-fototermálního (FV/T) kolektoru bude model rozšířen a do bilancí zahrnuta fotoelektrická přeměna slunečního záření s vlivem na energetické a teplotní poměry v kolektoru. Vzniklý univerzální model umožní modelovat samotný solární tepelný kolektor (ηel = 0), samotný solární fotovoltaický modul ( m& = 0) s vlivem zvýšení teploty FV článku nebo vlastní hybridní FV/T kolektor.

- 24 -

Zkoušky tepelného výkonu solárních tepelných kolektorů Bořivoj Šourek, Tomáš Matuška ČVUT, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, Technická 4, Praha 6 Tel: 22435 5637, Fax: 22435 5606 E mail: [email protected] 1.1 ÚVOD Jedním z možných způsobů hodnocení účinnosti solárních kolektorů a systémů je experimentální měření (laboratorní, provozní). Měřením získáváme reálný pohled na funkci daného kolektoru, případně systému, tzn. skutečnou účinnost či tepelný zisk s určitou přesností závislou na metodice měření, přesnosti použitých čidel a způsobu zpracování naměřených dat. Měření lze provádět jako laboratorní za jasně definovaných a opakovatelných okrajových podmínek nebo jako provozní měření, většinou probíhající na celém systému během určitého období. 1.2 PŘEDMĚT A METODY ZKOUŠENÍ SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ Pro komplexní popis chování solárního kolektoru je nutné znát tři parametry: tepelná účinnost (určuje jak kolektor pohlcuje záření a ztrácí teplo), časová konstanta (určuje vliv tepelné kapacity kolektoru) a modifikátor úhlu dopadu (určuje vliv úhlu dopadu slunečního záření). 1.3 TEPELNÁ ÚČINNOST KOLEKTORU Základní metodou zkoušení solárních kolektorů je vystavení provozovaného kolektoru účinkům slunečního záření a měření vstupní teploty Tin a výstupní teploty Te teplonosné látky spolu s měřením jejího hmotnostního průtoku. Dále jsou měřeny: solární ozáření G v rovině kolektoru, venkovní teplota Ta a rychlost vzduchu u v okolí kolektoru. Základními obecnými podmínkami, které je nutné při testu dodržet je měření za ustáleného stavu, za jasného počasí (přímé sluneční záření) při přibližně kolmém dopadu paprsků na kolektor a do kolektoru by měla vstupovat teplonosná látka o konstantní teplotě. Tepelný zisk kolektoru je na základě naměřených hodnot dán vztahem & f ∆T = mc & f (Te − Tin ) Q& = mc (4) Účinnost je definována jako poměr mezi energií získanou Q& (tepelný zisk) a energií dodanou (dopadající sluneční záření) η=

Q& A ⋅G

(5)

kde A je zvolená referenční plocha kolektoru (obvykle plocha apertury (A) či absorbéru (a)) a G dopadající ozáření na rovinu kolektoru. Zkoušení solárních kolektorů je možné provádět ve venkovním (nejčastější) a vnitřním prostředí. Zkoušky ve vnitřním prostředí jsou prováděny při umělém záření solárním simulátorem, tj. zdrojem produkujícím zářivou energii, která má spektrální rozložení, velikost a homogenitu intenzity záření blízké slunečnímu záření, a generátoru umělého větru. 1.4 STANDARDNÍ ZKOUŠENÍ SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ Zkušební metody a výpočtové postupy pro určení ustáleného nebo kvazi-ustáleného tepelného výkonu solárních kapalinových tepelných kolektorů poskytuje norma ČSN EN 12975-2:2006. Jsou to metody pro provádění zkoušek ve venkovním prostředí při přirozeném slunečním záření a přirozeném či simulovaném větru a pro provádění zkoušek ve vnitřním prostředí při simulovaném záření a větru. Dále norma poskytuje zkušební metody a výpočtové postupy pro určení jak ustálených, tak celodenních výkonových parametrů pro solární kolektory za proměnlivých podmínek počasí. Norma není použitelná na kolektory s vestavěným zásobníkem, či na koncentrační kolektory. Pro zkoušení kolektorů zhotovovaných na zakázku, např. vestavby do střechy, je nutné použít zkušební moduly stejné konstrukce.

- 25 -

1.5 VENKOVNÍ ZKOUŠKA ÚČINNOSTI ZA USTÁLENÉHO STAVU Norma stanovuje řadu požadavků na montáž a umístění kolektorů ve venkovním prostředí. Schéma zkušebního zařízení s uzavřeným okruhem je uvedeno na obr. 1. Základními částmi okruhu jsou, velikost plochy kolektoru, absorbéru a apertury, příp. požadavky na kalibraci měřících přístrojů. Zkouška probíhá za jasného dne (difúzní ozáření musí být menší než 30 %) v období okolo slunečního poledne tak, aby modifikátor úhlu dopadu byl nižší než 2 %. Kolektor je zkoušen v rozsahu provozních teplot pro minimálně 4 různé vstupní teploty (jedna vstupní teplota vybrána tak, aby střední teplota teplonosné látky byla v blízkosti teploty okolního vzduchu - stanovení optické účinnosti). Zkušební podmínky, tj. rozmezí hodnot měřených veličin a jejich dovolená odchylka od střední hodnoty během měření, aby byla zajištěna podmínka ustáleného měření, jsou uvedeny v tabulce 1.

Obr. 1 Zkušební okruh (uzavřený) pro testování solárních kolektorů.

Solární kolektor (5), ohřívač/chladič pro primární regulaci teploty (6), oběhové čerpadlo (10), regulační ventil průtoku (12), sekundární regulátor teploty (16), příp. generátor větru (17). Norma stanovuje přesnost měření jednotlivých veličin: globální a difúzní ozáření - pyranometry (19, 20), teploty teplonosné látky - čidla teploty (2, 18), průtok teplonosné látky - průtokoměr (15), teplota venkovního vzduchu - čidlo teploty (1), rychlost vzduchu proudícího přes aperturu kolektoru - anemometr (21)

Parametr Rozmezí hodnot Globální solární ozáření > 700 W/m2 Teplota okolního vzduchu nedefinováno Hmotnostní průtok teplonosné látky cca 0,02 kg/s.m2 Teplota teplonosné látky na vstupu do kolektoru < 80 °C Tabulka 1 Zkušební podmínky pro měřené veličiny

Dovolená odchylka ± 50 W/m2 ±1K ±1% ± 0,1 K

Okamžitá účinnost musí být znázorněna graficky jako funkce redukovaného teplotního rozdílu T*m = (Tm-Ta)/G, kde střední teplota teplonosné látky Tm = (Tin + Te)/2. Grafické znázornění účinnosti musí být provedeno statistickým zpracováním křivky užitím např. metody nejmenších čtverců k získání závislosti účinnosti ve tvaru η = η o − a1Tm* − a 2G(Tm* ) 2 Hodnoty účinnosti je možné vztahovat k ploše apertury kolektoru nebo k ploše absorbéru.

- 26 -

(6)

1.6 ZKOUŠKA ÚČINNOSTI ZA USTÁLENÉHO STAVU SE SIMULÁTOREM SOLÁRNÍHO OZÁŘENÍ Při zkoušení solárních kolektorů ve vnitřním prostředí se využívá solárních simulátorů a generátorů větru. Nejběžnější typ solárního simulátoru využívá elektrický oblouk v uzavřeném parabolickém reflektoru jako světelný zdroj. Simulátory by měly být vybaveny stabilizací výkonu, jinak je nutné během každého zkušebního období integrovat výkon a napětí. Spektrální rozdělení simulovaného záření musí být přibližně stejné jako má solární spektrum při optické hmotě 1.5. Jelikož je v praxi obtížné dosáhnout rovnoměrného simulovaného ozáření, je nutné měřit střední hladinu ozáření přes aperturu kolektoru, přičemž v průběhu zkoušky se nesmí ozáření v různých místech apertury lišit o více než 15 % od střední hodnoty. V průběhu zkoušky musí být ozáření monitorováno a nesmí kolísat. Zkušební okruh, požadavky na přesnost přístrojů a zkušební podmínky jsou stejné jako při zkoušce ve venkovním prostředí. Odlišnosti vycházejí pouze z dalších požadavků na provoz simulátoru (měření tepelného ozáření kolektoru). Podobně i analýza výsledků zkoušky je totožná s výše uvedenou pro venkovní prostředí. 1.7 OSTATNÍ ZKOUŠKY SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ UVÁDĚNÉ NORMOU Z důležitých zkoušek uváděných normou pro provedení na zkušebním okruhu lze uvést stanovení tlakové ztráty kolektoru, zkoušení nezasklených solárních kolektorů za ustálených podmínek a zkoušení zasklených a nezasklených kolektorů při kvazi-dynamických podmínkách. Norma dále předepisuje zkoušky spolehlivosti solárních kolektorů, jmenovitě zkouška na vnitřní přetlak, odolnosti vysokým teplotách, vystavení vlivům prostředí, na vnější a vnitřní tepelný ráz, průniku deště, odolnosti vůči mrazu, mechanického zatížení a odolnosti proti nárazu.

- 27 -

Hybridní koncentrační stacionární PV-PT systém Vladimír Jirka1), Radim Bařinka2), Jan Červený1), Jozef Korečko1), Bořivoj Šourek1,3), 1)ENKI, o.p.s. Třeboň 2)SOLARTEC s.r.o. Rožnov pod Radhoštěm 3)ČVUT -Fakulta strojní , Praha

Modulární skleník v Třeboni Na modulárním skleníku v Třeboni, využívajícím skleněné rastry, byly poprvé použity hybridní vodou chlazené fotovoltaické absorbéry. Modulární skleník je společné pokusné zařízení ENKI, o.p.s., ENVI, s.r.o .a Zemědělské fakulty Jihočeské University v Českých Budějovicích a slouží jednak pro vývoj a proměření optických a fyzikálních parametrů těchto modulů a také k výuce, laboratorním cvičením a měřením. Zařízení se skládá celkem ze šesti čtyřmetrových stavebních modulů. Od západu tvoří stavbu dva moduly věžové, kdy první z nich je zasklen pasivními odraznými rastry a druhý je osazen fasádovými kolektory SOLARGLAS SF1, pracujícími jako světelné a tepelné žaluzie. Třetí čtyřmetrový modul je technologický. Jeho střecha je pokryta vakuovými kolektory HELIOSTAR 400V a jako jediný není pěstební, ale je pod ním umístěna veškerá technologie: akumulační nádrže, vzduchotechnická vytápěcí jednotka, čerpadla, armatury, řídící jednotka atd. Následují tři pěstební moduly střešní, první z nich je s koncentračním kolektorem s lineární čočkou a hybridními vodou chlazenými absorbéry s fotovoltaickými články z monokrystalického křemíku, druhý je s fototermálními absorbéry a poslední pasivní s odraznými rastry. Zasklívací i nosné konstrukce jsou shodné a proto se po dokončení experimentů mohou moduly osadit a provozovat vybavené nejefektivnější z odzkoušených a odměřených technologií .

Základní modul Skleník je koncipován jako asymetrický se sedlovou střechou. Střecha má sklon v klasické střechové variantě 35° a ve věžové variantě 15° vždy s orientací hřebene západ-východ. Jižní střecha nebo stěna je zasklena izolačními dvojskly se skleněnými rastry, které tvoří vnější sklo dvojskla s orientací rastru dovnitř. Podle typu modulu jsou použity buď rastry aktivní – čočky a plášť potom tvoří kolektorový systém s pohyblivými absorbéry - a nebo pasivní odrazné rastry (jak bylo popsáno výše). Pro nosnou konstrukci jsou dvě materiálové varianty. První klasickou variantou jsou jako nosné prvky svařované ocelové nosníky. Na nosné konstrukci je ukotven systém zasklívací konstrukce z hliníkových profilů s přerušenými tepelnými mosty s větracími prvky v kolmé vertikální části. Druhou moderní variantou je nosná konstrukce z dřevěných lepených profilů.

- 28 -

Charakteristiky jednotlivých modulů 1) Energetický modul s koncentračními kolektory a lineární rastrovou čočkou a s pohyblivými fototermálními absorbéry jako světelné a tepelné žaluzie Základ konstrukce obvodového pláště tvoří kolektorový systém SOLARGLAS SG1 nebo SF1, kde součástí obvodového pláště je lineární Fresnelova čočka zabudovaná v izolačním dvojskle a pod ní jsou na nosném pohyblivém rámu umístěny absorbéry slunečního záření.

2) Modul s pasivními optickými rastry Konstrukce vnějšího pláště stejně jako větrání a topení je shodné s předcházejícím základním modulem. Rozdíl je v zasklení. Pro tento modul bylo zvoleno zasklení pasivními rastry. Zasklení je provedeno izolačními dvojskly se shodnými prvky pro větrání. Tento modul je podstatně jednodušší, neobsahuje žádné technologie. 3) Fotovoltaický modul na bází koncentračního kolektoru pro autonomní zásobování skleníku elektrickou energií Fotovoltaický modul je konstrukčně téměř shodný s prvním energetickým modulem, liší se pouze použitými absorbéry slunečního záření. V současnosti jsou společností ENKI, o.p.s. ve spolupráci s dalšími českými výrobci vyvíjeny hybridní absorbéry pro kolektorové systémy SOLARGLAS, které umožňují současně výrobu elektrické energie pomocí fotovoltaických článků a ohřev vody. Modul bude osazen těmito absorbéry a jeho úkolem bude předehřev vody a výroba elektrické energie, která bude ukládána do akumulátorů a využívána přes elektronický měnič pro ovládání regulačních prvků, případně pro pohon čerpadel. Včlenění takového modulu může ze skleníku vytvořit zcela nezávislý systém na vnějších zdrojích energie. 4) Vysokoteplotní modul s využitím plochých vakuových kolektorů. Modul vychází ze standardního střešního modulu, ale jeho jižní střechu tvoří vakuové ploché kolektory Heliostar 400V. Jeho hlavní funkcí je ohřev nebo dohřev v ostatních modulech již předehřáté vody či jiné teplonosné látky na vysokou teplotu (90 °C a výšší). Modul není průhledný, a proto slouží pro umístění technologie. Jsou zde akumulační nádrže, čerpadla, expanzní nádoba, akumulátory, měnič a ostatní energetické součásti. Zároveň může sloužit jako sklad nářadí, substrátů, zásoba předehřáté vody na zálivku a pro jiné zahradnické technologie. Vzhledem k tomu, že v letním období je přebytek energie ze Slunce, předpokládá se v budoucnu vývoj a odzkoušení v našich klimatických podmínkách dalších návazných technologií, jako například destilačního přístroje nebo absorpčního chladícího stroje. Vytápění a větrání skleníku Součástí konstrukce jsou dva systémy větrání; první je přirozený systém - aerace, kdy je otevřeno okno ve spodní vertikální části a zároveň proti němu v severní střešní části.. Druhý systém je nucený a je zároveň využit pro teplovzdušné vytápění. Z prostoru pod hřebenem skleníku se bude sbírat ohřátý vzduch a bude se k němu přes vzduchotechnickou jednotku přimíchávat čerstvý venkovní vzduch, nasávaný zemním kanálem (v létě chlazení, v zimě předehřev), který se rozvede do vyústek u stěn skleníku. Tento systém vytápění je společný u všech modulů. Jeho výhodou je využití ohřátého vzduchu pod střechou skleníku, kterého se u klasických koncepcí byla snaha zbavit.

- 29 -

Hybridní koncentrační systémy ve skleníku

Ve spolupráci se společností SOLARTEC s.r.o bylo vyrobeno 12 ks hybridních absorbérů, vyvinutých pod tyto koncentrátory – lineární Fresnelovy čočky, vyráběné technologií kontinuálního lití s ohniskovou vzdáleností cca 500 mm a středním koeficientem koncentrace k=5. Pro tento typ absorbéru byl vyvinut a vyroben speciální asymetrický profil, přizpůsobený použité čočce o šíři 100 mm oproti dříve užívaným 63 mm, s rovnou vrchní plochou, vhodnou pro přichycení solárních článků. Standardní délka absorbéru je 3850 mm a na jeho výrobu byly pokusně použity tři technologie: 1. laminace po částech a následné nalepení silikonovým tmelem 2. laminace vcelku na hliníkový profil 3. zalití panelu solárních článků na Al profil

Absorbéry byly pokusně nainstalovány na 2 typy koncentračních kolektorů s LFČ. osazen celý střešní modul, tj 15 m2 skleněných čoček a celý rám - 10 absorbérů .

- 30 -

Byl

Druhým pokusem bylo osazení dvou absorbérů na svislém rámu fasádního provedení kolektoru. Modul byl osazen na počátku března a k datu vydání rukopisu textu nejsou zatím naměřeny žádné prezentovatelné výsledky. Absorbéry se budou zprvu testovat po dvojicích, vyrobených shodnou technologií, budou se porovnávat mezi sebou a posléze bude provedena ve spolupráci SOLARTEC s.r.o. celá řada testů a měření. Předpokládáme, že první výsledky zazní při ústní prezentaci na semináři 3. dubna.

Tento projekt byl podpořen několika finančními zdroji: projekty VaV/300/05/03 „ Modulární skleník s vysokou účinností přeměny sluneční energie a recyklací vody, využívající optické rastry“ a VaV-SN-3-173-05 „Integrace zařízení pro využití obnovitelných zdrojů energie do struktury budov“ Ministerstva životního prostředí a je spolufinancován AVČR v rámci programu „Podpora projektů cíleného výzkumu: 1QS S11070057 - Vývoj stavebních prvků, využívající skleněné optické rastry vyráběné metodou kontinuálního lití“

- 31 -

Napájení motorů čerpadel hybridních kolektorů Ing.Milan Tomeš, Csc. TETOM, Prostřední Bečva Abstrakt Příspěvek pojednává o možnostech elektrického napájení motorů oběhových čerpadel solárních fototermických systémů. Hlavní pozornost je věnována případu kombinovaného fototermicko/ fotovoltaického trubicového celoskleněného kolektoru . Je ukázáno, že použitím zvláštního elektronického bloku - maximizéru (převodníku napětí/proud) v obvodu napájení motoru oběhového čerpadla je možné zvýšit účinnost přeměny zářivé energie v energii tepelnou a odstranit nebezpečí přehřátí celého fototermického systému a tím zabránit jeho havárii. Celý kombinovaný FT/FV systém je chráněn PUV č. 2006-17577. Dosud se ohřev vody využitím sluneční energie prováděl pomocí fototermických kolektorů v provedení plochém nevakuovém, plochém vakuovém a trubicovém vakuovém. Trubicové vakuové kolektory mohou být buď s tepelnými trubicemi, kdy je uvnitř každé vnější transparentní skleněné trubice umístěn ve vakuu plochý kovový absorbér s tepelným výměníken na vrchní straně, nebo v provedení celoskleněném, kde je uvnitř vnější transparentní skleněné trubice umístěna ve vakuu souuose druhá skleněná trubice s absorbční vrstvou nanesenou na jejím povrchu. Pro cirkulaci ohřáté vody a tím pro přenos tepelné energie do místa odběru nebo do zásobníku se používají oběhová čerpadla se stejnosměrným motorem, která mohou být s výhodou napájena z fotovoltaického kolektoru. Tento fotovoltaický kolektor může být samostatný, nebo může být nedílnou součástí kombinovaného fototermicko-fotovoltaického kolektoru , nebo může být součástí konstrukce hybridního kolektoru, ve kterém již nejde rozlišit část fototermickou od fotovoltaické. Plochý tvar deskových (rovinných) fototermických kolektorů nevakuových i vakuových a kolektorů trubicových s tepelnými trubicemi s plochým absorbérem má přibližně stejnou závislost energetického zisku na denní době jako fotovoltaický kolektor, který je také plochý. V případě šikmého dopadu slunečních paprsků v ranních, resp. večerních hodinách se ohřívá voda málo a i elektrická energie z fotovoltaického panelu je malá a nedostatečná pro rozběh resp. udržení běhu motoru oběhového čerpadla. Jiná situace je v případě trubicových kolektorů celoskleněných. Kombinace plochého fotovoltaického kolektoru a kruhovému trubicovému celoskleněnému kolektoru má své nevýhody. Takový kolektor /2/ má díky svému kruhovému průřezu – a díky tomu téměř stejnému

úhlu dopadajících slunečních paprsků po celý den - téměř konstantní závislost energetického

- 32 -

zisku na denní době- viz Obr.3., na rozdíl od plochého fotovoltaického kolektoru, který má silně závislé výstupní elektrické parametry na úhlu dopadajících paprsků a tím na denní době. Fotovoltaický kolektor /3/,/4/ má sice výstupní napětí málo závislé na intenzitě dopadající energie – viz Obr.4. křivka 22, ale má silnou závislost generovaného fotoproudu na této energii – viz Obr. 4 křivka 23. Výsledkem je pak silná závislost výstupního výkonu fotovoltaického kolektoru – viz Obr.4. křivka 24na intenzitě dopadající světelné energie - , což má za následek sníženou účinnost celého zařízení pro ohřev vody, dochází k neroztočení, resp. zastavení motoru čerpadla v nepříznivých světelných podmínkách ráno, resp. večer. Výsledkem je snížení účinnosti a může dojít dokonce k havárii systému ohřevu vody protože ohřátá voda nemusí být odvedena do místa spotřeby nebo do zásobníku. Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje zařízení k ohřevu vody s kombinovaným celoskleněným trubicovým vakuovým fototermicko/fotovoltaickým kolektorem a čerpadlem se stejnosměrným motorem s řídící elektronikou /1/. Tato řídící elektronika přeměňuje nadbytečné napětí fotovoltaické části kombinovaného kolektoru v době nedostatečné zářivé energie na stejnosměrný proud potřebný k rozběhu , resp. udržení běhu motoru, který pohání oběhové čerpadlo i při těchto nepříznivých světelných podmínkách. Dále při rostoucí dopadající zářivé energii roste výstupní proud fotovoltaické části kombinovaného kolektoru a tím i jeho výstupní výkon . Řídící elektronika se automaticky odpojuje a fotovoltaický panel tím zvýší výstupní napětí, které dále zvyšuje otáčky motoru oběhového čerpadla. Tím je docílena automatická regulace otáček oběhového čerpadla. Větší zářivá dopadající solární energie více ohřívá vodu v trubicích fototermální části kolektoru a dále zvyšeným napětím fotovoltaické části kolektoru zvyšuje otáčky oběhového čerpadla a tím systém ohřevu vody vyrobí více ohřáté vody. Dochází k nárůstu účinnosti přeměny zářivé solární energie v tepelnou energii a odstraňuje se nebezpečí havárie systému pro ohřev vody jeho přehřátím.. Je přirozené, že elektronický řídící obvod musí být svým provedením přizpůsoben výkonu stejnosměrného motoru cirkulačního čerpadla. Technické řešení je blíže osvětleno pomocí výkresu, na kterém znázorňuje obr.1 schematicky řez jednou trubicí celoskleněného vakuového trubicového fototermického kolektoru a obr.2 schematicky řez fotovoltaickou částí kombinovaného fototermického/ fotovoltaického kolektoru. Aplikaci výše popsaného elektronického obvodu – maximizéru – si můžeme ukázat na obr.5. Fototermická část zařízení 11 je tvořena soustavou skleněných trubic 12, z nichž každá se podle obr.1 sestává z vnější skleněné transparentní trubice 4, z vnitřní skleněné trubice 5 umístěné ve vakuu a na níž je na povrchu nanesena absorbční vrstva. Ve vnitřním prostoru 6 se ohřívá voda dopadající zářivou energií podle obr.3 ráno 1, v poledne 2, večer 3. Fotovoltaická část zařízení 13 je tvořena podle obr.2 soustavou fotočlánků 14, umístěných na podložce 25 krytých transparentním krytem 26. Fotočlánky 14 přeměňují dopadající zářivou energii podle obr.4 ráno 1, v poledne 2, večer 3 na výstupní napětí 22 , výstupní proud 23, výstupní výkon 24. Systém ohřevu vody podle obr.5 sestává z kombinovaného trubicového celoskleněného vakuového fototermicko/fotovoltaického kolektoru 10, který má fototermickou část 11, tvořenou skleněnými trubicemi 12, fotovoltaickou část 13, s fotočlánky 14. Řídící elektronický obvod 15 je - 33 -

napájený z fotovoltaické části 13 kombinovaného kolektoru 10 a je propojený se stejnosměrným motorem 16, který otáčí oběhovým čerpadlem 17. Odvod ohřáté vody potrubím 18 do přípojného místa 20, přívod studené vody 19 od přípojného místa 21. Zařízení podle technického řešení lze použít pro systémy ohřevu vody solární energií , které používají oběhová čerpadla poháněná motory napájenými elektrickým proudem odvozeným z této solární energie. Příklad vakuového kombinovaního trubicového celoskleněného kolektoru /5/ je na Obr.6.

Elektricko-mechanické parametry kombinovaného kolektoru jsou uvedeny v TAB.1. Obr.6. Vakuový trubicový celoskleněný kombinovaný kolektor VV8-F /5/ TAB.1. Mechanicko-elektrické parametry. Typ kolektoru Délka Šířka vč. vývodů Výška Účinná absorpční plocha (360o) Hmotnost Rám Reflexní plocha Celkový objem náplně Připojovací rozměr Vakuová trubice - délka - průměr (vnější) - počet Klidová max. teplota Max. pracovní tlak Zkušební tlak Energetický zisk (cca) Fotovoltaický panel Typický špičkový výkon Napětí při proudu I=0A Proud při napětí V=17,3V

VV8-A/NR-F 1970 mm 905 mm 138 mm 2,04 m2 44 kg Al slitina/ELOX nerez 1,45 l Cu18 1800 mm 58 mm 8 280oC 6 10 835kWh/m2/rok 11W 7,6V 1,4A

- 34 -

Zkratový proud Délka Šířka Tloušťka Typ zapouzdření Kryt Hmotnost

1,5A 122 mm 760 mm 20 mm sklo/sklo (2x3 mm) odolné stříkající vodě, sněhu 1,5 kg

Použité čerpadlo se ss motorem je např. Výrobce LAING typ D5-38/700 B /6/ - viz obr.7. Hydraulický výkon čerpadla je na obr.8. Motor je napájen ze dvou FV panelů W8-F a má minimální příkon 1W a maximální 22W.

Obr. 7. Čerpadlo LAING.

Obr. 8. Hydraulické charakteristiky čerpadla

Seznam literatury: /1/ Užitný vzor č.2006-17577, Ing. Milan Tomeš,CSc., Ing.Jiří Vlk, ÚPV Praha 2006 /2/ AO č. 224057 Ing. Milan Tomeš, CSc., ÚPVO Praha 1985 /3/ Firemní literatura TETOM, viz www.tetom.cz /4/ Firemní literatura Solartec s.r.o., viz www.solartec.cz /5/ Firemní literatura fy VERMOS, www.vermos.cz /6/ Firemní literatura fy LAING, www.laing.de

- 35 -

Je využívanie FV/T kolektorov perspektívne? Ing. Milan Novák,CSc. THERMO/SOLAR ŽIAR S.R.O. ŽIAR NAD HRONOM Tel. 00421/45/601 6000 e-mail: [email protected]

Hybridné FV/T kolektory predstavujú vzrušujúcu možnosť kombinovanej výroby elektrickej energie a tepla pri nižších výrobných a inštalačných nákladoch a menšej zastavanej ploche oproti paralelne pracujúcim fotovoltaickým a termickým kolektorom. Značný potenciál pre ne preto predstavujú najmä viacpodlažné bytové domy, kde na jeden byt je k dispozícii iba malá plocha strechy. Ako reakcia na to bol 1.1.2005 spustený trojročný výskumný projekt Task 35, medzinárodnej energetickej agentúry (IEA) „FV/Termické solárne systémy“. Projekt je časťou programu Solárne kúrenie a chladenie (SHC). Informácie o prípadnej účasti na tomto programe je možné získať na www.iea-skc.org, prípadne priamo o úlohe Task 35 na [email protected] alebo [email protected]. Prvé FV/T kvapalinové kolektory sme v spoločnosti THERMO/SOLAR Žiar vyrobili pred cca 12 rokmi pre maďarského odberateľa a testovali sa na Budapeštianskej technickej univerzite. Fotovoltaické články z monokryštalického kremíka boli zalaminované transparentnými fóliami na vnútornej strane skleneného krytu štandardného plochého termického kolektora. Táto konštrukcia kolektora sa ukázala ako málo perspektívna pre veľmi nízky tepelný výkon. Pred cca 5 rokmi sme vyrobili niekoľko FV/T kvapalinových kolektorov pre rakúskeho odberateľa. Amorfný kremík vákuovo naparený na skle bol v priamom kontakte s absorbérom štandardného termického kolektora. I v tomto prípade bol tepelný výkon kolektora nedostatočný. Konštrukciu kolektora by bolo možné zlepšiť tak, že FV článok by bol priamo na kovovej podložke spojenej s rúrkovým registrom termického kolektora. NO aj napriek tomu, časté tvrdenie, že FV/T kolektory môžu vyrobiť z m2 kolektorovej plochy viac energie ako separátne fotovoltaické a termické kolektory je nerealistické z nasledovných dôvodov: 1. Z daného solárneho príkonu si FV článok zoberie časť energie na výrobu elektriny a iba zbytok zostane na výrobu tepla (nemôže to byť perpetum-mobile). 2. Fotovoltaické články majú obvykle omnoho vyššiu emisivitu ako kvalitné absorbčné selektívne vrstvy moderných termických kolektorov. Navyše, mali by mať vysokú absorbtivitu v pásme vlnových dĺžok od 300 do 2500 nm. 3. Rozhodujúca časť termických kolektorov sa využíva na prípravu teplej vody a podporu vykurovania a to na takých teplotných úrovniach, ktoré by negatívne ovplyvňovali účinnosť fotovoltaických článkov. Pri priemyselných aplikáciách a chladení pomocou termických kolektorov sú požadované teploty ešte vyššie. Veľkou prekážkou masového využívania FV/T kolektorov môžu byť aj príliš veľké rozdiely v investičných nákladoch a čiastočne i životnosti fotovoltaiky a termiky. V súčasnej dobe sa fotovoltaika bez dlhodobo garantovaných, relatívne vysokých výstupných cien alebo iného spôsobu podpory počas svojej životnosti nezaplatí, zatiaľ čo termika sa finančne amortizuje 2 až 3 krát. Preto sú tu aj dve veľmi rozdielne skupiny investorov. Tí, ktorí investujú do termiky, spotrebujú vyrobené teplo sami s cieľom znížiť výdaje za nákup energií. Tí, ktorí investujú do fotovoltaiky to robia s cieľom zhodnotiť svoj kapitál a zarobiť na predaji drahej el. energie do distribučných el. sietí, avšak iba tam, kde táto možnosť existuje. Podľa môjho názoru, pokiaľ sa technickým pokrokom neeliminujú horeuvedené slabé stránky hybridných kolektorov, tak nie je možné rátať s masívnejším rozšírením FV/T kvapalinových kolektorov, snáď až na niekoľko zriedkavých prípadov, využívajúcich efektívne nízkopotenciálne teplo.

- 36 -

O niečo väčšiu šancu na praktické aplikácie majú: • koncentračné FV/T kolektory • FV/T vzduchové kolektory • odvetrávané FV panely integrované do plášťov budov s využitím tepla. O tom, za akých podmienok by to mohlo fungovať, by mohlo byť predmetom diskusie medzi účastníkmi pracovného seminára.

- 37 -

Využití FV systémů pro hybridní větrání Jiří Sedlák VUT Brno, Fakulta stavební Czech RE Agency, Televizní 2618, 756 61 Rožnov pod Radhoštěm

Úvod V zemích EU na příklad v Dánsku, Německu a v Rakousku je v rámci naplnění energetických opatření a požadavků na základě Evropské směrnice (EPBD) kladen důraz nejen na novou výstavbu ale také na energetickou renovaci existujících budov, které představují převažující spotřebu energie v budovách. Přírůstek nových staveb v zemích EU představuje za rok pouze 2% stávajících budov a je tedy nezbytné důsledně řešit jejich energetickou renovaci stávajících budov zejména budov obytných.

Nové požadavky na hodnocení spotřeby energie Pro nové projekty realizovaných staveb se na základě Evropské směrnice (EPBD) od roku 2006 provádí hodnocení celkové energetické roční spotřeby v budovách, které zahrnuje energii za vytápění, ohřev teplé vody a spotřebu elektrické energie na osvětlení, vzduchotechnické větrání, chlazení a klimatizaci. Stejné požadavky na hodnocení spotřeby energie a energetickou náročnost jsou kladeny také na stávající budovy při jejich rekonstrukci a renovaci. Zmíněná spotřeba elektrické energie je na příklad v Dánsku [1] a v dalších zemích hodnocena přírůstkovým faktorem 2,5 a je tedy započítána do celkové spotřeby energie. Takovéto hodnocení budov představuje vyšší zatížení emisemi CO2 zahrnující spotřebu elektrické energie. Pro požadované limity spotřeby energie v budovách jsou na příklad v Dánsku navrženy dvě nízkoenergetické třídy 2 a 1 s očekávaným snížením spotřeby energie v budovách během 5 let (u třídy 2 do 2011) a během 10 let (u třídy 1 do 2016). Nízkoenergetická třída 2 představuje snížení spotřeby energie o 25% při porovnání s požadavky v roce 2006. Nízkoenergetická třída 1 představuje snížení spotřeby energie o 50% při porovnání s požadavky spotřeby energie v roce 2006. K dosažení tohoto cíle jsou ověřovány nové energeticky efektivnější systémy vytápění a větrání budov využívající slunečního záření. Při zvýšené těsnosti obvodového pláště nízkoenergetických budov je výhodné využití energeticky efektivních vzduchotechnických systémů, které jsou řešeny jako hybridní nebo kombinované FV/FT systémy. Současné možnosti efektivního uplatnění fotovoltaiky a její integrace do stavebních konstrukcí budov a systémů techniky prostředí zejména při využití teplovzdušného větrání a vytápění je možno ukázat na realizovaných referenčních budovách v zahraničí.

Obr.1 Použití PV-VENT prvků v obytném domě v Skovlunde, Dánsko. FV moduly slouží pro výrobu el. energie a teplovzdušné vytápění.

Obr.2 PV moduly integrované do fasády při renovaci obytných domů v Skovlunde, Dánsko pro výrobu el. energie a pro větrání bytů

- 38 -

Obr.3 FV-panely integrované do fasády u budovy laboratoří na Dánské Technické Universitě, DTU v Lyngby. FV panely slouží jako zdroj elektrické energie současně pro větrání s ohřevem vzduchu v otopném období.

Obr. 4 FV-panely integrované do fasády na Hedebygade v Kodani v rámci renovace obytného bloku. FV-panely slouží pro větrání a tepelný výměník v solární dvojité fasádě

Nízkoenergetický systém větrání s využitím FV modulů V rámci programu Non-Nuclear-Energy Progr. Joule III [2] byl řešen a uplatněn nízkoenergetický systém větrání v obytných budovách (Low energy ventilation system). Při standardním řešení obytných budov bez účinného systému větrání jsou zpravidla problémy s kvalitou vzduchu vnitřního prostředí, se zvýšenou vlhkostí vnitřního prostředí a v obvodových konstrukcích budovy. Energeticky efektivní řešení přináší již běžně užívaný systém větrání s výměníkem zpětného získávání tepla. Je nutno však vzít v úvahu spotřebu energie na provoz těchto zařízení. V rámci uvedeného programu výzkumu byly řešeny otázky optimalizace tohoto systému s vyšší energetickou efektivností určeného pro obytné budovy při využití slunečního záření, které zahrnovaly vývoj: - FV modulů se vzduchovým kolektorem pro ohřev větracího vzduchu, - systémů mechanického větrání (ventilátorů) s nízkou spotřebou energie, - kombinovaných FV/FT hybridních systémů (PV-mixer), - větracího systému s FV kombinovaným vzduchovým modulem (PV-Vent). Nasávaný vzduch je ohříván ve FV modulu se vzduchovým kolektorem integrovaným do fasádního systému obytných budov (obr. 1 a 2). Předehřev vzduchu redukuje spotřebu energie na vytápění a vlivem proudění vzduchu se snižuje teplota která umožňuje vyšší celkový výkon FV článků. Integrace FV modulů do fasád s uplatněním nízkoenergetických systémů větrání je dále ukázána u objektů university DTU v Lygby (obr. 3) a obytné zástavby Hedebygade v Kodani (obr. 4). Při tradičním řešení větrání s výměníkem pro zpětné získání tepla nejsou zpravidla dány specifické požadavky na spotřebu tepla kdy se předpokládají úspory ze zpětně získaného tepla na vytápění ale dochází však k výraznému zvýšení spotřeby elektrické energie. Podle zkušeností u nás i v zahraničí by neměla podle daných předpisů překročit průměrná spotřeba elektřiny na větrání s rekuperací tepla hodnotu cca 760 kWh za rok při el. příkonu vzduchotechnické jednotky 87 W/byt. V rámci nových technologií kombinovaného a hybridního větrání řešeného v rámci projektu JOULE III došlo ke snížení průměrné spotřeby elektrické energie na 25-40 W/byt rovnající se spotřebě elektřiny 200-300 kWh za rok. Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu VaV-SN-3-173-05.

Reference: [1] Pedersen, P.V., New energy demands for building projects in Denmark based on EU energy performance directive for buildings (EPBD), Cenergia Energy Consultants, Ballerup, Dansko 2006. [2] Projekt „PV-Vent Low Cost Energy Efficient PV-Ventilation in Retrofit Housing“, NonNuclear-Energy Program Joule III, No: JOR3-CT97-0106, Cenergia Energy Consultants, Ballerup, Dansko 2004. - 39 -