Speciální aplikace FV systémů
Tomáš Matuška RP2 – Energetické systémy budov Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze
Fotovoltaický ohřev vody
(a jeho porovnání s fototermickým ...)
CÍL
• srovnávací analýza ohřevu vody sluneční energií – za srovnatelných podmínek (odběru tepla, klimatické podmínky) – stejným výpočtovým nástrojem (TRNSYS) za použití stejného modelu zásobníku
• určit – energetické přínosy
– ekonomické parametry
• fotovoltaický systém bez sledovače • fotovoltaický systém se sledovačem (MPPT)
samostatné systémy ohřevu
• fototermický systém
3
VÝKON A ÚČINNOST
• u FOTOTERMICKÝCH KOLEKTORŮ jsou závislé na: – výkonové hustotě slunečního záření, úhlu dopadu záření – rozdílu teplot kapalina – okolí – technologii: ploché, trubkové vakuové, koncentrační, ...
• u FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ jsou závislé na: – výkonové hustotě slunečního záření, úhlu dopadu záření – teplotě okolí, proudění vzduchu okolo panelu ... teplotě panelu – technologii: monokrystalické, polykrystalické, amorfní, ...
4
FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY BEZ SLEDOVAČE MAXIMA
5
FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY SE SLEDOVAČEM MAXIMA
sledovač výkonového maxima (MPPT)
6
SLEDOVÁNÍ VÝKONOVÉHO MAXIMA U FV PANELŮ Voltampérová charakteristika FV článku
7
SLEDOVÁNÍ VÝKONOVÉHO MAXIMA U FV PANELŮ sluneční ozáření
teplota panelu R
8
FOTOTERMICKÝ OHŘEV VODY
9
ANALÝZA SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ PRO OHŘEV VODY
• metoda – simulace v TRNSYS simulační prostředí určené pro výzkum a vývoj aplikací původně vyvinuté pro solární systémy
• klimatické údaje typický meteorologický rok pro Prahu (TMY) konzervativní údaje o slunečním záření
roční úhrn na vodorovnou rovinu 998 kWh/m2.rok
• odběr teplé vody 160 l/den teplé vody 55 °C, studená voda 10 °C
denní profil pro domácnost podle ČSN EN 15450, přepočítaný na 160 l/den potřeba tepla 2767 kWh/rok
10
PARAMETRY FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ 8 panelů x 1.645 m2 = 13.16 m2 8 panelů x 250 W = 2 kWp
11
PARAMETRY SOLÁRNÍHO ZÁSOBNÍKU TEPLÉ VODY
• Zásobníkový ohřívač vodní objem 195 l DC topné těleso 2,0 kW v dolní části AC topné těleso 2,0 kW v dolní části denní tepelná ztráta 1,4 kWh/den (pro 45 K) rozměry doporučená max. teplota v zásobníku 75 °C
12
MATEMATICKÝ MODEL FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ
• detailní model FV panelu, komplexní voltampérová charakteristika • uvažována optická charakteristika panelu (IAM) • není uvažováno s degradací účinnosti FV panelu během let provozu • uvažovány elektrické ztráty 2 % • uvažovány tepelné ztráty / zisky zásobníku TV
• max. teplota v zásobníku 85 °C • AC těleso není zapojeno • varianty: – MPPT on (se sledováním výkonového maxima) – MPPT off (bez sledování výkonového maxima, R = 25 W) 13
PARAMETRY SOLÁRNÍCH TERMICKÝCH KOLEKTORŮ 2 kolektory x 2.26 m2 = 4.52 m2
14
PARAMETRY SOLÁRNÍHO ZÁSOBNÍKU TEPLÉ VODY
• Zásobníkový ohřívač vodní objem 200 l AC topné těleso 2,0 kW v horní části denní tepelná ztráta 1,4 kWh/den (pro 45 K) rozměry doporučená max. teplota v zásobníku 95 °C výměník tepla plocha 1 m2
15
MATEMATICKÝ MODEL FOTOTERMICKÉHO SYSTÉMU
• detailní model solárního kolektoru, křivka účinnosti • uvažována optická charakteristika panelu (IAM) • uvažovány ztráty potrubí kolektorového okruhu (18x1 mm), délka 40 m • uvažovány tepelné ztráty / zisky zásobníku TV • max. teplota v zásobníku 85 °C
• AC topné těleso není zapojeno • uvažována spotřeba elektrické energie na pohon čerpadla 25 W
16
VÝSLEDKY
dohřev kWh/rok
využité zisky kWh/rok
solární podíl %
FV MPPT off
1964
803
29
FV MPPT on
1442
1325
48
FT
1090
1677
61
Systém
FV systém bez sledování výkonu výrazně horší provoz oproti ideálnímu MPPT (cca o 40 % nižší produkce) – nevhodně zvolený el. odpor DC tělesa FT systém s měrnými zisky nad 370 kWh/m2.rok 17
PRŮBĚH ZISKŮ BĚHEM ROKU
18
NÁKLADY
• FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY BEZ SLEDOVAČE
65 tis. Kč
– FV panely, zásobník TV s DC tělesem, konstrukce na střechu, rozvaděč s ochranami, kabeláž 20 m 60 000 Kč
– montáž
5 000 Kč (?)
• FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY SE SLEDOVAČEM – navíc regulátor s MPPT
• FOTOTERMICKÝ OHŘEV VODY
90 tis. Kč
+25 000 Kč
85 tis. Kč
– FT kolektory + příslušenství, nosná konstrukce, zásobník TV, čerpadlová skupina, regulátor, kapalina, potrubí, izolace 70 000 Kč – práce (elektro, instalace, doprava)
15 000 Kč
19
EKONOMICKÉ POROVNÁNÍ
• cena energie – cena elektřiny uvažována 2.5 Kč/kWh – roční růst ceny 5 %
• cena vložených prostředků – vlastní finance v bance s úrokem 0.1 %
• ostatní – FT systém: po 5 letech výměna kapaliny – FT systém: započtení spotřeby elektřiny na pohon čerpadla
20
EKONOMICKÉ POROVNÁNÍ
21
VLIV DOHŘEVU
• provoz při současném provozu AC topného tělesa (v obou systémech) – AC těleso v provozu při poklesu pod 55 °C (odběr ráno, odběr večer) – snížení využitelnosti zásobníků – v reálném systému FV ohřevu se zisky sníží více
max. 85 °C
55 °C DC AC
max. 85 °C 55 °C AC
22
VÝSLEDKY S VLIVEM DOHŘEVU
dohřev kWh/rok
využité zisky kWh/rok
solární podíl %
FV MPPT off
2332
435
16
FV MPPT on
1767
1000
36
FT
1324
1443
52
Systém
FV systém bez sledování výkonu – propad na téměř polovinu! FV systém se sledovačem výkonu – snížení o 25 % FT systém – snížení o 14 % adekvátně se zhorší návratnosti 23
POROVNÁNÍ VÝKONOVĚ STEJNÝCH SYSTÉMŮ
• FT systém s 4.5 m2 solárních kolektorů (2 ks) • FV systém s 19.7 m2 polykrystalických panelů (12 ks), MPPT on • instalovaný výkon 3.1 kW • v obou variantách – energetické zisky 1443 kWh/rok – solární pokrytí 52 % výsledkem je o 30 % dražší FV systém než FT systém se stejnou užitečnou produkcí ... s jakým DC tělesem? (výkon) ... s jakým solárním zásobníkem? (objem) 24
OPTIMALIZACE ZÁTĚŽE U VARIANTY MPPT OFF
• 8 sériově zapojených FV panelů 250 W • analýza při uvažování vlivu dohřevu 610 kWh/rok + 30 %
• pro jiný počet panelů, jinou konfiguraci panelů ... jiný optimální el. odpor 25
OPTIMALIZACE FT SYSTÉMU
• návrh FT se 2 ks TS500 (4.5 m2) je neúměrný k 200 l zásobníku – 2 ks solárního kolektoru TS300 – stejné charakteristiky, menší plocha (3.6 m2) adekvátní zásobníku 200 l – levnější kolektory o cca 5000 Kč
• ekonomické porovnání pro reálný provoz systémů s vlivem dohřevu – optimalizovaný FV systém bez sledovače (vhodná zátěž 33 W) – optimalizovaný FV systém se sledovačem – optimalizovaný FT systém s menší plochou kolektorů
26
POROVNÁNÍ SYSTÉMŮ ZA REÁLNÉHO PROVOZU
27
ZÁVĚRY
• jednoúčelové FV systémy bez sledovače výkonového maxima jsou – jednoduché, levné – neúčinné, neekonomické – i přes optimalizaci
• FV systémy se sledovačem – konkurenceschopnější – špatně řešené zásobníky jsou hlavním problémem – inspirace u solární termických systémů
28
ZÁVĚRY
• využití FV elektřiny pro ohřev vody má smysl – u kombinovaných systémů s měničem – prioritní dodávka elektřiny pro uživatelskou spotřebu (spotřebiče) – přebytky se využijí pro ohřev vody – případně v kombinaci s tepelným čerpadlem – zhodnocení elektrické energie
zdroj: solarcontrols
29
ZÁVĚR
• jednoúčelové FV systémy bez sledovače výkonového maxima • určené pouze pro ohřev vody v zásobníku mají velmi nízkou účinnost. • optimalizací el. odporu lze stávající systémy zlepšit, ale ekonomicky zůstávají nekonkurenschopné tradičním fototermickým systémům.
• FV systémy se sledovačem (MPPT) jsou konkurenschopnější, nicméně nevhodná poloha dohřevu snižuje jejich potenciál.
• Snaha o „spravedlivější“ hodnocení prostřednictvím srovnávání stejně
výkonných systémů (stejný instalovaný výkon) vede sice k identickým tepelným přínosům a stejnému solárnímu pokrytí, avšak o 30 % dražším FV systémem než je fototermický.
• Využití FV elektřiny pro ohřev vody má smysl především u
kombinovaných systémů s měničem pro dodávku elektřiny pro spotřebiče a přebytky využitými pro ohřev vody.
30
Kombinace FV systému a tepelného čerpadla pro účely vytápění a přípravy teplé vody
DŮM
• energeticky pasivní rodinný dům Hamry u Hlinska – tepelná ztráta 4.5 kW, vytápěná plocha 190 m2, objem 935 m3 – potřeba tepla na vytápění 3400 kWh/rok, teplá voda 3060 kWh/rok – podlahové vytápění 40/35 °C, větrací jednotka, atd.
32
DŮM
33
DŮM teplota odběru 45 °C denní množství 206 l/den
34
REFERENČNÍ SYSTÉM
• tepelné čerpadlo se zemním vrtem – TČ země-voda bez regulace výkonu s výkonem 5 kW – kombinovaný zásobník objem 900 l, UA = 3.5 W/K, konvenční trubkový výměník pro TV s plochou 6 m2 – FV systém 6 kWp, sklon modulů = sklon střechy – nabíjení kombinovaného zásobníku – horní část – příprava teplé vody: 50 °C
(požadavek TV 45 °C)
– dolní část – vytápění: podle ekvitermy
35
REFERENČNÍ SYSTÉM 550 kWh
3060 kWh
7040 kWh
3430 kWh
2250 kWh
200 kWh
= 2450 kWh
SPF = 2.7
36
REFERENČNÍ SYSTÉM 550 kWh FV systém
3060 kWh
7040 kWh
3430 kWh
2250 kWh
200 kWh
= 2450 kWh
SPF = ?
37
ANALÝZA REFERENČNÍHO SYSTÉMU + FV SYSTÉM
Varianta bez FV
Varianta 1 kWp (4 moduly)
Varianta 3 kWp (12 modulů)
Varianta 6 kWp (24 modulů)
Spotřeba elektrické energie ze sítě [kWh/rok]
2446
2370
2217
2061
Roční topný faktor systému [-]
2.7
2.7
2.9
3.1
Krytí spotřeby FV elektřinou [%]
-
3
9
16
Využití produkce FV elektřiny [%]
-
8
8
6
Parametr
38
DETAIL LÉTO
39
DETAIL ZIMA
40
ADAPTIVNÍ SYSTÉM
• přizpůsobování provozu systému s TČ produkci FV systému – při překročení prahové hodnoty výkonu FV systému (pro provoz pouze na energii z FV systému) – přestavení termostatu ohřevu zásobníku na vyšší hodnotu = nucené zapnutí tepelného čerpadla – teplo produkované tepelným čerpadlem ze bez použití elektřiny ze sítě akumuluje v zásobníku pro pozdější využití – FV systému 6 kWp, prahová hodnota aktuálního výkonu FV systému pro adaptivní regulaci 2 kW
41
ADAPTIVNÍ SYSTÉM
• varianta FV-TV – v zóně přípravy teplé vody v horní části zásobníku se zvýší požadavek z 50 °C na 60 °C a navíc se jako čidlo ohřevu využije čidlo v blízkosti vratného potrubí (zvětší se ohřívaný objem zásobníku)
• varianta FV-VYT – v zóně ohřevu otopné vody pro vytápění v dolní části zásobníku se zvýší požadovaná teplota na 50 °C
42
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-TV
43
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-TV (LÉTO)
44
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-TV (ZIMA)
45
VÝSLEDKY
Parametr
Spotřeba elektrické energie ze sítě [kWh/rok]
Varianta FV-TV 1622
Roční topný faktor systému [-]
4.0
Krytí spotřeby FV elektřinou [%]
39
Využití produkce FV elektřiny [%]
17
46
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-VYT
47
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-VYT (LÉTO)
48
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-VYT (ZIMA)
49
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-VYT (ZIMA-DENNÍ PRŮBĚH)
50
ADAPTIVNÍ SYSTÉM – VARIANTA FV-VYT (ZIMA-DENNÍ PRŮBĚH)
51
VÝSLEDKY
Varianta FV-TV
Varianta FV-VYT
1622
1555
Roční topný faktor systému [-]
4.0
4.2
Krytí spotřeby FV elektřinou [%]
39
39
Využití produkce FV elektřiny [%]
17
17
Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kWh/rok]
52
SYSTÉM ZERO
• tepelné čerpadlo s venkovním vzduchovým výměníkem a zemním zásobníkem – TČ země-voda s regulací výkonu 1.5 až 5 kW (příkon 0.5 až 1.5 kW) – kombinovaný zásobník objem 900 l, UA = 3.5 W/K, trubkový výměník pro TV s plochou 3 + 6 m2, dělicí plech mezi zónami – FV systém 6 kWp, sklon modulů = sklon střechy – nabíjení kombinovaného zásobníku – horní část
příprava teplé vody: 46/42 °C při provozu FV 60 °C, zvětšení nabíjeného objemu
– dolní část – vytápění: podle ekvitermy
53
SYSTÉM ZERO
54
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
55
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
56
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
57
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
58
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
59
REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH
60
NABÍJENÍ ZÁSOBNÍKU POD BUDOVOU březen
červen
září
prosinec
61
TEPLOTA V ZEMNÍM ZÁSOBNÍKU POD BUDOVOU
62
VÝSLEDKY
• energetická bilance – dodávka do domu: 3430 + 3060 kWh/rok + ztráty zásobník 670 kWh/rok – spotřeba elektrické energie TČ + pomocné – 3558 kWh
+
470 kWh
– využitá elektrická energie z FV systému pro pohon – celková spotřeba el. energie systému
4028 kWh/rok - 2655 kWh/rok 1374 kWh/rok
SPF = 4.7
63
SEZÓNNÍ TOPNÝ FAKTOR SYSTÉMU
64
VÝSLEDKY
Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kWh/rok]
Varianta FV-TV 1374
Roční topný faktor systému [-]
4.7
Krytí spotřeby FV elektřinou [%]
66
Využití produkce FV elektřiny [%]
44
využití OZE 79 % > slíbených 70 % měrná primární energie 22 kWh/m2.rok < 30 kWh/m2.rok 65
BILANCE ELEKTRICKÉ ENERGIE
66
[email protected] 67
