Sistem PV De Asigurare a Independenței Energetice a unei Clădiri de Birouri [305727]

PROIECT DE DISERTAȚIE

SISTEM PV DE ASIGURARE A INDEPENDENȚEI ENERGETICE A UNEI CLĂDIRI DE BIROURI

Program de studii:

Design de produs pentru dezvoltare durabilă și protecția mediului

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]. Ion Vișa Ing. Georgian Bogdan Turtoi

Conf. dr. ing. Macedon Moldovan

Brașov

2018

CUPRINS

CUPRINS

SCOPUL LUCRĂRII 1

1. INTRODUCERE 2

1.1. STANDARDE REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE ÎN CLĂDIRI 2

1.1.1. Clădiri cu consum redus de energie 2

1.1.2. Clădiri cu consum de energie aproape zero din surse convenționale 4

1.2. RAPOARTE PRIVIND CONSUMUL DE ENERGIE ÎN ROMÂNIA 5

1.3. SISTEME PV INTEGRATE ÎN ARHITECTURĂ 7

1.3.1. Sistemele PV ca provocare pentru arhitecți și ingineri 7

1.3.2. Avantajele și potențialul utilizării BIPV 9

1.3.3. Criterii arhitecturale pentru implementarea sistemelor PV în clădiri 10

1.4. BAZELE PROIECTĂRII BIPV 13

1.4.1. Categorii de celule și module PV 13

1.4.2. Materialele pentru celulele solare 14

1.4.3. Categorii de integrare sisteme PV 15

1.4.4. BIPV în mediul construit 18

2. CONCEPTUL UNUI SISTEM DE MODULE FOTOVOLTAICE ON GRID 21

2.1. SCHEMA BLOC SIMPLIFICATĂ A UNUI SISTEM PV 21

2.2. ROLUL COMPONENTELOR COMPONENTE 22

3. MODELAREA MATEMATICĂ A NECESARULUI DE ENERGIE AL UNEI CLĂDIRI DE BIROURI 25

3.1. MODELAREA A NECESARULUI DE ENERGIE 25

3.1.1. Determinarea necesarului de ACM 25

3.1.2. Determinarea necesarului de energie termică Eh 26

3.1.3. Determinarea puterii necesare a pompei de căldură 26

3.1.4. Dimensionarea sistemului fotovoltaic 26

3.2. COMPONENTELE RADIAȚIEI SOLARE SI MODELAREA CESTORA 27

3.2.1. Energia solară disponibilă 27

3.2.2. Modelarea radiației solare directe B 28

3.2.3. Modelarea radiației solare difuze D 30

4. SIMULAREA NUMERICĂ A NECESARULUI DE ENERGIE AL UNEI CLĂDIRI DE BIROURI: STUDIU DE CAZ L7 – ICDT 33

4.1. STABILIREA NECESARULUI DE ENERGIE ELECTRICĂ 33

4.2. EVALUAREA ENERGIEI SOLARE DISPONIBILE CU AJUTORUL METEONORM 39

4.3. EVALUAREA ENERGIEI SOLARE DISPONIBILE ȘI CAPTATE ÎN FUNCȚIE DE LOCAȚIA DE IMPLEMENTARE ȘI DE ORIENTAREA ACOPERIȘULUI CLĂDIRII CU AJUTORUL MODELELOR MATEMATICE. 40

4.4. EVALUAREA NECESARULUI DE ENERGIE TERMICĂ ȘI ELECTRICĂ PENTRU DIMENSIONAREA SISTEMULUI PV 44

4.5. ALEGEREA POMPEI DE CĂLDURĂ 46

4.6. DIMENSIONAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC 47

4.6.1. Alegerea modulului fotovoltaic 47

4.6.2. Alegerea invertorului sistemului fotovoltaic 49

4.7. SCHEMA INSTALAȚIEI SISTEMULUI FOTOVOLTAIC 51

4.8. Determinarea amplasării modulelor PV în funcție de lungimea umbrei (Lu). 52

4.9. MODELARE 3D SISTEM PV AMPLASAT PE TERASA LABORATORULUI L7 54

4.10. SIMULAREA UMBRIRII MODULELOR PV 56

5. TESTAREA EXPERIMENTALĂ: STUDIU DE CAZ L7 – ICDT 60

5.1. DESCRIEREA STANDULULUI EXPERIMENTAL 60

5.2. MĂSURAREA LUNGIMII UMBREI LĂSATE DE UN MODUL PV 63

5.3. Compararea valorilor măsurate cu valorile obținute prin simulare numerică 65

5.4. Descărcare date înregistrate pentru modulul P1.1.17 E 66

6. CONCLUZII 68

BIBLIOGRAFIE 69

[anonimizat], [anonimizat]. Pentru a îndeplinii aceste standarde, o [anonimizat]a dintre alegerile evidente. Construirea sistemelor fotovoltaice integrate în clădiri (prescurtare în engleză: BIPV), în care modulele fotovoltaice sunt integrate în anvelopa clădirilor și care utilizează radiația solară pentru a produce energie electrică, pot reprezenta un instrument puternic și versatil pentru atingerea acestor obiective, atât în ceea ce privește soluțiile estetice, economice cat și tehnice.

Sistemele BIPV pot înlocui materialele și componentele de construcție convenționale din anvelopele clădirilor. Sistemele BIPV sunt considerate ca o parte funcțională a structurii clădirii sau sunt integrate arhitectural în proiectarea clădirii. Prin urmare, sistemul BIPV deservesc simultan ca material de învelire a clădirii și generator de energie.

În studiul de față, este analizat un sistem de tipul BIPV pentru laboratorul 7 al Institutului de Cercetare și Dezvoltare al Universității Transilvania din Brașov, folosind simulări numerice ale radiației solare captate de modulele PV.

Scopul principal al acestui studiu este analiza oportunitătii realizării unui sistem fotovoltaic, pentru producerea de energie electrică în vederea acoperirii necesarului anual de energie electrică al unei pompe de caldură dimensionate pentru încălzire și prepararea apei calde menajere, pentru sistemul de iluminat si pentru aparatura de birou din laboratorul L7. Module fotovoltaice se vor monta fix, înclinate la un unghi optim pe terasa și pe fațada clădiri, pentru a maximiza cantitatea de radiație solară captată.

Pentru dimensionarea sistemului fotovoltaic se evalueaza necesarul de energie electrică al clădirii pe baza unei strategii de utilizare a acesteia, în funcție de gradul de ocupare și de programul de lucru.

În urma acestui studiu se prezintă o soluție de amplasare a sistemului fotovoltaic cu ajutorul careia se poate asigura necesarul anual de energie electrică. Distanăa dintre modulele fotovoltaice a fost optimizată astfel încât să se evite umbrirea reciprocă a modulelor.

INTRODUCERE

STANDARDE REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE ÎN CLĂDIRI

Standardele de clădiri cu consum redus de energie impun cerințe minime de eficiență energetică pentru toate clădirile noi. În multe cazuri, este posibil și fezabil construcția clădirilor cu o eficiență mult mai mare îmbunătățind altfel economia pe termen lung. Nu s-au găsit standarde de clădiri sau standarde energetice în această privință pentru a limita constructorii sau viitorii proprietari pentru a crește eficiența energetică a clădirilor. Dar, totuși, marea majoritate de clădiri noi sunt construite exact cu cerințe minime de eficientă energetică.

Cu toate acestea, unele clădiri vizează standarde de eficiență mult mai mari și printre acestea sunt :

clădiri cu consum de energie redus (LEB);

case pasive (PH);

clădiri cu consum zero de energie din surse convenționale (ZEB);

clădiri cu plus de energie (PEB);

clădiri cu consum aproape zero de energie din surse convenționale (nZEB).

Clădiri cu consum redus de energie

Termenul de clădiri cu consum redus de energie (LEB- Low Energy Building) este în general folosit pentru a indica că o clădire are o performanță energetică mai bună decât clădirile uzuale, sau cerințele eficienței energetice sunt conform standardelor, și , prin urmare, clădirea va avea un consum redus de energie comparativ cu clădirile standard.

Nu există o definiție la nivel global pentru case cu consum redus de energie, deoarece standardele naționale diferă considerabil de la țară la țară.

În unele țări, clădirile cu consum scăzut de energie sunt definite de standarde de construcție sau în raport cu standardul energetic. LEB pot fi definite ca având un consum de energie aproape pe jumătate comparativ cu clădirile standard sau un anumit procent conform standardelor [1][6].

Performanța energetică în clădiri

Nivelul consumului de energie în clădiri este evaluat în prezent prin certificatul de performanță energetică, document care atestă performanța energetică a unei clădiri. Statele membre Uniunii Europene se vor asigura că, la construirea, vânzarea sau închirierea clădirilor, un certificat de performanță energetică este pus la dispoziția proprietarului. Certificatul de performanță energetică a clădirii este valabil 10 ani de la data emiterii.

În România, certificatele de performanță energetică au devenit obligatorii prin legea 372/2005. În figura 1.1.1. este prezentat un model de certificat energetic [2].

Figura 1.1.1. Certificat de performanță energetică [3]

Litera A este atribuită clădirilor cu un consum total de energie ≤ 125 kwh/m2/ an.

Clasele specifice cum ar fi A sau B pe o scară de la A la G sau A+ și A++ sunt folosite pentru a indica că aceste clădiri sunt construcții mai bune decât standardele. Unele țări utilizează întreaga scară pentru a arăta diferența dintre clădirile noi construite utilizând toate literele de la A la G pentru a clasifica clădirile noi.

Clădiri cu consum de energie aproape zero din surse convenționale

Etichetarea clădirilor cu consum de energie aproape zero din surse convenționale (nZEB- Nearly Zero Energy Buildings) v-a fi obligatorie pentru toate clădirile noi începând cu 1 ianuarie 2021 în toate statele membre Uniunii Europene. Pentru a primi eticheta de nZEB, prin designul clădirilor ar trebui să se ia în considerare și măsuri de cost eficiente pentru a atinge performanța energetică ridicată. Ținta este de a reduce consumul de energie pentru încălzire, răcire, ventilare, apă caldă și iluminat, păstrând confortul intern. O mare importanță este acordată producției durabile a energiei necesare, la fața locului sau prin sisteme de energii regenerabile amplasate în apropriere.

Clădirile nZEB au caracteristici speciale ce influențează criterile de design:

formă, orientarea și anvelopa;

zonele funcționale/ camerele în care clădirea de birouri este împărțită;

utilizarea spațiului, programul de lucru, ocuparea;

poluarea aerului și controlul mirosului etc.

În general, în funcție de locația geografică și de caracteristicile descrise mai sus, totalul necesarului de energie în clădirile de birouri variază între 100-1000 kWh/m2. Cu scopul de a atinge statusul de nZEB, această cerere anuală de energie trebuie să fie cât mai mic din punct de vedere economic. În unele state membre ale Uniunii Europene, sunt deja impuse cerințe pentru necesarul de energie anual între 60 și 150 kWh/m2, în funcție de locația geografică și de tipul utilizării [6].

După ce au fost aplicate măsurile necesare reducerii necesarului de energie anual al clădirilor, este necesară proiectarea sistemele de energii regenerabile (SER) pentru a acoperii acest necesar. Scopul proiectării SER este de a acoperii cel puțin 50 % din necesarul de energie [4][6].

RAPOARTE PRIVIND CONSUMUL DE ENERGIE ÎN ROMÂNIA

În România, suprafața construită este de 493 000 000 m2 , din aceasta, 86% fiind reprezentată de clădiri rezidențiale, 14% reprezentând clădiri nerezidențiale. Suprafața totală a clădirilor este de 67 200 000 m2. În tabelul 1.2.1. este reprezentată distribuția fondului imobiliar nerezidențial, clădirile de birouri reprezintă 10 990 000 m2 [7]:

Tabelul 1.2.1. Fondul imobiliar nerezidential in funție de tipul de cladiri [7]

În ceea ce privește eficiența energetică, clădirile educaționale sunt cele mai mari consumatoare de energie (354 kWh/m2/an). În figura 1.2.1. este prezentată performanța energetică și în figura 1.2.2. emisiile de CO2 în funcție de sectorul imobiliar.

Figura 1.2.1. Performanța energetică medie în clădiri [7]

Figura 1.2.2. Indicele mediu de emisii de CO2 în clădiri [7]

Consumul de energie la nivel global, datorat sistemelor de ventilație al clădirilor de birouri, este prezentat în tabelul 1.2.2. :

Tabel 1.2.2. Consumul de energie, în 2012, trilioane BTU*, U.S. EIA

*Btu: British Thermal Unit. 1 Btu= 0,002930 kWh

SISTEME PV INTEGRATE ÎN ARHITECTURĂ

Sistemele PV ca provocare pentru arhitecți și ingineri

Suntem martorii unei schimbări esențiale în gândirea asupra energiei regenerabile. Lumea se confruntă cu schimbări climatice datorită arderii combustibililor fosili. În plus, țările occidentale doresc să devină independente de petrol și gaze livrate. În consecință, guvernele investesc foarte mult pentru cercetare, dezvoltare și demonstrarea avantajelor energiei regenerabile. Evoluțiile actuale arată că sursele de energie regenerabilă, cum ar fi sistemele de energie solară, sunt o alternativă avantajoasă pentru producerea energiei și sunt implementate din ce în ce mai mult în viața de zi cu zi, deoarece sursele convenționale de energie se epuizează, iar preocupările legate de mediu cresc [8].

Sistemele solare devin o parte integrantă a societății noastre și, astfel, a mediului nostru. În diferite țări occidentale, dar și în România, se pot vedea exemple de cantități mari de fotovoltaice implementate în zonele urbane, precum în Freiburg (Germania) și Heerhugowaard (Olanda). Există stimulente mari pentru planificatorii și arhitecții urbani pentru a incorpora fotovoltaicii în designul lor. Unele țări precum Franța vor oferi stimulente suplimentare pentru construirea sistemelor fotovoltaice integrate în clădiri. Noi produse sunt în curs de dezvoltare, dar au nevoie de dezvoltare în continuare pentru a satisface pe deplin arhitectural nevoile clădirilor durabile.

Prin urmare, arhitecții trebuie să se gândească la această nouă arhitectură solară inteligentă. Rolul guvernului în promovarea și susținerea energiei durabile influențează puternic măsura în care aceste sisteme sunt utilizate în clădiri. Interesul deosebit față de PV în Germania, de exemplu, este un rezultat al politicii guvernului german în ceea ce privește sistemele PV și energia regenerabilă în general. În țările cu intervenție guvernamentală mai redusă, utilitățile energetice joacă un rol mai mare. Chiar și fără sprijin financiar, guvernul poate încuraja energia durabilă, de exemplu, solicitând o performanță mai bună pentru clădiri. Prin introducerea unor obiective de performanță, cum ar fi codul olandez al construcțiilor, energia durabilă, energia solară și sistemele PV ar putea fi luate în considerare [8].

Sistemele fotovoltaice integrate în clădiri (prescurtare în limba engleză BIPV) nu numai că produc electricitate, ci fac parte din clădire. De exemplu, un luminator BIPV este o componentă integrată a anvelopei clădirii, precum și un sistem solar fotovoltaic care generează electricitate pentru clădire. Aceste sisteme solare pot avea rolul de materiale de construcție multifuncționale [10].

Figura 1.3.1. Sistem BIPV cu 384 module PV implementat pe fațada complexului de apartamente Hegger Hegger Schleiff’s Aktiv Stadhaus în Frankfurt, Germania [12]

Figura 1.3.2. Sistem 770 module PV implementat pe acoperișul complexului de apartamente Hegger Hegger Schleiff’s Aktiv Stadhaus în Frankfurt, Germania [12]

Fig. 1.3.3. Sistem BIPV implementat pentru complexul Hikari Lyon – France [13]

Avantajele și potențialul utilizării BIPV

Pentru arhitecți, integrarea sistemelor fotovoltaice trebuie să facă parte dintr-o abordare holistică. Un sistem fotovoltaic de înaltă calitate poate oferi o parte substanțială a necesităților energetice ale clădirii dacă clădirea a fost proiectată în mod corect. În general, consumul de energie al clădirilor trebuie să fie redus cu cel puțin 50% în comparație cu o clădire obișnuită, dar ineficient proiectată [8].

Într-o abordare holistică, integrarea unui sistem fotovoltaic nu înseamnă numai înlocuirea unui material de construcție, integrând astfel fizic sistemul fotovoltaic, dar și integrând-o estetic în design. Integrarea preia și alte funcții ale anvalopei clădirii. Montate pe un acoperiș înclinat, de exemplu, sistemele de modulele PV pot face parte din acoperișul clădirii, devenind astfel un înlocuitor.

Instalarea sistemelor fotovoltaice în structura clădirilor prezintă beneficii importante. Nu sunt necesare zone suplimentare, deoarece sistemul solar poate fi montat în sau pe părțile existente ale unei clădiri, cum ar fi un acoperiș sau o fațadă. Prin instalarea sistemelor solare pe acoperișuri înclinate sau pe fațade, pot fi utilizate numai zonele orientate spre sud ale clădirilor. În plus, pentru fiecare dintre conceptele de instalare menționate, este necesar să se ia în considerare posibila umbrire, de exemplu prin arbori sau clădiri învecinate.

Tehnologia BIPV oferă noi posibilități de a incorpora modulele fotovoltaice în estetica, ecologia și economia clădirii. Varietatea de noi culori, modele, forme, sticlă, transparență, și proiectarea modulelor personalizate ne permit să creăm și să livrăm un proiect inovativ eficient din punct de vedere energetic, combinat cu cel mai bun aspect arhitectural (figura 1.3.4) [14].

Fig. 1.3.4. Varietăți de culori și sticlă pentru modulele PV [14]

Criterii arhitecturale pentru implementarea sistemelor PV în clădiri

Aceste criterii arhitecturale se pot împărții în mai multe citerii în funție de modul de integrare al sistemelor PV în structura clădirii.

• Integrarea naturală. Aceasta înseamnă că sistemul PV pare să fie parte componentă a clădirii (Figura 1.3.4.). Sistemul oferă o formă finală clădirii. Sistemul PV nu trebuie să fie atât de evident. În situațiile de renovare, rezultatul ar trebui să pară ca și cum sistemul PV era acolo înainte de renovare [15].

Fig. 1.3.4. Sistem PV integrat în mod natural în structura clădirii. Centru de îngrijire în Marburg, Germania [15].

• Asigurarea arhitecturii. Designul trebuie să fie plăcut din punct de vedere arhitectural (Figura 1.3.5.). Clădirea ar trebui să arate atractivă, iar sistemul fotovoltaic ar trebui să îmbunătățească considerabil designul. Aceasta este o problemă foarte subiectivă, dar nu există nici o îndoială că oamenii găsesc unele clădiri mai plăcute decât altele [16] [11].

Fig. 1.3.5. Designul atriumului pentru Gara TCG din Perpignan, Franța [16]

• Compoziție bună de culori și materiale. Culoarea și textura sistemului fotovoltaic ar trebui să fie compatibile cu celelalte materiale (figura 1.3.6.).

Fig. 1.3.6. Sistem PV cu module transparente implementat pe fațada unei clădiri [17]

• Adaptat structurei clădirii, armonie și compoziție. Dimensiunile sistemului fotovoltaic ar trebui să corespundă dimensiunilor clădirii (figura 1.3.7.). Aceasta va determina numărul modulelor și tipul de conexiune al sistemului PV, în paralel sau serie [11].

Figura 1.3.7. Modalitate de amplasare a sistemului PV în funție de structura clădirii Swiss Tech Convention Center, Elveția [18]

• Corespunde contextului clădirii. Întregul aspect al clădirii ar trebui să fie în concordanță cu sistemul PV utilizat (figura 1.3.8.). Într-o clădire istorică, un sistem PV de tip țiglă va arăta mai bine decât modulele obișnuite. Un sistem fotovoltaic de înaltă tehnologie se va potrivi mai bine într-o clădire de înaltă tehnologie.

Figura 1.3.8. Implementarea unui sistem PV de 9,5 kWp pentru clădire din seco lul 16 din Ales, Franța [19]

• Design inovator. Sistemele fotovoltaice au fost utilizate în mai multe moduri, dar există încă nenumărate moduri noi de a fi dezvoltate. Acesta este cu atât mai mult motiv pentru a lua în considerare și acest criteriu (Figura 1.3.9.).

Figura 1.3.9. Clădirea Federației Coreene de Industrie, Seol, Coreea de Sud [20]

BAZELE PROIECTĂRII BIPV

Categorii de celule și module PV

Există o gamă largă de celule și module PV pe piață. Există diferite tipuri de materiale, tipuri de module, produse laminate înrămate sau neînrămate, culori ale celulelor și culori ale foilor și cadrelor din spate; toate oferă o gamă largă de suprafețe posibile. Aceasta este o cunoaștere foarte importantă pentru arhitecți. Alegerea lor de celule PV monocristaline sau policristaline va depinde de culoare și nu de eficiență [8].

Modulele PV și sistemul de montare sunt elementele unui sistem PV care pot determina imaginea unei clădiri. Un sistem fotovoltaic, în special celulele solare, materialele de înrămare, lipirea, forma modulelor și culoarea celulelor, toate influențează imaginea unei clădiri. Pentru arhitecți și designeri, aceste aspecte sunt mai importante decât eficiența electrică a unui sistem. Efieciența tipică a modulelor solare disponibile în prezent în prezent este prezentată în tabelul 1.4.1:

Tabelul 1.4.1. Eficiența tipică pentru module. Aceste valori sunt obținute în condiții de test standard (1000W/ mp)[9]

Materialele pentru celulele solare

Există mai multe tipuri de materiale cu celule solare: siliciu monocristalin (monocristal) siliciul policristalin, de asemenea, denumit siliciu multicristalin, siliciu amorf, CIGS și telură de cadmiu (CdTe). Caracteristicile lor care influențează implementarea lor în aplicațiile BIPV sunt prezentate pe scurt aici [8].

Celulele monocristaline Si sunt inițial modelate sub forma unor cilindri lungi, apoi tăiați în discuri subțiri (<300 μm grosime). Inițial rotunde, plachetele au adesea tăieturi pentru a crea o placă aproape brută, cu colțuri ușor rotunjite. Aceasta crește densitatea lor de ambalare pe modul. Celulele tipice sunt în prezent 12,5 × 12,5 cm2 și 15,6 × 15,6 cm2 și pot crește pe măsura dezvoltării tehnologiei. Celulele monocristaline au un aspect foarte uniform. Culoarea lor poate fi variată (figura 1.3.4.), dar este de obicei albastru închis sau negru, deoarece aceasta oferă cea mai mare eficiență. Culoarea celulei este determinată de lungimile de undă care sunt reflectate. Cu cât este mai întunecată celula, cu atât mai puțină lumină se reflectă. Prin urmare: mai întunecată înseamnă mai multă absorbție a soarelui de către celula solară. Cu toate acestea, este posibilă proiectarea celulelor cu pierderi reduse de eficiență într-o mare varietate de culori, deoarece culoarea poate fi cauzată de reflectarea unei benzi înguste de lungimi de undă [8].

Modulele de siliciu policristalin sunt fabricate cu un proces cu costuri mai reduse per unitate de suprafață decât celulele de siliciu monocristalin. Ele sunt turnate în lingouri pătrate. După tăiere, plachetele policristaline sunt deja în forma pătrată dorită. În comparație cu celulele monocristaline, celulele policristaline au de obicei o culoare albăstruie și sunt de aceeași mărime, dar sunt ușor mai puțin eficiente și ușor de costuri mai mici. Diferența principală a aspectului dintre celulele mono și poli, în care se văd clistalele de siliciu pe materialul poli, a dispărut după anii 1990 prin aplicarea texturizării acide. Această etapă de proces standard acum are ca rezultat o gravare uniformă a suprafeței de siliciu, îmbunătățește reflexia suprafeței și creează o culoare uniformă întunecată după aplicarea stratului antireflex. Ambele celule mono și poli ale tipurilor mai vechi au rețele metalice pe față într-un model dreptunghiular pentru colectarea energiei electrice și conectarea la celula următoare. Aceste grile nu sunt de obicei vizibile de la câțiva metri distanță. Pe măsură ce se realizează progrese mari în așa-numitele celule solare cu contact pe spate, având contactele necesare la spate, aceste celule nu prezintă grila metalică.

Celulele de siliciu amorf (a-Si) sunt compuse din atomi de siliciu care sunt într-un strat subțire (~ 1 μm) și nu au proprietăți cristaline. Celulele siliciu amorf sunt depozitate pe substraturi, cum ar fi geamurile din sticlă sau rulourile flexibile din oțel inoxidabil sau plastic, oferind o gamă largă de rezistență mecanică, greutate și flexibilitate. Substratul nu este vizibil deoarece este în spatele celulei solare. Celulele au un aspect tipic întunecat tipic. Aceste celule nu au grilă. Suporturile flexibile sunt ideale pentru suprafețele curbate și modulele "pliabile" rulabile. Modulele siliciu amorf au o eficiență mai mică decât modulele mono sau poli, dar o performanță mai bună la temperaturi mai ridicate, așa cum se întâmplă adesea în aplicațiile BIPV.

Alte materiale fotovoltaice subțiri includ în prezent CIGS și CdTe. Ele au un aspect uniform, celula este aproape neagră, care nu se deosebește vizual de modulele Si amorf. Ele au, de asemenea, o eficiență mai scăzută în comparație cu siliciul mono- sau policristalin. Celulele CIGS pot fi montate pe folii flexibile din plastic sau metalice.

Celulele semi-transparente pentru BIPV pot fi fabricate în două moduri. Plăcile de siliciu mono pot avea o serie de caneluri profunde pe fata si pe spate care sunt perpendiculare unele pe altele. În cazul în care se intersectează, lumina va fi transmisă prin găuri. Celulele de Si policristaline cu transmisie a luminii de 2% au fost dezvoltate, dar ar trebui să fie posibile valori mai mari cu ferestre mai mari pentru trecerea luminii solare. O altă abordare este de a realiza straturi foarte subțiri de siliciu amorf pe sticlă cu contacte transparente, astfel încât întregul modul să fie semi-transparent. Cu toate acestea, lumina transmisă va avea o nuanță portocalie sau roșie deoarece partea albastră și verde a spectrului este absorbită în straturile de siliciu. Astfel de module ar putea fi utilizate numai în aplicații în care această culoare a luminii era acceptabilă, cum ar fi trapele pentru automobile. O metodă mai bună este de a îndepărta selectiv o parte din stratul de siliciu amorf folosind ablația cu laser. Transmisia de lumină albă nefiltrată de 5-15% a fost raportată pentru siliciul amorf trasat cu laser în aplicațiile BIPV . Dar modulele cu celule care nu umple tot spațiul pot avea și proprietăți bune pentru lumina care trece prin ea (prin modul nu prin celulă). Aceasta este opțiunea cea mai des utilizată, împreună cu lăsarea spațiului de transmisie a luminii între modulele PV.[9]

Categorii de integrare sisteme PV

Sistemele BIPV în proiecte pot fi împărțite în funcție de locația aplicației: sisteme de acoperiș, sisteme de fațadă, sisteme de construcție a sticlei (atrium) și componente ale clădirilor, cum ar fi sisteme de umbrire. Principalele locuri de montaj sunt acoperișul și fațada clădirii. Există, de asemenea, multe soluții creative disponibile în proiectarea modului în care sistemele fotovoltaice pot fi integrate. Toate aceste soluții sunt grupate ca elemente de construcție [8].

Sisteme integrate în acoperișul clădirilor

Un sistem PV poate fi integrat în acoperiș în mai multe moduri. O alegere este ca sistemul integrat să facă parte din anvelopa clădirii și, prin urmare, o parte a unui strat impermeabil în construcție. La începuturilor implementării BIPV (anii 1990), au fost construite mai multe proiecte de construcție pe baza acestui principiu. Deoarece aceasta este o soluție discutabilă din punct de vedere tehnic, sistemul poate fi montat și deasupra unei folii de acoperiș impermeabile, protejând astfel folia împotriva radiației solare. Acest lucru prelungește durata de viață a foliei. Deși aceasta este o opțiune mai sigură, nu există nici un risc, deoarece stratul impermeabil trebuie să fie străpuns pentru a monta sistemul pe acoperiș. Acest tip de sistem este disponibil și pentru acoperișuri plate. Utilizarea modulelor fotovoltaice pentru acoperirea acoperișului reduce cantitatea de materiale de construcție necesare, ceea ce este foarte favorabil unei clădiri durabile și poate contribui la reducerea costurilor de construcție [11] [1].

Figura 1.4.1. Insalarea unui modul PV cu izolație integrată [21]

Pe lângă acoperirea întregului acoperiș cu module, există, de asemenea, numeroase alternative pentru utilizarea la scară mică, de exemplu, șindrile PV (fig. 1.4.2.). și plăci (fig. 1.4.1.).

Figura 1.4.2. Insalarea modulelor PV de tipul șindrilă [21]

Modulele transparente PV utilizate ca materiale de acoperiș servesc ca bariere împotriva apei și barierelor solare și transmit, de asemenea, lumina zilei (Figura 1.3.5. și figura 1.3.6.). În zonele acoperite cu sticlă, cum ar fi spațiile de sunet și atriumurile, este necesară protecția solară pe acoperiș pentru a evita supraîncălzirea în timpul verii. Celulele PV absorb 70-80% din radiațiile solare. Spațiul dintre celule transmite suficientă lumină difuză pentru a atinge un nivel de iluminare plăcut în zonă [1].

Sistemele PV implementate în fațada clădirilor

Fațadele sunt construite în principal prin elemente de zidărie sau construcții din beton, elemente prefabricate sau fațade metalice structurale montate pe poziție. Această placare poate fi din lemn, plăci metalice, panouri, module din sticlă sau PV. Pentru clădirile de birouri de lux, care au adesea placări scumpe, placarea cu module PV nu este mai scumpă decât alte materiale utilizate în mod obișnuit, de exemplu, piatră naturală și sticlă specială scumpă. Această acoperire costă în jur de 200 euro / m2, ceea ce reprezintă în prezent mult mai mult decât costul modulului PV. [11].

Sisteme PV în componența clădirii

Fațadele sunt foarte potrivite pentru toate tipurile de dispozitive de umbrit, jaluzele și copertine. Există o combinație logică între umbrirea unei clădiri pe timpul verii și producția de energie electrică în același timp. Arhitecții recunosc acest lucru și multe exemple de sisteme de umbrire PV pot fi văzute în întreaga lume (Figura 1.4.3. ). O terasă cu un acoperiș pe partea însorită a unei clădiri este un loc bun pentru sistemele BIPV oferind astfel o umbră, protecție împotriva ploii, precum și a energiei electrice.

Figura 1.4.3. Soluție pentru urilizarea modulelor PV ca și umbritoare [23]

BIPV în mediul construit

4 Times Square

Descriere

Cel mai înalt zgârie-nori construit în New York în anii 1990, acest turn de birou cu 48 de etaje de pe Broadway și strada 42 este un mod oarecum neobișnuit, dar impresionant, de a demonstra tehnologiile "verzi". Dezvoltatorii săi, organizația Durst, doresc să demonstreze că o gamă largă de strategii durabile de construcție și eficiență energetică pot și ar trebui să fie incluse în practicile imobiliare. Arhitecți Kiss și Cathcart, sunt consultanți pentru sistemul BIPV de tip "state-of-the-art" din turnul clădirii. Lucrând în colaborare cu Fox și Fowle, arhitecții pentru clădirea de bază, Kiss și Cathcart au proiectat sistemul BIPV să funcționeze ca o parte integrantă a peretelui cortină al turnului. Această dublă utilizare o face să fie una dintre cele mai economice magistrale solare instalate vreodată într-o zonă urbană. Energy Photovotaics, Inc., Princeton, New Jersey, au dezvoltat module personalizate PV pentru a îndeplini criteriile estetice, structurale și electrice riguroase. Avantajele în ceea ce privește eficiența fotovoltaică contrazic aceste ipoteze, permițând electricității solare să fie generată eficientă d.p.d.v al costurilor, chiar și în inima orașului. De fapt, PV este cel mai practic mijloc de generare a energiei regenerabile într-un mediu urban. Ca prima aplicație comercială majoră a BIPV în Statele Unite, 4 Times Square punctează calea spre producția pe scară largă a energiei solare în punctul de utilizare cel mai mare.

Figura 1.4.4. Modulele BIPV au fost integrate în fațada clădirii în locul fațadelor clasice din sticlă [24]

Consideratii speciale de design

Fațadele de la Sud și Est de la etajul 37 până la etajul 43 au fost desemnate ca loc pentru "fațada" fotovoltaică. BIPV a fost încorporat în proiect după ce aspectul general al turnului a fost deja hotărât, astfel încât instalarea a fost făcută pentru a se armoniza cu conceptul de design stabilit.

Configurarea sistemului PV

Modulele fotovoltaice înlocuiesc sticla convențională în fațadele din sud și est. Există patru module de dimensiuni diferite, care corespund dimensiunilor plăcilor de sticlă stabilite anterior în procesul de proiectare.

Sistemul electric de ieșire proiectat: 13,800 kWh / an

Suprafață totală PV: 944 m2

Greutate PV: 0,56 kg/m2

Tipul modulelor fotovoltaice: siliciu amorf

Eficiența modulului PV: 6%

Modulul de montare PV și detaliile sistemului

Modulele fotovoltaice sunt atașate la structura clădirii exact în același mod în care este atașată o sticlă standard. Unitățile de sticlă sunt atașate cu adeziv silicon pe marginea posterioară a unui cadru din aluminiu. Un strat de silicon suplimentar este introdusă între marginile panourilor adiacente ca o garnitură pentru apă. Există un sistem electric separat pentru fiecare fațadă. Fiecare sistem este format din două subsisteme, alimentând două invertoare de 6 kW și un invertor de 4 kW. Invertoarele mai mari servesc cele două sisteme de module PV de dimensiuni mari, care au caracteristici electrice diferite de cele mai mici. Utilizarea mai multor invertoare permite sistemului să funcționeze mai eficient. Invertoarele sunt situate într-un singur dulap electric în centrul clădirii. Ieșirea de curent alternativ a invertoarelor este transformată de la 120 V la 480 V înainte de a fi introdusă în coloana principală electrică [10].

CONCEPTUL UNUI SISTEM DE MODULE FOTOVOLTAICE ON GRID

SCHEMA BLOC SIMPLIFICATĂ A UNUI SISTEM PV

Sistemele PV conectate la rețeaua națională de electricitate sunt acele sisteme în care energia produsă de modulele PV este convertită în electricitate AC și se folosește direct sau este injectată în rețeaua națională. O schema bloc simplificată este reprezentată în figura 2.1.

Fig. 2.1. Schema bloc simplificată a unui sistem PV On-grid

Componente:

Modul PV

Separator CC

Invertor

Separator AC

Bloc de măsură

Consumatori finali

Contor electronic monofazat (bidirectional)

Rețeaua națională de electricitate

ROLUL COMPONENTELOR COMPONENTE

Sistemele fotovoltaice pot fi simple, cum ar fi sisteme cuplate direct cu câteva componente, altele decât modulele, firele și conexiunile la o sarcină intermitentă. Cele mai multe, totuși, au în componență un set de componente asociate concepute pentru a extrage energia maximă din modulele fotovoltaice și pentru a furniza în mod fiabil și sigur această energie la sarcina dorită. În timp ce componentele specifice variază de la aplicație la aplicație, unele componente sunt comune celor mai multe aplicații, în special în cadrul sistemelor legate direct la rețeaua națională de electricitate. Mai departe sunt descrise componentele utilizate în mod obișnuit într-un sistem de module PV.

Modulul fotovoltaic

PV este tehnologia care generează curent electric continuu (CC), măsurat în watt (W) sau kilowatt (kW) de la semiconductori atunci când sunt iluminați de fotoni. Atâta timp cât celula solară captează energie solară, aceasta generează energie electrică. Când se oprește lumina, energia electrică se oprește. Celulele solare nu necesită niciodată o reîncărcare ca o baterie.

Pentru aplicații practice, un anumit număr de celule solare sunt interconectate și încapsulate în unități numite module fotovoltaice (fig. 2.1.). Ele produc curent continuu, care de obicei se transformă în curent alternativ printr-un dispozitiv electronic numit invertor. Majoritatea modulelor solare de pe piața de astăzi sunt fabricate din celule solare cristaline (c-Si). Aproximativ 10% sunt fabricate din așa numitele celule solare de film subțire (TFSC), cuprinzând în realitate o varietate de tehnologii: siliciu amorf (a-Si), diselenă de indiu de galiu de cupru (CIGS, Cu (InGa) S2, telură de cadmiu (CdTe). Există, de asemenea, o piață incipientă de module fotovoltaice cu concentrator (CPV) în care celulele solare primesc o intensitate ridicată a luminii solare concentrată de concentratori din lentile sau oglinzi. Motivația tuturor acestor tehnologii este: reducerea costurilor modulului în comparație cu tehnologia dominantă Si.

Figura 2.2. Exemplu de modul fotovoltaic [24]

Invertorul

După module PV și uneori după structura sistemului PV, invertoarele (fig. 2.2.) sunt următorul element cel mai important d.p.d.v. al costului echipamentului unui sistem fotovoltaic. De exemplu, invertorul reprezintă în mod tipic 5-10% din costul total al sistemului pentru un sistem pe grilă la scară comercială și 15-25% din costul total al sistemului pentru un sistem rezidențial off-grid.

Funcția de bază a invertorului este de a converti puterea de cc produsă de modulele fotovoltaice la puterea de curent alternativ pentru sarcinile electrice ale sistemului. Acest lucru se realizează prin utilizarea circuitelor electronice de putere bazate pe tranzistori. Tranzistorii de putere sunt porniți și opriți la o frecvență înaltă, într-un mod care atrage energia de la modulele fotovoltaice la punctul lor de putere maximă și trece puterea la rețeaua AC (pentru sistemele on grid) sau la sarcinile locale – sisteme off-grid).

Figura 2.3. Exemplu de invertor electric [25]

Separatoarele de CC și CA

Rețeaua de module PV este conectată la invertor printr-un separator de curent continuu. În mod similar, un separator de curent alternativ se află între ieșirile CC (fig. 2.3.a) ale invertorului și rețeaua de CA (fig. 2.3.b.) . Aceste separatoare permit ca întreținerea și reparațiile să se desfășoare în siguranță cu componentele invertorului dezactivate. Întrerupătoarele de deconectare sunt adesea integrate în carcasa invertorului. Există, de asemenea, dispozitive de protecție pentru supra tensiune atât pe partea CA, cât și pe partea CC. Acestea sunt arătate ca siguranțe, dar această funcție poate fi realizată și cu întrerupătoare de circuit. Protecția suplimentară este în mod obișnuit inclusă pe laturile CA și CC pentru suprimarea tranzitorie a supratensiunii, cum ar fi tensiunile induse de fulgere. (1)

Fig. 2.4. Separator de a) curent continuu [26] și b) current alternativ [27]

Bloc de măsură

Pentru a cunoaște cantitatea de energie produsă de sistemul fotovoltaic este necesar un bloc de măsură ( contor electric), înainte de a face legătura cu rețeaua electrică locală.

Contor electronic monofazat (bidirectional)

Pentru a înregistra cantitatea de energie electrică produsă de sistemul fotovoltaic, ce a fost injectată în rețeaua națională de electricitate, cât și cantitatea de energie electrică ce a fost consumată din rețeaua națională, este necesară instalarea unui contor electric bidirecțional.

MODELAREA MATEMATICĂ A NECESARULUI DE ENERGIE AL UNEI CLĂDIRI DE BIROURI

MODELAREA A NECESARULUI DE ENERGIE

Pentru evaluarea necesarului de energie electrică al unei clădiri de birouri se va calcula necesarul total de energie, reprezentând suma dintre energia termică și energia electrică utilizată de consumatorii electrici ai clădirii :

Ee=Ec+ 25%*Et [kWh] (3.1.)

În care:

Ec reprezintă energia electrică necesară pentru consumatorii electrici și se calculează prin relația:

Ec= ΣPi* Ni* ti (3.2.)

În care :

Pi este puterea consumatorului i

Ni este numărul de consumatori de acelasi tip i

Ti este timpul de funtionare al consumatorilor de acelasi tip i

Necesarul de energie termică va fi asigurat cu ajutorul unei pompe de căldură. Necesarul de energie electrică al pompei de căldură reprezintă 25% din energia termică necesară (Et).

Et=EACM+Eh [kWh] (3.3.)

În care:

EACM este energia folosită pentru preparare apă caldă menajeră

Eh este energia folosită pentru încălzire

Determinarea necesarului de ACM

Necesarul de energie termică pentru prepararea apei calde menajere depinde de numărul utilizatorilor din clădire și de tipul activității desfășurate în clădire și se calculează prin relația Ec (3.4.).

EACMzi=p*q*ρ*c*(tac-tar)/3600000 [kWh/zi] (3.4.)

În care :

p este numărul utilizatorilor de apă caldă menajeră

q este necesarul specific de apă caldă menajeră conform anexelor 1 și 3 din Normativul I9-2015 [litri/pers/zi] [28]

ρ este densitatea apei [kg/m3]

c este căldura specifică a apei [J/kg*K]

tac reprezintă temperatura de preparare a apei calde [°C]

tar reprezintă temperatura apei reci [°C]

Determinarea necesarului de energie termică Eh

Necesarul anual specific de energie termică pentru încălzirea spațiilor se va determina prin Ec (3.5.)

Ehan= ehan* Su [kWh/m2/an] (3.5.)

În care :

ehan reprezintă necesarul anual specific de energie termică. Pentru ICDT, în urma monitorizării datelor s-a arătat că acesta are o valoare medie de 65 kWh/m2/an

Su reprezintă suprafața utilă a clădirii

Determinarea puterii necesare a pompei de căldură

Necesarul de energie termică și ACM v-a fi asigurat cu ajutorul unei pompe de căldură. Determinarea puterii necesare pentru aceasta se va face prin următoarea relație:

PnPC=Et/N/12 [kW] (3.6.)

În care :

N este numărul de zilei din luna de calcul

12 este valoarea medie a orelor de funcționare a pompei de căldură pe zi

Dimensionarea sistemului fotovoltaic

Puterea electrică produsă de sistemul fotovoltaic se determină în funcție de eficiența de conversie a sistemului fotovoltaic (ηSPV) și de suprafața acestuia (SPV) cu relația:

Ppv = ηspv · EGH · SPV (3.7.)

În care:

EGH reprezintă intensitatea radiației solare globale captate la nivelul solului în plan orizontal pe an

Suprafața sistemului PV se calculează prin următoarea relație:

Sspv= Ee/(EGN* ηSpv ) (3.8.)

În care:

EGN reprezintă intensitatea radiației solare globale captate la nivelul solului anual

EGN și EGH sunt definiți prin Ec (3.22.) și Ec (3.25.)

ηSpv reprezintă eficiența sistemului fotovoltaic ce se calculează prin relația :

ηSpv= ηpv*ηinv*ηretea (3.9)

În care:

ηpv reprezintă eficiența de captare a modulului fotovoltaic

ηinv reprezintă eficiența de conversie a curentului continuu în curent alternativ a invertorului

ηretea reprezintă pierderile cauzate de rețea și este egală cu 90 %

Numărul de module fotovoltaice se va determina cu relația:

NPV= SSPV/ SPV (3.10.)

Dimensionarea invertorului

Alegerea invertorului sistemului fotovoltaic se va face în funție de puterea modulelor PV și de numărul acestora.

Pinv=Ppv* NPV (3.11.)

COMPONENTELE RADIAȚIEI SOLARE SI MODELAREA CESTORA

În spațiul cosmic radiația solară nu îsi pierde din intensitate,iar până la atmosfera terestră este numită constantă solară ISC și prezintă o valuare medie de 1367 W/m2. O dată cu traversarea stratului atmosferic, interaționăand cu diferite particule, ajunge pe suprafața Pământului aproximativ 50% din totalul radiației solare.

Energia solară disponibilă

Energia solară disponibilă se calculează în Ec (3.12.):

EG= [Wh/m2] (3.12.)

în care:

G este intensitatea radiației solare globale disponibile pe direcția Soarelui și se calculează prin relația

G=B+D [W/m2] (3.13.)

În care:

B este intensitatea radiației solare directe pe direcția Soarelui

D este intensitatea radiației solare difuze pe direcția Soarelui

Modelarea radiației solare directe B

Dintre modelele existente în literatura de specialitate pentru estimarea intensității radiației solare disponibile, modelul recomandat de Serviciile meteorologice Germane pentru calcul a radiației solare (Kleemann și Meliss, 1993) care calculează radiația extra-terestră (I0) printr-un factor de corecție în funcție de latitudine (ϕ) aplicat la constanta solară Isc , urmată de estimarea radiației fascicolului bazat pe facorul de turbiditate TL și unghiul de altitudine solară, α așa cum este prezentat în Ec.(3.13.) [30]

B=B0 * exp (-TL/(0.9+9.4 *sin α)) [W/m2] (3.14.)

în care:

TL este factorul de turbinitate specific locației observatorului prin care se estimează pierderea de radiație solară directă o dată cu traversarea stratului atmosferic, în premisa absenței norilor, cauzată de concentrația de particule materiale și vapori de apă din stratul atmosferic, tab. 3.1.

Tabelul 3.1. Valorile TL pentru zona Brașov, România măsurate pe baza valorilor maxime ale radiației directe

B0 este radiația solară extraterestră care se calculează cu relația:

B0=1367 *[1+0.0334 *cos (0.9856 * N-2.72)] [W/m2] (3.15.)

I0 = 1367*[1+ 0.0334*cos ( 0.9856*N – 2.72)] (3.16.)

în care:

N reprezintă numărul zilei de calcul începând cu 1 Ianuarie ca prima zi

Unghiul de elevație α este format între raza solară și planul vertical Est-Vest și se calculează pe baza ecuației (3.17.):

α = asin*(cosω * cosδ *cosϕ + sinδ *sinϕ) (3.17.)

în care:

ω este unghiul orar și esste calculat prin Ec (3.18.)

δ este unghiul de declinație si este calculat prin Ec (3.19.)

ϕ reprezintă latitudinea.

În lucrarea de față latitudinea Institutului de Dezvoltare și Cercetare, latitudinea conform aplicației Google Maps este 45,67° N

Figura 3.1. Reprezentarea schemei unghiului solar de elevație

Unghiul orar ω ° este folosit pentru a descrie mișcarea Pământului în jurul propriei axe și reprezintă unghiul dintre meridianul observatorului și meridianul al cărui plan conține Soarele. Acest unghi are valorile cuprinse între -180° și +180°, acesta determinându-se cu Ec (3.18.)

ω = 15° *(12 – ts) (3.18.)

În care:

ts reprezintă timpul solar

Unghiul de declinație δ°, conform figurei 3.2. reprezintă unghiul dintre planul Ecuatorului și linia Pământ-Soare. Se poate observa că, acest unghi variază între -23.45° la solstițiul de iarnă și +23.45° la solstițiul de vară, iar la echinocții (durata zilei este egală cu cea a nopții) aceasta este 0°. Literatura de specialitate propune pentru determinarea declinației următoarea următoarea relație de calcul:

δ = 23.45 ° * sin (3.19.);

Figura 3.2.Unghiurile solare in sistem ecuatorial (ungiul orar- ω și unghiul de declinație- δ)

Modelarea radiației solare difuze D

Intensitatea radiației solare difuze în condiții de cer senin (D) variază continuu de la rasărit până la apus din cauza mișcării de rotație a Pământulu în jurul axei proprii

D=DH*(1+sin α)/2 [W/m2] (3.20.)

În care:

DH este intensitatea radiației solare difuze în plan orizontal și se calculează prin relația:

DH=CD*(B0-B)* sin α= Dmax (3.21.)

În care:

CD reprezintă factorul radiației difuze

Tabelul 3.2. Valorile medii lunare pentru CD caracteristic zonei Brașov, România

Modelarea radiației solare captate

Energia solară captată se calculează cu relația:

EGN= [Wh/m2] (3.22.)

Intensitatea radiației solare globale captate la nivelul solului (Gn) variază continuu de la răsărit până la apus din cauza mișcării de rotație a Pământului în jurul axei proprii.

Gn= Bn+Dn [W/m2] (3.23.)

În care:

Bn este intensitatea radiației solare directe captate de un modul PV

Dn este intensitatea radiației solare difuze captate de un modul PV

Intensitatea radiației solare difuze captate de un modul PV se calculează prin Ec (3.24.)

Dn= DH*(1+sin αn)/2 [W/m2] (3.24.)

Intensitatea radiației solare globale captate la nivelul solului în plan orizontal (GH)

GH= BH+DH [W/m2] (3.25.)

în care:

BH este intensitatea radiației solare captate în plan orizontal și se calculează prin relația

BH= B*sinα [W/m2] (3.26.)

Radiația solară directă captată de sistemul fotovoltaic se calculează cu relația:

Bn=B · cos v [W/m2] (3.27.)

în care:

v este unghiul de incidență dintre raza solară și normala modulului fotovoltaic care se calculează cu relația:

ν = arccos (cos α · cos αn· cos (ψ-ψn)+ sin α · sin αn) [°] (3.27.)

în care:

αn [°] este unghiul de elevație și este unghiul dintre normala modului PV și planul orizontal

n = 90° – χ (3.28.)

ψn [°] este unghiul azimutal și reprezintă unghiul dintre proiecția normalei modului PV în planul orizontal și direcția Sud

χ reprezintă unghiul de înclinare al modului PV față de planul orizontal (acoperișul).

Figura 3.3. Schema de calcul a unghiului de elevațien

Figura 3.4. Schema de calcul a unghiului azimutal unde n este proiecția modulului în plan orizontal, iar Ψn unghiul azimutal al modulului PV

Pentru a determina amplasarea modulelor PV și a numărului maxim al acestora pe acoperișul Laboratorului L7 al Institutului Cercetare și Dezvoltare din Brașov în funcție de umbrele lăsate de razele solare s-au efectuat o serie de calcule.

Figura 3.5. Schema de calcul pentru determinarea amplăsrii modulelor PV în funcție de umbrele lăsate de razele solare

BD = BC cos χ ° (3.29.)

CD = BC sin χ ° (3.30.)

αn = determinat din simulări numerice

Pentru determinarea laturii AD din figura 3.6. ce reprezintă lungimea umbrei pe planul orizontal, se va utiliza relația de calcul (3.31.):

Lu= BC*sin χ °*(cos ψ°/tgα°) (3.32.)

Figura 3.6. Schema de calcul pentru determinarea amplasării modulelor PV în funcție de umbrele lăsate de razele solare, luându-se în calcul unghiul azimutal ψ

SIMULAREA NUMERICĂ A NECESARULUI DE ENERGIE AL UNEI CLĂDIRI DE BIROURI:
STUDIU DE CAZ L7 – ICDT

STABILIREA NECESARULUI DE ENERGIE ELECTRICĂ

Simularea necesarului de energie electrică este făcut pentru laboratorul 7 din cadrul Institutului de Cercetare și Dezvoltare al Universității Transilvania din Brașov (ICDT). Suprafața totală a laboratorului este de 1350 m2. Nivelurile demisol și parter sunt destinate cercetării, iar etajul 1 este dedicat pentru birourile cercetătorilor și birouri [6].

ICDT este construit la periferia orașului Brașov (45.65°N, 25.59°E, 600 m deasupra nivelului mării) și a fost conceput de la început ca și clădire cu consum redus de energie (LEB). Toți consumatorii electrici din clădire sunt eficienți energetici.

Utilizarea clădirii este în general pentru activități de birou cum ar fi cititul, scris și lucrat pe calculator.

Pentru a determina consumul de energie electrică se va propune o strategie de funcționare al ilmuninatului și al aparaturii de birou pentru un program de lucru de la ora 8:00 până la ora 17:00, cu pauză de masă de o oră.

Se presupune că gradul de ocupare al clădirii este de 54 de persoane. Pentru determinarea necesarului de energie vor fi luate în calcul doar zilele lucrătoare din anul 2018, în total 249 de zile din 365 pe an.

Strategia de funcționare a clădirii presupune ca din cele 54 de persoane, 6 persoane vor lucra pe toată perioada programului de lucru la etajul 1 în birourile numerotate cu 2,3,4,5,6 și 8, reprezentate în figura 4.3., 32 de persoane vor lucra jumătate din timpul de lucru în Open Office-ul (1) de la etajul 1, apoi pentru restul de timp 16 persoane din acestea vor efectua cercetare la parter (figura 4.2.), iar restul de 16 persoane vor efectua cercetare pe standurile experimentale de la subsol (figura 4.1.). Restul de 16 persoane sunt studenți sau vizitatori.

Acesta clădire este dotată de asemenea și cu imprimante, care nu vor funcționa după un program prestabilit, dar și cu sisteme de măsurare, monitorizare și securitate care pot funcționa 24/7. Necesarul de energie electrică pentru aparatura destinată cercetării nu va fi luată în considerare, având în vedere că presupune un consum foarte mare de energie electrică.

În figura 4.1. este reprezentat releveul pentru demisol cu numerotarea pentru fiecare cameră, iar în tabelul 4.1. este dimensionat consumul de energie pentru acest nivel. Pe baza strategiei de funcționare a laboratorului a fost obținut un necesar de energie electrică pentru consumatorii acestui nivel egal cu 1916 kWh/an. Acest necesar de energie nu include și necesarul de energie electrică pentru echipamentele de cercetare, acestea având un consum prea mare pentru a fi asigurat printr-un sistem obișnuit de sistem PV.

Figura 4.1. Releveu demisol- laboratorul L7 ICDT

În figura 4.2. este reprezentat releveul pentru parter cu numerotarea pentru fiecare cameră, iar în tabelul 4.2. este dimensionat consumul de energie pentru acest nivel. Pe baza strategiei de funcționare a laboratorului a fost obținut un necesar de energie electrică pentru consumatorii acestui nivel egal cu 6954 kWh/an. La acest nivel sunt prezente echipamente de monitorizare cu program de funcționare de 24/7.

Figura 4.2. Releveu parter-laboratorul L7 ICDT

În figura 4.3. este reprezentat releveul pentru parter cu numerotarea pentru fiecare cameră, iar în tabelul 4.3. este dimensionat consumul de energie pentru acest nivel. Pe baza strategiei de funcționare a laboratorului a fost obținut un necesar de energie electrică pentru consumatorii acestui nivel egal cu 5021 kWh/an.

Figura 4.3. Releveu etaj -laboratorul L7 ICDT

În urma determinării necesarului de energie electric pe fiecare nivel, s-a determinat necesarul total de energie electrică pentru consumatori Ec= 14090 kWh/an. Putem determina necesarul electric pe m2 împărțind necesarul la 1350 m2, reprezentând suprafața totală a laboratorului L7. Astfel obținem un necesar de 10,44 kWh/m2/an ce se încadrează în standardele de clădire cu consum redus de energie electrică.

EVALUAREA ENERGIEI SOLARE DISPONIBILE CU AJUTORUL METEONORM

Primul factor care influențează eficiența sistemului fotovoltaic este locația de amplasare caracterizată de: energia solară disponibilă anual, forma și orientarea clădirii, înclinarea suprafeței de montare a sistemului PV.

Cu ajutorul aplicației Meteonorm [17] pentru locația clădirii amplasate la latitudinea de 45,67° N în Brașov se obțin valorile lunare ale energiei solare disponibile, temperaturii aerului exterior și vitezei vântului, prezentate în tabelul 4.4.

Tabel 4.4. Date meteo pentru localitatea Brașov conform Meteonorm.

Variația lunară a parametrilor meteo pentru locația de implementare este prezentată în Fig. 4.4.

Tabel 4.6. Energia solară disponibilă și captată lunar în BRAȘOV de un modul PV dispus la înclinația αn = 50° și ψn = 0°

Figura 4.7. Curbele de variație ale energiei solare disponibile și captate lunar în BRAȘOV de un modul PV dispus în planul înclinat având αn = 50° și ψn = 0°

În general, pentru a se determina unghiul optim de înclinare al unui modul PV, se va lua în calcul radiația solară directă captată în planul modulului PV, dar conversia energiei solare în energie electrică se va face prin captarea energiei solare globale.

Pentru a determina unghiul optim de înclinare al modulului PV, se vor compara valorile modelate numeric pentru energia solară directă în planul modulului PV pe timpul unui an, înclinat la diverse valori αn (Tab. 4.7.), cu valorile descărcate din Meteonorm pentru energia globală captată de modulul PV pentru valori similare de ale unghiului de înclinare din tabelul 4.7.

Tabel 4.7. Energia solară directă captată în planul modulului PV pe timpul unui an, înclinat la diverse valori αn

Tabel 4.8. Parametrii din Meteonorm pentru energia solară disponibilă în planul modulului PV pe timpul unui an, înclinat la diverse valori χ

În urma comparării datelor obținute, valoarea maximă a energiei solare captate în planul modulului PV este obținută la valoarea unghiului de elevație αn=50 ° (tabelul 4.7.), unghiul de înclinare al modulului PV față de planul orizontal fiind χ=40 °(tabelul 4.8.).

EVALUAREA NECESARULUI DE ENERGIE TERMICĂ ȘI ELECTRICĂ PENTRU DIMENSIONAREA SISTEMULUI PV

Necesarul total de energie electrică reprezintă suma dintre necesarul de energie electrică al consumatorilor din clădire și 25% din necesarul de energie termică.

Pentru acoperirea a 100% din necesarul de energie electrică și termică al clădirii conform tab. 4.8. sunt necesare: două pompe de căldură Hiseer BHP20/B de 19.5KW [20] și 96 module fotovoltaice Solimpeks PV SOL60S de 280W [21] montate în plan înclinat sau 132 module PV montate în plan orizontal, ale caror caracteristici sunt prezentate în subcapitolul 4.5. și 4.6.

Tabel 4.6. Predimensionare SER pentru acoperirea a 100% din necesarul de energie al clădirii

Tabel 4.6. Predimensionare SER pentru acoperirea a 100% din necesarul de energie al cladirii (continuare)

Tabel 4.6. Predimensionare SER pentru acoperirea a 100% din necesarul de energie al clădirii (continuare)

ALEGEREA POMPEI DE CĂLDURĂ

Pompa de căldură este dimensionată în funcție de necesarul total de energie termică Et=98409 kWh/lună și de timpul de funcționare a acesteia. Se va lua în considerare timpul mediu de funcționare zilnic fiind de 12 ore, având în vedere că există perioade de repaus când nu este necesară energie termică.

Puterea necesară calculată a pompei de căldură este de 57.17 kW. Pentru această putere se va alege o pompă mai mică ca și putere. Cazul favorabil este de 2 pompe de căldură Hiseer BHP20/B de 19.5KW (fig. 4.8.) cu specificațiile tehnice prezente în tabelul 4.7 [33].

Figura 4.8.Vedere frontală a) și vedere interioară b) pompă de căldură model Hiseer BHP20/B de 19.5KW [20]

S-au luat în considerare instalarea a două pompe de căldură având în vedere că la pornirea pompei este un consum mare de energie electrică. În perioadele reci cu necesar mare de energie termică se vor folosi simultan ambele pompe, iar în perioadele cu un necesar redus de energie termică se va folosi doar o pompă de căldură pentru a economisi astfel energie electrică.

Tab 4.7. Specificații tehnice pompă de căldură model Hiseer BHP20/B de 19.5KW

DIMENSIONAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC

Alegerea modulului fotovoltaic

Pentru a asigura necesarul de energie electrică total de 39741 kWh/an (tab. 4.6.) se vor utiliza module model PV SOL60S – 280W (fig. 4.9.), marca producătoare Solimpeks [21].

Figura 4.9. Modul PV Solimpeks PV SOL60S – 280W

Figura 4.10. Specificații mecanice modul PV Solimpeks PV SOL60S – 280W

Tab. 4.8. Specificații tehnice modul PV Solimpeks PV SOL60S – 280W

Instalarea modulelor PV se poate face după două variante. Prima variantă este instalarea modulelor în plan orizontal, rezultând suprafața de instalare de 216 m2, astfel fiind necesare 132 de module PV cu suprafața de 1,63 m2. A doua variantă este pentru motarea modulelor PV înclinate față de planul orizontal cu χ=40°. Astfel pentru a se asigura necesarul total de energie electrică fiind necesară o suprafață de 156 m2, rezultând 96 de module PV Solimpeks PV SOL60S – 280W.

Soluția optimă din puncte de vedere al costului și reducerea spațiului de instalare fiind montarea modulelor înclinat.

Tensiunea în circuit deschis (tab. 4.8.) este necesară pentru determinare numărului de module în serie și în paralel.

Alegerea invertorului sistemului fotovoltaic

Puterea invertorului este aleasă în funcție de numărul de module fotovoltaice și de puterea acestora. Astfel pentru 96 de module cu o putere de 280 W, puterea invertorului se va calcula cu relația (3.10).

Pinv=Ppv* NPV = 280 W* 96 buc.=26880 W

Pentru puterea invertorului necesară de 26880W se va alege un invertor Fronius model Eco 27.0-3-S cu o putere de 27 kW (fig. 4.11.) [22].

Figura 4.11. Invertor Fronius model Eco 27.0-3-S

Conform specificaților tehnice ale invertorului (tab. 4.9.), tensiunea maximă la care poate fi supus este de 1000 V. Acest parametru este foarte important în alegerea numărului de șiruri de module PV.

NPvserie=Umaxinv/Voc=1000/38,8= 25,7 buc

În urma calculului au rezultat 4 șiruri de module PV montate în paralel. Tensiunea maximă pe un șir este :

Ușir=24 buc* 38,8 V= 931V < 1000 V (tensiunea maximă invertor).

Tabel 4.9. Specificatii tehnice invertor Fronius model Eco 27.0-3-S [22]

Figura 4.12.Curba de eficiență pentru invertorul solar Fronius model Eco 27.0-3-S [22]

SCHEMA INSTALAȚIEI SISTEMULUI FOTOVOLTAIC

Figura 4.13. Schema instalației sistemului PV

Determinarea amplasării modulelor PV în funcție de lungimea umbrei (Lu).

Pentru a maximiza cantitatea de energie electrică produsă de module PV, se va determina lungimea umbrei (Lu). lăsate de un modul PV în fiecare lună, determinându-se astfel amplasarea modulelor PV pe terasa laboratorului L7 al Institutului Cercetare și Dezvoltare din Brașov

Tabel 4.10. Valorile pentru lungimea umbrei lăsate de un modul PV pentru ziua de 15 a fiecărei luni de calcul

Tabel 4.10. Valorile pentru lungimea umbrei lăsate de un modul PV pentru ziua de 15 a fiecărei luni de calcul (continuare)

Figura 4.14. Valorile pentru lungimea umbrei lăsate de un modul PV pentru ziua de 15 a fiecărei luni de calcul

Conform simulărilor numerice efectuate pentru a determina lungimea umbrei, valoarea maximă determinată pentru lungimea umbrei (fig. 4.14.) este în luna Februarie la ora 7 solar. Valorile mari obținute pentru lungimea umbrei sunt în momentul în care soarele răsare, se poate observa în figura 4.14. că la un interval de o oră lungimea umbrei scade.

Valoarea pentru lungimea umbrei aleasă conform figurei 4.13. este Lu=3,2 m.

MODELARE 3D SISTEM PV AMPLASAT PE TERASA LABORATORULUI L7

Dimensiunile terasei de pe laboratorul L7 are dimensiunile de 14 m x29 m din 450 m2 din suprafața totală a laboratorului. În momentul de față terasaeste ocupată cu alte sisteme PV pentru cercetare. Amplasarea și dimensionarea sistemului PV dimensionat în lucrarea de fața este o propunere pentru acoperirea necesarului de energie electrică al clădirii.

Pentru amplasarea celor 96 de module PV, s-a ales amplasarea în 4 șiruri a câte 16 module PV, cu distanța de 3,2 m între șiruri, pe terasa laboratorului (fig. 4.15. și fig. 4.16.), iar restul de 30 de module se vor amplasa într-un șir poziționat pe fațada de Sud a laboratorului deasupra suprafeței vitrate.

Figura 4.15. Schemă de amplasare a modulelor PV pe terasa laboratorului L7

Figura 4.16. Vedere de sus-schemă de amplasare a modulelor PV pe terasa laboratorului L7

Figura 4.17. Vedere izometrică pentru amplasarea modulelor PV pe terasa laboratorului L7

Sistemul PV cu 30 de module amplasat pe fațada de Sud a laboratorului (fig. 4.17.) poate avea un al doilea rol de umbrire a încăperilor de la etajul I. Toate modulele PV fiind amplasate la o înclinație de 40° față de orizontală.

SIMULAREA UMBRIRII MODULELOR PV

În situația prezentată de poziționare a șirurilor fotovoltaice, suprafața de captare a primului șir nu va fi niciodată umbrită de celelalte șiruri, problema umbririi reciproce se studiază doar pentru celelalte șiruri, umbrirea acestora fiind influențată de distanța de distanța AD (figura 3.5.) și de elevația modulului PV (αn).

Pentru verificarea simulărilor numerice efectuate în subcapitolul 4.8. pentru lungimea umbrei în ziua 15 a fiecărei luni, se va efectua o simulare 3D în soft-ul de proiectare și simulare Google SketchUp 2014 pentru solstițiul de iarnă (fig. 4.18.), atunci când soarele are poziția cea mai joasă pe bolta cerească.

Figura 4.18. Simulare 3D lungimea umbrei pentru ziua 21 Decembrie ora 13:00 ( ora 12 timp solar)

Conform simulărilor de umbrire efectuate pentru ziua de 21 Decembrie (solstitiu de iarna), începând cu ora 9:00 (figura 4.19.) modulele PV nu mai sunt umbrite, rezultând că ele vor produce energie electrică începând cu această oră.

Figura 4.19. Simularea umbrei pentru ora 09:00, ziua 21 Decembrie, ora la care modulele PV nu sunt umbrite

Conform simulărilor pentru umbrire pentru ziua de 21 Decembrie (solstitiu de iarna ), modulele PV captează radiație solară și nu sunt umbrite până la ora 15:20 (figura 4.20.).

Figura 4.20. Simularea umbrei pentru ora 15:20, ziua 21 Decembrie, ora la care modulele PV încep să se umbrească

Figura 4.21. Simulare 3D lungimea umbrei pentru ziua de 21 Iunie ora 13:00 ( ora 12 timp solar)

Asemănător cu pasul anterior, au fost efectuate simulări pentru a determina momentul din zi când modulele PV încep să capteze radiație solară și ora la care acestea nu mai captează. Pentru solstițiul de vară ziua 21 Iunie, ziua cea mai lungă din an, soarele răsare din spatele liniei de amplasare al sistemului PV, acestea necaptând radiație solară directă (figura 4.22.).

Figura 4.22. Simularea umbrei pentru ora 06:30, ziua 21Iunie, ora la care modulele PV captează radiație solară

În figura 4.23. este simulat momentul în care modulele fotovoltaice nu mai captază radiație solară, solarele depășind linia de instalare al acestora.

Figura 4.23. Simularea umbrei pentru ora 18:00, ziua 21 Iunie, ora la care modulele PV nu mai captează radiație solară

În urma simulărilor efectuate pentru lungimea umbrei lăsate de un șir de module PV, se poate verifica faptul că șirurile de module PV sunt amplasate la distanța optimă astfel încât acestea să nu se umbrească între ele.

Simulările 3D pentru lungimea umbrei confirmă simulările numerice efectuate la punctul 4.8., astfel în urma calculelor matematice s-a determinat în mod corect lungimea umbrei și distanța optimă de amplasare a modulelor PV.

TESTAREA EXPERIMENTALĂ: STUDIU DE CAZ L7 – ICDT

Pentru validarea modelelor matematice propuse se va efectua studiul experimental asupra energiei electrice produse de standul PV amplasat pe terasa laboratorului 7 și măsurarea lungimii de umbră lăsate de modulul PV la diferite valori ale timpului solar.

DESCRIEREA STANDULULUI EXPERIMENTAL

Studiul de caz a fost făcut pe platforma PV amplasată pe terasa laboratorului L7 (fig. 5.1.). Aceasta este compusă din 3 module PV monocristaline marca Helios model HEE215M (fig. 5.2.) cu o putere de 250 W (fig. 5.4.a.) și 3 module PV policristaline marca LDK Solar Co., Ltd. model LDK-250P-20 (fig. 5.3.) cu o putere de 250 W (fig. 5.4.b.) .

Figura 5.1. Amplasare platform PV pe terasa laboratorului L7, ICDT

Figura 5.2. Platformă PV cu 3 module marca Helios model HEE215M

Figura 5.3. Platformă PV cu 3 module marca LDK Solar Co., Ltd. model LDK-250P-20

Figura 5.4. Specificații tehnice a) modul PV HEE215M și b) modul PV LDK-250P-20

Eficiența modulului PV P1.1.17 E se poate determina în funție de puterea acestuia, de energia solară captată pe m2 și de dimensiunile acestuia. Rezultă eficiența modulului este egală cu 14,9 %.

Cele 6 module PV sunt conectate în serie la invertorul marca Solar Edge model SE500 (fig. 5.5.) cu o putere de 5000 W (fig. 5.6.).

Figura 5.5. Invertor marca Solar Edge model SE500

Figura 5.6. Specificații tehnice invertor Solar Edge model SE500

MĂSURAREA LUNGIMII UMBREI LĂSATE DE UN MODUL PV

Pentru compararea rezultatelor simulate numeric la punctul 4.8. se vor efectua măsurători pentru lungimea umbrei lăsate de modulul P1.1.17 E (fig. 5.2.). A fost aleasă ca și zi de testare experimentală ziua de 16 iunie 2018, o zi cu cer senin, fără ploaie. Pentru dimensionarea distanței dintre două șiruri se calculează varianta cea mai dezavantajoasă care este la solstițiul de iarnă.

În figura 5.7. a fost marcată umbra lăsată de modulul PV în intervalul pentru timpul solar 12-16. Valorile măsurate ale lungimii umbrei au o valoare maxima pentru ora12 solar apoi acestea sunt în scădere până la ora 16 solar. Unghiul azimutal are o valoare apropiată pentru timpul solar 12-13, apoi acesta variază foarte mult între timpurile solare până la ora16 solar.

Figura 5.7. Lungimea umbrei măsurată pentru 16 iunie

În tabelul 5.1. au fost notate valorile măsurate pentru lungimea umbrei modulului PV.

Tabel 5.1. Valori măsurate ale lungimii umbrei pentru ziua de studiu 16.06.2018

Pentru a se determina unghiul de înclinare χ al modulului PV au fost măsurate dimensiunile modulului PV și a structurii pe care acesta este amplasat (fig. 5.8.).

Figura 5.8. Modul de poziționare al modulului PV

Pe baza valorilor măsurate a fost construită în softul de proiectare Catia schema de calcul pentru determinarea înclinației modulului PV (fig. 5.9. ).

Figura 5.9. schema de calcul pentru determinarea înclinției modulului PV

Valorile măsurate pentru schema de mai sus sunt: AB= 1115 mm, BC=735mm, CC’=14 mm și AC= 835 mm.

Pentru determinarea unghiului de înclinare χ se va utiliza următoarea relație de calcul:

AC= AB*cos χ°=> 835=1115*cos χ°=> cosχ°= 835/1115=>χ°=arcos(835/1115)=>

χ= 41,5 °

Compararea valorilor măsurate cu valorile obținute prin simulare numerică

Pentru verificarea simulărilor numerice efectuate la punctul 4.8. se vor realiza o serie de simulări numerice pentru ziua de 16 iunie și pentru dimensiunile modulului PV instalat.

Tabel 5.2. Simulări numerice efectuate pentru ziua de studiu 16 iunie

Se vor compara valorile pentru lungimea umbrei măsurată (Lum) și valorile pentru lungimea umbrei calculate (Luc ) în tabelul 5.3. :

Tabelul 5.3. Valorile comparate pentru lungimea umbrei măsurată (Lum) și valorile pentru lungimea umbrei calculate(Luc )

Se poate observa în tabelul 5.3. faptul că există o diferență între cele două valori. Această diferență este dată de valoarea lui CC’ (fig. 5.9.) având în vedere că lungimea umbrei a fost măsurată până la nivelul terasei, însă pentru valorile calculate, au fost luate în considerare valorile măsurate pâna în pavela de beton .

Descărcare date înregistrate pentru modulul P1.1.17 E

Datele pentru energia electrică produsă de modulul PV P1.1.17 E au fost colectate și salvate cu ajutorul bazei de date Solar Edge Monitoring [23], descărcate pe calculator, prelucrate și reprezentate grafic.

Pentru anumite zile unde sunt lipsă valori au fost trecute ca și valori “0”. Pentru aceste zile a fost luata in calcul o valoare medie lunara a energie electrice zilnice pentru a tine cont de aceste zile. Determinarea energiei electrice produse de către modulul fotovoltaic, s-a făcut prin corectarea valorilor acesteia, calculându-se energia electrică produsă pe o zi și înmulțindu-se cu numărul de zile al lunii respective.

În figura 5.10. este reprezentată diferența dintre energia electrică produsă de modul (Eeexp) și energia electrică produsă, corectată, pentru fiecare zi din lună.

Figura 5.10. Diferența dintre cantitatea de energie electrică produsă și cea corectată

Energia solară captată este dată de totalul energiei produse de modulul PV, suprafața modul PV, energia electrică specifică și eficiență modul PV și se calculează prin relația:

EGN=Ee/SPV/Ees/ηPV

În tabelul 5.4. este reprezentată totalul de energie electrică produsă de modulul PV lunar și energia solară captată de acesta

.

Tabelul 5.4. Valorile înregistrate de modulul PV P1.1.17 E pentru energia electrică produsă și energia solară captată determinată

Valorile menționate în tabelul 5.4. ale energiei electrice produse de modulul PV P1.1.17 E înclinat față de planul orizontal cu 40°, sunt comparate cu valorile pentru energia electrică simulată pentru radiația solară captată de un modul înclinat față de planul orizontal cu 40°. în tabelul 4.8., date din Meteonorm.

Tabel 5.5. Valorile comparate pentru energia electrică

Diferența dintre totalul celor două valori este de 99,1 kWh/an. Această diferență este dată de eficiența modulului fotovoltaic de 14,9 %, obținută pentru radiația solară de 1000 W/m2.

Figura 5.13. Cantitatea de energie electrică de modulul PV P1.1.17 E lunar și energia electrică simulată

Energia electrică produsă și cea simulată au valori apropiate, această comparație confirmând astfel simulările numerice efectuate în capitolul 4.

CONCLUZII

Sistemele fotovoltaice obișnuite instalate pot ocupa suprafețe mari de teren. Prin integrarea lor în structura clădirilor aceste sisteme pot aduce soluții noi în construcția și estetica clădirilor.

Studiul s-a efectuat pe o clădire de birouri cu suprafața de 1350 m2, pe 3 nivele, a cărei necesar de energie electrică a fost modelat pe baza unei strategii de funcționare, în funcție de gradul de ocupare și de programul de lucru. Clădirea a fost relevată și modelată în Catia V5.

A fost obținut necesarul anual de energie electrică, însumând necesarul de energie electrică al celor două pompe de căldură dimensionate pentru încalzirea clădirii, al sistemului de iluminat și al aparaturii de birou.

Modelarea răspunsului energetic al sistemului fotovoltaic s-a făcut prin modelarea matematică a energiei solare captate, pentru locația aleasă. Pe baza acestor modelări a fost obținută valoarea unghiului de elevație optim al modulelor PV și cantitatea de module pentru asigurarea necesarului de energie al clădirii.

Pentru stabilirea soluției de amplasare al modulelor PV s-au luat în calcul aspectele legate de amplasarea lor, astfel încât reducerea eficienței de captare a radiației solare cauzată de umbrirea reciprocă a modulelor să fie eliminată.

Ca urmare a complexității parametrilor care influențează umbrirea șirurilor fotovoltaice, s-a dovedit a fi necesară o simulare a lungimii umbrelor pentru diferite perioade ale anului. S-au realizat simulări de umbrire cu ajutorul soft-ului Google SketchUp.

Pentru validarea metodologiei prezentate, datele obținute prin simulare numerică pentru cantitatea de energie electrică produsă de un modul PV și lungimea umbrei acestuia au fost comparate cu valorile determinate experimental pentru un modul PV instalat pe terasa laboratorului L7.

Prin urmare, pe baza studiului, se pot spune ca suprafața acoperișului clădirii nu este suficientă pentru asigurarea întregii cantitați de energie electrică pentru functionalitațile menționate, fiind necesară amplasarea unui șir de module fotovoltaic și pe fațada clădirii.

Pentru un necesar de energie mai ridicat se poate studia în continuare posibilitatea utilizării întregii fațadei Sud, pe care se pot implementa module fotovoltaice, pentru a crește cantitatea de energie electrică produsă. Aceasta soluție poate conduce la reducerea costului de construcție al clădirii, ca urmarea a utilizarii modulelor în locul unor părți din anvelopa clădirii.

BIBLIOGRAFIE

Monitorul Oficial al României, Partea I, Nr. 451/23.VII.2013, Legea Nr. 372/2005

Certificatul energetic

Jens Lausten, Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings, International Energy Agency Paris, 2008

Macedon Moldovan, Ion Vișa, Daniela Ciobanu, Towards nZEB-Sustainable Solutions to Meet Thermal Energy Demand in Office Buildings, Sustainable Energy in the Built Enviroment- Steps Towards nZEB, 2014, 115-133

Asociația Română pentru promovarea Eficienței Energetice, Eficiența Energetică în România, Cartea Albă, AGIR București, 2013

Ion Vișa, Anca Duță, The Built Enviroment in Sustainable Communities, Sustainable Energy in the Built Enviroment- Steps Towards nZEB, 2014, 3-31

Dan Staniaszek, Renovarea României- O strategie pentru renovarea durabilă a fondului de clădiri din România, BPIE, 2014

Antonio LuqueCarte, Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering,WILEY, West Sussex, 2011

Goetzberger V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, Berlin, 2005

Patrina Eiffert, Ph.D., Gregory J. Kiss, Building-Integrated Photovoltaic Designs for Commercial and Institutional Structures, IEA

Mark DeKay, G.Z. Brown, Sun, Wind & Light- arhitectural strategies, 3rd edition, WLEY, New Jersey, 2014

https://www.architecturalrecord.com/articles/11590-continuing-education-building-integrated-photovoltaics#CEU

http://www.sadev.com/blog/vea-hikari-lyon-france/?lang=en

http://europastudio.com.au/next-gen-building-design/solar-building-design-sbd/building-integrated-photovoltaics-bipv/

http://www.pveurope.eu/News/Solar-Generator/Building-integrated-photovoltaics-European-framework-for-certification-and-approval-procedures-necessary

Sizing up the global building-integrated photovoltaics market

Turning Windows Into Solar Panels

https://cen.acs.org/articles/94/i18/future-low-cost-solar-cells.html

https://www.researchgate.net/figure/Building-of-the-Tourist-Office-in-Ales-France-integration-of-three-PV-facades-into-a_fig6_272528840?_sg=aYhn2tDquPSIPYODicBfPbruuNDkL7I7PyomfumMQykl8H81BWq6rrpjqx9ckKaaoMVJKqtwzCoJ-2nnVdIQfA

https://www.e-architect.co.uk/korea/federation-korean-industries

https://www.homepower.com/articles/solar-electricity/equipment-products/residential-building-integrated-photovoltaic-systems

https://greenliving.lovetoknow.com/Photovoltaic_Shingles

Building Integrated Photovoltaics (BIPV) “New Light”

http://vtgcorp.com/product/pv-modules-polycrystalline-sharp-250-watt/

https://www.ceneo.pl/46263615

http://www.kapro.ua/rosoedinitel-nagruz1-0-eti-las-16-4660011-ser-cher/

https://new.abb.com/power-converters-inverters/solar/string/three-phase/trio-20-0kw-27-6kw

Normativul I9-2015 privind proiectarea, execuția și exploatarea instalațiilor sanitare aferente clădirilor

www.meteonorm.com

Meliss M., Regenerative Energiequellen Praktikum, Springer, Berlin 1997

Vătășescu M., Burduhos B., Moldovan M., Sisteme articulate pentru orientare solară, Editura Universității Transilvania din Brașov, 2011

https://www.romstal.ro/pompa-de-caldura-sol-apa-hiseer-incalzire-racire-reversibila-bhp20-b-19-5kw-p4874028.html

http://www.solimpeks.com/solar/?product=pv-sol60s-270w

http://www.e-solare.com/produs/fronius-eco-270-3-s

https://monitoring.solaredge.com/solaredge-web/p/login