Teza de doctorat [309190]
[anonimizat] –
Doctorand: [anonimizat]. Sebastian Valeriu HUDIȘTEANU
Conducător de doctorat:
Prof. univ. dr. ing. Teodor Dorin Dumitru MATEESCU
Iași – 2016
[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat].
Mulțumesc domnului conf. dr. ing. [anonimizat].
Mulțumesc domnului șl. dr. ing. Nelu Cristian CHERECHEȘ pentru suportul logistic și implicare.
Doresc să adresez mulțumiri domnului prof. dr. ing. Jan IGNAT pentru recomandarea de a [anonimizat].
Mulțumesc, [anonimizat] (AIIR) – [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat].
[anonimizat], în special doamnei șl. dr. ing. [anonimizat]. Marian PRUTEANU și domnului fiz. ing. Costel AVRAM pentru sprijinul acordat în desfășurarea activităților experimentale.
[anonimizat].
[anonimizat], Septembrie 2016
Cuprins
Cuprins
Capitolul 1. Introducere
Aspecte generale
Oportunitatea și obiectivele cercetării
Conținutul tezei
Capitolul 2. Stadiul actual al cunoașterii privind integrarea panourilor fotovoltaice în clădiri cu fațade ventilate dublu vitrate
Sisteme fotovoltaice
Structura unui sistem fotovoltaic
Sisteme fotovoltaice autonome
3.3. Sisteme fotovoltaice legate la rețea
4. Interesul în domeniul energiei fotovoltaice
4.1. Aspecte generale
4.2. Efecte directe
4.3. Costurile de exploatare
4.4. Costurile energiei produse
5. Poziționarea panourilor fotovoltaice
5.1. Generalități
5.2. Înclinarea și orientarea panourilor fotovoltaice
5.3. Amplasarea panourilor fotovoltaice pe clădiri
6. Recuperarea energiei în sistemele fotovoltaice
7. Impedimente posibile la realizarea unui sistem fotovoltaic
Fațade ventilate dublu vitrate
2Componentele fațadelor ventilate dublu vitrate
2.1. Vitrajele
2.2. Dispozitivele de umbrire
2.3. Canalul fațadei
2.4. Ventilarea canalului
2.5. Amplasarea deschiderilor
Clasificarea fațadelor dublu vitrate
4. Avantajele și dezavantajele utilizării fațadelor dublu vitrate
5. Efectul de răcire ai curenților de aer din canalul fațadei
5.1. Generalități
5.2. [anonimizat]
1.1. Generalități
1.2. Utilizarea panourilor fotovoltaice cu rol dublu BIPV/T
1.3. Modelarea clădirilor cu sistem BIPV
2. Posibilități de amplasare a panourilor fotovoltaice în structura fațadelor dublu vitrate
2.1. Panouri fotovoltaice aplicate pe fațadă
2.2. Panouri fotovoltaice integrate în fațadă
2.3. [anonimizat] a panourilor fotovoltaice
Răcire cu aer
Răcire cu apă
Capitolul 3. Baze teoretice
Radiația solară
Introducere
Spectrul radiației solare
Componentele radiației solare
Posibilități de valorificare a radiației solare
Conversia fotovoltaică
Introducere
1. Istoric
2. Efectul fotovoltaic
2.1. Principiul conversiei fotovoltaice
2.2. Materiale semiconductoare utilizate la construcția panourilor
2.3. Tipuri de panouri fotovoltaice
2.4. Parametrii celulelor fotovoltaice
2.5. Influența temperaturii asupra randamentului de conversie
2.6. Influența intensității radiației solare
Transferul de căldură și masă
Transferul de căldură prin radiație
Transferul de căldură prin conducție
Transferul de căldură prin convecție
Ecuațiile diferențiale ale transferului de căldură
Criterii de similitudine
Procese de transfer de căldură și masă specifice panourilor fotovoltaice
Capitolul 4. Cercetări numerice și experimentale privind eficiența panourilor fotovoltaice integrate în clădiri
Studiul numeric al panourilor fotovoltaice integrate în clădiri
Studiul experimental al panourilor fotovoltaice integrate în FDV
Analiza numerică – validare prin experiment
Creșterea eficienței panourilor fotovoltaice
Concluzii parțiale
Capitolul 5. Studiu de caz
Analiza în TRNSYS
Capitolul 6. Instrument de calcul pentru evaluarea funcționării panourilor fotovoltaice
Introducere
MATLAB
Capitolul 7. Concluzii generale. Contribuții originale. Valorificarea rezultatelor
Concluzii generale
Contribuții originale
Valorificarea rezultatelor
Perspective
Bibliografie
Anexe
Listă de notații, abrevieri și indici
Capitolul 1
INTRODUCERE
1.1. Aspecte generale
Situația energetică actuală, caracterizată prin creșterea prețului energiei și scăderea rezervelor de combustibili fosili, determină impunerea unor strategii de dezvoltare și cercetare în scopul creșterii eficienței sistemelor. Generarea electricității cu emisii minime de CO2 reprezintă, de asemenea, una din principalele ținte energetice ale omenirii (Firth, 2006). De asemenea, în ceea ce privește implementarea sistemelor care utilizează energii regenerabile, interesul este din ce în ce mai ridicat la nivel național, european și mondial. Totalul puterii instalate în lume la finalul anului 2014 este estimat între 174 GW și 191 GW, de zece ori mai mult decât în anul 2009 (www.wikipedia.org), din care peste 50% este în Europa.
Energia solară reprezintă cea mai importantă sursă de energie disponibilă pe Pământ. Utilizarea energiei provenite de la Soare se realizează în mod direct – termic sau fotovoltaic dar și indirect – energia înmagazinată în combustibili fosili, energia eoliană etc. Prin conversia termică și fotovoltaică a radiației solare se obțin două dintre cele mai utilizate tipuri de energie utilizate de omenire: termică și electrică. Prin urmare, se poate considera că energia solară reprezintă sursa cea mai avantajoasă și sustenabilă pentru omenire.
Potențialul energiei solare la nivel mondial este maxim în zonele curpinse între ecuator și cele două tropice, cu valori medii anuale de peste 2000 kWh/m2 și zilnice de peste 6 kWh/m2. În schimb, cele mai importante zone în care este implementată tehnologia fotovoltaică la nivel mondial sunt: Europa, America de Nord, Sud-Estul Asiei și Australia, aproape toate cu o medie anuală, sub 2000 kWh/m2, aflate de cele mai multe ori în afara ariilor cu cel mai mare potențial energetic solar.
Același fenomen se înregistrează și în cazul României atunci când este privită la nivel european. Deși în anul 2013 în România a avut loc o creștere importantă a puterii instalate, de aproximativ 23 de ori, de la 49 MWp la 1155 MWp (Fig. 1.1.) (www.agerpres.ro), comparativ cu alte state europene poziționate mai puțin favorabil, precum Marea Britanie, Germania sau Belgia, țara noastră se află încă mult în spate ca putere totală instalată, locul 9. La finele anului 2014 puterea fotovoltaică instalată în România era de aproximativ 1292 MWp, estimându-se că în anul 2016 aceasta va depăși puterea instalată a celor două reactoare nucleare de la Cernavodă (2×700 MW) la un cost mai mic – 2,2 mld Euro comparativ cu 4 mld. Euro pentru alte două reactoare (http://www.panourisolare.com/puterea-panourilor-fotovoltaice-instalate-romania-va-fi-mai-mare-decat-cea-centralei-nucleare-de-la-cernavoda-pana-2016/). De asemenea, în ceea ce privește puterea instalată pe cap de locuitor, România se poziționează și mai jos, locul 18 în Europa, cu 64,8 Wp/locuitor, fiind depășită de țări precum Danemarca, Bulgaria, Cehia sau Slovacia. Pe de altă parte, deși se înregistreaza o tendință de creștere a puterii instalate, totuși la nivel de integrare în clădiri nu s-au realizat mari progrese, ținând seama că 99% din sistemele existente în țara noastră sunt amplasate la sol (locul 1 în Europa, ca pondere)(www.epia.org; www.wikipedia.org).
Fig. 1.1. Puterea fotovoltaică instalată în a) România b) UE (SURSA)
Un aspect important îl constituie, de asemenea, raportul Eurostat din 2012 în care sunt evaluate statele europene în funcție de procentul energiilor regenerabile din totalul energiei produse. Din acest punct de vedere România este bine poziționată și tinde să aibă o evoluție bună. Astfel, între 20% și 30% din energia produsă este din surse regenerabile, fiind depășită doar de țările nordice și Austria. Țări precum Marea Britanie, Belgia, Olanda, Ungaria au un procentaj de maxim 10% (www.wikipedia.org).
1.2. Motivația și obiectivele tezei de doctorat
Implementarea tehnologiilor fotovoltaice la nivelul clădirilor, care reprezintă cei mai importanți consumatori de energie electrică, poate reprezenta o soluție eficientă și viabilă de obținere a energiei electrice pe plan local și cu emisii de CO2 cât mai reduse.
Producerea de energie electrică prin utilizarea energiei solare cu ajutorul modulelor fotovoltaice prezintă avantaje importante ținând seama că sursa de energie este regenerabilă și gratuită, procesele de producere a energiei electrice nu au impact negativ asupra mediului (emisii poluante, deșeuri, zgomot etc.). De asemenea, generarea energiei electrice se realizează fără utilizare de piese în mișcare, iar costurile sunt reduse în ceea ce privește mentenanța (modulele fotovoltaice au proprietatea de autocurățire în prezența ploii). Energia produsă este consumată de obicei local, ceea ce duce la pierderi de putere reduse.
La nivel european, pe lângă tendința de creștere a numărului de proiecte de implementare a tehnologiei fotovoltaice există și un larg interes în lumea științifică. Acest interes este dezbătut pe larg în cadrul manifestărilor științifice internaționale (Ex: Annual Conference of Advanced Building Skins, 2014). De asemenea, există reglementări și directive la nivel european, privitoare la realizarea de sisteme energetice eficiente și corespunzătoare cerințelor actuale (Commission of the European Communities, 2005).
Integrarea panourilor fotovoltaice în clădiri a devenit un tip de sistem dominant în ultimii ani, estimându-se că din totalul sistemelor fotovoltaice dispersate conectate la rețeaua furnizorului, majoritatea sunt integrate în clădiri, aproximativ 75% din acestea (IEA, 2005).
În ceea ce privește eficiența conversiei fotovoltaice, s-a constatat că principalii parametri care au influență sunt intensitatea radiației solare și temperatura de operare a acestuia. Deoarece, în ipoteza integrării panourilor fotovoltaice în clădiri, poziția acestora este de cele mai multe ori fixă, nu se poate interveni pentru creșterea intesității radiației solare. În schimb, creșterea eficienței panourilor se poate realiza prin diverse strategii de reducere a temperaturii acestora. În literatură se constată un interes ridicat (SURSE) precum și un număr mare de studii (SURSE) referitoare la scăderea temperaturii panourilor fotovoltaice, precum și a modalităților de valorificare a energiei termice extrase justifică oportunitatea și necesitatea temei abordate. O soluție de optimizare a montării panourilor fotovoltaice în clădiri constă în integrarea acestora în clădiri cu fațade ventilate dublu vitrate.
Prin urmare, s-a dovedit oportună studierea creșterii eficienței panourilor fotovoltaice integrate în clădiri prin soluții complementare de răcire. De asemenea, valorificarea complexă a conversiei fotovoltaice și termice (efectul de răcire) (aer încălzit pentru sistemul HVAC iarna) (vara scad aporturile de căldură).
O altă direcție distinctă constă în dezvoltarea unui instrument de calcul pentru evaluarea funcționării sistemelor fotovoltaice în condiții reale de operare.
1.3. Conținutul tezei de doctorat
Teza de doctorat este organizată pe șapte capitole.În primul capitol se prezintă
Capitolul 2
STADIUL ACTUAL AL CUNOAȘTERII PRIVIND INTEGRAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE ÎN CLĂDIRI CU FAȚADE VENTILATE DUBLU VITRATE
Rezolvări – România/străinătate
Tendințe
INTRODUCERE
Studiul integrării panourilor fotovoltaice în clădirile cu fațade ventilate necesită o serie de cunoștințe de bază legate de sistemele fotovoltaice, precum și referitoare la fațadele dublu vitrate ale clădirilor.
2.1. Sisteme fotovoltaice
2.6.1. Aspecte generale
Un sistem fotovoltaic reprezintă un ansamblu de echipamente care au rolul de a transforma radiația solară în energie electrică. Curentul electric produs este de tip continuu, iar pentru transformarea acestuia în curent alternativ se uitlizează invertoare. Principala componentă a unui sistem fotovoltaic este panoul (modulul) fotovoltaic.
3.10.2. Elementele componente ale unui sistem fotovoltaic
Pentru realizarea acestor sisteme trebuie făcute în prealabil o serie de studii în ceea ce privește eficiența integrării lor în funcție de zona geografică și zonele înconjurătoare. După cum s-a menționat anterior, alegerea orientării și unghiului de înclinare influențează în mod decisiv randamentul.
Schema simplificată pentru o instalație electrică cu panouri fotovoltaice este prezentată în Fig. 3.27. Pentru realizarea acestor sisteme trebuie făcute în prealabil o serie de studii în ceea ce privește eficiența integrării lor în funcție de zona geografică și zonele înconjurătoare.
Fig. 3.27. Schema simplificată a instalației cu panouri fotovoltaice (http://www.profi-solar.ro)
Elementele componente ale unui sistem fotovoltaic (http://www.solarenergy.gen.in):
– Panouri fotovoltaice – realizează conversia energiei solare în energie electrică;
– Controler de încărcare – are rolul de menținere a tensiunii de încărcare la valoarea optimă pentru bateria de acumulatori;
– Bateria de acumulatori – pentru înmagazinarea energiei electrice continue sub formă chimică;
– Invertor – realizează conversia curentului continuu (CC) produs de panoul fotovoltaic în curent alternativ (CA), necesar consumatorilor;
– Generator de rezervă – utilizat dacă este necesară o sursă de back-up;
– Conductoare;
– Aparate de conectare/deconectare, pentru CC și CA;
– Aparatură de măsură și monitorizare.
3.10.1. Tipuri de sisteme fotovoltaice
Se disting trei tipuri principale de aplicații pentru sistemele cu panouri fotovoltaice:
Sistemele de producție autonomă pentru alimentarea amplasamentelor sau echipamentelor izolate și neracordate la rețeaua electrică;
Sistemele de producție racordate la rețeaua de distribuție a energiei electrice;
Sistemele de pompare pentru alimentare cu apă.
Costuri
Prețul panourilor fotovoltaice standard nu mai este foarte ridicat, iar pentru clădirile care se pretează la această soluție, de obicei clădiri de birouri, se folosește deja sticlă de calitate superioară care are oricum un cost ridicat.
În cazul integrării în fațade, multifuncționalitatea BIPV este chiar mai mare decât în cazul integrării în alte elemente ale construcției (Rennhofer M., 2014).
Evoluția prețului celulelor fotovoltaice de-a lungul timpului poate fi urmărită în Fig. 5.12.
Fig. 5.12. Evoluția prețului celulelor din siliciu în $/Wp de-a lungul timpului (pv.energytrend.com)
Prețul celulelor, în $/Wp urmărește evoluția conform legii lui Swanson (Fig. 5.13.). Aceasta constă în scăderea cu 20% a prețului pentru fiecare dublare a puterilor cumulative instalate la nivel mondial.
Fig. 5.13. Evoluția prețului celulelor PV conform legii lui Swanson
Principala sursa a costurilor într-un sistem fotovoltaic este reprezentată de modulele fotovoltaice (60%) și de invertoare (între 10 și 15%) – Fig. 3.28.
Fig. 3.28. Ponderea elementelor în costul final al sistemului fotovoltaic (http://www.landes.org)
Cheltuielile anuale cu exploatarea și mentenanța acestor sisteme (inclusiv cele legate de înlocuirea unor invertoare) sunt reduse, de ordinul a 1% din costul de investiție, în cazul a 20 de ani de funcționare.
Efecte directe ale implementării sistemelor fotovoltaice
În urma implementării unei instalații fotovoltaice conectate cu rețeaua furnizorului se pot obține în mod direct două câștiguri:
Câștigul economic: proprietarul instalației poate vinde direct furnizorului surplusul de energie electrică. De exemplu, pentru o instalație cu 10 KWp (100 m2) instalați care ar produce aproximativ 12 MWh/an, Timpul de recuperare al investiției ar fi între 14 și 16 ani (http://www.landes.org).
Projarea mediului: electricitatea produsă reprezintă o energie curată, fără să utilizeze soluții poluante, cum sunt de exemplu centralele termoelectrice. În cazul unei instalații care produce 12 MWh/an, reducerea emisiilor anuale ar fi de aproximativ 780 kg CO2 (http://www.landes.org).
După instalare, panourile fotovoltaice produc energia nominală (fără a lua în considerare și pierderile prin conductoare) pe o perioadă de 2,6 ani în cazul instalării pe acoperiș și 4 ani atunci când sunt instalate pe fațade (IEA – Photovoltaic Power Systems Programme), fiind protejate la acțiuni meteo nefavorabile.
Durata de viață a modulelor fotovoltaice este în general de 30 de ani și producătorii garantează producerea de energie pentru 20…25 de ani, cu o scădere a puterii generate de maxim 10…20%.
Costul de instalare este curprins momentan între 8 €/Wp pentru un beneficiar particular și 6 €/Wp pentru instalațiile colective de mare putere (http://www.landes.org). De asemenea, există posibilitatea de instalare la costuri mai mici, de 4,5 €/Wp pentru anumite situații favorabile. Trebuie menționat că dacă instalația fotovoltaică a fost gândită încă din perioada de proiectare a construcției, atunci costurile sunt minime și integrarea se poate realiza mult mai facil. (SURSA)
3.10.3. Poziționarea panourilor fotovoltaice
Generalități
Obiectivul constă în producerea unei energii suplimentare de-a lungul întregului an. Producția maximă este atinsă în momentul în care razele solare sunt perpendiculare pe module.
Radiația solară incidentă pe modulele fotovoltaice are o variație anuală importantă. Durată de însorire este diferită în timpul iernii față de sezonul cald. Această diferență se traduce printr-o reducere a producției totale cu circa 5% pentru fiecare lună de iarnă. În zilele înnorate panourile fotovoltaice produc electricitate prin conversia radiației difuze dar în cantitatăți mai mici, maxim 10-25% din cea din zilele însorite.
Înclinarea și orientarea panourilor fotovoltaice
Studiile de specialitate (http://www.landes.org) arată că este necesară o analiză preliminară în ceea ce privește înclinarea optimă a panourilor fotovoltaice, în vederea obținerii energiei maxime pe întreaga perioadă a anului. Aceasta depinde de poziționarea geografică a panoului și de asemenea de orientare.
Prin urmare, este necesar să se asigure o poziționare optimă a modulelor fotovoltaice. Pentru asigurarea unei productivități maxime a sistemului, este recomandată orientarea panourilor fotovoltaice spre sud, cu o marjă de maxim 30° spre est sau vest și o înclinare cuprinsă între 25° și 45° în raport cu orizontala (Bruxelles Environnement, 2010), Tab. 3.2.
TREBUIE SA FAC SI EU CEVA DE GENUL !!
Tabel 3.2. Productivitatea panourilor fotovoltaice funcție de înclinare și orientare
Fig. 2.18. Factor de corecție pentru calculul randamentului unei instalații fotovoltaice [14]
3.10.4. Mentenanța sistemelor fotovoltaice
Având în vedere faptul că în sistemele fotovoltaice nu există piese în mișcare, acestea necesită o mentenanță minimă. Totuși, sunt necesare anumite operațiuni în vederea asigurării unei funcționări adecvate a sistemului. Printre acestea se numără: inspecția vizuală a captatoarelor, în scopul detectării urmelor de distrugeri sau murdărie (ploaia determină autocurățirea panourilor). De asemenea, periodic, este necesară o inspecție a conexiunilor electrice, pentru detectarea eventualelor urme de coroziune, care ar putea cauza defectarea instalației (Building and Construction Authority, 2008).
2.8. Impedimente posibile la realizarea unui sistem fotovoltaic [14]
Panourile trebuie să rămână curate. Prin urmare trebuie evitate toate depunerile de murdărie cum ar fi praful sau dejecțiile păsărilor. În general, ploaia este suficientă pentru realizarea unei spălări a modulelor, dacă înclinația minimă a modulelor de 15 grade este respectată. Totuși, este recomandată verificarea periodică a acestora.
Invertorul trebuie să fie dimensionat corect în raport cu dimensiunea instalației. O subdimensionare sau supradimensionare foarte importantă a acestuia, poate perturba funcționarea sistemului fotovoltaic și poate conduce la dezechilibre economice. În realitate, este recomandat ca puterea invertorului să fie cu 10% până la 15% mai mică decât puterea de vârf a panourilor fotovoltaice. Această reducere este acceptabilă, având în vedere că orientarea panourilor în raport cu radiația solară nu este întotdeauna optimă și de asemenea, de multe ori cerul este înnorat, și poate duce la optimizarea tehnică și economică a instalației.
Pe de altă parte, prezența umbrii este foarte dăunătoare funcționării panourilor fotovoltaice. Este foarte important să se evite umbra determinată de arbori, ferestre, acoperiș, coșuri sau alte clădiri, deoarece aceasta provoacă o scădere importantă a randamentului.
Umbrirea completă împiedică întreaga radiație solară (directă și indirectă) să ajungă la celulele fotovoltaice (dejecțiile păsărilor, ramura unui copac). Umbrirea parțială împiedică doar radiația solară directă să ajungă la celula fotovoltaică (coșuri, arbori, nori).
În cazul conectării serie, dacă un singur panou este parțial sau total umbrit, producția întregii instalații are de suferit, deoarece celula cea mai slabă va determina limitarea puterii celorlalte celule (în cazul în care nu sunt prevăzute diode de by-pass).
Integrarea panourilor pe acoperiș poate antrena o pierdere importantă a randamentului de conversie în comparație cu integrarea acestora în suprastructură, în absența ventilării. Prin urmare, creșterea temperaturii în timpul lunilor însorite și, prin urmare, cele mai calde poate reduce semnificativ producerea de electricitate. (surse!!!!)
Arcul electric de curent continuu (CC)
Arcul electric este cauzat de spațiile de aer dintre conexiunile electrice. Aceste spații sunt rezultatul unei manopere de calitate scăzută, îmbătrânirea sau degradarea conexiunilor. Distrugerea panourilor fotovoltaice din cauza apariției arcului electric de CC și incendierii acestora sunt evidențiate în Fig. 3.29.
Fig. 3.29. Distrugerea panourilor fotovoltaice datorate arcului de curent continuu (http://dqbasmyouzti2.cloudfront.net)
Legarea la pamânt
Pentru a reduce posibilitatea electrocutării și pentru protejarea sistemului fotovoltaic de trăsnete, ramele tuturor panourilor și structurile de susținere trebuie legate la pământ, utilizând sisteme de legare la pământ certificate conform standardelor, normativelor și reglementărilor în vigoare. În acest scop, fiecare panou trebuie să aibă o bornă de legare la pământ.
În cazul în care clădirea pe care se montează panourile are sistem de protecție la trăsnet, sistemul fotovoltaic trebuie integrat în el. Pentru a se reduce la minim tensiunile induse din cauza trăsnetului, suprafața tuturor buclelor de cabluri trebuie să fie cât mai mică (http://altiusfotovoltaic.ro).
Vulnerabilitatea electromagnetică
O clădire încapsulată aproape în totalitate într-un înveliș de panouri fotovoltaice poate fi supusă efectului de vulnerabilitate electromagnetică (EMV – Electromagnetic vulnerability). Aceasta reprezintă caracteristica unui sistem care determină o degradare a acestuia (imposibilitatea realizării funcției sale), ca rezultat al expunerii la un anumit nivel de radiații electromagnetice (U.S. Department of Defense, 2011). Efectele acestei vulnerabilități pot consta în lipsa semnalului din rețelele de telefonie mobilă, interferențe cu instalația electrică sau cu rețelele wireless.
Tensiunea variabilă
O sursă fotovoltaică nu reprezintă una de tensiune constantă, efectul temperaturii asupra panourilor fotovoltaice aplicându-se și sub limita de 25 °C, aspect important, având în vedere temperaturile negative care se înregistrează în zilele geroase de iarnă. Astfel, dacă temperatura panoului scade, atunci atât tensiunea de mers în gol, cât și cea de funcționare în sarcină produsă de acesta crește proporțional.
Factorii de corecție ai tensiunii pentru temperaturi mai mici de 25 °C sunt cuprinși între 1.02 pentru 24-20 °C și 1.25 pentru- 36…-40 °C
Acești factori de corecție trebuie respectați mai ales în momentul dimensionării și alegerii aparatelor de conectare și separare sau de protecție precum și a izolației conductoarelor. În schimb, aceste specificații se aplică pentru sisteme de mari dimensiuni, în cazul cărora, diferența de voltaj ar atinge valori de zeci sau sute de Volți (Ode, 2010).
4.1. Fațadele ventilate dublu vitrate
4.1. Generalități
Fațada ventilată dublu vitrată (FDV) reprezintă de fapt o îmbunătățire a fațadelor simple prin amplasarea la exteriorul clădirii la o anumită distanță a unui strat de sticlă,. În acest fel se creează un canal de aer între vitrajul existent și cel amplasat. Acest concept poate fi aplicat cu succes atât pentru clădirile existente, cât și pentru clădirile noi.
4.2. Componentele FDV
Principalele elemente componente ale fațadelor dublu vitrate sunt prezentate în fig.4.1. În fig. 4.1.a. se prezintă varianta de fațadă ventilată natural, iar în fig. 4.1.b. cazul ventilării mecanice.
a) ventilare naturală b) ventilare mecanică
Fig. 4.1. Elementele componente ale FDV [8]
Elementele din figură au următoarele semnificații:
1 – vitraj exterior;
2 – vitraj interior;
3 – canal de aer;
4 – dispozitive din interiorul canalului;
5 – secțiuni de intrare și ieșire;
6 – conductă de refulare.
Aceste componente de bază pot produce diferite configurații ale sistemului de bază, astfel putând rezulta diverse soluții privind estetica până la cele privitoare la acustică [9].
4.2.1. Vitrajele
Vitrajele trebuie împărțite în două categorii: exterioare și interioare. Canalul de aer format reprezintă o izolare termică, astfel încât atunci când un strat este dublu vitrat celălalt poate fi vitraj simplu. Se pot lua în considerare sticlele cu selectivitate spectrală sau colorate împreună cu alte posibilități de umbrire. Vitrajele pot fi cu selectivitate unghiulară, acestea fiind specifice mai ales clădirilor cu nevoi importante de iluminare cum ar fi librăriile sau laboratoarele. Unghiul ales pentru textura sticlei permite maximul de iluminare și o reducere a aporturilor de căldură. De asemenea, integrarea panourilor fotovoltaice în fațada clădirilor a devenit din ce în ce mai populară, deoarece poate veni cu diverse grade de transparență, umbrire și producere de energie electrică simultan.
4.2.2. Dispozitivele de umbrire
Dispozitivele de umbrire pot fi jaluzele sau storuri amplasate în cavitate, controlate automat, manual sau hibrid. Energia solară transmisă jaluzelelor sau storurilor coborâte va fi absorbită în aerul din cavitate și evacuată în exterior prin efectul de șemineu sau ventilare mecanică. Această curgere constantă a aerului reprezintă o zonă tampon față de mediul exterior. Poziția dispozitivelor de umbrire reprezintă o problemă importantă și care necesită atenție sporită deoarece acestea trebuie să fie apropiate de vitrajul exterior, pentru a reduce transferul căldurii spre vitrajul interior. În același timp dispozitivele de umbrire trebuie să se afle la o distanță optimă față de vitrajul exterior, pentru a permite circulația aerului pe ambele fețe ale lor.
Sistemul de umbrire reprezintă componenta fațadelor cel mai ușor de controlat automatic. Cea mai eficientă soluție este reprezentată de integrarea automatizării lor în sistemul de management al clădirii (BMS).
4.2.3. Canalul fațadei
Lățimea canalului de aer poate varia de la câțiva centimetri până la câțiva metri (în cazul atriumurilor). Dimensiunea este de multe ori proporțională cu posibilitatea mentenanței. Curgerea continuă a aerului în canal funcționează ca o barieră izolatoare împotriva mediului exterior.
4.2.4. Ventilarea canalului
Nevoile privind ventilarea depind de volumul necesar și de viteză. Prin urmare, viteze scăzute ale aerului necesită mai multe deschideri pentru ventilare. În clădirile în care ocupanții nu trebuie deranjați de curenții de aer, volumele de aer necesare pot fi suplimentate prin crearea mai multor deschideri de ventilare, fără a crea curenți de aer puternici. Pentru fațadele convenționale, mai multe deschideri înseamnă costuri mai marei pentru preîncălzirea aerului proaspăt. Pentru fațadele dublu vitrate, deschiderile pot fi închise pentru a permite radiației solare să încălzească aerul din canal.
4.2.5. Amplasarea deschiderilor
Cea mai utilizată configurație este aceea în care secțiunile de intrare și ieșire ale aerului sunt amplasate de aceeași parte a fațadei. Acest amplasament este utilizat în general pentru canalele separate orizontal și vertical. În acest caz, fiecare canal, este independent de canalele adiacente. De cele mai multe ori, această configurație permite evitarea propagării laterale a undelor acustice.
Această dispunere a secțiunilor de intrare și ieșire se pretează cel mai bine clădirilor mari. Deși are mai multe beneficii, această configurație poate prezenta în același timp și unele probleme greu de neglijat. De exemplu poate genera uneori probleme de supraîncălzire, deoarece aerul cald evacuat din canal se poate reintroduce în canalul de la etajul superior. De asemenea, suprapresiunea ce poate apărea în canalele superioare va crea probleme la deschiderea ferestrelor interioare, și cauza disconfort. Pentru a evita aceste probleme, este recomandat ca intrările și ieșirile să fie decalate.
Pentru fațadele ventilate dublu-vitrate cu canale neseparate, ventilarea este în general asigurată prin deschideri mari la nivelul primului planșeu inferior (pentru intrarea aerului) și la nivelul următorului planșeu. În timpul iernii se recomandă ca deschiderile să fie închise pentru a crește efectul de seră creat în interiorul canalelor. În ceea ce privește sezonul cald, temperatura în canale poate atinge valori ridicate, mai ales la nivelele superioare. În acest caz, sistemul HVAC trebuie să fie corect dimensionat pentru a asigura temperatura de confort în interiorul clădirii.
O altă variantă pentru evitarea problemelor de supraîncălzire constă în utilizarea unei conducte pentru evacuarea aerului cald de la diferitele canale ale fațadelor. Aceasta permite limitarea interacțiunilor între fațadele a două etaje consecutive, pe de o parte și creșterea efectului de seră pe de altă parte.
4.3. Clasificarea fațadelor dublu vitrate
La momentul actual există o mare varietate de posibilități de realizare a acestui tip de fațade. În literatura de specialitate sunt prezentate mai multe criterii de clasificare și definiții ale acestui concept, în funcție de autori și de țările în care se utilizează aceste sisteme.
Principalele criterii după care se realizează clasificarea FDV sunt: originea aerului din canal, tipul de ventilare din canalul fațadei, compartimentarea fațadei, dimensiunile canalului, prezența sau absența protecțiilor solare și tipul acestora.
În funcție de modalitatea de ventilare se deosebesc: ventilare interioară, ventilare exterioară, admisie interioară, evacuare exterioară și canal etanș/tampon de aer (fig. 4.2.).
Fig. 4.2. Modalități de ventilare ale FDV
Safer [10] prezintă o clasificare a fațadelor după grosimea canalului dintre vitraje: neaccesibile (0…50 cm), accesibile (50…200 cm) și atriumuri (grosimi peste 200 cm). În fig. 4.3. sunt prezentate imagini pentru cele trei grosimi de canal.
Din punct de vedere al ventilării aerului din interiorul canalului, aceasta se poate realiza natural, mecanic sau hibrid. Cunoașterea tipului de ventilare este importantă mai ales pentru determinarea tipului de curgere, care este utilizat în calculul transferului convectiv. Avantajul ventilării mecanice constă în independența de condițiile atmosferice, precum vântul sau diferența de presiune dintre mediul interior și exterior. De asemenea, un alt avantaj al ventilării mecanice constă în controlabilitatea și continuitatea curgerii aerului. De cele mai multe ori, ventilarea mecanică se realizează prin integrarea în sistemul HVAC, dar pot exista și situații în care sunt utilizate mici ventilatoare locale.
a) b) c)
Fig. 4.3. a) fațade inaccesibile; b) fațade accesibile; c) atriumuri
O clasificare în funcție de compartimentarea fațadei este prezentată de Saelens în [8]. Astfel, dacă fațada se extinde pe întreaga înălțime și lățime a clădirii termenul de fațadă este adecvat. Atunci când fațada este divizată în mai multe unități mai mici, se pot defini trei categorii principale. Dacă partiționarea constă în canale verticale, se adoptă denumirea de fațadă tip coloană. Când partiționarea se face pe orizontală, se utilizează în mod uzual denumirea de coridor.
Fig. 4.4. Compartimentarea fațadelor dublu vitrate [6]
În fig. 4.4. sunt prezentate cele cinci tipuri de fațade în funcție de compartimentare:
1 – fațadă;
2 – coloană;
3 – coridor;
4a – fereastră;
4b – cutie.
În cazul în care compartimentarea se face atât pe orizontală cât și pe verticală, fațada dublu vitrată este de tip fereastră sau cutie. Termenul de fereastră este utilizat pentru sistemele în care ferestrele funcționează efectiv ca fațade dublu vitrate. Termenul de cutie este întâlnit adesea pentru anvelopele transparente în întregime cu partiționare atât orizontală cât și verticală.
Un alt aspect important în utilizarea fațadelor dublu vitrate și cu un rol determinant asupra eficienței acestora este reprezentat de protecțiile solare. Prezența protecțiilor solare de diferite tipuri influențează de asemenea comportamentul termodinamic al fațadei. După cum sugerează și denumirea, rolul principal este acela de a limita aporturile solare, atunci când acestea reprezintă un efect negativ asupra consumului de energie. De asemenea protecțiile solare sunt utilizate și pentru reglarea iluminării naturale pe parcursul unei zile.
Există o mare varietate de protecții solare, iar principalele categorii sunt: perdelele verticale, jaluzelele și rulourile. În literatura de specialitate există diverse studii privind tipul de protecții solare recomandate. Din punct de vedere al poziției protecțiilor solare față de fațadă acestea pot fi amplasate la exterior, în interiorul canalului sau în interiorul clădirii.
Un studiu detaliat cu privire la poziția protecțiilor solare în interiorul canalului (spre vitrajul exterior, în centru sau spre vitrajul interior) este realizat de N. Safer în [11].
Pentru o funcționare optimă a sistemului cu FDV este recomandată utilizarea unor canale mai înguste pe perioada iernii (ceea ce ar duce la o creștere a temperaturii aerului din canal). Pe de altă parte, în sezonul cald cel mai important aspect este acela de a asigura o protecție cât mai bună împotriva radiației solare, iar la momentul actual studiile referitoare la dimensiunea optimă sunt încă în desfășurare. Această problemă este determinată de încălzirea diferită a protecțiilor solare din interiorul canalului în funcție de dimensiunile acestuia.
4.4. Avantajele și dezavantajele utilizării fațadelor dublu vitrate
De la apariția conceptului de fațadă dublu vitrată, spre sfârșitul secolului XIX, până la momentul actual, s-au dezvoltat diverse tehnologii și materiale care au rolul de crea un număr din ce în ce mai mare de avantaje și de a reduce dezavantajele utilizării acestui sistem. O tendință accelerată de îmbunătățire și de implementare pe scară mai mare a FDV s-a constatat cu precădere în ultimele două decenii.
Scopul principal al fațadelor dublu vitrate a fost dintotdeauna acela de a reduce supraîncălzirea spațiilor interioare pe perioada verii și de reducere a pierderilor de căldură pe timpul iernii, comparativ cu fațadele simple. Alte avantaje pe care FDV le aduc sunt:
– crearea unei zone termice tampon;
– protecția împotriva vântului, chiar și atunci când ferestrele sunt deschise;
– protecția împotriva propagării focului;
– estetică și confort vizual;
– preîncălzirea, cu ajutorul energiei solare, a aerului din instalația de ventilare;
– protecția împotriva zgomotului;
– răcire pe timpul nopții;
– posibilitatea amplasării de panouri fotovoltaice;
– utilizarea luminii naturale;
– posibilități diverse de umbrire;
– economie de energie;
– protecție superioară împotriva efracției;
– diverse posibilități de design pentru arhitecți.
Trebuie menționat faptul că aceste avantaje au un impact variabil în funcție de poziționarea geografică a construcției și de asemenea de orientarea acesteia. De exemplu, un număr mare de clădiri, din țările din vestul și centrul Europei, sunt echipate cu astfel de sisteme. Pentru clima din această zonă a continentului, cu ierni mai blânde și veri în care nu se ating temperaturi extreme, implementarea fațadelor dublu vitrate este recomandată și are efecte optime atât pe perioada sezonului rece cât și pentru sezonul cald.
Integrarea sistemului cu fațadă dublu vitrată poate fi foarte eficientă energetic, dar pot exista și cazuri în care o implementare nereușită a acestuia să aibă mai mult efecte negative decât beneficii. Principalele dezavantaje legate de utilizarea FDV sunt de ordin tehnologic, economic și legislativ:
– dependența de condițiile meteo, în cazul utilizării ventilării naturale;
– posibilități reduse de filtrare a aerului, în cazul utilizării ventilării naturale;
– costuri de investiție mari;
– costuri mari de execuție și mentenanță;
– reducerea suprafeței utile;
– apariția condensului;
– riscul de transmitere a sunetelor între birouri prin intermediul ferestrelor deschise;
– costuri legate de menținerea igienei și a curățeniei;
– lipsa unui act normativ care să reglementeze proiectarea, execuția și exploatarea acestor sisteme;
– posibilități limitate de cuantificare a eficienței odată ajunse în exploatare;
– nivel de cunoștințe inginerești aflat încă la un nivel scăzut, în ceea ce privește intervențiile în caz de funcționare defectuoasă sau ineficientă.
O mare parte din aceste dezavantaje se pot înlătura, prin intervenții atât la nivel tehnologic și legislativ. Astfel, înainte de utilizarea sistemului, trebuie realizat un studiu de fezabilitate specific, urmat de o proiectare, execuție și exploatare atentă. La nivel european există deja câteva proiecte de realizare a unui act normativ dedicat doar fațadelor dublu vitrate. De asemenea, o dezvoltare a programelor de calcul necesare predicției comportamentului acestor sisteme poate fi remarcată.
Un aspect pozitiv ar putea fi reprezentat de utilizarea la scară mai mare pentru clădirile din sistemul public cum ar fi instituțiile de învățământ, sedii de birouri etc. Realizarea unor ghiduri de proiectare și modele de calcul necesare în proiectare, precum și stabilirea unor direcții de cercetare pe termen scurt și mediu ar putea aduce beneficii în ceea ce privește îmbunătățirea performanțelor FDV și implicit a clădirilor.
4.2. Efectul de răcire al curenților de aer din canalul fațadei
6.1. Generalități
În cazul amplasării panourilor fotovoltaice la interiorul canalului fațadei dublu vitrate, se poate gestiona avantajul răcirii acestora prin intermediul curenților de aer formați în canal. Pentru această configurație panourile fotovoltaice pot asigura umbrirea spațiului interior atunci când este necesar sau pot fi utilizate panouri semitransparente. În același timp acestea sunt protejate față de factorii externi. De asemenea, se poate asigura o mentenanță superioară și o înlocuire facilă, fiind mai puțin costisitoare.
4.5. Efectul de răcire al curenților de aer din canalul fațadei
Transferul de căldură în sistemele ventilate BIPV/T sunt guvernate de convecție și radiație cu lungime mare de undă. O exprimare completă a transferului de căldură la nivelul fațadei este prezentată de Saelens în (Saelens, 2002), în care sunt deosebite mai multe fluxuri de căldură.
Fig. 4.5. Mecanismul de transfer de căldură într-o fațadă ventilată cu panouri fotovoltaice integrate (D’Antoni & Fedrizzi, 2014)
În cazul amplasării panourilor fotovoltaice în locul vitrajului exterior sau la interiorul canalului fațadei dublu vitrate, se poate gestiona avantajul răcirii acestora prin intermediul curenților de aer formați în canal. Pentru această configurație panourile fotovoltaice pot asigura umbrirea spațiului interior, atunci când este necesar, sau pot fi utilizate panouri semitransparente. În cazul introducerii în canal, acestea sunt protejate față de factorii externi. De asemenea, se poate asigura o mentenanță superioară, înlocuirea facilă și mai puțin costisitoare.
6.2. Regimul termo-aeraulic în interiorul canalului FDV
Transferul de căldură în fațadele ventilate mecanic cu panouri fotovoltaice integrate este guvernat de convecție și radiație cu lungime de undă mare. Curgerea se realizează de obicei la viteze mici, între două suprafețe paralele, cu sau fără obstacole cum ar fi protecțiile solare. Principiile fizice aplicate în fațadele ventilate mecanic sunt identice celor din instalațiile de ventilare interioară. Majoritatea ipotezelor de curgere și procedurilor utilizate la curgerea în medii interioare se aplică și pentru simularea curgerii aerului în cazul BIPV. (Chen, 1995, and Posner et al., 2003).
Regimul de curgere recomandat în modelarea curgerii aerului este cel turbulent (Safer et al., 2005, Moshfegh and Sandberg, 1996, and Zollner et al., 2002), deși în unele lucrări sunt prezentate și modele de curgere laminară (Mootz 17 and Bezian, 1996, and Brinkworth, 2002).
Modelarea numerică a sistemului BIPV reprezintă o sarcină foarte complexă datorită prezenței unor cupluri de mecanisme de transfer de căldură (Infield et al., 2004, and Salenes, 2002). Astfel, pot fi prezente în același timp regimurile laminar și turbulent, convecția liberă sau forțată (sau mixtă), radiația cu lungime de undă lungă și scurtă. Prin urmare, un model de succes trebuie să fie capabil să modeleze cu succes toate aceste modalități de transfer de căldură. Pe lângă complexitatea metodei prezentate, modelarea numerică a sistemului poate fi dificilă datorită dificultății modelării fenomenelor locale, cum ar fi efectele vântului.
Deși utilizarea fațadelor ventilate are o creștere evidentă, mai ales în țările europene, trebuie ținut cont de limitările acestora, mai ales în cazul celor ventilate natural. De exemplu, pentru aceeași configurație a sistemului, economia de energie pentru încălzire atinge valori de 12% în Barcelona în timp ce în Stuttgart nu atinge decât 2% (Mei et al., 2003). Conform (Nemati, 2009) fațadele ventilate mecanic sunt superioare celor ventilate natural, deoarece acestea asigură debite de aer mai mari și economie de energie.
4.3. INTEGRAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE ÎN CLĂDIRI CU FDV
Este foarte important ca integrarea panourilor fotovoltaice într-o clădire să se realizeze în urma unei analize realizată alături de viitorul beneficiar al clădirii respective. Astfel se poate ajunge la o bună corelație între producerea de energie electrică și consumul de energie al beneficiarului. Întotdeauna este recomandat ca soluția de utilizare a sistemelor cu panouri fotovoltaice trebuie să vină împreună cu o altă serie de măsuri de eficientizare și raționalizare a consumurilor de energie: înlocuirea lămpilor de iluminat cu incandescență cu cele economice, utilizarea de aparatură performantă etc. Aceste măsuri nu sunt întotdeauna costisitoare și trebuie implementate în vederea realizării unui consum de energie scăzut.
Pe lângă rolul de generare a energiei electrice, panourile fotovoltaice integrate în clădiri îndeplinesc mai multe funcții: anvelopare, hidroizolație, umbrire, colector termic și posibilități arhitecturale deosebite. Prin urmare, marea schimbarea în concepția sistemelor fotovoltaice în clădiri constă în faptul că acestea au devenit materiale de construcție, care au caracteristici asemănatoare sticlei pentru vitraje exterioare. În Europa acest concept este în plină dezvoltare, și este implementat cu precădere în țări precum Germania, Austria, Elveția sau Marea Britanie.
Modelarea numerică a soluțiilor de amplasare a panourilor fotovoltaice pe acoperiș, precum și a convecției realizate este studiată pe larg în (Jubayer, 2010). Pe lângă aceste soluții, având în vedere că nu mai există suficient spațiu pe acoperiș, sau în imediata apropiere a construcției – inestetice, o dezvoltare puternică este înregistrată în ceea ce privește integrarea acestora în fațade. Această soluție este foarte apreciată atât de arhitecți cât și de inginerii din domeniul ingineriei civile, datorită aportului de energie adus și esteticii superioare.
Fig. 5.1. Comparație între spațiul disponibil și consumul de energie al populației
5.2. Poziționarea PV
Pentru realizarea sistemelor fotovoltaice pe fațada clădirilor, la ora actuală există mai multe soluții.
5.2.1. Panouri fotovoltaice aplicate
Această tehnică este cunoscută în literatura de specialitate sub denumirea de BAPV (Building Applied Photovoltaics) – panouri fotovoltaice aplicate pe clădiri (fațadă).
Tehnologia este utilizată pentru clădirile construite și aplicarea panourilor fotovoltaice se realizează peste materialele de construcție existente.
Fig. 5.2. Exemplu de fațadă cu tehnologia BAPV (http://www.tsolpv.com)
5.2.2. Panouri fotovoltaice integrate în fațadă (BIPV)
Această tehnică este denumită în literatura de specialitate BIPV (Building Integrated Photovoltaics) – integrarea panourilor fotovoltaice în elementele clădirii în faza de proiectare.
Soluțiile sunt diverse, pe piață existând la ora actuală panouri fotovoltaice semitransparente, opace sau de diverse culori.
Fig. 5.3. Curgerea aerului într-o fațadă BIPV
Fig. 5.4. Exemplu de fațadă cu tehnologia BIPV (http://www.onyxsolar.com)
Fig. 5.5. Clădirea AstroEnergy cu sistem BIPV (http://www.astronergy.com)
5.2.3. Fațade media cu panouri fotovoltaice
Fațada media reprezintă o fațadă hibridă din punct de vedere funcțional și estetic, reprezentând o integrare a arhitecturii, tehnologiei și conținutului. Termenul de fațadă media este asociat cu realizarea unor elemente și ecrane luminoase pe fațadele clădirilor, cu rol publicitar sau estetic. Acestea constituie o importantă creștere a energiei adiționale necesare clădirilor, pentru iluminat sau pentru punerea în mișcare a componentelor mecanice. Prin utilizarea panourilor fotovoltaice integrate în astfel de clădiri se pot obține economii de energie atât active (surplus de energie electrică de la PV) cât și pasive (evitarea supraîncălzirii în timpul zilei). Scenariile de funcționare, în timpul zilei și nopții sunt prezentate în Fig. 5.6.
Fig. 5.6. Modul de funcționare al fațadelor media pe timpul zilei și al nopții (Tovarovic, 2014)
Fig. 5.7. Fațadă media – Greenpix, Zero Energy Media Wall, Beijing, China (http://netdna.webdesignerdepot.com)
5.2.4. Panouri fotovoltaice cu rol de umbrire
Atunci când sunt folosite și cu rol de umbrire, panourile fotovoltaice pot fi amplasate la exteriorul fațadei, în interiorul canalului sau pe vitrajul interior.
Fig. 5.8. Utilizarea panourilor fotovoltaice cu rol de umbrire (http://www.shadinglouvres.com)
5.2.5. BIPV în fațade înclinate
Aceste fațade prezintă un avantaj față de fațadele verticale, deoarece unghiul de incidență al radiației solare este apropriat de cel ideal, pentru sisteme fixe. Prin urmare, producția de energie electrică este superioară.
Fig. 5.9. Fațadă înclinată – Doxford Solar Office, United Kingdom (http://www.bca.gov.sg)
5.2.6. Panouri fotovoltaice semitransparente și colorate
Din necesitatea integrării în fațade, în ultimii ani, au început să se dezvolte tehnologiile pentru obținerea panourilor fotovoltaice semitransparente sau de diverse culori (DSC – Dye Solar Cell). Acestea nu sunt realizate din siliciu și au randamente de conversie mai scăzute, cu valori maxime de aproximativ 10%. În schimb oferă posibilități arhitecturale deosebite, posibilitatea iluminării spațiilor și sunt mai puțin sensibile la orientare.
Fig. 5.10. Panouri fotovoltaice semitransparente
Datorită necesităților arhitecturale actuale, în cadrul unei conferințe internaționale (Annual Conference of Advanced Building Skins, 2014), a fost prezentat un panou fotovoltaic de culoare albă, reprezentând o premieră mondială. Din punctul de vedere al acestor noi tipuri de panouri fotovoltaice am fost prezent la, când. Conform producătorului – CSEM, acesta poate atinge randamente de 10% și va fi valabil începând cu vara anului 2015.
Fig. 5.11. Primul panou fotovoltaic (150x50cm) de culoare albă (Annual Conference of Advanced Building Skins, 2014)
4.2. Posibilități de amplasare a panourilor fotovoltaice în structura fațadelor dublu vitrate
5.3. Studiul tehnologiei BIPV
Integrarea de panouri fotovoltaice în structura fațadei unei clădiri duce la crearea unui așa numit perete activ sau fațadă activă. Principiul utilizării energiei solare pentru a reduce consumurile energetice ale clădirii a fost implementat prima dată sub denumirea de perete Trombe-Michel, creat de E.I. Morse în anul 1882. Acesta a fost realizat prin plasarea unei benzi metalice în spatele unui strat de sticlă astfel încât radiația solară să genereze căldură atunci când bate pe piesa metalică neagră.
Ideea de perete solar a fost popularizată în anii ’70, când F. Trombe și J. Michel au reintrodus ideea de pereți activi. Pereții Trombe-Michel sunt uneori cunoscuți sub denumirea de pereți de acumulare, pereți colectori de acumulare sau pereți solari.
Prin integrarea panourilor fotovoltaice în fațadele dublu vitrate se pot realiza așa numitele fațade calde sau fațade reci, în funcție de locul de amplasare a acestora.
Fig. 5.7. Fațadă rece [18] Fig. 5.6. Fațadă caldă [18]
Integrarea panourilor fotovoltaice în fațadele clădirilor este dezavantajoasă din punctul de vedere al înclinării acestora. În schimb, aspectul pozitiv constă și în faptul că suprafața disponibilă este mai mare. De asemenea, pe timpul iernii, când consumul de energie electrică este mai mare, intensitatea radiației solare pe suprafețele verticale sau cu înclinație scăzută este ridicată, atingând valori maxime de aproximativ 500 W/m2 (măsurate în luna ianuarie în Iași).
În Europa, integrarea în fațada sudică a clădirilor este avantajoasă. Prețul panourilor fotovoltaice este cu puțin mai mare decât cel al sticlei utilizate pentru fațadele vitrate.
Multifuncționalitatea BIPV
5.4.3. Modelarea clădirilor cu sistem BIPV
Modelarea numerică a sistemului BIPV reprezintă o sarcină foarte complexă datorită prezenței unor cupluri de mecanisme de transfer de căldură [31, 32]. Astfel, pot fi prezente în același timp regimurile laminar și turbulent, convecția liberă sau forțată (sau mixtă), radiația cu lungime de undă lungă și scurtă. Prin urmare, un model de succes trebuie să fie capabil să modeleze cu succes toate aceste modalități de transfer de căldură. Pe lângă complexitatea metodei prezentate, modelarea numerică a sistemului poate fi dificilă datorită dificultății modelării fenomenelor locale, cum ar fi efectele vântului. [din septembrie 2014]
Un exemplu de modelare a clădirilor cu panouri fotovoltaice integrate este prezentat în [19]. Pentru analiza performanței termice a unei astfel de clădiri s-a realizat un model termic dinamic ce incorporează o fațadă fotovoltaică și colectori solari. Acest model al clădirii a fost realizat cu ajutorul programului de simulare TRNSYS și s-a demonstrat a fi precis.
Modelul termic complet este alcătuit din trei componente principale: fațada ventilată, cu panouri fotovoltaice; captatorul solar plat; și model de clădire monozonal.
5.4. Valorificarea energiei solare prin utilizarea PV cu rol dublu BIPV/T
Economia de căldură ce poate fi realizată prin sistemele BIPV/T, sub formă de aer cald, pot fi de multe ori mai mari decât generarea de electricitate. Pentru sistemele de încălzire cu aer cald, aerul din canal este preîncălzit atunci când curge în apropierea panoului fotovoltaic și poate fi utilizat în interiorul clădirii ca sursă de aer proaspăt. De asemenea, pe timpul verii, când această căldură nu este necesară, poate fi eliminată în exterior prin intermediul canalului fațadei. Deși sistemele bazate pe apă sunt posibile, acestea nu sunt utilizate momentan decât cu mici excepții, din cauza complexității ridicate (Nemati, 2009).
Tehnologia BIPV/T este una avantajoasă deoarece se utilizează simultan conversia electrică și termică a energiei solare. Studiile (Liao L., 2005) au demonstrat că atunci când conversia electrică este în scădere, datorită temperaturilor în creștere, eficiența conversiei termice atinge valori de 50…70%. Combinarea acestor fenomene într-o singură eficiență globală este avantajoasă deoarece fiecare poate intensifica efectul celeilalte. În orice sistem solar, un strat suplimentar de absorbție al energiei solare, cum ar fi un panou fotovoltaic, contribuie la aporturi solare superioare, în timp ce ventilarea forțată în apropierea panoului fotovoltaic poate scădea temperatura acestuia și crește eficiența de conversie electrică.
Racirea cu aer
Prin integrare – valorificarea complexă termică și fotovoltaică
– comparație și argumente contra câmpurilor de fotovoltaice și amplasare pe fațade neventilate
Cuce et al. [22] prezintă o modalitate de îmbunătățire a temperaturii panourilor fotovoltaice prin utilizarea răcirii pasive, cu ajutorul aerului. În studiul experimental au fost comparate aceste valori caracteristice ale panourilor fotovoltaice pentru două celule fotovoltaice în condiții diferite. Prima celulă este simplă și a reprezentat cazul de bază, iar cea de a doua a fost echipată cu un sistem de absorbție și disipare a căldurii în zona posterioară. Acest sistem constă dintr-o rețea de aripioare rectangulare realizată din aluminiu, fiind cuplată termic la panoul fotovoltaic prin intermediul unei paste termoconductoare.
Principalii parametri ai celulei solare, Isc și Voc, sunt influențați în mod direct de radiația solară și temperatura de operare a celulei. Astfel, la creșterea intensității solare incidente pe celulă are loc o creștere liniară a valorii Isc precum și una logaritmică în cazul Voc. Mărirea intensității radiației solare este asociată cu o creștere a temperaturii celulei, al cărei efect principal constă în scăderea liniară a Voc și prin urmare a randamentului de conversie fotovoltaică.
Eficiențele energetice, exergetice și de conversie ale răcirii pasive, în condițiile unei temperaturi ale aerului constante, de 25 °C, și pentru diverse nivele de radiație sunt superioare cazului de bază. Astfel, pentru G = 800 W//m2 eficiența energetică este superioară cu 9%, eficiența de conversie cu 13% și eficiența exergetică mai mare cu 20% [22].
Creșterea puterii electrice furnizate de celula fotovoltaică are valori cuprinse între 8…65 mW pentru intensitatea radiației solare între 200 și 800 W/m2. De asemenea, se înregistrează o creștere a energiei termice extrase din celula fotovoltaică și scăderea temperaturii acesteia cu valori cuprinse între 10 și 30 °C. Studiul nu prevede măsurători în ceea ce privește viteza sau direcția curenților de aer.
Un alt studiu de referință, în ceea ce privește răcirea panourilor fotovoltaice cu aer, a fost realizat de Tonui et al. [23]. În această lucrare se studiază tehnologia PV/T care reprezintă o formă optimizată de utilizare a panourilor fotovoltaice și cu rolul de obținere a unei cantități de energie termică. Acest aspect nu este de neglijat, având în vedere că se generează două dintre cele mai utilizate tipuri de energie și funcționarea fiecăruia din cele două sisteme aduce beneficii celuilalt. Trebuie menționat că în cazul utilizării sistemelor PV/T, prioritară este producerea energiei electrice și asigurarea eficienței acesteia.
În studiul [23] se realizează implementarea unui canal ventilat, cu lățimea de 10 cm în spatele panoului fotovoltaic. Această configurație se pretează foarte bine în cazul integrării panourilor fotovoltaice în structura clădirii și duce la consumuri scăzute de energie. Ventilarea canalului se poate realiza natural, datorită tirajului termic, precum și datorită curenților de aer induși de vânt, dar în acest caz vitezele maxime nu depășesc valoarea de 0,5 m/s. Cazurile propuse sunt următoarele:
PVT/AIR – REF: cazul de referință, canalul de aer simplu în spatele panoului;
PVT/AIR – TMS: interpunerea unui strat metalic subțire în interiorul canalului;
PVT/AIR – FIN: atașarea de aripioare rectangulare în spatele canalului.
Metodele diferite de cazul de bază îmbunătățesc transferul de căldură de la pereții canalului către aerul care circulă, dar măresc pierderile de presiune.
Temperaturile măsurate pentru debit de aer zero pentru toate configurațiile au avut valori de 55-75 °C la temperatura ambiantă de 30 °C și nivelul radiației solare de 700-800 W/m2. Prin introducerea circulației forțate a aerului, temperaturile, în aceleași condiții, au avut valori de 45-65 °C.
Răcirea cu apă
Majoritatea soluțiilor de răcire a panourilor fotovoltaice vin cu măsura suplimentară de a utiliza energia recuperată în urma acestui proces, astfel timpul de recuperare a investiției este mai mic decât în cazul sistemelor fotovoltaice simple.
În [24] se prezintă o variantă de răcire a panourilor fotovoltaice prin utilizarea apei cu rol de agent caloportor. Studiul prezintă un panou fotovoltaic hibrid în spatele căruia se atașează un material FGM (functionally graded material), iar în interiorul acestuia se pozează o serpentina prin care circulă apa. Acest circuit are rol atât de extragere a căldurii din panou cât și de colector solar. Standul experimental este prezentat în fig. 11, iar simularea radiației solare a fost realizată cu ajutorul unei lămpi cu halogen.
Panoul fotovolatic este considerat a fi amplasat pe un acoperiș și prin urmare a avut o înclinație de 45° față de orizontală. Nivelul radiației solare simulate a fost de 850 și 1100 W/m2. Temperatura apei la intrare a avut o valoare constanta, de 20 °C. Serpentina pentru circulația agentului de răcire a fost realizată din țevi de cupru cu diametrul de 6 mm introduse în stratul de material cu proprietăți variabile, pasul a fost de aproximativ 2,5 cm. Debitul de apă în conducte a fost controlat pe durată experimentelor și a avut valori de 33 și 66 ml/min pentru nivelul radiației solare de 850 și 1100 W/m2. Acest debit de apă a fost stabilit în urma mai multor încercări și este cel mai eficient în realizarea răcirii panoului, temperaturile măsurate la ieșire având valori de 32-34 °C.
Acest aspect a fost evidențiat și prin realizarea unui model numeric cu ajutorul softului ABAQUS. Rezultatele numerice au fost confirmate de măsurătorile experimentale.
Energia produsă în urma implementării acestei soluții este prezentată în următorul tabel:
Bibliografie
– din programul de cercetare – an I -sept
BIBLIOGRAFIE
Herakovich C.T., (1998), Mechanics of fibrous composites, University of Virginia, John Wiley & Sons, Inc., United States of America.
Capitolul 3
BAZE TEORETICE
2.1. Radiația solară
Introducere
Soarele este o stea de dimensiuni medii, aflată în centrul Sistemului Solar, la aproximativ 150 milioane km față de Pământ reprezentând cea mai importantă sursă de energie pentru planeta noastră. Energia Soarelui este generată, în principal, de nucleul său, prin reacțiile termonucleare de fuziune a hidrogenului în heliu. Viteza de conversie a hidrogenului în heliu este de circa 4.26 milioane tone pe secundă (www.wikipedia.org). Acest debit de substanță se transformă în mod continuu în energie. Se estimează (SURSA) că în acest ritm, în următorii 10 milioane de ani, se va consuma cca. 1% din cantitatea actuală de hidrogen, deci nu există un pericol iminent de epuizare a sursei de energie a Soarelui. Această energie este apoi transmisă de la nucleu spre suprafața solară sub formă de unde electromagnetice. Presiunile gravitaționale comprimă și duc la încălzirea materialului de bază la peste 15 de milioane °C.
Energia solară este emisă în toate direcțiile, și doar jumatate de miliardime din aceasta este în direcția planetei noastre (SURSA). Energia medie primita de la Soare la suprafața întregului Pamânt este de 1353 W/m2. (există și alte valori!!!! Ex: 1370 W/m2) Aceasta este, de asemenea, numită constanta solară. Aproximativ 34% din energia solară este reflectată înapoi în spațiu de zăpadă și nori (SURSA). Totuși, această energie este suficientă pentru a menține temperatura Pământului la valori mult peste 0 K.
Unitatea de măsură pentru intensitatea radiației solare în Sistemul Internațional (S.I.), este: (W/m2), dar sunt utilizate frecvent și alte unități de măsură: (kWh/m2.zi), (kWh/m2.an) sau (kcal/m2.h). De exemplu, o intensitate medie a radiației solare de 500 W/m2 poate fi exprimată ca: 12 kWh/m2.zi sau 4378 kWh/m2.an.
După originea sa, radiația la nivel atmosferic se subdivide în:
– radiația solară – este radiația recepționată de la Soare, de undă scurtă.
– radiația terestră – este radiația emisă de către suprafața terestră, de undă lungă (mai mult de 4 μm).
– radiația atmosferei – este radiația emisă de către atmosferă, de undă lungă.
După direcție, radiația se împarte în:
– radiație descendentă – este radiația solară și a atmosferei îndreptate spre suprafața terestră. Radiația descendentă care provine de la Soare se mai numește și radiație solară incidentă.
– radiație ascendentă – este radiația solară și a atmosferei de sens invers radiației descendente, emisă sau reflectată de suprafața terestră.
Pentru conversia fotovoltaică, cea mai mare pondere o are radiația solară.
2.2. Poziția Soarelui
Poziția Soarelui pe bolta cerească determină intensitatea radiației și este într-o continuă schimbare, datorită rotației Pământului în jurul propriei axe și în jurul Soarelui. Aceasta este caracterizată în orice moment de trei unghiuri (Fig. 2.1):
– unghiul de înclinare;
– unghiul de elevație;
– unghiul azimutal.
Fig. 2.1. Poziția Soarelui – unghiuri
Unghiul de înclinare (fig. 1.2.) dintre Pământ și Soare reprezintă unghiul dintre razele solare
extinse până în centrul Pământului și planul ecuatorial. Acesta se schimbă în funcție de anotimpuri, cu un maxim la solstițiul de vară (23,45°) când razele solare sunt perependiculare pe Tropicul Racului și un minim la solstițiul de iarnă (-23,45°) când razele solare sunt perpendiculare pe Tropicul Capricornului.
Fig. 1.2. Poziția Pământului în raport cu Soarele pe parcursul unui an
Rotația Pământului modifică unghiul sub care razele soarelui ajung la suprafața terestră și procentul din puterea maximă posibilă primită.
Unghiul de înclinare, se notează cu δ și se determină cu următoarea relație:
unde, d – reprezintă numărul zilei din an.
Unghiul de elevație (de înălțime) reprezintă înălțimea Soarelui pe cer măsurată în
grade față de orizontală (fig. 2.1.). Acesta variază pe parcursul unei zile, având valoarea de 0° la răsărit și valoarea maximă la amiaza solară. Unghiul zenital este măsurat în raport cu verticala locului și este complementar cu unghiul de înălțime.
Unghiul azimutal reprezintă direcția în care se află Soarele la un moment dat,
măsurată pe busolă (fig. 2.1.).. La amiaza solară, Soarele se află întotdeauna pe direcția sud în emisfera nordică și nord în emisfera sudică. La echinocții, Soarele răsare exact de la est și apune la vest, indiferent de latitudine, astfel unghiurile azimutale fiind 90° la răsărit și 270° la apus.
3.3. Spectrul radiației solare
În urma proceselor de fuziune nucleară Soarele emite în spațiu energie sub formă de radiație electromagnetică și radiație corpusculară (vântul solar). Lumina pe care o percepem reprezintă doar o fracțiune din energia radiantă emisă de Soare, incidentă pe Pământ.
Radiația solară face parte din categoria radiațiilor electromagnetice, cu proprietățile și caracteristicile acestora. Spectrul electromagnetic al undelor este prezentat în (Fig 2.2.).
Fig. 2.2. Spectrul undelor electromagnetice (http://ligiapop.com)
Cea mai mare parte a energiei Soarelui este emisă într-un spectru de la 0,15 microni la 4 microni, sub formă de radiație electromagnetică în domeniul ultraviolet, vizibil și infraroșu.
Lungimea de undă este invers proporțională cu frecvența și energia radiației electromagnetice, variația acestora putând fi observată în Fig. 2.3.
Fig. 2.3. Corelația între lungimea de undă, energia și frecvența radiației solare (http://www1.eere.energy.gov)
Spectrul radiației solare se poate împărți în trei mari domenii spectrale:
Radiația vizibilă (lumina), radiația care produce direct senzația vizuală. Aceasta
are o pondere de aproximativ 45% din banda radiației solare totale la nivelul solului și 40% în spațiul cosmic. Limita inferioară este cuprinsă între 380 – 400 nm și limita superioară între 760 – 780 nm. Din punct de vedere calitativ, radiațiile vizibile se caracterizează prin senzația de culoare pe care o provoacă și anume: 380 nm (violet), 475 nm (albastru), 510 nm (verde), 570 nm (galben), 590 nm (portocaliu), 647 nm (roșu), 760 nm (ultraroșu) (www.wikipedia.org).
Radiația infraroșie, este radiația cu lungimi de undă superioare vizibilului și mai
mici de 1 mm. Procentajul radiației infraroșie este de 52% din radiația totală la nivelul solului și 50% în spațiul cosmic (www.wikipedia.org). Acest domeniu spectral se împarte în:
– radiația infraroșie A (I.R. – A) 780 – 1400 nm;
– radiația infraroșie B (I.R. – B ) 1400 – 3000 nm;
– radiația infraroșie C ( I.R. – C) 3000 – 1 mm ( 10 6 nm).
Radiația ultravioletă este radiația cu lungimi de undă inferioare celei vizibile și
mai mari de 1 nm, cu un procent de 3% din totalul radiației solare la nivelul solului și de 10% în spațiul cosmic. Spectrul ultraviolet se împarte în:
– radiația ultravioletă A (U.V. – A) 315 – 400 nm;
– radiația ultravioletă B (U.V. – B) 280 – 315 nm;
– radiația ultravioleta C (U.V. – C) 100 – 280 nm.
Spectrul electromagnetic fotosferic al Soarelui emite 98% din energie în domeniul cuprins între 150 – 3000 nm. Radiația solară din afara acestor limite conține foarte puțină energie. În cazul unor lungimi de undă mai mari de 3000 nm în domeniul infraroșu, aproximativ întreaga energie este absorbită de vaporii de apă și de bioxidul de carbon.
Spectrul radiației solare este foarte apropiat de cel al corpului negru cu o temperatură de aproximativ 5800 K. În Fig. 2.4. se poate observa cantitatea mare de energie electromagnetică emisă în domeniul vizibil.
Fig. 2.4. Spectrul radiației solare (http://www.viridiansolar.co.uk)
Clasificarea fluxurilor de radiație este relizată după criterii privind natura sau originea sa (Oprea C., 2005).
După lungimea de undă (λ) radiația se împarte în:
– radiația de undă scurtă – cu λ cuprinsă între 290 – 3000 nm. Acesta este spectrul radiației solare și a fluxurilor derivate din ea, radiația solară difuză sau reflectată.
– radiația de undă lungă – cu λ mai mare de 3000 nm. Radiația de undă lungă este considerată a fi radiația suprafeței terestre și a atmosferei.
3.4. Componentele radiației solare
Radiația solară directă (S) – o parte a radiației solare care ajunge la suprafața
Pamântului sub formă de raze paralele provenite direct de la discul solar. Este o radiație de undă scurtă. În practică, radiația solară directă se consideră fie pe suprafața normală (S) când fascicolul de raze este perpendicular pe suprafața receptoare fie pe suprafața orizontală (S’) . Între cele două componente există urmatoarea relație simplă:
unde, ho = înalțimea Soarelui deasupra orizontului.
Radiația solară directă este influențată de unghiul de incidență al razelor solare care este strâns legat de înălțimea Soarelui deasupra orizontului. Cu cât valorile înalțimii Soarelui sunt mai mari cu atât unghiul de incidență al razelor este mai mare și de aici densitățile de flux sunt mai mari.
Radiația solară difuză (D) – reprezintă o parte a radiației solare deviată de la
propagarea rectilinie, ca urmare a reflexiei și refracției provocate de moleculele gazelor constituente ale atmosferei și de diversele particule în suspensie. Ea are o compoziție spectrală modificată datorită caracterului selectiv al difuziei care este dependent de dimensiunile particulelor difuzante, acest fenomen fiind mai puternic în domeniul vizibil al spectrului. Radiația difuză ajunge la suprafața terestră din toate punctele bolții cerești. În general, aceasta se masoară pe suprafața orizontală, într-un unghi de 2π, fiind o radiație descendentă de undă scurtă.
Radiația solară globală (Q) – este suma dintre radiația solară directă și radiația difuză:
Uzual se masoară într-un unghi de 2π (180o). Dupa cum se observă în formulă, radiația solară globală este dependentă de unghiul de înălțime al Soarelui și în general variația radiației globale este dependentă de variațiile celor două componente. Pe timp senin, fără nori, aportul decisiv în valorile radiației solare globale îl are radiația directă. Pe un timp parțial noros aportul radiației difuze crește mai ales datorită reflexiilor multiple pe nori, iar în cazul unui strat compact de nori aportul principal îl are radiația difuză. Radiația solară globală este o radiație de undă scurtă.
Radiația solară reflectată (Rs). Este o parte din radiația solară directă și difuză
care este reflectată de suprafața terestră spre atmosferă. Este o radiație de undă scurtă. Radiația solară reflectată este influențată de unghiul de incidență al radiației descendente (radiația globală) și de capacitatea de reflexie a suprafeței terestre.
Capacitatea de reflexie a unei suprafețe se numește albedou (A) și reprezintă:
unde: Rs = radiația solară reflectată (W/m2);
Q = radiația solară globală (W/m2).
Albedoul depinde de natura suprafeței terestre. Cea mai mare capacitate de reflexie o are zăpada proaspată pe vreme geroasă (85%). Cel mai mic albedou îl au solurile lipsite de vegetație unde acesta variază între 5 și 14% pentru solurile umede și între 12 și 20% pentru cele uscate (Oprea, 2005).
3.5. Interacțiunea radiației solare cu materia
Emisivitatea reprezintă măsura în care o suprafață emite energie sub formă de radiație, în comparație cu energia emisă de corpul negru la aceeași temperatură. Emisivitatea unei suprafețe variază între zero și unu. Pentru o suprafață reală emisivitatea variază în funcție de temperatura suprafeței, lungimea de undă și direcția în care este emisă radiația. Emisivitatea Soarelui este apropiată de cea a corpului negru cu temperatura de 5800 K.
În cazul în care cantitatea de energie radiantă absorbită, reflectată și transmisă de o suprafață este măsurată în procente ale energiei totale incidente, atunci se pot defini trei caracteristici definitorii ale acesteia: absorbția (α), reflexia (ρ) și transmitanța (τ), existând următoarea relație între ele:
Absorbția reprezintă procentul radiației absorbite de o suprafață.
Reflexia reprezintă procentul radiației reflectate de o suprafață.
Transmitanța reprezintă procentul energiei transmise printr-o suprafață. Din acest punct de vedere, corpurile pot fi considerate transparente, opace sau semitransparente (http://newscenter.lbl.gov).
AIR MASS
3.1. Conversia fotovoltaică
3.2. Efectul fotovoltaic
3.2.1. Generalități
Spre deosebire de efectul fotoelectric, în cazul efectului fotovoltaic, unii electroni sunt excitați de radiația solară până ajung la nivele energetice superioare, dar fără a părăsi materialul (Fig. 3.1.). Pentru a obține efectul fotovoltaic este necesar un dispozitiv asimetric, de exemplu o joncțiune p-n, astfel încât electronii (încărcați negativ) să fie canalizați într-o direcție și golurile (încărcate pozitiv) în cealaltă direcție, rezultând astfel o tensiune. În lucrările de specialitate din literatura românească efectul fotovoltaic este denumit adesea și efect fotoelectric (SURSA).
Efectul fotoelectric reprezintă expulzarea electronilor din materie, în urma absorbției de radiație electromagnetică (Fig. 3.1.) (SURSA). Aceștia primesc energia necesară pentru a ieși de pe nivelele energetice superioare în exteriorul atomilor. Această teorie este valabilă în cazul în care se consideră că radiația electromagnetică este compusă din particule elementare, denumite fotoni.
Fig. 3.1. Diferența între efectul fotoelectric și efectul fotovoltaic (SURSA)
Efectul fotoelectric a fost observat prima dată în 1839 de către Edmond Becquerel, un fizician din Franța. În cursul anului 1876 Adams și Day au observat efectul fotovoltaic în seleniu solid. Celula solară modernă a fost descoperită în 1954. Cercetătorii Bell Labs de la Pearson, Chapin, Fuller au raportat descoperirea de celule din siliciu cu eficiență de 4,5%, aceasta fiind ridicată la 6% doar câteva luni mai târziu.
3.2.2. Principiul de conversie fotovoltaică
Radiația solară este compusă din fotoni, care conțin variate cantități de energie, corespunzătoare diferitelor lungimi de undă ale spectrului solar. Când aceștia lovesc o celulă fotovoltaică, ei pot fi reflectați, pot traversa celula sau pot fi absorbiți. Atunci când este absorbită destulă energie solară de materialul semiconductor, electronii sunt dislocați din atomii materialului. Un tratament special al suprafeței, în timpul producerii, face suprafața frontală a celulei mai receptivă la electronii liberi, astfel încât electronii migrează spre suprafață.
Datorită absorbției radiației electromagnetice, în anumite materiale, de exemplu cele semiconductoare, electronii de pe straturi energetice inferioare pot trece pe straturi energetice superioare, devenind astfel liberi. Concomitent cu eliberarea electronilor are loc o generare de sarcini electrice pozitive, denumite goluri. Dacă mai mulți electroni, fiecare purtând o încarcătură negativă, călătoresc spre suprafața frontală a celulei, dezechilibrul care rezultă din încărcarea diferită între fața celulei și suprafețele din spate creează un potențial de tensiune la fel ca bornele negative și pozitive ale unei baterii. Dacă cele două suprafețe sunt conectate printr-o sarcină externă, cum ar fi un receptor, va circula un curent electric.
În Fig. 3.2. este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci și a siliciului. Sunt reprezentate cele două nivele energetice Ec (eV) – energia necesară electronilor pentru a se afla în banda de conducție și Ev (eV) – energia necesară electronilor pentru a se afla în banda de valență.
Fig. 3.2. Structura energetică a materialelor semiconductoare (www.rpi.edu)
Pentru ca un electron din banda de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conducție, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie pentru a depăși banda interzisă. Valorile uzuale pentru această cantitate de energie pentru celulele PV sunt:
1,12eV (λ = 1112 nm) – pentru siliciu cristalin;
1,65eV (λ = 750 nm) – pentru siliciu amorf;
0,66eV (λ = 1878 nm) – pentru germaniu.
Fig. 3.10. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice din siliciu (www.volker-quaschning.de)
+ absorbtia fotonilor (dec 2014)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Energia fotonului, conform dualității undă-corpuscul, se determină cu relația:
și are o importanță deosebită din punctul de vedere al conversiei fotovoltaice.
Variația energiei fotonilor în funcție de lungimea de undă a radiației solare este reprezentată în Fig. 3.3.
Fig. 3.3. Variația energiei E(eV) funcție de lungimea de undă λ (μm) (www.animations.physics.unsw.edu.au)
În consecință, fotonii cu lungimi mari de undă, a căror energie cinetică este mică, desprind puțini electroni de pe stratul de valență și au o eficiență scăzută în producerea energiei electrice. Pe de altă parte fotonii cu lungimi foarte mici de undă, bogați în energie vor fi absorbiți la suprafața celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice. Surplusul de energie este transformat în căldură și conduce la încălzirea materialului (Căluianu, 2011).
Obținerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri) se realizează în momentul fabricării celulelor fotovoltaice, atunci când siliciul este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice. Se obțin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanța diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obține o așa numită joncțiune de tip p-n, prezentată schematic în Fig. 3.4.
Fig. 3.4. Joncțiune p-n
Datorită diferenței de potențial electric, ce se manifestă în zona de contact, surplusul de electroni din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, deficitar în electroni. De asemenea, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendința de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă.
Deplasarea sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). În consecință, va avea loc o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n, de tipul celei reprezentate în Fig. 3.5.
Fig. 3.5. Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p-n
În urma acestei redistribuiri apare o diferență de potențial locală, la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră care împiedică o deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p și a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncțiunii spre suprafețele acestor straturi, opuse joncțiunii p-n (Balan, 2007).
În momentul expunerii joncțiunii p-n la radiație solare, fotonii care au un nivel energetic suficient de ridicat, sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conducție și să devină electroni liberi. Datorită diferenței interne de potențial, care se manifestă la nivelul joncțiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atrași spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul n, sunt respinși spre suprafața acestui strat (Balan, 2007).
Electronii liberi, în momentul trecerii pe stratul de conducție, lasă în urmă un gol în structura atomului părăsit, astfel că sub acțiunea radiației solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative și pozitive. Sub acțiunea diferenței interne de potențial, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncțiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul p, sunt respinși spre suprafața acestui strat (Balan, 2007).
Această deplasare a sarcinilor electrice în cele două straturi și în zona joncțiunii p-n, creează o polarizare electrică (Fig. 3.6.) la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n.
Fig. 3.6. Polarizarea contactelor atunci când joncțiunea este expusă radiației solare
În cazul celulelor fotovoltaice, suprafețele exterioare ale joncțiunii p-n sunt acoperite cu un strat metalic. Acestea reprezintă astfel câte un electrod, între care se va manifesta o diferență de potențial. Într-un circuit închis diferența de potențial va determina circulația unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atât tip cât se manifestă radiația solară (Balan, 2007). Variația intensității radiației solare produce și variații ale diferenței de potențial, dar mai ales ale intensității curentului electric.
3.3. Celula fotovoltaică și panoul fotovoltaic (PV)
O celulă fotovoltaică, denumită adesea celulă solară sau celulă PV (photovoltaic), reprezintă componenta de bază folosită pentru a converti energia solară direct în energie electrică. Celula fotovoltaică este un dispozitiv nemecanic fabricat din aliaj de siliciu. Tenta albăstruie a celulelor fotovoltaice este determinată de o reflexie mai puternică a luminii cu lungime de undă mică comparativ cu cea de lungime de undă mare. Semnul convențional al celulei fotovoltaice este prezentat în Fig. 3.7. Grosimea unei celule fotovoltaice este de aproximativ 0,2…0,3 mm.
Fig. 3.7. Semnul convențional al celulei PV
Panoul (modulul) fotovoltaic reprezintă un ansamblu de celule fotovoltaice. Acesta este numit, de asemenea, modul solar, modul fotovoltaic sau panou fotovoltaic. Un câmp de panouri fotovoltaice reprezintă un ansamblu de mai multe panouri conectate între ele.
Fig. 3.9. Celula, panoul și câmpul fotovoltaic (www.samlexsolar.com)
Un panou fotovoltaic este compus în general dintr-un circuit cu până la 60 de celule conectate electric în serie și încapsulate între două straturi de sticlă, sau un strat de sticlă la exterior și un material compozit în spate. Puterile panourilor fotovoltaice au plajă mare de valori: de la câțiva Wp pâna la valori de 1000 Wp. De obicei acestea au prevăzute un cadru de aluminiu ce permite fixarea modulului pe diferite tipuri de suporți. De asemenea, există și modele fără cadru, acestea putând fi utilizate pentru diferite variante de integrare arhitecturală.
3.3.1.1. Tipuri de celule fotovoltaice
Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare: siliciu, germaniu, galiu, seleniu, indiu, cadmiu sau telur, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră. Reprezintă circa 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități suficiente, fiind astfel și ieftin. În plus, procesele de prelucrare nu sunt agresive pentru mediul ambiant.
Fig. 3.11. Siliciu în stare brută (www.wikipedia.org) lingou (http://www.ldksolar.com/uploadfiles/gallery/1296182324_phLZgDaJ2H.jpg)
Există trei tipuri principale de celule solare fotovoltaice din siliciu, atât pentru uz comercial cât și rezidențial. Acestea sunt:
– Monocristaline
– Policristaline
– Siliciu amorf
Toate cele trei tipuri de celule solare sunt utilizate pentru realizarea panourilor fotovoltaice, care au atât avantaje cât și dezavantaje, în funcție de bugetul utilizatorului final, dimensiunea și tipul de mediu în care acestea sunt utilizate.
3.3.1.1. Celule fotovoltaice monocristaline
Celulele monocristaline sunt decupate din cadrul unui singur cristal de siliciu, ele fiind în mod efectiv o felie dintr-un cristal. În aparență, ea va avea o textura buna si se va putea vedea grosimea feliei.
Celulele modulelor fotovoltaice monocristaline sunt de culoare gri-albăstrui sau negre cu un aspect uniform. Avantajul constă în randamentul de conversie foarte bun (17%). Dezavantajele constau în costul ridicat și randamentul scăzut pentru nivel de iluminare scăzut. Acestea sunt cele mai eficiente și cele mai scumpe din punctul de vedere al producerii. De asemenea, sunt rigide și trebuie să fie montate într-un cadru pentru a le proteja.
Datorită eficienței ridicate, acestea sunt adesea folosite în aplicații în cazul în care zona de instalare este limitată, oferind utilizatorului final maximul de energie electrică pentru zona de instalare disponibilă.
3.3.1.2. Celule fotovoltaice policristaline
Caracterizate prin aspectul de sticlă spartă, din cauza procesului de fabricație, folosind cristale de siliciu multiple, panourile solare policristaline sunt panourile solare cele mai frecvent observate. Celulele policristaline sunt mai puțin eficiente decât cele monocristaline, dar și mai puțin costisitoare.
Celulele modulelor fotovoltaice policristaline sunt de culoare albastră, cu un aspect mozaicat. Au avantajul unui randament de conversie bun (până la 15%), sunt mai ieftine decât cele monocristaline și trebuie montate într-un cadru rigid. Principalul dezavantaj constă în randamentul scăzut în cazul iluminării scăzute.
Celulele policristaline (sau multicristaline) sunt în mod efectiv o tăietură dintr-un bloc de siliciu, constând dintr-un număr mare de cristale. Ele au un aspect pătat existând posibilitatea de a se vedea grosimea.
3.3.1.3. Celule fotovoltaice cu siliciu amorf
Celulele fotovoltaice din siliciu amorf pot fi subțiri și flexibile, motiv pentru care sunt frecvent denumite panouri solare “Film Subțire” (Thin Film). Panourile solare din siliciu amorf sunt utilizate și pentru construirea aplicațiilor fotovoltaice integrate (BIPV), datorită diverselor opțiuni de aplicare disponibile și a esteticii oferite. Acestea sunt mai ieftine și nu sunt afectate de umbrire. Dezavantajele sunt eficiența scăzută (5%), pierderea de putere pe mp instalat și izolare termică.
Celulele amorfe sunt fabricate prin plasarea unui strat subțire amorf (non cristalin) de siliciu pe o gamă largă de suprafețe. Având în vedere natura amorfă a stratului subțire, dacă este aplicat pe un material special, se poate obține un panou fotovoltaic flexibil.
O caracteristică a celulelor amorfe solare este faptul că producția lor de putere se reduce în timp, în special în timpul primelor luni, după care acestea sunt practic stabile. Puterea produsă de un panou amorf ar trebui să fie cea produsă după această stabilizare.
Fig. 3.12. Celulă fotovoltaice: monocristaline, policristaline (http://www.landes.org) și din Si amorf (www.cleantechinvestor.com)
Celulele fotovoltaice (Fig. 3.8.) pot avea formă rectangulară sau circulară (Azouz, 2012). Dimensiunile celulelor pot varia de la aproximativ 0,5 cm până la 10…15 cm. În general, o celulă produce 1 sau 2 W de putere electrică, ceea ce nu este suficient pentru majoritatea aplicațiilor.
Fig. 3.8. Celule fotovoltaice circulare sau rectangulare (www.servovision.com)
3.4. Parametrii electrici ai celulelor fotovoltaice
Tensiunea de mers în gol Voc (V) – reprezintă tensiunea electrică măsurată atunci când nu este conectat niciun receptor la celula fotovoltaică și aceasta este expusă radiației solare. Intensitatea curentului electric este zero și tensiunea are valoare maximă. Tensiunea în gol variază în funcție de radiația solară după o lege logaritmică.
Curentul de scurtcircuit Isc (A) – reprezintă valoarea intensității curentului electric atunci când terminalele celulei sunt conectate prin impedanță zero și aceasta este expusă radiației solare. Valoarea tensiunii scade la zero iar valoarea curentului este maximă. Curentul de scurtcircuit este direct proporțional cu intensitatea luminoasă.
Puterea electrică P (W) – este direct proporțională cu tensiunea și curentul. Depinde de impedanța R conectată la celulă, având o valoare maximă în punctul M.
Puterea maximă PMPP (Wp) – puterea electrică maximă pe care o produce panoul fotovoltaic în condiții standard.
IMPP (A) – intensitatea curentului electric în condițiile puterii maxime produse.
VMPP (V) – tensiunea electrică în condițiile puterii maxime produse (aproximativ 80% din Voc).
Caracteristica tensiune-curent (U-I) – grafic în care sunt reprezentate curbele de variație ale tensiunii și curentului produs de panoul fotovoltaic (pentru Voc, Isc, PMPP etc).
Fig. 3.13. Caracteristica U-I a celulelor fotovoltaice (http://myelectrical.com)
Rezistența caracteristică RCH (Ω) – a celulei fotovoltaice, reprezintă rezistența electrică a acesteia în punctul de maximă funcționare. Dacă rezistența caracteristică a sarcinii este egală cu RCH, atunci celula transferă puterea maximă spre receptorul electric.
Factorul de umplere FF (Fill Factor) – raportul între puterea maximă ce poate fi produsă de celula fotovoltaică și produsul dintre tensiunea de mers în gol și curentul de scurtcircuit (Ec. 3.3.). Factorul de umplere reprezintă raportul ariilor dreptunghiurilor obținute în Fig. 3.14. Valorile uzuale se situează între 0,4 și 0,8. Factorul de umplere ideal are valoarea 0,824 (Skoplaki & Palyvos, 2009).
Fig. 3.14. Factorul de umplere – FF
Eficiența (randamentul) celulei solare η (%) – reprezintă raportul dintre puterea electrică livrată și puterea solară radiantă incidentă.
Temperatura normală de operare a celulei – NOCT (°C) – este temperatura panoului determinată pentru viteza aerului de 1m/s în zona posterioară a panoului, temperatura ambientală de 20 °C și o radiație solară ф = 800 W/m2. NOCT este puternic dependentă de tipul de încapsulare a modulului fotovoltaic.
Gradientul de temperatură (%/°C) – măsură a impactului creșterii temperaturii de operare a panoului fotovoltaic asupra eficienței de conversie.
Cea mai importantă caracteristică măsurabilă a celulelor fotovoltaice este puterea maximă în anumite condiții.
3.6.2. Caracteristici termofizice ale panourilor fotovoltaice
Panourile fotovoltaice sunt alcătuite din straturi diferite în funcție de tehnologia de realizare și producător. Un exemplu de structură al unui panou fotovoltaic este prezentat și studiat în lucrările lui Armstrong S. (Armstrong & Hurley, 2010).
Fig. 3.23. Straturile unui panou fotovoltaic (http://www.1portal.net)
Principalele straturi ale unui panou fotovoltaic sunt:
– sticla exterioară – cu rol de acoperire a celulelor fotovoltaice. Acest strat este realizat din sticlă călită, care a fost trecută printr-un proces de încălzire rapidă și apoi răcire, pentru a i se îmbunătăți rezistența mecanică. Sticla utilizată este ultra clară, cu o transmisivitate foarte ridicată și cu un conținut scăzut de fier, pentru a permite trecerea unei cantități maxime de energie solară.
– strat anti-reflexiv (ARC) – necesar mai ales faptului că siliciul poate reflecta până la 35% din radiația incidentă. Pentru a contracara acest fenomen se aplică acest strat (nitrură de siliciu), care are doar câțiva nanometri grosime, care focalizează fotonii incidenți spre straturile inferioare ale celulei.
– celulele fotovoltaice – acestea pot fi celule monocristaline sau policristaline. De obicei grosimea lor este în jurul a 225 μm.
– stratul EVA (acetat de etilen vinil) – pentru fixarea celulelor fotovoltaice de sticlă de protecție și de carcasa din spate. Acest strat asigură rezistența panoului la umezeală precum și izolație electrică.
– contactul metalic – contactul metalic realizat pe partea posterioară a celulei fotovoltaice prin serigrafierea unei paste metalice, de obicei din aluminiu.
– stratul din polimer de tedlar – realizat din PVF (poliflorură de vinil). Acest strat este fotostabil și crează o izolație suplimentară și protecție împotriva umezelii pentru celelalte straturi ale panoului.
Caracteristicile termofizice ale straturilor panoului sunt prezentate în Tab. 3.1. (Armstrong & Hurley, 2010):
Tabel 3.1. Caracteristici termice ale panourilor fotovoltaice
!!! INFLUENTA RADIATIEI SOLARE !!!
Influența radiației solare
Intensitatea radiației solare are cea mai mare influență asupra puterii produse de celulele fotovoltaice, prin modificarea intensității curentului electric generat de aceasta, Iph, la variația intensității (Fig. 3.18.).
unde, Ki = 0.0017 A/°C – coeficientul de temperatură al curentului de scurtcircuit al celulei fotovoltaice;
β (W/m2) – intesitatea radiației solare.
Fig. 3.18. Efectul variației radiației solare asupra curbei U-I (www.lstdiode.com)
3.9. Influența temperaturii panoului fotovoltaic asupra randamentului de conversie
Fenomenul de generare a căldurii
DESEN
În cazul în care nu se poate asigura o ventilare adecvată în spatele panoului fotovoltaic, temperatura acestuia poate atinge valori ridicate. De exemplu, în cazul amplasării panoului fotovoltaic pe fațadă, fară asigurarea ventilării, în timpul toamnei temperatura acestuia se poate ridică până la aproximativ 85 °C.
[cofoterm etapa1]
PVEDUCATION.ORG –
Siliciul, fiind material semiconductor, este sensibil la variațiile de temperatură. Astfel, la creșterea temperaturii celulelor fotovoltaice, are loc o scădere a band gap , și o creștere a energiei electronilor din material. Prin urmare, o cantitate mai mică de energie a fotonilor este necesară pentru a rupe legătura, restul fotonilor cu energie superioară neparticipând la conversie.
În cazul celulelor fotovoltaice, temperatura afectează cel mai mult tensiunea de mers în gol – Voc. Aceasta scade cu temperatura din cauza dependenței I0 de temperatură, mai exact a creșterii concentrației intrinseci a purtătorilor de sarcină ni. Ecuația caracteristică pentru I0, dintr-o singură parte a jocțiunii p-n:
Unde:
q – sarcina electrică a electronului;
D – difuzivitatea purtătorilor de sarcină pentru siliciu, în funcție de dopare (cm2s-1);
L – lungimea de difuzare a purtătorilor de sarcină (m);
ND – dopajul;
ni – concentrația intrinsecă a purtătorilor de sarcină (8.6 * 1015 m-3).
http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/effect-of-temperature
Pentru ca un electron din banda de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conducție, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie. Această cantitate are o valoare proprie specifică fiecărui material semiconductor. Fotonii cu lungimi mari de undă, a căror energie cinetică este mică, desprind puțini electroni de pe stratul de valență și au o eficiență scăzută în producerea energiei electrice. Pe de altă parte fotonii cu lungimi foarte mici de undă, bogați în energie vor fi absorbiți la suprafața celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice. Surplusul de energie este transformat în căldură și conduce la încălzirea materialului (Căluianu, 2011).
Randamentele maxime ale panourilor fotovoltaice la momentul actual se situează în intervalul 14..18% (http://www.ctsolarservices.com). Aproape toată energia solară captată de panourile fotovoltaice neconvertită în energie electrică, circa 80%, este transformată în căldură.
De asemenea, fenomenele de absorbție a fotonilor în zone îndepărtate de joncțiunea p-n are drept consecință recombinarea electronilor eliberați și producerea suplimentară de căldură. O altă cauză a producerii de căldură la nivelul celulelor fotovoltaice este reprezentată de absorbția fotonilor la nivele energetice inferioare sau în nucleul atomilor, fără eliberarea de electroni.
Performanțele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatură. Există o multitudine de studii referitoare la dependența randamentului de conversie în funcție de temperatura celulei. Multe dintre acestea iau în considerare o variație liniară a eficienței (Fig. 3.26.). Atunci când are loc o creștere a temperaturii, scade și eficiența panourilor fotovoltaice de a converti energia radiației solare în energie electrică.
Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienței panourilor fotovoltaice cu 0,3 … 0,5%, pentru fiecare grad de creștere a temperaturii.
Din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electrică este realizată la temperaturi cât mai reduse.
Fig. 3.26. Influența temperaturii asupra randamentului de conversie (http://www.lorentz.de)
În literatură (Skoplaki & Palyvos, 2009) sunt prezentate diverse metode și relații de calcul pentru dependența dintre eficiența de conversie a modulelor fotovoltaice și temperatura acestora.
Cum puterea unei celule fotovoltaice variază în funcție de schimbările de temperatură și radiație, au fost definiți parametrii standard (STC), care produc așa numita putere de vârf watt-peak (Wp).
În literatura de specialitate există mai multe modele pentru determinarea temperaturii celulelor fotovoltaice Tc în funcție de factorii externi. Cea mai comună metodă, conform (Mattei et al, 2006), constă în utilizarea temperaturii normale de operare a celulei – NOCT (Normal Operating Cell Temperature). Valoarea acestui parametru este furnizată de producătorul modulului fotovoltaic. Temperatura celulei Tc, se exprimă cu ajutorul următoarei relații:
unde, Ta – temperatura ambientală (°C);
ф – radiația solară (W/m2).
Această metodă simplă furnizează rezultate satisfăcătoare în cazul în care modulul fotovoltaic nu este integrat în acoperiș. Prin utilizarea unui model pe baza rețelelor neuronale, în (Govindasamy et al., 2003) este prezentată o relație empirică de calcul a temperaturii panourilor fotovoltaice în care se ia în considerare și viteza curenților de aer. Astfel se ajunge la o relație liniară de legătură între temperatura modulului și condițiile ambientale (temperatura exterioară, intensitatea radiației solare, umiditate, viteza vântului și direcția vântului):
unde, Tcel – temperatura efectivă de operare a celulei (oC);
Tamb – temperatura ambientală (oC) ;
IS – intensitatea radiației solare (W/m2);
v – viteza vântului (m/s).
De asemenea, în cazul integrării panourilor fotovoltaice în fațadele clădirilor trebuie luată în considerare variația eficienței cu temperatura, dar pentru nivelul de radiație solară înregistrat în cazul acestor suprafețe (verticale).
Fig. 2.13. Influența temperaturii asupra performanței panourilor fotovoltaice [3]
NOCT
În literatura de specialitate există mai multe modele pentru determinarea temperaturii celulelor fotovoltaice Tc în funcție de factorii externi. Cea mai comună metodă, conform [40], constă în utilizarea NOCT (Normal Operating Cell Temperature) – Temperaturii normale de operare a celulei. Valoarea acestui parametru este furnizată de producătorul modulului fotovoltaic. Tc este dependentă de temperatura ambientală Ta și de radiația solară ф conform următoarei relații:
Această metodă simplă furnizează rezultate satisfăcătoare în cazul în care modulul fotovoltaic nu este integrat în acoperiș.Valoarea NOCT este calculată pentru o viteză a aerului de 1m/s, temperatura ambientală de 20 °C și o radiației emisferică ф = 800 W/m2, fără conectarea unei sarcini. NOCT este puternic dependentă de tipul de încapsulare a modulului fotovoltaic.
Prin utilizarea unui model pe baza rețelelor neuronale, în [42] este prezentată o relație empirică de calcul a temperaturii panourilor fotovoltaice în care se ia în considerare și viteza curenților de aer. Astfel se ajunge la o relație liniară de legătură între temperatura modulului și condițiile ambientale (temperatura exterioară, intensitatea radiației solare, umiditate, viteza vântului și direcția vântului):
Tmodule (oC) = 0.943*Tambient + 0.028*Irradiance – 1.528*WindSpd + 4.3
unde, unitățile de măsură utilizate sunt: Tambient (oC), Irradiance (W/m2), WindSpd (m/s).
Aproximarea temperaturii celulei fotovoltaice în zona din față se poate face conform [D.L. King, W.E. Boyson, J.A. Kratochvil, Photovoltaic Array Performance Model Report: SAND2004e3535. Photovoltaic System R&D Department, Sandia National Laboratories, 2004.] cu ajutorul următoarei relații:
S – radiația solară incidentă pe suprafața înclinată; DT – diferența de temperatură între suprafața din față și cea din spate la o radiație solară de 1000 W/m2. Această valoare pentru Dt este în jur de 3 °C.
3.11. Conversia termică a radiației solare
Energia solară este valorificată cu succes și prin conversie termică. Conversia termică a radiației solare absorbite se realizează datorită creșterii oscilației atomilor, respectiv a agitației termice. Aceasta depinde de absorbtivitatea și emisivitatea materialelor. În general, absorbtivitatea materialelor, precum și reflectivitatea și emisivitatea sunt funcții dependente de lungimea de undă, dar în calculele simplificate aceste sunt considerate cu valori medii constante pe tot spectrul radiației solare.
În cadrul prezentei cercetări aspectele legate de conversia termică a energiei solare sunt privite din punctul de vedere al panourilor hibride fotovoltaice/termice, și nu cu rol de captator solar de sine stătător.
Caracteristicile panourilor fotovoltaice, care sunt foarte bune absorbante ale radiației solare, determină ca acestea să atingă temperaturi de 60°C…80°C, caz în care energia termică înmagazinată poate fi valorificată cu succes. Aceasta reprezintă de fapt un reziduu din punctul de vedere al panoului fotovoltaic și poate fi valorificată complex prin diverse tehnici de răcire: cu ajutorul aerului, apei sau prin procedee de evaporare. Combinația rezultată poartă denumirea de sistem hibrid fotovoltaic-termic (PV/T), tratat în diverse lucrări din literatura de specialitate.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
[1] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions
[2] Analysis of the thermal heating of poly-Si and a-Si photovoltaic cell by means of FEM-Acciani
[3] Active Forced Convection Photovoltaic Thermal Panel Efficiency Optimization
[4] Building-Integrated Photovoltaic Thermal Collector Panel Design and Test
[5] Effects of passive cooling on performance of silicon photovoltaic cells
[6] Improved PV-T solar collectors with heat extraction by forced or natural air circulation
[7] RESIDUAL HEAT UTILIZATION OF PHOTOVOLTAIC CELLS_Medved
[8] Simulation and experimental validation of heat transfer in a novel hybrid solar panel
[9] TEST RESULTS OF AIR COOLED MODIFIED PV MODULES
[10] THERMAL AND ELECTRICAL PERFORMANCES OF A NEW KIND AIR COOLED PHOTOVOLTAIC THERMAL SYSTEM FOR BUILDING APPLICATION
3.7. Factori de influență ai randamentului panourilor fotovoltaice
Randamentul panourilor este influențat de alegerea orientării și unghiului de înclinare al acestora, precum și de alți factori importanți.
Pentru o funcționare eficientă, panourile trebuie să rămână curate. Prin urmare, trebuie evitate toate depunerile de murdărie cum ar fi praful sau dejecțiile păsărilor. În general, ploaia este suficientă pentru realizarea unei spălări a modulelor, dacă înclinația minimă a modulelor de 15° este respectată. Totuși, este recomandată verificarea periodică a acestora.
Invertorul trebuie să fie dimensionat corect în raport cu dimensiunea instalației. O subdimensionare sau supradimensionare foarte importantă a acestuia, poate perturba funcționarea sistemului fotovoltaic și poate conduce la dezechilibre economice. În realitate, este recomandat ca puterea invertorului să fie cu 10% până la 15% mai mică decât puterea de vârf a panourilor fotovoltaice. Această reducere este acceptabilă, având în vedere că orientarea panourilor în raport cu radiația solară nu este întotdeauna optimă și de asemenea, de multe ori cerul este înnorat, și poate duce la optimizarea tehnică și economică a instalației (www.wikipedia.org).
Pe de altă parte, prezența umbrii este foarte dăunătoare funcționării panourilor fotovoltaice. Este foarte important să se evite umbra determinată de arbori, ferestre, acoperiș, coșuri sau alte clădiri, deoarece aceasta provoacă o scădere importantă a randamentului.
Umbrirea completă determinată de dejecțiile păsărilor sau ramura unui copac, împiedică întreaga radiație solară, directă și difuză, să ajungă la celulele fotovoltaice. Umbrirea parțială împiedică doar radiația solară directă să ajungă la celula fotovoltaică (coșuri, arbori, nori).
În cazul conectării serie, dacă un singur panou este parțial sau total umbrit, producția întregii instalații are de suferit, deoarece celula cea mai slabă va determina limitarea puterii celorlalte celule. Soluția constă în instalarea unor diode de by-pass (www.wikipedia.org).
Integrarea panourilor pe acoperiș poate antrena o pierdere importantă a randamentului de conversie în comparație cu integrarea acestora în suprastructură, în absența ventilării. Prin urmare, creșterea temperaturii în timpul lunilor însorite reduce semnificativ producerea de electricitate.
3.8. Eficiența maximă teoretică și practică a panourilor fotovoltaice
Eficiența uzuală a celulelor fotovoltaice este de 15-16% în cazul celulelor policristaline și maxim 20 % pentru celulele monocristaline. Deși aceste valori par destul de mici, în continuare sunt prezentate câteva explicații matematice și fizice privind limita teoretică a eficienței de conversie.
Deși la prima vedere randamentul panourilor fotovoltaice pare unul scăzut, pentru comparație sunt prezentate câteva exemple de eficiență ale sistemelor pe care le utilizăm în viața de zi cu zi (http://physics.ucsd.edu):
– eficiența unui automobil, de conversie a energiei obținute în urma arderii carburantului în energie mecanică: 15-25%.
– mașinile electrice ajung la aproximativ 25% eficiență de conversie finală (85% eficiența de transformare a energiei de la baterii la roți, 85% eficiența de încărcare a bateriilor, 35% eficiența de obținere a electricității din combustibili fosili în centrale electrice).
– eficiența celulelor de combustie cu hidrogen este între 20-40%, fără a ține cont de energia necesară obținerii hidrogenului.
– eficiența fotosintezei are valori uzuale de aproximativ: 0.1 – 2% pentru plantele tipice, atingând valori maxime de 5-6% pentru anumite specii de alge și de 7-8% în cazul trestiei de zahăr (www.wikipedia.org).
– eficiența corpului uman de conversie a alimentelor în energie este de aproximativ 25%.
3.8.1. Limita spectrală a eficienței panourilor fotovoltaice:
Fotonii care au un nivel energetic mai mic decât o anumită valoare, de exemplu în cazul siliciului de 1.12 eV (corespunzător lungimii de undă de 1100 nm), nu vor fi absorbiți de material și nu intră în procesul de conversie fotovoltaică. Un alt aspect important constă în faptul că în cazul fotonilor absorbiți, energia de exact 1.12 eV este utilizată pentru a disloca un electron din banda de valență, iar energia în plus va fi tranformată în căldură. Prin urmare, dacă un corp negru perfect ar produce un spectru al radiației incidente pe celula fotovoltaică, atunci 23% din energie va fi pierdută peste pragul de 1100 nm în infraroșu, la care se adaugă pierderile prin absorbție și transformare în căldură. În aceste condiții, se poate utiliza maxim 44% din energie pentru conversie fotovoltaică, aceasta fiind limita spectrală a eficienței PV.
Fig. 3.24. Limita spectrală a conversiei celulelor PV din siliciu (http://physics.ucsd.edu)
Se poate observa (Fig. 3.24.) că la valoarea de 1,1 μm (≈ 1,12 eV) este utilizată 100% din energie pentru conversie fotovoltaică, iar pe măsură ce scade lungimea de undă, o cantitate mai mică din energia fotonilor este utilizată. Eficiența are valori foarte bune până la 0,75 μm (1,65eV) – limita vizibilității la IR, iar în spectru vizibil se pierde mult din energie sub formă de căldură, aproape 33%.
Ținând cont doar de pierderile spectrale, celulele din siliciu sunt mai eficiente decât celelalte tipuri de celule fotovoltaice, Zn-Te, Cd-Te sau Ga-As (Fig 3.25).
Fig. 2.25. Eficiența maximă teoretică a celulelor fotovoltaice din diverse materiale
Astfel, se poate afirma că eficiența diferitelor panouri fotovoltaice reprezintă o luptă în obținerea celui mai avantajos compromis. Așadar, dacă se scade limita lungimii de undă necesare pragului de conversie, se va obține o eficiență superioară în zona vizibilă, dar cu pierderi substanțiale în spectrul infraroșu. De asemenea, în cazul pragurilor cu lungimi de undă mai mari, sunt disponibili mai mulți atomi, dar eficiența în domeniul vizibil este mult redusă.
Pe lângă limitările spectrale mai există câteva efecte ce trebuie considerate în scopul înțelegerii eficienței teoretice maxime a celulelor fotovoltaice:
– adâncimea de penetrare a fotonilor în siliciu depinde de lungimea de undă a acestora. Fotonii care se află în apropierea pragului energetic pot parcurge un drum foarte lung înainte de a fi absorbiți, în timp ce fotonii cu nivel energetic ridicat sunt absorbiți în zona frontală a celulei.
– celulele fotovoltaice sunt adesea construite cu un strat reflexiv în zona posterioară, care ajută la absorbția fotonilor care în primă fază nu participă la conversie. Acest strat reduce de asemenea încălzirea celulei prin radiație infraroșie.
– grosimea joncțiunii p-n are o valoare fixă, astfel că fotonii absorbiți deasupra ei sunt mult mai predispuși pierderilor.
Ținând cont de aceste efecte, împreună cu limitările spectrale, eficiența panourilor fotovoltaice poate atinge valori maxime de aproximativ 35%. De la această valoare, până la eficiența practică intervin de asemenea o serie de fenomene fizice care limitează conversia, precum: rezistența naturală împotriva circulației electronilor, factorul de reflexie, de transmisie al panourilor fotovoltaice sau recombinările dintre electroni și goluri în interiorul celulelor fotovoltaice, fără generare de energie electrică.
Cea mai mare probabilitate de absorbție a fotonilor și de obținere a conversiei fotovoltaice este obținută pentru valori cuprinse între 0.6 – 0.9 micrometri (domeniu vizibil și infraroșu 50/50).
2.2. Transfer de căldură
Transferul de căldură reprezintă unul dintre cele mai importante schimburi energetice. Acesta intervine între două sisteme aflate la temperaturi diferite care se află în contact, direct sau indirect. În studiul transferului de căldură se aplică cele patru principii ale termodinamicii. Transferul de căldură se realizează prin conducție termică, radiație termică sau convecție termică.
2.2.1. Transfer de căldură prin conducție
Transmiterea căldurii prin conducție se realizează pentru toate stările de agregare ale materiei, cu intensitate mai mare în solide metalice și valori reduse pentru gazele inerte. În acest caz, transferul de căldură se realizează prin interacțiunea propriu-zisă dintre particulele elementului. Astfel, are loc un transfer de energie de la particulele cu energie mai ridicată către particulele cu energie scăzută. Reprezintă singurul mecanism de transfer de căldură pentru corpurile solide opace.
Legea fundamentală a transferului de căldură prin conducție, numită și legea lui Fourier este exprimată în cel mai simplu mod astfel:
unde, Φ – fluxul de căldură (W);
qs – fluxul de căldură specific (W/m2);
Q – căldură (J);
τ – timpul (s);
λ – conductivitatea termică a materialului (W/m.°C);
S – aria suprafeței de schimb de căldură (m2);
dt/dx – gradientul temperaturii (°C/m).
Relația matematică exprimă legătura dintre densitatea fluxului termic instantaneu și conductivitatea termică a mediului și gradientul de temperatură.
6.1.2. Transfer de căldură prin radiație
Transmiterea căldurii prin radiație se realizează în cazul corpurilor aflate la distanță unul față de altul și care au temperaturi finite diferite. Particularitatea acestui mod de transfer de căldură constă în faptul că nu necesită un mediu intermediar de transport. La corpurile solide și lichide, transformarea energiei electromagnetice în energie termică are loc în straturile superficiale, iar la corpurile gazoase în volum.
Radiațiile termice cu lungimi de undă între 0,1 și 100 μm respectă aceleași legi ale radiației luminoase: se propagă în linie dreaptă, se reflectă, se refractă și se absorb.
Relația de calcul pentru calculul fluxului de energie radiantă emis de un corp negru absolut, poartă numele de ecuația lui Stefan-Boltzmann și are următoarea formă:
unde: Q – fluxul de căldură transferat prin radiație termică (W);
σ0 – coeficientul de radiație al corpului negru (constanta lui Stefan-Boltzmann);
σ0=5,67 ·10-8 W/(m2·K4);
S – aria suprafeței de schimb de căldură (m2);
T – temperatura absolută a corpului (K).
Legile radiației termice:
Legea lui Planck – legătura între puterea de emisie monocromatică a corpului negru Eλ,0, lungimea de undă λ și temperatura absolută T:
unde, c – viteza undelor electromagnetice în mediul de propagare (c=c0/n, cu n indicele de refracție al mediului (m/s);
c0 = 2,998⋅108 (m/s) – viteza undelor electromagnetice în vid;
h – constanta lui Planck, h=6,6252⋅10-34 (J.s);
k – constanta lui Boltzmann, k=1,3805⋅10-23 (J/K);
λ – lungimea de undă (μm);
T – temperatura absolută a corpului (K).
Tot legea lui Planck stabilește energia fotonului cu următoarea relație:
Legea Stefan – Boltzmann – stabilește dependența de temperatură a puterii totale de emisie a corpului negru.
Legile lui Wien – stabilesc expresiile de temperatură ale abscisei λmax și ordonatei Eλ,0,max corespunzătoare punctului de maxim al puterii de emisie monocromatice a corpului negru:
Legea I Wien – legea deplasării: abscisa λmax se deplasează spre lungimi de undă mai mici la creșterea temperaturii:
la temperaturi suficient de mari se emite lumină albă (spectrul acoperă tot domeniul vizibil).
Legea a II-a Wien – stabilește valoarea Eλ,0,max funcție de temperatură:
Legea Rayleigh-Jeans – aproximarea a legii lui Planck pentru λT>>C2:
Legea lui Kirchoff – legătura dintre proprietățile emisive și absorbante ale unui corp. Aceasta exprimă faptul că la limită, în interiorul unei incinte aflată în echilibru termodinamic toate suprafețele se află la aceeași temperatură și fiecare corp emite o cantitate de energie egală cu cea absorbită. Prin urmare:
pentru orice suprafață din incintă.
Legea lui Lambert – pentru corpuri care emit sau reflectă difuz. Energia radiantă emisă într-o direcție este proporțională cu cosinusul unghiului dintre direcție și normala suprafeței respective:
6.1.3. Transfer de căldură prin convecție
Transmiterea căldurii prin convecție reprezintă transferul căldurii în interiorul mediilor fluide și la suprafața de separație a fazelor. Convecția presupune o anumită mișcare a particulelor fluidului și este însoțită de conducție.
Convecția poate fi liberă (naturală) sau forțată (obținută cu ajutorul unor mașini hidraulice).
Relația de bază a transferului de căldură prin convecție poartă denumirea de legea lui Newton. Aceasta permite calculul transferului de căldură între un fluid și o suprafață.
unde: Q – fluxul de căldură transferat prin convecție (W);
qs – fluxul termic unitar de suprafață (W/m2);
– coeficientul de schimb de căldură prin convecție (W/(m2°C));
tf, ts – temperatura fluidului, respectiv, a suprafeței (°C);
Δt – diferența de temperatură între fluid și perete, Δt=׀ tf – ts׀ (°C);
S – aria suprafeței de schimb de căldură a peretelui (m2).
6.2. Ecuațiile diferențiale ale transferului de căldură
Câmpurile de presiune, viteză și temperatură în curgerea fluidelor sunt guvernate de trei ecuații (Safer, 2006). Acestea sunt: ecuația de conservare a masei (de continuitate), ecuația de conservare a impulsului (ecuația Navier-Stokes) și ecuația de conservare a energiei.
Pentru un fluid newtonian incompresibil și cu vâscozitate constantă și presupunând că se află în câmp gravitațional, ecuațiile menționate mai sus se pot scrie astfel:
Ecuația de continuitate sau principiul conservării masei postulează faptul că materia nu poate fi nici creată, nici distrusă:
unde, ui – componenta vitezei pentru o direcție xi dată.
Ecuația de conservare a impulsului reprezintă o aplicare a legii lui Newton (principiul fundamental al dinamicii) la nivelul unui volum de control elementar. Astfel, variația impulsului este egală cu rezultanta forțelor exterioare care sunt aplicate:
– forțele de volum sunt proporționale cu elementul de volum considerat și se rezumă la câmpul gravitațional;
– forțele de suprafață sunt proporționale cu elementul de suprafață considerat și se reduc la eforturile normale de presiune și la forțele tangențiale determinate de vâscozitate:
unde, ρ – densitatea (kg/m3);
p – presiunea (Pa);
μ – vâscozitatea (Pa.s);
g – accelerația gravitațională (m/s2).
Ecuația de conservare a energiei exprimă conservarea energiei aplicată pe un volum de control elementar de fluid:
unde, T – temperatura (K);
q – rata de producere a energiei interne (W/m3).
Efectele legate de disipația vâscoasă sunt neglijabile.
2.3.1. Legi și criterii de similitudine
6.6.1. Legile simimiltudinii
Legea 1 (Newton): Fenomenele similare au criterii de similitudine identice.
Legea 2 (Buckingham): Soluția generală pentru un sistem de ecuații care descrie un fenomen poate fi exprimată cu ajutorul criteriilor de similitudine corespunzătoare fenomenului sub forma unei ecuații criteriale:
unde Ki, i=1,n reprezintă criteriile de similitudine
Legea 3 (Kirpicev-Guhmann): Condițiile de unicitate a două fenomene similare sunt la rândul lor similare și respectă legea lui Newton.
Similitudinile sunt utile pentru realizarea modelelor experimentale în cazul a două fenomene similare. Aceste pot fi:
Similitudinea geometrică – se obține atunci când laturile omoloage sunt proporționale și unghiurile plane sau solide sunt egale.
unde, l11, l21, l31 – dimensiunile liniare ale primului model (m);
l12, l22, l32 – dimensiunile liniare ale celui de al doilea model (m);
c – coeficient de scară pentru lungimi.
Similitudinea cinematică – presupune asemănarea geometrică a deplasărilor și proporționalitatea vitezelor referitoare la aceleași mișcări.
unde, v11, v21, v31 – vitezele în primul model (m/s);
v12, v22, v32 – vitezele în cel de al doilea model (m/s);
cw – coeficient de scară pentru viteze.
Similitudinea dinamică – presupune similitudinea cinematică și o proporționalitate a forțelor ce produc mișcarea.
unde, τ’, τ” – timpii în cele două fenomene asemenea (s);
F’, F” – forțele pentru cele două fenomene asemenea (N);
cτ, cf – coeficienții de scară pentru timp și pentru forțe.
Similitudinea termică – presupune similitudinea cinematică și dinamică și un raport proporțional al temperaturilor și fluxurilor de căldură.
unde, t’, t” – temperaturile înregistrate în cele două fenomene (K);
Q’, Q” – fluxurile de căldură (W);
ct, cq – coeficienții de scară pentru temperaturi și pentru fluxurile de temperatură.
6.6.2. Criterii de similitudine
Denumite și invarianți – reprezintă mărimi adimensionale cu valoare constantă pentru fenomene similare.
Principalele criterii de similitudine utilizate în studiul transferului de căldură și masă sunt: Biot, Fourier, Lagrange, Grashoff, Rayleigh, Euler, Rayleigh, Nusselt, Peclet, Stanton.
2.3. Transferul de căldură la nivelul panourilor fotovoltaice
Panourile fotovoltaice, în funcție de tipul acestora, se comportă din punct de vedere energetic asemănător elementelor vitrate opace sau semitransparente.
Transferul de căldură este caracterizat de fenomenul de absorbție și generare de energie termică precum și de schimb termic cu exteriorul, care tinde să fie în echilibru termodinamic.
Generarea de energie termică este determinată de factori precum:
– proprietatea celulelor de a fi foarte eficiente în absorbția radiației solare;
– absorbția radiației solare de componente care nu sunt celule fotovoltaice;
– absorbția radiației infraroșii cu energie sub 1,12 eV;
– expunerea panourilor fotovoltaice la radiație solară fără a produce o putere electrică (în acest caz toată energia solară este convertită în energie termică).
Pierderea de energie termică de la panourile fotovoltaice se realizează prin toate cele trei modalități de schimb energetic:
– radiație spre mediul înconjurător:
unde, Tcel – temperatura absolută a celulei (K);
Tamb – temperatura absolută ambientală (K);
ε – coeficient de emisivitate (aproximativ 0.85 – spatele panoului, 0.91 – fața panoului) [34].
Transferul de căldură radiativ se realizează între panoul fotovoltaic și cer precum și între panou și pământ. Relațiile de calcul sunt următoarele:
unde: E – emisivitatea. Emisivitatea sticlei din față are o valoare de 0.91[G. Notton, C. Cristofari, M. Mattei, P. Poggi, Modelling of a double-glass photovoltaic module using finite differences. Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2854e2877.]în timp ce pentru suprafața din spate a panoului fotovoltaic aceasta este de 0.85 [D. Morgan, D. Bazilian, H. Kamalanathan, D.K. Prasad, Thermographic analysis of a building integrated photovoltaic system. Renewable Energy 26 (3) (2002) 449e461.]; sigma – constanta Boltzmann; F – factor de formă.
– convecție cu aerul exterior:
unde, h – coeficient de transfer termic convectiv (W/m2K);
A – suprafața de contact dintre celulă și aer (m2);
ΔT – diferența de temperatură între celulă și aer (K).
– conducție între celulă și celelalte materiale aflate în contact cu ea. Abilitatea celulei de a transfera energia elementelor este dată, prin similitudine cu tensiunea și curentul electric, de următoarea relație:
unde, Pgen – puterea generată în celula fotovoltaică (W);
R – rezistența termică a celulei (°C/W).
DIN RAPORT MARTIE 2015 – ce este mai sus
2.3.2. Distribuția tensiunilor pe grosimea stratificatului
Tensiunile din orice:
Capitolul 4
CERCETĂRI NUMERICE ȘI EXPERIMENTALE PRIVIND EFICIENȚA PANOURILOR FOTOVOLTAICE INTEGRATE ÎN CLĂDIRI
Metode – modelare numerică și validare experimentală
Simulari ANSYS-Fluent 09.12.13
DE ȚINUT CONT
***
Figure 10. Junction temperature as a function of number of fins. [http://www.electronics-cooling.com/2003/05/how-much-heat-can-be-extracted-from-a-heat-sink/]
***
Studiul numeric al diverselor configurații de răcire pasivă
a panourilor fotovoltaice
Mărimi constante:
dimensiuni panou fotovoltaic 50 cm x 50 cm;
ID [W/m2] – intensitatea radiației solare incidente pe panoul fotovoltaic: 500 W/m2, orientare plin sud, unghi de înclinare = 45° , valoarea maximă pentru zilele de vară;
coeficientul de absorbție a radiației solare (panou fotovoltaic): α = 0,8;
g [cm] – grosimea nervurilor 0,2 cm;
l [cm] – lungimea nervurilor 48 cm;
r = 0,3 cm – raza golurilor din nervuri;
distanța între golurile de pe nervuri: 30 mm;
regimul de curgere: turbulent;
modelul de turbulență: k-ε RNG.
Mărimi variabile:
h [cm] – înălțimea nervurilor: 1, 2, 3, 4, 5 cm;
S [cm] – distanța între nervuri: 0,5 , 1 , 1,5 , 2 , 2,5 , 3 , 3,5 , 4 , 4,5 , 5 cm;
v [m/s] – viteza aerului la intrarea în canal: 0,5 , 1 , 1,5 , 2 , 2,5 , 3 , 3,5 , 4 , 4,5 , 5 m/s;
t [°C] – temperatura aerului la intrarea în canal: 20, 25, 30, 35 °C;
d [cm] – lățimea canalului fațadei: 10, 15, 20, 25, 30 cm;
Intensitatea turbulentă, numărul Reynolds pentru vitezele luate în considerare în secțiunea de intrare:
d = 0,1 m
t1 [°C] – temperatura maximă a nervurilor (panou fotovoltaic);
t2 [°C] – temperatura medie a peretelui nervurat;
t3 [°C] – temperatura medie a aerului în canal;
t4 [°C] – temperatura medie a aerului în secțiunea de ieșire;
nn – numărul de nervuri rezultate;
ng – număr goluri pe nervură;
n – coeficient de nervurare;
v1 [m/s] – viteza maximă a aerului în canal;
v2 [m/s] – viteza medie a aerului în canal;
v3 [m/s] – viteza medie a aerului în secțiunea de ieșire;
Q [W] – flux de energie extras de la peretele nervurat.
Configurația 1.1:
Rezultate:
Modelarea numerică a răcirii panoului fotovoltaic
În acest studiu este prezentată o metodă de răcire a panourilor fotovoltaice prin atașarea unui disipator de căldură din cupru sau aluminiu în zona posterioară a acestuia.
Disipatorul de căldură reprezintă un perete nervurat având următoarele caracteristici dimensionale:
– h – înălțimea nervurilor (1…5 cm);
– S – distanța (pasul) dintre nervuri (5 cm);
– n – coeficient de nervurare;
– L, H – lungimea și lățimea dispatorului (L = H = 500 mm);
– g – grosimea disipatorului (2 mm);
– gn – grosimea nervurilor (2 mm);
– ln – lungimea nervurilor (480 mm);
Nervurile sunt prevăzute cu goluri circulare, cu raza r = 3 mm, cu distanța de 30 mm între ele. Odată cu mărirea înălțimii nervurilor se adaugă un șir suplimentar de goluri pe fiecare nervură.
Prin integrarea panoului fotovoltaic în structura fațadelor ventilate se poate obține o răcire suplimentară a acestora, în comparație cu amplasarea acestora aparent pe fațade sau pe acoperiș. În această ipoteză, panoul fotovoltaic înlocuiește o porțiune din suprafața vitrată a fațadei. Zona posterioară a acestuia, inclusiv disipatorul de căldură, se află în interiorul canalului ventilat. Canalul fațadei ventilate are o deschidere constantă de 10 cm.
În prima etapă se realizează o filtrare a diverselor configurații posibile și alegerea celei mai avantajoase atât din punct de vedere energetic cât și economic. Studiul se realizează pentru un panou fotovoltaic cu L = H = 500 mm. Răcirea panoului a fost studiată în cazul atașării unui perete nervurat cu h = 1 cm și S = 5 cm. Condițiile de însorire considerate pentru o zi de vară, fără nori în zona Iași și poziția verticală a panoului fotovoltaic: ID = 500 W/m2.
Simularea numerică a modelului a fost realizată cu ajutorul soft-ului ANSYS-Fluent, rezultatele fiind prezentate în figura. Variabilele considerate sunt: viteza și temperatura aerului la intrarea în canal iar rezultatul urmărește temperatura medie a panoului fotovoltaic în regim stabilizat. Temperaturile considerate la intrarea în canal sunt: 20, 25, 30 și 35 °C iar vitezele impuse sunt: 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 și 5 m/s.
Fig. 4.
Conform simulărilor, cea mai dezavantajoasă temperatură la intrare este de 35 °C pentru toate regimurile de viteze. De asemenea se constată o reducere a temperaturii medii a panoului fotovoltaic odată cu mărirea vitezei de intrare a aerului în canal.
Reducerea temperaturii panoului fotovoltaic se realizează semnificativ la creșterea vitezelor de la 0.5 m/s până la 1.5 m/s, apoi această tendință se atenuează. Acest aspect poate fi exploatat în continuare deoarece nu se justifică o creștere a vitezei și implicit a consumului de energie pentru realizarea unei scăderi de temperatură nesemnificative.
În următoarea etapă sunt realizate o serie de simulări în condițiile celei mai dezavantajoase temperaturi la intrarea în canal: ti = 35 °C. Scopul realizării acestor modele este de a stabili raportul optim între înălțimea nervurei și distanța dintre acestea (h/S).
Simulările sunt realizate pentru un pas constant de S = 5 cm și prin modificarea înălțimii nervurilor (1, 2 ,3, 4 și 5 cm) precum și a vitezei la intrarea în secțiunea canalului (0.5, 1 și 1,5 m/s).
Regimul de curgere considerat este turbulent. Modelul de turbulență utilizat în simulările numerice cel mai apropiat de fenomenele reale în cazul curgerii în canale de aer este k-ε. Valorile caracteristice introduse ca mărimi de intrare în cazul turbulenței sunt:
I – intensitatea turbulentă (5.5%, 5% și 4.8% pentru vitezele la intrare de 0.5, 1 și 1,5 m/s respectiv);
DH – diametrul hidraulic (0,166 m).
Rezultatele simulărilor, prezentate în continuare, sunt obținute pentru o temperatură a aerului exterior de 35 °C și intensitatea radiației solare de 500 W/m2. La suprafața panoului fotovoltaic expusă soarelui și aflată în mediul exterior s-a considerat un schimb de căldură convectiv cu următoarele valori α = 8 W/m2K și te = 35 °C.
Parametrii optici ai panoului fotovoltaic, ca ansamblu, au fost sintetizați în programul de calcul sub forma unui coeficient de absorbție a radiației solare și transformare a acesteia în căldură de α = 0.7 [Optical Properties of Silicon].
Sintetizarea rezultatelor este realizată sub forma unor curbe parametrice de următoarea formă:
tmedPV = f (h/S; vintrare) [°C]
Qextras = f (h/S; vintrare) [W]
precum și sub formă de spectre de temperaturi și viteze.
CAZ 1: h/S = 1/5
Pentru raportul constant h:S de 1:5 și temperatura la intrarea în canal de 35 °C se identifică regimul de viteze cel mai avantajos pentru realizarea răcirii panoului fotovoltaic.
Fig. 5.
Se observă că în cazul acestei configurații temperatura cea mai scăzută a panoului fotovoltaic este atinsă pentru viteza de 1.5 m/s în secțiunea de intrare în canal. Această viteză este utilizată în continuare ca mărime constantă pentru determinarea relației de legătură între temperatura panoului fotovoltaic și raportul h/S.
Prin creșterea înălțimii nervurii și păstrarea constantă a celorlalte mărimi se obțin rezultatele pentru următoarele cazuri:
CAZ 2: h/S = 2/5
CAZ 3: h/S = 3/5
CAZ 4: h/S = 4/5
CAZ 5: h/S = 5/5
În figura 6 sunt prezentate rezultatele obținute pentru cele 5 cazuri studiate.
Fig. 6.
Se poate observa că temperatura panoului fotovoltaic are tendința de a scădea odată cu mărirea înălțimii nervurilor. Pentru cazurile studiate se observă o îmbunătățire a temperaturii cu cel puțin 1 °C la creșterea nevurilor cu 1 cm. De asemenea în fig. 6 au fost reprezentate și temperaturile medii ale panoului fotovoltaic obținute în condiții similare de temperatură exterioară și radiație solară.
Pentru cazul fără nervuri, amplasarea panoului fotovoltaic este identică, cu precizarea că nu mai are atașat disipatorul de căldură în zona posterioară. Cazul fără canalul fațadei ventilate presupune amplasarea panoului fotovoltaic aparent pe fațada unei clădiri, cu posibilități reduse de răcire prin convecție la partea din spate a acestuia.
Prin comparație cu amplasarea panoului fotovoltaic neintegrat în fațada ventilată se observă o reducere semnificativă a temperaturii acestuia de aproximativ 20 °C numai prin simpla ventilarea a acestuia în zona posterioară. De asemenea, prin atașarea disipatorului de căldură nervurat se poate obține din nou o scădere a temperaturii panoului cu 10…15 °C în funcție de înălțimea nervurilor.
Se pot compara și cantitățile de căldură suplimentare extrase în regim stabilizat prin intermediul canalului ventilat al fațadei dublu vitrate, spre exemplu în comparație cu panoul fără disipator de căldură:
Q = m.c.Δt [W]
Tabel 1
Conform fig. 1, eficiența panoului fotovoltaic are o variație puternică în raport cu temperatura în ceea ce privește randamentul de conversie a energiei luminoase. Randamentul de conversie este cel mai ușor de exprimat prin parametrii principali ai panoului fotovoltaic: tensiunea și curentul produs de acesta, exprimați global sub forma puterii maxime produse. Astfel, se poate observa că pentru o temperatură de 75 °C (cum este în cazul fără canalul ventilat) puterea produsă atinge un nivel de aproximativ 74 % din cel nominal. În tabelul 2 sunt prezentate procentajele puterilor produse în funcție de temperatură.
La un randament nominal de conversie a energiei solare în energie electrică de 16 %, se pot obține randamentele de conversie pentru diversele configurații: 𝜂. Un randament de 16 % poate fi tradus prin producerea a 160 W/m2 de energie electrică în condițiile nominale, ceea ce presupune o radiație solară de 1000 W/m2. În modelul prezentat radiația solară are o valoare de 500 W/m2 iar suprafața panoului fotovoltaic rezultată este de 0,25 m2. Dar puterea maximă produsă de un panou fotovoltaic variază de asemenea și cu valoarea intensității radiației solare, de cele mai multe ori direct proporțional. Prin urmare, puterea maximă pe care acesta o poate produce este: 80 W/m2 (la o temperatură de 25 C).
Tabel 2
5.3. 1. Modelarea numerică a răcirii panourilor fotovoltaice (ANSYS)
În cadrul cercetărilor demarate s-a realizat un studiu numeric pe modelul unui panou fotovoltaic de mici dimensiuni, respectiv L = H = 500 mm. În cazul atașării unui perete nervurat, răcirea panoului este evaluată pentru diferite unghiuri de înclinare ale nervurilor. Condițiile de însorire considerate pentru o zi de vară, fără nori în zona Iași și poziția verticală a panoului fotovoltaic, componenta normală a intensității radiației solare are valoarea: ΦS = 500 W/m2.
Rezultatele modelării numerice sunt obținute pentru cazul atașării unui disipator de căldură din cupru sau aluminiu în zona posterioară a panoului. Acest disipator este reprezentat de un panou nervurat, având următoarele caracteristici dimensionale:
– h – înălțimea nervurilor (1…5 cm);
– s – distanța (pasul) dintre nervuri (5 cm);
– L, H – lungimea și lățimea dispatorului (L = H = 500 mm);
– g – grosimea plăcii disipatorului (2 mm);
– gn – grosimea nervurilor (2 mm);
– ln – lungimea nervurilor (480 mm);
Variabilele considerate sunt înălțimea și înclinarea nervurilor disipatorului de căldură, iar rezultatul urmărește temperatura medie a panoului fotovoltaic în regim stabilizat. Unghiurile de înclinare studiate sunt de 45°, 90° și 135° față de direcția verticală. Înălțimea nervurilor variază cu un pas de 1 cm de la 1 la 5 cm. Temperatura impusă la intrarea în canal este egală cu cea exterioară și are valoarea de 35 °C iar viteza impusă este de 1,5 m/s pentru toate configurațiile. La suprafața panoului fotovoltaic expusă soarelui și aflată în mediul exterior s-a considerat un schimb de căldură convectiv cu αconv = 8 W/m2K.
Prin integrarea panoului fotovoltaic în structura fațadelor ventilate se obține o răcire suplimentară a acestora, în comparație cu amplasarea acestora aparent pe fațade sau pe acoperiș. În această ipoteză, panoul fotovoltaic înlocuiește o porțiune din vitrajul exterior al fațadei. Zona posterioară a acestuia, inclusiv disipatorul de căldură, se află în interiorul canalului ventilat, care în cazul studiat are o deschidere de 10 cm.
Simularea numerică a modelului a fost realizată cu ajutorul soft-ului ANSYS-Fluent. Geometria modelului – fig. 1 este realizată în Design Modeler și discretizarea domeniului de calcul cu ajutorul aplicației Design Mesh. Domeniul de calcul a fost discretizat într-un număr de 194921 de celule tetraedrice.
Fig. 1.Geometria modelului studiat
45 ° b) 90° c) 135°
Fig. 3 – Unghiul de înclinare al nervurilor pentru cazurile studiate
Simularea radiației solare incidente pe panoul fotovoltaic se realizează prin utilizarea modelului specializat, Solar Ray Tracing, din ANSYS-Fluent. Parametrii optici ai panoului fotovoltaic, ca ansamblu, au fost sintetizați în programul de calcul sub forma unui coeficient de absorbție a radiației solare și transformare a acesteia în căldură de α = 0.7 [1].
Regimul de curgere rezultat din condițiile impuse este turbulent. Modelul de turbulență utilizat în simulările numerice cel mai apropiat de fenomenele reale în cazul curgerii în canale de aer este k-ε [2]. Valorile caracteristice introduse ca mărimi de intrare în cazul turbulenței sunt:
I – intensitatea turbulentă ( 4,8% pentru viteza la intrare de 1,5 m/s), determinată cu formula:
[3]
DH – diametrul hidraulic (0,166 m).
Rezultate
Rezultatele obținute sunt prezentate în următoarele figuri pentru configurația cu înălțimea nervurii de 3 cm. În fig. 2 sunt prezentate spectrele de temperaturi în apropierea peretelui nervurat pentru cele trei unghiuri de înclinare ale nervurilor.
45 ° b) 90° c) 135°
Fig. 2. Spectrele de temperatură în apropierea nervurilor
Fig. 3 prezintă curgerea aerului în canal pentru cele trei cazuri studiate.
45 ° b) 90° c) 135°
Fig. 3. Spectrele de viteză
Fig. 2 și fig. 3, arată că unghiul de înclinare al nervurilor influențează regimul termoaeraulic din canalul ventilat. Astfel, transferul de căldură este mai intens pentru cazul cu înclinare de 45°. O orientare a nervurilor la un unghi de 135° determină o reducere a transferului de căldură comparativ cu celelalte două studiate.
Fig. 4. Variația temperaturii panoului fotovoltaic în funcție de unghiul de înclinare al nervurilor
În fig. 4 se observă că efectul de răcire al panoului fotovoltaic este direct proporțional cu înălțimea nervurilor și invers proporțional cu unghiul de înclinare al acestora. Astfel, pentru unghiul de 45° se obțin cele mai scăzute temperaturi ale panoului, iar pentru unghiul de 135° cele maxime. Inflența unghiului de înclinare este mai puțin importantă în cazul înălțimilor mici de nervuri, asfel încât pentru înălțimea de 1 cm, acesta are efect invers asupra schimbului de căldură.
Inflența temperaturii panoului asupra randamentului acestuia este reprezentată în tab. 1 pentru unul din cazurile studiate, pentru înălțimea nervurii de 3 cm.
Tabel 1
* Conform [4]
** Radiația solară incidentă de 500 W/m2
*** Cazul fără nervuri
Unde: tp – temperatura medie a panoului fotovoltaic [°C];
PN – puterea electrică produsă la 25 °C [W];
𝜂 – eficiența panoului fotovoltaic;
Pelespec – putere electrică specifică [W/m2];
Sp – suprafața panoului fotovoltaic [m2];
Pel – puterea electrică produsă de panoul studiat [W];
Concluzii
Eficiența panoului fotovoltaic are o variație puternică în raport cu temperatura. Aceasta este cel mai ușor de exprimat prin parametrii principali ai panoului fotovoltaic: tensiunea și curentul produs de acesta, exprimați global sub forma puterii maxime produse. Astfel, pentru o temperatură de 56 °C, cum este în cazul neutilizării nervurilor, puterea produsă atinge un nivel de aproximativ 86 % din cea nominală. În cazul folosirii disipatorului de căldură, chiar și pentru înălțimi mici ale nervurilor temperatura panoului fotovoltaic scade cu cel puțin 10 °C. Acest aspect este benefic cu privire la eficiența conversiei, putere maximă produsă putând depăși valoarea de 90 % din cea nominală.
Prin urmare, se poate afirma că problema îmbunătățirii temperaturii medii a panoului fotovoltaic este foarte importantă deoarece aceasta influențează în mod direct randamentul de conversie al acestuia. Conform tab. 1, pentru configurația studiată, creșterea puterii produse suplimentar de panoul fotovoltaic este de la 6.97% la 7.55% față de cazul de bază la modificarea înclinării nervurii de la 90° la 45°. Această metodă poate reprezenta o soluție pentru realizarea răcirii acestor sisteme, cu un consum redus de energie, ținând cont de necesitatea ventilării fațadelor dublu vitrate pe timpul verii.
RĂCIREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE PRIN UTILIZAREA UNUI SCHIMBĂTOR DE CĂLDURĂ PELICULAR (sinaia 2014)
Descrierea problemei
În cadrul lucrării este studiată variația temperaturii panoului fotovoltaic în funcție de viteza și temperatura agentului caloportor în secțiunea de intrare în schimbătorul pelicular. Panoul fotovoltaic (PF) cu suprafața de 0,25 m2 (0,5m x 0,5m) este integrat în fațada ventilată dublu vitrată a unei clădiri.
Scopul studiului este de a determina eficiența energetică a PF în condițiile realizării răcirii acestuia. Răcirea se realizează cu ajutorul unui schimbător de căldură pelicular, amplasat la partea posterioară a PF. Eficiența de conversie a panoului fotovoltaic este comparată pentru diversele temperaturi obținute.
Schimbătorul de căldură permite disiparea energiei termice din zona posterioară a panoului fotovoltaic și este recomandat ca zona de contact dintre acesta și panoul fotovoltaic să fie realizată dintr-un material cu o conductivitate termică ridicată, de exemplu din cupru sau aluminiu. Dimensiunile schimbătorului pelicular sunt:
l x h x g = 0,5m x 0,5m x 0,003m, unde: l – lungimea;
h – înălțimea;
g – lățimea secțiunii de intrare (peliculei).
Simularea numerică
Studiul numeric al variației temperaturii medii a panoului fotovoltaic este realizat cu ajutorul softului ANSYS-Fluent. Geometria și discretizarea domeniului de calcul este realizată în cadrul platformei ANSYS, cu ajutorul programelor Design-Meshing și Design-Modeler. Simularea radiației solare este realizată cu ajutorul modelului Solar Ray Tracing, parte a programului Fluent.
Schița modelului studiat în lucrare este prezentată în fig. 3.
Fig. 3 – Modelul studiat cu programul ANSYS-Fluent
Unde: ID – intensitatea radiației solare;
ti, te – temperaturile agentului caloportor în secțiunea de intrare și ieșire;
vi, ve – vitezele agentului caloportor în secțiunea de intrare și ieșire;
tp – temperatura medie a panoului fotovoltaic.
Datele de intrare impuse in programul de calcul sunt:
– pozitia PF: – verticală, pe fațada clădirii;
– intensitatea radiației solare: constantă: 500 W/m2;
– dimensiunile schimbătorului pelicular: identice cu ale panoului fotovoltaic: 0,5 m x 0,5 m;
– grosimea peliculei schimbătorului de căldură: g = 3 mm;
– temperatura de intrare a agentului caloportor: variabilă: de la 20 °C la 30 °C cu pas de 1 °C;
– coeficientul de absorbție al radiației solare pentru panoul fotovoltaic: α = 0,7 [14];
– viteza de intrare a agentului caloportor: variabilă: 0,001 m/s, 0,002 m/s, 0,003 m/s, 0,004 m/s, 0,005 m/s și 0,01 m/s corespunzătoare următoarelor debite: 0,09 l/min, 0,18 l/min, 0,27 l/min, 0,36 l/min, 0,45 l/min și 0,9 l/min.
Datele de ieșire urmărite:
– temperatura medie de operare a panoului fotovoltaic;
– randamentul PF.
Rezultate
În figura 4 sunt prezentate rezultatele obținute pentru simularea în condițiile expuse anterior.
Fig. 4 – Variația temperaturii medii a panoului fotovoltaic în funcție de viteza și temperatura de intrare a agentului caloportor
În fig. 4 se poate observa că efectul de răcire al panoului fotovoltaic este direct proporțional cu viteza de intrare a apei în schimbătorul pelicular și invers proporțional cu temperatura acesteia. De asemenea, temperatura panoului fotovoltaic are o scădere importantă atunci când se mărește viteza apei în secțiunea de intrare de la 0,001 m/s la 0,002 m/s, cu valori cuprinse între 10,2 °C până la 3,1 °C, fiind dependentă și de temperatura de intrare. Acest efect este diminuat odată cu mărirea vitezei de intrare, astfel încât diferența de temperatură între viteza de 0,005 m/s și valoarea dublă de 0,01 m/s este de aproximativ 1 °C.
Temperatura medie a panoului fotovoltaic, în cazul amplasării fără schimbător de căldură, atinge valori de aproximativ 60 °C în aceleași condiții de însorire [11]. Prin urmare, se poate determina eficiența de conversie fotoelectrică a panoului în cazul de bază și în cazul temperaturilor reduse cu ajutorul schimbătorului pelicular. Pentru îmbunătățirea temperaturii de lucru a panoului fotovoltaic și inclusiv a randamentului de conversie se realizează o răcire a acestuia până la temperaturi apropiate de aceea de funcționare în condiții standard, respectiv 25 °C.
Influența temperaturii panoului asupra randamentului de conversie al acestuia este reprezentată în tab. 1 pentru unul din cazurile studiate, respectiv pentru temperatura de intrare a apei de 25 °C.
Tabel 1
* Conform [16]
** Radiația solară incidentă: 500 W/m2
*** Cazul fără răcire
**** STC (Standard Test Conditions) conform [17]
Unde: tp – temperatura medie a panoului fotovoltaic [°C];
PN – puterea electrică produsă la 25 °C [W];
𝜂 – eficiența panoului fotovoltaic;
Pelespec – putere electrică specifică [W/m2];
Sp – suprafața panoului fotovoltaic [m2];
Pel – puterea electrică produsă de panoul studiat [W].
Concluzii
Se poate observa, în tabelul 1, că prin răcire este posibilă obținerea unui spor de putere cuprins între 13,78 și 17,60 % față de cazul de bază. Scăderea eficienței de conversie a panoului fotovoltaic considerată este de 0,45% pentru fiecare grad peste temperatura standard de 25 °C.
Răcirea panourilor fotovoltaice reprezintă o soluție avantajoasă pentru îmbunătățirea randamentului de conversie a acestora. Reducerea temperaturii de operare realizată prin utilizarea apei ca agent caloportor prezintă avantaje multiple. Astfel, se poate utiliza apa rece disponibilă în instalațiile sanitare, fiind o sursă de energie ieftină și cu parametri optimi pentru extragerea surplusului de energie înmagazinată în masa panoului fotovoltaic.
Prin utilizarea unui schimbător de căldură și stocarea sau valorificarea energiei termice extrase, eficiența energetică a întregului ansamblu evaluată la nivel global este superioară eficienței sistemului fotovoltaic de sine stătător.
Modelarea numerică a răcirii panourilor fotovoltaice (TRNSYS)
Sunt studiați parametrii de funcționare ai unui panou fotovoltaic (PF) cu suprafața de 1 m2 integrat în fațada ventilată dublu vitrată a unei clădiri. Panoul fotovoltaic este alcătuit din 36 de celule solare legate în serie.
Scopul studiului este de a determina eficiența energetică a PF în condițiile realizării răcirii acestuia. Răcirea se realizează cu ajutorul unui schimbător de căldură, amplasat la partea posterioară a PF. Eficiența se obține în condițiile răcirii panoului fotovoltaic la o temperatură apropiată de cea nominală de 25 °C.
Schimbătorul de căldură trebuie sa permită disiparea energiei termice din zona posterioară a panoului fotovoltaic și este recomandat ca zona de contact dintre acesat și panoul fotovoltaic să fie realizată dintr-un material cu o conductivitate termică ridicată, de exemplu din cupru sau aluminiu.
Studiul numeric al performanței panoului fotovoltaic este realizat cu ajutorul softului TRNSYS 16. Condițiile de însorire sunt considerate pentru sezonul cald, în zona București și poziția verticală a panoului fotovoltaic. Componentele intensității radiației solare sunt considerate variabile pe durata unei zile.
Parametrii de funcționare ai PF considerați în calcul sunt:
– curentul de scurtcircuit: Isc = 6,5 A;
– tensiunea la mers în gol: Voc = 21,6 V;
– curentul în punctul de maximă putere: Imax = 5,9 A;
– tensiunea în punctul de maximă putere: Umax = 17 V;
– temperatura de fucționare a panoului în condiții nominale tNOCT = 47 °C.
Datele de intrare impuse in programul de calcul sunt:
– orientarea PF: – sud;
– poziția PF: – verticală, pe fațada clădirii;
– condițiile climatice: București, conform Anului Meteorologic Tipic (TMY);
– intensitatea radiației solare variabilă.
Datele de ieșire din programul de calcul:
– temperatura de operare a panoului fotovoltaic;
– intensitatea, tensiunea și puterea electrică produsă de PF;
– randamentul PF.
Rezultate
În fig. 5 sunt prezentate rezultatele obținute pentru simularea în condițiile prezentate anterior.
Fig. 5. Variația diurnă a parametrilor climatici și ai PF
În fig. 5 se pot urmări valorile mărimilor de interes pe parcursul unei zile. Pe axa din partea stângă sunt prezentate valorile radiației solare (W/m2) precum și a puterii produse de panoul fotovoltaic în punctul maxim de funcționare al acestuia (W/m2). Pe scara din dreapta se pot citi valorile temperaturii exterioare precum și a temperaturii de lucru a panoului fotovoltaic (°C). Se poate observa că temperatura PF are o variație proporțională cu intensitatea radiației solare și cu temperatura aerului exterior. Puterea produsă de panoul fotovoltaic este de asemenea dependentă de intensitatea radiației solare, dar invers proporțională cu temperatura celulelor.
În aceste condiții panoul fotovoltaic funcționează la parametrii din tab. 2. Se poate observa că eficiența de conversie fotoelectrică are valori sub 12%, cu maximul în jurul valorii de 11,5%.
Tabel 2 – Parametrii PF în condiții efective de funcționare
Eficiența PF este direct influențată de intensitatea radiației solare dar și de temperatura panoului, care atinge valori până la 48,5 °C pentru o radiație solară de 495 W/m2, tab. 2. Pentru îmbunătățirea temperaturii de lucru a panoului fotovoltaic și inclusiv a randamentului de conversie s-ar impune o răcire a acestuia până la temperatura de funcționare în condiții standard, respectiv 25 °C. Având în vedere valorile parametrilor din tab. 1, se apreciază că răcirea panoului fotovoltaice trebuie realizată în intevalul orar 08:00 – 16:00.
În tab. 3, sunt prezentate valorile parametrilor panoului fotovoltaic în condițiile realizării răcirii. Mărimile determinate reprezintă mediile calculate pe intervalele orare de interes.
Tabel 3 – Parametrii PF în condiții optimizate
Unde: α – coeficient de absorbție a radiației solare pentru PF (α = 0,75) [5]
Imed – intensitatea medie a radiației solar în intervalul orar
Topt – temperatura medie a celulei în condițiile realizării răcirii
ηefectiv , ηoptimizat – randamentele de conversie înainte și după optimizare
Psuplim – puterea electrică produsă suplimentar de PF în urma răcirii
Ținând cont că scăderea eficienței este de 0,45% pentru fiecare grad peste temperatura standard de 25 °C, prin răcire este posibilă obținerea unui spor de putere, fig. 8.
Fig. 6. Producția de energie electrică a PF în cele două cazuri studiate
Conform figurii 6, dacă se aplică reducerea temperaturii panoului fotovoltaic la 25 °C în intervalul orar 08:00 – 16:00, se obține sporirea eficienței panoului, până la valori de 12,28 %. În consecință, puterea electrică produsă de panoul fotovoltaic în condiții similare de însorire este superioară față de cea obținută în condiții normale de funcționare. Sporul de energie pe intervalul de răcire, 08:00 – 16:00, este de aproximativ 28,5 Wh/m2, ceea ce reprezintă o creștere cu 8% față de condițiile efective de lucru.
Concluzii
Reducerea temperaturii de operare realizată prin utilizarea apei ca agent caloportor prezintă avantaje multiple. Astfel, se poate utiliza apa rece disponibilă în instalațiile sanitare, fiind o sursă de energie ieftină și cu parametri optimi pentru extragerea surplusului de energie înmagazinată în masa panoului fotovoltaic.
Prin utilizarea unui schimbător de căldură și stocarea sau valorificarea energiei termice extrase, eficiența energetică a întregului ansamblu evaluată la nivel global este superioară eficienței sistemului fotovoltaic neoptimizat.
!!! EXPERIMENT !!!
Subcapitole EXPERIMENT: – obiective (PRIMUL)
– program experimental
– echipamentul experimental (imagini)
– tehnica de măsurare și aparatura cu performanțele ei
– rezultate și interpretarea lor
Scopul cercetărilor experimentale a constat în validarea rezultatelor obținute din modele numerice. Studiile experimentale au fost efectuate în laboratoarele Departamentelor de Ingineria Instalațiilor și Construcții Civile și Industriale ale Facultății de Construcții și Instalații din Iași.
În cadrul testelor experimentale desfășurate în Camera Climatică s-au analizat performanțele panourilor fotovoltaice în diverse condiții de parametri exteriori, prin varierea intensității radiației solare și a temperaturii aerului. Astfel, s-au realizat teste comparative pentru două tipuri de panouri fotovoltaice: monocristalin și policristalin cu dimensiunui aproximativ egale și de aceeași putere, respectiv 30 Wp. Mărimile măsurate și interpretate au fost de natură electrică (Voc, Isc, Pmp, Vmp, Imp etc) și termică (Taer, TPV, G).
Concepere stand simularea radiației solare: – date producător
– măsuratori experimentale
– execuție stand
– verificare flux
5.1. Stand experimental pentru studiul răcirii și eficienței panourilor fotovoltaice
Pentru evaluarea experimentală a efectului răcirii asupra FDV se preconizează analiza fenomenului în regim termic stabilizat, în camera climatică. Standul experimental va fi alcătuit dintr-un sistem fotovoltaic complet. Panoul fotovoltaic va fi introdus într-o cameră climatică dublă, care va juca atât rolul unei fațade ventilate cât și de mediu de răcire în zona posterioară a panoului fotovoltaic.
Sistemul fotovoltaic creat va fi de mici dimensiuni, pentru a se asigura o manipulare facilă și astfel încât dimensiunea panoului să nu depășească pe cea a camerei climatice
Elementele componente ale standului experimental sunt prezentate în tabelele 4-6 și în schema instalației experimentale în figura 7.
Sistemul fotovoltaic va fi alcătuit din următorele echipamente:
Tabelul 4
Sistemul de monitorizare este alcătuit din următoarele componenente:
Tabelul 5
Simularea radiației solare și măsurarea valorii acesteia:
Tabelul 6
Camera climatică dublă produsă de Feutron Klimasimulation GmbHeste se află în dotarea Facultății de Construcții și Instalații din Iași din anul 2011. Aceasta este alcătuită din două spații, camera caldă și camera rece, în care se pot crea condiții diferite de temperatură și umiditate. În camera caldă se poate crea un mediu cu temperaturi cuprinse între 5 șC – 100 șC și umidități relative cuprinse între 10% – 95 % iar în camera rece, se poate reproduce un mediu cu temperaturi cuprinse între – 45 șC – 100 șC cu umidități relative cuprinse între 15% – 95 %.
În ceea ce privește testarea unui panou fotovoltaic, cu ajutorul camerei climatice se pot realiza determinări referitoare la conductivitatea termică a panoului, comportarea la cicluri îngheț-dezgheț sau determinarea temperaturii de operarea a panoului fotovoltaic în diferite condiții de temperatură, umiditate și radiație solară.
Schema instalației experimentale propuse
Fig. 7. Schema instalației experimentale
Unde:
AD – stație de achiziție date (monitorizarea temperaturii panoului)
STP – senzori de temperatură pentru panou
P – piranometru
SR – senzor de radiație
STA – senzori de temperatură pentru aer
M – multimetre
R – regulator de încărcare
B – baterii solare
I – invertor
[6] http://www.esolar.ro/panou-monocristalin-ipm-30w.html
[7] http://www.esolar.ro/regulatori-solari-steca-pr-0303-12v-3a.html
[8] http://www.esolar.ro/baterii-pentru-panou-fotovoltaic-12v-33ah-u1-trj-agm.html
[9] http://www.esolar.ro/invertor-sinus-pur-victron-phoenix-12v-180w.html
5.2.
5.3. Mecanica miezului de tip spumă. Mecanisme de cedare
E
BIBLIOGRAFIE
Herakovich C.T., (1998), Mechanics of fibrous composites, University of Virginia, John Wiley & Sons, Inc., United States of America.
Capitolul 5
STUDIU DE CAZ
7.1. TRNSYS
E
5.2. Mecanica miezului de tip fagure. Mecanisme de cedare
E
5.3. Mecanica miezului de tip spumă. Mecanisme de cedare
E
5.4. Studiul factorilor care influențează proprietățile mecanice ale miezurilor dintr-un ansamblu stratificat de tip sandviș
E
BIBLIOGRAFIE
Herakovich C.T., (1998), Mechanics of fibrous composites, University of Virginia, John Wiley & Sons, Inc., United States of America.
Capitolul 6
INSTRUMENT DE CALCUL PENTRU EVALUAREA FUNCȚIONĂRII PANOURILOR FOTOVOLTAICE
5.2. Metode și modele de calcul utilizate în studiul funcționării PF
Ținând cont de caracterul imprevizibil al intensității radiației solare, precum și al celorlați factori de mediu, este destul de dificil de prevăzut cu exactitate randamentul la care va funcționa un sistem fotovoltaic. Totuși, un aspect important în conceperea și realizarea unui sistem fotovoltaic îl reprezintă posibilitatea beneficiarului de a obține o serie de informații referitoare la costul investiției, eficiența sistemului, energia produsă și timpul de recuperare a investiției. Acestea trebuie să fi cât mai precise și apropiate de realitate. În schimb, analiza este una aproximativă de cele mai multe ori, bazată pe calcule simple și valori medii ale parametrilor determinanți pentru funcționarea PF. Interesul în rezolvarea acestui neajuns este ridicat și încep să fie dezvoltate din ce în ce mai multe aplicații care își propun această sarcină. Deocamdată programele specializate sunt foarte costisitoare sau cu interfețe care nu sunt întotdeauna la îndemâna unui utilizator neexperimentat.
De remarcat, de asemenea, numărul scăzut al unor astfel de aplicații care pot fi utilizate cu succes pentru evaluarea sistemelor fotovoltaice din România. De cele mai multe ori se apelează la furnizori, care realizează un calcul estimativ și furnizează un preț la pachet pentru întreg sistemul fără a detalia informații referitoare la eficiență. Acest aspect poate fi unul din motivele încrederii reduse a potențialilor clienți rezidențiali și a autorităților statului în a investi în obținerea energiei electrice prin conversie fotovoltaică.
Prin urmare, s-a considerat că o acțiune în această direcție este de actualitate și poate fi utilă în contextul energetic actual. Astfel, prezentul capitol propune dezvoltarea unei aplicații cu nivel ridicat de rigurozitate, dar care în același timp să fie ușor de utilizat de către o persoană fără cunoștințe avansate în domeniu, interesat să implementeze un sistem fotovoltaic propriu.
Introducere
Pentru analiza celulelor fotovoltaice, se utilizează modele electrice echivalente simplificate ( Petreus et al, 2008). Cu ajutorul acestora se pot obține informații referitoare la intensitatea, tensiunea sau puterea electrică produsă de celula solară. Modelul matematic pornește de la conceptul că atunci când celulele fotovoltaice nu sunt expuse radiației solare, acestea funcționează și au caracteristica electrică a unei diode. În literatura de specialitate (Cubas et al, 2014; Elbasit et al, 2013) aceste scheme de simulare a funcționării celulelor fotovoltaice sunt următoarele: modelul ideal, modelul simplă diodă și modelul dublă diodă. În prezentul studiu, este analizat modelul simplă diodă.
Scopul modelării matematice a panourilor fotovoltaice (PF) constă în obținerea curbelor caracteristice (P-V, I-V, P-I) ale acestuia (Abd Elbasit et al, 2013), precum și a variației mărimilor electrice produse de panou în funcție de diverse condiții exterioare. Aceste rezultate se utilizează la evaluarea capacității de producere a sistemelor fotovoltaice în diverse condiții.
Cea mai importantă caracteristică a unei celule fotovoltaice este curba I-V. Aceasta reprezintă de fapt suprapunerea curbei IV a celulei solare (considerată diodă) în întuneric peste curentul fotovoltaic generat – Iph (Lindholm et al, 1979) Fig. 3.1.a. (http://www.pveducation.org/). Lumina determină deplasarea curbei IV în jos, în al patrulea cadran, unde puterea poate fi extrasă din diodă Fig. 3.1.b. Prin iluminarea unei celule, la curentul de saturație invers al diodei I0 se adaugă curentul fotovoltaic Iph și ținând cont că celula generează putere, prin convenție se inversează axele uzuale Fig. 3.2.
Fig. 3.1. a) Caracteristica IV în întuneric b) Deplasarea caracteristicii IV în prezența luminii
(http://www.pveducation.org/)
Fig. 3.2. Caracteristica IV convențională http://www.pveducation.org/
3.2. Modelarea funcționării celulelor PV – circuitul echivalent
3.2.1. Model ideal (simplă diodă)
Circuitul electric echivalent este alcătuit dintr-o sursă de curent electric și o diodă. Acesta este cel mai simplu model, dar nu are o precizie foarte ridicată, deoarece în realitate apar o serie de rezistențe care modifică parametrii celulei.
Fig. 3.3. Modelul ideal al PF – simplă diodă
În cazul acestui model se consideră: Rs = 0 și RSH = ∞, Iph = Isc
3.2.2. Model cu Rs (simplă diodă) (4 parametri)
Acest model este necesar deoarece în realitate, există circuite electrice înseriate cu celula fotovoltaică, care au o anumită rezistență electrică echivalentă, Rs. Această schemă modelează comportamentul unei celule fotovoltaice mai precis decât anterioara.
Fig. 3.4. Modelul PF cu rezistență serie – simplă diodă
3.2.3. Model simplă diodă cu Rs și Rsh (5 parametri)
Modelul cu Rs și Rsh este cel mai utilizat model de simulare a funcționării celulelor fotovoltaice (Chenni, 2007). Această schemă ține cont atât de rezistența serie cât și de posibilitatea șuntării circuitului fotovoltaic, prin introducerea rezistenței Rsh.
Fig. 3.5. Modelul PF cu rezistență serie și rezistență de șuntare
Intensitatea curentului electric spre sarcină se determină cu ecuația 3.1., conform schemei electrice din Fig. 3.5.
Astfel, intensitatea curentulului electric spre sarcină este determinată cu următoarea ecuație caracteristică:
unde, Iph – fotocurentul produs de celula solară (A);
I0 – curentul de saturație invers al diodei (A);
q – sarcina electrică a electronului (C);
V – tensiunea la capetele diodei (V);
k – constanta Boltzmann, k = 1.38.10−23 (J.K−1);
T – temperatura joncțiunii (K);
n – factorul de idealitate;
Rs, RSH – rezistența serie și de șuntare a celulei (Ω).
Ec. 3.2. poate fi simplificată în cazul unor valori mari ale Rsh, de exemplu 100 kΩ. În plus, Iph se poate considera aproximativ egal cu Isc,curentul de scurtcircuit. Aplicând aceste valori, în condițiile standard de măsurare, se obține:
În aceleași ipoteze se poate determina tensiunea de mers în gol a celulei:
Efectul variației radiației solare
Intensitatea radiației solare are cea mai mare influență asupra puterii produse de celulele fotovoltaice, prin modificarea intensității curentului electric generat de aceasta, Iph, la variația intensității.
unde, Ki = 0.0017 A/°C – coeficientul de temperatură al curentului de scurtcircuit al celulei fotovoltaice;
G (W/m2) – intesitatea radiației solare.
Efectul variației temperaturii celulei
Curentul de saturație invers al diodei variază cu o funcție la puterea a treia a temperaturii și este exprimat astfel:
unde, Tnom (K) – temperatura nominală a celulei;
Eg (eV) (band gap) – energia necesară trecerii electronilor materialului semiconductor din banda de valență în banda de conducție;
– tensiunea termică.
Tensiunea de mers în gol variază cu temperatura după următoarea lege:
unde, B – coeficient de temperatură al tensiunii de mers în gol.
Scăderea Voc la creșterea temperaturii de operare a celulelor determină o reducere a puterii maxime produse de panoul fotovoltaic de aproximativ 0.45 %/°C.
Se observă că se poate modela în totalitate comportamentul fizic al celulelor fotovoltaice atunci când cunoaștem pe de o parte Iph, Is, Rs și Rsh și doi parametri ai mediului exterior: temperatura și radiația solară.
Efectul rezistenței serie (Rs) asupra caracteristicii curent-tensiune a celulei fotovoltaice
Odată cu mărirea rezistenței serie, căderea de tensiune dintre voltajul joncțiunii și voltajul terminal devine mai mare la o intensitate a curentului constantă. Astfel, are loc o scădere importantă a tensiunii terminale și scăderea nesemnificativă a curentului de scurtcircuit. Daca valoarea rezistenței Rs este mare, atunci Isc va scădea și mai mult, la limită, celula solară comportându-se ca un rezistor.
Pierderile de putere determinate de Rs se exprimă astfel:
Se observă că aceste pierderi sunt dependente de fotocurent, deci sunt mai mari la nivele ridicate ale radiației solare (www.wikipedia.org).
De asemenea, se poate determina reducerea factorului de umplere (FF) în funcție de rezistența serie totală:
unde, FFideal = 0,824 (Meier et al., 2006).
Efectul rezistenței de șuntare asupra caracteristicii curent-tensiune a celulei solare
Pe măsură ce rezistența de șuntare scade, curentul electric deviat prin aceasta crește la anumite nivele ale tensiunii joncțiunii. Rezultatul constă în reducerea semnificativă a curentului electric terminal, precum și o reducere mai puțin importantă a Voc. Asemănător cazului în care Rs este foarte mare, o celulă solară șuntată prin rezistențe mici va avea caracteristica de operare similară unui rezistor.
Curentul de saturație invers
Acesta reprezintă o măsură a scurgerii purtătorilor de sarcină de-a lungul joncțiunii p-n în sens invers. Scurgerea este rezultatul recombinării purtătorilor de sarcină în zona neutră pe ambele părți ale joncțiunii. Atunci când acest curent – I0 are valori ridicate, valoare Voc se reduce proporțional cu inversul logaritmului creșterii (www.wikipedia.org). Funcționarea unei diode reale este supusă unor efecte de recombinare a purtătorilor de sarcină, care nu sunt exprimate cu exactitate prin modelul diodei simple și descrierea acestora se realizează cu ajutorul acestui factor.
Mecanismul de recombinare – ecuația diodei ideale presupune că toate recombinările au loc în masa celulei și nu în zona joncțiunii. În realitate aceste recombinări au loc și în alte zone ale celulelor, ceea ce duce la factori de idealitate diferiți de 1. Practic, aceștia determină o scădere a tensiunii produse (http://pveducation.org).
Totuși, majoritatea celulelor fotovoltaice, care sunt mult mai mari decât o diodă convențională, se apropie de aproximarea că joncțiunea p-n este un plan infinit și se comportă aproximativ ca o diodă ideală (n ≈ 1) (www.wikipedia.org).
3.2.4. Model dublă diodă (5 parametri)
Spre deosebire de modelele simplă diodă, care presupun o valoare constantă a factorului de idealitate – n, modelul cu dublă diodă ține cont de faptul că acesta variază cu tensiunea de-a lungul celulei fotovoltaice. La tensiuni mari, n = 1, dar la valori mai mici, atunci când fenomenele de recombinare sunt dominante în celulă, factorul de idealitate poate atinge valori mai mari decât 2. Acest fenomen este modelat de cea de-a doua diodă – D2 din Fig. 3.6.
Fig. 3.6. Model dublă diodă
Modelele matematice prezentate sunt utilizate în majoritatea programelor de calcul și de cercetători din toată lumea. Acestea sunt implementate și validate experimental de mai multe studii din literatura de specialitate (Nema et al, 2010; Ayaz et al, 2014; Salmi et al, 2012).
3.3. METODE EXISTENTE PENTRU STUDIUL FUNCȚIONĂRII PF – PROGRAME SPECIALIZATE
3.3.1. Softuri generale
TRNSYS (http://sel.me.wisc.edu/trnsys)
TRNSYS este un program de simulare în regim tranzitoriu a sistemelor. Acestea au o structura modulară în care diferite componente sunt conectate și pe care softul o recunoaște. Programul conține o librărie cu o diversitate foarte mare de componente cum ar fi: electrice, termice, meteorologice, date de intrare, date de ieșire etc.
Programul se pretează foarte bine studiilor detaliate pentru sisteme a căror funcționare este dependentă de timp. TRNSYS reprezintă softul de referintă pentru cercetătorii și inginerii din toată lumea. Principalele aplicații ale programului sunt: sisteme solare (termice sau fotovoltaice), sisteme HVAC, clădiri care au consum redus de energie. sisteme cu energie regenerabilă, cogenerare etc.
În ceea ce privește sistemele fotovoltaice TRNSYS propune două modele de bază: Type194 și Type94. Componenta Type194 reprezintă un model al panourilor fotovoltaice bazat pe metoda de calcul prezentată de DeSoto et al (2005), un model cu 5 parametri.
Type94 modelează funcționarea panourilor fotovoltaice cu un circuit echivalent cu 4 parametri. Acesta are opțiuni pentru introducerea unghiului de înclinare a PF. Componenta are ca mărime de ieșire intensitatea curentului produs în funcție de tensiune.
TRNSYS deține una dintre cele mai complete baze de date climatice existente pentru locații din întreaga lume, inclusiv din România. Calculele pot fi realizate cu prezicie orară pentru anul climatic tipic. În schimb, prețul licenței sofware este foarte ridicat.
ANSYS-Fluent (http://www.ansys.com)
ANSYS-Fluent reprezintă la ora actuală cel mai important program de tip CFD (computational fluid dynamics). Acesta soft oferă posibilitatea modelării fenomenelor fizice cu un grad mare de acuratețe prin calcul numeric bazat pe metoda elementului finit sau a volumului finit. Programul este specializat pentru o gamă largă de aplicații, de obicei definite de utilizator prin intermediul geometriei, discretizării, modelului de curgere, tipul de turbulență, transfer de căldură sau materiale semiconductoare.
Din punctul de vedere al panourilor fotovoltaice, ANSYS-Fluent poate fi utilizat cu succes pentru studiul numeric al variației temperaturii medii a acestuia în diverse condiții. Simularea radiației solare se poate realiza cu ajutorul modelului Solar Ray Tracing, parte a programului Fluent.
MATLAB/Simulink (http://www.mathworks.com/)
MATLAB reprezintă un limbaj de înalt nivel și mediu interactiv pentru calcul numeric, vizualizare și programare. Prin utilizarea MATLAB se pot analiza date, dezvolta algoritmi sau crea modele și aplicații. Limbajul și funcțiile matematice implementate oferă posibilitatea unei abordari multiple, cu viteze superioare limbajelor de programare clasice cum sunt C/C++ sau Java.
La baza programului stă calculul bazat pe matrici, vectori sau câmpuri multidimensionale. Cu ajutorul funcțiilor predefinite sau create se pot obține aplicații de foarte bună calitate și precizie.
În cadrul MATLAB este încorporată și extensia Simulink. Programul reprezintă un mediu cu scheme bloc pentru realizarea simulărilor în domenii multiple. Prin introducerea modelelor matematice și a metodei de rezolvare se pot obține rezultate în aproape toate domeniile din inginerie.
Modulul Simulink este adecvat și pentru implementarea modelului matematic al funcționării celulelor fotovoltaice, care este caracterizat de un calcul în buclă închisă a parametrilor caracteristici.
3.3.2. Programe specifice sistemelor fotovoltaice
Softuri profesionale pe platforme online (http://photovoltaic-software.com):
SOLARGIS – PVPLANNER
– unealtă de simulare pentru planificarea și optimizarea sistemelor fotovoltaice. Utilizează date climatice și geografice la rezoluție temporală și spațială ridicată.
EASYSOLAR
– aplicație utilizate pentru evaluarea succintă a unui sistem fotovoltaic. De obice utilizată pe dispozitive mobile (smartphone sau tabletă).
POLYSUN Online
– planificare și calculul simplificat al sistemului fotovoltaic.
SOLARDESIGNTOOL
– permite crearea cu acuratețe a unui sistem fotovoltaic. Rularea durează câteva minute și furnizează un fișier PDF cu date electrice și diagrame.
RETScreen (CAN)
– aplicație de analiză a proiectelor de energie curată bazat pe calcul în Excel. Ajută la luarea de decizii rapide și ieftine, prin determinarea viabilității financiare a proiectelor de energii regenerabile, eficiență energetică sau cogenerare.
SKELION
– reprezintă o extensie pentru Google Sketchup, pentru inserarea de panouri solare sau fotovoltaice în suprafață. Include studii privitoare la umbrire și încărcarea informațiilor cu ajutorul Google Earth.
Softuri de simulare fotovoltaică profesionale:
INSEL
– cu ajutorul uneltei Solar Electricity oferă parametri pentru simularea tuturor panourilor fotovoltaice și invertoarelor de pe piață.
PV Designer Solmetric
– permite schițarea cu ușurință a sistemului fotovoltaic, evaluarea umbririi, verificarea limitelor invertoarelor. Include o bază de date extinsă pentru panouri, invertoare și date climatice. Permite studiul comparativ și determinarea optimului pentru diverse soluții de amplasare a sistemelor fotovoltaice pentru clădiri de locuit sau comerciale de mici dimensiuni.
EASYSOLAR
– utilizat pentru conceperea și alegerea sistemelor fotovoltaice adecvate. Aplicație valabilă și pentru dispozitive mobile.
PV F-CHART (USA)
– program detaliat de analiză și proiectare a sistemelor fotovoltaice. Programul furnizează performanța medie lunara pentru fiecare oră din zi. Calculele sunt bazate pe metode dezvoltate la Universitatea Wisconsin, care țin cont de variația statistică a radiației solare și consumului de energie.
SOLARPRO
– softul calculeaza cantitatea de energie electrică generată, bazat pe latitudinea, longitudinea și condițiile climatice ale locului de amplasare. Prin urmare, se obțin rezultate de foarte mare precizie.
Simulările iau în considerare fenomenul de umbrire determinat de clădirile vecine astfel ajutând la selectarea amplasării optime înainte de executarea sistemului. Programul calculează determină curba I-V a panoului solar cu acuratețe și rapiditate, ținând cont de specificațiile electrice ale producătorului.
Concluzii
În cele mai multe cazuri, în calcule se utilizează valoarea medie a radiației solare cunoscută sub denumirea de „ore cu intensitatea radiației de vârf” (Peak Sun Hours) exprimată în kWh/m2 pe zi, Fig. 3.6. Această noțiune exprimă insolația solară pe care o anumită locație o primește dacă soarele strălucește la valoarea maximă pentru un anumit număr de ore. Deoarece radiația solară de vârf are valoare de 1 kW/m2, numărul de ore solare de vârf este identic cu insolația zilnică medie (http://www.pveducation.org/) .
Această valoare este utilizată pe scară largă de aplicațiile uzuale pentru prezicerea funcționării sistemelor fotovoltaice. Cu toate că insolația medie zilnică este aceeași ca în cazul real, nu poate fi considerată adecvată pentru realizarea unor calcule exacte, din cel puțin două motive:
– nu se poate realiza un calcul ce ține cont și de variația temperaturii PF;
– prin utilizarea valorii de vârf a radiației solare se neglijează pierderea de putere corespunzătoare intensităților mici ale radiației, când are loc o recombinare mai intensă a purtătorilor de sarcină.
Fig. 3.6. Ore cu intensitatea radiației de vârf (http://www.pveducation.org/)
5.3. METODE PROPUSE PENTRU STUDIUL PANOURILOR FOTOVOLTAICE – UTILIZAREA MATLAB
Analiza programelor existente utilizate pentru simularea funcționării panourilor fotovoltaice a relevat faptul că marea majoritate a acestora efectuează un calcul simplificat și aproximativ. De asemenea, în peste 90 % din cazuri nu se poate realiza o analiză corectă, specifică datelor climatice și geografice din România.
Prin urmare, se impune dezvoltarea unei aplicații cu interfață grafică, cu un grad ridicat de precizie și care să furnizeze toate informațiile necesare analizei panourilor fotovoltaice instalate sau ce urmează a fi implementate în condiții specifice. În scopul obținerii de rezultate corecte, calculul se va efectua în regim dinamic, pentru durată de 24 de ore ale zilei senine de vară. O serie de informații necesare modelului matematic sunt calculate în timp ce altele sunt preluate din baze de date climatice specifice pentru România.
În cadrul referatului se prezintă un model original de calcul pentru funcționarea panourilor fotovoltaice prin utilizarea programului MATLAB și a aplicației Simulink. În prima etapă s-a realizat transpunerea modelului matematic în programul specializat MATLAB/Simulink și rezolvarea acestuia.
Prin utilizarea MATLAB s-au dezvoltat 3 aplicații cu interfață grafică pentru accesarea modelului creat în Simulink. Aplicațiile create au următoarele particularități:
Aplicația 1 – asigură posibilitatea modificării intensității radiației solare și a temperaturii de operare a acestuia și vizualizarea puterii maxime produse de PF și a curbelor caracteristice ale acestuia (IV, PV, PI);
Aplicația 2 – îmbunătățiri față de Aplicația1: dimensiunile panoului fotovoltaic, tensiunea de mers în gol, Voc, intensitatea curentului de scurtcircuit, Isc, și numărul de celule ale panoului, Nr cel.
– număr nelimitat de simulări pentru PF diferite.
Aplicația 3 – îmbunătățiri față de Aplicația2: rezolvă rutina din Simulink de 24 de ori, realizând un calcul orar precis, pentru fiecare simulare.
– informațiile sunt furnizate în mod indirect către rutina din Simulink, prin intermediul unei baze de date create într-un fișier Excel.
– setarea radiației solare și a temperaturii de operare a celulei se realizează în funcție de selecțiile utilizatorului din meniurile derulante pentru: Localitate, Orientare, Poziție panou, Inteval de evaluare și Înălțime clădire.
4.1. MODELAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE ÎN MATLAB/SIMULINK
În literatură există numeroase studii referitoare la modelarea funcționării panourilor (Patel et al, 2013; Acakpovi et al, 2013) și sistemelor fotovoltaice (Verma et al, 2013; Ahmad et al, 2013). Având în vedere specificul ecuațiilor recurente caracteristice PF (Pukhrem; Banu et al, 2015; Bellia et al, 2014), rezolvarea lor se realizează de cele mai multe ori cu programe de calcul precum MATLAB/Simulink (Sheik, 2011) sau LabVIEW (Koukouvaos et al, 2014).
Algoritmul creat rezolvă ecuațiile caracteristice pentru modelul PF “simplă diodă – cu Rs și RSH”. În exemplul prezentat s-a considerat un panou fotovoltaic alcătuit din 36 celule din siliciu policristalin legate în serie, cu următoarele caracterisitici, obținute în condiții standard de testare (STC: 1000 W/m2, T = 25 șC, AM = 1.5):
PMPP = 30 Wp; VMPP = 17,2 V; IMPP = 1.74 A; Voc = 21.6 V; Isc = 1.94 A;
Realizarea modelului numeric
Modelul matematic al funcționării panourilor fotovoltaice, Ec. 1-9, este implementat în mediul de simulare Simulink, sub formă de blocuri interconectate. Blocurile utilizate sunt de tip: constante, semnale tip treapta sau rampă, blocuri pentru afișaj grafic și operatori matematici. Pentru obținerea unui model stabil s-a realizat împărțirea modelului creat în secțiuni astfel:
– date de intrare: G, Top, Tnom, n, Voc, Isc, Rs, Rsh și VPV;
– modelul matematic al panoului fotovoltaic;
– date de ieșire: IPV, PPV.
Schema modelului are structura din Fig. 4.1. – Fig. 4.4.
Fig. 4.1. Date de intrare
Fig. 4.2. Date de intrare
Fig. 4.3. Date de ieșire
Fig. 4.4. Bloc pentru prelucrarea rezultatelor
Rezultate
Prin simulare s-au obținut curbele caracteristice de funcționare ale panoului fotovoltaic studiat. De asemenea, pe parcursul simulărilor se pot monitoriza toți parametrii calculați: I0, Iph, VT sau Ish. În figura 6 sunt prezentate graficele extrase pentru caracteristica U-I a panoului, variația puterii (P) în funcție de curent (I), respectiv de tensiune (U).
b) c)
Fig. 4.5. a) Caracteristica U-I a panoului fotovoltaic; Variația puterii panoului fotovoltaic în funcție de: b) intensitatea curentului electric c) tensiunea electrică
Se observă că simularile au un grad ridicat de precizie, puterea maximă a panoului rezultată fiind de 30 W, la valori apropiate de cele furnizate de producător: I = 1.8 A și U = 18 V. Simularea cu ajutorul aplicației Simulink reprezintă o soluție viabilă de evaluare a eficienței panourilor fotovoltaice și de verificare a funcționării acestora în diverse condiții exterioare.
4.2. APLICAȚIA 1
Modelarea în Simulink are un grad ridicat de precizie dar utilizarea aplicației și setarea parametrilor necesită un anumit nivel de cunoaștere a modalității de funcționare a programului. Prin urmare, în cadrul Aplicației 1 s-a realizat cu ajutorul softului MATLAB o interfață grafică pentru controlul modelului realizat în Simulink. Programul conține aproximativ 280 de linii de cod în MATLAB. Astfel, există posibilitatea modificării celor mai importanți parametri de funcționare ai unui panou fotovoltaic: intensitatea radiației solare și temperatura de operare a acestuia. Datele pot fi introduse manual, prin completarea casetelor „Radiatie solara selectata:„ și „Temperatura de operare a celulei:„ sau prin utilizarea butoanelor de tip cursor. Actualizarea datelor se realizează instantaneu în blocurile corespunzătoare din Simulink – Fig. 4.6. Celelalte informații specifice simulării sunt presetate în mediul Simulink.
Există aplicații simple de activare a modelelor din MATLAB dezvoltate de diverși cercetători în scopul (Belhaouas, 2013) estimării parametrilor, caracteristicilor sau a comportamentului electric al PF.
Fig. 4.6. Modificarea parametrilor din Simulink cu ajutorul Aplicației 1
Pornirea aplicației se realizează cu ajutorul butonului „Start„ și închiderea modelului din Simulink cu butonul „Inchide„. După realizarea simulării este afișată puterea maximă produsă de panoul fotovoltaic în condițiile impuse. Cu ajutorul acestei aplicații se obțin principalele curbe caracteristice ale panoului fotovoltaic, prin accesarea meniului derulant și selectând una din opțiunile: „Curba PV„ , „Curba IV„ sau „Curba PI„ (Fig. 4.7.).
Fig. 4.7. Determinarea curbelor caracteristice PF cu ajutorul Aplicației 1
4.3. APLICAȚIA 2
Cea de a doua aplicație prezintă o serie de opțiuni suplimentare comparativ cu Aplicația 1, dar și un număr de 740 de linii de cod. Astfel, în secțiunea „Informații panou fotovoltaic„ se pot seta dimensiunile panoului fotovoltaic, tensiunea de mers în gol Voc, intensitatea curentului de scurtcircuit Isc și numărul de celule ale panoului. Spre deosebire de Aplicația 1, se poate realiza un număr nelimitat de simulări pentru panouri fotovoltaice diferite.
În literatură există exemple asemănătoare, de utilizare a ghidului de creare a interfețelor grafice din MATLAB (Eteiba, 2013), atât pentru rutina creată în Simulink cât și folosind modelul celulelor fotovoltaice predefinite.
Fig. 4.8. Utilizarea Aplicației 2 – curbele caracteristice PV și IV pentru PF definit
Prin impunerea valorilor exacte ale radiației solare și ale temperaturii de operare a celulei se obțin rezultate complete referitoare la: Puterea maximă produsă Pmp, Curentul și Tensiunea la putere maximă, Eficiența panoului și Factorul de umplere FF. Rezultatele grafice sunt reprezentate de cele trei curbe caracteristice funcționării panourilor fotovoltaice (PV, IV și PI) – Fig. .4.8.
Fig. 4.9. Modelarea influenței radiației solare și a temperaturii PF asupra caracteristicii IV
Cu ajutorul butoanelor Imp și Pmax se pot marca pe graficele aferente punctele în care se obțin puterea maximă (Pmax) a panoului fotovoltaic și intensitatea curentului produs la putere maximă (Imp).
De asemenea, aplicația 2 permite realizarea de studii comparative prin varierea diverșilor parametri și compararea rezultatelor numerice și grafice (Fig. 4.9., Fig. 4.10.). Se poate realiza analiza variațiilor curbelor caracteristice pentru același panou fotovoltaic în diverse condiții sau pentru panouri fotovoltaice diferite.
Fig. 4.10. Modelarea influenței radiației solare și a temperaturii PF asupra caracteristicii PV
Rezultatele fiecărei simulări pot fi salvate numeric – cu ajutorul butonului „Export Excel” (Fig) sau grafic – cu ajutorul butonului „Save”.
Fig. 4.11.Extras din fișierul Excel generat
4.4. APLICAȚIA 3
Aplicația 3 permite, prin intermediul unei interfațe grafice complexe, simularea și evaluarea funcționării panourilor fotovoltaice. Rutina acestei interfețe, cu peste 2400 de linii de cod, rulează modelul din Simulink, de 24 de ori, realizând calculul orar, pentru fiecare caz în parte. De această dată informațiile sunt furnizate în mod indirect către rutina din Simulink. Astfel, se utilizează o bază de date creată într-un fișier de tip Excel, informații preluate din (MDRT, 2011). Aceasta a fost creată de așa manieră încât poate fi interpretată de MATLAB. Prin urmare, setarea radiației solare și a temperaturii de operare a celulei se realizează în funcție de selecțiile utilizatorului din meniurile derulante pentru: Localitate, Orientare, Poziție panou, Inteval de evaluare și Înălțime clădire.
Aplicația calculează temperatura de operare a celului utilizând informațiile preluate din baza de date (Govindasamy et al., 2003) cu următoarea formulă:
unde, Tcel – temperatura efectivă de operare a celulei (oC);
Text – temperatura ambientală (oC) ;
G – intensitatea radiației solare (W/m2);
v – viteza vântului (m/s).
Fig. 4.12. Interfața grafică a Aplicației 3
Secțiunea „REZULTATE„ oferă o serie de informații foarte importante în scopul evaluării unui sistem fotovoltaic amplasat în condiții reale:
– puterea maximă produsă;
– intensitatea radiației solare la putere maximă;
– temperatura panoului fotovoltaic la putere maximă;
– temperatura exterioară la putere maximă;
– viteza vântului de calcul (funcție de înălțimea de montare);
– intervalul orar în care se înregistrează puterea maximă;
– energia maximă produsă zilnic de panou.
La rularea programului se obțin de asemenea informații referitoare la puterea, eficiența și factorul de umplere ale panoului atât în condiții standard de testare (STC) precum și în condițiile de putere maximă reală.
Interfața grafică oferă informații referitoare la puterea maximă realizată în intervalele orare din timpul zilei senine de vară. Studiile comparative se pot realiza pentru diverse sisteme sau panouri fotovoltaice amplasate în diferite localități, cu orientare și înclinare diferită.
Un element de noutate îl constituie opțiunea de răcire a panoului (Fig. 4.13.). Aceasta are importanță deosebită având în vedere influența temperaturii de operare a celulei asupra eficienței panourilor fotovoltaice și implicit asupra puterii electrice produse.
Fig. 4.13. Activarea opțiunii de răcire a PF
Prin bifarea căsuței corespunzătoare devine activă posibilitatea setării manuale temperaturii de operare a celulei, ceilalți parametri de mediu rămânând neschimbați (Fig. 4.13.). Opțiunea de răcire este în stadiu incipient, activarea ei reprezentând de fapt cu scăderea temperaturii panoului fotovoltaic până la valoarea stabilită. Ulterior se va dezvolta această opțiune astfel încât să se țină sema de bilanțul energetic complet în cazul răcirii cu agent caloportor cu parametri constanți.
Vizualizarea rezultatelor se realizează și din punctul de vedere al energiei electrice orare produse de panoul fotovoltaic pe durata unei zile, ca energie produsă cumulat sau ca Putere maximă unitară produsă.
4.5. STUDIUL FUNCȚIONĂRII PANOURILOR FOTOVOLTAICE FOLOSIND APLICAȚIILE PREZENTATE
În acest capitol se exemplifică utilitatea Aplicațiilor 2 și 3 prin realizarea unui studiu comparativ pentru amplasarea panourilor fotovoltaice în diverse condiții.
Studiul este realizat pentru un panou fotovoltaic policristalin, KC200GT – producător Kyocera care are următoarele specificații tehnice (Fig. 4.14., Fig. 4.15.):
Voc = 32.9 V;
Isc = 8.21 A;
Pmax = 200 W (+10% / -5%);
Vmpp = 26.3 V;
Impp = 7.61 A;
Nr celule = 54 buc;
Dimensiuni = 1425 mm x 990 mm.
Fig. 4.14. Datele tehnice ale panoului fotovoltaic studiat
Fig. 4.15. Curbele caracteristice în funcție de G și T furnizate de producător
Datele furnizate de producător sunt introduse în interfața grafică a aplicațiilor 2 și 3, astfel obținându-se curbele caracteristice din Fig. 4.16. – Fig. 4.18., precum și informațiile referitoare la puterea maximă, randamentul PF (Ef) sau factorul de umplere (FF).
Fig. 4.16. Curbele caracteristice ale panoului fotovoltaic studiat pentru radiație solară variabilă
Fig. 4.17. Curbele caracteristice ale panoului fotovoltaic studiat pentru temperatură variabilă
Fig. 4.18. Variația puterii în funcție de tensiune în STC și NOCT
Rularea aplicației 2, cu parametrii panoului fotovoltaic specificați de furnizor relevă o bună potrivire a modelului de simulare cu valorile parametrilor reali Tab. 1. Aplicațiile de simulare a PF trebuie întodeauna să fie verificate din punctul de vedere al potrivirii sau erorii dintre model și datele furnizate de producător (Chenni, 2007).
Tab. 1
Studiul comparativ este realizat în condițiile zilei senine de vară, respectiv luna iulie și amplasare a panoului fotovoltaic în localitatea Iași, poziția veriticală, pentru două orientări diferite: Sud-Est și Sud-Vest. De asemenea, pentru cazurile studiate se impune apoi reducerea temperaturii celulelor fotovoltaice la temperatură constantă (25 °C), menținând celelalți parametri neschimbați și sunt interpretate rezultatele.
Se observă, Tab. 2, că eficiența de conversie a PF în condiții standard de testare (STC) este de aproximativ 14.19 % în timp ce în condițiile normale de funcționare, fără răcire atinge 12.33 % pentru orientarea S-E și 11.64 % pentru orientarea S-V. Introducerea răcirii determină o ameliorare a randamentului până la valori de aproximativ 13.55 % pentru ambele cazuri studiate. Aceeași tendință se manifestă și în cazul randamentul mediu zilnic al PF.
Rezultatele studiului sunt centralizate în Tab. 2.
Tabel 2
Unde:
Temp_răcire (°C) – Temperatura PF în cazul răcirii acestuia;
P_max (W) – Puterea maximă produsă de PF;
G_max (W/m2) – Intensitatea radiației solare atunci când se obține P_max;
T_ext (°C) – Temperatura exterioară atunci când se obține P_max;
T_cel_max (°C) – Temperatura de operare a celulei atunci când se obține P_max;
Interval orar Pmax – Intervalul orar când se înregistrează P_max;
E_zi (Wh/zi) – Energia totală produsă de PF pe durata zilei senine de vară;
Rand_zi (%) – Randament zilnic:
– energia totală produsă zilnic de PF (Wh/zi);
– iradiația medie zilnică (Wh/m2zi);
S – suprafața PF (m2);
Ef_max_real (%) – Eficiența PF la P_max;
FF_max_real – Factorul de umplere al PF la P_max;
P_STC (Wp) – Puterea produsă de PF în condiții standard de testare (STC);
Ef_STC (%) – Eficiența PF în STC;
FF_STC – Factorul de umplere al PF în STC;
P_NOCT (W) – Puterea produsă de PF în condiții nominale de operare
(NOCT);
STC – Condiții standard de testare (G = 1000 W/m2, Tcel = 25 °C);
NOCT – Condiții nominale de operare (G = 800 W/m2, Taer = 20 °C,
v = 1 m/s, spatele PF – liber);
Taer (°C) – Temperatura aerului exterior;
v (m/s) – Viteza vântului.
Un alt indicator foarte important al panourilor fotovoltaice este factorul de umplere – FF (fill factor) cu valoarea 0.74 în condiții STC și valori cuprinse între 0.70 și 0.73 pentru cazurile studiate, cu valori mai mari în cazul răcirii PF.
Fig. 4.19. Variația zilnică a puterii maxime produse și a temperaturii PF pentru orientarea S-E
Fig. 4.20. Variația zilnică a puterii maxime produse și a temperaturii PF pentru orientarea S-V
Fig. 4.19. și Fig. 4.20. prezintă variația puterii maxime produse și a temperaturii de operare a PF studiat pe perioada unei zile. Se observă că puterea maximă produsă pentru orientarea S-E, 99.77 W, este superioară celei obținute pentru orientarea complementară, S-V, 96.74 W. Acest fenomen este datorat temperaturii de operare a celulelor PF în cele două situații. Astfel, deși intensitatea radiației solare G_max (Tab. 2) este superioară pentru orientarea S-V, 593.7 W/m2 în comaparație cu 578 W/m2 pentru S-E, se poate observa (Tab. 2) că temperatura celulelor fotovoltaice este de T_max = 45.28 °C pe S-E în timp ce pe S-V T_max atinge 57.32 °C.
De asemenea, în cazul orientării S-E, temperatura maximă a celulei se înregistrează în intervalul orar 11:00-12:00 iar puterea maximă este înregistrată în intervalul 09:00-10:00 la o temperatură redusă a celulei.
În cazul orientării S-V, T_max coincide cu temperatura maximă a celulei, determinată atât de intensitatea radiației solare, cât și de variația zilnică a temperaturii exterioare Fig. 4.21.
Fig. 4.21. Variația zilnică a temperaturii PF pentru orientările S-E și S-V și variația temperaturii aerului
În ceea ce privește producția de energie electrică, în Fig. 4.22. și Fig. 4.23. se prezintă energia orară produsă de panoul fotovoltaic studiat. Pentru ambele orientări se înregistrează cel puțin patru intervale orare în care se produc peste 80 Wh, în intervalul 09:00-12:00 pentru orientarea S-E și intervalul 14:00-18:00 pentru orientarea S-V. Având în vedere că se realizează un calcul orar, se remarcă valorile energiei orare produse care sunt egale numeric cu puterea maximă produsă pe timpul aceluiași interval orar.
Fig. 4.22. Energia electrică orară produsă de PF – Orientare S-E
Fig. 4.23. Energia electrică orară produsă de PF – Orientare S-V
Atingerea vârfului de producție de energie electrică în diverse intervale orare poate reprezenta un criteriu foarte important în vederea realizării unui sistem fotovoltaic eficient. Optimizarea se poate obține dacă există un anumit grad de libertate în alegerea orientării și înclinării PF.
Referitor la energia produsă cumulat pe durata unei zile, se înregistrează o valoare mai mare pentru amplasarea pe orientarea S-E a sistemului comparativ cu orientarea S-V, respectiv 647 Wh/zi față de 624 Wh/zi. Această diferență este determinată într-o anumită măsură și de temperatura PF.
Fig. 4.24. Energia electrică cumulată produsă de PF – Orientare S-E
Fig. 4.25. Energia electrică cumulată produsă de panoul fotovoltaic – Orientare S-V
Fig. 4.26. Variația zilnică a puterii produse de PF pentru cele două orientări în mod obișnuit și după aplicarea răcirii panoului până la 25 °C
Este cunoscut faptul că panourile fotovoltaice nu au o operare eficientă la temperaturi ridicate (Skoplaki & Palyvos, 2009). Pentru confirmarea acestei afirmații, în Aplicația 3 există posibilitatea setării temperaturii panoului fotovoltaic la diverse valori fixe. Astfel, următoarele rezultate sunt obținute în ipoteza reducerii temperaturii de operare a PF la 25 °C, în timp ce toți ceilalți parametri de mediu rămân neschimbați.
Se constată cu ușurință influența realizării răcirii asupra eficienței PF Fig. 4.26. În cazul orientării S-E creșterea puterii maxime produse este de la 99.77 W la 110.81 W iar pentru orientarea S-V de la 96.74 W la 112.77 W. Se confirmă faptul că panoul fotovoltaic este foarte influențat de temperatura de operare. Atunci când acesta are orientarea S-V, creșterea puterii maxime produse este de aproximativ 21.66 % față de cazul fără răcire. Pentru orientarea S-E creșterea este mai mică, de 11 %, deoarece diferența de temperatură între cazul real și cel cu răcire nu este la fel de mare.
Fig. 4.27. Energia electrică orară produsă de PF – Orientare S-E , cu răcirea PF la 25 °C
Fig. 4.28. Energia electrică orară produsă de PF – Orientare S-V, cu răcirea PF la 25 °C
Analiza energiei produse de PF în cazul răcirii Fig. 4.27. și Fig. 4.28. evidențiază o creștere a energiei orare produse pe aceleași intervale orare ca în cazul fără răcire cu cel puțin 10 Wh.
Fig. 4.29. Energia electrică cumulată produsă de PF – Orientare S-E, cu răcirea PF la 25 °C
Fig. 4.30. Energia electrică cumulată produsă de PF – Orientare S-V, cu răcirea PF la 25 °C
Energia cumulată pe durata zilei senine de vară, în cazul amplasării pe orientarea S-E este de 710 Wh, în creștere cu 9.7 % față de cazul fără răcire – Fig. 4.29. Pentru orientarea S-V a PF, energia zilnică este de 713 Wh, cu 14.3 % mai mare decât pentru panoul fotovoltaic la temperatură de operare normală – Fig. 4.30.
Prin urmare, cel puțin în cazul amplasării PF pe o fațadă sud-vestică se justifică realizarea unei răciri a acestui și utilizarea energiei termice în scopuri utile.
Fig. 31. prezintă curba de variație a puterii produse de PF în funcție de tensiune pentru cele două orientări studiate, în momentul puterii maxime înregistrate. Reducerea puterii produse prin conversie fotovoltaică în cazul orientării S-V este determinată de temperatura superioară a PF în acest caz, care influențează în mod direct tensiunea generată la bornele panoului Fig. 4.32.
BIBLIOGRAFIE
Herakovich C.T., (1998), Mechanics of fibrous composites, University of Virginia, John Wiley & Sons, Inc., United States of America.
Capitolul 7
CONCLUZII GENERALE. CONTRIBUȚII ORIGINALE. VALORIFICAREA REZULTATELOR
6.1. Concluzii generale
E
6.2. Contribuții originale
E
6.3. Valorificarea rezultatelor
Rezultatele doctorat au fost valorificate prin:
Lucrări publicate în reviste cotate ISI cu factor de impact (în număr de ):
Lucrări publicate în reviste BDI incluse în baze de date internaționale (în număr de 2):
Lucrări publicate în volume ale conferințelor și simpozioanelor internaționale (în număr de 4 ):
Lucrări publicate în volume ale conferințelor naționale (în număr de ):
Realizarea unor materiale didactice pentru disciplinele din programele de master ale Facultății de Construcții și Instalații din Iași.
BIBLIOGRAFIE
TOATE – octombrie – AN I
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Teza de doctorat [309190] (ID: 309190)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.