WARUNKI PRACY PANELI FOTOWOLTAICZNYCH WYKONANYCH W SYSTEMIE ŚCIANY WENTYLOWANEJ

Transkrypt

1 CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIII, z. 63 (3/16), lipiec-wrzesień 2016, s Dominika KNERA 1 Dariusz HEIM 2 WARUNKI PRACY PANELI FOTOWOLTAICZNYCH WYKONANYCH W SYSTEMIE ŚCIANY WENTYLOWANEJ Najnowsze wymagania dotyczące budynków nisko i niemal zero energetycznych wymagają zastosowania odnawialnych źródeł energii w ramach budynku lub jego najbliższego otoczenia. Przedmiotem pracy jest analiza warunków pracy paneli fotowoltaicznych zamontowanych w systemie fasady wentylowanej. Przeanalizowano dwie fasady fotowoltaiczne, wschodnią i zachodnią, które zostały wkomponowane w elewację budynku znajdującego się w środowisku miejskim. Badane fasady stanowią zewnętrzną warstwę ścian eksperymentalnych zaprojektowanych dla budynków zero energetycznych. Obie ściany zostały zbudowane w ramach polskoniemieckiego projektu GPEE na temat efektywności energetycznej budynków. Analiza została przeprowadzona dla danych pomiarowych uzyskanych z mierników prądu stałego, czujników temperatury umieszczonych na panelach i stacji meteorologicznej, w której rejestrowano między innymi temperaturę powietrza, kierunek i prędkość wiatru oraz promieniowanie słoneczne docierające zarówno na powierzchnię poziomą jak i pionową, wschodnią i zachodnią. Badania przeprowadzono dla wybranego tygodnia w maju, który charakteryzował się wysokim natężeniem promieniowania słonecznego i temperaturą powietrza utrzymującą się na poziomie około 20 C. Analizując otrzymane dane zaobserwowano, że działanie promieniowania bezpośredniego przy bezchmurnym nieboskłonie wpływa na wzrost temperatury paneli do ponad 60 C przy temperaturze powietrza nieprzekraczającej 20 C. Przy tak wysokiej temperaturze produktywność fasady fotowoltaicznej znacznie spada. Najwyższą moc chwilową zaobserwowano w pierwszej fazie operowania słońca na daną fasadę, przy wysokim natężeniu promieniowania i umiarkowanej temperaturze paneli fotowoltaicznych. Słowa kluczowe: fasada fotowoltaiczna, panele CIS, temperatura paneli PV, natężenie promieniowania, dane pomiarowe, system autonomiczny 1 Autor do korespondencji / corresponding author: Dominika Knera, Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, ul. Wólczańska 213, Łódź; tel ; dominika.knera@p.lodz.pl 2 Dariusz Heim, Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, ul. Wólczańska 213, Łódź; tel ; dariusz.heim@p.lodz.pl

2 170 D. Knera, D. Heim 1. Wprowadzenie Zgodnie ze zmianami Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej w sprawie charakterystyki energetycznej budynków od roku 2021 wszystkie nowo budowane budynki powinny spełniać założenia budynków niemal zero-energetycznych [1]. Zapewnienie zapotrzebowania energetycznego budynku na tak niskim poziomie wymaga nie tylko wysokiej izolacyjności i szczelności obudowy budynku, ale również wykorzystania odnawialnych źródeł energii zintegrowanych z budynkiem lub znajdujących się w jego najbliższym otoczeniu. W rezultacie, zmienia się funkcja budynku z biernej, wykorzystującej energię dostarczaną, na aktywną, generującą energię na własne potrzeby. Biorąc pod uwagę dostępne odnawialne źródła energii najbardziej stabilnym dla budynku są panele fotowoltaiczne produkujące energię elektryczną pod wpływem działania promieniowania słonecznego. Możliwe jest zintegrowanie lub nałożenie paneli fotowoltaicznych niemal z każdym elementem budynku wystawionym na działanie promieniowania słonecznego, takich jak: dach, elewacja, balustrady lub elementy zacieniające. Energia elektryczna w systemach wykorzystujących panele PV jest produkowana tylko w ciągu dnia w trakcie obecności słońca na nieboskłonie. Zatem wykorzystanie ich w budynkach biurowych i użyteczności publicznej jest bardzo dobrym rozwiązaniem zwłaszcza ze względu na pokrywanie się zapotrzebowania na energię elektryczną z produkcją energii przez system fotowoltaiczny. W rezultacie, można otrzymać niemal zerowy roczny bilans energetyczny dla takiego budynku. Głównym celem artykułu jest analiza warunków pracy paneli fotowoltaicznych wykonanych w systemie ściany wentylowanej i zlokalizowanych w środowisku miejskim. Pomiary zostały wykonane dla dwóch eksperymentalnych ścian zewnętrznych zbudowanych w ramach polsko-niemieckiego projektu na temat efektywności energetycznej (GPEE). Założeniem projektu było opracowanie i zbudowanie ścian zewnętrznych spełniających wymagania budynków o niemal zerowym zapotrzebowaniu energetycznym. W tym celu została przeprowadzona wielopłaszczyznowa procedura optymalizacyjna uwzględniająca wpływ czynników ekonomicznych, środowiskowych i energetycznych [2, 3]. W rezultacie na istniejącym budynku zostały zbudowane i opomiarowane dwie ściany eksperymentalne, zlokalizowane na wschodniej i zachodniej elewacji. Obie ściany eksperymentalne zostały wyposażone w fotowoltaiczne fasady wentylowane. W poniższej pracy przedstawiono analizę wspomnianych fasad w wybranym tygodniu maja, charakteryzującym się wysokim natężeniem promieniowania. 2. Opis stanowiska badawczego 2.1. Budowa fotowoltaicznej fasady wentylowanej Analizowana fotowoltaiczna fasada wentylowana jest położona na 4 piętrze budynku Politechniki Łódzkiej, zlokalizowanego w środowisku miejskim. Fasa-

3 Warunki pracy paneli fotowoltaicznych wykonanych w systemie 171 da składa się z 8 paneli fotowoltaicznych ułożonych wokół centralnie położonego okna, jak widać na rysunku 1. Wybrane panele fotowoltaiczne zostały wykonane w technologii cienkowarstwowej CIS i charakteryzują się dobrą efektywnością przy niewysokiej cenie, ciężarem porównywalnym z typowymi panelami fasad wentylowanych, atrakcyjnym wyglądem i są ogólnie dostępne na rynku. W tabeli 1 podano parametry elektryczne indywidualnych paneli i całej fasady. System odbioru energii wygenerowanej przez panele został zaprojektowany, jako system autonomiczny bez możliwości przesyłu wyprodukowanej energii do sieci. Cała fasada fotowoltaiczna, jak pokazano na rysunku 2, została podzielona na dwie części: lewą i prawą, składające się z 4 paneli każda. Obie czę- Tabela 1. Podstawowe parametry elektryczne paneli i całej fasady fotowoltaicznej Table 1. Basic electrical parameters of panels and whole photovoltaic façade Parametr Panel CIS Fasada fotowoltaiczna Moc maksymalna 800 [Wp] 320 [Wp] Napięcie w punkcie mocy maksymalnej 35 [V] 70 [V] Natężenie w punkcie mocy maksymalnej 2,3 [A] 4,6 [A] Rys. 1. Zdjęcie fasady fotowoltaicznej Fig. 1. Picture of the photovoltaic façade Rys. 2. Schemat instalacji elektrycznej 1-miernik prądu stałego, 2-kontroler ładowania, 3- zestaw akumulatorów, 4-falownik Fig. 2. Scheme of the electrical installation 1-DC measurer, 2-charge controler, 3- bank of batteries, 4-inverter

4 172 D. Knera, D. Heim ści zostały podłączone do indywidualnych mierników prądu stałego i regulatorów ładowania, które przesyłały wygenerowany prąd do wspólnego zestawu akumulatorów. Ostatnim elementem instalacji elektrycznej był falownik, który zmieniał prąd stały powstający w panelach na prąd przemienny wykorzystywany przez odbiorniki. Schemat instalacji elektrycznej został przedstawiony na rysunku 2. Zgodnie z założeniami projektu zaplanowano, że energia z fasad fotowoltaicznych będzie zasilała urządzenia zapewniające odpowiednie warunki środowiska wewnętrznego w pomieszczeniach badawczych przylegających do ścian eksperymentalnych. Indywidualnymi odbiornikami została jednostka wentylacji fasadowej firmy TROX i oświetlenie składające się z 3 opraw typu LED firmy PHILIPS Stanowisko pomiarowe (miernik elektryczny, temperatury i stacja meteo) Fasada eksperymentalna jest dokładnie opomiarowana, zarówno ze względu na parametry prądy wygenerowanego przez panele fotowoltaiczne i ich temperaturę, jak również warunki meteorologiczne wpływające na jej pracę. Pomiar parametrów instalacji elektrycznej, takich jak natężenie i napięcie prądu oraz moc chwilową, jest wykonywany za pomocą mierników prądu stałego umieszczonych przed regulatorem ładowania. Takie umieszczenie mierników pozwala na zminimalizowanie w pomiarach wpływu efektywności instalacji i urządzeń elektrycznych. Pomiar prądu generowanego przez obie instalacje indywidualnie jest wykonywany, co 5 minut. Każda fasada posiada 64 czujniki temperatury umieszczone na panelach fotowoltaicznych, w przestrzeni wentylowanej i wewnątrz warstwy izolacji. Każdy z paneli jest opomiarowany za pomocą 2 czujników temperatury, co pozwoli na precyzyjne określenie temperatury powierzchni fasady i jej wpływu na produktywność instalacji fotowoltaicznej. Dane z czujników temperatury są zbierane z 5 minutowym krokiem czasowym. Dodatkowo na dachu budynku wyposażonego w ściany eksperymentalne umieszczono rozbudowaną stację meteorologiczną, dzięki której możliwe jest dokładne określenie warunków pracy fasady i wyjaśnienie zachodzących zjawisk. W stacji meteorologicznej znajduje się miernik wielofunkcyjny, który rejestruje temperaturę powietrza, wilgotność, ciśnienie oraz kierunek i prędkość wiatru. Zamontowano również deszczomierz i 4 sondy do pomiaru promieniowania słonecznego w różnych zakresach fali, UVA/UVB, VIS, IR, QUANTUM. Ponad to, prowadzony jest pomiar promieniowania całkowitego padającego na powierzchnię poziomą, rozproszonego i odbitego od gruntu. Ostatnia, bardzo ważną składową stacji są dwa pyranometry, zamontowane na pionowej powierzchni fasady wschodniej i zachodniej, służące do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię fasad fotowoltaicznych. Pomiar warunków meteorologicznych jest wykonywany co 1 minutę.

5 Warunki pracy paneli fotowoltaicznych wykonanych w systemie Wyniki badań 3.1. Charakterystyka analizowanego okresu Analizę warunków pracy paneli fotowoltaicznych wykonanych w systemie ściany wentylowanej przeprowadzono dla wytypowanego tygodnia w maju, którego warunki meteorologiczne są przestawione na rysunku 3. Wybrane dni, charakteryzują się nieboskłonem czystym lub z niewielkim zachmurzeniem, maksymalne natężenie promieniowania padające na powierzchnię paneli osiąga wartość około 250 W/m 2, a promieniowanie padające na powierzchnię poziomą przekracza 700 W/m 2. Ponadto, zarejestrowana temperatura powietrza wynosiła około 10 C w nocy, dzięki czemu panele fotowoltaiczne mogły się wychłodzić, i około 20 C w ciągi dnia, czyli poniżej temperatury STC (ang. Standard Test Conditions). I pozioma I pionowa elewacji wschodniej temperatura powietrza Natężenie promieniowania [W/m 2 ] Temperatura [ C] Czas [h] Rys. 3. Natężenie promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię poziomą i pionową elewacji wschodniej oraz temperatura powietrza w analizowanym okresie ( ) Fig. 3. Solar irradiation incident on horizontal and eastern oriented vertical surface as well as air temperature in analyzed period ( ) 3.2. Wpływ temperatury na pracę paneli w systemie ścian wentylowanych Na rysunku 4 pokazano wykres natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię fasady fotowoltaicznej wraz z temperaturą powierzchni paneli i temperaturą powietrza w analizowanym okresie czasu. Przedstawiony wykres dotyczy fasady wschodniej, zależności dla fasady zachodniej były zbliżone. Jak można zauważyć temperatura paneli znacznie rośnie ze względu na działanie promieniowania bezpośredniego, osiągając ponad 60 C przy temperaturze powietrza nieprzekraczającej 20 C. Ponadto, można zaobserwować, że profil zmian temperatury paneli jest zbliżony do profilu zmian natężenia promieniowania padającego na powierzchnię paneli. Wysoką temperaturę

6 174 D. Knera, D. Heim paneli odnotowano w ciągu dnia, od rana dla fasady wschodniej i po południu dla fasady zachodniej. Natomiast w ciągu nocy temperatura paneli była dużo niższa, na poziomie temperatury powietrza. Dodatkowo zaobserwowano wpływ promieniowania rozproszonego na wzrost temperatury paneli, ale na znacznie niższym poziomie. I pionowa elewacji wschodniej temperatura powietrza temperatura paneli Natężenie promieniowania [W/m 2 ] Temperatura [ C] Czas [h] Rys. 4. Natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię wschodniej fasady fotowoltaicznej oraz temperatura powietrza i powierzchni paneli w analizowanym terminie Fig. 4. The solar irradiance incident on surface of eastern photovoltaic façade as well as air and panel surface temperature in analyzed period Wykres na rysunku 5 przedstawia zależność mocy chwilowej fasady fotowoltaicznej od natężenia promieniowania padającego na powierzchnię paneli i ich temperatury dla przypadku fasady wschodniej. Nie zaobserwowano jednoznacznej zależności, co może być spowodowane różnymi warunkami pracy paneli w ciągu dnia. Przy niskim natężeniu promieniowania, charakterystycznym dla okresu wczesno porannego i wieczornego, oraz przy promieniowaniu bezpośrednim temperatura paneli jest niewysoka, ale moc chwilowa wygenerowana przez fasadę fotowoltaiczną jest również niska. Z drugiej strony przy wysokim natężeniu promieniowania występującym w ciągu dnia, ze względu na działanie promieniowania bezpośredniego, temperatura paneli znacznie rośnie, a moc maleje. Najlepsze parametry zanotowano w początkowym okresie działania promieniowania bezpośredniego na daną fasadę, kiedy natężenie promieniowania jest wysokie, a panele nie zdążyły się jeszcze nagrzać do 60 C.

7 Warunki pracy paneli fotowoltaicznych wykonanych w systemie Wnioski Rys. 5. Zależność mocy chwilowej 1m 2 fasady fotowoltaicznej wschodniej od natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię paneli i od ich temperatury Fig. 5. The dependence the instantaneous power of 1m 2 photovoltaic façade on solar irradiance incident on panel surface and its temperature W pracy przedstawiono warunki pracy paneli fotowoltaicznych wbudowanych w dwie ściany eksperymentalne, wschodnią i zachodnią, w trakcie wybranego tygodnia w maju, charakteryzującym się wysokim natężeniem promieniowania słonecznego. W ciągu dnia ze względu na działanie promieniowania bezpośredniego zaobserwowano znaczny wzrost temperatury paneli, osiągającej ponad 60 C przy temperaturze powietrza nieprzekraczającą 20 C. Przy tak wysokiej temperaturze produktywność paneli znacznie spada. Najwyższą moc chwilową zanotowano w pierwszej fazie operowania słońca na daną fasadę, przy wysokim natężeniu promieniowania i umiarkowanej temperaturze paneli. Niniejsza praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu pt.: Promowanie zrównoważonego podejścia do efektywności energetycznej w budownictwie jako narzędzia ochrony klimatu w miastach Niemiec i Polski: opracowanie technologii fasady dla potrzeb budynków o zerowej emisji (GPEE). Literatura [1] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. [2] Barecka, M., Zbiciński, I., Heim, D.: Life Cycle Assessment of zero- emission façade construction, materiały konferencyjne międzynarodowej konferencji Sustainable Building, vol. 5, p , GBCe, Barcelona, Madrid, [3] Szczepańska-Rosiak, E., Heim D.: An effect of wall thickness and window position on efficient daylight utilisation in building interiors, Technical Transactions. Civil Engineering, Vol. 2-B, pp , 2015.

8 176 D. Knera, D. Heim OPERATING CONDITIONS OF PHOTOVOLTAIC PANELS PERFORMED IN VENTILATED WALL SYSTEM S u m m a r y Recent requirements for low or nearly zero energy buildings requires usage of renewable energy sources integrated with building or in nearly surroundings. The aim of the paper is to analyze operating conditions of photovoltaic panels mounted as the ventilated facades system. Analyzed two facades photovoltaic, east and west, were located on the fourth floor of a building located in an urban environment. Studied facades are outer layer of the experimental walls designed for a zero energy buildings. Both walls were built in the framework of Polish-German project GPEE about energy efficiency of buildings. The analysis was conducted for the measurement data obtained from the DC current measurer, temperature sensors placed on the panels and weather station, which recorded, among others air temperature, wind direction and speed, as well as solar irradiation incident on both horizontal and vertical (eastern and western) surfaces. The study was conducted for the selected week in May, which was characterized by high intensity of solar radiation and air temperature holding at about 20 C. Analyzing the obtained data, it was observed that the effect of direct radiation by clear sky have influence on the increase of panels temperature to over 60 C at an air temperature not exceeding 20 C. Such high temperature significantly decreases photovoltaic facades productivity. The highest instantaneous power was observed in the first phase of operating the sun on a given facade, with high-intensity radiation and temperate photovoltaic panels. Keywords: photovoltaic facade, CIS panel, PV panel temperature, solar irradaition, measurement data, off-grid system DOI: /rb Przesłano do redakcji: r. Przyjęto do druku: r.