CAP.1 PANOURI HIBRIDE FOTOVOLTAICE(PVT)
Tendina de integrare n cldiri a panourilor fotovoltaice a condus
nu numai la studierea i obinerea unei configuraii optime a
panourilor fotovoltaice dar i la creterea eficienei acestora cu
efecte minime de nclzire a cldirilor.n aplicaiile realizate pn n
prezent a fost semnalat influena negativ a creterii temperaturii
celulei n funcionarea panoului PV, prin scderea randamentului de
conversie. Acest fenomen a stat la baza conceptului de panou hibrid
fotovoltaic-termic (PVT).
PRINCIPIUL DE FUNCIONARE I CARACTERISTICI
Principiul de funcionare a unui panoului hibrid PVT este dat de
rcirea feei posterioare a panoului fotovoltaic prin circulaia unui
fluid, aer sau ap, i preluarea cldurii de ctre fluid n scopul
condiionrii interiorului cldiri sau prenclzirii apei menajere. Prin
rcirea produs, funcionarea panoului PV este mai eficient iar cldura
preluat prin circulaia fluidului reprezint un plus de energie
(termic). Avantajele unui panou hibrid PVT sunt:
Reducerea spaiului de amplasare prin combinarea a dou panouri,
panou fotovoltaic i captator solar;Estetica integrrii n acoperi
privind uniformitatea acestuia;Reducerea costurilor de realizare i
de instalare;Scderea temperaturii celulei i creterea randamentului
electric.Pn n prezent au fost studiate i aplicate dou tipuri de
panouri hibride PVT:Panoul fotovoltaic combinat cu captator solar
pentru nclzirea aeruluiAceste panouri pot fi integrate n faadele
sau acoperiurile cldirilor cu asigurarea unei ventilaii naturale
sau mecanice a feei posterioare a celulelor fotovoltaice.Figurile
II.3.3.1.1 i II.3.3.1.2 prezint schematic un panou hibrid PVT
pentru aer cald respective imaginea admisiei aerului rece ntr-un
panou PVT.2. Panoul fotovoltaic combinat cu captator solar pentru
ap cald; n acest caz reprezentat schematic n figura II.3.3.1.3,
celule fotovoltaice sunt amplasate pe placa absorbant.
Fig.II.3.3.1.3. Schema de prenclzire a apei cu un panou PVT
I. APLICAII ALE PANOURILOR HIBRIDE PVT
ncepnd din anul 1991, n Israel, firma "Chromagen" a studiat i
realizat panouri PVT, cel mai comercializat fiind captatorul solar
plat pentru ap cald cu celule fotovoltaice integrate pe placa
absorbant. Iniial firma "Chromagen" a testat acest tip de panou
hibrid n cteva localiti din Israel pentru producerea de energie
electric i ap cald pentru locuine private, ulterior fiind acceptat
i denumit "Multi Solar System". Acest sistem poate funciona
conectat la reea sau independent i are urmtoarele
caracteristici:-suprafa de captare de 4,64 m2 (minim 2
module);-energie termic de 1,5 kWh/m2;-energie electric de 0,4 0,8
kWh/m2;-preul de 1940 USD/m2. n mod similar, panouri hibride PVT cu
colectoare solare plate i celule fotovoltaice integrate pe absorber
au fost dezvoltate i de dou companii germane "SolarWerk" i
"SolarWatt". Realizat n colaborare cu "Institut fur
Solarenergiforschung" din Hameln, Germaniai compania "SolarWerk"
panoul hibrid "Spectrum" are o suprafa de captare de 2,2 m2 ipoate
fi instalat cu dubl funcionare: conectat la reea sau ca sistem
independent. Conform informaiilor oferite de SolarWerk Homepage,
figura 2 prezint imaginea panoului hibrid PV/T "Spectrum".Fig.2
Panou hibrid PV/T "Spectrum". Preluare de la SolarWerk Homepage
componen un modul fotovoltaic cu o suprafa de captare de 1,92 m2
ce poate funciona conectat la reea sau ca sistem independent.
Faada dubl, acoperit la exterior cu module fotovoltaice,
reprezint un elementmultifuncional de integrare n cldiri,
caracterizat fiind prin trei aspecte principale:producerea de
electricitate, nclzire a aerului i iluminat natural. Prima cldire
european, amplasat n Matar, avnd o structur ventilat a faadei
duble, sticl - module fotovoltaice, a fost proiectat pentru a
ndeplini cele trei aspecte menionate mai sus. Proiectele europene
dezvoltate n aceast direcie au avut ca scop mbuntirea randamentului
termic al sistemului hibrid i creterea temperaturii la ieirea din
sistem prin cuplarea elementelor fotovoltaice ventilate la elemente
solare de nclzire proiectate special.Un astfel de exemplu este cel
al faadei cldirii Matar Library n care au fost integrai 225m2 de
module fotovoltaice pe o nlime de 6,5m. Cldura preluat prin
ventilarea modulelor fotovoltaice este transmis ctre 60m2 de
captatoare solare termice pentru aer cald situate n partea
superioar a faadei.Bente Engsig a prezentat cazul unui panoul
hibrid PVT studiat de o echip de specialiti n domeniu i pus n
practic n Elveia, cu ocazia inaugurrii n luna octombrie a anului
1995 a halei de asamblare TH89 din Sarnen Valley. Considerat la
acea vreme, ca fiind cea mai semnificativ integrare fotovoltaic
ntr-o cldire din Europa, hala de asamblare deine un generator
fotovoltaic cu 400 de panouri fotovoltaice instalate pe acoperi,
avnd o suprafa total instalat de 887 m2 i o putere de vrf de 94
kWp.Configuraia acestui generator fotovoltaic este caracterizat de
20 de iruri (10 pozitive, 10 negative) de module fotovoltaice
conectate n paralel la un invertor de 350 V c.a., racordat la reea.
Fiecare ir are n componen cte 20 de module fotovoltaice.Datorit
nclzirii celulelor solare a fost creat un sistem de ventilaie a
panourilor PV, cuun debit constant de aer, rcirea panourilor
realizndu-se printr-un proces de convecie liber. n acest caz,
admisia de aer se face din exterior prin centrul acoperiului, aerul
cald fiind preluat de o pomp de cldur i debitat n interiorul halei
de asamblare. n vederea optimizrii funcionrii pompei de cldur,
sistemul de circulaie a aerului ofer posibilitatea stocrii energiei
termic prin intermediul a trei rezervoare tampon. Particularitatea
acestui sistem hibrid PVT este dat de completarea energiei termice
obinute prin procesul de ventilare cu energia geotermal obinut prin
intermediul a 60 de sonde geotermale. n acest caz, au fost
diminuate costurilor investiiei prin utilizarea sondelor geotermale
ca elemente de rezisten a fundaiei halei. O staie central de
monitorizare i control nregistreaz datele ntregului sistem hibrid.
Figura 3 prezint schema de funcionare asistemului de rcire i de
preluare a aerului cald utilizat n cadrul sistemului solar hibrid
al halei de asamblare TH89 din Sarnen Valley.
Fig.3. Schema sistemului de rcire a panourilor PV i de preluare
a aerului cal Bente Engsig a inut cont n calculele de proiectare de
cteva considerente tehnice alesistemului hibrid:
Interconectarea panourilor fotovoltaice ale unui ir este
unidirecional cu debitul de aercirculat n sistem;Distribuia de
temperatur este aceeai de-a lungul panourilor fotovoltaice ale
celor 20 de iruri Toate irurile de panouri dezvolt aceeai tensiune
electric.Pentru prevenirea formrii de perturbaii aerodinamice la
nivelul circulaiei aerului a fostrealizat o configuraie special a
cutiei de conexiuni a panoului fotovoltaic. Aceste cutii,amplasate
pe partea posterioar a panourilor fotovoltaice conin i diode
speciale de protecienecesare evitrii efectelor de umbrire a
panourilor PV. n funcie de valoarea intensitii radiaiei solare,
temperatura aerul preluat prin ventilareapanourilor PV poate fi
regsit n intervalul 5 20 C. De asemenea, s-a constatat o scdere
cu10 C a temperaturii panourilor PV.
II.MODELE DE ANALIZ A PANOURILOR PVT Modelul de calcul a
temperaturii de stagnare a fost elaborat i prezentat de Zondag
n[14] i studiat de Vries n [15]. Modelul a rezultat ca o consecin a
creterii semnificative atemperaturii elementului laminat al unui
modul PV n cazul integrrii acestuia n interiorul unuicaptator solar
pentru ap cald, mai ales n condiii de stagnare n care nu se
realizeazrecircularea apei prin registrul captatorului (debit nul).
n figura II este reprezentat schematic seciunea transversal
printr-un panouhibrid PVT (modul PV laminat captator solar pentru
ap cald).
Fig.4.Schema panoului hibrid PVT seciune transversalZondag a
definit n [14] temperatura de stagnare ca fiind temperatura cea mai
redus pentrucare randamentul este nul. Pentru a demonstra aceast
afirmaie, au fost nregistrate dateinstantanee n diferite locaii
pentru parametrii urmtori: - densitatea de putere radiant; -
temperatura cerului; - temperatura ambiant; viteza vntuluin cadrul
experimentului, doi senzori de temperatur de tip Pt-100 au fost
amplasai pe parteafrontal respectiv pe cea posterioar a elementului
PV laminat. Figurile urmtoare 5 i 6 prezint rezultatele
nregistrrilor realizate deZondag.
Fig.5 Temperatura de stagnare nregistrat n ziua de 29 iulie
2002. Preluare din [14]
Fig.6 Variaia densitii de putere radiante pe o suprafa nclinat
la 45 i a temperaturii ambiante n aceeai zi, pentru diferite
locaii. Preluare din [16]
Conform prezentrii lui Zondag n [14], temperatura elementului PV
laminat se poatedetermina dup integrarea ecuaiei (3.4.1.1.) : U A +
mc p , apa a IA + U LTa A + mc pTin IA + U LTa A + mc pTin exp
LTPVT = T0 at + c p MU L A + mc pU L A + mc p
Rezult astfel relaia timpului constant:
T= c p M U L A + mc p , apa
Cu ajutorul relaiei (3.3.1.3) Zondag a determinat un timp
constant de 2,3 minute pentruun debit de 75 l/or i de 30-60 minute
n condiii de stagnare. n completarea modelului static de
determinare a temperaturii de stagnare Zondag a elaborat un model
dinamic de calcul pe baza ecuaiilor de bilan termic la nivelul
panoului hybrid
PVT. n acest caz, ecuaiile bilanului termic sunt:
Tinvelis = qradiatie + qspatiu , aer qcer qvnt tunde: C =
Vsticla C Psticla sticla TPVsticla = ( el )G q PVabs qrad qcanal
aer tunde: C = Vsticla C Psticla cupru + VEVAC P ,EVA EVA + VsiC P
,Si SiDup verificarea experimental, Zondag a constatat dezvoltarea
unei temperaturi de 130,4C n condiii de stagnare pentru densitatea
de putere radiant de 1000 W/m2, temperature ambiant de 30C,
temperatura cerului de 15C i viteza vntului de 1.Este foarte
important cunoaterea temperaturii de stagnare deoarece
pentrutemperaturi mai mari de 135C exist posibilitatea apariiei
delaminrii celulelor fotovoltaice.Conform standardului IEC 61215,
asigurarea performanei fotovoltaicelor laminate necesit rezistena
acestora la temperatura de 85C, n ciclu termic, n condiii de
umezeal.
MODELULUI CURGERII BILATERALE PRINTR-UN PANOU HIBRID PVT
Prototipul modelului de curgere bilateral printr-un panou hibrid
PVT, propus i studiat de Zondag n [16], este realizat dintr-un
modul PV semitransparent din siliciu amorf laminat ntre dou foi de
sticl i combinat cu un captator solar. Totodat a fost conceput un
model numeric combinat, optic-termic cu ajutorul cruia au fost
studiate performanele prototipului. Cu modelul numeric optic a fost
calculat absorbia n fiecare strat al modelului n funcie de reflexia
, transmisia i absorbia net pentru fiecare strat. Modelul numeric
termic a fost dezvoltat pentru determinarea randamentului termic al
prototipului. Pentru simularea curgerii bilaterale prin canal,
panoul PVT a fost mprit n trei segmente distincte, iar pentru
fiecare segment a fost rezolvat bilanul termic. Deoarece
temperaturile din canalul principal i cel secundar au fost
influenate n mod reciproc, bilanul termic al ntregului panou a fost
rezolvat n mod iterativ. n urma studiilor realizate, Zondag a
demonstrat n [16] c randamentul electric al modelului de curgere
bilateral PVT este mai mic cu 15% fa de randamentul elementului PV
laminat n funcionare independent. Aproximativ 5% din pierderile de
randament au fost datorate absorbiei n sticl i n straturile de ap
din apropierea elementului PV laminat. Restul pierderilor de 10% au
fost datorate reflexiei fa de sticl i fa de straturile de ap.
Modelul experimental studiat de Zondag n [16],a fost realizat
dintr-un modul PV semitransparent din siliciu amorf, laminat ntre
dou foi de sticl de 600 x 1000m2. Pentru acoperirea canalului de
curgere au fost folosite dou foi de sticl de grosime de 8 mm cu
transparen ridicat n domeniul radiaiei vizibile i UV. Zondag a
observat faptul c foile de sticl avnd o greutate de 10kg pot
exercita o presiune suplimentar asupra canalului de curgerea, prin
urmare acestea pot fi nlocuite cu foi de plastic cu caracteristici
apropiate. Canalul de curgere avnd o grosime de 3 mm i realizat din
aluminiu a fost proiectat pentru o bun funcionare n condiii de
temperatur de 85C, presiune de 0,2MPa, debit de curgere de 30 l/m3
i factor de siguran 2. ntregul ansamblu a fost introdus ntr-o cutie
de aluminiu cu un geam de acoperire la suprafa, ansamblul fiind
asemntor unui captator solar. Figura 7 prezint schema modelului de
curgere bilateral printr-un panou PVT. Fig.7 Schema modelului de
curgere bilateral printr-un panou PVT
Expresia randamentului termic al unui panou hibrid PVT utilizat
de Zondag n studiul su este similar cu cea a unui captator solar:=
mc p (Ties Tin ) AG pvunde:
A-suprafaa de captarem-masa fluidului calorific cp- cldura
specific la presiune constant a fluidului calorificTies-
temperatura fluidului la ieirea din panouTin- temperatura fluidului
la intrarea n panouGpv- densitatea de putere radiant msurat cu un
piranometru n funcie de coeficientul pierderilor de cldur U i de
randamentul termic 0 specific unei temperaturi de intrare a
fluidului calorific egal cu temperatura ambiant rezult randamentul
termic al panoului PVT: = 0 UT *unde:
Tin Ta G pvDin ecuaiile (1.38), (3.39) i (3.40) Zondag a dedus
coeficientul de pierderi de cldur, U:U=mc p Tin T ies A Tin Ta
Pentru validarea modelului propus n [16], Zondag a realizat
msurtori n condiii exterioare de mediu avnd urmtoarele
caracteristici-nclinare de 45 a panoului PVT-debit de fluid
calorific de 30 l/or-viteze ale vntului mai mici de 2m/s-valori ale
densitii de putere radiante mai mari de 750 W/m2 -temperaturi
stabilizate (T