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