Zagadnienia związane z ogniwami fotowoltaicznymi są często poruszane w publikacjach naukowych, z uwagi na coraz większą popularność tego rodzaju odnawialnego źródła energii.
Z literatury wiadome jest, że wzrost temperatury pracy ogniw PV powoduje spadek wartości generowanego napięcia, a tym samym i uzysków mocy czy energii, co z kolei przekłada się na obniżenie sprawności konwersji fotowoltaicznej [147, 148, 159].
W pracy [147] autorzy wyznaczyli liniową zależność generowanej mocy od temperatury ogniw PV paneli i irradiancji oraz określili jej wykładniczą zależność od prędkości wiatru.
Zaproponowano także współczynnik zależności temperatury ogniw PV pracujących w elementach BIPV (na dachu płaskim, skośnym oraz umieszczone pionowo na ścianie budynku) w odniesieniu do elementów PV pracujących jako wolnostojące. Szerokiego przeglądu literatury dotyczącego różnych postaci równań algebraicznych, służących do wyznaczania sprawności i mocy ogniw PV w funkcji temperatury, dokonują autorzy w pracy [148]. Wyznaczyli oni również równania na wartość prądu zwarcia i napięcia obwodu otwartego ogniwa w funkcji irradiancji, temperatury otoczenia oraz ogniwa PV w powiązaniu ze współczynnikami zmian prądu i napięcia podawanymi w kartach katalogowych fotoodbiorników przez producentów. Linowe zależności temperatury ogniw PV od temperatury otoczenia potwierdzają także autorzy pracy [112].
Z całkowitej energii promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni fotoodbiornika aż 75% jest zamieniane (tracone) w postaci ciepła, 5 – 15% zostaje odbite od jego powierzchni, a tylko 10 – 20% jest przekształcane na energię elektryczną [18]. Ilość wydzielonego ciepła z tyłu panelu PV można skutecznie odebrać poprzez układy nazywane PV/T lub BIPV/T, czyli połączenie paneli PV z kolektorami słonecznymi. Płynąca ciecz lub gaz w układzie kolektora odbiera znaczną część ciepła generowanego przez ogniwa PV, tym samym poprawiając ich warunki termiczne. W ten sposób można poprawić sprawność generacji energii elektrycznej o kilka procent [6, 46, 50, 75, 166].
Autorzy prac [9, 10, 17] dokonują szerokiego przeglądu literatury związanej z technologią BIPV, zarówno pod kątem dostępnych rozwiązań technologicznych jak i konstrukcyjnych oraz perspektyw rozwoju. Jednak pomimo wprowadzenia ponad 30 lat temu technologii BIPV, nie zyskała ona tak dużej popularności jak tradycyjne rozwiązania paneli fotowoltaicznych, z uwagi na różne bariery techniczne, wyższe koszty inwestycyjne oraz brak wystarczającej liczby badań o czasie życia tych elementów. W rozwiązaniu tych problemów
33 mogą pomóc: specjalistyczne oprogramowania służące do oceny ryzyka i zagrożeń wynikających ze stosowania technologii BIPV, jak również specjalne przepisy prawne i mechanizmy wsparcia dla inwestorów opracowane przez odpowiednie władze dla tego rodzaju technologii [71].
Prowadzonych jest wiele badań dotyczących sposobów wentylacji paneli fotowoltaicznych (zintegrowanych z dachem lub ścianą), odprowadzania i wykorzystywania ciepła oraz jego wpływu na wydajność energetyczną instalacji. Autorzy w pracach [117, 141] wykazali, że dodanie kanału wentylacyjnego za panelami PV zwiększa ich efektywność generowania energii, a kluczowym parametrem okazała się głębokość tego kanału, czyli odległość pomiędzy dachem a tyłem panelu. Z przeprowadzonych w pracy [40] badań wynika, że optymalna wysokość szczeliny pomiędzy panelem a dachem wynosi około 0,125 m niezależnie od kąta nachylenia. Zastosowanie takiej odległości pomiędzy elementami przy naturalnej wentylacji pozwala obniżyć temperaturę panelu o 25°C. Przedstawiono w niej także rozkład i przepływ ciepła w otoczeniu panelu dla różnych konfiguracji montażu z wykorzystaniem modelowania CFD (numerycznej mechaniki płynów) [40]. W pracy [14]
wprowadzono uogólniony układ równań do modelowania pracy panelu PV w oparciu o zmienne parametry dla wyznaczenia optymalnych wartości wysokości kanału wentylacyjnego, kąta nachylenia i odległości pomiędzy otworami wentylacyjnymi z dużym poziomem dokładności. Wykorzystując modelowanie CFD inni naukowcy prezentują swoje wyniki badań dla różnych parametrów i scenariuszy montażu [13, 39, 148]. Ponadto prędkość przepływu wiatru w kanale wentylacyjnym wpływa na szybkość odprowadzania ciepła z ogniw PV. Zwiększenie tej prędkości z 1,37 do 3,43 m/s wykazało poprawę oddawania ciepła z 33 do 42% w badaniach opisanych przez autorów pracy [11], w których uwzględniono konwekcyjne i radiacyjne procesy wymiany ciepła.
Interesującą metodą pomiarów temperatury ogniw PV (zamiast stosowania termoelementów) jest wykorzystanie kamery termowizyjnej, za pomocą której autorzy pracy [176] wykazali różnicę temperatury ogniw PV pracujących w panelu wolnostojącym i rozwiązaniu BIPV typu szyba - szyba sięgającą 6°C, przy irradiancji wynoszącej ok. 900 W/m2.
Bardzo popularnym zagadnieniem wśród naukowców jest temat modelowania i symulacji parametrów ogniw fotowoltaicznych pracujących w różnych warunkach przy wykorzystaniu dostępnych komputerowych programów symulacyjnych, jak np. Matlab/Simulink czy SPICE.
Model elektryczny ogniwa PV jest odwzorowywany za pomocą jedno- lub dwu- diodowego schematu zastępczego, pozwalającego na wyznaczenie wartości prądów i napięć
34 generowanych przez ogniwa PV pracujące w różnych warunkach w oparciu o założone wartości parametrów [24, 129, 155].
W pracach [54, 84, 157, 173] autorzy proponują sposób wyznaczenia rezystancji i impedancji termicznej ogniw PV, niezbędnej do opracowania modelu termicznego poli- i mono- krystalicznych fotoogniw w środowisku SPICE [52, 53, 85].
Kolejną możliwością modelowania parametrów ogniw PV jest zastosowanie teorii prawdopodobieństwa i liczb kryterialnych (Nusselta, Prandtla, Grashofa, Rayleigha, Reynoldsa) w celu wyznaczenia właściwych parametrów informujących o procesach cieplnych zachodzących w rozpatrywanych elementach fotowoltaicznych [3, 4, 76, 154, 157, 175].
Opracowanie modelu termicznego stanowi istotny element w celu właściwego określenia liczby poszczególnych rodzajów ciepła docierającego i rozpraszanego w badanych układach, poprzez proces kondukcji, radiacji i konwekcji [5, 8, 16, 37, 56, 72, 75, 97, 98, 101, 154, 155, 172]. Istotne są także: rodzaj układu (otwarty lub zamknięty) oraz rodzaj przepływu wiatru (turbulentny, laminarny), determinujące ilość ciepła przepływającego w sposób konwekcyjny [1, 92, 93, 143]. Inny model termiczny proponują autorzy pracy [61] w oparciu o dane meteorologiczne dla różnych sposobów montażu instalacji PV i BIPV.
Na podstawie modeli elektrycznych i termicznych ogniw PV można wyznaczyć równanie opisujące temperaturę ogniw PV panelu [5, 37, 72, 154, 155]. Dla modułów PV opracowano także modele RC, pozwalające na wyznaczenie czasu odpowiedzi zmian temperatury ogniw pracujących w znanych warunkach [4, 106].
Istotę, z punktu widzenia elementów BIPV, stanowi ilościowe określenie ciepła pozostającego pod lub za nimi, zależnego od oporów cieplnych użytych materiałów i sposobu ich montażu oraz różnicy temperatur ośrodków, pomiędzy którymi dochodzi do wyrównania wartości temperatur [35, 144, 168]. Istotne są także warunki meteorologiczne oraz poprzedni stan, w jakim znajdował się rozpatrywany układ [8, 154, 155].
Optymalna odległość montażowa paneli nad dachem (0,125 m), w celu zapewnienia właściwego chłodzenia ogniw PV, może nie być możliwa do zachowania ze względów konstrukcyjnych budynku lub dostępnych na rynku systemów montażowych. Obecnie mało jest publikacji porównujących instalacje fotowoltaiczne montowane nad dachem z systemami zintegrowanymi z dachem. Badania takie prowadził autor pracy [56] na czterech różnych konstrukcjach dachowych w Wielkiej Brytanii. Wykazał on, że najwyższą temperaturę osiągnęły ogniwa PV zamontowane na drewnianych gontach na dachu w stylu amerykańskim, gdzie była najtrudniejsza wymiana ciepła, przez co ciepło wydzielane z tyłu panelu
35 dodatkowo podgrzewało ogniwa PV. Podobne badania prowadzili autorzy pracy [26]
w klimacie śródziemnomorskim, analizując trzy przypadki montażu paneli: 20 cm nad dachem, w dachu ze szczeliną wentylacyjną oraz w dachu bez tej szczeliny. Także wykazano wpływ sposobu montażu i szczeliny wentylacyjnej na wartość temperatur ogniw PV (ok. 10°C różnicy) i spadek ich wydajności (o ok. 5%). Porównanie otrzymanych wyników z różnych stref klimatycznych wskazuje na podobne zależności zachodzące pomiędzy temperaturą ogniw PV a ich produktywnością, jednak z różną intensywnością, zależną w głównej mierze od temperatury otoczenia. Jednakże autorzy powyższych prac w swych badaniach stosowali tradycyjne panele PV, a nie typowe elementy BIPV, jak np. dachówki fotowoltaiczne.
Inne istotne badania dotyczące tendencji, możliwości wykorzystania, wyznaczania temperatury i uzysków energii z technologii BIPV oraz ograniczeń ich stosowania można znaleźć w pracach [20, 32, 74, 96, 100, 108, 110, 111].
Barierą w rozpowszechnianiu się technologii BIPV jest brak potwierdzonych danych o ich wydajności zależnej od wielu czynników, na co wskazują autorzy prac [22, 56]. Jedyna możliwość chłodzenia i wietrzenia spodniej części dachówek fotowoltaicznych zachodzi poprzez powietrze znajdujące się w przestrzeniach pomiędzy listwami dachowymi. Wymiana ciepła zależy od rodzaju podłoża dachowego i izolacji termicznej dachu. W pracy [36]
autorzy potwierdzają również, że izolacja termiczna dachu wpływa na szybkość nagrzewania się i stygnięcia pomieszczenia. Z kolei konstrukcja dachowa nie może być kształtowana w dowolny sposób, gdyż podlega odpowiednim uwarunkowaniom prawnym związanym z prawem budowlanym obiektów.
Przedstawione w pracach [26, 49, 56] badania, dotyczące zmian temperatury ogniw PV w zależności od rodzaju konstrukcji dachowej, są jedynie propozycjami i wskazówkami do dalszych badań w różnych warunkach klimatycznych w celu dokładnego określenia wpływu podłoża dachowego na parametry elektryczne instalacji fotowoltaicznej zintegrowanej z dachem budynku, a stosowane mechanizmy i modele dla ogniw PV, składających się na tradycyjne panele fotowoltaiczne, mogą nie być wystarczające do dokładnego wyznaczenia wartości temperatury ogniw PV wchodzących w skład elementów BIPV.
36