Stanowisko pomiarowe dachówki fotowoltaicznej

Jako przedmiot badań wybrano dachówkę fotowoltaiczną polskiego producenta, firmy Fotton, oznaczoną symbolem handlowym FTDS52 (przedstawioną na rys. 5.9), której dane techniczne zebrano w tabeli 5.1. Dachówka ta jest produktem najbardziej zbliżonym do tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, co umożliwi analizę porównawczą obydwu rozwiązań pod kątem ich parametrów użytkowych.

Tabela 5.1. Dane dachówki fotowoltaicznej Fotton FTDS52 (w warunkach STC) [76]

Parametr Symbol i jednostka Wartość

Moc maksymalna P_m [W] 52

Napięcie obwodu otwartego (jałowe) U_oc [V] 12

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej U_m [V] 9,8

Prąd zwarcia I_sc [A] 5,55

Prąd w punkcie mocy maksymalnej I_m [A] 5,3

Współczynnik temperaturowy prądu zwarcia Isc [mA/°C] 2,27

Isc [%/°C] 0,027

Współczynnik temperaturowy napięcia jałowego

_Uoc [V/°C] - 0,034

_Uoc [%/°C] - 0,285

Współczynnik temperaturowy mocy _P [%/°C] - 0,38

Sprawność ogniw PV c [%] 20

Sprawność panelu _p [%] 14,9

Wymiary ogniw PV szer. x wys. [mm] 125 x 125

Liczba ogniw PV w panelu N_s [szt.] 18

Rodzaj ogniw PV - monokrystaliczne

Wymiary panelu szer. x wys. x gr. [mm] 1196 x 420 x 30

Waga panelu m [kg] 7,4

51 Rys. 5.9. Dachówka fotowoltaiczna FOTTON FTDS52 [76]

W skład prezentowanej dachówki FOTTON FTDS52 wchodzi pięć głównych warstw (pokazanych na rys. 5.10), takich jak:

 szkło: frontowa szyba fotowoltaiczna jest wykonana z białego szkła o obniżonej zawartości tlenku żelaza, charakteryzującego się dużą przepuszczalnością światła słonecznego (w granicach 80 – 95%), o powierzchni równej, płaskiej, gładkiej i samoczyszczącej; dodatkowo hartowanie szkła podnosi poziom bezpieczeństwa użytkowania oraz wytrzymałości mechanicznej szyby [19, 161],

 folia EVA (kopolimer etylenowy polioctan winylu, ang. Ethylene Vinyl Acetate):

warstwa folii EVA otaczająca ogniwa PV pozwala na ich trwałe przytwierdzenie z innymi warstwami modułu fotowoltaicznego (szkła, laminatu) oraz zapewnia właściwą izolację elektryczną ogniw; folia EVA charakteryzuje się dużym stopniem adhezji i kohezji, odpornością na działanie wody i wilgoci, wysoką wytrzymałością na rozciąganie, dobrą dźwiękochłonnością i doskonałą przezroczystością oraz niwelacją nierówności szyby; dzięki zastosowaniu specjalnych stabilizatorów (tzw. wysokich transparentów) folia cechuje się podwyższoną odpornością na promieniowanie UV oraz wysokim współczynnikiem transparentności wynoszącym ponad 91% [66],

 ogniwa PV: wykonane z krzemu monokrystalicznego o grubości 0,225 mm i rozmiarze 125x125 mm [76],

 spodni laminat DuraShield KPE: składa się z trzech elementów: PVDF (ang.

Polyvinylidene Fluoride, termoplastyczny polimer fluorowy polifluorek winylidenu o wysokim stopniu krystalizacji), folii EVA oraz PET (ang. Polyethylene terephthalate, termoplastyczny polimer z grupy poliestrów tereftalan etylenu)

52 cechujący się najniższą pojemnością cieplną wśród poliestrowych tworzyw sztucznych; laminat DuraShield KPE zapewnia dodatkową ochronę przed wilgocią oraz warunkami atmosferycznymi ogniw PV, jak również właściwą izolację elektryczną, ochronę mechaniczną, cieplną i chemiczną [150, 165, 193].

Cały moduł fotowoltaiczny badanej dachówki ma grubość ok. 5,5 mm i jest umieszczony w metalowej ramie o grubości 30 mm, dzięki której możliwy jest łatwy montaż dachówek na dachu budynku. Z uwagi na mały rozmiar ramy, w stosunku do wielkości samej części czynnej dachówki, nie jest ona brana pod uwagę, co nie będzie miało większego wpływu na odpowiedzi temperatury. Także metalowe ścieżki łączące poszczególne ogniwa PV, z uwagi na ich stosunkowo mały rozmiar w porównaniu z całą dachówką, zostały pominięte w rozważaniach [151, 193].

Rys. 5.10. Przekrój dachówki fotowoltaicznej FOTTON FTDS52 [76]: A – szkło, B – folia EVA, C – ogniwo PV, D – laminat KPE

Dachówka PV, oprócz generacji prądu elektrycznego, zapewnia właściwą wytrzymałość oraz hydroizolację jak tradycyjne pokrycie dachowe. Jej wymiary pozwalają na umieszczenie jej na konstrukcji dachu pomiędzy dachówkami ceramicznymi (zastępuje ona pięć tradycyjnych dachówek). Zgodnie z zaleceniami producenta dachówek PV, należy zastosować tradycyjne pokrycie dachowe o szerokości minimum 0,5 m od krawędzi bocznych dachu oraz co najmniej jeden rząd przy kalenicy i okapie (na górze i dole) dachu.

W celu wyznaczenia podstawowych parametrów badanej dachówki fotowoltaicznej została wykonana przez autora rozprawy konstrukcja dachowa, tak jak to przedstawiono

53 na rysunku 5.11. Zbudowany fragment dachu składał się z krokwi, łat oraz folii dachowej bez ocieplenia.

a) b)

Rys. 5.11. Stanowisko pomiarowe do wyznaczenia podstawowych parametrów dachówki fotowoltaicznej FOTTON FTDS52: a) widok instalacji z zewnątrz, b) widok dachu od strony tylnej (wnętrza budynku)

Zaprezentowana konstrukcja dachowa jest jedną z najczęściej spotykanych w Polsce, dlatego też pozwala na odzwierciedlenie rzeczywistych warunków, w jakich mogłyby pracować instalacje fotowoltaiczne montowane w polskich dachach. Instalacja pracuje w środkowej części kraju (miejscowość Skarbki o współrzędnych geograficznych GPS:

52°8’N, 18°30’E), a dach jest nachylony pod kątem  = 37° do powierzchni ziemi i skierowany na południe (kąt azymutu θ = 0°).

Kąt nachylenia dachu został wybrany w celu zapewnienia optymalnych całorocznych warunków pracy ogniw PV w wybranej lokalizacji, zgodnie z danymi literaturowymi [69, 122], dostępną metodologią jego wyznaczania [122] oraz przeprowadzonymi badaniami własnymi autora rozprawy zamieszczonymi w pracy [47]. Wybrana wartość kąta nachylenia dachu mieści się także w przedziale wymaganych i budowanych w Polsce dachów domów z uwagi na panujący klimat oraz występujące opady deszczu i śniegu oraz występujące obciążenia konstrukcji (30 – 45°), wymagania montażowe producentów pokryć dachowych oraz warunki zawarte w miejscowych planach zagospodarowania przestrzennego organów wydających pozwolenia budowlane (35 – 40°) [25].

Badania były prowadzone w wybrane dni w latach 2013 – 2014, z wykorzystaniem wielokanałowego rejestratora cyfrowego [77]. Przedstawione stanowisko pomiarowe pozwoliło na pomiar i archiwizację następujących danych: wartości prądu (I [A]), napięcia (U [V]) i mocy (P [W]) oraz temperatury powierzchni dachówki (Ttile [°C]). Dodatkowo

54 pomiarowi podlegała gęstość mocy promieniowania słonecznego (E [W/m²]), temperatura powietrza (T_amb [°C]) i prędkość wiatru (v [m/s]).

Rys. 5.12. Schemat rozmieszczenia czujników systemu pomiarowego dla badanej dachówki fotowoltaicznej

W skład systemu pomiarowego, którego rozmieszczenie czujników przedstawiono na rysunku 5.12, wchodzą:

 dachówka fotowoltaiczna Fotton FTDS52,

 rejestrator 20-kanałowy Graphtec GL800,

 czujniki temperatury Pt100,

 cęgi prądowe,

 rezystory stanowiące obciążenie (niezbędne do zdjęcia charakterystyki prądowo-napięciowej dachówki solarnej i wyznaczenia parametrów w punkcie maksymalnej mocy MPP),

 anenometr,

 pyranometr Kimo CR100,

 komputer PC.

System pomiarowy został wykonany w terenie otwartym zgodnie z odpowiednimi warunkami pracy, takimi jak np. opady czy temperatura. Szczegółowe dane poszczególnych podzespołów systemu zebrano w punkcie 6.3 rozprawy.