7. Modelowanie dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z dachem
7.2. Zależność mocy wyjściowej i sprawności dachówek PV od rodzaju struktury
Z przeprowadzonych badań własnych oraz literatury wiadome jest, że wzrost temperatury ogniw PV wpływa znacząco w sposób odwrotnie proporcjonalny na napięcie obwodu otwartego, moc wyjściową generatorów PV oraz sprawność konwersji fotowoltaicznej.
W tabelach 7.7 – 7.9 zestawiono wybrane dane pomiarowe z kilkuletnich eksperymentalnych badań własnych autora rozprawy, na przedstawionym stanowisku pomiarowym oraz obliczone wartości mocy, sprawności i różnic pomiędzy dachami dobrze zaizolowanymi cieplnie (D1 i D3 – o dużych wartościach oporu cieplnego struktury dachowej RTH str) a dachem o słabej izolacji cieplnej (D2) potwierdzające wspomniane zależności.
Z przedstawionych w tabeli 7.8 wyników pomiarowych oraz obliczeń wynika, że wzrost temperatury dachówek PV (Ttile) jest zależny od rodzaju dachu, w jaki została ona wbudowana. Najwyższą temperaturę osiągają dachówki wbudowane w dach D1, o najwyższym oporze cieplnym, przez co wymiana z otoczeniem ciepła generowanego przez dachówkę PV i docierającego z energii Słońca jest najtrudniejsza i najmniejsza. Także powietrze znajdujące się w tej przestrzeni dachowej (Tgap) osiąga najwyższą wartość temperatury z badanych. Wyższe wartości temperatur wpływają na obniżenie wartości napięć jałowych generowanych przez dachówki PV (UOC), przy niewielkim wzroście wartości prądów zwarcia (ISC) (tab. 7.7). Skutkiem opisanych zmian parametrów dachówek PV jest spadek ich wydajności, wartości wygenerowanej mocy elektrycznej (P) oraz sprawności konwersji fotowoltaicznej (η), co zebrano w tabeli 7.9. Z przytoczonych w tabelach 7.7 – 7.9 danych można także zauważyć, że wraz ze wzrostem wartości irradiancji (E) maleje wartość napięć jałowych dachówek PV przy porównywalnych temperaturach otoczenia. Zaznacza się także silny wpływ temperatury otoczenia na temperaturę dachówek PV oraz napięcia jałowe przy zbliżonej irradiancji.
115 Tabela 7.7. Zestawienie danych pomiarowych instalacji fotowoltaicznych pracujących
na różnych konstrukcjach dachowych w latach 2014 – 2017
Lp. E
116 Tabela 7.8. Zestawienie danych pomiarowych temperatur dachówek fotowoltaicznych
pracujących na różnych konstrukcjach dachowych w latach 2014 – 2017
Lp. Ttile, D1
117 Tabela 7.9. Zestawienie wyników obliczeń mocy i sprawności instalacji fotowoltaicznych
pracujących na różnych konstrukcjach dachowych w latach 2014 – 2017
Lp. PD1
118 W wybrany (rekomendowany zgodnie z tabelą 6.2) dzień pomiarowy (19.05.2013 r.) panowały następujące warunki atmosferyczne: E = 459,89 W/m2, Tamb = 13,39°C, v = 3,6 m/s.
Badane instalacje dachowe wygenerowały odpowiednio moce: 57,09, 57,36 oraz 64,68 W dla dachów od D1 do D3, co przełożyło się na sprawności równe 9,93, 9,98 oraz 11,25 %.
Różnica w sprawności konwersji energii pomiędzy dachami D2 a D3 wyniosła 11,29%, natomiast pomiędzy D2 a D1 – 11,73%. Z kolei wartość wygenerowanych mocy z instalacji na dachu D3 była niższa o 11,32%, a na dachu D1 – niższa o 11,73% od mocy wygenerowanej z instalacji z dachu D2. Minimalne i maksymalne wartości napięć jałowych, generowanych mocy i uzyskanych sprawności dla trzech badanych instalacji zebrano w tabeli 7.10. W ostatniej kolumnie tabeli (oznaczonej jako ∆ [%]) wyznaczono procentową zmianę analizowanego parametru pomiędzy największą i najmniejszą wartością w danej grupie.
Tabela 7.10. Zestawienie minimalnych i maksymalnych wartości parametrów instalacji PV pracujących w analizowanych konstrukcjach dachowych
D1 D2 D3 ∆ [%]
η [%] min 7,18 8 7,47 10,25
max 11,78 12,13 11,82 2,89
P [W] min 7,98 8,07 8,02 1,12
max 119,98 127,25 120,7 5,71
UOC [V] min 28,25 28,62 28,48 1,29
max 32,72 33,55 33,22 2,47
Wybrano przykładowe dane pomiarowe oraz porównano wszystkie trzy konstrukcje dachowe lub tylko dwie (najbardziej i najmniej zaizolowaną cieplnie, czyli D1 i D2) w celu pokazania ogólnego trendu zmian analizowanych parametrów, dla których wykonano wykresy płaszczyznowe przy wykorzystaniu oprogramowania Statistica 13.3.
Obniżenie wartości generowanej mocy przez dachówki fotowoltaiczne, spowodowanej ich wyższą temperaturą osiąganą na różnych konstrukcjach dachowych potwierdzają wykresy przedstawione na rysunkach 7.10. Zaprezentowana płaszczyzna jest także bardziej wypukła dla dachu D2 w porównaniu z D3 i D1, dla którego jest najbardziej płaska (wypłaszczona).
Współczynnik kierunkowy przy zmiennej x we wzorze, według którego zostały narysowane przedstawione płaszczyzny, wskazuje na stopień nachylenia tej płaszczyzny do osi poziomych, czyli potwierdza niższe wartości uzyskiwanych mocy (dla D1 wynosi on 0,1525, dla D2: 0,1706, dla D3: 0,1556).
119 a)
b) c)
Rys. 7.10. Charakterystyki zmian mocy wyjściowej dachówek fotowoltaicznych w funkcji irradiancji i temperatury dachówek PV zintegrowanych z: a) dachem D2, b) dachem D1, c) dachem D3
Płaszczyzny mocy wyjściowej generowanej z dachów D1 i D2 w funkcji irradiancji i temperatury otoczenia mają zbliżony wygląd (rys. 7.11). Wyższa wartość oporu cieplnego dachu D1 RTH str D1 wpłynęła na niższą wartość mocy wyjściowej z badanej instalacji, co szczególnie uwidacznia się przy wyższych wartościach irradiancji i wyższej temperaturze otoczenia.
Podobną sytuację do zależności mocy wyjściowej od temperatury dachówek PV można zauważyć na wykresach mocy w funkcji irradiancji i temperatury powietrza w szczelinie dachowej (rys. 7.12). Szczególnie przy wyższych wartościach irradiancji wykreślona płaszczyzna mocy coraz mocniej opada wraz ze wzrostem temperatury powietrza w szczelinie. Natomiast dla dachu o małym oporze cieplnym D2 przy niskich temperaturach osiąga znacznie wyższą moc niż dla pozostałych konstrukcji.
120
a) b)
Rys. 7.11. Charakterystyki zmian mocy wyjściowej dachówek fotowoltaicznych w funkcji irradiancji i temperatury otoczenia dla: a) dachu D2, b) dachu D1
a)
b) c)
Rys. 7.12. Charakterystyki zmian mocy wyjściowej dachówek fotowoltaicznych w funkcji irradiancji i temperatury powietrza w szczelinie dachowej dla: a) dachu D2, b) dachu D1, c) dachu D3
121 Analogiczna sytuacja przedstawia się na wykresach sprawności w funkcji irradiancji i temperatury dachówek PV (rys. 7.13). Najwyższą sprawność osiąga instalacja wbudowana w dach o najniższym oporze cieplnym, który pozwala na swobodne oddawanie ciepła.
a)
b) c)
Rys. 7.13. Charakterystyki zmian sprawności generacji mocy wyjściowej dachówek fotowoltaicznych w funkcji irradiancji i temperatury dachówek PV zintegrowanych z: a) dachem D2, b) dachem D1, c) dachem D3
Na wykresach zmian temperatury dachówki w funkcji irradiancji i temperatury powietrza w szczelinie dachowej można zauważyć, że płaszczyzna dla dachu D1 (o najlepszej izolacji cieplnej) jest bardziej wypukła niż dla dachu słabo zaizolowanego (D2) (rys. 7.14). Wskazuje na to większy obszar w kolorze czerwonym schodzący z większym promieniem w dół płaszczyzny dla dachu D1.
122
a) b)
Rys. 7.14. Charakterystyki zmian temperatury dachówek fotowoltaicznych w funkcji irradiancji i temperatury powietrza w szczelinie dachowej dla: a) dachu D2, b) dachu D1
Kolejne płaszczyzny (rys. 7.15) temperatury powietrza w szczelinie dachowej w funkcji irradiancji i temperatury dachówek PV jasno wskazują, że dachy o dużym współczynniku oporu cieplnego RTH str, na których dachówki osiągają wyższe temperatury powodują także mocniejsze nagrzewanie się powietrza znajdującego się pod nimi. Wyższa wartość RTH str
determinuje większą ilość mocy cieplnej Qaku zgromadzonej w szczelinie dachowej, a co za tym idzie gradient temperatur powietrza w szczelinie i dachówki PV jest mniejszy.
Wpływa to na pogorszenie warunków oddawania ciepła przez dachówkę PV.
a)
123
b) c)
Rys. 7.15. Charakterystyki zmian temperatury powietrza w szczelinie dachowej w funkcji irradiancji i temperatury dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z:
a) dachem D2, b) dachem D1, c) dachem D3
Opisywane zależności różnic w generowanych mocach (największe wartości dla dachówek zainstalowanych na dachu o najniższym oporze cieplnym) obrazują także wykresy, przedstawione na rysunku 7.16, wykonane dla pomiarów w wybranym rekomendowanym dniu pomiarowym 04.06.2018 r., w którym to panowały warunki atmosferyczne przedstawione na rys. 7.17.
Rys. 7.16. Charakterystyki zmian irradiancji, prędkości wiatru oraz mocy wyjściowych generowanych przez dachówki fotowoltaiczne zainstalowanych na różnych dachach w wybranym dniu pomiarowym 04.06.2018 r.
124 Rys. 7.17. Charakterystyki zmian irradiancji, prędkości wiatru oraz temperatury otoczenia
w wybranym dniu pomiarowym 04.06.2018 r.
Z rysunku 7.17 można zauważyć, że wybrany dzień pomiarowy był dniem o wysokiej temperaturze otoczenia Tamb (28 – 38 °C) oraz niskiej prędkości wiatru, zmieniającej się w zakresie 0 ÷ 4 m/s. Natomiast irradiancja zmieniała się dość dynamicznie o nawet ok. 750 W/m2 z powodu występujących zachmurzeń. Z przebiegu krzywych E, Tamb można zauważyć duży wpływ temperatury otoczenia od chwilowej wartości irradiancji. Podobną zależność można zaobserwować, analizując przebiegi temperatur dachówek fotowoltaicznych Ttile wbudowanych w różne dachy zestawione na rys. 7.18. Przebiegi Ttile i Tamb są ze sobą bardzo zbieżne, co potwierdza fakt zależności temperatury dachówek PV od aktualnie panujących warunków otoczenia (irradiancji i temperatury otoczenia). Dachówki PV wbudowane w dachy o dużej wartości oporu cieplnego RTH roof (D1, D3) osiągają o kilka stopni wyższą wartość temperatury niż z dachu D2. Analogiczna sytuacja dotyczy wartości temperatury powietrza znajdującego się w przestrzeni dachowej (Tgap), co przedstawiono na rys. 7.19.
125 Rys. 7.18. Charakterystyki zmian irradiancji, prędkości wiatru oraz temperatury otoczenia
i dachówek fotowoltaicznych zainstalowanych na różnych dachach w wybranym dniu pomiarowym 04.06.2018 r.
Rys. 7.19. Charakterystyki zmian irradiancji oraz temperatury powietrza w szczelinach dachowych dla różnych dachów w wybranym dniu pomiarowym 04.06.2018 r.
Niższa temperatura dachówek PV zintegrowanych z dachem D2 (o najniższym oporze cieplnym RTH str, a tym samym i RTH roof) przyczyniła się do wygenerowania największej mocy
126 elektrycznej przez dachówki PV zainstalowane w dachu D2, w porównaniu do dachów D3 oraz D1, na którym uzyskano najniższe wartości uzysków mocy.