Fotovillamos és fotovillamos-termikus modulok energetikai modellezése

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Fotovillamos és fotovillamos-termikus modulok energetikai modellezése"

Géza Pap
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Fotovillamos és fotovillamos-termikus modulok energetikai modellezése Háber István Ervin Nap Napja Gödöllő,

2 Bevezetés A fotovillamos modulok hatásfoka jelentősen függ a működési hőmérséklettől. A vizsgálati szabványok 20 C-on tesztelik a modulokat ezzel szemben valós körülmények között a C-ot is elérheti a hőmérsékletük, amely már 40%- os teljesítmény csökkenést jelent. Rendszerveszteségek az olaszországi 3 MWp Selle naperőműnél: Reflexió Melegedés Inverter Árnyékolás Ohmikus Különbözőségi és MPPT 3,1% 7,6% 4% 0,3% 1,2% 5,7% A szél és a természetes konvekció hűtő hatásával tervezni kell és lehet is, ha ismert a hőátadás mértéke. A fotovillamos-termikus (PV/T) kollektorok aktív hűtést biztosítanak a PV celláknak. Egyes jelenlegi hatásfok-számítási módszerek figyelembe veszik a szél hűtő hatását, de csak statikus módon. Nincs hőáramhálózat alapú modell! 2/18

3 Célkitűzések Meghatározni a napelemek hőveszteségeit, amelyhez megfelelő módszer a CFD számítás, amivel meghatározásra kerülhet a hőátadási tényező szél által befolyásolt változása. Az eredményeket modellkísérlettel szélcsatornában ellenőrizni kell. A napelemek általános felépítése alapján felállítani egy hőáram-hálózatos (HÁH-PV) modellt, amivel a cellahőmérsékletet lehet számolni, és amelyet a napelem pontos hatásfokának meghatározására lehet alkalmazni. A modell hitelesítéséhez egyedi mérőrendszer kialakítása szükséges. Megvizsgálni, hogy hűtött PV modulok esetében, hogyan alakul a cellahőmérséklet és ezáltal a hatásfok. Ennek megfelelően egy mikro hőcsöves (MHP) rendszerű PV/T modul lesz megvizsgálva és szerkezet alapján a PV/T hőáramhálózatos modellje felállításra kerül. A HÁH-PVT modell validálására egy újabb mérőrendszert kell összeállítani. A HÁH-PV és a HÁH-PVT modellek alkalmazásával elkészíthető egy komplex fotovillamos modellező rendszer, amely a környezeti tényezők figyelembe-vételével számítja a modulok energiaveszteségeit és nyereségeit, beleértve a szélsebesség alapján számítható felületi hőtranszportot a változó hőátadási tényező alapján. A módszer felhasználható fotovillamos rendszerek energiatermelésének meghatározásához, amit a PV és MHP PV/T típusú modulok energiatermelésének összehasonlításával kívánok bemutatni. 3/18

Anyag és módszer A környezeti jellemzők vizsgálata 2005-2011 évek OMSZ adainak átlaga alapján

4 Anyag és módszer A környezeti jellemzők vizsgálata évek OMSZ adainak átlaga alapján Szélsebesség Környezeti hőmérséklet w( h ) a e t ( N day )( h b( N day 2 )) ( ta w( ) tm cos 0 ) c( N day ) 4/18

Napsugárzási értékek döntött felületre cos θ = sin δ sin φ cos β sin δ cos φ sin β

5 Anyag és módszer Környezeti jellemzők napsugárzás I I( ) m 2 0 cos exp 24 h 0, if 0 h 2, if h Direkt és diffúz komponensek szétválasztása (ASHRAE módszer) Napsugárzási értékek döntött felületre cos θ = sin δ sin φ cos β sin δ cos φ sin β cos γ + cos δ cos φ cos β cos ω + cos δ sin φ sin β cos γ cos ω + cos δ sin β sin γ sin ω 5/18

(nullenergiás gyárépület) Szélcsatorna vizsgálatok (Cp érték meghatározás)

6 Anyag és módszer A hőátadási tényezők meghatározásának módszere Szimulációs módszer meghatározása (2D, RANS, k-ε) Referenciaépület (nullenergiás gyárépület) Szélcsatorna vizsgálatok (Cp érték meghatározás) Hőátadási tényezők számítási módszerének validálása (Cp értékek statisztikai elemzése) 6/18

7 Anyag és módszer A napelem modulok hőáramhálózatos (HÁH) modellezése G T τ + C dt( ) = Q dτ h τ Mérés-adatgyűjtő rendszer a HÁH modell validálásához 7/18

8 Anyag és módszer Az MHP PV/T modulok működési hőmérsékletének számítása MHP anyag hővezetés mérése PV/T modulok hőáramhálózatos modellje PV/T modulokhoz kapcsolódó mérőrendszer 8/18

9 Eredmények Napelem modulok hőátadási tényezője Tipikus elhelyezési módokat vizsgáltam: Sátortetőre, lapostetőre, homlokzatra szerelt és szabadon álló modulok 15 db 2D CFD számítás készült és 2 db 3D-s 0, 1, 3, 5, 7 m/s szélsebesség 9/18

Eredmények Napelem modulok hőátadási tényezőjének meghatározása Külön számítás É-D szélre K-Ny oldalszél A komplex modellben a 4 irány átlaga

10 Eredmények Napelem modulok hőátadási tényezőjének meghatározása Külön számítás É-D szélre K-Ny oldalszél A komplex modellben a 4 irány átlaga szerepel 60 α (W/m 2 K) Felületi átlag Minimum Maximum Felületi átlag közelítéssel Minimum közelítéssel v, (m/s) 10/18

11 Eremények Fotovillamos modul hőáram-hálózat alapú modellje 5 csomópontos modell 3. csomópont a napelem cella Hőátviteli mátrix (G) 50-(1/αA) Δτ 0, ,6 0 72, , , ,1 0 0, ,3 0-(1/αA) Δτ Hőkapacitás mátrix (C) /18

12 Eredmények A hőáramhálózat alapú számítás validálása Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb Átlagos eltérés eltérés március 29. 0,87 2,8 0, június 21. 0,83 3,12 0, augusztus 2. 0,84 2,97 0,62 12/18

13 Eredmények Hőáram hálózat alapú PV/T vizsgálati modell 7 csomópontos modell 3. csomópont a napelem cella 6. csomópont: MHP Hőátviteli mátrix (G) 50-(1/αA) Δτ 0, T 6-5,5 0 0,6 0,03 72, , , , ,9 0 0 T 6-5, ,5 0, ,3 0-(1/αA) Δτ 13/18

14 Eredmények A HÁH PV/T modell validálása Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb eltérés Átlagos eltérés október 19. 3,99 13,35 2, október 18. 4,14 12,2 3, október 20. 4,05 12,81 3,09 14/18

Eredmények A komplex fotovillamos méretező rendszer A PVGIS számításnál a 2 éves adatok alapján a kidolgozott modell 1,95%-kal jobban közelíti az éves energiatermelést.

15 Eredmények A komplex fotovillamos méretező rendszer A PVGIS számításnál a 2 éves adatok alapján a kidolgozott modell 1,95%-kal jobban közelíti az éves energiatermelést. Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb eltérés (Wh) Átlagos eltérés október - 215,9 491,5 166, december első két év átlaga ,5 138,8 3 év átlaga 123,2 330,1 159,5 15/18

16 Eredmények A HÁH alapú komplex méretező rendszeren végzett számítások eredményei igazolják, hogy bár az MHP PV/T alkalmazása esetén a fotovillamos hatásfok csökken, de a teljes (fotovillamos és termikus együtt) hatásfok miatt nagyobb energiatermelést érhetünk el, ami abból is egyértelműen következik, hogy az éves fotovillamos hatásfok-különbség mindössze 0,07%. A fotovillamos rendszer által termelt energia mennyisége alacsonyabb, de a termikus hatásfokkal együtt az összhatásfok 14,64% + 8,58%, azaz 23,22%. Ez összhatásfokban 8,51%-kal magasabb az általános fotovillamos mudoluknál és a kettős üvegezésű termikus kollektorokhoz képest is 3,72%- kal magasabb ugyanezzel a módszerrel számolva a hatásfokot. 16/18

17 Eredmények Összehasonlító számítás a HÁH alapú komplex méretező rendszerrel T cella ( C) Statisztikai ellenőrzés Éves hatásfok η a (%) Éves energiatermelés P a (kwh/a) PV 14,71 198,2 PV/T szabályozással 14,64 195,4 PV/T szabályozás nélkül 14,61 194,7 17/18

18 Következtetések, javaslatok Az egyes modellekkel végzett energiatermelési szimulációkkal kimutattam, hogy a HÁH-PV alapú szimuláció és például a PV-GIS előrejelzés között éves szinten 2649,5 kwh eltérés is lehet, amely a jelenlegi energiaátvételi árakkal számolva Ft többletet mutat. (Megtérülési időben +1,5 év!) Az általam kidolgozott új, dinamikus HÁH-PV és HÁH-PVT modellel élőben lehet monitorozni a napelem cellák hatásfokát és ezáltal a villamos hálózat egyéb veszteségeit is minimalizálni. A modell alkalmas energia-termelési előrejelzésekre is. Dupla üvegezésű PV/T vizsgálata. PV szimulációs szoftver készítése vagy a módszer felhasználása épületenergetikai programokban (pl. WinWatt). 18/18

Hasonló dokumentumok

SZENT ISTVÁN EGYETEM. Fotovillamos és fotovillamos-termikus rendszerek energetikai modellezése

SZENT ISTVÁN EGYETEM. Fotovillamos és fotovillamos-termikus rendszerek energetikai modellezése SZENT ISTVÁN EGYETEM Fotovillamos és fotovillamos-termikus rendszerek energetikai modellezése Tézisfüzet Háber István Gödöllő 2016 1 A doktori iskola megnevezése: Műszaki Tudományi Doktori Iskola tudományága: