Fotovillamos és fotovillamos-termikus modulok energetikai modellezése Háber István Ervin Nap Napja Gödöllő, 2016. 06. 12.
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 90-100 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
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 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
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
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
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
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
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 szerepel 60 α (W/m 2 K) 50 40 30 20 10 Felületi átlag Minimum Maximum Felületi átlag közelítéssel Minimum közelítéssel 0 0 1 3 5 7 9 11 v, (m/s) 10/18
Eremények Fotovillamos modul hőáram-hálózat alapú modellje 5 csomópontos modell 3. csomópont a napelem cella Hőátviteli mátrix (G) 50-(1/αA) Δτ 0,6 1 0 0 0,6 0 72,1 0 0 1 72,1 950 72,1 0 0 0 72,1 0 0,3 0 0 0 0,3 0-(1/αA) Δτ Hőkapacitás mátrix (C) 237 0 0 0 0 0 963 0 0 0 0 0 285 0 0 0 0 0 963 0 0 0 0 0 120 11/18
Eredmények A hőáramhálózat alapú számítás validálása Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb Átlagos eltérés eltérés 2012. március 29. 0,87 2,8 0,64 2012. június 21. 0,83 3,12 0,65 2012. augusztus 2. 0,84 2,97 0,62 12/18
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 0,6 1 0 0 T 6-5,5 0 0,6 0,03 72,1 0 0 0 0 1 72,1 950 72,1 0 0 0 0 0 72,1 0 0 0 0 0 0 0 0 4,9 0 0 T 6-5,5 0 0 0 0 2,5 0,3 0 0 0 0 0 0,3 0-(1/αA) Δτ 13/18
Eredmények A HÁH PV/T modell validálása Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb eltérés Átlagos eltérés 2014. október 19. 3,99 13,35 2,95 2014. október 18. 4,14 12,2 3,11 2014. 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. Statisztikai ellenőrzés Mérés ideje Szórás Legnagyobb eltérés (Wh) Átlagos eltérés 2012. október - 215,9 491,5 166,5 2014. december első két év átlaga 111 291,5 138,8 3 év átlaga 123,2 330,1 159,5 15/18
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
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
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 92700 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