Fotovoltaické zdroje pro budovy v podmínkách skutečného provozu - výpočetní modelování a experimentální validace

Abstract

Práce je zaměřena na výpočetní modelování FV zdrojů pro budovy v podmínkách skutečného provozu. Metodami zpracování jsou teoretický rozbor, sestavení výpočetního modelu a validace proti experimentálním datům. Jejich zdrojem je zejména FV systém provozovaný na FSv ČVUT v Praze. Byly vytvořeny tři výpočetní modely: (1) model zdroje s FV panely v otevřené poloze (validovaný); (2) model zdroje se stavebně integrovaným FV polem s větranou dutinou (validovaný) a (3) model zdroje na ploché střeše s vlivem vnitřního stínění (nevalidovaný). Podrobný rozbor je věnován vlivu teploty FV článků na pokles produkce, a to u panelů v otevřené poloze i stavebně integrovaných. Tento vliv se ukázal jako velmi malý, v řádu jednotek procent ročně, a není překážkou plné stavební integraci FV polí, kde panely nahrazují střešní krytinu či fasádní obklad. Dále byl studován vliv vnitřního stínění na produkci FV zdrojů na plochých střechách. Při obvyklém návrhovém úhlu mezi 16 a 18° a jižní orientaci dochází k poklesu roční produkce u c-Si panelů max. 3,5 %, u TF panelů max. 2,3 %. Pro minimalizaci ztrát lze doporučit ukládání c-Si panelů do řad horizontálně, aby bylo využito překlenovacích diod. TF panely je nutné orientovat tak, aby stínění přicházelo napříč články. Vliv vnitřního stínění je nižší u nižších sklonů panelů, které tak lze instalovat ve sklonu 20° místo v současnosti převažujících 30°, přičemž pokrytí střešní plochy a produkce vzrostou o 20 %. Pro doporučená uložení panelů lze zkrátit rozestupy mezi řadami až o 35 % a navýšit tím instalovaný výkonu o 24 %. Pokles produkce oproti obvyklé geometrii pak u c-Si panelů nepřesáhne 2,5 %, u TF panelů 1,5 %. Vyvinuté modely je možné navázat na odběrovou křivku elektrické energie v budovách a sledovat poměr mezi spotřebou, produkcí FV zdroje a vyhodnocovat interakci s veřejnou sítí. Otevírá se tak cesta pro navrhování energeticky soběstačnějších, bezpečnějších budov a k tvorbě a rozvoji koncepce tzv. energeticky nulových budov.

The main focus of the doctoral thesis is in description of behavior of building integrated PV systems under real operating conditions. The research is a combination of theoretical study, computational modeling and experimental measurement. The source of the experimental data is mainly the experimental PV system installed at the Faculty of Civil Engineering, CTU in Prague. Three numerical models were developed: (1) model of PV source with open-rack mounted modules (validated); (2) model of PV source with back-ventilated PV array integrated into building envelope (validated) and (3) model of PV source for flat roofs including the effect of internal shading (not validated). Detailed analysis showed that restricted wind cooling of back-ventilated PV arrays does not cause significant production loss and thus full integration of PV arrays into building structures is possible. The calculation for roof-top PV arrays showed that for typical design angles between 16 and 18° the loss due to internal shading ranges between 2 and a 4 % annually. Lower loss applies for south orientation and lower design angle, and also for thin-film modules compared to c-Si modules. Thin-film modules have to be mounted in a way that the shading crosses the cells; c-Si modules should be mounted in a way to use the advantage of by-pass diodes (internal shading always comes from the bottom edge of the modules). In case of restricted roof area, the rows can be brought closer up to design angle of 25° with annual loss not exceeding 4.5 %. This enables installing up to 24 % more power compared to usual design. In a broader context the thesis makes a basis for design of zero-energy or grid-independent buildings where detailed calculations of PV production are necessary to find a match to electricity demand curve.