Zasklený kapalinový fotovoltaicko-tepelný kolektor

Abstract

Fotovoltaicko-tepelný kolektor díky současné produkci tepla a elektrické energie může výrazně navýšit využití dopadlé sluneční energie na plochu střechy. Zasklená varianta kapalinového fotovoltaicko-tepelného kolektoru má však svá konstrukční omezení, proto není dosud významně zastoupena na světovém trhu, přestože se jedná o solární prvek, který má velký potenciál zejména v oblasti přípravy teplé vody v bytových a rodinných domech. Výzkum se zabývá matematickým modelováním a experimentálním zkoušením nového prototypu zaskleného kapalinového fotovoltaickotepelného kolektoru. Vyvinutý fotovoltaicko-tepelný kolektor využívá unikátní technologie zapouzdření fotovoltaických článku do polysiloxanového gelu. V disertační práci je představen nový dynamický a stacionární matematický model fotovoltaicko-tepelného kolektoru na základě kterého bylo možné optimalizovat konstrukci FVT kolektoru, podle výsledků ročních simulací pro vybrané klimatické podmínky. Na základě optimalizačních analýz bylo vytvořeno několik nových prototypů kolektorů, které byly experimentálně otestovány jak za laboratorních, tak za reálných venkovních klimatických podmínek. Závěrečná část práce zhodnocuje přínos fotovoltaicko-tepelných kolektorů v cílové aplikaci nejen v teoretické rovině na základě simulačních analýz, ale i v rovině praktické, nasazením fotovoltaicko-tepelných kolektorů na konkrétních měřených aplikacích. První popsaná aplikace byl solární systém pro přípravu teplé vody se zasklenými fotovoltaicko-tepelnými kolektory měřený na experimentální instalaci na střeše Ústavu techniky prostředí, Fakulty Strojní ČVUT v Praze. Druhé dlouhodobé měření za venkovních klimatických podmínek bylo provedeno za účelem zhodnocení energetického přínosu integrovaných fotovoltaicko-tepelných kolektorů do lehkého obvodového pláště budovy. Pro dlouhodobý monitoring integrovaných fotovoltaicko-tepelných kolektorů byla zhotovena experimentální testovací buňka pro měření energeticky aktivních fasád nacházející se na experimentální ploše Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT.

Photovoltaic-thermal collector can maximize utilization of incident solar radiation because of simultaneous thermal and electrical energy production. Glazed liquid photovoltaic-thermal collector has design restrictions, due to this fact it is not widely represented on the world market. Although, glazed liquid photovoltaic-thermal collector has large potential especially in solar domestic hot water application for family and multifamily buildings. Research is focused on the mathematical modelling and experimental testing of new prototype of glazed liquid photovoltaic-thermal collector. Developed photovoltaic-thermal collector is based on unique technology of encapsulation photovoltaic crystalline cells into polysiloxane gel. In the dissertation thesis new dynamic and steady state model of glazed photovoltaic-thermal collector will be presented. Mathematical model is convenient for optimisation process of photovoltaic-thermal collector design based on annual simulations for chosen climatic conditions. Based on optimization analysis several new prototypes of glazed photovoltaic-thermal collectors were manufactured and experimentally tested both under indoor steady state conditions and under real outdoor climatic conditions. Conclusion part of dissertation thesis is focused on evaluation of photovoltaic-thermal collector benefit in terms of simulation analysis of promising applications and measurement of real particular applications with new prototypes. First application was solar domestic hot water system with photovoltaic-thermal collectors measured at experimental installation on the roof of Department of Environmental Engineering Faculty of Mechanical Engineering CTU in Prague. Second long-term monitoring has been carried out with focusing on energetic evaluation of benefit of integrated photovoltaic- thermal collector into façade module. The measurement has been done at University Centre for Energy Efficient Buildings of CTU.