Eksperimentalni model hibridnog naponsko-toplinskog sunčanog kolektora

L. Krupanjsky1, V. Šunde2, I. Sirotić3

Fakultet elektrotehnike i računarstva, Sveučilište u Zagrebu, Hrvatska1leo.krupanjsky@fer.hr, 2viktor.sunde@fer.hr, 3igor.sirotic@peo.hr

Sažetak: Fotonaponski moduli i solarni kolektori koriste se zajedno u hibridnim naponsko-toplinskim kolektorima(PV/T) za istovremeno dobivanje električne i toplinske energije. U radu je opisan eksperimentalni model i mjerni sustav za ispitivanje ovisnosti električne i toplinske djelotvornosti PV/T kolektora o nizu faktora; materijalu fotonaponskog modula, vrsti rashladnog sredstva, protoku rashladnog sredstva, dizajnu kolektora, osunčanosti, brzini vjetra i temperaturi okoline. Upotrebom modela, u ovoj fazi ispitivanja, izmjerena je strujno-naponska karaketristika fotonaponskog modula i temperaturno polje modula u radu bez djelovanja rashladnog sredstva.

Ključne riječi: hibridni naponsko-toplinski sunčani kolektor, toplinska djelotvornost, električna djelotvornost, daljinsko mjerenje temperature

UVOD

Prema načinu iskorištavanja sunčeve energije solarni sustavi se dijele na fotonaponske i toplinske. Fotonaponski (PV) sustavi pretvaraju sunčevu energiju u električnu, a toplinski pretvaraju sunčevu energiju u toplinsku. PV moduli mogu apsorbirati do 80% sunčeva zračenja od čega se samo 5-20% može pretvoriti u električnu energiju. Ostatak energije pretvara se u toplinu čime se dodatno zagrijavaju fotonaponske ćelije. Porastom temperature ćelija dolazi do pada djelotvornosti fotonaponskog sustava, tj. smanjuje se maksimalna izlazna snaga. Jedan od načina odvođenja viška topline je ugradnja apsorberskog kolektora na stražnju stranu PV modula. Kombinacijom ove dvije tehnologije dobije se hibridni fotonaponsko-toplinski sunčani sustav ili PV/T sustav (engl. hybrid photovoltaic/thermal collectors).

I. HIBRIDNI NAPONSKO-TOPLINSKI SUNČANI KOLEKTORI

Hibridni PV/T kolektori omogućuju istodobnu proizvodnju električne i toplinske energije. Sastoje se od PV modula koji je povezan s toplinskim sustavom u kojem je medij koji služi kao rashladno sredstvo. Ti toplinski sustavi rade po načelu toplinskih kolektora, tj. pomoću apsorbera i rashladnog medija

prikupljaju toplinu s fotonaponskog modula i na taj način hlade modul. Kao rashladni mediji koristi se zrak ili tekućina (najčešće voda). Hlađenjem fotonaponskog modula povećava se njegova električna djelotvornost, a zagrijani medij se koristi za dobivanje tople vode ili zagrijavanje okolnog prostora. Za svako povećanje temperature od 1oC kod monokristalnog silicija dolazi do smanjenja električne efikasnosti za 0,45% dok kod amorfnih ćelija to smanjenje iznosi 0,5% po stupnju. Ovakav sustav ima mnoge prednosti u odnosu na standardnu izvedbu u kojoj su posebno izvedeni fotonaponski i toplinski kolektori, a najznačajnije su:

površina koju zauzima manja je od površine razdvojenog sustava iste snage, sustav od 16 m2 ekvivalentan je odvojenom sustavu od 25 m2 (21m2 PV i 4m2 solarnih kolektora)

veća električna djelotvornost u isto vrijeme proizvodi električnu i

toplinsku energiju brži povrat uloženih sredstava duži životni vijek fotonaponskih ćelija

jer rade na nižoj temperaturi smanjeni troškovi ugradnje ljepši vizualni izgled na krovu ili

fasadi u odnosu na odvojeni sustav

A. Djelotvornost hibridnog naponsko-toplinskog sunčanog kolektora

Radni učinak PV/T sustava može se prikazati kombinacijom toplinske th i električne el djelo-tvornosti [1]. Ukupna djelotvornost, tj. kombinirana PV/T djelotvornost 0, koja se koristi za procjenu učinkovitosti cijelog sustava jednaka je:

η0=ηth+ηel . (1)

Toplinska djelotvornost ηth PV/T sustava može se izraziti prema sljedećoj relaciji:

η th=m¿

⋅C p⋅ΔTA p⋅GT

⋅100 %, (2)

gdje je:

m¿

maseni protok (kg/s)C p specifična toplina rashladnog

medija kolektora (J/kg° C ) ΔT razlika između izlazne i ulazne

temperature tekućine ili zraka (K)Ap površina apsorbera (m2 )GT sunčevo ozračenje (W /m2 ) .Vrijednost masenog protoka se može izračunati pomoću:

m¿

=ρ⋅A⋅vav , (3)gdje je:A cijevni poprečni presjek (m2 )ρ gustoća tekućine ili zraka ulaznog

medija (kg /m3)

vav brzina tekućine ili zraka (m /s ) .

Električna djelotvornost sunčanih ćelija je temperaturno ovisna i pada s porastom temperature zbog loše pokretljivosti nosilaca naboja, difuzijske dužine i života manjinskih nosilaca i zasićenja, slika 1 [1]. Često gubici snage iznose 0,5%/K. Električna djelotvornost ηel sunčanih ćelija/modula izrađenih od kristalnog silicija (c-Si) dana je sljedećom relacijom kao funkcija temperature:

ηel=η0 [ 1+ β (T čelije−298 K )] ,

(4)gdje je:

η0 djelotvornost modula kod temperature 298 (K)

β silicijev temperaturni koeficijent djelotvornostiT ćelije temperatura ćelije, modula (K).

Slika 1. Električna djelotvornost silicijske sunčane ćelije u ovisnosti o temperaturi ćelije

Slika 2. Prikaz ovisnosti električke, toplinske i kombinirane PV/T djelotvornosti o promjeni

masenog protoka

Kao što prikazuje slika 2 može se postići ukupna djelotvornost u iznosu od približno 60%.

B. Podjela i vrste hibridnih naponsko-toplinskih sunčanih kolektora

PV/T kolektori se mogu podijeliti na ravne PV/T kolektore, PV/T kolektore potpomognute toplinskom crpkom i usmjerivačke ili koncentrirajuće c-PV/T kolektore [2]. Najviše istraživanja provedeno je na ravnim PV/T kolektorima. S obzirom na način hlađenja ravni PV/T

kolektori dijele se na hlađene vodom, hlađene kombinacijom voda/zrak i hlađene zrakom. Kolektori hlađeni vodom dijele se prema obliku cijevi apsorbera na okrugle i četvrtaste. Kolektori hlađeni kombinacijom voda/zrak dijele se na dvoapsorberske, slobodno protočne i kanalne. Kolektori hlađeni zrakom dijele se na jednoprolazne i dvoprolazne.

Na slici 3. prikazan je presjek osnovnog modela ravnog PV/T kolektora hlađenog vodom na kojem se temelji eksperimentalni model izrađen na Fakultetu elektrotehnike i računarstva.

Slika 3.Shematski prikaz presjeka ravnog PV/T kolektora hlađenog vodom

Na slici 4. prikazana je izvedba ravnog PV/T kolektora hlađenog zrakom. Osim prirodnog strujanja zraka može se koristit i ventilator. Nedostatci ovakvog hlađenja su mala gustoća zraka, mali toplinski kapacitet po volumenu i mala temperaturna vodljivost. Uz navedene nedostatke značajan utjecaj ima i ventilator jer u slučaju krivog proračuna njegova potrošnja može premašiti dobivenu snagu PV/T izvedbom sustava.

Slika 4. Shematski prikaz presjeka ravnog PV/T kolektora hlađenog zrakom

Uporaba ventilatora poboljšava izmjenu topline i tako povećava toplinsku učinkovitost, ali ujedno smanjuje električnu učinkovitost. U posljednja dva desetljeća zabilježeno je pedesetak

projekata vezanih uz PV/T sustave. Od tog broja se manje od dvadeset odnosi na PV/T sustave hlađene vodom. Većina komercijalno dobavljivih sustava su PV/T sustavi s ravnim kolektorima.

II. EKSPERIMENTALNI MODEL PV/T SUSTAVA I SVRHA ISTRAŽIVANJA

Trenutačno je jedan od problema u komercijalizaciji PV/T sustava nedostatak metoda ispitivanja njihovih karakteristika u svezi standardizacije i certificiranja. Iz tog razloga pristupilo se izradi eksperimentalnog modela PV/T sustava koji će omogućiti ispitivanje utjecaja različitih parametara na električnu i toplinsku djelotvornost sustava, slika 5.

Slika 5. Shema eksperimentalnog modela i mjernog sustava

Eksperimentalni model PV/T sustava sastoji se od fotonaponskog modula na koji je sa zadnje strane montiran sustav cijevi za vodu kao rashladno sredstvo [3]. Zagrijana voda cirkulira između fotonaponskog modula i spremnika topline kojem predaje toplinsku energiju.

Izlazni napon i struja foto-naponskog modula se preko elektroničkog pretvarača (izmjenjivača) dovode na trošilo ili predaju u lokalnu mrežu.

Za istraživanje utjecaja protoka rashladnog sredstva na djelotvornost PT/V sustava potrebna je regulacija tlaka vode, što znači da pumpa mora imati regulaciju brzine vrtnje s povratnom vezom po tlaku vode. Promjena protoka se može osigurati regulacijskim elektro ventilom u kombinaciji s regulacijom tlaka.

Mjernim sustavom mjere se temperature vode na ulazu u kolektor, izlazu iz kolektora, temperatura u spremniku, temperature na prednjoj/pozadinskoj

Topli zrak

Hladni zrak

Zračni kanalFotonaponski modul

Izolacija

površini fotonaponskog modula i temperatura okoline. Mjerni sustav također mjeri protok vode, napon i struju na izlazu iz fotonaponskog modula (na trošilu), napon otvorenog kruga i struju kratkog spoja fotonaponskog modula, ozračenost modula i brzinu vjetra.

Ovim modelom želi se ispitati ovisnost djelotvornosti sustava o:

materijalu fotonaponskog modula (c-Si, pc-Si, a-Si)

dizajnu kanala za rashladnu vodu protoku i temperaturi vode vrsti rashladnog medija brzini vjetra i temperaturi ambijenta toplinskom otporu između

fotonaponskog panela i kolektora

Svrha istraživanja je ispitati maksimalnu temperaturu na koju se zagrije kolektor bez hlađenja vodom, utjecaj masenog protoka vode na električnu i toplinsku djelotvornost, odrediti temperaturu na kojoj se može dobiti najviše toplinske, odnosno električne energije te utjecaj geografske dužine (područje grada Zagreba) i vremenskih uvjeta na karakteristike sustava.

Poteškoće su toplinski gubici između apsorbera i kolektora zbog nesavršenosti spoja te voda kao rashladni medij.

III. SASTAVNI DIJELOVI EKSPERIMENTALNOG MODELA

A. Strukturni djelovi PV/T sustava

Fotonaponski modul SV60-225 je komercijalni proizvod tvrtke Solvis. Radi se o modulu iz polikristalnog silicija, sa 60 ćelija, težine 21,5 kg i dimenzija 1663 x 998 x 35 mm, slika 6. Napon praznog hoda je 36,6 V, struja kratkog spoja je 8,22 A. Vršna snaga, izmjerena pri 25 C i dozračenoj energiji sunčevog zračenja od 1000 W, je 218 W. Proizvođač deklarira pozitivni temperaturni koeficijent struje iznosa 0,05 %/K i negativni temperaturni koeficijent napona iznosa -0,29 %/K.

Slika 6. Fotonaponski modul

Na poleđinu fotonaponskog modula pričvršćen je aluminijski apsorber dimenzija 1588 x 918 x 3 mm koji služi za što bolje prikupljanje dozračene sunčeve energije na prednju plohu fotonaponskog modula i prijenos topline prema kolektoru. Kako bi se smanjili toplinski gubici nanesen je tanki sloj termovodljive paste između apsorberske ploče i stražnje strane modula, slika 7.

Slika 7. Aluminijska apsorberska ploča

Kolektor je izveden kao sustav cijevi kroz koji protječe rashladno sredstvo tj. voda. Kolektor je pomoću vijaka pričvršćen na stražnju stranu, absorbera, slika 8. I na ovaj spoj je nanesena termovodljiva pasta. Za izradu kolektora također je odabran aluminij zbog male

mase, dobre toplinske provodljivosti te visoke otpornosti prema koroziji što je bitno s obzirom na rashladni medij. Na gornjem i donjem kraju nalaze se priključci za uspostavljanje zatvorenog cirkulacijskog kruga.

Slika 8. Aluminijski kolektor pričvršćen na absorber

Budući da kolektor djeluje na principu kondukcije vrlo je bitna površina koju zauzima i put koji voda prolazi od ulaza do izlaza. U našem slučaju koristi se direktni paralelni protok zbog jednostavnosti izvedbe iako su provedena istraživanja pokazala da je za optimalne rezultate najbolje koristiti spiralni protok.

PV/T kolektor je postavljen na pokretno postolje. Na taj način olakšan je transport kolektora i podešavanje nagiba prema optimalnom kutu kako bi se povećala djelotvornost cijelog sustava, slika 9.

Slika 9. PV/T kolektor montiran na postolje

B. Mjerni sustav

Mjerni sustav treba omogućiti automatizirano tj. upravljano mjerenje temperature, dozračene sunčeve energije, brzine vjetra, masenog protoka, te napona, struje i snage fotonaponskog modula. Mjeri se temperatura fotonaponskog modula, rashladnog sredstva i ambijenta.

Mjerenje temperature se obavlja pomoću razvijenog uređaja za bežično mjerenje temperature koristeći Bluetooth tehnologiju i 1-wire digitalne temperaturne senzore DS18B20, slika 10.

Slika 10. Digitalni temperaturni senzor DS18B20 sa zalemljenim izvodima

Prednosti korištenja Bluetooth tehnologije su jednostavnost primjene, visoka brzina prijenosa podataka, mala potrošnja energije te sigurnost toka podataka. DS18B20 komunicira s razvijenim akvizicijskim uređajem s mikrokontrolerom preko 1-wire sabirnice koja zahtjeva samo jednu podatkovnu liniju i masu. Na slici 11. prikazan je sklopovski dio mjernog sustava i označeni su najvažniji dijelovi koji se mogu vidjeti s gornje strane [4].

Slika 11. Izgled sklopovlja mjernog sustava

Mikrokontroler PIC18F4680 može identificirati i adresirati sve 1-wire uređaje na sabirnici jer svaki ima jedinstven 64-bitni serijski broj. Mjerni opseg je od -55°C do 125°C i ima točnost od 0,5°C na temperaturama od -10°C do 85°C. Iznad 85°C greška raste do 2°C. Tvornički je postavljena razlučivost od 12 bita pri čemu je najkraće vrijeme između dva uzastopna mjerenja 750 ms. Za svaki bit manje razlučivosti, vrijeme mjerenja se dvostruko smanjuje. Za prijenos podataka od senzora do mjernog sustava pa do računala treba oko 200 ms i zbog toga je frekvencija uzorkovanja temperature 1 Hz. Senzori su tvornički kalibrirani u Celzijevim stupnjevima i imaju mogućnost postavljanja donje i gornje granice za aktivaciju alarma. Svaki senzor ima tri izvoda, napajanje, podatkovna linija i masa senzora. Senzori se spajaju paralelno na konektor X7 mjernog sustava te je moguće spojiti do 128 senzora.

Aplikacija za korisničko sučelje razvijena je koristeći alat za grafičko programiranje LabVIEW. Razvijene su funkcije za čitanje podataka s mjernog sustava, prikazivanje podataka u realnom vremenu te zapisivanje podataka u datoteku. Na početku programa potrebno je definirati ime komunikacijskog sučelja i datoteku za snimanje podataka. Mjerenje se obavlja dok korisnik ne aktivira naredbu za zaustavljanje.

Za mjerenje brzine vjetra i temperature ambijenta koristit će se jedan od komercijalno dobavljivih anemometara, a za mjerenje dozračene energije koristit će se jedan od komercijalno dobavljivih piranimetara. Na početku eksperimentiranja predloženim i izrađenim eksperimentalnim modelom PV/T sustava izvršeno je mjerenje strujno-naponske karakteristike fotonaponskog modula. Takođe je izvršeno i snimanje temperaturnog polja prednje i stražnje strane fotonaponskog modula u radu bez korištenja rashladnog medija. U nastavku slijedi prikaz dobivenih rezultata mjerenja.

IV. MJERENJE U-I KARAKTERISTIKE I TEMPERATURNOG POLJA

FOTONAPONSKOG MODULA

Mjerenje strujno-naponske karakteristike fotonaponskog modula izvedeno je prema shemi na slici 12. Za

mjerenje napona i struje korišteni su voltmetar i ampermetar. Za promjenu

opterećenja korištena su dva paralelno spojena reostata promjenjivog otpora do 33 Ω.

Slika 12. Shema mjernog sustava

Na slici 13. prikazana je izmjerena strujno-naponska karakteristika

0 5 10 15 20 25 30 350

2

4

6

8

10

Napon, U/V

Stru

ja, I

/ A

mjerenjainterpolacija

Slika 13. U-I karakteristika PV modula

Mjerenje strujno naponske karakteristike obavljeno je pri temperaturi ambijenta od 24,1°C. Termovizijskom kamerom izmjerene su temperature prednje i stražnje strane fotonaponskog modula od 41,6°C i 43,8°C. Mjerenje je obavljeno 11.04.2013. u 13:00 h. Temperaturno polje fotonaponskog modula s prednje i stražnje strane, mjereno uz pomoć digitalnih temperaturnih senzora i

naziv senzor

a

temp. stražnje strane

mjerena senzoro

m DS18B20

termovizij. kamera Raytek Thermo

ViewTM Ti30

termovizij. kamera Raytek

PhotoTemp™

MX6™TD

T1 48,6875 41,9 38,8000T2 50,3750 45,5 40,9000T3 51,0625 42,3 41,2000T4 50,125 42,1 41,3000T5 50,9375 40,8 42,4000T6 50,9375 40,0 43,5000T7 49,375 41,4 41,0000T8 49,8125 40,7 41,4000T9 51,2500 39,9 42,9000

termovizijskih kamera obavljeno je 15. 4. u 12:00 h. uz opterećenje od 3 i izmjerenu snagu od 190,21 W. I ova mjerenja su obavljena bez hlađenja rashladnim sredstvom. Izmjereni rezultati dani su u tablici 1. Zbog utjecaja vjetra, u trenucima mjerenja, prednja strana modula imala je manju temperaturu od stražnje strane. Mjerne točke na fotonaponskom modulu prikazane su na slici 14. Na slici 15. prikazano je izmjereno temperaturno polje.

Slika 14. Mjerne točke na fotonaponskom modulu

Slika 15. Temperaturno polje izmjereno kamerom

Tablica 1. Izmjerene temperature

V. ZAKLJUČAK

U radu je opisan model hibridnog fotonaponskog i toplinskog solarnog kolektora (PV/T) za ispitivanje djelotvornosti sustava u radu u realnim uvjetima. Predložena je struktura mjernog sustava kojim se prikupljaju potrebne veličine za upravljanje tokom rashladnog sredstva, te za ocjenu električne i toplinske djelotvornosti fotonaponskog modula i toplinskog kolektora. Izrađeni model PV/T sustava upotrebljen je za određivanje strujno-naponske karakteristike fotonaponskog modula i mjerenje temperaturnog polja modula u radu bez hlađenja rashladnim sredstvom.

LITERATURA

[1] T.T. Chow, "A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology", Applied Energy 87 (2010) 365–379.

[2] M. Arif Hasan, K. Sumathy, "Photovoltaic thermal module concepts and their performance analysis: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 1845–1859.

[3] V. Šunde, M. Vražić and D. Ilić, “Measurement system for research on photovoltaic thermal (PV/T) liquid based solar collector, XX IMEKO World Congress Metrology for Green Growth, September 914, 2012, Busan, Republic of Korea

[4] M. Kovačić, M. Vražić, I. Gašparac, "Bluetooth wireless communication and 1-wire digital temperature sensors in synchronous machine rotor temperature measurement", Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International , vol., no., pp.T7-25-T7-28, doi: 10.1109/EPEPEMC.2010.5606582, 6-8 Sept. 2010.