Speciální aplikace FV systémů. Tomáš Matuška RP2 Energetické systémy budov Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze

Transkript

1 Speciální aplikace FV systémů Tomáš Matuška RP2 Energetické systémy budov Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze

2 Fotovoltaický ohřev vody (a jeho porovnání s fototermickým...)

3 CÍL srovnávací analýza ohřevu vody sluneční energií určit za srovnatelných podmínek (odběru tepla, klimatické podmínky) stejným výpočtovým nástrojem (TRNSYS) za použití stejného modelu zásobníku energetické přínosy ekonomické parametry fotovoltaický systém bez sledovače fotovoltaický systém se sledovačem (MPPT) fototermický systém samostatné systémy ohřevu 3

4 VÝKON A ÚČINNOST u FOTOTERMICKÝCH KOLEKTORŮ jsou závislé na: výkonové hustotě slunečního záření, úhlu dopadu záření rozdílu teplot kapalina okolí technologii: ploché, trubkové vakuové, koncentrační,... u FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ jsou závislé na: výkonové hustotě slunečního záření, úhlu dopadu záření teplotě okolí, proudění vzduchu okolo panelu... teplotě panelu technologii: monokrystalické, polykrystalické, amorfní,... 4

5 FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY BEZ SLEDOVAČE MAXIMA 5

6 FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY SE SLEDOVAČEM MAXIMA sledovač výkonového maxima (MPPT) 6

7 SLEDOVÁNÍ VÝKONOVÉHO MAXIMA U FV PANELŮ Voltampérová charakteristika FV článku 7

8 SLEDOVÁNÍ VÝKONOVÉHO MAXIMA U FV PANELŮ sluneční ozáření R teplota panelu 8

9 FOTOTERMICKÝ OHŘEV VODY 9

10 ANALÝZA SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ PRO OHŘEV VODY metoda simulace v TRNSYS simulační prostředí určené pro výzkum a vývoj aplikací původně vyvinuté pro solární systémy klimatické údaje typický meteorologický rok pro Prahu (TMY) konzervativní údaje o slunečním záření roční úhrn na vodorovnou rovinu 998 kwh/m 2.rok odběr teplé vody 160 l/den teplé vody 55 C, studená voda 10 C denní profil pro domácnost podle ČSN EN 15450, přepočítaný na 160 l/den potřeba tepla 2767 kwh/rok 10

11 PARAMETRY FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ 8 panelů x m 2 = m 2 8 panelů x 250 W = 2 kw p 11

12 PARAMETRY SOLÁRNÍHO ZÁSOBNÍKU TEPLÉ VODY Zásobníkový ohřívač vodní objem 195 l DC topné těleso 2,0 kw v dolní části AC topné těleso 2,0 kw v dolní části denní tepelná ztráta 1,4 kwh/den (pro 45 K) rozměry doporučená max. teplota v zásobníku 75 C 12

13 MATEMATICKÝ MODEL FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ detailní model FV panelu, komplexní voltampérová charakteristika uvažována optická charakteristika panelu (IAM) není uvažováno s degradací účinnosti FV panelu během let provozu uvažovány elektrické ztráty 2 % uvažovány tepelné ztráty / zisky zásobníku TV max. teplota v zásobníku 85 C AC těleso není zapojeno varianty: MPPT on (se sledováním výkonového maxima) MPPT off (bez sledování výkonového maxima, R = 25 W) 13

14 PARAMETRY SOLÁRNÍCH TERMICKÝCH KOLEKTORŮ 2 kolektory x 2.26 m 2 = 4.52 m 2 14

15 PARAMETRY SOLÁRNÍHO ZÁSOBNÍKU TEPLÉ VODY Zásobníkový ohřívač vodní objem 200 l AC topné těleso 2,0 kw v horní části denní tepelná ztráta 1,4 kwh/den (pro 45 K) rozměry doporučená max. teplota v zásobníku 95 C výměník tepla plocha 1 m 2 15

16 MATEMATICKÝ MODEL FOTOTERMICKÉHO SYSTÉMU detailní model solárního kolektoru, křivka účinnosti uvažována optická charakteristika panelu (IAM) uvažovány ztráty potrubí kolektorového okruhu (18x1 mm), délka 40 m uvažovány tepelné ztráty / zisky zásobníku TV max. teplota v zásobníku 85 C AC topné těleso není zapojeno uvažována spotřeba elektrické energie na pohon čerpadla 25 W 16

17 VÝSLEDKY Systém dohřev kwh/rok využité zisky kwh/rok solární podíl % FV MPPT off FV MPPT on FT FV systém bez sledování výkonu výrazně horší provoz oproti ideálnímu MPPT (cca o 40 % nižší produkce) nevhodně zvolený el. odpor DC tělesa FT systém s měrnými zisky nad 370 kwh/m 2.rok 17

18 PRŮBĚH ZISKŮ BĚHEM ROKU 18

19 NÁKLADY FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY BEZ SLEDOVAČE 65 tis. Kč FV panely, zásobník TV s DC tělesem, konstrukce na střechu, rozvaděč s ochranami, kabeláž 20 m Kč montáž Kč (?) FOTOVOLTAICKÝ OHŘEV VODY SE SLEDOVAČEM 90 tis. Kč navíc regulátor s MPPT Kč FOTOTERMICKÝ OHŘEV VODY 85 tis. Kč FT kolektory + příslušenství, nosná konstrukce, zásobník TV, čerpadlová skupina, regulátor, kapalina, potrubí, izolace Kč práce (elektro, instalace, doprava) Kč 19

20 EKONOMICKÉ POROVNÁNÍ cena energie cena elektřiny uvažována 2.5 Kč/kWh roční růst ceny 5 % cena vložených prostředků vlastní finance v bance s úrokem 0.1 % ostatní FT systém: po 5 letech výměna kapaliny FT systém: započtení spotřeby elektřiny na pohon čerpadla 20

21 EKONOMICKÉ POROVNÁNÍ 21

22 VLIV DOHŘEVU provoz při současném provozu AC topného tělesa (v obou systémech) AC těleso v provozu při poklesu pod 55 C (odběr ráno, odběr večer) snížení využitelnosti zásobníků v reálném systému FV ohřevu se zisky sníží více max. 85 C max. 85 C 55 C 55 C DC AC AC 22

23 VÝSLEDKY S VLIVEM DOHŘEVU Systém dohřev kwh/rok využité zisky kwh/rok solární podíl % FV MPPT off FV MPPT on FT FV systém bez sledování výkonu propad na téměř polovinu! FV systém se sledovačem výkonu snížení o 25 % FT systém snížení o 14 % adekvátně se zhorší návratnosti 23

24 POROVNÁNÍ VÝKONOVĚ STEJNÝCH SYSTÉMŮ FT systém s 4.5 m 2 solárních kolektorů (2 ks) FV systém s 19.7 m 2 polykrystalických panelů (12 ks), MPPT on instalovaný výkon 3.1 kw v obou variantách energetické zisky 1443 kwh/rok solární pokrytí 52 % výsledkem je o 30 % dražší FV systém než FT systém se stejnou užitečnou produkcí... s jakým DC tělesem? (výkon)... s jakým solárním zásobníkem? (objem) 24

25 OPTIMALIZACE ZÁTĚŽE U VARIANTY MPPT OFF 8 sériově zapojených FV panelů 250 W analýza při uvažování vlivu dohřevu 610 kwh/rok + 30 % pro jiný počet panelů, jinou konfiguraci panelů... jiný optimální el. odpor 25

26 OPTIMALIZACE FT SYSTÉMU návrh FT se 2 ks TS500 (4.5 m 2 ) je neúměrný k 200 l zásobníku 2 ks solárního kolektoru TS300 stejné charakteristiky, menší plocha (3.6 m 2 ) adekvátní zásobníku 200 l levnější kolektory o cca 5000 Kč ekonomické porovnání pro reálný provoz systémů s vlivem dohřevu optimalizovaný FV systém bez sledovače (vhodná zátěž 33 W) optimalizovaný FV systém se sledovačem optimalizovaný FT systém s menší plochou kolektorů 26

27 POROVNÁNÍ SYSTÉMŮ ZA REÁLNÉHO PROVOZU 27

28 ZÁVĚRY jednoúčelové FV systémy bez sledovače výkonového maxima jsou jednoduché, levné neúčinné, neekonomické i přes optimalizaci FV systémy se sledovačem konkurenceschopnější špatně řešené zásobníky jsou hlavním problémem inspirace u solární termických systémů 28

29 ZÁVĚRY využití FV elektřiny pro ohřev vody má smysl u kombinovaných systémů s měničem prioritní dodávka elektřiny pro uživatelskou spotřebu (spotřebiče) přebytky se využijí pro ohřev vody případně v kombinaci s tepelným čerpadlem zhodnocení elektrické energie zdroj: solarcontrols 29

30 ZÁVĚR jednoúčelové FV systémy bez sledovače výkonového maxima určené pouze pro ohřev vody v zásobníku mají velmi nízkou účinnost. optimalizací el. odporu lze stávající systémy zlepšit, ale ekonomicky zůstávají nekonkurenschopné tradičním fototermickým systémům. FV systémy se sledovačem (MPPT) jsou konkurenschopnější, nicméně nevhodná poloha dohřevu snižuje jejich potenciál. Snaha o spravedlivější hodnocení prostřednictvím srovnávání stejně výkonných systémů (stejný instalovaný výkon) vede sice k identickým tepelným přínosům a stejnému solárnímu pokrytí, avšak o 30 % dražším FV systémem než je fototermický. Využití FV elektřiny pro ohřev vody má smysl především u kombinovaných systémů s měničem pro dodávku elektřiny pro spotřebiče a přebytky využitými pro ohřev vody. 30

31 Kombinace FV systému a tepelného čerpadla pro účely vytápění a přípravy teplé vody

32 DŮM energeticky pasivní rodinný dům Hamry u Hlinska tepelná ztráta 4.5 kw, vytápěná plocha 190 m2, objem 935 m3 potřeba tepla na vytápění 3400 kwh/rok, teplá voda 3060 kwh/rok podlahové vytápění 40/35 C, větrací jednotka, atd. 32

33 DŮM 33

34 DŮM teplota odběru 45 C denní množství 206 l/den 34

35 REFERENČNÍ SYSTÉM tepelné čerpadlo se zemním vrtem TČ země-voda bez regulace výkonu s výkonem 5 kw kombinovaný zásobník objem 900 l, UA = 3.5 W/K, konvenční trubkový výměník pro TV s plochou 6 m2 FV systém 6 kwp, sklon modulů = sklon střechy nabíjení kombinovaného zásobníku horní část příprava teplé vody: 50 C (požadavek TV 45 C) dolní část vytápění: podle ekvitermy 35

36 REFERENČNÍ SYSTÉM 550 kwh 7040 kwh 3060 kwh 3430 kwh 2250 kwh 200 kwh = 2450 kwh SPF =

37 REFERENČNÍ SYSTÉM FV systém 550 kwh 7040 kwh 3060 kwh 3430 kwh 2250 kwh 200 kwh = 2450 kwh SPF =? 37

38 ANALÝZA REFERENČNÍHO SYSTÉMU + FV SYSTÉM Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kwh/rok] Roční topný faktor systému [-] Krytí spotřeby FV elektřinou [%] Využití produkce FV elektřiny [%] Varianta bez FV Varianta 1 kw p (4 moduly) Varianta 3 kw p (12 modulů) Varianta 6 kw p (24 modulů)

39 DETAIL LÉTO 39

40 DETAIL ZIMA 40

41 ADAPTIVNÍ SYSTÉM přizpůsobování provozu systému s TČ produkci FV systému při překročení prahové hodnoty výkonu FV systému (pro provoz pouze na energii z FV systému) přestavení termostatu ohřevu zásobníku na vyšší hodnotu = nucené zapnutí tepelného čerpadla teplo produkované tepelným čerpadlem ze bez použití elektřiny ze sítě akumuluje v zásobníku pro pozdější využití FV systému 6 kwp, prahová hodnota aktuálního výkonu FV systému pro adaptivní regulaci 2 kw 41

42 ADAPTIVNÍ SYSTÉM varianta FV-TV v zóně přípravy teplé vody v horní části zásobníku se zvýší požadavek z 50 C na 60 C a navíc se jako čidlo ohřevu využije čidlo v blízkosti vratného potrubí (zvětší se ohřívaný objem zásobníku) varianta FV-VYT v zóně ohřevu otopné vody pro vytápění v dolní části zásobníku se zvýší požadovaná teplota na 50 C 42

43 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-TV 43

44 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-TV (LÉTO) 44

45 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-TV (ZIMA) 45

46 VÝSLEDKY Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kwh/rok] Roční topný faktor systému [-] Varianta FV-TV Krytí spotřeby FV elektřinou [%] 39 Využití produkce FV elektřiny [%] 17 46

47 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-VYT 47

48 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-VYT (LÉTO) 48

49 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-VYT (ZIMA) 49

50 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-VYT (ZIMA-DENNÍ PRŮBĚH) 50

51 ADAPTIVNÍ SYSTÉM VARIANTA FV-VYT (ZIMA-DENNÍ PRŮBĚH) 51

52 VÝSLEDKY Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kwh/rok] Roční topný faktor systému [-] Varianta FV-TV Varianta FV-VYT Krytí spotřeby FV elektřinou [%] Využití produkce FV elektřiny [%]

53 SYSTÉM ZERO tepelné čerpadlo s venkovním vzduchovým výměníkem a zemním zásobníkem TČ země-voda s regulací výkonu 1.5 až 5 kw (příkon 0.5 až 1.5 kw) kombinovaný zásobník objem 900 l, UA = 3.5 W/K, trubkový výměník pro TV s plochou m2, dělicí plech mezi zónami FV systém 6 kwp, sklon modulů = sklon střechy nabíjení kombinovaného zásobníku horní část příprava teplé vody: 46/42 C při provozu FV 60 C, zvětšení nabíjeného objemu dolní část vytápění: podle ekvitermy 53

54 SYSTÉM ZERO 54

55 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 55

56 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 56

57 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 57

58 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 58

59 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 59

60 REALIZACE ZEMNÍHO ZÁSOBNÍKU V HAMRECH 60

61 NABÍJENÍ ZÁSOBNÍKU POD BUDOVOU březen červen září prosinec 61

62 TEPLOTA V ZEMNÍM ZÁSOBNÍKU POD BUDOVOU 62

63 VÝSLEDKY energetická bilance dodávka do domu: kwh/rok + ztráty zásobník 670 kwh/rok spotřeba elektrické energie TČ + pomocné 3558 kwh kwh 4028 kwh/rok využitá elektrická energie z FV systému pro pohon kwh/rok celková spotřeba el. energie systému 1374 kwh/rok SPF =

64 SEZÓNNÍ TOPNÝ FAKTOR SYSTÉMU 64

65 VÝSLEDKY Parametr Spotřeba elektrické energie ze sítě [kwh/rok] Roční topný faktor systému [-] Varianta FV-TV Krytí spotřeby FV elektřinou [%] 66 Využití produkce FV elektřiny [%] 44 využití OZE 79 % > slíbených 70 % měrná primární energie 22 kwh/m2.rok < 30 kwh/m2.rok 65

66 BILANCE ELEKTRICKÉ ENERGIE 66

67 67