Fotowoltaika na wentylowanej elewacji (fasadzie)

Coraz częściej słyszymy o zintegrowanych technologiach zwiększających wydajność brył budynków, zmniejszając ich zużycie energii. Zastosowanie tych technologii ma wiele zalet z różnych punktów widzenia. Dowiedz się na czym polega integracja systemu fotowoltaicznego na wentylowanej elewacji i jakie korzyści daje to rozwiązanie.

Zwiększanie wydajności brył budynków - zalety

• Korzyści operacyjne: mniej komponentów do zainstalowania, skrócenie czasu instalacji, nawet jeśli wymagane są bardziej złożone/delikatne procedury;
• Korzyści ekonomiczne: oszczędność czasu instalacji może zrównoważyć dodatkowe koszty związane z dostawą tych technologii;
• Korzyści funkcjonalne: maksymalizacja powierzchni instalacji i optymalizacja wydajności.

Skupimy się na tym ostatnim aspekcie: prawidłowa integracja technologiczna umożliwia wykorzystanie cech technologii w celu zmniejszenia krytyczności innej technologii, z którą jest zintegrowana. Tak właśnie dzieje się w przypadku fasad wentylowanych fotowoltaicznie.

Elewacje (fasady) wentylowane - czym są i jak działają?

Elewacje wentylowane to szczególny rodzaj suchych przegród zewnętrznych, które można montować zarówno w nowych budynkach, jak i przy przebudowie energetycznej. Składają się z wewnętrznej struktury (nieprzezroczystej lub szkliwionej), ewentualnej warstwy izolacyjnej (obecnej, w której struktura wewnętrzna jest nieprzezroczysta), pustej przestrzeni i zewnętrznej warstwy powłoki.

Obecność przestrzeni pośredniej stanowi klucz do jej działania. W rzeczywistości wewnątrz komory powstają ruchy konwekcyjne (naturalne lub wymuszone, jeśli występuje wentylator), które przyczyniają się do poprawy wydajności energetycznej powłoki. Działanie różni się również między zimą a latem.

• W okresie letnim promieniowanie słoneczne padające na zewnętrzną warstwę wykończeniową powoduje wzrost temperatury wewnątrz szczeliny powietrznej, co z kolei powoduje tzw. efekt komina. Chłodniejsze powietrze wchodzi od dołu, przegrzewa się i poprzez ruchy konwekcyjne unosi się w górę, skąd wychodzi z elewacji zabierając ze sobą ilość pochłoniętego ciepła. W konsekwencji temperatura ścianki wewnętrznej jest obniżona;
• W okresie zimowym efekt komina jest bardzo ograniczony, ponieważ ciepło padające na powierzchnie jest raczej niskie (szczególnie w przypadku zachmurzonego nieba). Ruchy konwekcyjne powstają raczej wewnątrz samej wnęki, tworząc swego rodzaju poduszkę powietrzną, która utrzymuje równowagę temperatury ściany po stronie wewnętrznej, co w konsekwencji zmniejsza problemy związane z wilgocią i kondensacją powierzchniową. Możliwe jest również zapewnienie otworów pomiędzy środowiskiem wewnętrznym a wnęką w taki sposób, aby wykorzystać powietrze, które przegrzewa się wewnątrz wnęki, do wstępnego ogrzania samego środowiska.

Krótko mówiąc, jednym z głównych celów elewacji wentylowanych jest odprowadzanie ciepła nagromadzonego w szczelinie powietrznej.

Panele fotowoltaiczne

Często przy wyborze panelu fotowoltaicznego bierze się pod uwagę następujące cechy:

• Moc szczytową (Wp) lub moc nominalną [kWp], czyli maksymalną moc elektryczną, jaką panel fotowoltaiczny jest w stanie wytworzyć w standardowych warunkach testowych określonych przez normy IEC/EN 60904 (napromieniowanie słoneczne 1000 W/m², temperatura komórki o temperaturze 25°C i rozkładzie widmowym AM = 1,5, tj. w pozycji, w której słońce tworzy z zenitem kąt 48°).
• Sprawność fotowoltaiczną [%], zdefiniowaną jako stosunek mocy wyjściowej z paneli do mocy promieniowania słonecznego, które trafia na powierzchnię modułu i określa ilość promieniowania słonecznego, która jest faktycznie zamieniana na użyteczną energię elektryczną.

Wydajność paneli fotowoltaicznych - istotne parametry techniczne

Zależy od rodzaju panelu, a jako odniesienie można przyjąć następujące wartości:

• Panele fotowoltaiczne z krzemu monokrystalicznego: 17% - 20%;
• Panele fotowoltaiczne z polikrystalicznego krzemu: 16%;
• Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne CIS (miedź, ind, selen): 15%;
• Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne z tellorkiem kadmu (CdTe): 13%;
• Panele fotowoltaiczne z krzemu amorficznego: 8%;
• Półprzezroczyste panele fotowoltaiczne: 12%.

Wiadomo jednak, że wydajność paneli fotowoltaicznych silnie zależy od temperatury pracy (optymalna praca to około 25°C). W związku z tym istnieją co najmniej dwa inne podstawowe parametry, aby poprawnie ocenić potencjał panelu fotowoltaicznego, które uwzględniają rzeczywiste warunki pracy paneli:

• Normal Operating Cell Temperature (NOCT), czyli temperatura jaką ogniwo fotowoltaiczne przyjmuje w "nominalnych" warunkach pracy (naświetlenie 800 W/m², temperatura otoczenia 20°C, prędkość powietrza z tyłu modułu 1 m/s oraz kąt padania światła słonecznego 45°). Innymi słowy, NOCT to zdolność komórki do rozpraszania ciepła: panele z niższymi NOCT będą pracować w niższych temperaturach, co spowoduje mniejsze straty wydajności spowodowane wzrostem temperatury;
• Współczynnik temperaturowy mocy maksymalnej [%/°C], zwany również współczynnikiem cieplnym, wskazuje procentową zmianę mocy maksymalnej na każdy 1°C zmianę temperatury panelu w stosunku do nominalnej 25°C. W związku z tym określa, ile mocy jest tracone lub zyskiwane z powodu zmian temperatury. Jest to współczynnik ujemny, który generalnie waha się od -0,35 do -0,5%/°C. Im niższa wartość bezwzględna tego współczynnika, tym lepsza wydajność w wysokich temperaturach.

W rzeczywistych warunkach pracy temperatura ogniw może nawet przekroczyć 70°C, w związku z czym obserwowalny wpływ na redukcję rzeczywistej mocy szczytowej jest jeszcze bardziej widoczny. Wynika z tego, że konieczne jest zapobieganie nadmiernemu przegrzewaniu się paneli, aby nie zmniejszać ich wydajności.

Kolejnym bardzo ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy określaniu całkowitej mocy systemu i rodzaju instalowanych modułów, jest orientacja paneli fotowoltaicznych. Im bardziej promienie słoneczne są prostopadłe do powierzchni samego panelu, tym większa będzie zdolność produkcji energii. Z tego powodu idealna orientacja jest skierowana na południe, z nachyleniem panelu (kąt nachylenia), które zmienia się w zależności od szerokości geograficznej, co można ocenić na podstawie następującej zależności:

Elewacje (fasady) wentylowane fotowoltaiczne

Instalacja paneli fotowoltaicznych na elewacji wentylowanej pozwala mieć znacznie większą powierzchnię niż tylko dostępne montażu na dachu, ale oczywiście nie wszystkie fasady wentylowane na fotowoltaikę się nadają. Przede wszystkim należy zauważyć, że panel montowany pionowo jest w stanie wychwycić i zaabsorbować znacznie mniej promieniowania słonecznego niż panel montowany na dachu, zwłaszcza jeśli jest odpowiednio zorientowany (możliwość zmniejszenia wydajności nawet o prawie 70% na dużych szerokościach geograficznych) - dlatego ważne jest, aby prawidłowo zidentyfikować fasadę, na której należy zainstalować fotowoltaikę , aby uniknąć dalszych spadków wydajności. Elewacje muszą być na przykład zorientowane na południe, wolne od balkonów lub nawisów zacieniających w jak największym stopniu i wolne od przeszkód zewnętrznych.

Jak już napisano wcześniej, jedna z zalet związanych z wykorzystaniem technologii zintegrowanych wiąże się z możliwością wykorzystania cech charakterystycznych systemu w celu zmniejszenia krytyczności drugiego systemu, z którym jest on połączony, optymalizując jego wydajność. I tak właśnie jest w przypadku fasad wentylowanych fotowoltaicznie.

Potencjał tych rozwiązań spowodował, że zostały one pogłębione w studiach i projektach badawczych o charakterze naukowym i międzynarodowym. Bez wchodzenia w szczegóły, poniżej przedstawiono główne zalety, które można znaleźć dzięki prawidłowej integracji elewacji wentylowanych (nieprzezroczystych lub przezroczystych) z systemem fotowoltaicznym.

Gdy na elewacji znajdują się panele fotowoltaiczne, ciepło akumulowane wzdłuż ich pleców jest większe niż to, które akumulowałoby się przy zewnętrznej warstwie licowej, ze względu na obecność czarnych lub bardzo ciemnych ogniw krzemowych. Wyższe ciepło oznacza wyższe temperatury powierzchni, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia produkcji energii elektrycznej.

Na zdolność rozpraszania ciepła duży wpływ ma również tylna warstwa panelu fotowoltaicznego (szczególnie w przypadku cienkich paneli warstwowych). Zwiększając przewodność cieplną tej warstwy nośnej zwróconej ku przestrzeni pośredniej, uzyskuje się większe rozpraszanie ciepła. Należy zauważyć, że tzw. "efekt kominowy" odpowiedzialny za konwekcyjne ruchy rozpraszające jest tym większy, im większe jest promieniowanie słoneczne, a więc gdy ciepło zgromadzone we wnęce z tyłu panelu jest również większe.

Artykuł powstał we współpracy z abenergy.com.pl.