Fereastra - Portal de afaceri - revista de specialitate pentru furnizorii de sisteme si producatorii de tamplarie din PVC, Aluminiu si lemn stratificat cu geam termoizolant. Aici gasiti informatii utile despre: ferestre, usi, pereti cortina, termopane, geam termopan, etc.

Deoarece modulele fotovoltaice integrate in fatada (BIPV) se incalzesc foarte mult, ceea ce le reduce randamentul, au fost dezvoltate panouri de fatada cu PV si materiale cu schimbare de faza (PCM). Acestea din urma absorb o cantitate semnificativa de energie termica in timpul tranzitiei de la starea de agreare (faza) solida la cea lichida, mentinand in acelasi timp o temperatura specifica de topire. Sistemul respectiv raceste PV si asigura majorarea randamentului electric. Studiile numerice asupra fatadelor calde PV-PCM fara ventilatie din spate au lipsit pana in prezent si, de aceea, pentru modelarea necesara teoretizarii sistemului a fost dezvoltat si validat un model de simulare termica si electrica. Ulterior, acesta a fost utilizat pentru a analiza cresterea randamentului a doua tipuri de dispozitive orientate spre est, sud si vest. Datele culese au indicat o crestere anuala a randamentului de la 1,2% la 8,5% pentru modulele fotovoltaice monocristaline. Totodata, s-a constatat o majorare a randamentului lunar cuprinsa intre 8% si 11,3%. Studiul mai indica necesitatea unei selectii atente a tipului si cantitatii de PCM. 

 

Intrucat cladirile reprezinta aproape 40% din consumul total de energie in Europa, constructiile noi, realizate incepand cu 2021, trebuie sa prezinte un consum energetic aproape nul (NZEB) in Uniunea Europeana. Aceste NZEB-uri sunt cladiri eficiente din punct de vedere energetic, care se aprovizioneaza prin intermediul unor resurse regenerabile disponibile la nivel local, pentru a reduce consumul de electricitate. Sistemele BIPV constituie solutii excelente pentru a realiza acest lucru, deoarece furnizeaza energie regenerabila la fata locului. Expertii au determinat un potential fotovoltaic (PV) teoretic de 37.700 kmp de suprafete utilizabile de cladiri cu iradiere suficienta, pentru aplicatii BIPV pentru 2015 in Germania . Circa 65% (24.505 kmp) din aceste suprafete sunt fatade cortina. Avand in vedere iradierea, tehnologiile fotovoltaice actuale si eficienta instalatiei, se poate genera un potential electric teoretic de 2.923 TWh cu intregul potential BIPV. Mai mult de 44% (1.286 TWh) din aceasta poate fi generata prin aplicatii de fatada. Acest potential teoretic ar fi suficient pentru a alimenta dublul cererii totale de energie electrica a Germaniei in 2019, care s-a ridicat la 575 TWh. Cu toate acestea, numarul real de aplicatii BIPV pe fatade in prezent este inca scazut. In 2017, ponderea aplicatiilor BIPV in numarul total de instalatii fotovoltaice din Europa a fost estimata la 2%. Proportia destul de mica este cauzata cel mai probabil de unele dintre dezavantajele utilizarii PV pe fatade. Pe langa iradierea mai scazuta in comparatie cu modulele fotovoltaice inclinate, posibilele situatii de umbrire si pierderile de reflexie mai mari, cuplarea termica cu cladirea este un factor decisiv, care trebuie luat in considerare la planificarea BIPV. In ceea ce priveste cuplarea termica la cladire, se poate realiza o diferentiere intre fatadele calde si cele reci, care difera prin amplasarea lor si cuplarea termica a stratului exterior al fatadei. In consecinta, fatadele ventilate in zona posterioara sau peretii cortina de tip double-skin sunt numite structuri reci, deoarece placarea fatadei este ventilata si decuplata termic. Constructiile de pereti cu sisteme compozite de izolare termica, din categoria montanti-traverse sau modulare sunt considerate fatade calde, deoarece placarea fatadei este in contact cu interiorul "cald" al cladirii. Modulele fotovoltaice montate independent se incalzesc cu pana la 22 K peste temperatura ambianta. Datorita scaderii performantelor fotovoltaice odata cu sporirea temperaturii, randamentul anual al acestor sisteme este diminuat cu 2,0% fata de un sistem fotovoltaic care functioneaza permanent in conditii optime. Pentru fatade reci bine ventilate, se ating temperaturi de pana la 35 K peste temperatura mediului ambiant, de unde rezulta o scadere de 6% a randamentului electric anual. Integrarea constructiva a modulelor fotovoltaice in zonele opace ale peretilor cortina calzi, cum ar fi retelele de montanti-traverse sau modulele de fatade, asigura la temperaturi de pana la 55 K peste temperatura ambientala, din cauza lipsei ventilatiei din spate. Astfel, randamentul electric anual se micsoreaza cu 10,5%. Din acest motiv, integrarea fotovoltaica in fatadele respective este, de regula, considerata nerecomandabila, chiar daca vine cu o serie de beneficii constructive: geamurile sunt sustinute liniar pe toate laturile, cutia de jonctiune si cablurile sunt ascunse in structura, iar dimensiunile uzuale ale acesteia ofera o mai mare eficienta a costurilor, prin productia in serie a panourilor. 

 

O modalitate de a reduce temperatura PV pe fatade si de a creste randamentul electric este aceea de a combina modulele fotovoltaice cu materiale cu schimbare de faza (PCM). PCM-urile absorb foarte multa energie in timpul schimbarii starii de agregare, mentinand in acelasi timp temperatura de topire si, astfel, pastrand PV rece si, implicit, eficienta electrica ridicata. Cand mediul se raceste si PCM atinge temperatura de inghet, materialul se solidifica si se recristalizeaza din nou, in timp ce transfera energia termica in mediu. Integrarea PV si PCM in fatada nu este o noutate, o serie de experti internationali dezvoltand deja modele numerice termice, care au fost validate prin raportarea la rezultate experimentale. Aceste modele au oferit posibilitatea de a reproduce procesul de topire si comportamentul termodinamic al PCM-urilor. Un sistem tranzitoriu unidimensional, bazat pe metoda entalpiei, a fost validat si folosit pentru a analiza comportamentul termic al unei fatade ventilate PV-PCM de tip double-skin. In functie de strategia de ventilatie in fatada dubla, s-a evidentiat un efect pozitiv al PCM asupra sarcinilor de racire si incalzire. Alte constructii similare de fatada cu sisteme PV-PCM cu ventilatie in zona posterioara au fost analizate numeric, precum si prin intermediul unor studii experimentale. Alti cercetatori au combinat un modul PV cu o placa de gips PCM si un spatiu de ventilatie intre ambele componente, pentru a preincalzi aerul si, implicit, intregul spatiu. In fine, au existat experti care au analizat un sistem similar, in care containere PCM din aluminiu sunt atasate la partea din spate a modulelor PV, in vreme ce alti specialisti au prezentat studii numerice aferente unui sistem de patru PCM organice, cu ventilatie identica, incapsulate in structuri de tip fagure de aluminiu. Acestia au concluzionat ca datele climatice dinamice, amplasamentul si orientarea sistemului PV-PCM sunt decisive pentru alegerea corecta a temperaturii specifice de topire si, prin urmare, pentru alegerea unui anumit tip de PCM. In prezent, exista inca dificultati in alegerea tipului potrivit de PCM in functie de amplasamentul cladirii. 

 

Principalul obiect actual al cercetarilor se concentreaza pe fatadele PV-PCM cu ventilatie din spate (fatade reci), care folosesc PCM atat pentru a conditiona aerul pentru incalzirea cladirilor, cat si pentru a creste randamentul PV. Pentru unul dintre aceste sisteme, inginerii au determinat o crestere medie anuala a randamentului PV de 0,25% prin utilizarea PCM. Motivul acestei majorari modeste ar putea fi constituit de conditiile de temperatura deja favorabile ale PV in sistemele cu ventilatie spate. Un efect mai semnificativ al PCM-urilor si o sporire mai accentuata a randamentului pot fi obtinute prin adaugarea de PCM in fatadele calde PV. In situatia respectiva, sistemul de baza atinge temperaturi mai ridicate, ceea ce reduce randamentul electric anual cu 10,5%, Pierderile mai mari ofera practic mai mult potential de compensare cu ajutorul PCM. Cercetatorii au dezvoltat si monitorizat un sistem de fatada in sistem montanti-traverse care combina module fotovoltaice cu PCM incapsulat. Monitorizarea sa din martie pana in octombrie a aratat o crestere a eficientei de 3,4% pentru modulele fotovoltaice cu telurura de cadmiu (CdTe), de tip "thin film" (cu pelicula subtire). Pentru modulele fotovoltaice cristaline, avansul este de doua ori mai mare. La momentul actual, lipsesc studii suplimentare referitoare la influenta PCM-urilor asupra cresterii randamentului PV al fatadelor calde. De asemenea, sunt destul de putine informatiile cu privire la selectia specifica locatiei, a tipului si a cantitatii potrivite de PCM. Noile eforturi de cercetare ar putea contribui insa in viitor la cresterea numarului de aplicatii fotovoltaice pentru fatade.

 

In continuare, este studiata cresterea fezabila a randamentului si analizati factorii de influenta specifici fatadei ai fatadelor calde PV-PCM, fara ventilatie. Prin ipoteza, de considera ca elementele PCM sunt montate pe partea din spate a modulelor PV, dupa care este prevazut un strat performant de termoizolatie. Trebuie precizat faptul ca diferitele PCM variaza in functie de punctul specific de topire. Practic, entalpia se modifica in functie de variabila respectiva, iar efectul asupra temperaturii modulelor fotovoltaice este vizibil. Punctul de topire al PCM-urilor defineste, asadar, intervalul de temperatura in care entalpia creste, iar proprietatea de racire este utilizabila in scopul declarat. Pentru a analiza comportamentul termic, a fost dezvoltat un model de entalpie dinamica pentru integrarea in aplicatiile software de simulare termica. In ipotezele de baza, modificarea energiei interne a unui corp este proportionala cu variatia temperaturii si cu masa corpului, care de obicei ramane constanta, fiind descrisa de capacitatea termica specifica CP, masurata in J/kgK , iar energia interna U depinde de masa m, de capacitatea termica specifica cp si de temperatura T. Astfel, pentru a modela schimbarea brusca a energiei interne in timpul tranzitiei starii de agregare a PCM, functia capacitatii termice specifice a unui material standard a fost practic schimbata. Decalajul obtinut reproduce modificarea energiei interne a PCM-urilor in timpul topirii respectiv solidificarii. Pentru a crea aceasta functie, caracteristicile termice indicate pe fisele de date PCM ale furnizorilor au fost introduse in modelul de material PCM, iar modificarile energiei interne au fost determinate treptat. Pe langa parametrii tipici ai materialelor, cum ar fi densitatea, capacitatea termica specifica si conductibilitatea termica, functia pentru comportamentul de stocare termica este implementata intr-un fisier material al software-ului de simulare termica. Calculul randamentului electric se bazeaza pe modelul cu o singura dioda. Pentru a reflecta relatia dinamica dintre curentul si tensiunea modulelor fotovoltaice, este necesara definirea precisa a curbei caracteristice tensiune-curent. Datele curente indica trei puncte speciale pe curba respectiva: curent de scurtcircuit, tensiune in circuit deschis si punctul de putere maxima. Ulterior se foloseste un sistem de ecuatii pentru a determina parametrii necesari pentru calcularea valorilor dinamice ale curentului si tensiunii. Curba dinamica curent-tensiune poate fi apoi conturata complet, fapt ce permite calculul puterii electrice la moment, in functie de temperatura si iradiere. Parametrii in cauza sunt furnizati prin intermediul aplicatiei de simulare termica, care utilizeaza date din fisierele climatice.

 

Pentru a analiza efectul diferitelor PCM si cantitatile necesare asupra productiei de electricitate a fatadelor calde PV orientate diferit, a fost utilizata o capsula cu aripioare, pentru o asigura o suprafata de contact termic mai mare cu PCM. Modelul nu include structura de montant-traversa intrucat studiile anterioare au determinat faptul ca influenta sa asupra rezultatelor este mai mica de 0,5%, eludarea reducand semnificativ timpul de simulare. Calculele randamentului electric au luat in considerare un modul fotovoltaic format din 60 de celule de siliciu monocristalin pentru care mai intai a fost testata functionalitatea corespunzatoare a celor trei modele alese. Simularea termica si modelul materialului au fost comparate cu rezultatele experimentale. Ulterior, au fost efectuate simulari de randament cu date climatice medii, pe termen lung pentru doua tipuri de PCM. Pentru validarea modelului de simulare termica, a fost dezvoltat un model de simulare a unei fatade PV fara PCM si comparat cu valorile reale de monitorizare de la o fatada reala. In concluzie, se poate afirma ca fatadele calde PV-PCM asigura o crestere semnificativa a randamentului PV anual mediu, iar aceasta face ca utilizarea respectivului sistem sa fie atractiva, cu conditia dimensionarii sale atente, pentru a optimiza cantitatea de PCM.