Marcin Bugaj

Research methodology for flexible hybrid photovoltaic thermal solar collectors

Abstract:

Prawdą jest, iż udział energetyki słonecznej w strukturze wytwórczej przyrasta, szczególnie w przypadku państw rozwiniętych. Stanowi ona także coraz częstszy wybór dla odbiorców indywidualnych zachęconych dofinasowaniem z programów wsparcia, np. Unii Europejskiej. Z racji rozwoju segmentu transportu elektrycznego oczywistym następstwem stały się próby powiązania rozwiązań energetyki słonecznej z konstrukcjami samochodów, samolotów, czy też statków. Ponadto utrzymuje się tendencja integracji elementów fotowoltaicznych, kolektorów słonecznych oraz układów hybrydowych z elementami budynków. Działania te wymuszają zastosowanie wybranych technologii energetycznych w konfiguracji dopasowanej z krzywizną danego elementu, np. dachu samochodu. Ponadto integracja elementów fotowoltaicznych zwiększa temperaturę ich pracy co wpływa negatywnie na ich efektywność i wymusza wprowadzenie aktywnych systemów chłodzenia. Finalnie, aspekty te prowadzą do potrzeby skonstruowania elementów dostosowywalnych do danego kształtu przy jednoczesnym połączeniu technologii fotowoltaicznych i termicznych. Stwarza to przestrzeń dla nowego rozwiązania konstrukcyjnego z zakresu energetyki słonecznej. Wymusza także określenie metodyki badawczej oraz sposobu modelowania zmiany parametrów energetycznych tego urządzenia w zależności od kąta i sposobu jego ugięcia. Autor przedstawia w swej pracy prototyp elastycznego fotowoltaiczno-termicznego kolektora słonecznego (FPVT – z j. ang. Flexible Photovoltaic Thermal Solar Collector). Według jego najlepszej wiedzy nie opublikowano przed autorem badań traktujących o tego typu konstrukcji.

Podjęto wysiłek stworzenia metodyki wraz ze współczynnikami, które niezależnie od technologii elastycznych urządzeń energetyki słonecznej pozwolą na wykonywanie powtarzalnych badań przez dowolne laboratorium na świecie oraz klasyfikację i porównywanie danych rozwiązań pod kątem efektywności energetycznej. W pracy zidentyfikowano wpływ warunków brzegowych procesu badawczego wykonywanego w laboratorium pod symulatorem słonecznym trybu ciągłego na możliwości oceny efektywności energetycznej FPVT. Odniesiono się do kwestii niedopasowania spektrum przy badaniach technologii FPVT. Określono sposób symulowania opływu powietrzem elastycznych urządzeń przez wiatr. Porównano rozkład rzeczywistego natężenia promieniowania słonecznego przy uwzględnieniu profilu ugięcia FPVT z tym uzyskanym pod symulatorem słonecznym. Ponadto opracowano metodykę powtarzalnego gięcia oraz zdefiniowano kąt ugięcia oraz sposób jego pomiaru. Określono ograniczenia odnośnie maksymalnych wymiarów urządzeń możliwych do zbadania z wykorzystaniem proponowanej procedury badawczej.

Autor dokonał weryfikacji własnej metodyki przeprowadzając szereg badań. Uzyskał on wyniki pozwalające na stwierdzenie, iż jest ona powtarzalna. Ponadto rezultaty z eksperymentów pozwoliły na stworzenie równań empirycznych opisujących zmianę sprawności oraz mocy danej technologii elastycznych urządzeń energetyki słonecznej. Autor przedstawił także walidacje modelu numerycznego opisującego zmianę parametrów elektrycznych oraz termicznych FPVT. Wykazał on, iż wartości uzyskane z pomiaru natężenia promieniowania w płaszczyźnie zgodnej z jednym, określonym fragmentem zakrzywionego kolektora pozwalają na uzyskanie zgodności modelu z eksperymentem z różnicą wyników poniżej 5% dla przypadków pracy ze stratami cieplnymi. Ponadto, wykorzystał on z powodzeniem do symulacji pracy części termicznej FPVT liczby podobieństw oraz wzory kryterialne wykorzystywane przy modelowaniu kolektorów płaskich.

Uzyskane rezultaty pozwolą na szybszą integracje oraz szersze wykorzystanie technologii elastycznych i zakrzywionych urządzeń energetyki słonecznej w nowych obszarach techniki. Ponadto umożliwią optymalizację projektów instalacji energetycznych prowadzącą do poprawy ich efektywności. Stwarzają one warunki do oceny i porównania poszczególnych produktów, a także dają narzędzie do eksperymentalnej i symulacyjnej klasyfikacji konstrukcji przez wyspecjalizowane laboratoria badawcze.