Utveckling av Byggnadsintegrerade Solenergisystem för Energieffektiva Hus

Abstract

A PV/T collector has been developed and evaluated at the department of Energy and Building Design at the Technical University of Lund, LTH in Sweden. The PV/T, a “solar window” made of PV cells laminated on solar absorbers is placed in a window behind the glazing. The solar window is built into a single family house, Solgården, in Älvkarleö outside Gävle in the eastern part of Sweden. To reduce the costs of the solar electricity reflectors have been placed in the construction to focus light onto the solar cells. In this way expensive solar cells can be replaced by considerably cheaper reflector material. The tiltable reflectors give the user a possibility to control the amount of sunlight being let into the building. The reflectors can also be used to reduce the thermal losses through the window.

A calculation model for electricity and hot water production was created. The simulation program, in Excel, can perform yearly energy simulations where different effects such as shading of the cells or the glazing effects can be included or excluded. The simulation can be run with the reflectors in an active, up right, position or with the reflectors in a passive, horizontal, position. The simulation programme was calibrated against a prototype window placed in Lund in the south of Sweden and against the solar window in Solgården Älvkarleö. The calculation model serves as a basis for the module written for the simulation program TRNSYS. A “TRNSYS-deck” was built and calibrated for the building Solgården. The energy balance for the system shows that the control of the reflectors is of great importance. A good control strategy for the reflectors can lower the annual energy demand and improve the indoor climate. A control mechanism that incorporates the indoor and outdoor temperatures can for instance decide to open the reflectors during summer nights to cool the building.

Yearly simulations of the energy balance for a house with the solar window was compared to simulations where the 16 m2 solar window was replaced with a 8 m2 normal window. The results show the annual amount of auxiliary is lower with a developed solar window compared to the normal window case. The developed solar window has considerably lower U-values than the existing solar window. A simulation was run to investigate the over heating of the building using different control strategies for the reflectors. The simulation was also run for the normal window. The results show that the reflectors of the solar window work fine as a sun shade, keeping the overheating to a minimum. A normal window has to be supplemented with a sun shade of some kind to keep the over heating during the summer on an acceptable level.

An Improvement of the solar window that can be of great importance is to add some sort of low-e coating on the glazing to reduce the U-value even further. However, it must be taken into account that the transmittance of the glazing will be affected in a negative way if low-e coating is added. Lower transmission means lower electricity and hot water production. Other improvements that can be made are better insulation of the reflector and the absorber. The most important way to improve the annual electricity production is to use better solar cells. Today cells of standard quality with an efficiency of about 16-17% can be obtained. The electric system at Solgården is built up around a battery bank that can be charged from the solar window, the Stirling generator or from the grid. To have continuous power for some time during a black out and also the relatively low fuse that is needed for the house are two advantages with this system. Simulations show that the day to day storage of electricity in the batteries evens out the power peaks from the load and the electric production, and that further storage is of limited use. Simulations show that the production of electric energy from a combination of solar cells and a Stirling generator is in good agreement with the load during the full year.

Solgårdens two parallel electric systems, 230 V and 12 V, has many advantages such as electric security and low energy consumption. To save electric energy is of extra interest when solar cells are used as an energy source. Due to the high price for solar cells large energy saving investments ought to be made before a solar cell installation is economically interesting. To move the energy use from electricity to hot water use is profitable for a stand alone house since solar heating and bio fuel is considerably cheaper compared to solar electricity. Tumble driers, washing machines and dishwashers can for instance use a circulating hot water system instead of electricity in order to minimize the electric use. Normally the energy balance between produced electric energy and produced thermal energy is in better agreement if hot water is used instead of electric energy. Other important investments to make the electric usage more efficient are to use low energy light bulbs and modern kitchen appliances, pumps, fans and computers. This can save as much as 80% of the electricity compared to old standard techniques.

Solgården is in practice working with the main fuses of the sizes of 3-4 A only. This can be accomplished because of the battery bank and since no equipment with a high current demand is connected to the power system.

A high slope of the PV-modules has the advantage that the power during the summer is decreased. On the other hand a module tilt of 45° is to prefer both from an energy and a power view. A 45° tilted module gives a higher annual output in kWh per monitored kWp than a vertical module.

Abstract (Swedish)

En solfångarhybrid har utvecklats och utvärderats på avdelningen för Energi och ByggnadsDesign på Lunds Tekniska Högskola, LTH. Solfångarhybriden, ”Solfönstret”, består av solcellslaminerade absorbatorer placerade i ett fönster bakom glasrutorna. Solfönstret finns byggt i ett enfamiljshus, Solgården, i Älvkarleö utanför Gävle. För att minska investeringskostnaderna för solel har reflektorer placerats i konstruktionen för att fokusera ljus på solcellerna. På så vis ersätts de dyra solcellerna med betydligt billigare reflektormaterial. Reflektorerna som är fällbara ger användaren en möjlighet att kontrollera mängden insläppt solljus. Likaså kan reflektorerna stängas för att minska värmeförlusterna genom fönstret.

En beräkningsmodell för el och värmeutbyte har tagits fram. Beräkningsprogrammet, skrivet i Excel, tillåter årssimuleringar av energi där olika effekter, så som skuggning av celler och glasningens inverkan kan inkluderas eller exkluderas. Simuleringar kan göras för uppfällda eller nedfällda reflektorer. Simuleringsmodellen har kalibrerats mot mätningar gjorda på ett prototypfönster placerat i Lund samt mot solfönstret i Solgården, Älvkarleö. Beräkningsmodellen ligger till grund för den nya solfönstermodul som tagits fram för simuleringsprogrammet TRNSYS. En TRNSYS-simuleringsmodell har tagits fram och kalibrerats för hela Solgården. I denna modell ingår modulen för solfönstret. Energibalansen för systemet visar att styrningen av reflektorerna är av stor vikt. En väl genomtänkt reglerteknik kan sänka årsförbrukningen av tilläggsvärme samt förbättra inomhusklimatet. En reglerteknik som styr reflektorerna efter bland annat temperaturen inomhus och utomhus kan exempelvis programmeras att öppna reflektorerna under sommarnätterna för att kyla ner byggnaden.

Årssimuleringar för husets värmebalans med ett solfönster jämfördes med ett fall där det ca 16 m2 stora solfönstret ersatts med ett vanligt fönster på 8 m2. Resultaten visar att den totala årliga mängden tillförd värme till huset blir betydligt lägre med ett utvecklat solfönster än för det vanliga fönstret. Det kräver dock att solfönstret förbättras så att lägre U-värde uppnås i både öppet och stängt läge.

En simulering för överhettning av byggnaden gjordes för solfönstrets olika kontrollmekanismer för reflektorerna. Dessutom gjordes samma simulering för det vanliga fönstret. Resultaten visar att solfönstrets reflektorer fungerar bra som solskydd. Ett vanligt fönster måste kompenseras med ett solskydd av något slag för att hålla nere övervärmen under sommaren.

Förbättringar av solfönstret som kan vara av stor vikt är att belägga glasrutorna med någon form av lågemissionsfilm för att reducera U-värdet ytterliggare. Detta får då vägas mot den begränsning av ljusgenomsläppligheten som orsakas av lågemissionsfilmen och som kommer att begränsa el och värmeutbytet. Andra förbättringar som kan genomföras relativt lätt är bättre isolering av reflektorerna och absorbatorn. En simulering gjordes där dessa parametrar studerades. Omkring 1000 kWh kan sparas om U-värdet sänks för fönstret. Den viktigaste åtgärden för att höja utbytet av el är att använda sig av bättre celler. Idag finns standardceller med en verkningsgrad på 16-17% tillgängliga på marknaden.

Fördelar med Solgårdens elsystem med en batteribank som kan laddas både med solfönstret, Stirlinggeneratorn och från nätet är att man har avbrottsfri kraft under en viss tid, minst ett dygn, även om elnätet faller från, samt att relativt låg säkringsstorlek kan väljas till huset. Simuleringar visar att dygnslagringen i batterierna jämnar ut effekttopparna från både lasten och solcellerna och att ytterligare lagringskapacitet inte har så stor inverkan på varaktigheten för solelen. Simuleringar visar också att solceller och en lokal Stirlinggenerator kan kombineras så att elutbytet stämmer väl överens med elbehovet under hela året.



Solgårdens två parallella elsystem, 230 V och 12 V, har flera fördelar vad beträffar exempelvis elsäkerhet och energiförbrukning. Att spara elenergi är extra intressant då solceller används som kraftkälla. Pga. det höga elpriset från solcellerna kan stora elbesparande åtgärder genomföras innan utökning av solcellsinstallationen blir ekonomiskt intressant. Att flytta energiförbrukningen från el till värme är lönsamt för ett fristående hus eftersom solvärme och pelletsvärme är betydligt billigare än solel. Exempelvis kan torktumlare, tvätt- och diskmaskiner använda ett behovsstyrt cirkulerande varmvattensystem för minimal elanvändning. Ofta stämmer också energibalansen mellan producerad el respektive värme bättre överens med förbrukningen om varmvatten ersätter elektrisk energi i dessa maskiner. Andra viktiga eleffektiviseringar som kan göras är att använda sig av lågenergilampor och av moderna vitvaror, pumpar, fläktar och datorer/hemelektronik som använder 1/5 av elförbrukningen i jämförelse med omodern standardteknik. En bild av hur lågt man kan komma är att titta på hur energieffektiva alla bärbara apparater är jämfört med motsvarande stationära. Elsystemet i solgården med en batteribank som laddas från solceller eller från nätet kan dimensioneras med säkringar i inkommande elanslutningar på 3-4 A. Laddaren i systemet är för övrigt inställd på denna nivå nu och klarar husets behov av hushållsel.

Om ett solcellsystem installeras med villkoret att inte producera ett överskott på elektrisk energi kan en vertikal placering vara att föredra eftersom den ger en jämnare fördelad årsproduktion och lägre produktion på sommaren då behovet är litet. Det årliga utbytet per nominell maxeffekt i kWh/Wp vid vertikal placering är 28% lägre än vid 45° lutning. Den verkliga maximala effekten som en vertikalt placerad modul ger i mars är 6% lägre än maxeffekten i juli från en modul lutande i 45°. Det innebär att det årliga energibytet per verklig toppeffekt är 20% lägre vid vertikal placering än vid 45° lutning. Det innebär att ur både energi och effektsynpunkt är 45° lutning att föredra. Denna slutsats understryks i ett system som har en Stirlinggenerator i energisystemet som tar vinterlasten av el. Då uppnås bästa totalekonomi om solcellerna installeras i en lutning med maximalt årligt energiutbyte.

• author: Davidsson, Henrik ; Perers, Bengt and Karlsson, Björn
• organization: Division of Energy and Building Design
• publishing date: 2008
• type: Book/Report
• publication status: published
• subject: Building Technologies
• keywords: PV/T, solar window, solfångarhybrid, collector, solfönster
• pages: 57 pages
• publisher: Elforsk
• project: Climate Initiative
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• id: a0193c46-103c-4872-b1c6-9ef2032f96d0 (old id 994612)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:24:47
• date last changed: 2018-11-21 20:58:37