< Terug naar vorige pagina

Project

Een elektrische blik op gebouw-geïntegreerde fotovoltaïsche systemen – ontwerpen van veilige en betrouwbare BIPV installaties

PhotoVoltaïsche (PV) generatie heeft tegenwoordig veel momentum. Het gebruik van PV modules voor de productie van elektriciteit wordt gedreven door economische factoren zoals de vermindering van de prijs per module, het gemak om PV te schalen en het geringe onderhoud. Ook het toegenomen publieke bewustzijn m.b.t. klimaatverandering versnelt het streven van overheden en individuen naar hernieuwbare energiebronnen, zoals PV, in de energiemix.

Door het gemak waarmee PV installaties geschaald kunnen worden, vindt men deze zowel terug in zeer grote systemen, de zogenaamde solar farms, als in kleinschalige installaties voor gebouwen. De opwekking van stroom via PV in een gebouwcontext gebeurt meestal in de vorm van Building-Applied PV (BAPV), waar PV modules worden geplaatst op bestaande gebouwen. Een typisch voorbeeld zijn PV modules die geplaatst worden op een dak. Er bestaan echter ook alternatieven waar de PV cellen een integraal onderdeel zijn van de constructie elementen, de zogenaamde Building-Integrated PV (BIPV). De Tesla Solar Roof dakpannen zijn een bekend voorbeeld van BIPV, maar ook schaduwelementen, borstweringen en façade modules bestaan met geïntegreerde zonnecellen. Het gebruik van BIPV wordt voornamelijk gedreven door mogelijke kostenbesparingen, aangezien meerdere functies gecombineerd kunnen worden in één product; door het groenere imago, bv. als een bedrijf zijn inspanningen tegen klimaatverandering in de verf wil zetten; en door het beleid, bv. de European Performance on Buildings Directive (EPBD) is een Europese richtlijn waarin verwacht wordt dat elk gebouw vanaf 2020 bijna energieneutraal is. Voor hoge gebouwen kan dit echter een uitdagende eis zijn, aangezien de beschikbare dakoppervlakte voor PV modules gering is ten opzichte van de energievraag van het gebouw. Het gebruik van façade BIPV is dan aangewezen.
 
Tot nu toe wordt de elektrische installatie van een BIPV systeem uitgevoerd met behulp van een string inverter, zoals ook de gewoonte is bij BAPV installaties. In deze thesis wordt die aanpak in vraag gesteld. Meer specifiek wordt er onderzocht hoe de elektrische architectuur van een BIPV installatie best wordt uitgevoerd om een hoge energetische efficiëntie, een hoog veiligheidsniveau en een lange levensduur te bekomen aan de laagst mogelijke kost. In het eerste hoofdstuk wordt de motivatie van de thesis gedetailleerd beschreven en wordt er een overzicht van de onderzoeksvragen per hoofdstuk gegeven.

In het tweede hoofdstuk worden verschillende elektrische architecturen vergeleken met performantie indicatoren van BIPV installaties. De parallel power optimizer, hierna Module Level Converter (MLC) genoemd, blijkt de beste match te zijn voor BIPV toepassingen, zeker wanneer partiële beschaduwing optreedt. Een marktonderzoek van commercieel beschikbare MLCs toont echter aan dat deze MLCs niet compatibel zijn met de vereisten van BIPV toepassingen, o.a. de dimensies en de elektro-thermische eigenschappen blijken niet te matchen.

Het derde hoofdstuk focust op veiligheid van de elektrische installatie. De MLCs zijn verbonden via een Low-Voltage DC (LVDC) bus. Omvormer gecontroleerde LVDC systemen zijn relatief nieuw en het foutgedrag van deze systemen wordt nog verder onderzocht. In deze thesis wordt de aanraakspanning afgeleid voor verschillende aardingssystemen en wordt een selectieve beveiligingsstrategie uitgewerkt en experimenteel gevalideerd. 

Het DC spanningsniveau en het type zonnecel zijn twee belangrijke parameters die de effici\"entie van het systeem beïnvloeden. De impact van deze variabelen wordt onderzocht voor twee gebouwen in hoofdstuk vier via de ontwikkeling van een verliesmodel waarin de MLC, de bekabeling en de voltage balancing converter zijn opgenomen. Dit model werd gebruikt in combinatie met experimentele data van één dag en toont aan dat niet enkel de verliezen, maar ook de distributie van deze verliezen over de verschillende componenten in het systeem, sterk worden beïnvloed door het spanningsniveau en het type PV.

In het vijfde hoofdstuk wordt een alternatief voor de bekabeling voorgesteld. Het gebruik van bus bars komt de spanningsstabiliteit ten goede en laat toe om de MLC uitgangscapaciteit te verlagen, wat resulteert in lagere kosten en een verhoogde betrouwbaarheid. Een prototype werd gebouwd en getest om de voordelen aan te tonen, en dit prototype heeft ook tot het inzicht geleid dat de interconnectie tussen de modules een belangrijk design aspect is om het volledige potentieel van de bus bar te benutten.

In het zesde en zevende hoofdstuk wordt de invloed van zowel componenten en controle op de betrouwbaarheid van de MLC besproken. Een overzicht van aanbevelingen voor de selectie van componenten en topologiëen werd gemaakt. Daarnaast worden ook MLC prototypes besproken die ontwikkeld werden tijdens deze thesis. De invloed van controle op de levensduur van de transistor wordt onderzocht met behulp van een experimentele dataset van één jaar om zo de invloed van de geleidingsmode en de fase-aansturing te duiden.

Datum:1 sep 2016 →  9 dec 2020
Trefwoorden:PV, BIPV, LVDC
Disciplines:Hernieuwbare energie en energiesystemen
Project type:PhD project