Hoe invloedrijk is het klimaat voor de integratie van fotovoltaïsche systemen in Braziliaanse gebouwen?

Het financieren van programma’s voor hernieuwbare energie is een wereldwijd obstakel voor de verspreiding van zonne-energie. In Brazilië zijn verschillende mechanismen voor financiering van landelijke elektrificatie ingevoerd of uitgebreid vanuit eerdere wetten of initiatieven onder het programma Luz para Todos. Tot 2021 kregen 13 miljoen huishoudens en meer dan 3 miljoen consumenteneenheden in landelijke gebieden van Brazilië, voornamelijk in het noorden en noordoosten, toegang tot elektriciteit via Luz para Todos. Van deze huishoudens waren er meer dan 6.000 met stand-alone fotovoltaïsche systemen, terwijl 19 van deze systemen als mini-netwerken fungeerden. Deze initiatieven zijn van cruciaal belang voor het bevorderen van het gebruik van zonne-energie in afgelegen gebieden.

Een belangrijke stap in het bevorderen van de zonne-energieproductie in Brazilië was de goedkeuring van de Normatieve Resolutie 482/2012 door ANEEL in 2012. Deze resolutie introduceerde het systeem van netmetering voor micro- (≤75 kW) en mini- (>75 kW en ≤1 MW) gedistribueerde energieproductie (DG), evenals gekwalificeerde co-generatie van hernieuwbare energiebronnen. Dit systeem stelde eigenaren van hernieuwbare energie-installaties in staat om overtollige zonne-energie terug te leveren aan het net en energiecredits (in kWh) te verkrijgen, die gedurende een periode van 36 maanden gebruikt konden worden. In 2015 werd deze normatieve resolutie herzien door Resolutie 687/2015, die de registratie van nieuwe systemen versnelde en de geldigheidsperiode van de energiecredits verlengde van 36 maanden naar 60 maanden. Deze wijzigingen speelden een belangrijke rol in de exponentiële groei van gedistribueerde zonne-energieproductie in Brazilië.

De meeste delen van Brazilië vallen onder de tropische klimaatzone (groep A), waar hete en vochtige omstandigheden heersen, en de zonne-energieopbrengst het hoogst is vanwege de intensiteit van de zonnestraling. De Noord-, Middenwesten- en Noordoost-regio’s van Brazilië vallen binnen deze groep, met gemiddelde temperaturen die zelden onder de 18 °C dalen, zelfs in de koudste maand van het jaar (juli). Het grootste deel van de Braziliaanse bevolking woont in gebieden met een tropisch klimaat, wat betekent dat de integratie van fotovoltaïsche systemen in de gebouwde omgeving hier veel potentieel heeft, vooral gezien de hoge zonne-energieopbrengst in deze regio’s.

De semi-aride regio’s, die voornamelijk in het noordoosten van Brazilië liggen, vertonen hogere temperaturen en lagere neerslag, wat resulteert in een hoger risico op droogte, vooral in de zomer en winter. Deze gebieden vallen onder de aride klimaatzone (groep B), wat betekent dat ze nog steeds potentieel hebben voor zonne-energie, maar dat de uitdagingen groter zijn vanwege de variabiliteit van de neerslag en de droogteperiodes.

In de zuidelijke regio’s van Brazilië, waar de gemiddelde temperaturen tijdens de koudste maand onder de 18 °C liggen, heerst een gematigd klimaat (groep C). Deze regio’s vormen een kleiner percentage van het Braziliaanse grondgebied, maar de lagere zonnestraling en koudere temperaturen kunnen de effectiviteit van fotovoltaïsche systemen beïnvloeden, aangezien zonne-energieproductie direct gekoppeld is aan de hoeveelheid zonlicht die een systeem ontvangt.

De integratie van fotovoltaïsche systemen in de gebouwde omgeving van Brazilië biedt aanzienlijke voordelen, zowel op het gebied van energieverbruik als op het gebied van milieu-impact. Echter, naast de technische en beleidsmatige ontwikkelingen, is het belangrijk om te beseffen dat de acceptatie van zonne-energie door de samenleving, de economische haalbaarheid voor verschillende regio’s, en de educatie van de lokale gemeenschappen over de voordelen van duurzame energiebronnen eveneens cruciale elementen zijn voor het succes van deze initiatieven.

Wat zijn de belangrijkste overwegingen bij het ontwerpen van BIPV-systemen in Oman?

Bouw-geïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV) zijn systemen die zowel energie opwekken als dienen als een essentieel onderdeel van de bouwstructuur, zoals gevels, daken of ramen. De vereiste duale functionaliteit is cruciaal: een BIPV-systeem moet zowel een elektriciteitsgenerator zijn als een geïntegreerd bouwcomponent. Dit onderscheidt BIPV-systemen van traditionele systemen die op het dak zijn gemonteerd, omdat de fotovoltaïsche cellen of modules een deel van de gebouwstructuur zelf vormen. Het is belangrijk te begrijpen dat het succes van BIPV niet alleen afhangt van de technologische mogelijkheden, maar ook van de economische haalbaarheid en de weersomstandigheden van de regio waar ze worden geïmplementeerd.

Hoewel veel onderzoeken de potentie van BIPV-systemen aantonen, tonen sommige studies ook de economische beperkingen aan. In een onderzoek van Bojic en Blagojevic werd bijvoorbeeld het BIPV-systeem van een twee verdiepingen tellend huis in Servië geanalyseerd, waarbij werd geconcludeerd dat de integratie van fotovoltaïsche panelen in gebouwgevels als alternatieve energiebron voor stedelijke gebouwen economisch niet haalbaar was zonder verdere optimalisatie. Dit benadrukt het belang van kostenoptimalisatie bij de integratie van fotovoltaïsche technologie in de gebouwinfrastructuur, zeker in een land als Oman.

Oman biedt een gunstig klimaat voor de implementatie van BIPV-systemen, met een hoog niveau van zonnestraling, variërend tussen 6,47 en 6,85 kWh/m² per dag in sommige regio’s. De geografische diversiteit van Oman, met woestijnen, bergen en valleien, maakt het een land met aanzienlijke natuurlijke hulpbronnen. De regio’s in Oman zijn verdeeld in 51 administratieve eenheden, en de hoofdstad Muscat speelt een centrale rol in de energie-infrastructuur.

De vraag naar elektriciteit in Oman groeit snel. In 2023 wordt een piek van 8960 MW verwacht, wat vraagt om aanzienlijke investeringen in energieproductie en uitbreiding van de transmissie- en distributienetwerken. De stijgende energievraag, gecombineerd met de fluctuaties in de prijs van fossiele brandstoffen, beïnvloedt de nationale begroting. Het lijkt dan ook noodzakelijk dat Oman zijn afhankelijkheid van fossiele brandstoffen vermindert en verder investeert in hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie. Dit maakt de rol van BIPV-systemen in de bouwsector des te belangrijker.

Echter, hoewel fotovoltaïsche technologie zich goed ontwikkelt, blijft de integratie van zonnepanelen in de gebouwinfrastructuur een uitdaging, vooral gezien de complexiteit van het ontwerp en de impact van lokale klimatologische factoren. De invloed van meteorologische factoren, zoals zonnestraling, temperatuur, wind, stof, luchtvochtigheid en neerslag, is significant voor de prestaties van een BIPV-systeem. In Oman, waar de zonnestraling intens is, wordt de effectiviteit van BIPV-systemen beïnvloed door de constante blootstelling aan hitte, stofstormen en beperkte neerslag. De gemiddelde dagelijkse zonneschijn in Oman ligt rond de 9,6 uur, met een gemiddelde temperatuur van 28,8°C. De wind is relatief constant, met een gemiddelde snelheid van 6,1 knopen (3,1 m/s), wat van invloed kan zijn op de prestaties van de systemen. De gegevens van de afgelopen jaren tonen dat de gemiddelde wereldwijde straling tussen 0,582 kWh/m² per dag ligt, wat essentieel is voor het dimensioneren van een BIPV-systeem. Ook de neerslag, die gemiddeld 0,2 mm per dag bedraagt, kan de efficiëntie van de fotovoltaïsche cellen beïnvloeden, vooral wanneer het systeem slecht onderhoud heeft en de panelen bedekt zijn met stof.

Een andere belangrijke overweging is de beschikbaarheid van ruimte op het gebouw. In stedelijke omgevingen kan de beschikbare ruimte beperkt zijn, waardoor het noodzakelijk wordt om zowel de oppervlakte als de energetische behoeften van het gebouw zorgvuldig af te stemmen. Het integreren van zonnepanelen in de gevels of ramen van gebouwen biedt echter kansen voor het benutten van ongebruikte oppervlakken. Dit verlaagt de kosten van de installatie en kan bijdragen aan de esthetiek van het gebouw, wat een belangrijke overweging is bij het ontwerp van BIPV-systemen.

Naast de technologische en meteorologische overwegingen speelt de regelgeving een cruciale rol. De overheid van Oman heeft al stappen ondernomen om het gebruik van zonne-energie te bevorderen, bijvoorbeeld door de opzet van diverse projecten en het aanbieden van stimulansen voor hernieuwbare energie. Het is van belang dat BIPV-systeemontwerpers en beleidsmakers samenwerken om regelgeving te ontwikkelen die de brede implementatie van BIPV-technologie in de bouwsector stimuleert.

De economische haalbaarheid van BIPV-systemen in Oman zal sterk afhangen van de kosten van installatie en onderhoud, de efficiëntie van de zonnepanelen, de beschikbaarheid van subsidies en de langetermijnrendabiliteit. BIPV-systemen kunnen aanzienlijke voordelen bieden op het gebied van duurzaamheid en kostenbesparing op lange termijn, maar de initiële kosten blijven een uitdaging.

Hoe Ontwerp je een BIPV-systeem voor Energieoptimalisatie?

De integratie van zonne-energiesystemen in gebouwen, oftewel Building-Integrated Photovoltaic (BIPV)-systemen, heeft de laatste jaren veel aandacht gekregen. De technologie biedt talloze voordelen, zoals energieopwekking, vermindering van energiekosten, en een positieve impact op het milieu. Echter, voor een optimaal rendement moet het ontwerp van zo'n systeem zorgvuldig worden uitgevoerd, rekening houdend met verschillende technische en economische factoren.

Bij het ontwerpen van een BIPV-systeem moet ook rekening worden gehouden met de beschikbaarheid van de energievoorziening. 100% beschikbaarheid betekent dat het systeem het hele jaar door de energiebehoefte dekt zonder onderbrekingen. Dit kan echter leiden tot hoge initiële kosten en kan beperkt worden door de beschikbare ruimte op het gebouw. De beschikbaarheid kan worden uitgedrukt in termen van de verlies-ladingsprobabiliteit (LLP), die de verhouding beschrijft van de jaarlijkse energie-deficiënties ten opzichte van de jaarlijkse energiebehoefte. Een laag LLP betekent dat het systeem vaak niet in de energiebehoefte kan voorzien, wat belangrijke implicaties heeft voor de selectie van batterijcapaciteit (CB) en PV-arraycapaciteit (CPV).

In het geval van een stand-alone BIPV-systeem, zonder aansluiting op het elektriciteitsnet, kan de haalbaarheid van het systeem worden geanalyseerd door middel van de netto contante waarde (NPV). Dit stelt ontwerpers in staat om de economische haalbaarheid van een systeem over de levensduur ervan te evalueren. Daarnaast wordt de terugverdientijd (PBP) gebruikt om te bepalen hoeveel tijd het duurt om de initiële investering terug te verdienen. Een andere belangrijke economische parameter is de interne rentabiliteit (IRR), die de rentevoet aangeeft waarbij de NPV gelijk is aan nul.

Naast de technische en economische overwegingen moeten ontwerpers ook rekening houden met de klimatologische en bouwtechnische aspecten van het gebouw waarin het BIPV-systeem wordt geïntegreerd. De oriëntatie van het gebouw, de aanwezigheid van omliggende structuren, het terrein, en de gemiddelde zonneschijnuren zijn allemaal factoren die het ontwerp beïnvloeden. Het ontwerp moet tevens de kenmerken van de gevel en het dak van het gebouw meenemen, evenals de aanwezigheid van eventuele ondersteunende structuren.

In sommige gevallen is het noodzakelijk om de elektrische belasting van het gebouw te minimaliseren om een effectief BIPV-systeem te realiseren. Dit kan door het implementeren van energie-efficiënte apparaten, het verbeteren van de ventilatie, of het toepassen van passieve koelingstechnieken. In warme klimaten, zoals in Oman, kan het verbeteren van de energieprestatie van airconditioning- en koelsystemen de vraag naar elektriciteit verminderen, wat gunstig is voor het optimaliseren van het rendement van een BIPV-systeem.

Om het energieopbrengst van een BIPV-systeem te maximaliseren, moeten ontwerpers de efficiëntie van de zonnepanelen optimaliseren door rekening te houden met zaken zoals het kantelhoek van de panelen en mogelijke schaduwen van omliggende gebouwen of vegetatie. Ook het selecteren van een efficiënte omvormer kan het rendement aanzienlijk verbeteren.

De capaciteit van het BIPV-systeem wordt vaak bepaald door de beschikbare ruimte op het dak of de gevel van het gebouw. In sommige gevallen kan het systeem niet voldoende energie produceren om volledig in de vraag te voorzien, wat betekent dat het gebouw nog steeds energie van het elektriciteitsnet nodig heeft. Dit kan voorkomen worden door het optimaliseren van de afmetingen van het systeem en de installatie van een batterijopslagsysteem om overtollige energie op te slaan.

Bij de integratie van een BIPV-systeem moet ook aandacht worden besteed aan de lange-termijn prestaties en de duurzaamheid van de componenten. Het is van essentieel belang om rekening te houden met de verwachte levensduur van de panelen, de omvormer, en het batterijopslagsysteem. Bepaalde materialen en ontwerpen kunnen de prestaties van het systeem beïnvloeden, zowel op korte als lange termijn. Het is daarom belangrijk om systemen te ontwerpen die zowel technisch als economisch haalbaar zijn en die lange tijd betrouwbaar blijven functioneren.

Wat beïnvloedt de prestaties van BIPV-systemen? Vergelijking van raamontwerpen en hun invloed op de energieopbrengst in kassen

In de kasinstallaties van Murdoch Campus werd de invloed van verschillende raamontwerpen op de energieopbrengst van BIPV-systemen (Building Integrated Photovoltaics) onderzocht. De kas is uitgerust met verschillende soorten raamontwerpen die variëren in de samenstelling van de tussenlagen van de ramen. De ramen in Kamer 2, Kamer 3 en Kamer 4 vertoonden duidelijke verschillen in de prestaties van de zonne-energieverzameling, zelfs onder natuurlijke buitenomstandigheden zonder gestandaardiseerde testomstandigheden (STC).

De ramen in Kamer 2 waren voorzien van twee licht meer hazige, maar identieke PVB-tussenlagen ("PVB-2" + "PVB-2"), terwijl de ramen in Kamer 3 twee verschillende gedopeerde tussenlagen gebruikten ("PVB-2" + "PVB-1"). Kamer 4 had een ander ontwerp, met een fluorescerende tussenlaag van hoge helderheid ("PVB-1"), gecombineerd met een "gewone PVB"-tussenlaag. De ramen bestonden uit drie 4 mm dikke platen van laag-ijzer glas, en voor de binnenste glasplaat werd gebruik gemaakt van twee PVB-interlagen, die samen een geïntegreerd LSC-type paneel vormden.

Tijdens de initiële tests in februari 2021, uitgevoerd onder natuurlijke zonlichtomstandigheden, werden er al verschillen in de prestaties tussen de verschillende raamontwerpen opgemerkt. Dit was vooral merkbaar wanneer de ramen werden gemeten op geoptimaliseerde invalshoeken bij piek-zonlichtstraling. De ramen in Kamer 4, die een zeer lage hazigheid hadden, vertoonden een lagere stroomopbrengst in vergelijking met de ramen in Kamer 2 en Kamer 3, die tussen de 10% meer stroom produceerden. De verwachte verschillen in energieopbrengst tussen de verschillende kamers gaven aan dat de mate van hazigheid en de keuze van de tussenlaag een significante invloed hebben op de efficiëntie van de zonne-energieverzameling.

Het rendement van BIPV-systemen is echter sterk afhankelijk van verschillende externe factoren, zoals seizoensgebonden variaties, de oriëntatie van de installatie en weersomstandigheden. De energieproductie is seizoensgebonden en vereist voortdurende monitoring over meerdere jaren om de werkelijke prestaties van het systeem te begrijpen. De prestaties kunnen variëren, zelfs als we de capaciteit van de geïnstalleerde PV-systemen gelijk houden, afhankelijk van de plaatsing en oriëntatie van de zonnepanelen.

In de kas werd een verscheidenheid aan raamontwerpen geïnstalleerd, waarbij sommige 12-ramen arrays over zowel wanden als daken van de kas werden verdeeld. Het is belangrijk te vermelden dat de ramen die op de verticale muren van de kas werden geïnstalleerd, minder gevoelig waren voor temperatuurefficiëntievariaties omdat ze dichter bij de grond lagen en dus minder direct zonlicht ontvingen. Het was dan ook te verwachten dat de energieopbrengst van de wandramen groter zou zijn dan die van de dakramen, ondanks dat het totale oppervlak van de wanden kleiner was.

De energieproductie van de wandraam arrays werd consistent gemeten tussen 41,83 kWh/raam in Kamer 2 en 49,75 kWh/raam in Kamer 3. Dit suggereert dat de ramen in Kamer 3 significant beter presteerden dan de ramen in Kamer 4. Dit verschil werd verder bevestigd door de langetermijnmetingen van de energieopbrengst van de verticale ramen, waarbij de ramen van Kamer 3 gemiddeld 12% meer energie produceerden dan die van Kamer 4.

De impact van het raamontwerp was ook duidelijk zichtbaar tijdens de warmere maanden, wanneer de verwachte energieproductie (op basis van conventionele PV-modellen) aanzienlijk lager was dan de gemeten opbrengsten van de BIPV-systemen. In december 2021 bijvoorbeeld, vertoonden de ramen van Kamer 3 een productietoename van 53,4% in vergelijking met wat zou worden verwacht van een conventioneel PV-systeem van dezelfde capaciteit, wat de meerwaarde van de BIPV-technologie onderstreept.

De langetermijnmetingen van de energieopbrengst van de wandraam-arrays geven waardevolle inzichten voor het ontwerp en de implementatie van BIPV-systemen in verschillende omgevingen. Het blijkt duidelijk dat de keuze van materialen, het ontwerp van de raamstructuur en de oriëntatie van de zonnepanelen cruciaal zijn voor het maximaliseren van de energieopbrengst, vooral wanneer de BIPV-systemen worden geïntegreerd in een kasstructuur.

Het is essentieel voor ontwerpers en installateurs van BIPV-systemen om te begrijpen dat de prestaties van deze systemen variëren afhankelijk van het ontwerp, de locatie, het seizoen en andere omgevingsfactoren. Het volgen van langetermijnprestaties en het vergelijken van verschillende raamontwerpen en BIPV-configuraties kan helpen om de efficiëntie van duurzame energieopwekking in gebouwen en kassen verder te verbeteren.