Комбинирани соларни системи за топло- и електроенергия Традиционните фотоволтаични клетки трансформират слънчевата светлина в електричество с 15% ефективност в най-добрия случай. Останалата част от енергията се преобразува в топлина, която увеличава температурата на фотоволтаика и затруднява ефективната му работа. Много съвременни научни разработки и практически опити показаха, че когато фотоволтаикът се комбинира с охлаждащ термо-колектор, ефективността на соларната клетка нараства значително, а заедно с това се произвежда топлина. Така с един продукт получавате едновременно топлина и електричество, а в някои системи и охлаждане, като всичко това Ви спестява енергия и средства. Нека разгледаме особеностите на тези сравнително нови соларна система за комбинирано производство на топло- и електроенергия.
текст Вела Динкова
През последните няколко години голяма част от иновациите в областта на соларните технологии бяха насочени към генериране на повече електроенергия от слънчевата светлина. Сега обаче в изследователските и инвестиционните кръгове може да се отчете още една, сравнително нова тенденция към разработване и внедряване на системи за по-ефективно използване на Слънцето, които усвояват едновременно неговата светлина и топлина. Това са комбинираните соларни системи за топло- и електроенергия (Combined Heat and Power Solar Systems, CHAPSS). Срещат се и като комбинирани PV/T (photovoltaic/thermal) системи. Определението за PV/T система е: комбинация от фотоволтаични клетки и слънчеви термо-колектори, които произвеждат електричество и топлина в една интегрирана система, от една и съща работна площ, изложена на слънцето. Случаите, в които двата компонента са отделени и просто работят един до друг, не се включват в това понятие.
Защо и кога да използваме комбинирани соларни системи?
Комбинираните соларни системи могат да се използват както за производствени и бизнес сгради, така и за обществени и жилищни сгради, а също и за отделни домове, доставяйки им електричество, отопление и топла вода. Специалистите, работещи в тази област считат, че едновременното производство на топло- и електроенергия позволява да се съкрати периода от време, за който потребителите ще възвърнат инвестицията си в соларната система. Проучвания показват, че ако един конвенционален фотоволтаичен панел се изплаща за около 25-21 години, то изплащането на комбиниран PV/T панел ще отнеме два пъти по-кратко време – 10-8 години. Има значение и дали системата е домашна или комерсиална (за продажба на електричество). Комерсиалните системи като цяло се изплащат по-бързо. Обединяването на фотоволтаичен панел със соларен колектор в една система е изключително привлекателна идея, защото тя е с по-конкурентна цена в сравнение с другите две системи, ако се купуват по отделно. За PV/T системите спокойно може да се каже: „получавате две на цената на едно”. Компаниите, които произвеждат и предлагат комбинирани соларни системи очакват нарастващо търсене и развитие на пазарите на този тип панели. Прогнозите наистина са оптимистични, като се има предвид факта, че една система дава два или три продукта, и то по изключително ефективен начин, намалявайки сметките за електричество. Соларните технологии за комбинирано производство на топлина и електричество дават възможност да черпите енергийните ресурси на един на практика неизчерпаем, алтернативен енергиен източник, какъвто е Слънцето, като заедно с това Ви правят по-независими от нарастващите цени на пригодния газ и тока. Замисълът на CHAPSS е съвсем прост – имате среда, която поглъща топлина (въздух, вода) и такава, която се стреми да се освободи от топлина – фотоволтаична клетка. Една къща с консумация на електроенергия 20KW, използвайки комбинирана PV/T система, може да бъде с изцяло автономно топло- и електрозахранване. При необходимост се използват няколко хибридни панела и акумулатор. Така се постига независимост от електроразпределителните дружества. За обекти, отдалечени от населени места, без достъп до електроразпределителната мрежа, такива системи са изключително подходящи.
Ефективност, структура и функциониране
Когато фотоволтаиците преобразуват слънчевата светлина в електричество, част от нея не може да се усвои и се трансформира в топлина. Тази топлина намалява ефективността на фотоволтаика и е основна пречка във функционирането му. При компромисното комбиниране на фотоволтаик с охлаждаща, термална част, въпросната топлина става използваема, с което ефективността на PV/T системите нараства до 40-50%, сравнено с 10-15% на конвенционалните слънчеви клетки.
Въпреки разнообразието сред слънчевите системи за комбинирано производство на топло- и електроенергия, съвременните разработки са със сходен конструкционен характер – слънчев колектор, монтиран съвместно с панел, на които се намират соларни клетки. Научноизследователските дейности и приложения дават три решения: с въздушен, течен и въздушно-течен топлоносител. При първото температурният режим в панела се възстановява с охлаждане от въздуха чрез естествена или принудителна вентилация. Тези системи най-често са с плоска структура. Фотоволтаичните елементи са разположени в метален корпус с топлоизолация. Най-отгоре има стъкло, а над и под фотоволтаичната пластина преминават множество канали за циркулация на въздуха. При втория вариант топлината се прехвърля на течен топлоносител, например вода или антифриз. Конструкцията е подобна на първия случай, но тук охлаждането става в долната част на фотоволтаичната пластина, където са разположени тръбите за движение на течността. Третото конструкционно решение комбинира в корпуса на PV/T системите както тръби за течност, така и канали за въздух, охлаждащи фотоволтаичната част. С такава система потребителят може да получава електричество, топлина и топла вода. Както стана ясно, когато е правилно конструирана PV/T системата отделя топлината, образуваща се във фотоволтаичните модули и я използва за затопляне на вода и/или въздух. По този начин се осигурява нужната температура за ефективна работа на фотоволтаичната част и едновременно с това топлината се усвоява за отопление и топла вода. Именно затова, освен комбинирани соларни, тези технологии се наричат още хибридни соларни технологии за ко- и тригенерация. Ако продуктите са два – топлина и електричество, технологията е соларна ко-генерация. Когато топлината на фотоволтаика се използва и за охлаждане чрез изпарение, технологията се среща още като соларна тригенерация, защото получаваните продукти са три – електричество, топлина и охлаждане.
За увеличаване ефективността на PV/T ко-генерация в конструкцията на системите често се използват слънчеви концентратори. Това води и до поевтиняване на инсталацията. Някои от комбинираните концентриращи системи са двукамерни, като ко-генеративният процес дава едновременно топъл въздух, топла вода и електричество. Едната камера е огледална. Тя концентрира слънчевите лъчи, като във фокуса є е разположен фотоволтаика. Между отражателите и фотоволтаика циркулира вода, която поглъща инфрачервените лъчи и така се загрява. В същото време тя пропуска концентрираната видима светлина към фотоволтаика. В тази камера става производството на електричество и топла вода. Другата камера е с черни, загряващи се от слънцето стени. Когато въздухът циркулира през нея се загрява. Тук се получава топлия въздух.
Интегриране в сгради
Потенциалът за архитектурно интегриране на комбинираната PV/T соларна технология е висок. Тези системи могат да се монтират както на фасади, така и на покриви на сгради. Така например, още преди 9 години по програма на италианското Министерство на околната среда за финансиране на проекти за интегриране в сгради на фотоволтаични системи, на южната фасада на изследователския център на Фиат е монтирана комбинирана соларна система. Фасадата е с двойна функция – производство на топло- и електроенергия. Фотоволтаичните елементи са с обща мощност 19.5kWp. Циркулиращият между модулите въздух улавя топлината от слънчевата радиация и охлажда клетките. Произведеното електричество се използва за захранване на термопомпа и за други енергийни нужди на обекта. Топлината пък се използва от климатичната система – през зимата за затопляне на въздуха, а през лятото за охлаждане чрез изпарение. Въздушният поток е 9000м3/ч, а температурата му достига 60оС. Електрическата ефективност на системата е 9-10%, а термалната є ефективност – около 30%. Спестяването на енергия от системата е оценено на 185MWh, което съответства на намаляване на емисиите на въглероден диоксид с 36 тона.
Някои от моделите PV/T панели за интегриране в сгради са с метална обшивка с малки отвори. Когато въздухът циркулира през отворите охлажда загретия от слънцето метал и на свой ред се затопля. Такива системи са конструирани за интегриране на южни и западни фасади на сгради. Така през зимата топлия въздух се използва за отопление, а през лятото се отвежда, като така съдейства за охлаждане на фасадата – класически пример за соларна тригенерация с комбинирана соларна система. С такава система разходите за отопление на сградата през зимата могат да намалеят с около 60-75%. Описаните по-горе двукамерни PV/T панели за слънчева ко-генерация с производство на топла вода, топъл въздух и електричество са подходящи за интегриране на плоски и наклонени покриви на сгради.
Разработки и практики
В Центъра за архитектура и екология (Center for Architecture Science and Ecology, CASE) в Ню Йорк беше създадена концентрираща фотоволтаична технология (CPVT), интегрирана в стъклена фасада. Освен, че дизайнът може да се характеризира като архитектурно бижу, тази иновация има много други достойнства, допълващи естетическите. Всъщност тя е създадена за да произвежда електричество и топлина, като едновременно с това пропуска повече дневна светлина в сградата. Специалистите от CASE твърдят, че новата комбинирана система пропуска видимите лъчи, абсорбира топлинните и произвежда топло- и електроенергия с 60% ефективност. Специална леща Fresnel концентрира пряката слънчева светлина в слънчеви клетки, базирани на галий и арсен (Ga-As). Охладител, изпълняващ ролята на слънчев термо-колектор, е разположен зад клетките и сбира топлината.
Една от водещите компании за соларни технологии в Калифорния преди 2 години разработи комбинирана соларна система за комерсиални и индустриални цели. Тя концентрира слънчевата светлина 20 пъти, произвеждайки електричество, като успоредно с това улавя топлината във формата на топла вода. Друга американска фирма със седалище в Колорадо, пък е създала подобна инсталация, която включва и интернет-базирана система за контрол. Може да се получи и информация за прогнозата на времето, според която да се изчисли колко електрическа и топлинна енергия ще се произведе.
Една шведска компания преди 3 години разработи комбинирана соларна система в оптимизиран вариант. Тя има слънчев колектор, който следи слънцето и параболичен рефлектор, използван да концентрира слънчевата светлина към слънчеви клетки. Системата произвежда електроенергия и събира топлина във вид на гореща вода. Фирмата може да се похвали с няколко успешно функциониращи комбинирани PV/T системи на големи сгради с плоски покриви.
Турска компания, която представи продукта си и в България също има постижения в тази област. От изчисления на учени и университетски организации става ясно, че една къща в Европа може да задоволи енергийните си нужди за цяла година с едва 25 квадратни метра от тази PV/T система. Специалистите припомнят, че едновременното производство на електричество и топлина от една система, води до редица предимства като спестяване на място, повишаване на ефективността, по-дълъг живот на фотоволтаиците, бърза възвращаемост на инвестициите и не на последно място – намаляване на замърсяването на околната среда.23/09/2011 |
