Комбинирани соларни системи за производство на електричество и топлина Ефективността на преобразуване на слънчевата енергия в електричество при конвенционалните фотоволтаични клетки с търговско приложение е средно около 6-15%. Повече от 85% от постъпващата слънчева енергия или се отразява или се усвояват като топлинна енергия. Следователно, работната температура на соларните клетки се увеличава значително след продължителна работа, в резултат на което ефективността им спада. През последните години се работи много върху този проблем. Постоянно се търсят решения за увеличаване ефективността на системите и по-рационално използване на слънчевата енергия. Такова решение дава хибридният фотоволтаичен термичен (PV/T) колектор.
текст Вела Динкова
Когато преобразуването на електромагнитната слънчева радиация в електричество във фотоволтаични клетки се съчетае с действието на охлаждащ агент от термо-соларен колектор, се получава комбинирана (хибридна) соларна система с подобрена енергийна ефективност. Чрез добър топлообмен между топлинния абсорбер и PV модул, се увеличава ефективността на добиване и на електричество и на топлина. Такива системи се наричат фотоволаични термични (PV/T, PVT) колектори или комбинирани соларни системи за производство на електричество и топлина (Combined Heat and Power Solar Systems, CHAPSS).
Специфики
Разположен зад фотоволтаичния панел, термалният колектор го охлажда и събира повече от енергията, преминаваща през общата площ, която в противен случай би се разсеяла и я предоставя за продуктивна употреба. Колекторът прехвърля уловената енергия в циркулираща среда (охлаждащ агент). Той от своя страна я предоставя за използване или съхранение в резервоар за топла вода, в сградното пространство или в земята, за по-нататъшно извличане чрез термопомпа. Изпълнението на топлообменника е решаващ фактор за постигане на висок общ добив на енергия. Охлаждащият агент (топлоносител) може да е въздушен, течен или въздушно-течен. Отнемайки топлината от PV клетки, той увеличава ефективността им и им позволява да работят при по-широки температурни режими на околната среда.
В същото време уловената топлина може да се използва за получаване на топла вода и за отопление. При този сценарий температурата на фотоволтаичната клетка се поддържа на оптимално ниво от 25оС. Така вместо да плащате за две отделни системи, всяка от които заема място, ще платите за една, която заема място за една, а в същото време дава електричество, отопление и топла вода с много по-голяма ефективност на преобразуване на енергията от отделните варианти. PV/T системите са интегрирани и заемат обща работна площ. Конфигурации, при които фотоволтаична система и термо-соларен колектор работят един до друг, не се отнасят към комбинираните системи.
Конфигурации при PV/T колекторите
Дизайнът на комбинираните соларни системи определя три основни разновидности според охладителя – течен (вода, гликол, минерално масло, антифриз), въздушен и въздушно-течен. При течното охлаждане на гърба на фотоволтаичния модул преминават метални тръби, по които се движи работният флуид. Топлината от фотоволтаичните клетки се провеждат през метала и се поглъща от работния флуид (температурата му е по-ниска от работната температура на клетките). В затворена системи тази топлина се прехвърля в топлообменник, след което се използва за отопление или във вид на топла вода. В системи с отворен цикъл топлина директно се използва, преди течността да се върне отново към фотоволтаичните клетки с по-ниска температура от тяхната. Въздушното охлаждане е на същия принцип, само че с въздушна циркулация над и под PV панел по специални канали. Комбинираният вариант с въздушно-течно охлаждане използва и въздушни канали и тръби за движение на работна течност.
Друга конфигурация е комбинирана соларна система с концентратор – CPVT. Тя има предимството, че намалява количеството необходими слънчеви клетки. Освен това тук могат да се получат по-добри топлинни характеристики в сравнение с плоските PV/T колектори. Основните пречки тук са да се осигури добро охлаждане на слънчевите клетки и устойчива система за проследяване. Разлики в конфигурациите съществуват не само според вида охладител или типа соларна система (плоска или концентрираща), а и в зависимост от получаваните енергийни продукти. Когато комбинираната система дава електричество и топлина, говорим за соларна ко-генерация, а когато топлината се използва и за охлаждане чрез изпарение, става въпрос за соларна три-генерация.
PV/T дизайнът предлага и други разновидности на системите според наличие и липса на стъклено покритие и в зависимост от изолацията. Ако изолацията е по-малко и липсва стъклено покритие, ефективността на преобразуване на енергията ще е по-малка, но добивът на електроенергия ще е по-голям, като ще се отчита и вариране на производителността при ветровито време. Фотоволтаичният компонент може да е от кристален или аморфен силиций, конвенционален или тънкослоен, с единичен, двоен или троен преход. Изборът се прави като се вземе предвид съотношението ефективност/цена.
Какво казват специалистите?
Специалисти от водещи компании в света смятат комбинирането на фотоволтаична и термо-соларна система за логично и полезно развитие в бранша. Според Ал Рич, изобретил топлинния соларен колектор Skyline, произвеждан от основаната от него компания SolarRoofs, концепцията е изключително проста. Той осъзнал, че е лесно да се замени съществуващото остъкляване на въздушния колектора с PV панел, за да се превърне в отлична хибридна фотоволтаична-термална система. Според него в такава комбинация системите се допълват перфектно, енергийните ресурси се използват по-пълно, покривното пространство – по-ефективно, а изходната мощност се удвоява на квадратен метър.
PVT системата може да произвежда 4 пъти повече енергия в сравнение със самостоятелните варианти от една и съща площ само с 25% увеличение в цената на инвестицията. Също така, ако фотоволтаичните панели не се охлаждат, при покачване със всеки градус на температурата над 25°C, електрическата мощност спада с половин процент. По този начин типичен покривен PV масив при 55-75°C би донесъл 15-25% по-малко електроенергия. Ако температурата се повиши до 80°C, което е напълно възможно при пряка силна слънчева светлина, масив с мощност от 10kW, ще произвежда 7kW. Използването на хибридно решение ще контролира температурата на PV част, ще акумулира иначе неизползваемата разсейваща се енергия и може да намали периода на изплащане с една трета до наполовина. Освен това, комбинираната система е и естетически по-привлекателна от отделна термо-соларна система, подсилена с разположена на друга площ PV система. Заради предимствата, предлагани от PVT колекторите, Винод Кослер, основател на Sun Microsystems, описва хибридния подход като огромен скок в областта, който може да донесе големи печалби.
Много компании в соларния бранш са заети с производство и подобряване на отделните варианти на фотоволтаични и термо-соларни системи, а и технически са възниквали въпроси около поддържането на дългосрочна стабилност на фотоволтаичните елементи, когато са комбинирани със соларни термо-колектори. Въпреки това, редица продукти са започнали да постигат напредък с търговска цел.
Сградно интегриране на PV/T колекторите
PV/T системите подлежат на сградна интеграция – покривна и фасадна. В Испания, в една обществена библиотека в близост до Барселона, е инсталирана соларна стена, която се състои от PV/T модули. Те са разработени като стандартизирани строителни елементи от немската фирма Phototronics SolarTechnic. Проектирани за вертикални фасади на жилищни и търговски сгради, модулите съчетават фотоволтаична част и термо-соларен елемент в сандвич пакет с изолация и стъклено покритие. Използва се въздух като топлоносител.
Датската компания Aidt Miljo A/S дава PV/T въздушно базирани решения от по-малък мащаб. Отделните модули могат да бъдат монтирани на сгради. Техният SolarVenti хибрид се състои от слънчев колектор и PV панел заедно с вентилатор за продухване на въздуха, който се затопля от PV част. Вентилаторът може да се контролира от термостат, регулатор на скоростта или ключ за ръчно включване и изключване. От компанията твърдят, че системата е практически без поддръжка и я препоръчват за жилищни и друг тип сгради, особено тези, които стоят незаети дълго време и трябва да се борят със студ, влага, мухъл и гниене.
Освен това съществуват възможности, свързани със спестяващите силиций PV от типа „тънък слой”, като продукта Uni-Solar® от United Solar Ovonic. Той се използва за направата на метални покриви, които произвеждат електричество. Добавяне на въздушното охлаждане непосредствено под покрива, заедно със средствата за оползотворяване на топлината, де факто, правят една интегрирана в сградата комбинирана соларна система (BIPV/T). Системите с течно охлаждане също могат да се интегрират в сгради. Пример за това е HYSOLAR® от International Clean Energy Consortium, със седалище в Швейцария. Хибридната технология на ICEC е подходящ за интеграция на покрив и фасада и също е на разположение под формата на отделен модул.
Сред другите фирми, използващи вода за охлаждане, е и турската Solimpeks Solar Energy Corp с нейните Volther хибридни колектори. Според R&D мениджъра Хоек, само 25m2 от PV/T колектор могат да осигурят цялата енергия, необходима на средно големи къща и семейство в Северна Европа през цялата година, ако излишното електричество се съхранява в батерии или горивни клетки, а топлината се съхранява в земята и се възстановява в студено време с термопомпа. Колекторите Volther се предлагат в два размера за 175W и 750W, имат монокристални фотоволтаични панели и меден топлообменник. Всяка единица се помещава в една алуминиева кутия с капак от закалено стъкло.
Защо да изберем PV/T система?
Предимствата на PV/Т хибридната технология, както вече стана ясно, са много, но все пак нека да ги обобщим. Една комбинирана система ще Ви спести средства за две отделни – фотоволтаична и термо-соларна. Тя премахва топлинната енергия от фотоволтаичния модул и увеличава електрическата му ефективност с 0.5% на всеки 1°C спад в температурата. Общият добив на топлоенерия от единица площ също се увеличава в сравнение с конвенционалния соларен термо-колектор. Това означава, че ефективността е подобрена и системата се изплаща по-бързо. Поддръжката е лесна. Технологията дава възможност за комбинация с другите технологии за добиване на енергия от възобновяеми източници за достигане на нулеви емисии на въглероден двуокис. Тъй като системата е в общ панел, може да се интегрира и на ограничена покривна и фасадна площ. PV/T колекторите могат да се включат към всеки тип сграда (жилищни, обществени, търговски, складови и производствени), а също така могат да се организират в самостоятелни комбинирани централи за производство на електричество и топлина (CHP) извън сградите.
Предизвикателства
Свързването на две системи в една освен своите предимства има и редица предизвикателства, с които специалистите от бранша се опитват да се справят. В комбинираната система елементите и на PV и на термалната част трябва да работят заедно, в една площ, което създава някои технически затруднения. Много важни за ефективността на системата са дизайнът на топлообменника и материалът, от който е направен. Днес в секторите за изследвания и развитие в соларния PV/T бранш се правят много проучвания, опити и математически модели, които да покажат как в зависимост от приложението и климата да се избере най-подходящата и ефективна конфигурация на системата – вид топлоносител, вид топлообменник, вид фотоволтаичен панел, производителност, цена и т.н.
Тъй като системите са соларни, т.е. произвеждат енергия само в слънчево време, предизвикателство е също избирането на подходяща форма за съхранение на неизползваната енергия. В случаите, когато не е слънчево, трябва да се осигури друг източник на електричество и топлина – конвенционален или възобновяем. Сградната интеграция на PV/T колекторите също не е лесна задача, защото трябва много добре да се прецени дали ще се монтират на отделна конструкция, в покрив, на покрив, или на фасада и да се свържат с електроинсталацията на сградата, със системата за отопление и климатизация и с тази за топла вода.02/07/2013 |
