Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор

Фотоэлектрические тепловые коллекторы , обычно сокращенно называемые PVT-коллекторами и также известные как гибридные солнечные коллекторы, фотоэлектрические тепловые солнечные коллекторы, PV/T-коллекторы или солнечные когенерационные системы, представляют собой технологии генерации электроэнергии, которые преобразуют солнечное излучение в полезную тепловую и электрическую энергию . PVT-коллекторы объединяют фотоэлектрические солнечные элементы (часто расположенные в солнечных панелях ), которые преобразуют солнечный свет в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который передает неиспользуемое отработанное тепло от фотоэлектрического модуля в жидкий теплоноситель. ^[1] Объединяя генерацию электроэнергии и тепла в одном компоненте, эти технологии могут достичь более высокой общей эффективности, чем солнечные фотоэлектрические (PV) или солнечные тепловые (T) по отдельности. ^{[2] [3]}

Значительные исследования были направлены на разработку разнообразных технологий PVT с 1970-х годов. ^[4] Различные технологии коллекторов PVT существенно различаются по конструкции коллектора и теплопередающей жидкости и предназначены для различных областей применения: от низкотемпературного тепла ниже температуры окружающей среды до высокотемпературного тепла выше 100 °C. ^[5]

Коллекторы PVT генерируют солнечное тепло и электричество практически без прямых _{выбросов} CO2 и поэтому рассматриваются ^{[ кем? ]} как перспективная зеленая технология для подачи возобновляемой электроэнергии и тепла в здания и промышленные процессы. ^{[ необходима ссылка ]}

Тепло является крупнейшим конечным потребителем энергии . В 2015 году на отопление зданий, промышленных целей и других применений приходилось около 52% (205 ЭДж) от общего объема потребляемой энергии. Из этого более половины было использовано в промышленности и около 46% в строительном секторе. В то время как 72% тепла было получено за счет прямого сжигания ископаемого топлива , только 7% было получено из современных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная тепловая энергия , биотопливо или геотермальная энергия . ^[6] Рынок низкопотенциального тепла до 150 °C оценивается в 26,8% от мирового конечного спроса на энергию, который в настоящее время обслуживается ископаемым топливом (газ, нефть и уголь), электричеством и возобновляемым теплом. Это сумма спроса промышленности 7,1% (25,5 ЭДж) ^[7] и спроса строительства 19,7% (49,0 ЭДж жилых и 13,6 ЭДж коммерческих ). ^[8]

Ожидается, что спрос на электроэнергию в зданиях и промышленности будет расти в дальнейшем из-за продолжающейся электрификации и объединения секторов . ^[9] Для значительного сокращения выбросов парниковых газов важно, чтобы основная доля электроэнергии поступала из возобновляемых источников энергии , таких как энергия ветра , солнечная энергия , биомасса и гидроэнергия .

Таким образом, рынок возобновляемого тепла и электроэнергии огромен, что иллюстрирует рыночный потенциал PVT-коллекторов.

В отчете «Solar Heat Worldwide» ^[10] дана оценка мирового рынка PVT-коллекторов в 2019 году. По данным авторов, общая площадь установленных коллекторов составила 1,16 млн кв. м. Наибольшую долю рынка имели открытые водяные коллекторы (55%), далее следовали воздушные коллекторы (43%) и закрытые водяные коллекторы (2%). Страной с наибольшей установленной мощностью была Франция (42%), за ней следовали Южная Корея (24%), Китай (11%) и Германия (10%).

Фотоэлектрические коллекторы объединяют генерацию солнечной электроэнергии и тепла в одном компоненте, что позволяет достичь более высокой общей эффективности и лучшего использования солнечного спектра по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями.

Фотоэлектрические элементы обычно достигают электрической эффективности от 15% до 20%, в то время как большая часть солнечного спектра (65% - 70%) преобразуется в тепло, повышая температуру фотоэлектрических модулей. PVT-коллекторы, напротив, спроектированы для передачи тепла от фотоэлектрических элементов к жидкости, тем самым охлаждая элементы и, таким образом, повышая их эффективность. ^[11] Таким образом, это избыточное тепло становится полезным и может быть использовано для нагрева воды или в качестве низкотемпературного источника для тепловых насосов, например. Таким образом, PVT-коллекторы лучше используют солнечный спектр. ^[3]

Большинство фотоэлектрических ячеек (например, на основе кремния ) страдают от снижения эффективности при повышении температуры ячеек. Каждый кельвин повышения температуры ячейки снижает эффективность на 0,2–0,5%. ^[5] Таким образом, отвод тепла от фотоэлектрических ячеек может снизить их температуру и, таким образом, повысить эффективность ячеек. Увеличение срока службы фотоэлектрических ячеек является еще одним преимуществом более низких рабочих температур.

Это эффективный метод для максимизации общей эффективности и надежности системы, но приводит к тому, что тепловой компонент работает хуже, чем это можно достичь с помощью чистого солнечного теплового коллектора. Другими словами, максимальные рабочие температуры для большинства систем PVT ограничены значениями, меньшими максимальной температуры ячейки (обычно ниже 100 °C). Тем не менее, на каждую единицу электрической энергии по-прежнему вырабатывается две или более единиц тепловой энергии, в зависимости от эффективности ячейки и конструкции системы.

Существует множество технических возможностей для объединения фотоэлектрических элементов и солнечных тепловых коллекторов . Ряд PVT-коллекторов доступны в качестве коммерческих продуктов, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от их базовой конструкции и теплоносителя :

• PVT-коллектор жидкости
• Воздухосборник PVT

Помимо классификации по теплоносителю , коллекторы PVT можно также классифицировать по наличию вторичного остекления для снижения теплопотерь и наличию устройства для концентрации солнечного излучения :

• Открытый коллектор PVT (WISC PVT)
• Крытый коллектор PVT
• Концентрирующий PVT-коллектор (CPVT)

Более того, PVT-коллекторы можно классифицировать по их конструкции, например, по технологии ячеек , типу жидкости , материалу и геометрии теплообменника , типу контакта между жидкостью и фотоэлектрическим модулем , креплению теплообменника или уровню интеграции в здание (интегрированные в здание PVT-коллекторы (BIPVT)). ^{[3] [12]}

Конструкция и тип коллекторов PVT всегда подразумевают определенную адаптацию к рабочим температурам , сферам применения и приоритетность генерации тепла или электроэнергии . Например, эксплуатация коллектора PVT при низких температурах приводит к охлаждающему эффекту фотоэлементов по сравнению с фотоэлектрическими модулями и, следовательно, к увеличению электрической мощности. Однако тепло также должно использоваться при низких температурах.

Максимальные рабочие температуры для большинства фотоэлектрических модулей ограничены значениями, меньшими максимальных сертифицированных рабочих температур (обычно 85 °C). ^[13] Тем не менее, на каждую единицу электрической энергии вырабатывается две или более единиц тепловой энергии, в зависимости от эффективности ячейки и конструкции системы.

Базовая конструкция с водяным охлаждением использует каналы для направления потока жидкости с помощью трубопровода, прикрепленного напрямую или косвенно к задней части фотоэлектрического модуля. В стандартной системе на основе жидкости рабочая жидкость , обычно вода, гликоль или минеральное масло, циркулирует в теплообменнике за фотоэлектрическими ячейками. Тепло от фотоэлектрических ячеек передается через металл и поглощается рабочей жидкостью (предполагается, что рабочая жидкость холоднее рабочей температуры ячеек).

Базовая конструкция с воздушным охлаждением использует либо полый проводящий корпус для установки фотоэлектрических панелей, либо контролируемый поток воздуха к задней поверхности фотоэлектрической панели. Воздушные коллекторы PVT либо втягивают свежий наружный воздух, либо используют воздух в качестве циркулирующей теплопередающей среды в замкнутом контуре. Тепло излучается от панелей в замкнутое пространство, где воздух либо циркулирует в системе HVAC здания для повторного улавливания тепловой энергии, либо поднимается и выпускается из верхней части конструкции. Теплопередающая способность воздуха ниже, чем у обычно используемых жидкостей, и поэтому требует пропорционально более высокого массового расхода, чем эквивалентный жидкостный коллектор PVT. Преимущество заключается в том, что требуемая инфраструктура имеет меньшую стоимость и сложность.

Нагретый воздух циркулирует в системе HVAC здания для подачи тепловой энергии . Избыточное тепло, вырабатываемое, можно просто выпустить в атмосферу. Некоторые версии воздушного коллектора PVT могут работать таким образом, чтобы охлаждать фотоэлектрические панели для выработки большего количества электроэнергии и способствовать снижению теплового воздействия на снижение производительности в течение срока службы.

Существует ряд различных конфигураций воздухосборников PVT, которые различаются по степени инженерной сложности. Конфигурации воздухосборников PVT варьируются от базовой закрытой неглубокой металлической коробки с впускным и выпускным отверстиями до оптимизированных поверхностей теплопередачи, которые обеспечивают равномерную теплопередачу панели в широком диапазоне технологических и внешних условий.

Воздухосборники PVT могут быть выполнены в открытом или закрытом исполнении. ^[3]

Непокрытые PVT-коллекторы, также обозначаемые как неглазурованные или чувствительные к ветру и/или инфракрасному излучению PVT-коллекторы (WISC), обычно состоят из фотоэлектрического модуля с теплообменником, прикрепленным к задней части фотоэлектрического модуля. Несмотря на свое название, солнечные элементы обычно прикреплены к задней стороне переднего стекла и, таким образом, покрыты им, но без воздушного зазора. В то время как большинство PVT-коллекторов представляют собой сборные блоки, некоторые изделия предлагаются в качестве теплообменников для модернизации готовых фотоэлектрических модулей. В обоих случаях необходим хороший и долговременный прочный тепловой контакт с высоким коэффициентом теплопередачи между фотоэлектрическими элементами и жидкостью. ^[14]

Задняя сторона открытого коллектора PVT может быть оснащена теплоизоляцией (например, минеральной ватой или пенопластом) для снижения потерь тепла нагреваемой жидкости. Неизолированные коллекторы PVT выгодны для работы при температурах, близких к температуре окружающей среды и ниже ее . В частности, открытые коллекторы PVT с повышенной теплопередачей в окружающий воздух являются подходящим источником тепла для систем тепловых насосов . Когда температура в источнике теплового насоса ниже температуры окружающей среды, жидкость может нагреваться до температуры окружающей среды даже в периоды отсутствия солнечного света.

Соответственно, открытые коллекторы PVT можно разделить на:

• Открытый PVT-коллектор с повышенной теплопередачей в окружающий воздух
• Открытый коллектор PVT без задней изоляции
• Открытый коллектор PVT с задней изоляцией

Непокрытые коллекторы PVT также используются для обеспечения возобновляемого охлаждения путем рассеивания тепла через коллектор PVT в окружающий воздух или путем использования эффекта радиационного охлаждения. При этом используется холодный воздух или вода, которые могут быть использованы для приложений HVAC .

Закрытые или застекленные PVT-коллекторы имеют дополнительное остекление, которое закрывает изолирующий воздушный слой между фотоэлектрическим модулем и вторичным остеклением. Это снижает потери тепла и увеличивает тепловую эффективность . Более того, закрытые PVT-коллекторы могут достигать значительно более высоких температур, чем фотоэлектрические модули или открытые PVT-коллекторы. Рабочие температуры в основном зависят от температуры рабочей жидкости. Средняя температура жидкости может составлять от 25 °C в бассейнах до 90 °C в солнечных системах охлаждения .

Покрытые PVT-коллекторы напоминают по форме и конструкции обычные плоские коллекторы или вакуумные трубки . Однако вместо спектрально-селективных абсорбционных покрытий фотоэлементы поглощают падающее солнечное излучение и генерируют электрический ток в дополнение к солнечному теплу .

Изоляционные характеристики передней крышки повышают тепловую эффективность и позволяют использовать более высокие рабочие температуры. Однако дополнительные оптические интерфейсы увеличивают оптические отражения и, таким образом, снижают генерируемую электрическую мощность. Антибликовые покрытия на переднем остеклении могут снизить дополнительные оптические потери. ^[15]

Система концентратора имеет преимущество в уменьшении количества необходимых фотоэлементов . Таким образом, можно использовать более дорогие и эффективные фотоэлементы, например, многопереходный фотоэлектрический элемент . Концентрация солнечного света также уменьшает количество горячей области фотопоглотителя и, следовательно, снижает потери тепла в окружающую среду, что значительно повышает эффективность для более высоких температур применения.

Системы концентраторов также часто требуют надежных систем управления для точного отслеживания Солнца и защиты фотоэлементов от повреждения перегревом. Однако существуют также стационарные типы коллекторов PVT, которые используют невизуализирующие отражатели , такие как Compound Parabolic Concentrator (CPC) , и не должны отслеживать Солнце.

В идеальных условиях около 75% энергии Солнца, непосредственно падающей на такие системы, может быть собрано в виде электричества и тепла при температуре до 160 °C. ^[16] Блоки CPVT, которые соединены с накопителями тепловой энергии и органическими генераторами цикла Ренкина, могут обеспечить восстановление по требованию до 70% мгновенной выработки электроэнергии и, таким образом, могут быть довольно эффективной альтернативой типам накопителей электроэнергии, которые соединены с традиционными фотоэлектрическими системами. ^{[17] [18]}

Ограничением систем с высоким концентратором (т. е. HCPV и HCPVT) является то, что они сохраняют свои долгосрочные преимущества по сравнению с обычными коллекторами c-Si / mc-Si только в регионах, которые остаются постоянно свободными от загрязняющих веществ в атмосфере аэрозолей (например, легкие облака, смог и т. д.). Производство электроэнергии быстро ухудшается, поскольку 1) излучение отражается и рассеивается за пределами небольшого (часто менее 1–2 °) угла приема оптики сбора, и 2) поглощение определенных компонентов солнечного спектра приводит к тому, что один или несколько последовательных переходов в многопереходных ячейках работают недостаточно эффективно. Краткосрочные последствия таких нерегулярностей производства электроэнергии можно в некоторой степени уменьшить, включив в систему электрическое и тепловое хранение.

Диапазон применения PVT-коллекторов и солнечных тепловых коллекторов в целом можно разделить в зависимости от их температурных уровней: ^[19]

• низкотемпературное применение до 50 °C
• среднетемпературное применение до 80 °C
• высокотемпературное применение свыше 80 °C

Соответственно, технологии PVT-коллекторов можно сгруппировать по их температурным уровням: пригодность для каждого температурного диапазона зависит от конструкции и технологии PVT-коллектора. Поэтому каждая технология PVT-коллектора характеризуется различными оптимальными температурными диапазонами. Рабочая температура в конечном итоге определяет, какой тип PVT-коллектора подходит для какого применения.

Низкотемпературные применения включают системы тепловых насосов и подогрев бассейнов или спа до 50 °C. Коллекторы PVT в системах тепловых насосов действуют либо как низкотемпературный источник для испарителя теплового насоса , либо на стороне нагрузки для подачи тепла средней температуры в резервуар для хранения . Кроме того, возможна регенерация скважин и теплообменников грунтового источника . ^[3] Непокрытые коллекторы PVT с улучшенным теплообменом воздух-вода могут быть даже единственным источником системы тепловых насосов. В сочетании с архитектурой системы, позволяющей хранить холод, вырабатываемый с помощью WISC или воздушных коллекторов, возможно также кондиционирование воздуха .

Низко- и среднетемпературные применения для отопления помещений и нагрева воды встречаются в зданиях с температурой от 20 °C до 80 °C. Температуры конкретной системы зависят от требований системы теплоснабжения для бытового горячего водоснабжения (например, станция пресной воды, температурные требования для предотвращения легионеллеза ) и для отопления помещений (например, напольное отопление , радиаторы ). Более того, массив коллекторов PVT может быть рассчитан на покрытие только меньших долей потребности в тепле (например, предварительный нагрев горячей воды), тем самым снижая рабочие температуры коллектора PVT.

Солнечное технологическое тепло используется в самых разных промышленных приложениях с требованиями к низким и высоким температурам (например, опреснение воды с помощью солнечной энергии , солнечное охлаждение или выработка электроэнергии с использованием концентрирующих PVT-коллекторов).

В зависимости от типа теплоносителя технологии PVT-коллекторов подходят для нескольких применений: ^[20]

• Воздухосборник PVT: системы отопления помещений, сельскохозяйственные процессы (например, сушка урожая );
• Жидкостный коллектор PVT: отопление помещений (бытовое, промышленное), системы водонагрева , опреснение воды , охлаждение помещений , системы обработки пищевых продуктов.

Технологии PVT могут внести ценный вклад в мировой энергетический баланс и могут рассматриваться как вариант для приложений, обеспечивающих возобновляемую электроэнергию , тепло или холод .

• Кондиционирование воздуха на солнечной энергии
• Фотоэлектрическая система
• Солнечная энергия