Фотоэлектрический тепловой гибридный солнечный коллектор

1 - Антибликовое стекло
2 – Герметик (например, EVA )
3 – Солнечные фотоэлементы
4 – Герметик (например, ЭВА )
5 – Задний лист (например, PVF )
6 — Теплообменник (например , алюминий , медь или полимеры )
7 – Теплоизоляция (например, минеральная вата , полиуретан )
Фотоэлектрические тепловые коллекторы , обычно сокращенно называемые PVT-коллекторами, а также известные как гибридные солнечные коллекторы, фотоэлектрические тепловые солнечные коллекторы, фотоэлектрические тепловые коллекторы или солнечные когенерационные системы, представляют собой технологии производства электроэнергии, которые преобразуют солнечное излучение в полезную тепловую и электрическую энергию . Коллекторы PVT сочетают в себе фотоэлектрические солнечные элементы (часто расположенные в солнечных панелях ), которые преобразуют солнечный свет в электричество, с солнечным тепловым коллектором , который передает неиспользованное в противном случае отходящее тепло от фотоэлектрического модуля в жидкий теплоноситель. [ 1 ] Объединив выработку электроэнергии и тепла в одном компоненте, эти технологии могут достичь более высокой общей эффективности, чем только солнечные фотоэлектрические (PV) или солнечные тепловые (T). [ 2 ] [ 3 ]
С 1970-х годов были проведены значительные исследования по разработке широкого спектра PVT-технологий. [ 4 ] Различные технологии PVT-коллекторов существенно различаются по конструкции коллектора и теплоносителю и предназначены для различных применений: от низкотемпературного нагрева ниже температуры окружающей среды до высокотемпературного нагрева выше 100 °C. [ 5 ]
PVT-рынки
[ редактировать ]PVT-коллекторы генерируют солнечное тепло и электроэнергию практически без прямых CO 2 выбросов и поэтому считаются [ кем? ] как многообещающая зеленая технология для снабжения возобновляемой электроэнергией и теплом . зданий и промышленных процессов [ нужна ссылка ]
Тепло является крупнейшим конечным потребителем энергии . В 2015 году на отопление зданий, промышленных целей и других целей пришлось около 52% (205 ЭДж) от общего объема потребляемой энергии. Из этого количества более половины было использовано в промышленности и около 46% в строительном секторе. Хотя 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 ] По оценкам, рынок низкопотенциального тепла до 150 °C составляет 26,8% мирового конечного спроса на энергию, который в настоящее время удовлетворяется за счет ископаемого топлива (газа, нефти и угля), электроэнергии и возобновляемого тепла. Это сумма спроса отрасли 7,1% (25,5 ЭДж). [ 7 ] и спрос на строительство 19,7% (49,0 ЭДж для жилых помещений и 13,6 ЭДж для коммерческих помещений ). [ 8 ]
Ожидается, что спрос на электроэнергию в зданиях и промышленности будет продолжать расти из-за продолжающейся электрификации и объединения секторов . [ 9 ] Для значительного сокращения выбросов парниковых газов важно, чтобы большая часть электроэнергии производилась из возобновляемых источников энергии , таких как энергия ветра , солнечная энергия , биомасса и энергия воды .
Таким образом, рынок возобновляемого тепла и электроэнергии огромен, что иллюстрирует рыночный потенциал PVT-коллекторов.
Отчет «Солнечное тепло во всем мире» [ 10 ] проведена оценка мирового рынка PVT-коллекторов в 2019 году. По оценкам авторов, общая площадь установленных коллекторов составила 1,16 млн квадратных метров. Наибольшую долю рынка (55%) имели открытые водосборники, за ними следовали воздушные коллекторы (43%) и закрытые водосборники (2%). Страной с наибольшей установленной мощностью стала Франция (42%), за ней следовали Южная Корея (24%), Китай (11%) и Германия (10%).
PVT коллекторная технология
[ редактировать ]PVT-коллекторы объединяют выработку солнечной электроэнергии и тепла в одном компоненте и, таким образом, достигают более высокой общей эффективности и лучшего использования солнечного спектра , чем обычные фотоэлектрические модули.

Фотоэлектрические элементы обычно достигают электрического КПД от 15% до 20%, при этом большая часть солнечного спектра (65–70%) преобразуется в тепло, повышая температуру фотоэлектрических модулей. Коллекторы PVT, напротив, предназначены для передачи тепла от фотоэлектрических элементов к жидкости, тем самым охлаждая элементы и тем самым повышая их эффективность. [ 11 ] Таким образом, это избыточное тепло становится полезным и может быть использовано, например, для нагрева воды или в качестве источника низкой температуры для тепловых насосов. Таким образом, коллекторы PVT лучше используют солнечный спектр. [ 3 ]
Большинство фотоэлектрических элементов (например, на основе кремния ) страдают от падения эффективности при повышении температуры элементов. Каждый Кельвин повышения температуры элемента снижает эффективность на 0,2–0,5%. [ 5 ] Следовательно, отвод тепла от фотоэлектрических элементов может снизить их температуру и, таким образом, повысить эффективность элементов. Увеличение срока службы фотоэлементов является еще одним преимуществом более низких рабочих температур.
Это эффективный метод максимизации общей эффективности и надежности системы, но он приводит к недостаточной производительности теплового компонента по сравнению с тем, что достигается с помощью чистого солнечного теплового коллектора. То есть максимальные рабочие температуры для большинства PVT-систем ограничены величиной ниже максимальной температуры элемента (обычно ниже 100 °C). Тем не менее, на каждую единицу электрической энергии по-прежнему генерируется две или более единиц тепловой энергии, в зависимости от эффективности элемента и конструкции системы.
Виды PVT коллекторов
[ редактировать ]Существует множество технических возможностей для объединения фотоэлектрических элементов и солнечных тепловых коллекторов . В качестве коммерческой продукции доступен ряд PVT-коллекторов, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от их базовой конструкции и теплоносителя :
- PVT коллектор жидкости
- PVT воздухосборник
Помимо классификации по теплоносителю , ПВТ-коллекторы также можно классифицировать по наличию вторичного остекления для снижения теплопотерь и наличию устройства для концентрации солнечного излучения :
- Непокрытый коллектор PVT (WISC PVT)
- Закрытый коллектор PVT
- Концентрирующий коллектор PVT (CPVT)
Кроме того, коллекторы PVT можно классифицировать в зависимости от их конструкции, например, по технологии ячеек , типу жидкости , материалу и геометрии теплообменника , типу контакта между жидкостью и фотоэлектрическим модулем , креплению теплообменника или уровню интеграции здания (встроенный в здание PVT). (БИПВТ) коллекторы). [ 3 ] [ 12 ]
Конструкция и тип PVT-коллекторов всегда подразумевают определенную адаптацию к рабочим температурам , условиям применения и приоритетность выработки тепла или электроэнергии . Например, работа PVT-коллектора при низких температурах приводит к охлаждающему эффекту фотоэлементов по сравнению с фотоэлектрическими модулями и, следовательно, приводит к увеличению электрической мощности. Однако тепло также необходимо использовать при низких температурах.
Максимальные рабочие температуры для большинства фотоэлектрических модулей ограничены значениями ниже максимальных сертифицированных рабочих температур (обычно 85 °C). [ 13 ] Тем не менее, на каждую единицу электрической энергии генерируется две или более единиц тепловой энергии, в зависимости от эффективности элемента и конструкции системы.
PVT коллектор жидкости
[ редактировать ]Базовая конструкция с водяным охлаждением использует каналы для направления потока жидкости с помощью труб, прикрепленных прямо или косвенно к задней части фотоэлектрического модуля. В стандартной жидкостной системе рабочая жидкость , обычно вода, гликоль или минеральное масло, циркулирует в теплообменнике за фотоэлементами. Тепло от фотоэлектрических элементов передается через металл и поглощается рабочей жидкостью (при условии, что рабочая жидкость холоднее рабочей температуры элементов).
PVT воздухосборник
[ редактировать ]В базовой конструкции с воздушным охлаждением используется либо полый проводящий корпус для установки фотоэлектрических панелей, либо контролируемый поток воздуха к задней поверхности фотоэлектрической панели. Воздушные коллекторы PVT либо всасывают свежий наружный воздух, либо используют воздух в качестве циркулирующего теплоносителя в замкнутом контуре. Тепло излучается от панелей в закрытое пространство, где воздух либо циркулирует в системе HVAC здания для улавливания тепловой энергии, либо поднимается и выбрасывается через верхнюю часть конструкции. Способность теплопередачи воздуха ниже, чем у обычно используемых жидкостей, и поэтому требует пропорционально более высокого массового расхода, чем эквивалентный коллектор жидкости PVT. Преимущество состоит в том, что необходимая инфраструктура имеет меньшую стоимость и сложность.
Нагретый воздух циркулирует в системе HVAC здания для выработки тепловой энергии . Избыточное тепло можно просто выбросить 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 технической сложности. Конфигурации воздухосборников PVT варьируются от базового закрытого неглубокого металлического короба с впускными и выпускными отверстиями до оптимизированных поверхностей теплопередачи, которые обеспечивают равномерную теплопередачу панели в широком диапазоне технологических процессов и условий окружающей среды.
Воздухосборники ПВТ могут выполняться как открытого, так и крытого исполнения. [ 3 ]
Непокрытый коллектор PVT (WISC)
[ редактировать ]Непокрытые PVT-коллекторы, также называемые неглазурованными или чувствительными к ветру и/или инфракрасному излучению PVT-коллекторами (WISC), обычно состоят из фотоэлектрического модуля с конструкцией теплообменника, прикрепленной к задней части фотоэлектрического модуля. Несмотря на свое название, солнечные элементы обычно крепятся к задней стороне переднего стекла и, таким образом, закрываются им, но без воздушного зазора. Хотя большинство PVT-коллекторов представляют собой сборные блоки, некоторые продукты предлагаются в качестве теплообменников для модернизации стандартных фотоэлектрических модулей. В обоих случаях необходим хороший и долговременный тепловой контакт с высоким коэффициентом теплопередачи между фотоэлементами и жидкостью. [ 14 ]
Заднюю сторону открытого PVT-коллектора можно оборудовать теплоизоляцией (например, минеральной ватой или пенопластом) для уменьшения теплопотерь нагретой жидкости. Неизолированные PVT-коллекторы удобны для работы при температурах, близких к температуре окружающей среды и ниже ее . В частности, открытые PVT-коллекторы с повышенной передачей тепла окружающему воздуху являются подходящим источником тепла для систем тепловых насосов . Когда температура в источнике теплового насоса ниже температуры окружающей среды, жидкость можно нагреть до температуры окружающей среды даже в периоды отсутствия солнечного света.
Соответственно, открытые коллекторы PVT можно разделить на:
- Незакрытый PVT-коллектор с повышенной теплоотдачей в окружающий воздух
- Непокрытый коллектор PVT без задней изоляции
- Непокрытый PVT-коллектор с задней изоляцией
Непокрытые PVT-коллекторы также используются для обеспечения возобновляемого охлаждения путем рассеивания тепла через PVT-коллектор в окружающий воздух или за счет использования эффекта радиационного охлаждения. При этом используется холодный воздух или вода, которые можно использовать для систем отопления, вентиляции и кондиционирования .
Закрытый коллектор PVT
[ редактировать ]Закрытые или остекленные коллекторы PVT имеют дополнительное остекление, которое окружает изолирующий слой воздуха между фотомодулем и вторичным остеклением. Это снижает тепловые потери и увеличивает тепловой КПД . Более того, закрытые PVT-коллекторы могут достигать значительно более высоких температур, чем фотоэлектрические модули или открытые PVT-коллекторы . в Рабочие температуры основном зависят от температуры рабочей жидкости. Средняя температура жидкости может составлять от 25 °C в бассейнах до 90 °C в охлаждения солнечных системах .
Покрытые коллекторы PVT напоминают по форме и конструкции обычные плоские коллекторы или вакуумные вакуумные трубки . Тем не менее, фотоэлементы вместо спектрально-селективных поглощающих покрытий поглощают падающее солнечное излучение и генерируют электрический ток в дополнение к солнечному теплу .
Изоляционные характеристики передней крышки повышают тепловой КПД и позволяют работать при более высоких температурах. Однако дополнительные оптические интерфейсы увеличивают оптические отражения и, таким образом, уменьшают генерируемую электрическую мощность. Антибликовые покрытия на лобовом стекле позволяют снизить дополнительные оптические потери. [ 15 ]
ПВТ-концентратор (ЦПВТ)
[ редактировать ]Преимущество системы концентратора заключается в уменьшении количества необходимых фотоэлектрических элементов . Следовательно, можно использовать более дорогие и эффективные фотоэлектрические элементы, например, многопереходные фотоэлектрические элементы . Концентрация солнечного света также уменьшает площадь горячего фотопоглотителя и, следовательно, снижает потери тепла в окружающую среду, что значительно повышает эффективность при более высоких температурах применения.
Системы концентраторов также часто требуют надежных систем управления для точного отслеживания Солнца и защиты фотоэлектрических элементов от вредных условий перегрева. Однако существуют также стационарные типы коллекторов PVT, в которых используются отражатели, не создающие изображения , такие как составной параболический концентратор (CPC) , и которым не нужно отслеживать Солнце.
В идеальных условиях около 75% солнечной энергии, непосредственно падающей на такие системы, может быть собрано в виде электричества и тепла при температуре до 160 °C. [ 16 ] Установки CPVT в сочетании с накопителями тепловой энергии и генераторами с органическим циклом Ренкина могут обеспечить по требованию восстановление до 70% мгновенной выработки электроэнергии и, таким образом, могут быть довольно эффективной альтернативой типам накопителей электроэнергии, которые объединены с традиционными. Фотоэлектрические системы. [ 17 ] [ 18 ]
Ограничением систем с высоким концентратором (т.е. HCPV и HCPVT) является то, что они сохраняют свои долгосрочные преимущества перед обычными коллекторами c-Si / mc-Si только в регионах, которые остаются стабильно свободными от атмосферных аэрозольных загрязнителей (например, легкие облака, смог, и т. д.). Производство энергии быстро ухудшается, потому что 1) излучение отражается и рассеивается за пределами небольшого (часто менее 1–2 °) угла приема собирающей оптики и 2) поглощение определенных компонентов солнечного спектра вызывает один или несколько последовательных переходов. внутри многопереходных ячеек с низкой производительностью. Краткосрочные последствия таких перебоев в выработке электроэнергии можно в некоторой степени уменьшить за счет включения в систему аккумулирующих электрическую и тепловую энергию.
PVT-приложения
[ редактировать ]Спектр применения PVT-коллекторов и в целом солнечных тепловых коллекторов можно разделить в зависимости от их температурных уровней: [ 19 ]

- низкотемпературное применение до 50 °C
- среднетемпературные применения до 80 °C
- высокотемпературное применение выше 80 °C
Соответственно, технологии PVT-коллекторов можно сгруппировать по уровням температур: пригодность для каждого температурного диапазона зависит от конструкции и технологии PVT-коллектора. Таким образом, каждая технология PVT-коллектора имеет разные оптимальные температурные диапазоны. Рабочая температура в конечном итоге определяет, какой тип PVT-коллектора подходит для какого применения.
Низкотемпературные применения включают системы тепловых насосов и подогрев плавательных бассейнов или спа до 50 °C. Коллекторы PVT в системах тепловых насосов действуют либо как источник теплового насоса низкой температуры для испарителя , либо на стороне нагрузки для подачи тепла средней температуры в накопительный бак . Кроме того, регенерация скважин и геотермальных теплообменников . возможна [ 3 ] Непокрытые PVT-коллекторы с улучшенным теплообменом воздух-вода могут даже быть единственным источником системы теплового насоса. В сочетании с архитектурой системы, позволяющей хранить холод, производимый с помощью WISC или воздухосборников, также кондиционирование воздуха возможно .
низкие и средние температуры для отопления помещений и нагрева воды В зданиях применяются : от 20 °C до 80 °C. Температуры конкретной системы зависят от требований системы теплоснабжения для горячего водоснабжения (например, станция пресной воды, температурные требования для предотвращения легионеллы ) и отопления помещений (например, полы с подогревом , радиаторы ). Более того, массив PVT-коллекторов может быть рассчитан на покрытие лишь небольшой части потребности в тепле (например, предварительный нагрев горячей воды), тем самым снижая рабочие температуры PVT-коллектора.
Солнечное технологическое тепло включает в себя широкий спектр промышленных применений с требованиями к температуре от низких до высоких (например, солнечное опреснение воды , солнечное охлаждение или выработка электроэнергии с помощью 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 сельскохозяйственных культур );
- PVT-коллектор жидкости: отопление помещений (бытовое, промышленное), нагрева воды системы , опреснение воды , охлаждение помещений , системы пищевой промышленности.
Технологии PVT могут внести ценный вклад в мировой энергетический баланс и могут рассматриваться как вариант для приложений, обеспечивающих возобновляемую электроэнергию , тепло или холод .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шрикумар, Шрихари.; Пагсли, Адриан; Чакрабарти, Суприя.; Хьюитт, Нил; Мондол, Джаянта.; Шах, Нихилкумар. (2024). «Экспериментальное исследование эффективности фотоэлектрической/тепловой системы на основе гибридной наножидкости MXene/C-dot: энергетический, эксергический и экологически-экономический анализ» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 272 (29): 112904. doi : 10.1016/j.solmat.2024.112904 .
- ^ Шрикумар, С.; Шах, Н.; Мондол, Дж.; Хьюитт, Н.; Чакрабарти, С. (июнь 2022 г.). «Численное исследование и технико-экономическое обоснование фотоэлектрической/тепловой системы на основе MXene/водной наножидкости» . Чистые энергетические системы . 103 : 504–515. Бибкод : 2022CESys...200010S . дои : 10.1016/j.cles.2022.100010 . S2CID 249738724 .
- ^ Jump up to: а б с д и Зенхойзерн, Даниэль; Бамбергер, Эвелин (2017). Подведение итогов PVT: энергетические системы с фотоэлектрическими и солнечными коллекторами (PDF) . ЭнергияШвейц.
- ^ Чоу, ТТ (2010). «Обзор фотоэлектрических и тепловых гибридных солнечных технологий». Прикладная энергетика . 87 (2): 365–379. Бибкод : 2010ApEn...87..365C . дои : 10.1016/j.apenergy.2009.06.037 . S2CID 73537464 .
- ^ Jump up to: а б Зондаг, штат Ха; Баккер, М.; ван Хелден, WGJ (2006). PVT Roadmap — европейское руководство по разработке и внедрению на рынок фотоэлектрических технологий .
- ^ Коллиер, Ют (2018). «Серия IEA Insights 2018: Политика использования возобновляемых источников тепла» . стр. 7–8, рис. 1 и 2 . Проверено 10 марта 2020 г.
- ^ Филибер, Седрик (2017). МЭА Возобновляемая энергия для промышленности От зеленой энергии к экологически чистым материалам и топливу (PDF) . п. 12, рисунок 3.
- ^ Юрге-Ворзац, Диана ; Кабеса, Луиза Ф.; Серрано, Сусана; Барренеш, Камила; Петриченко, Ксения (январь 2015 г.). «Тенденции и движущие силы энергии отопления и охлаждения в зданиях» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 41 : 85–98. дои : 10.1016/j.rser.2014.08.039 . hdl : 20.500.14018/12540 .
- ^ IRENA: Глобальная энергетическая трансформация: дорожная карта до 2050 года (издание 2019 г.) . Абу-Даби: Международное агентство по возобновляемым источникам энергии. 2019 . Проверено 10 марта 2020 г.
- ^ Вайс, Вернер; Сперк-Дюр, Моника (2020). Solar Heat Worldwide, издание 2020 г. – Развитие мирового рынка и тенденции в 2019 г. – Подробные показатели рынка за 2018 г. (PDF) .
- ^ Калогиру, ЮАР; Трипанагностопулос, Ю (2007). «Промышленное применение фотоэлектрических солнечных энергетических систем». Прикладная теплотехника . 27 (8–9): 1259–1270. Бибкод : 2007AppTE..27.1259K . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2006.11.003 .
- ^ Бротье, Летиция (2019). Двухэнергетическая оптимизация многофункциональной солнечной панели: от датчика до установки на месте (кандидатская диссертация). Механика [физика.мед-ф]. Университет Париж-Сакле . Проверено 20 марта 2020 г.
- ^ «IEC 61215-1-1:2016 — Наземные фотоэлектрические (PV) модули. Квалификация конструкции и утверждение типа. Часть 1-1. Специальные требования к испытаниям фотоэлектрических (PV) модулей из кристаллического кремния» .
- ^ Адам, Марио; Крамер, Корбинян; Фриче, Ульрих; Хамбергер, Стефан. «Итоговый отчет стандарта PVT. Код финансирования 01FS12035 — «Совместный проект: Стандартизация и стандартизация многофункциональных солнечных коллекторов PVT (стандарт PVT)» » (PDF) . Проверено 20 марта 2020 г.
- ^ Зондаг, штат Ха (май 2008 г.). «Плоские фотоэлектрические тепловые коллекторы и системы: обзор» (PDF) . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (4): 891–959. дои : 10.1016/j.rser.2005.12.012 .
- ^ Хелмерс, Х.; Бетт, AW; Паризи, Дж.; Агерт, К. (2014). «Моделирование концентрирующих фотоэлектрических и тепловых систем» . Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 22 (4): 427–439. дои : 10.1002/pip.2287 . S2CID 94094698 .
- ^ «RayGen концентрирует свою энергию на огромном потенциале хранения данных» . www.ecogeneration.com.au . 23 апреля 2020 г. Проверено 28 января 2021 г.
- ^ Блейк Матич (20 марта 2020 г.). «ARENA увеличивает финансирование «солнечной гидроэлектростанции» RayGen» . Журнал ПВ . Проверено 28 января 2021 г.
- ^ Калогиру, С.А. (2014). Солнечная энергетика: процессы и системы (второе изд.). Академическая пресса. дои : 10.1016/B978-0-12-374501-9.00014-5 .
- ^ Сате, Тушар М.; Дхобле, AS (сентябрь 2017 г.). «Обзор последних достижений в области фотоэлектрических тепловых технологий». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 76 : 645–672. дои : 10.1016/j.rser.2017.03.075 .