Войти
Схематический разрез открытого PVT коллектора с пластинчатым теплообменником и задней изоляцией:. 1 - Антибликовое стекло. 2 - Герметик (например, EVA ). 3 - Солнечные фотоэлементы. 4 - Герметик (например, EVA ). 5 - Задний лист (например, PVF ). 6 - Теплообменник (например, алюминий, медь или полимеры ). 7 - Теплоизоляция (например, минеральная вата, полиуретан )Фотогальванические тепловые коллекторы, обычно сокращенно PVT-коллекторы а также известные как гибридные солнечные коллекторы, фотоэлектрические тепловые солнечные коллекторы, PV / T-коллекторы или солнечные когенерационные системы, представляют собой технологии производства электроэнергии, которые преобразуют солнечное излучение в пригодное для использования тепловое и электрическая энергия. PVT-коллекторы объединяют фотоэлектрические солнечные элементы, которые преобразуют превращение света в электричество с помощью солнечного теплового коллектора, который передает неиспользованное в противном случае отработанное тепло от фотоэлектрического модуля к теплоносителю. Комбинируя производство электроэнергии и тепла в одном компоненте, эти технологии могут достичь более высокого общего КПД, чем только солнечные фотоэлектрические (PV) или солнечные тепловые (T).
Были проведены значительные исследования для разработки разнообразных PVT-технологий. технологии с 1970-х годов. Различные технологии коллектора PVT существенно различаются по конструкции коллектора и теплоносителю и предназначены для различных применений, от низких температур ниже температуры окружающей среды до высоких температур выше 100 ° C.
PVT-коллекторы вырабатывают солнечное тепло и электричество, в основном без прямого CO2 выбросы и поэтому рассматриваются как многообещающая зеленая технология для обеспечения возобновляемой электроэнергией и теплом для зданий и промышленных процессов.
Тепло является крупнейшим конечным потребителем энергии. В 2015 году на отопление зданий, промышленных предприятий и других объектов пришлось около 52% (205 ЭДж) от общего объема потребляемой энергии. Из них более половины было использовано в промышленности и около 46% в строительном секторе. В то время как 72% тепла было произведено за счет прямого сжигания ископаемого топлива, только 7% приходилось на современные возобновляемые источники, такие как солнечная энергия, биотопливо или геотермальная энергия. Рынок низкопотенциального тепла до 150 ° C оценивается в 26,8% мирового конечного спроса на энергию, который в настоящее время покрывается ископаемым топливом (газ, нефть и уголь), электричеством и возобновляемым теплом.. Это сумма промышленного спроса 7,1% (25,5 ЭДж) и спроса на строительство 19,7% (49,0 ЭДж жилой и 13,6 ЭДж коммерческий ).
Ожидается, что спрос на электроэнергию в зданиях и промышленности будет расти в связи с продолжающейся электрификацией и объединением секторов. Для значительного сокращения выбросов парниковых газов важно, чтобы основная доля электроэнергии поступала из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнечная энергия, биомасса и энергия воды.
Таким образом, рынок возобновляемых источников тепла и электроэнергии огромен, что демонстрирует рыночный потенциал PVT-коллекторов.
В отчете «Solar Heat Worldwide» дана оценка мирового рынка PVT-коллекторов в 2019 году. По данным авторов, общая площадь установленных коллекторов составила 1,16 миллиона квадратных метров. Наибольшую долю рынка занимали открытые водосборники (55%), за ними следуют воздухосборники (43%) и закрытые водосборники (2%). Страна с наибольшей установленной мощностью: Франция (42%), за ней следуют Южная Корея (24%), Китай (11%) и . Германия (10%).
Коллекторы PVT объединяют выработку солнечной электроэнергии и тепла в одном компоненте и, таким образом, обеспечивают более высокую общую эффективность и лучшее использование солнечного спектра чем обычные фотоэлектрические модули.
Использование солнечного спектра PVT-коллектора Фотоэлектрические элементы обычно достигают электрического КПД от 15% до 20%, в то время как большая часть солнечного спектра (65% - 70%) преобразуется в тепло, увеличивая температура фотоэлектрических модулей. Коллекторы PVT, напротив, спроектированы для передачи тепла от фотоэлементов жидкости, тем самым охлаждая элементы и тем самым повышая их эффективность. Таким образом, это избыточное тепло становится полезным и может использоваться, например, для нагрева воды или в качестве источника низкой температуры для тепловых насосов. Таким образом, PVT-коллекторы лучше используют солнечный спектр.
Большинство фотоэлектрических элементов (например, на основе кремния ) страдают от падения эффективности при повышении температуры элементов. Каждый градус Кельвина увеличения температуры ячейки снижает эффективность на 0,2-0,5%. Следовательно, отвод тепла от фотоэлементов может снизить их температуру и, таким образом, повысить их эффективность. Увеличенный срок службы фотоэлементов - еще одно преимущество более низких рабочих температур.
Это эффективный метод для максимизации общей эффективности и надежности системы, но приводит к тому, что тепловой компонент не работает по сравнению с тем, что достигается с чистым солнечным тепловым коллектором. Другими словами, максимальные рабочие температуры для большинства PVT-систем ограничиваются значениями ниже максимальной температуры ячейки (обычно ниже 100 ° C). Тем не менее, две или более единицы тепловой энергии по-прежнему генерируются на каждую единицу электрической энергии, в зависимости от эффективности элемента и конструкции системы.
Существует множество технических возможностей для объединения фотоэлементов и солнечных тепловых коллекторов. Ряд коллекторов PVT доступен в качестве коммерческих продуктов, которые можно разделить на следующие категории в зависимости от их основной конструкции и жидкий теплоноситель :
В Помимо классификации по теплоносителю, PVT-коллекторы также могут быть классифицированы в соответствии с наличием вторичного остекления для уменьшения потерь тепла и наличием устройство для концентрации солнечного излучения :
Кроме того, PVT-коллекторы можно классифицировать по к их конструкции, таким как технология ячейки, тип жидкости, материал и геометрия теплообменника, тип контакта между жидкостью и фотоэлектрическим модулем, крепление теплообменника, или уровень интеграции в здание (интегрированные в здание PVT коллекторы (BIPVT)).
Конструкция и тип PVT коллекторов al Пути подразумевают определенную адаптацию к рабочим температурам, приложениям и уделение приоритета выработке либо тепла, либо электроэнергии. Например, работа коллектора PVT 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 ограничиваются значениями ниже максимальных сертифицированных рабочих температур (обычно 85 ° C). Тем не менее, две или более единиц тепловой энергии вырабатываются на каждую единицу электрической энергии, в зависимости от эффективности элемента и конструкции системы.
В базовой конструкции с водяным охлаждением используются каналы для направления потока жидкости с помощью трубопроводов, прикрепленных прямо 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 фотоэлементами. Тепло от фотоэлементов проводится через металл и поглощается рабочей жидкостью (при условии, что рабочая жидкость холоднее, чем рабочая температура элементов).
В базовой конструкции с воздушным охлаждением используется либо полый проводящий корпус для монтажа фотоэлектрических панелей, либо регулируемый поток воздуха к задней стороне фотоэлектрическая панель. Коллекторы PVT либо втягивают свежий наружный воздух, либо используют воздух в качестве циркулирующего теплоносителя в замкнутом контуре. Тепло излучается от панелей в замкнутое пространство, где воздух либо циркулирует в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в здании для возврата тепловой энергии, либо поднимается и удаляется через верхнюю часть конструкции. Теплопередача воздуха ниже, чем у обычно используемых жидкостей, и поэтому требует пропорционально более высокого массового расхода, чем эквивалентный жидкостный коллектор PVT. Преимущество состоит в том, что требуемая инфраструктура имеет меньшую стоимость и сложность.
Нагретый воздух циркулирует в системе HVAC здания для передачи тепловой энергии. Избыточное тепло можно просто отвести в атмосферу. Некоторые версии воздушного коллектора PVT могут использоваться для охлаждения фотоэлектрических панелей для выработки большего количества электроэнергии и помощи в уменьшении теплового воздействия на ухудшение эксплуатационных характеристик в течение срока службы.
Существует ряд различных конфигураций воздухосборников PVT, которые различаются инженерной сложностью. Конфигурации воздухосборников PVT варьируются от базовой закрытой мелкой металлической коробки с впуском и выпуском до оптимизированных поверхностей теплопередачи, которые обеспечивают равномерную теплопередачу панели в широком диапазоне условий процесса и окружающей среды.
Воздухосборники PVT могут быть выполнены в виде открытых или закрытых конструкций.
Непокрытые коллекторы PVT, также обозначаемые как неглазурованные или ветровые и / или PVT-коллекторы, чувствительные к инфракрасному излучению (WISC), обычно состоят из фотоэлектрического модуля со структурой теплообменника, прикрепленной к задней части фотоэлектрического модуля. В то время как большинство PVT-коллекторов представляют собой сборные блоки, некоторые продукты предлагаются в качестве теплообменников, которые можно установить на стандартные фотоэлектрические модули. В обоих случаях необходим хороший и долговечный прочный тепловой контакт с высоким коэффициентом теплопередачи между фотоэлементами и жидкостью.
Задняя сторона открытого PVT коллектора может быть оборудована теплоизоляцией (например, минеральная вата или пена) для уменьшения потерь тепла нагретой текучей среды. Неизолированные PVT-коллекторы полезны для работы при температуре окружающей среды и ниже. В частности, непокрытые PVT-коллекторы 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 без солнечного света.
Соответственно, непокрытые PVT-коллекторы можно разделить на:
Непокрытые PVT-коллекторы также используются для обеспечения возобновляемого охлаждения посредством отвода тепла через PVT-коллектор в окружающий воздух или за счет использования радиационный охлаждающий эффект. При этом используется холодный воздух или вода, которые можно использовать для HVAC приложений.
Покрытые или застекленные PVT-коллекторы имеют дополнительное остекление, которое закрывает изолирующий воздушный слой между фотоэлектрическим модулем и вторичным остеклением. Это снижает тепловые потери и увеличивает тепловую эффективность. Более того, закрытые PVT-коллекторы могут достигать значительно более высоких температур, чем фотоэлектрические модули или непокрытые PVT-коллекторы. Рабочие температуры в основном зависят от температуры рабочей жидкости. Средняя температура жидкости может составлять от 25 ° C в плавательных бассейнах до 90 ° C в системах солнечного охлаждения.
Покрытые PVT-коллекторы по форме и конструкции напоминают обычные плоские пластинчатые коллекторы или вакуумные вакуумные трубки. Тем не менее, фотоэлементы вместо спектрально-избирательных поглотителей покрытий поглощают падающее солнечное излучение и генерируют электрический ток в дополнение к солнечное тепло.
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. Антибликовое покрытие на переднем остеклении может снизить дополнительные оптические потери.
Система концентратора имеет преимущество, заключающееся в уменьшении количества фотоэлементов нужно. Поэтому можно использовать более дорогие и эффективные фотоэлементы, например многопереходный фотоэлектрический элемент. Концентрация солнечного света также уменьшает площадь горячей области фотоэлектрического абсорбера 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 фотоэлементов от разрушительных условий перегрева. Однако существуют также стационарные типы PVT-коллекторов, в которых используются отражатели без формирования изображения, например, 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. Для получения более подробной информации см. Обсуждение CPVT в статье для концентрированной фотоэлектрической энергии.
Ограничение систем с высокой концентрацией (например, HCPV и HCPVT) заключается в том, что они сохраняют свои долгосрочные преимущества перед обычными c- Коллекторы Si / mc-Si только в регионах, которые постоянно остаются свободными от атмосферных аэрозольных загрязнителей (например, легкие облака, смог и т. Д.). Производство энергии быстро снижается, потому что 1) излучение отражается и рассеивается за пределами малого (часто менее 1 ° -2 °) угла приема собирающей оптики, и 2) поглощения определенных компонентов солнечного спектра вызывает недостаточную работу одного или нескольких последовательных переходов в многопереходных элементах. Кратковременные последствия таких сбоев в выработке электроэнергии можно в некоторой степени уменьшить за счет включения в систему аккумуляторов электроэнергии и тепла.
Диапазон применения PVT-коллекторов и в целом солнечных тепловых коллекторов можно разделить в соответствии с их температурными уровнями:
Карта технологий PVT-коллекторов и PVT-приложений для рабочих температур Соответственно, технологии PVT-коллектора могут быть сгруппированы в зависимости от их температурных уровней: пригодность для каждого температурного диапазона зависит от конструкции и технологии PVT-коллектора. Поэтому каждая технология коллектора PVT имеет разные оптимальные температурные диапазоны. Рабочая температура в конечном итоге определяет, какой тип PVT-коллектора подходит для какого применения.
Низкотемпературные области применения включают системы с тепловым насосом и подогрев плавательных бассейнов или спа до 50 ° C. PVT-коллекторы в системах теплового насоса действуют либо как низкотемпературный источник для теплового насоса испарителя, либо на стороне нагрузки для подачи тепла средней температуры в накопительный бак. Кроме того, возможна регенерация скважин и грунтовых теплообменников. Открытые PVT-коллекторы с улучшенным теплообменом воздух-вода могут быть даже единственным источником системы теплового насоса. В сочетании с системной архитектурой, позволяющей хранить холод, произведенный с помощью WISC или воздухосборников, также возможно кондиционирование.
Низкие и средние температуры для отопления помещений и водяного отопления применяются в зданиях с температурами от 20 ° C до 80 ° C. Температура конкретной системы зависит от требований системы теплоснабжения для горячего водоснабжения (например, станция пресной воды, температурные требования для предотвращения легионеллы ) и для отопления помещений (например, напольное отопление, радиаторы ). Более того, массив PVT-коллектора может быть рассчитан так, чтобы покрывать только меньшие доли потребности в тепле (например, предварительный нагрев горячей воды), тем самым снижая рабочие температуры PVT-коллектора.
Технологическое солнечное тепло включает в себя широкий спектр промышленных применений с требованиями от низких до высоких температур (например, солнечная вода опреснение, солнечное охлаждение или производство электроэнергии с концентрирующими коллекторами PVT).
В зависимости от типа жидкого теплоносителя, технологии коллектора PVT подходят для нескольких применений:
PVT-технологии могут внести ценный вклад в мировой энергетический баланс и могут рассматриваться как вариант для приложений, поставляющих возобновляемую электроэнергию, тепло или холод.
Портал возобновляемой энергии 
Энергетический портал 