В настоящее время наблюдается рост потребления энергии, в то же время происходит повышение цен на электроэнергию и уменьшаются запасы традиционных ресурсов. В связи с этим становятся актуальными разработки в области возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Солнечная энергия является одним из перспективных и активно развивающихся видов ВИЭ.
У применения солнечных панелей и коллекторов много достоинств:
‒ использование неисчерпаемого возобновляемого источника энергии
‒ отсутствие выбросов в окружающую среду загрязняющих веществ;
‒ возможность установки практически в любом удобном месте;
‒ солнечные панели позволяют обеспечить энергией отдаленные от энергосети районы.
Однако есть и ряд недостатков:
- зависимость от широты, погоды, сезона и времени суток (несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии);
‒ как следствие, необходимость аккумуляции энергии;
‒ при промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности;
‒ высокая стоимость конструкции;
‒ загрязнение солнечных батарей пылью, снегом, инеем.
В России наиболее перспективен для развития солнечной энергетики юг Европейской части страны, особенно Краснодарский и Ставропольский края, Ростовская, Волгоградская и Астраханская области, Дагестан и Калмыкия. [1]
Для преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток применяются солнечную батарею (солнечная панель, PV), работа которой основывается на фотоэлектрическом эффекте.
Устройством для преобразования солнечной энергии в тепловую является солнечный коллектор (T), который собирает тепловую энергию солнца и нагревает теплоноситель. Дальше это тепло может быть использовано для отопления, горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственной продукции, для выработки электроэнергии (пар для вращающихся турбин) и т. д.
Существует также гибридный солнечный коллектор (PV/T панель), позволяющий вырабатывать тепловую и электрическую энергию одновременно.
Рис. 1. Гибридный солнечный коллектор. [2]
У такого устройства под PV панелью устанавливается солнечный коллектор (Рис.1). Таким образом, уменьшается площадь установки при необходимости одновременной выработки тепла и электричества. К тому же повышается эффективность фотоэлементов солнечной панели.
При нагревании фотоэлементов солнечной панели свыше 25ºС (для кремния) снижается вырабатываемая электрическая мощность на 0,4 % на каждый градус. [3] В гибридной системе теплоноситель коллектора отводит это тепло, охлаждая солнечную панель. Отведенное коллектором тепло далее применяется, например, для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.
Т. е. та часть энергии, которая раньше терялась и снижала производительность солнечной панели, в гибридной системе используется.
Рис. 2. Зависимость снижения выработки электроэнергии от температуры фотоэлемента. [2]
В летнее время наблюдается резкое снижение производительности электроэнергии, вызванное превышение порога температуры (50 °С) на поверхности фотоэлемента. Теплоноситель способен охлаждать и поддерживать температуру на поверхности абсорбера до 50 °С. [2] При такой конструкции возможно увеличить выработку электроэнергии на 15 % по сравнению с обычными солнечными.
Но на практике не всегда удается добиться максимальной эффективности гибридного солнечного коллектора. [2]
В основном это связано с тем что в летний период температура теплоносителя не должна превышать 50 °С, поэтому работа таких систем для горячего водоснабжения весьма ограничена. [2] По сравнению с обычными солнечными батареями, при отсутствии циркуляции теплоносителя, температура на поверхности фотоэлемента повышается значительно больше, что вызвано дополнительной изоляции. Тепловая производительность гибридных PV/T модулей значительно меньше по сравнению с классическими солнечными коллекторами, так как в них не используются высокоселективное покрытие.
Приведем некоторые из гибридных солнечных коллекторов, имеющихся в продаже:
‒ POWERVOLT W 200/500(PV=200W, Thermo=500W). Соотношения вырабатываемой тепловой энергии к электрической составляет 2,5:1 соответственно.
‒ POWERTHERM M 180/750(PV=180W, Thermo=750W). Соотношение вырабатываемой тепловой энергии к электрической составляет 4:1 соответственно.
‒ ATMOSFERA F2PV. Общая мощность коллектора* 1337 Вт, тепловая мощность* 1037 Вт, электрическая мощность* 300 Вт. (* При мощности солнечной инсоляции 1000Вт/м² и разнице температуры абсорбера и окружающей среды равной 0 °C) [4]
В апреле 2013г. фирма SunDrum, установившая PV/T систему на одном из домов в штате Массачусетс, добилась 86 % КПД в пиковые часы. Это рекорд для системы PV/T с фиксированным (неотслеживающим) креплением. [5] Тепловые испытания SunDrum показывают, что гибридные панели примерно на 40 о F (22 о С) холоднее, чем стандартные фотоэлектрические панели. Как видно на графике (рис3), это приводит лишь к незначительному увеличению производства электричества, но почти в три раза увеличивается общая полезная энергия, которую производит система, в результате чего общая эффективность системы составляется около 70 % без увеличения площади. [5]
Рис. 3. Общее энергетическое преимущество SunDrum [5]
Фирма SunDrum утверждает, что гибридная система PV/T окупается за 5–10 лет, что чуть дольше, чем классический солнечный коллектор (без PV), и немного быстрее, чем солнечная панель (система PV). [5]
Еще в одном опыте, разработанная PV/T установка монтировалась на жилом доме FOLD в двух городах: Копенгагене и Мадриде.
Таблица 1
Сравнение КПД систем PV/T, PV иT
Максимальный КПД жидкостного солнечного коллектора в составе установки составил 48 % при выключенных фотоэлектрических преобразователях. При одновременном производстве электрической и тепловой энергии его значение снизилось до 42 %.
Общий КПД увеличился на 2,6 % для Копенгагена и на 3,3 % для Мадрида. Срок окупаемости составил примерно 15 лет. [6]
Анализируя оба опыта применения гибридных солнечных коллекторов можно сделать следующий вывод: в гибридном солнечном коллекторе КПД солнечной батареи незначительно повышается за счет ее охлаждения коллектором, однако КПД самого коллектора снижается (по сравнению c обычными солнечным коллектором и солнечной панелью). Общий КПД всей PV/Т системы выше чем при совместном применении солнечного коллектора и солнечной панели. К тому же гибридные PV/Т занимают меньшую площадь.
Таким образом, при правильном применении гибридных солнечных коллекторов PV/Т система позволяет добиться хороших результатов.
Литература:
- Вопросы и ответы о возобновляемых источниках энергии [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.rushydro.ru/
- Гибридные солнечные коллекторы PVT [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://solarsoul.net/
- Фотоэлектрические модули [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://solarmir.ru/
- Гибридные солнечные коллекторы [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.atmosfera.ua/
- PhotovoltaicThermalSystemAchieves 86 % Efficiency [Электронный ресурс] — Режимдоступа: http://www.engineering.com/
- Гибридный солнечный коллектор [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://zvt.abok.ru/
