Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Осень 2013|Гибридный солнечный коллектор
      

Гибридный солнечный коллектор

Павел Севела, Бьёрн Олесен

Одна из последних разработок в сфере использования солнечной энергии в инженерных системах зданий – гибридный солнечный коллектор.

Он представляет собой модуль на базе стандартных фотоэлектрических элементов, КПД которых увеличивается за счет поддержания их температуры на оптимальном уровне и отвода теплоты через встроенные в панель трубки с холодоносителем. В сравнении с аналогичным модулем на базе тех же фотоэлектрических элементов увеличение производительности гибридного солнечного коллектора может достигать 14,8 %.

Реальной моделью для изучения характеристик системы стал проект индивидуального жилого дома FOLD, о котором мы рассказывали в летнем номере журнала. Проект был удостоен первого места на конкурсе «Солнечное десятиборье – 2012», выиграв в категории устройств, применяемых в инженерных системах зданий.


The goal purpose of this paper was to inform about the development of the building integrated photo voltaic thermal (PV-T) system and evaluate its performance in compared to PV installation built of same photovoltaic cells. The study was collaboration among the Technical University of Denmark (DTU and Danish company RAcell (end-reference to website). This project was applied and optimized with the coupled house system on FOLD house, built in purpose of international student competition Solar Decathlon Europe 2012 held in Madrid in September 2012. The proposed PVT system was awarded with first price in Solar system integration sub-contest, during the competition SDE 2012.“Highly effective and innovative integration of PV and thermal systems that is not only a machine added to a house, but added value without creating too much attention to that machinery,” said one of the jury members about the PVT system, announcing the winner.

The PV-T is a hybrid system where the significant growth of efficiency of electricity generation is caused by cooling the cells to optimal temperature by system of embedded pipes on the backside of photovoltaic panels. The thermal part removes the heat, cools down the cells and increases its el. production up to 14,8% according to PV system using the same cells in the same weather conditions. New solution was carried out for piping connection between panels.

The house integrated PV-T system was compared with separate Photovoltaic and Thermal systems from energy and economy point of view. For annual usage of the FOLD house in Spain and Denmark was the PV-T system found as a more beneficial in compare to two separate systems.


 

ТЕЗИСЫ ОДНОГО ИЗ ОСНОВОПОЛАГАЮЩИХ ДОКУМЕНТОВ ПО СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ ЕВРОСОЮЗА (SOLAR THERMAL VISION – 2030) [1–3]

  • Здания и сооружения способны покрывать 100 % энергопотребления за счет солнечной энергии. Солнечные системы могут стать основным источником энергии для зданий в будущем.
  • Архитекторы и и нженеры должны найти комплексные решения, сочетающие пространственно-планировочные, конструктивные и инженерные решения, позволяющие создать энергоэффективные строения с возможностью одновременного контроля теплопоступлений от солнечной радиации и максимального использования энергии солнца для энергосистемы здания.
  • Необходимость рационального использования ограждающих конструкций для аккумуляции энергии солнца и преобразования этой энергии в желаемую форму приводит к разработке «активных» строительных конструкций, интегрированных в здание.

Стандартный модуль с полупроводниковыми элементами преобразует солнечную энергию в электричество за счет фотоэлектрического эффекта. При этом его КПД, как правило, не превышает 14 %. Оставшаяся часть энергии теряется, частично расходуясь на нагрев самого элемента, что в свою очередь влечет повышение электрического сопротивления и снижение производительности системы.

В отличие от стандартного модуля, в гибридном солнечном коллекторе (photovoltaic thermal, PV/T) фотоэлектрические элементы (photovoltaic, PV) охлаждаются активной системой отвода теплоты через медные трубки (жидкостный солнечный коллектор), встроенные в тыльную часть панели. При соответствующей конфигурации инженерных систем здания ту часть энергии, которая раньше попросту терялась, попутно снижая производительность основной системы, в случае с гибридным солнечным коллектором можно с пользой утилизировать. Например, использовать отведенную теплоту для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.

Такая система гибридного солнечного коллектора была успешно опробована в проекте FOLD.

Разработка и тестирование системы

Система разработана с учетом требований нормативных документов, регулирующих применение солнечных коллекторов и фотоэлектрических модулей в ЕС: IEC 60364–7-712, IEC 60364, IEC 61215, IEC 61727, RD 1699/2011, ISO 9806–1:1994 и DS/ENV 13005.

Перед проектировщиками стояла задача повысить КПД фотоэлектрических элементов за счет активного охлаждения фотоэлектрических модулей. Необходимо было найти простое и надежное решение по соединению трубок в единый модуль.

Теплотехнические испытания. Было проведено компьютерное моделирование с целью определения оптимального варианта расположения трубок с холодоносителем в пространстве панели (рис. 1). Результаты вычислений для панели размером 1 пог. м с 6 и 10 трубками приведены на рис. 2.

Эффективность охлаждения панелей иллюстрирует рис. 2а. Результаты моделирования показали, что лучшим способом охлаждения поверхности панели является вариант расположения 10 трубок на 1 пог. м.

Результаты измерения (на опытном образце) температуры поверхности фотоэлектрического модуля, снятые по длине панели перпендикулярно трубкам, отражены на рис. 2б. Тестирование проводилось при плотности потока солнечного излучения 1 000 Вт/м2, температуре наружного воздуха 25 °C и отсутствии ветра. По итогам тестирования в качестве основного рабочего варианта был выбран вариант размещения трубок с холодоносителем через каждые 100 мм.

Опытный образец системы был испытан в натуральных условиях на стенде с уклоном 67,5° строго к югу.

Эффективность получения тепловой энергии (нагрев воды) жидкостным солнечным коллектором была проверена на активной панели (вырабатывается электроэнергия) и на пассивной (фотоэлектрические элементы отключены от сети):

Активная панель преобразовала в теплоту 42 % солнечной энергии, пассивная – 48 % (рис. 3). Разницу в результатах измерения можно объяснить следующим образом. Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии располагаются на фронтальной части панели.

В активном состоянии они поглощают часть энергии, преобразовывая ее в электроэнергию, при этом жидкостный солнечный коллектор «недополучает» энергию на нагрев воды.

Электрические испытания. В качестве фотоэлектрического преобразователя использованы монокристаллические элементы Sunpower А‑300. Квадратный преобразователь состоит из трех ячеек размером 41 × 125 мм, что снижает риск поломки пластины при изгибе. Маленький размер ячейки также позволяет максимально покрыть поверхность панели на непрямоугольных участках.

Испытание панели и измерение электрических показателей проводились на том же стенде, что и испытания жидкостного солнечного коллектора. Электрические характеристики измерялись с помощью метода «Уганды» (рис. 4).

Эффективность получения электрической энергии в зависимости от плотности потока солнечного излучения и разницы температуры фотоэлектрического модуля и наружного воздуха показана на рис. 5а. Результаты получены при тестировании панели в стандартных для Дании климатических условиях (табл. 1) (рассматривалось два варианта размещения дома FOLD: в Дании (Копенгаген) и Испании (Мадрид)).

 

ТАБЛ. 1. АКТИВНОЕ И ПАССИВНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
(КЛИМАТИЧСКИЕ УСЛОВИЯ ДАНИИ)

Тип охлаждения

КПД, %

 Температура фотоэлектрического модуля
Т
модуль, °С

Температура наружного воздуха
Т
возд, °С

Плотность потока солнечного излучения
G
, Вт/м2

Активное  ≈15,5

32 ± 0,5

 

22,5 ± 0,5

880–950

Пассивное   ≈13,5

66 ± 0,5

 22,5 ± 0,5

880–950

График на рис. 5б построен на основе усредненных значений и отражает эффективность панели при активном и пассивном охлаждении ячеек. При пассивном охлаждении (только за счет конвекции) температура ячеек достигает 66 °C, а при активном охлаждении с утилизацией теплоты в систему горячего водоснабжения – 35 °C. Если для охлаждения используется вода из грунтового теплообменника, то панель получается охладить до 32 °C.

КПД гибридного солнечного коллектора представляет собой сумму КПД жидкостного солнечного коллектора и КПД фотоэлектрического модуля (рис. 6). По данным исследований, его значение достигает 58 %.

Лицевая сторона панели покрыта стеклянным материалом SGG ALBARINO® с улучшенными техническими характеристиками. Использование этого материала позволило увеличить эффективность панели на 3 % (рассчитано по методике IEC 61215). Фотоэлектрические преобразователи уложены в этиленвинилацетатную пленку, гидравлическая часть – в комбинацию из поливинилфторидной и этиленвинилацетатной пленок. Тыльная сторона панели обклеена теплоизоляцией AFarmaflex® (рис. 7).

 

1 – Наружное остекление.
2 – Герметизирующий материал (этиленвинилацетат).
3 – Фотоэлектрический элемент с контактом, расположенным на тыльной (задней) поверхности.
4 – Ленточный кабель.
5 – Герметизирующий материал (этиленвинилацетат).
6 – Слой огнеупорной пленки.

7 – Герметизирующий материал (этиленвинилацетат).
8 – Медная пластина.
9 – Герметизирующий материал (этиленвинилацетат).
10 – Медный коллектор.
11 – Медный тройник.
12 – Слой огнеупорной пленки.
13 – Термоизоляционный материал.

Применение в проекте FOLD

Авторы проекта FOLD использовали гибридный солнечный коллектор в качестве основного источника возобновляемой энергии. Тепловая энергия утилизировалась в баке горячего водоснабжения, за счет чего охлаждались фотоэлектрические преобразователи и повышался КПД фотоэлектрического модуля. При невозможности дальнейшей утилизации тепловой энергии баком горячего водоснабжения охлаждение осуществлялось с помощью воды от вертикального грунтового теплообменника глубиной 120 м. В этом режиме удавалось эффективнее охлаждать панель и получать максимальные показатели по электроэнергии. В теплое время года скважина выступала как утилизатор теплоты (что важно для поддержания теплового баланса скважины). Для максимального отвода теплоты в скважину тыльная сторона панели была теплоизолирована.

Гидравлическая часть гибридного солнечного коллектора была разделена на два контура: А (девять панелей) и В (четыре панели) (рис. 8). При проектировании трубопроводов использовался принцип Тихельмана.

Особое внимание уделялось необходимости снижения гидравлического сопротивления системы. Балансировка была выполнена частично за счет изменения диаметров трубопроводов, частично за счет балансировочных клапанов.

В контур системы гибридного солнечного коллектора был встроен дренажный бак на 100 л, заполненный на ¾ воздухом. Все трубопроводы выше дренажного бака выполнялись под уклоном к нему как минимум 2 %. В идеальных условиях вода из гибридного солнечного коллектора самотеком поступала в дренажный бак, откуда попадала в бак горячего водоснабжения. Таким образом, насос использовался только для подъема воды в гибридный солнечный коллектор. При подобной схеме существует гарантия того, что в холодный период года (при неработающем насосе) в гидравлической части коллектора полностью отсутствует холодоноситель. Поэтому в качестве холодоносителя можно использовать воду без химических добавок, необходимых для снижения температуры замерзания.

Для того чтобы упростить демонтаж и сборку дома FOLD при транспортировке из Копенгагена в Мадрид, для стыковки трубопроводов панелей использовались специальные узлы (рис. 9).

Компактность конструкций была одной из основных целей при разработке проекта. Высота жидкостного солнечного коллектора, встроенного в фотоэлектрический модуль, составила всего 60 мм.

Электрическая часть панели была разделена на шесть контуров в соответствии с прогнозируемой плотностью потока солнечного излучения (рис. 10). Каждый контур объединял около 448 полных фотоэлектрических преобразователей, при этом максимальное напряжение составляло 298 В (0,66 В на ячейку), ток короткого замыкания – 8 А. Полная номинальная установочная мощность гибридного солнечного коллектора была равна 10,8 кВт*пик после инвертора напряжение снижалось до 9,2 кВт*пик. Всего в коллекторе использованы 9 914 фотоэлектрических преобразователей общей площадью 50,81 м2.

Команда проекта реализовала техническую возможность подключения дома к внешним сетям для продажи избытков электроэнергии.


* кВт пикпиковая мощность солнечного элемента, модуля, батареи, станции – согласно п. 5.13 ГОСТ Р 51594–2000, максимальная мощность перечисленных устройств при стандартных условиях испытаний.


 

 


Гибридный солнечный коллектор, смонтированный на крыше здания FOLD

Результаты и выводы

ПОТЕНЦИАЛ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ

Потенциал глобального потепления (ПГП, global warming potential, GWP) коэффициент, определяющий степень воздействия различных парниковых газов на глобальное потепление.
Эффект от выброса оценивается за определенный промежуток времени. В качестве эталонного газа взят диоксид углерода (CO2), чей ПГП равен 1. Коэффициент ПГП был введен в 1997 году в Киотском протоколе.
СО2-эквивалент – потенциал глобального потепления какого-либо парникового газа (ПГ), количество которого приравнивается к количеству CO2 с тем же ПГП. Время жизни углекислого газа в атмосфере составляет примерно 100 лет. Его ПГП равен 1, т. к. этот газ является базовым эталоном (Википедия).

Результаты исследования были получены с помощью компьютерного моделирования в программе TRNSYS. Здание рассматривалось при стандартных климатических условиях Копенгагена и Мадрида.

Результаты:

  • годовая мощность гибридного солнечного коллектора [7]:
  • для Мадрида – 11 391 кВт•ч;
  • для Копенгагена – 7 434 кВт•ч;
  • первичная энергия, требуемая для производства панелей гибридного солнечного коллектора весом 1 266 кг (половина этой энергии идет на производство фотоэлектрических преобразователей) – 107 771 мДж (29 919 кВт•ч или 1 558,28 мДж/м2);
  • потенциал глобального потепления – 6 985 кг (CO2-эквивалент), выбрасывается при производстве гибридного солнечного коллектора [8].

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 %.

Сравнение гибридного солнечного коллектора и стандартных технологий (фотоэлектрический модуль и жидкостный солнечный коллектор) с экономической и технической точек зрения приведено в табл. 2.

Общий КПД увеличился на 2,6 % для Копенгагена и на 3,3 % для Мадрида. Срок окупаемости составил примерно 15 лет. Для того чтобы уменьшить срок окупаемости проекта до 10 лет, необходимо было либо снизить стоимость устройства на 33 %, либо найти более эффективный способ утилизации теплоты при охлаждении гибридного солнечного коллектора. Следовало также рассмотреть альтернативные варианты утилизации теплоты, например, посредством абсорбционного чиллера или бака предварительного нагрева воды, последовательно соединенного с баком горячего водоснабжения.

Ситуация на рынке в настоящее время такова, что разные производители предлагают отдельные элементы гибридного солнечного коллектора как готовые к установке продукты, при этом не всегда совместимые между собой. Хотя очевидно, что полностью использовать преимущества гибридного солнечного коллектора возможно только при изначальной разработке этой системы как единого устройства и с учетом необходимости дальнейшей интеграции его в инженерную систему здания.

ОБ АВТОРАХ

Павел Севела инженер проекта
в Инсбрукском университете имени
Леопольда и Франца (Австрия); ру-
ководитель комплекса работ в Дат-
ском техническом университете.
Бьёрн Олесен – профессор, канд.
наук, директор Международного
центра микроклимата и энергоси-
стем зданий Датского техническо-
го университета. Активно участву-
ет в работе нескольких комитетов
ASHRAE по микроклимату и энер-
гопотреблению зданий. Опубли-
ковал более 350 научных статей.
За вклад в развитие инженерных
систем зданий имеет несколько
наград от ведущих мировых ассо-
циаций и сообществ инженеров.

Литература

  1. Charalambous P. G. a kol. Photovoltaic Thermal (PV/T) Collectors: A review. Applied Thermal Engineering 27. 2007. Pp. 275–286.
  2. European Solar Thermal Technology Platform. Solar Thermal Vision – 2030. 2006. URL: http://www.esttp.org.
  3. Hestnes A. G. Building Integration of Solar Energy Systems // Solar Energy 67. 1999. № 4–6. Pp. 181–187.
  4. Sevela P. Energy Management in DTU Solar Decathlon house. Technical University of Denmark. 2012.
  5. Børgesen J., Nielsen K. Afgangsprojekt «Test af PVT Panel» (Februar – Juli, År 2012). Technical University of Denmark. 2012. April.
  6. Team DTU. Project manual: Delivery № 6. DTU. 2012.
  7. Kazanci O. B., Skrupskelis M. Solar Sustainable Heating, Cooling and Ventilation of a Net Zero Energy House. Technical University of Denmark. 2012.
  8. Wiedemann M. Energy Performance of Zero-Energy Houses: LCA on the FOLD Project Building. DTU. 2012.

Перевод и техническое редактирование выполнены Владимиром Устиновым.

The goal purpose of this paper was to inform about the development of the building

integrated photo voltaic thermal (PV-T) system and evaluate its performance in compared to PV

installation built of same photovoltaic cells. The study was collaboration among the Technical

University of Denmark (DTU and Danish company RAcell (end-reference to website). This

project was applied and optimized with the coupled house system on FOLD house, built in

purpose of international student competition Solar Decathlon Europe 2012 held in Madrid in

September 2012. The proposed PVT system was awarded with first price in Solar system

integration sub-contest, during the competition SDE 2012.“Highly effective and innovative

integration of PV and thermal systems that is not only a machine added to a house, but added

value without creating too much attention to that machinery,” said one of the jury members

about the PVT system, announcing the winner.

The PV-T is a hybrid system where the significant growth of efficiency of electricity

generation is caused by cooling the cells to optimal temperature by system of embedded pipes

on the backside of photovoltaic panels. The thermal part removes the heat, cools down the cells

and increases its el. production up to 14,8% according to PV system using the same cells in the

same weather conditions. New solution was carried out for piping connection between panels.

The house integrated PV-T system was compared with separate Photovoltaic and Thermal

systems from energy and economy point of view. For annual usage of the FOLD house in Spain

and Denmark was the PV-T system found as a more beneficial in compare to two separate

systems.


 


ЭнергосбережениеЗелёные технологииАльтернативные источники энергии