Solární hybridní fotovoltaicko-tepelné kolektory – přehled
Článek představuje současný stav problematiky plochých hybridních fotovoltaicko-tepelných (FVT) kolektorů, zaměřuje se na rozdíly mezi základními druhy kolektorů, jejich výhody a nevýhody, navíc předkládá přehled současných světových výrobců. Cílem článku je poukázat na problémy ale zároveň na možnosti spojené s různými druhy hybridních FVT kolektorů.
Článek je převzat z konference Alternativní zdroje energie 2012.
TZB-info je mediálním partnerem konference.
Stručná zpráva z konference zde.
Úvod
Hybridní fotovoltaicko-tepelný (FVT) kolektor je schopen kombinované výroby elektrické energie a tepla ze slunečního záření. Fotovoltaický panel funguje zároveň jako tepelný absorbér, a proto je vhodné uvažovat o odvodu jinak nevyužitého tepla. Důvodů může být hned několik, např. snaha o zvýšení účinnosti fotovoltaické přeměny se současným využitím nízko-potenciálního solárního tepla, snaha o maximální využití dostupné plochy pro získání tepla a elektřiny ze slunečního záření, a v neposlední řadě rovněž ekonomické, ekologické a estetické důvody. Cílovou oblastí využití plochých hybridních kolektorů je rezidenční a administrativní sektor, zejména časté jsou aplikace v domech pasivního standardu.
Druhy hybridních FVT kolektorů
Ploché hybridní kolektory lze dělit podle různých hledisek, např. podle teplonosné látky, konstrukce rámu, konstrukce zasklení či podle způsobu využití. FVT kolektory určené pro využití v budovách se v zásadě dělí na vzduchové a kapalinové, zasklené a nezasklené, a jejich kombinace, přičemž často jsou kolektory aplikovány do obálky budov a označovány jako integrované FVT. Dalším druhem hybridních kolektorů jsou koncentrační, které nacházejí uplatnění především v průmyslových aplikacích, jimiž se však příspěvek nezabývá. Schématické řezy jednotlivými druhy hybridních FVT kolektorů jsou znázorněny na obrázku 1.
Vzduchové
Výrobně jednoduché řešení mohou poskytovat vzduchem chlazené FVT kolektory. Teplonosnou látkou odvádějící přebytečné teplo z fotovoltaických modulů je vzduch proudící kolektorem přirozeně nebo nuceně. Výhodou nuceného chlazení vzduchem je lepší chladicí schopnost než u systémů s přirozeným chlazením. Nevýhodou nuceného chlazení jsou potřebné velké průtoky vzduchu, z důvodu jeho nízké tepelné kapacity, a z toho plynoucí velké průměry rozvodného potrubí. Potřebný průtok a výkon ventilátoru ovlivňuje také tvar kanálu proudícího vzduchu a případné překážky v kanálu (žebrování). Dalším problémem je využití tepla v létě a také vysoká teplota letního venkovního vzduchu, která omezuje schopnost chlazení FV článků. Vzduchové FVT kolektory lze uplatnit např. v systémech teplovzdušného vytápění objektů, sušení nebo ve spolupráci s tepelnými čerpadly.
Kapalinové
Teplonosnou látkou odvádějící přebytečné teplo z fotovoltaických modulů je kapalina (nemrznoucí směs – vodný roztok propylenglykolu) proudící trubkami či kanály absorbéru. Kapalinové FVT kolektory využívají nejčastěji nucený oběh chladicí kapaliny, zkoumána však byla také soustava s přirozeným oběhem, která prokázala lepší výsledky celkové energetické bilance než soustava s oběhem nuceným [1]. Konstrukce kapalinových kolektorů umožňuje využití tepla odvedeného pouze ze zadní strany fotovoltaického panelu, přičemž teplonosná látka proudící kolektorem může být rozvedena v kanálovém či v trubkovém provedení absorbéru. U kapalinových kolektorů je obzvláště potřeba dobře elektricky izolovat fotovoltaickou část od tepelného absorbéru a zároveň mezi nimi zajistit co nejlepší tepelný kontakt, např. vhodným tepelně vodivým a odolným lepidlem. Kapalinové FVT kolektory lze uplatnit celoročně pro ohřev vody nebo v systémech s tepelnými čerpadly.
Obr. 1 Schéma základních druhů hybridních FVT kolektorů
Zasklené
Zasklení u kapalinových kolektorů snižuje celkové tepelné ztráty a zvyšuje tepelnou účinnost oproti nezaskleným a také umožňují další konstrukční možnosti provedení. Zasklené lze použít pro dosažení vyšších teplotních úrovní (příprava teplé vody), nicméně při vyšších provozních teplotách klesá účinnost fotovoltaické přeměny. Zejména v případě stagnace s maximálními teplotami na úrovni 120 °C (podobně jako u neselektivních kolektorů) může dojít k poškození laminace fotovoltaických článků. Typická EVA laminace snáší teploty do 85 °C, při vyšších teplotách materiál degraduje, rozkládá se a produkty rozkladu mohou korozivně působit na kontakty [2]. Obecně lze říci, že u zasklených typů FVT kolektorů je hlavní funkcí výroba tepla s výhodou současné výroby elektřiny ze stejné plochy.
Nezasklené
Rozdíl oproti zaskleným kolektorům je, že nezasklené nemají mezi laminací fotovoltaických článků a ochranným zasklením vzduchovou mezeru. Nezasklené FVT kolektory mají vysoké tepelné ztráty, které lze částečně snížit opatřením zadní strany tepelnou izolací nebo integrací do obálky budovy (finální vrstva konstrukce pláště). Hlavní funkcí nezasklených typů FVT kolektorů je proto výroba elektrické energie se současnou produkcí tepla na nízké teplotní úrovni, které lze využít např. pro primární okruhy tepelných čerpadel, předehřev studené vody (10 až 20 °C celoročně) nebo pro ohřev bazénové vody [3].
Obr. 2 Někteří výrobci nabízejí kompletní paletu výrobků v jednotném rastru - solární tepelný kolektor (vlevo), fotovoltaický panel (vpravo) i hybridní PV/T kolektor (uprostřed). Při pohledu z větší vzdálenosti je obtížné až nemožné jednotlivé typy odlišit. (Fotografie z veletrhu InterSolar 2011)
Výrobci
Množství komerčně dostupných produktů hybridních FVT kolektorů se neustále zvyšuje. Přehled produktů z roku 2006 od prof. Zondaga [4] uvádí 3 výrobce vzduchových kolektorů a 2 výrobce kapalinových. Zatímco vzduchových kolektorů na trhu výrazně nepřibylo, v případě kapalinových je tomu naopak. V současné době je na světě řada výrobců kapalinových FVT kolektorů uvedená v tabulce 1.
| Výrobce | Model / Řada | Výkon (STC) elektrický/tepelný | Popis | Dodavatel v ČR |
|---|---|---|---|---|
| AMK (CH) | OPC15 Edition EU21 | 16 / 1416 W | 1,72 m2 CIS-TF trubkový | - |
| Anaf Solar (I) | Anaf H-NRG | 230 / 780 W | mc-Si | - |
| Becoville (B) | SolarDuo | 220–250 / 510 W | sc-Si, mc-Si | EcoEG |
| Easy BIPV (DK) | Black Line BIPV Hybrid | 250 / 400 W | 1,7 m2 sc-Si | - |
| FotoTherm (I) | Cs serie | 220–250 / 900 W | mc-Si | - |
| Millennium Electric (IL) | MIL-PVT-M02-190 MIL-PVT-M03-195 MIL-PVT-M02-250 MIL-PVT-M03-340 | 190–340 / - W | 1,2 m2 sc-Si mc-Si | - |
| PA-ID (D) | 2Power Module | 265 / 667 W | sc-Si 1,65 m2 | - |
| PVTWINS (NL) | PVT-Panels PVT-Collectors | - | nezasklený zasklený mc-Si | - |
| Poly Solar Solutions (CH) | MCM 888 C | - | 1,02 m2 | - |
| Solator (A) | PV+Therm | 140 / 700 W | 1,085 m2 sc-Si | - |
| Solecho (I) | Blu Power Black Power | 230 / 700 W 230 / 700 W | 1,5 m2 mc-Si | - |
| Solimpeks (TR) | PowerVolt PowerTherm | 190 / 460W 170 / 610 W | sc-Si | Ševela 4T Solar economic |
| SunWin Energy Systems (A) | AF24UE4_PT145 AF24UE4_PT193 AF24VE2_PT145 AF24VE2_PT193 | 145 / 1025 W 193 / 813 W | 1,34 m2 1,05 m2 mc-Si OEM | - |
| SunDrum Solar (USA) | SDM100 Collector | - | souprava na konverzi | - |
| WioSun (D) | PVTherm PVT170, PVT175, PVT180, PVT185 | 170, 175, 180, 185 / 715 W | mc-Si 1,1 m2 | Via Helios |
| ZenithSolar (IL) | Z20 | 4,5 / 11 kW | koncentrační, (mj-TF) 22 m2; hm. 1,5 t | - |
Vysvětlivky: STC - standardní testovací podmínky (příkon 1000 W/m2, spektrum AM1,5 Global, teplota 25 °C), CIS - copper indium diselenide, sc-Si - monokrystalický křemík (single crystal), mc-Si - multikrystalický křemík (multicrystalline), TF - tenkovrstvý (thin film), mj - vícepřechodový (multijunction)
FVT kolektory uvedené v tabulce 1 a 2 jsou dvojího druhu. Konstrukčně jednodušší typ využívá pouze fotovoltaického panelu na fototermickém kolektoru bez vzájemné interakce mezi FV a FT částí. Pokročilé FVT kolektory využívají FV článků jako absorpčního povrchu FT kolektoru. Cena pokročilých FVT kolektorů s odvodem tepla z FV absorbéru se v současné době pohybuje od 400 do 550 €/m2.
Tabulka 2 uvádí přehled současných výrobců vzduchových FVT kolektorů. Hybridní vzduchové FVT kolektory dostupné na trhu jsou dnes převážně vybaveny integrovaným ventilátorem, který je poháněn fotovoltaickým článkem zaujímajícím část plochy kolektoru. Výrobou klasického vzduchového FVT kolektoru se zabývá firma Grammer Solar. Aplikace vzduchových FVT kolektorů často vyžadují integraci do obálky budovy, čímž zároveň přejímají její funkci. V takových případech vzniká hybridní vzduchový FVT systém, jehož prvky můžou být např. obvodové nebo střešní konstrukce. Výrobou podobných systémů se zabývá např. firma Conserval Engineering.
| Výrobce | Model / Řada | Výkon (STC) elektrický/tepelný | Popis | Dodavatel v ČR |
|---|---|---|---|---|
| AIDT Miljø (DK) | SolarVenti SV30 AWX Hybrid | 24 / 2200 W | hybridní kapalinový a teplovzdušný, FV pro pohon ventilátoru a čerpadla | SolarVenti ČR |
| Conserval Engineerging (CDN) | SolarWall PV/T SolarDuct PV/T | 100 / 300–400 W/m2 | - | |
| Grammer Solar (D) | PV-Hybridkollektor | 230 / 690 W | 1,73 m2 | - |
| ModulTeq (D) | MT-MS200 MT-MS200A MTS-MS-200B | - / 1250 W 26 / 1180 W 26 / 1180 W | 2 m2 s integrovaným ventilátorem (18 W) | - |
| PVTSolar (USA) | Echo Solar System | - | mc-Si | - |
| Sole (GR) | Air-Sol 10 Air-Sol 20 Air-Sol 35 | - / 700 W - / 1330 W - / 2450 W | 1,05 m2 1,94 m2 3,56 m2 FV pro pohon integrovaného ventilátoru | - |
Cena kolektoru SolarVenti je v současné době cca 1800 €, jedná se o hybridní kapalinový a vzduchový kolektor doplněný o fotovoltaické články pro pohon ventilátoru a čerpadla. Ceny ostatních kolektorů nebyly zjištěny.
Závěr
Příspěvek představil širokou řadu výrobců vzduchových a kapalinových FVT kolektorů a nastínil možnosti použití zasklených a nezasklených variant. Výběr vhodného druhu hybridního FVT kolektoru je vždy závislý na typu aplikace a celkové skladbě navrhovaného systému. Stejně tak výběr výrobce je závislý na požadovaném využití produktu a především na kvalitě jeho zpracování. V případě integrace FV panelů do obálky budovy je potřeba účinného chlazení zvláště žádoucí a důležitý je výběr nejen samotného kolektoru, ale i vhodné konstrukce pro celek systému. Vývoj hybridních FVT kolektorů se zaměřuje na optimalizaci návrhových parametrů a na použití vhodných moderních ale i obyčejných levných materiálů při výrobě FVT kolektorů, čímž lze dosáhnout snížení nákladů na výrobu a zároveň zvýšení kvality vyráběného produktu pro požadovanou aplikaci.
Literatura
- [1] CHOW, T.T., A.L.S. CHAN, K.F. FONG, Z. LIN, W. HE, J. JI. Annual performance of building-integrated photovoltaic/water-heating system for warm climate application. In: Applied energy. Vol. 86, No. 5, pp. 689–696, 2009.
- [2] DUPEYRAT, P., MÉNÉZO, Ch., ROMMEL, M., HENNING, H. Efficient single glazed flat plate photovoltaic–thermal hybrid collector for domestic hot water system. In: Solar energy. Vol. 85, No. 5, pp. 1457–1468, 2011.
- [3] MATUŠKA, T., Multifunkční solární kolektory pro integraci do budov, In: TZB Haustechnik. roč. 1, č. 1, s. 38–41, 2008.
- [4] ZONDAG, H. Commercialy available PVT products. IEA SHC Task 35 PV/Thermal Solar Systems, 2006
Význam zkratek
- FV
- fotovoltaický
- FVT
- fotovoltaicko-tepelný
- STC
- standard test conditions = standardní zkušební podmínky
(G = 1000 W/m2; tčl = 25 °C; AM = 1,5) - CIS-TF
- CuInSe-thin film = tenkovrstvé články z polovodiče na bázi mědi, india a selenu
- sc-Si
- monokrystalický křemík (single-crystal silicon)
- mc-Si
- multikrystalický křemík (multicrystalline silicon)
The article presents the current state of the issue of flat hybrid photovoltaic-thermal (FVT) collectors, focused on the differences between the basic types of collectors, their advantages and disadvantages. There is also presented an overview of the current global manufacturers. The article aims to highlight the problems but also the opportunities associated with different types of the hybrid FVT collectors.