Fotovolticko-tepelnรฝ solรกrny kolektor na obnovu bytovรฝch domov
Hybridnรฝ fotovolticko-tepelnรฝ (FVT) kolektor sa javรญ ako jedno zย moลพnรฝch rieลกenรญ obรกlky budovy budรบcnosti. Predstavuje kolektor, ktorรฝ kombinuje produkciu elektrickej aย tepelnej energie.
Snaha oย zvรฝลกenie energetickรฉho vyuลพitia obรกlky ฤi strechy sย cieฤพom vyลกลกie pokryลฅ energetickรฉ potreby vย budovรกch vedie kย hฤพadaniu novรฝch technolรณgiรญ, ktorรฉ kombinujรบ rรดzne รบฤely. Hybridnรฝ FVT kolektor je kombinรกciou dvoch technolรณgiรญ โ fotovoltickรฝch (FV) modulov aย solรกrnych termickรฝch kolektorov. Vฤaka sรบฤasnej produkcii tepla aย elektriny (solรกrna kogenerรกcia) sa hybridnรฝ FVT kolektor javรญ ako jedno zย moลพnรฝch rieลกenรญ obรกlky budovy budรบcnosti.
Na obr.ย 2 vidieลฅ, ลพe vlastnรฝ energetickรฝ prรญnos hybridnรฉho FVT kolektora mรดลพe byลฅ vย porovnanรญ sย oddelenรฝm konvenฤnรฝm rieลกenรญm, pozostรกvajรบcim zย fotovoltickรฉho (FV) modulu aย fototermickรฉho (FT) kolektora, vรฝrazne vyลกลกรญ. Pri rovnakej zastavanej ploche produkuje hybridnรฝ kolektor vรคฤลกรญ elektrickรฝ aj tepelnรฝ vรฝkon neลพ konvenฤnรฉ technolรณgie, aย to aj napriek tomu, ลพe elektrickรฝ aย tepelnรฝ mernรฝ vรฝkon vztiahnutรฝ na 1 m2 technolรณgiรญ je pri hybridnom rieลกenรญ niลพลกรญ.
Mernรฝ tepelnรฝ vรฝkon hybridnรฉho kolektora nebude nikdy vyลกลกรญ ako pri ลกpiฤkovรฝch termickรฝch kolektoroch vzhฤพadom naย to, ลพe ฤasลฅ vyuลพiteฤพnรฉho tepelnรฉho vรฝkonu sa odvรกdza ako elektrickรฝ vรฝkon FV ฤlรกnkov, ktorรฉ tvoria absorbรฉr. Mernรฝ elektrickรฝ vรฝkon zasklenรฉho hybridnรฉho kolektora bude vลพdy niลพลกรญ ako pri nezasklenom FV module zย dรดvodu optickรฝch strรกt pridanรฉho zasklenia. Aj tak vลกak vย prรญpade obmedzenej plochy obรกlky budovy bude pri rieลกenรญ sย hybridnรฝm kolektorom celkovรฝ energetickรฝ vรฝnos vyลกลกรญ.
Hybridnรฉ FVT kolektory moลพno vo vลกeobecnosti rozdeliลฅ na kvapalinovรฉ aย vzduchovรฉ, na zasklenรฉ aย nezasklenรฉ. Kaลพdรก kategรณria FVT kolektorov mรก svoje ลกpecifikรก. Vzduchovรฉ kolektory zostรกvajรบ zatiaฤพ vย podstate mimo zรกujmu zย dรดvodu obmedzenรฉho vyuลพitia ohriateho vzduchu vย letnom obdobรญ. Naproti tomu, teplo dodanรฉ zย kvapalinovรฝch FVT kolektorov mรก pomerne ลกirokรฉ uplatnenie celรฝ rok.
Nezasklenรฉ FVT kolektory majรบ relatรญvne vysokรฉ tepelnรฉ straty aย ich pouลพitie je obmedzenรฉ na aplikรกcie sย veฤพmi nรญzkymi prevรกdzkovรฝmi teplotami. Nezasklenรฉ FVT kolektory sรบ preto vhodnรฉ najmรค vย rรกmci aplikรกciรญ, pri ktorรฝch je prioritou produkcia elektrickej energie aย vyuลพitie nรญzkopotenciรกlneho tepla je len pridanou hodnotou. Preto sa zvyฤajne vyuลพรญvajรบ vย sรบstavรกch vย kombinรกcii sย tepelnรฝmi ฤerpadlami, kde slรบลพia na predohrev kvapaliny vย primรกrnom okruhu vรฝparnรญka.
Pri zasklenรฝch FVT kolektoroch je pole aplikรกciรญ ลกirลกie, moลพno ich pouลพiลฅ na prรญpravu teplej vody aj pri aplikรกciรกch vย kombinรกcii sย vykurovanรญm. Na dosiahnutie rozumnej รบฤinnosti aย solรกrneho pokrytia vย takรฝchto aplikรกciรกch sa kolektor mรดลพe kvalitou blรญลพiลฅ beลพnรฝm solรกrnym termickรฝm kolektorom, priฤom produkcia elektrickej energie je do urฤitej miery bonusom kย produkcii tepla na vyuลพiteฤพnej teplote.
Vzhฤพadom naย to, ลพe zasklenรฉ solรกrne FVT kolektory zatiaฤพ oproti nezasklenรฝm prakticky na trhu chรฝbajรบ, aย to aj napriek tomu, ลพe majรบ vรฝrazne vyลกลกรญ potenciรกl na pouลพitie vย budovรกch, prebieha vย laboratรณriรกch UCEEB ฤVUT od roku 2014 vรฝvoj takรฉhoto kolektora.
Koncept hybridnรฉho FVT kolektora
Nezasklenรฝ hybridnรฝ solรกrny kolektor vznikol historicky ako kombinรกcia FV modulu aย vรฝmennรญka na udrลพiavanie FV ฤlรกnkov, cez ktorรฝ pretekรก dostatoฤne chladnรก kvapalina, na nรญzkej teplote. Tรฝm bolo moลพnรฉ zvรฝลกiลฅ ich roฤnรบ produkciu elektrickej energie oย niekoฤพko percent (vย klimatickรฝch podmienkach ฤeskej republiky), vย prรญpade ich integrรกcie do obรกlky budovy sย obmedzenรฝm prรบdenรญm vzduchu okolo FV modulu mohlo aktรญvne chladenie priniesลฅ zvรฝลกenie produkcie pribliลพne oย 5 aลพ 7 % [1].
Kritickou ฤasลฅou bol dobrรฝ odvod tepla zย FV ฤlรกnkov do kvapaliny aย rovnomernรก teplota na ploche kolektora (rovnomernรฉ chladenie). Pri zasklenรฝch hybridnรฝch FVT kolektoroch je kritickou ฤasลฅou predovลกetkรฝm voฤพba materiรกlu na zapuzdrenie FV ฤlรกnkov. Beลพne pouลพรญvanรฝ materiรกl etylenvinylacetรกt (EVA) mรก obmedzenรบ teplotnรบ odolnosลฅ, deklarovanรก maximรกlna teplota sa pohybuje pribliลพne na รบrovni 85ย ยฐC. Vyลกลกie teploty spรดsobujรบ degradรกciu, termickรฝ rozklad aย korรณziu kontaktov FV ฤlรกnkov vย kyslom prostredรญ rozkladajรบceho sa laminรกtu [2].
Zรกroveล sa rozkladom zniลพuje priepustnosลฅ laminaฤnej vrstvy, ฤo mรก negatรญvny vplyv na produkciu elektrickej energie. Pri zasklenรฝch hybridnรฝch FVT kolektoroch je vลกak nevyhnutnรฉ poฤรญtaลฅ sย teplotami na รบrovni 150 aลพ 180ย ยฐC. Koncept zasklenรฉho hybridnรฉho kolektora sa preto uberal od zaฤiatku smerom kย vyuลพitiu teplotne odolnรฝch materiรกlov, ktorรฉ by nahradili EVA laminovanie.
Na zapuzdrenie FV ฤlรกnkov sa pouลพil polysiloxanovรฝ gรฉl, ktorรฝ mรก celรฝ rad vlastnostรญ aย vรฝhod na pouลพitie prรกve vย hybridnรฝch kolektoroch. Teplotnรก odolnosลฅ vย rozsahu โ50 aลพ 250ย ยฐC zodpovedรก bezpeฤne aย sย rezervou teplotnรฉmu rozsahu kolektora vย prevรกdzke. Gรฉl je pruลพnรฝ aย umoลพลuje kompenzovaลฅ odliลกnรบ teplotnรบ rozลฅaลพnosลฅ absorbรฉra aย FV ฤlรกnkov, navyลกe vykazuje oproti EVA laminovaniu aj mierne vyลกลกiu priepustnosลฅ slneฤnรฉho ลพiarenia [3].
Koncepฤne je kolektor rieลกenรฝ ako sendviฤ dvojskla aย plochรฉho medenรฉho vรฝmennรญka sย rรบrkovรฝm registrom โ medzi nimi sรบ vloลพenรฉ elektricky prepojenรฉ FV ฤlรกnky zaliate do polysiloxanovรฉho gรฉlu (obr.ย 3). Dvojsklo sย absorbรฉrom aย ฤlรกnky tak tvoria nerozoberateฤพnรฝ prvok, ktorรฝ moลพno pouลพiลฅ jednak na samostatnรฝ solรกrny kolektor, ale aj ako prvok urฤenรฝ na integrรกciu do plรกลกลฅa budovy (obr. 4).
Vonkajลกรญ povrch sklenenej dosky vย kontakte sย gรฉlom aย ฤlรกnkami je vlastne vonkajลกรญ povrch absorbรฉra aย mรดลพe maลฅ spektrรกlne selektรญvny povlak sย vysokou priepustnosลฅou vย oblasti slneฤnรฉho ลพiarenia aย nรญzkou emisivitou vย oblasti infraฤervenรฉho ลพiarenia. Nevรฝhodou beลพnรฝch, komerฤne dostupnรฝch zasklenรญ sย nรญzkoemisรญvnym povlakom, ktorรฉ sa pouลพรญvajรบ na oknรก, je nรญzka slneฤnรก priepustnosลฅ vย celom spektre slneฤnรฉho ลพiarenia.
Vรฝrobcovia sa sรบstreฤujรบ len na priepustnosลฅ vย oblasti viditeฤพnรฉho ลพiarenia, priฤom vย oblasti blรญzkeho infraฤervenรฉho ลพiarenia je priepustnosลฅ veฤพmi nรญzka. Na selektรญvny variant FVT kolektora sa vyuลพilo dvojitรฉ zasklenie so ลกpeciรกlnym nรญzkoemisรญvnym povlakom, vyvinutรฉ vo vรฝskumnom inลกtitรบte ISFH vย Nemecku [4], vysokopriepustnรฉ (ฯย =ย 0,86) vย celom spektre slneฤnรฉho ลพiarenia pri zachovanรญ maximรกlnej emisivity 0,3.
Vย rรกmci vรฝskumnรฝch prรกc sa vykonala optimalizรกcia konลกtrukcie hybridnรฉho kolektora, pri ktorej sa sledoval vplyv niektorรฝch konลกtrukฤnรฝch parametrov (hrรบbka tepelnej izolรกcie, hrรบbka medzery medzi zasklenรญm, rozstup rรบrok absorbรฉra aย pod.) na energetickรฝ prรญnos hybridnรฉho FVT kolektora. Zย energetickรฉho hฤพadiska sa nakoniec vybrala konลกtrukcia kolektora, ktorรก sa skladรก zย dvojitรฉho zasklenia (medzera medzi zasklenรญm 24ย mm), medenรฉho rรบrkovรฉho registra (rozstup rรบrok 50ย mm), tepelnej izolรกcie (30 mm na zadnej strane) aย rรกmu.
Fotovoltickรบ ฤasลฅ kolektorov tvoria monokryลกtalickรฉ ฤlรกnky sย rozmerom 125 ร 125ย mm zapojenรฉ sรฉriovo po 22ย ks vย troch paralelnรฝch reลฅazcoch. Hybridnรฝ FVT kolektor mรก zรกkladnรฝ rozmer sendviฤa 1 600 ร 1 000 mm. Plocha apertรบry hybridnรฉho kolektora je 1,54ย m2, hrubรก plocha kolektora je 1,71ย m2. ฤlรกnky nie sรบ rozmiestnenรฉ aลพ do okrajovej ฤasti apertรบry sย ohฤพadom na moลพnรฉ zatienenie diลกtanฤnรฝm rรกmฤekom dvojskla, ale vypฤบลajรบ zhruba 60 % celkovej hrubej plochy kolektora.
Funkฤnรฉ vzorky solรกrnych hybridnรฝch FVT kolektorov sa experimentรกlne testovali vย laboratรณriu na skรบลกanie solรกrnych kolektorov so solรกrnym simulรกtorom vย UCEEB ฤVUT vย Buลกtฤhrade. Pri skรบลกkach sa sledovala tepelnรก รบฤinnosลฅ hybridnรฝch FVT kolektorov aj ich elektrickรก รบฤinnosลฅ. Celkovรฝ elektrickรฝ vรฝkon jednรฉho zasklenรฉho FVT kolektora je 150ย W (pri ลกtandardnรฝch testovacรญch podmienkach) so sรบฤasnรฝm tepelnรฝm vรฝkonom aลพ 1 100 W vย zรกvislosti od prevรกdzkovรฝch teplรดt pri oลพiarenรญ 1 000ย W/m2.
Elektrickรก aย tepelnรก ฤasลฅ kolektora sa vย prevรกdzke navzรกjom ovplyvลujรบ. Vย grafe na obr.ย 5 je na porovnanie zobrazenรก charakteristika tepelnej aย elektrickej รบฤinnosti vย zรกvislosti od prevรกdzkovรฝch podmienok. Je zrejmรฉ, ลพe vย reลพime odberu elektrickej energie zย kolektora sa zniลพuje jeho tepelnรฝ vรฝkon. Aย naopak, vย prรญpade prevรกdzkovรฉho stavu bez odberu tepla zย kolektora, ktorรฝ nastรกva vplyvom pokrytia aktuรกlnej potreby (nabitie zรกsobnรญka), dosahuje teplota vย kolektore aลพ okolo 150ย ยฐC, ฤo negatรญvne ovplyvลuje elektrickรบ รบฤinnosลฅ.
Zย tohto dรดvodu je vhodnรฉ solรกrne hybridnรฉ kolektory pouลพรญvaลฅ vย aplikรกciรกch sย celoroฤne rovnomernou potrebou tepla aย elektrickej energie aย zรกroveล obmedzenรฝm priestorom na inลกtalรกciu solรกrnych kolektorov. Typickรฝm prรญkladom sรบ bytovรฉ domy, kde mรดลพu vรฝhody hybridnรฉho usporiadania kolektora plne vyniknรบลฅ.
Okrem samostatnรฝch solรกrnych kolektorov moลพno nerozoberateฤพnรฝ sendviฤ pouลพiลฅ aj ako prvok na integrรกciu do obรกlky budovy. Vย rokoch 2015 aลพ 2017 spolupracoval UCEEB ฤVUT so spoloฤnosลฅou, a. s., oblasลฅ LOP, vย rรกmci projektu TAฤR na vรฝvoji energeticky aktรญvneho ฤพahkรฉho obvodovรฉho plรกลกลฅa (ELOP). Vรฝskumnรฉ aktivity sa nesรบstredili len na problematiku zasklenรฝch FVT kolektorov integrovanรฝch vย obvodovom plรกลกti budovy, ale aj na vyuลพitie optickรฝch rastrov.
Solรกrny hybridnรฝ FVT kolektor je umiestnenรฝ vย parapetnej ฤasti fasรกdneho elementu sย navrhnutรฝmi rozmermi 3,0ย รย 3,0ย m. Celkovรก plocha FVT kolektora je 1,55ย m2. Plocha FV ฤlรกnkov je 0,94ย m2. Zmenลกenรก funkฤnรก vzorka modulu obvodovรฉho plรกลกลฅa bola vyrobenรก na testovanie na solรกrnom simulรกtore vย UCEEB ฤVUT vย oboch reลพimoch (sย odberom elektrickej energie, bez odberu elektrickej energie).
Prรญpadovรก ลกtรบdia pre bytovรฝ dom
Obvodovรฝ plรกลกลฅ budovy zostavenรฝ zย elementov ฤพahkรฉho obvodovรฉho plรกลกลฅa sa spรกja skรดr sย kancelรกrskymi budovami. Vย nasledujรบcej ลกtรบdii sa poฤรญtalo sย prรญpadom pouลพitia podobnรฉho konceptu aj pri obnove bytovรฉho domu. Uzavretie lodลพiรญ ฤพahkรฝm obvodovรฝm plรกลกลฅom sย integrovanรฝm FVT kolektorom mรดลพe znรญลพiลฅ spotrebu tepla na vykurovanie, zvรคฤลกiลฅ รบลพitkovรบ plochu bytov aย zรกroveล zvรฝลกiลฅ energetickรบ sebestaฤnosลฅ budovy.
Energetickรก analรฝza nasadenia ฤพahkรฉho obvodovรฉho plรกลกลฅa bytovรฉho domu sa vykonala vย simulaฤnom prostredรญ TRNSYS. Porovnรกvali sa dva odliลกnรฉ solรกrne systรฉmy integrovanรฉ do ฤพahkรฉho obvodovรฉho plรกลกลฅa. Prvรฝm variantom bol solรกrny systรฉm soย zasklenรฝmi FVT kolektormi. Druhรฝ variant predstavoval konvenฤnรฝ solรกrny systรฉm kombinujรบci na rovnakej ploche fototermickรฉ kolektory aย FV moduly sย tรฝm, ลพe obe technolรณgie zaberajรบ polovicu disponibilnej plochy na solรกrne kolektory.
Predmetnรฝ bytovรฝ dom mรก 90ย bytov, vย ktorรฝch ลพije 230 osรดb. Juลพnรฉ prieฤelie mรก plochu 1 944ย m2. Pri energetickej analรฝze sa bralo do รบvahy len 6 hornรฝch podlaลพรญ zย celkovรฝch 12, pretoลพe by mohlo dรดjsลฅ kย zatieneniu kolektorov vย spodnรฝch poschodiach stromami pred budovou (obr.ย 1). Pri analรฝze sa tak poฤรญtalo sย celkovou plochou 324ย m2.
ฤalej sa poฤรญtalo sย potrebou teplej vody (teplota 55 ยฐC) na รบrovni 11,5ย m3/deล aย potrebou tepla na prรญpravu teplej vody bez uvaลพovania strรกt cirkulรกciou na รบrovni 220ย MWh/rok. Profil odberu teplej vody bol rovnomerne rozdelenรฝ do celรฉho dลa tak, ลพe sa poฤรญtalo sย dvomi vรฝraznรฝmi odberovรฝmi ลกpiฤkami vย rannรฝch aย veฤernรฝch hodinรกch. Pri spotrebe elektrickej energie vย bytovom dome sa uvaลพovala hodnota 180ย MWh/rok (2 000ย kWh/rok na jeden byt).
Vย tab. 1 je uvedenรฉ porovnanie energetickรฝch prรญnosov solรกrneho FVT systรฉmu sย konvenฤnรฝm solรกrnym systรฉmom (50ย %ย FT aย 50ย % FV). Produkcia elektrickej energie sa pri oboch variantoch vyuลพila na vlastnรบ potrebu vย budove. Roฤnรฝ tepelnรฝ zisk FVT kolektorov bol 80,2 MWh/rok, ฤo zodpovedรก pribliลพne 34 % krytia potreby tepla na prรญpravu teplej vody. Elektrickรฝ zisk FVT kolektorov bol 21,6ย MWh/rok, t. j. 12 % krytia potreby elektrickej energie. Aj keฤ mรก FVT kolektor niลพลกiu tepelnรบ aย elektrickรบ รบฤinnosลฅ oproti FT kolektoru aย FV modulu, celkovรฝ energetickรฝ prรญnos je pribliลพne oย 35ย % vyลกลกรญ.
Vhodnรฉ rieลกenie pre bytovรฉ domy
Solรกrne hybridnรฉ fotovolticko-tepelnรฉ kolektory sรบ vย sรบฤasnosti stรกle relatรญvne novou technolรณgiou vstupujรบcou na trh. Spoฤพahlivรฉ zasklenรฉ kvapalinovรฉ hybridnรฉ kolektory, ktorรฉ majรบ vรฝznamnรฝ potenciรกl pouลพitia na krytie potreby tepla aย elektrickej energie, zatiaฤพ na trhu chรฝbajรบ. Vรฝvoj zasklenรฉho FVT kolektora na UCEEB ฤVUT pokroฤil zo ลกtรกdia konลกtrukciรญ skรบลกobnรฝch vzoriek aย experimentรกlnych testov do ลกtรกdia moลพnรฉho uplatnenia vย budovรกch.
Energetickรฝ prรญnos zasklenรฝch FVT kolektorov bol potvrdenรฝ experimentรกlne aj na zรกklade vรฝsledkov simulรกciรญ. Hlavnou oblasลฅou pouลพitia FVT kolektorov sรบ budovy sย obmedzenou plochou na inลกtalรกciu solรกrnych kolektorov, teda najmรค bytovรฉ domy. Vรฝvoj hybridnรฝch kolektorov je finanฤne podporovanรฝ Mล MT vย rรกmci programu NPU Iย ฤ. LO1605, integrรกcia do obvodovรฉho plรกลกลฅa bola podporenรก projektom TA ฤR TA04021195 Energeticky aktรญvny ฤพahkรฝ obvodovรฝ plรกลกลฅ.
TEXT | Ing. Nikola Pokornรฝ, doc. Ing. Tomรกลก Matuลกka, PhD., Ing. Boลivoj ล ourek, PhD., Ing. Vladimรญr Jirka, PhD.
OBRรZKY Aย FOTO | autori
Literatรบra
- Matuลกka, T.: Simulation Study of Building Integrated Solar Liquid PV-T Collectors, International Journal of Photoenergy, Volume 2012 (2012), http://dx.doi.org/10.1155/2012/686393.
- Zondag, H. A. โ Van Helden, W. G. J.: Stagnation temperature in PVT collectors, PV in Europe, Rome (Italy), 2002.
- Poulek, V. โ Strebkov, D. S. โ Persic, I. S. โ Libra, M.: Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology. Solar Energy, vol. 86, pp. 3013 โ 3108, 2012.
- Giovannetti, F. โ Foste, S. โ Ehrmann, N. โ Rockendorf, G.: High transmittance, low emisivity glass covers for flat plate collectors: Applications and performace, Solar Energy, vol. 104, pp. 52 โ 59, 2014.
- Matuลกka, T. โ Pokornรฝ, N. โ Slanina, P.: Glazed Photovoltaic-Thermal Component for Building Envelope Structures [online]. In: Conference Proceedings of the 10th ENERGY FORUM. 10th Conference on Advanced Building Skins. Bern, pp. 28 โ 35.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise Sprรกva budov 3/2018.