Vývoj hybridného fotovolticko-tepelného solárneho kvapalinového kolektora

Článok zhŕňa doterajší vývoj zaskleného kvapalinového fotovolticko-tepelného (FVT) kolektora, ktorý prebieha v laboratóriách UCEEB ČVUT. Predstavuje koncepciu kolektora, ktorý kombinuje produkciu elektrickej a tepelnej energie a uvádza jeho hlavné parametre na základe testovania vzoriek solárnych kolektorov. Pri jednej z možných aplikácií zasklených solárnych FVT kolektorov sa realizuje aj analýza prínosov a porovnanie s konvenčnou solárnou technológiou.

Snaha o zvýšenie energetického využitia obálky či strechy budovy s cieľom vyššieho pokrytia energetických potrieb v budovách vedie k hľadaniu nových technológií, ktoré kombinujú rôzne účely. Hybridný FVT kolektor je kombináciou dvoch technológií – fotovoltických (FV) panelov a solárnych termických kolektorov. Vďaka súčasnej produkcii tepla a elektriny (solárna kogenerácia) sa hybridný FVT kolektor javí ako jedno z možných riešení obálky budovy budúcnosti. Na obr. 1 vidieť, že vlastný energetický prínos hybridného FVT kolektora môže byť v porovnaní s oddeleným konvenčným riešením, pozostávajúcim z fotovoltického modulu a fototermického kolektora, výrazne vyšší.

Pri rovnakej zastavanej ploche produkuje hybridný kolektor väčší elektrický aj tepelný výkon než konvenčné technológie, a to aj napriek tomu, že elektrický a tepelný merný výkon vztiahnutý na 1 m² technológií je pri hybridnom riešení nižší (obr. 1). Merný tepelný výkon hybridného kolektora nebude nikdy vyšší než pri špičkových termických kolektoroch vzhľadom na to, že časť využiteľného (tepelného) výkonu sa odvádza ako elektrický výkon FV článkov, ktoré tvoria absorbér. Merný elektrický výkon zaskleného hybridného kolektora bude vždy nižší než pri nezasklenom FV paneli z dôvodu optických strát pridaného zasklenia. Aj tak však v prípade obmedzenej plochy obálky budovy bude pri riešení s hybridným kolektorom celkový energetický výnos vyšší.

Obr. 1 Porovnanie oddelených solárnych technológií s hybridným kolektorom 

Hybridné FVT kolektory možno vo všeobecnosti rozdeliť na kvapalinové a vzduchové, na zasklené a nezasklené. Každá kategória FVT kolektorov má svoje špecifiká. Vzduchové kolektory zostávajú zatiaľ v podstate mimo záujmu z dôvodu obmedzeného využitia ohriateho vzduchu v letnom období. Naproti tomu teplo dodané z kvapalinových FVT kolektorov má pomerne široké uplatnenie celý rok. Nezasklené FVT kolektory majú relatívne vysoké tepelné straty a ich použitie je obmedzené na aplikácie s veľmi nízkymi prevádzkovými teplotami. Nezasklené FVT kolektory sú preto vhodné najmä v rámci aplikácií, pri ktorých je prioritou produkcia elektrickej energie a využitie nízkopotenciálneho tepla je len pridanou hodnotou. Preto sa zvyčajne využívajú v sústavách v kombinácii s tepelnými čerpadlami, kde slúžia na predohrev kvapaliny v primárnom okruhu výparníka.

Pri zasklených FVT kolektoroch je pole aplikácií širšie, možno ich použiť na prípravu teplej vody aj pri aplikáciách v kombinácii s vykurovaním. Na dosiahnutie rozumnej účinnosti a solárneho pokrytia v takýchto aplikáciách sa kolektor môže kvalitou blížiť bežným solárnym termickým kolektorom, pričom produkcia elektrickej energie je do určitej miery bonusom k produkcii tepla na využiteľnej teplote. Vzhľadom na to, že zasklené solárne FVT kolektory zatiaľ oproti nezaskleným prakticky na trhu chýbajú, a to aj napriek tomu, že majú výrazne vyšší potenciál na použitie v budovách, prebieha v laboratóriách UCEEB ČVUT od roku 2014 vývoj takéhoto kolektora. Z počiatočných vzoriek, testov a analýz sa postupne vykryštalizovala práve technológia, ktorú predstavujeme v ďalšom texte.

Koncept hybridného FVT kolektora

Nezasklený hybridný solárny kolektor vznikol historicky ako kombinácia FV panelu a výmenníka na udržiavanie FV článkov na nízkej teplote, cez ktorý preteká dostatočne chladná kvapalina. Tým bolo možné zvýšiť ich ročnú produkciu elektrickej energie o niekoľko percent (v klimatických podmienkach Českej republiky), v prípade ich integrácie do obálky budovy s obmedzeným prúdením vzduchu okolo FV modulu mohlo aktívne chladenie priniesť zvýšenie produkcie zhruba o 5 až 7 % [1]. Kritickou časťou bol dobrý odvod tepla z FV článkov do kvapaliny a rovnomerná teplota na ploche kolektora (rovnomerné chladenie).

Pri zasklených hybridných FVT kolektoroch je kritickou časťou predovšetkým voľba materiálu na zapuzdrenie FV článkov. Bežne používaný materiál etylenvinylacetát (EVA) má obmedzenú teplotnú odolnosť, deklarovaná maximálna teplota sa pohybuje okolo 85 °C. Vyššie teploty spôsobujú degradáciu, termický rozklad a koróziu kontaktov FV článkov v kyslom prostredí rozkladajúceho sa laminátu [2]. Zároveň sa rozkladom znižuje priepustnosť laminačnej vrstvy, čo má negatívny vplyv na produkciu elektrickej energie. Pri zasklených hybridných FVT kolektoroch je však nevyhnutné počítať s teplotami na úrovni 150 až 180 °C. Koncept zaskleného hybridného kolektora sa preto uberal od začiatku smerom k využitiu teplotne odolných materiálov, ktoré by nahradili EVA laminovanie.

Obr. 2 Koncept vyvíjaného hybridného FVT kolektora 

Na zapuzdrenie FV článkov sa použil polysiloxanový gél, ktorý má celý rad vlastností a výhod na použitie práve v hybridných kolektoroch. Teplotná odolnosť v rozsahu −50 až 250 °C zodpovedá bezpečne a s rezervou teplotnému rozsahu kolektora v prevádzke. Gél je pružný a umožňuje kompenzovať odlišnú teplotnú rozťažnosť absorbéra a FV článkov, navyše, vykazuje oproti EVA laminovaniu aj mierne vyššiu priepustnosť slnečného žiarenia [3]. Koncepčne je kolektor riešený ako sendvič dvojskla a plochého medeného výmenníka s rúrkovým registrom – medzi nimi sú vložené elektricky prepojené FV články zaliate do polysiloxanového gélu (obr. 2).

Dvojsklo s absorbérom a články tak tvoria nerozoberateľný prvok, ktorý možno použiť jednak na samostatný solárny kolektor, ale aj ako prvok určený na integráciu do plášťa budovy (obr. 3). Vonkajší povrch sklenenej dosky v kontakte s gélom a článkami je vlastne vonkajší povrch absorbéra a môže mať spektrálne selektívny povlak s vysokou priepustnosťou v oblasti slnečného žiarenia a nízkou emisivitou v oblasti infračerveného žiarenia.

Obr. 3 Nerozoberateľný sendvič dvojskla a absorbéra so zapuzdrenými FV článkami

Nevýhodou bežných, komerčne dostupných zasklení s nízkoemisívnym povlakom, ktoré sa používajú na okná, je nízka slnečná priepustnosť v celom spektre slnečného žiarenia. Výrobcovia sa sústreďujú len na priepustnosť v oblasti viditeľného žiarenia, pričom v oblasti blízkeho infračerveného žiarenia je priepustnosť veľmi nízka. Na selektívny variant FVT kolektora sa využilo dvojité zasklenie so špeciálnym nízkoemisívnym povlakom, vyvinuté vo výskumnom inštitúte ISFH v Nemecku [4], vysokopriepustné (τ = 0,86) v celom spektre slnečného žiarenia pri zachovaní maximálnej emisivity 0,3.

V rámci výskumných prác sa vykonala optimalizácia konštrukcie hybridného kolektora, pri ktorej sa sledoval vplyv niektorých konštrukčných parametrov (hrúbka tepelnej izolácie, hrúbka medzery medzi zasklením, rozstup rúrok absorbéra a pod.) na energetický prínos hybridného FVT kolektora. Z energetického hľadiska sa nakoniec vybrala konštrukcia kolektora, ktorá sa skladá z dvojitého zasklenia (medzera medzi zasklením 24 mm), medeného rúrkového registra (rozstup rúrok 50 mm), tepelnej izolácie (30 mm na zadnej strane) a rámu.

Fotovoltickú časť kolektorov tvoria monokryštalické články s rozmerom 125 × 125 mm zapojené sériovo po 22 ks v troch paralelných reťazcoch. Hybridný FVT kolektor má základný rozmer sendviča 1 600 × 1 000 mm. Plocha apertúry hybridného kolektora je 1,54 m², hrubá plocha kolektora je 1,71 m². Články nie sú rozmiestnené až do okrajovej časti apertúry s ohľadom na možné zatienenie dištančným rámčekom dvojskla, ale vypĺňajú zhruba 60 % celkovej hrubej plochy kolektora.

Obr. 4 Testovaný zasklený FVT kolektor v Solárnom laboratóriu UCEEB

Funkčné vzorky solárnych hybridných FVT kolektorov sa experimentálne testovali v laboratóriu na skúšanie solárnych kolektorov so solárnym simulátorom v UCEEB ČVUT v Buštěhrade (obr. 4). Pri skúškach sa sledovala tepelná účinnosť hybridných FVT kolektorov aj ich elektrická účinnosť. Celkový elektrický výkon jedného zaskleného FVT kolektora je 150 W (pri štandardných testovacích podmienkach) so súčasným tepelným výkonom až 1 100 W v závislosti od prevádzkových teplôt pri ožiarení 1 000 W/m².

Elektrická a tepelná časť kolektora sa v prevádzke navzájom ovplyvňujú. V grafe na obr. 5 je na porovnanie zobrazená charakteristika tepelnej a elektrickej účinnosti v závislosti od prevádzkových podmienok. Je zrejmé, že v režime odberu elektrickej energie z kolektora sa znižuje jeho tepelný výkon. A naopak, v prípade prevádzkového stavu bez odberu tepla z kolektora, ktorý nastáva vplyvom pokrytia aktuálnej potreby (nabitie zásobníka), dosahuje teplota v kolektore až okolo 150 °C, čo negatívne ovplyvňuje elektrickú účinnosť. Z tohto dôvodu je vhodné solárne hybridné kolektory používať v aplikáciách s celoročne rovnomernou potrebou tepla a elektrickej energie a zároveň obmedzeným priestorom na inštaláciu solárnych kolektorov. Typickým príkladom sú bytové domy, kde môžu výhody hybridného usporiadania kolektora plne vyniknúť.

Obr. 5 Porovnanie krivky účinnosti neselektívneho hybridného FVT kolektora v režime bez odberu elektriny a s odberom elektriny v bode výkonového maxima

Okrem samostatných solárnych kolektorov možno nerozoberateľný sendvič použiť aj ako prvok na integráciu do obálky budovy. V súčasnosti prebieha intenzívna spolupráca medzi UCEEB ČVUT a firmou Skanska, a. s., oblasť LOP, v rámci projektu TAČR (2015 – 2017) zameraného na vývoj energeticky aktívneho ľahkého obvodového plášťa (ELOP). Výskumné aktivity sa nesústreďujú len na problematiku zasklených FVT kolektorov v obvodovom plášti budovy, ale aj na využitie optických rastrov. Solárny hybridný FVT kolektor je umiestnený v parapetnej časti fasádneho elementu s navrhnutými rozmermi 3,0 × 3,0 m. Celková plocha FVT kolektora je 1,55 m². Plocha FV článkov je 0,94 m². Zmenšená funkčná vzorka modulu obvodového plášťa (obr. 6) bola vyrobená na testovanie na solárnom simulátore v UCEEB ČVUT v oboch režimoch (s odberom elektrickej energie, bez odberu elektrickej energie).

Obr. 6 Testovaná funkčná vzorka ELOP v Solárnom laboratóriu UCEEB ČVUT

Prípadová štúdia pre bytový dom

Obvodový plášť budovy zostavený z fasádnych elementov ľahkého obvodového plášťa sa spája skôr s kancelárskymi budovami. V nasledujúcej štúdii sa počítalo s prípadom použitia podobného konceptu aj pri rekonštrukcii bytového domu. Uzavretie lodžií ľahkým obvodovým plášťom s integrovaným FVT kolektorom môže znížiť potrebu tepla na vykurovanie, zväčšiť úžitkovú plochu bytov a zároveň zvýšiť energetickú sebestačnosť budovy. Energetická analýza nasadenia ľahkého obvodového plášťa bytového domu sa vykonala v simulačnom prostredí TRNSYS. Porovnávali sa dva odlišné solárne systémy integrované do ľahkého obvodového plášťa. Prvým variantom bol solárny systém so zasklenými FVT kolektormi. Druhý variant predstavoval konvenčný solárny systém kombinujúci na rovnakej ploche fototermické kolektory a FV moduly s tým, že obe technológie zaberajú polovicu disponibilnej plochy na solárne kolektory.

Obr. 7 Analyzovaný bytový dom

Predmetný bytový dom má 90 bytov, v ktorých žije 230 osôb. Južná fasáda má plochu 1 944 m². Pri energetickej analýze sa bralo do úvahy len šesť horných podlaží z celkových 12, pretože by mohlo dôjsť k zatieneniu kolektorov v spodných poschodiach od stromov pred budovou (obr. 7). Pri analýze sa tak počítalo s celkovou plochou 324 m². Ďalej sa počítalo so spotrebou teplej vody (teplota 55 °C) na úrovni 11,5 m³/deň a spotrebou tepla na prípravu teplej vody bez uvažovania strát cirkuláciou na úrovni 220 MWh/rok. Profil odberu teplej vody bol rozdelený do celého dňa tak, že sa počítalo s dvomi výraznými odberovými špičkami v ranných a večerných hodinách. Pri spotrebe elektrickej energie v bytovom dome sa uvažovala hodnota 180 MWh/rok (2 000 kWh/rok na jeden byt).

V tab. 1 je uvedené porovnanie energetických prínosov solárneho FVT systému s konvenčným solárnym systémom (50 % FT a 50 % FV). Produkcia elektrickej energie sa pri oboch variantoch využila na vlastnú spotrebu v budove. Ročný tepelný zisk FVT kolektorov bol 80,2 MWh/rok, čo zodpovedá približne 34 % krytia spotreby tepla na prípravu teplej vody. Elektrický zisk FVT kolektorov bol 21,6 MWh/rok, t. j. 12 % krytia spotreby elektrickej energie. Aj keď má FVT kolektor nižšiu tepelnú a elektrickú účinnosť oproti FT kolektoru a FV panelu, celkový energetický prínos je zhruba o 35 % vyšší.

Záver

Solárne hybridné fotovolticko-tepelné kolektory sú v súčasnosti stále relatívne novou technológiou vstupujúcou na trh. Spoľahlivé zasklené kvapalinové hybridné kolektory, ktoré majú významný potenciál použitia na krytie potreby tepla a elektrickej energie, zatiaľ na trhu chýbajú. Vývoj zaskleného FVT kolektora v UCEEB ČVUT pokročil zo štádia konštrukcií skúšobných vzoriek a experimentálnych testov do štádia možného uplatnenia v budovách. Energetický prínos zasklených FVT kolektorov bol potvrdený experimentálne aj na základe výsledkov simulácií. Hlavnou aplikačnou oblasťou FVT kolektorov sú budovy s obmedzenou plochou na inštaláciu solárnych kolektorov, teda najmä bytové domy.

Ing. Nikola Pokorný, doc. Ing. Tomáš Matuška, PhD., Ing. Bořivoj Šourek, PhD., Ing. Vladimír Jirka, PhD.
Autori pôsobia v Univerzitnom centre energeticky efektívnych budov (UCEEB) ČVUT. Nikola Pokorný a Tomáš Matuška pracujú aj v Ústave techniky prostredia FS ČVUT v Prahe.

Foto a obrázky: autori

Vývoj hybridných kolektorov je finančne podporovaný MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605, integrácia do obvodového plášťa bola podporená projektom TA ČR TA04021195 Energeticky aktívny ľahký obvodový plášť.

 
Literatúra

1. MatuŠka, 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.
2. ZONDAG, H. A. – VAN HELDEN, W. G. J.: Stagnation temperature in PVT collectors, PV in Europe, Rome (Italy), 2002.
3. POULEK, V. – STREBKOV, D. S. – PERSIC, I. S. – LIBRA, M.: Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology. Solar Energy, vol. 86, pp. 3013 – 3108, 2012.
4. GIOVANNETTI, F. – FOSTE, S. – EHRMANN, N. – ROCKENDORF, G.: High transmittance, low emisivity glass covers for flat plate collectors: Applications and performace, Solar Energy, vol. 104, pp. 52 – 59, 2014.
5. MATUŠKA, T. – POKORNÝ, N. – 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, s. 28 – 35.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 2/2017.