Историческое развитие технологии фотоэлектрической тепловой энергетики (ФТЭ): от концепции до коммерциализации

Введение

За последние полвека мировая энергетическая структура претерпела колоссальные изменения. Интегрированные фотоэлектрические и солнечные тепловые (ФТ) системы постепенно превратились в инновационное решение, способное одновременно удовлетворить два основных энергетических спроса: электроэнергию и тепло. Система ФТ объединяет фотоэлектрические элементы и солнечные коллекторы на одной плоской пластине, что не только максимально увеличивает использование солнечного излучения, но и значительно повышает общую эффективность преобразования энергии.

Хотя солнечные панели PVT обычно считаются относительно новой технической концепцией, их история восходит примерно к 1950-м годам. От экспериментального прототипа в начале 1970-х годов до постепенного коммерческого применения сегодня, процесс разработки PVT отражает более широкий путь развития возобновляемой энергетики, включая скоординированную эволюцию технологических прорывов, политическую поддержку и развитие рынка. Цель данной статьи – рассмотреть исторический контекст технологии PVT и проследить, как она постепенно эволюционировала от теоретической концепции до коммерчески жизнеспособного комплексного энергетического решения.

Происхождение: 1970-е годы — зарождение концепции

Начальный этап развития технологии PVT пришёлся на 1970-е годы. В этот период, в связи с угрозой энергетической безопасности, вызванной двумя нефтяными кризисами 1973 и 1979 годов, глобальное внимание к возобновляемым источникам энергии резко возросло. Исследователи активно ищут альтернативы ископаемому топливу. Солнечная энергетика считается одним из наиболее перспективных направлений благодаря своей универсальности и устойчивости.

Традиционное использование солнечной энергии делится на две основные категории: фотоэлектрическую и солнечную тепловую. Однако инженеры заметили, что во время работы фотоэлектрических установок повышение температуры приводит к снижению эффективности генерации. Это явление породило ключевую идею: можно ли рекуперировать отходящее тепло, одновременно охлаждая фотоэлектрические панели, и добиться эффективного использования тепловой энергии? 

Концепция PVT в начале 1970-х годов была в основном основана на воздушных системах, которые планировалось объединить с системами отопления и вентиляции зданий. Базовая конструкция состоит из фотоэлектрической панели, за которой находится канал воздушного потока для захвата и циркуляции горячего воздуха. Хотя повышение эффективности незначительно, оно закладывает концептуальную основу PVT как системы с двумя функциями.

Расширение и технический прогресс: 1980-е – 1990-е годы 

В 1980-х и 1990-х годах фотоэлектрические технологии непрерывно развивались, а академический интерес к ним становился всё более интенсивным. С популяризацией фотоэлектрических панелей на основе кристаллического кремния и повышением их экономической эффективности исследователи начали изучать жидкостное охлаждение как более эффективный метод охлаждения по сравнению с циркуляцией воздуха.

Воздушная фотоэлектрическая система (PVT) была усовершенствована за счет усовершенствования конструкции трубопровода и интеграции с системой отопления помещений.

Это способствовало развитию жидкостных фотоэлектрических систем (ЖФС), использующих воду или антифриз в качестве теплоносителя для более эффективного поглощения тепла. Этот метод позволяет эффективно охлаждать фотоэлектрические панели и достигать более высокой теплоотдачи, что делает его пригодным для бытового горячего водоснабжения и промышленного применения.

В этот период в университетах Европы, Северной Америки и Азии было проведено множество лабораторных исследований и построено множество экспериментальных установок. Были разработаны технические модели для анализа потоков энергии, прогнозирования производительности и оптимизации конструкции. Хотя коммерческая выгода остаётся ограниченной, академическая основа современной фотоэлектрической технологии прочно заложена.

Начало XXI века стало переломным моментом в развитии мировой возобновляемой энергетики. В этот период Европа и Япония заняли лидирующие позиции в проведении масштабных исследований и демонстрационных испытаний технологий солнечной энергетики. В этом контексте появилась интегрированная в здание система фотоэлектрических и солнечных тепловых систем (BIPVT). BIPVT не только интегрирует фотоэлектрические коллекторы в наружную оболочку здания, такую ​​как наружные стены, световые люки или элементы крыши, но и обеспечивает комплексную интеграцию процессов генерации электроэнергии, отопления, архитектурной эстетики и теплоизоляции, значительно повышая общую энергоэффективность и эстетическую привлекательность здания.

Европа активно изучает возможности интеграции фотоэлектрической энергетики в городские энергосистемы посредством демонстрационных проектов в рамках Плана ЕС по возобновляемым источникам энергии. Япония включила свои исследования в области фотоэлектричества в свою национальную стратегию, чтобы повысить уровень энергетической самообеспеченности и снизить зависимость от импорта топлива. Тем временем, фотоэлектрическую энергетику начали комбинировать с различными технологиями, такими как тепловые насосы, сезонные накопители тепла и сети централизованного теплоснабжения, для создания гибридной энергетической системы. Хотя в то время это было ещё узкоспециализированное применение, его потенциал для межотраслевой интеграции изначально привлёк внимание политиков и представителей отрасли.

В 2010-х годах, в условиях значительного снижения стоимости фотоэлектрических систем, растущей актуальности климатических проблем и усиления политических стимулов, глобальное внедрение возобновляемых источников энергии пошло по ускоренному пути. Технология PVT также постепенно выходит за рамки лабораторных исследований и приближается к начальной стадии коммерциализации. Многие предприятия из Европы, Израиля и Азии успешно выпустили на рынок различные продукты PVT, включая плоские коллекторы, остеклённые/неостеклённые коллекторы и концентрирующие системы. Важными факторами, способствующими коммерциализации на данном этапе, являются:

• Достижения в области технологии материалов, такие как высокоэффективные теплообменники, селективные абсорбционные покрытия и долговечные упаковочные процессы;

• Общая энергоэффективность системы была повышена, а комплексный эффект обычно превышает 70%, что особенно выгодно в условиях ограниченного пространства.

•  Спрос на решения в области распределенной энергетики в жилом, коммерческом и промышленном секторах продолжает расти.

• Реальные случаи также подтвердили многочисленные преимущества системы PVT, включая снижение затрат на электроэнергию, увеличение уровня собственного потребления солнечной энергии и повышение рентабельности инвестиций в контексте комбинированного использования электроэнергии и тепла.

С 2020 года, движимый целью «углеродной нейтральности» и все более строгой климатической политикой, глобальный энергетический переход вступил в новый этап. Многие страны установили цели по нулевым выбросам к середине столетия, что открывает широкие перспективы для интегрированных фотоэлектрических и солнечных тепловых технологий. Интегрированные солнечные технологии, такие как PVT, сейчас пользуются беспрецедентными возможностями развития.

Пандемия COVID-19 ещё раз подчеркнула важность энергетической устойчивости и локального производства чистой энергии. В связи с этим технология PVT всё чаще применяется в следующих областях: 

• Жилые дома и семьи ищут эффективные системы для удовлетворения своих потребностей в электроэнергии и горячей воде.

• Коммерческие здания, выигравшие от интеграции BIPVT, сократили свои эксплуатационные расходы на электроэнергию. 

• В промышленных процессах, особенно в пищевой, текстильной и химической промышленности, средне- и низкотемпературное тепло имеет жизненно важное значение. 

Между тем технологические инновации постоянно расширяют возможности: 

• Сочетание PVT и тепловых насосов позволило добиться эффективного отопления и охлаждения в течение всего сезона. 

• Интеграция с накопителем тепловой энергии позволила улучшить управление нагрузкой. 

• Интеллектуальная система управления улучшила согласование спроса и взаимодействие с сетью.

В настоящее время PVT больше не рассматривается как экспериментальная технология, а стала сильным конкурентом на рынке возобновляемых источников энергии, поддерживаемая десятками коммерческих поставщиков и приобретающая все большую популярность во всем мире.

Преимущества популяризации

Существует несколько причин, по которым PVT признана весьма ценным решением в области солнечной энергетики:

• Высокая комплексная эффективность: комплексная эффективность интегрированных фотоэлектрических и солнечных тепловых (ФТ) систем может достигать более 70%, в то время как эффективность автономных фотоэлектрических систем составляет около 20%. Эффективность использования солнечной тепловой энергии обычно составляет от 40% до 60%.

• Превосходные фотоэлектрические характеристики и долговечность: система PVT способна снизить тепловую нагрузку на фотоэлектрические модули за счет эффективного рассеивания тепла, продлить срок их службы и повысить стабильность выработки электроэнергии. 

• Эффективное использование пространства: система PVT может одновременно вырабатывать электрическую и тепловую энергию на одной и той же площади, что особенно важно в городских условиях или в условиях ограниченного пространства. 

• Широкие области применения: его можно широко использовать в различных сценариях, таких как жилые, коммерческие, промышленные и сельскохозяйственные. 

• В соответствии с целями устойчивого развития: технология PVT способствует сокращению выбросов углерода, способствует интеграции возобновляемых источников энергии в энергосистему и поддерживает реализацию стратегий распределенной энергетики.

Вызовы и вызовы 

Несмотря на то, что фотоэлектрическая генерация энергии (ФЭГ) достигла определенного прогресса, она также сталкивается со многими проблемами:

• По сравнению с независимой фотоэлектрической или солнечной тепловой генерацией электроэнергии первоначальная стоимость выше. 

• Требования к проектированию и обслуживанию системы сложны. 

• По сравнению с традиционной солнечной фотоэлектрической генерацией электроэнергии, современное понимание рынка технологии фотоэлектрической тепловой интеграции (ФТВ) все еще относительно ограничено. 

• Существующая система поддержки политики часто не в полной мере учитывает характеристики таких гибридных технологий, что приводит к многочисленным ограничениям для них при подаче заявок на меры стимулирования. 

• Преодоление этих препятствий имеет решающее значение для содействия широкомасштабному применению фотоэлектрических и солнечных тепловых систем и полного раскрытия их энергетического потенциала.

Заключение 

Оглядываясь назад на развитие технологии PVT, от концепции в 1970-х годах до её постепенной коммерциализации сегодня, можно сказать, что эта технология прошла почти пять десятилетий эволюции. Она не только знаменует собой переход от «единой генерации электроэнергии» или «единого производства тепла» к интегрированной модели «комбинированного тепло- и электроснабжения», но и отражает общую тенденцию развития возобновляемой энергетики от экспериментальных исследований к рыночному применению. 

На фоне совместных усилий всего мира по достижению углеродной нейтральности технология PVT, отличающаяся высокоэффективным комплексным преобразованием энергии, стабильной когенерацией тепла и электроэнергии, а также превосходной адаптивностью системы, демонстрирует уникальные перспективы применения. Она не только применима к различным сценариям энергопотребления, но и лучше отвечает многочисленным требованиям будущей энергетической системы к чистоте, низкому уровню выбросов углерода, гибкости и высокой эффективности. 

История развития PVT — это не только процесс становления технологии, но и яркий пример совместного воздействия инновационных механизмов, политической поддержки и рыночного спроса на трансформацию энергетики. В перспективе ожидается, что PVT будет играть всё более значимую роль в построении новой энергетической системы, в которой доминируют возобновляемые источники энергии.