BTE Solar: сравнительный анализ систем PVT с традиционными фотоэлектрическими и солнечными тепловыми системами

На фоне текущего глобального энергетического перехода солнечная энергия, как самая чистая и возобновляемая форма энергии, стремительно интегрируется в производство и жизнь человеческого общества. Основные способы использования солнечной энергии включают фотоэлектрическую генерацию (PV) и использование солнечного тепла (ST). Первый напрямую преобразует солнечное излучение в электрическую энергию посредством фотоэлектрического эффекта, в то время как второй поглощает солнечное излучение через коллекторы и преобразует его в тепловую энергию. Он часто используется для бытового горячего водоснабжения, отопления или промышленного обогрева. В последние годы новая технология, сочетающая в себе преимущества обеих - фотоэлектрическая и солнечная тепловая интеграция (PVT), - постепенно проникает в поле зрения людей и демонстрирует уникальную ценность в исследованиях и коммерческом применении. В этой статье мы сравним систему PVT с традиционными фотоэлектрическими и солнечными тепловыми системами с разных точек зрения, а также рассмотрим их преимущества и недостатки.

I. Сравнение состава системы и принципа работы

Фотоэлектрическая система (PV)

Основой фотоэлектрической системы является модуль солнечной батареи, обычно изготавливаемый из кристаллического кремния или тонкоплёночных элементов. Когда солнечный свет падает на поверхность батареи, фотоны возбуждают электроны в полупроводниковом материале, создавая электрический ток, который затем преобразуется в переменный ток через инвертор для подачи электроэнергии в дома или электросеть. Конструкция фотоэлектрической системы относительно проста, и её основная функция — выработка электроэнергии.

2. Солнечная тепловая система (СТ)

Солнечная тепловая система в основном состоит из плоских или вакуумных трубчатых коллекторов. Под воздействием солнечного света поглощающая пластина преобразует энергию в тепло, которое через рабочую среду (воду или антифриз) передается в бак-аккумулятор горячей воды для горячего водоснабжения или отопления. Энергопроизводительность солнечной системы практически равна нулю, но ее тепловой КПД обычно достигает 40–70%.

3. Интегрированная фотоэлектрическая и солнечная тепловая система (PVT)

Система PVT объединяет фотоэлектрические модули с коллекторами, которые собирают тепловую энергию из остаточного тепла на обратной стороне фотоэлектрических панелей, одновременно вырабатывая электроэнергию. Это не только позволяет избежать снижения эффективности фотоэлектрических элементов, вызванного высокими температурами, но и повышает общую энергоэффективность на единицу площади. Её основная концепция заключается в том, что «одна плата одновременно вырабатывает как электроэнергию, так и тепло».

II. Сравнение энергоэффективности и производительности

1. Фотоэлектрическая эффективность

Для простой фотоэлектрической системы эффективность фотоэлектрического преобразования обычных компонентов составляет от 18% до 22%. Повышение температуры приведет к снижению эффективности. При повышении температуры на каждый 1 ℃ средняя выходная мощность фотоэлектрических панелей падает на 0,3–0,5%. Поэтому в жарких регионах проблема рассеивания тепла на задней стороне фотоэлектрических панелей более заметна.

Система PVT обеспечивает более стабильную эффективность генерации электроэнергии за счёт охлаждения фотоэлектрических модулей для снижения их рабочей температуры. Исследования показывают, что при тех же условиях окружающей среды выработка электроэнергии с помощью PVT может быть увеличена на 5–15% по сравнению с традиционными фотоэлектрическими системами.

2. Эффективность использования тепловой энергии

Преимущество солнечной тепловой системы заключается в её высокой тепловой эффективности. КПД плоских коллекторов составляет примерно 50–70% при средних и низких температурах (30–70 °C), в то время как вакуумные трубчатые коллекторы лучше работают зимой или в высокоширотных регионах. Тепловой КПД солнечной тепловой системы (PVT), напротив, несколько ниже, обычно от 40 до 60%, но, учитывая, что она одновременно вырабатывает электроэнергию, её общая энергоэффективность выше.

3. Комплексная эффективность

Главное преимущество PVT заключается в её общей эффективности. КПД фотоэлектрических или солнечных тепловых систем составляет от 20% до 70%, в то время как общий КПД PVT-систем может достигать 70%-80%, а некоторых современных систем даже превышать 85%. Это означает, что для крыш той же площади PVT может генерировать больше полезной энергии.

III. Экономическое сравнение

1. Первоначальные инвестиции

Будучи зрелыми технологиями, фотоэлектрические и солнечные электростанции имеют относительно низкую стоимость установки при раздельной установке. Из-за сложной конструкции и высоких требований к производственному процессу система PVT, как правило, дороже, чем одиночная система. Однако, если учитывать необходимость одновременной генерации электроэнергии и отопления на одной крыше, «комбинированная установка» PVT может снизить затраты на кронштейны, трубопроводы и пространство.

2. Эксплуатация и обслуживание

Эксплуатация и обслуживание фотоэлектрических систем просты и сводятся, главным образом, к регулярной очистке компонентов и проверке электрооборудования. Солнечная тепловая система требует таких работ по техническому обслуживанию, как защита от замерзания, удаление накипи и регулярная замена рабочей жидкости. Технология PVT объединяет эти два процесса, что несколько усложняет эксплуатацию и обслуживание. Однако благодаря высокой структурной интеграции общая стабильность системы неплохая.

3. Срок окупаемости инвестиций

В регионах с высокими ценами на электроэнергию и тепло (например, в Европе и Японии) срок окупаемости системы PVT может быть короче, чем у одиночной системы. Особенно в условиях поддержки политики распределённой энергетики, совокупное преимущество субсидий на подключение к электросетям и замещения тепловой энергии делает экономическую эффективность PVT более заметной. Однако в регионах с низкими ценами на электроэнергию или недостаточной политической поддержкой продвижение PVT по-прежнему сталкивается с сопротивлением.

IV. Сравнение сценариев применения

1. Семьи, проживающие в этом доме

Бытовые пользователи обычно нуждаются в электричестве и горячей воде. Если площадь крыши ограничена, установка системы PVT позволяет обеспечить двойной выход энергии в ограниченном пространстве, что особенно подходит для городских домов и вилл.

2. Коммерческие и общественные здания

Такие здания, как школы, больницы и гостиницы, потребляют не только большое количество электроэнергии, но и нуждаются в стабильном снабжении горячей водой. PVT предлагает комплексное решение для сокращения площади, занимаемой оборудованием, и затрат на его обслуживание.

3. Промышленная сфера

Некоторые промышленные производства (например, пищевая, текстильная и химическая промышленность) испытывают большой спрос на низкотемпературную тепловую энергию. Традиционная солнечная тепловая энергия может частично удовлетворить этот спрос, но потребность в электроэнергии также очень высока. В этих областях фотоэлектрические установки (PVT) могут заменить часть ископаемого топлива.

4. Сельское хозяйство и теплицы

В сельскохозяйственных теплицах требуется как фотоэлектрическое питание для питания оборудования, так и тепловая энергия для поддержания температуры. Фотоэлектрические системы могут одновременно удовлетворить обе потребности и повысить уровень энергетической самообеспеченности.

V. Сравнение экологических и социальных выгод

Фотоэлектрические и солнечные электростанции играют важную роль в сокращении выбросов углерода. Система PVT может не только заменить тепловую энергию, сокращая выбросы углекислого газа, но и сократить использование газовых или угольных котлов. В условиях общей тенденции к углеродной нейтральности ценность PVT становится всё более заметной. Кроме того, она решает проблему нехватки пространства под крышей и избавляет от необходимости выбирать между двумя вариантами на ограниченной площади.

VI. Существующие проблемы и вызовы

Высокая стоимость: в настоящее время стоимость PVT все еще выше, чем стоимость индивидуальных систем, что ограничивает ее популяризацию.

Отсутствие технических стандартов: Международные стандарты испытаний, сертификации и установки PVT до сих пор не унифицированы.

Недостаточная осведомлённость рынка: многие потребители и подрядчики по инжинирингу имеют ограниченные знания о PVT, что затрудняет продвижение на рынке.

Сложность эксплуатации и обслуживания: несмотря на высокую общую интеграцию, она затрагивает две системы, а именно энергетическую и тепловую, что предъявляет более высокие профессиональные требования к монтажникам и обслуживающему персоналу.

VII. Направления будущего развития

Новые области применения материалов, такие как селективные абсорбционные покрытия и теплопроводящие композитные материалы, способствуют повышению тепловой эффективности.

Модульная конструкция: делает установку и замену PVT столь же простой, как и обычных фотоэлектрических модулей.

В сочетании с накопителями энергии: двойная система накопления энергии, включающая накопитель электроэнергии и накопитель тепловой энергии, повысит гибкость использования энергии PVT.

Содействие политике: государственные субсидии, поощрения за сокращение выбросов углерода, сертификация экологичных зданий и т. д. могут способствовать применению PVT.

viii. Краткое содержание

Будучи новым способом использования солнечной энергии, технология солнечной энергетики (PVT) не просто представляет собой суперпозицию фотоэлектрической и солнечной тепловой энергии, но и обеспечивает более высокую комплексную энергоэффективность за счет системной интеграции. По сравнению с традиционной фотоэлектрической энергией, она решает проблему снижения эффективности, вызванного повышением температуры. По сравнению с традиционной солнечной тепловой энергией, она обеспечивает добавленную стоимость вырабатываемой электроэнергии. С точки зрения экономичности, использования пространства, сокращения выбросов углерода и других аспектов технология PVT продемонстрировала очевидные преимущества. Конечно, ее продвижение по-прежнему сталкивается с трудностями, связанными с затратами, стандартами и осведомленностью. Ожидается, что благодаря технологическому прогрессу и содействию политике, PVT станет важным компонентом распределенной чистой энергетики в будущем.