Z kolektora słonecznego... Ciepło i prąd jednocześnie

Z kolektora słonecznego... Ciepło i prąd jednocześnie
Autor: prof. zw. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski
(„Energia Gigawat” – nr 8/2010)
Hybrydowe kolektory słoneczne wykorzystują efektywniej promieniowanie słoneczne, niż
oddzielnie ogniwa fotowoltaiczne oraz baterie grzewcze. Ta technika nie mogła dłuższy czas
doczekać się przemysłowej realizacji, gdyż nie potrafiono dostatecznie szybko pokonać
różnorakich problemów związanych z przepływem ciepła od modułu fotowoltaicznego do
absorbera.
Wiadomo, że ciepło wyzwalające się w komorze fotowoltaicznej podwyższa jej temperaturę,
a przez to obniża się sprawność procesu wytwarzania energii elektrycznej. Zaistniały problem
został ostatecznie rozwiązany z relatywnie dobrą efektywnością i to wariantowymi
sposobami. I tak przykładowo Fraunhofera Instytut Solarnych Systemów Energetycznych
podjął laminowanie blachy absorpcyjnej w miejsce jej oklejania modułami fotowoltaicznymi i
w takiej postaci zainstalował w standardowej, grzewczej baterii słonecznej.
Dziś sprawne ogniwa fotowoltaiczne zamieniają około 15 procent promieniowania
słonecznego w energię elektryczną. Jeżeli poprzez odpowiednią budowę hybrydowego
kolektora stworzy się możliwości równoczesnego, częściowego wykorzystania pozostałych
85 procent promieniowania słonecznego do ciepła użytkowego, to całe przedsięwzięcie staje
się znacznie efektywniejsze w porównaniu do stanu poprzedniego tak na etapie inwestycji,
jak i w okresie eksploatacji. W hybrydowych kolektorach słonecznych osiąga się bowiem
globalną sprawność energetyczną w granicach 70 – 80 procent.
W niemieckiej miejscowości Emmerthal zainstalowano w domku jednorodzinnym pompę
ciepła, czerpiącą ciepło z ziemi, a jej silnik sprężarki zasila hybrydowy kolektor słoneczny.
Ten hybrydowy kolektor jest o powierzchni 39 m2, z mocą elektryczną 12 kW, przy czym
uzyskiwanym z niego ciepłem zapewnia się pompie ciepła pracę w optymalnym zakresie
temperatur.
W tej hybrydowej instalacji maksymalnie osiągnięta sprawność termiczna wyniosła 73
procent, a uzyskano ją po zaizolowaniu z zewnątrz dolnej ściany (J. Berner; Sonne Wind &
Wärme, 168, 8, 2010).
Do hybrydowych baterii słonecznych zalicza się – jak wynika z powyższych informacji –
takie konstrukcje, które umożliwiają wykorzystanie ciepła z ogniw fotowoltaicznych.
Rozróżnia się wśród nich rozwiązania techniczne, w których najważniejszą jest wytwórczość
energii elektrycznej oraz te, w których dominuje maksymalne pozyskiwanie ciepła
użytkowego. Oba wymienione warianty łączy najczęściej wykorzystywanie cieczy dla
odprowadzania ciepła z absorberów promieniowania słonecznego. Bywają jednak konstrukcje
hybrydowych baterii, w których nośnikiem ciepła bywa powietrze.
Aktualnie hybrydowe baterie słoneczne produkuje w świecie nieco ponad 30 wytwórców
spośród których kilku – stosujących wariantowe technologie – zaprezentuje się w niniejszym
studium. Szwedzka firma Absolikon Solar Concentrator AB wytwarza hybrydowe baterie o
mocy elektrycznej w granicach 550 – 1.750 W oraz o wydajności termicznej 3.610 – 11.320
1
kWh/rok w postaci parabolicznych rynien lustrzanych, w osi których znajdują się absorbery
promieni słonecznych z cyrkulującą cieczą (rys. 1). Chłodzi ona znajdujące się na niej
elementy fotowoltaiczne.
Rys. 1.
Hybrydowy kolektor słoneczny z paraboliczną rynną lustrzaną i wodnym chłodzeniem,
szwedzkiej firmy Absolikon Solar Concentrator AB.
Natomiast izraelska firma Millenium Electric Ltd produkuje skrzyniowe baterie hybrydowe
(rys. 2). Moduły fotowoltaiczne znajdują się tu na powierzchni górnej płyty, pod którą zostały
zainstalowane rury z cyrkulującą wodą chłodniczą. Dolna płyta bywa izolowana z zewnątrz.
Rys. 2.
Skrzyniowy
typ
hybrydowej
baterii
przedsiębiorstwa Millennium Electric Ltd.
2
słonecznej
chłodzonej
cieczą,
izraelskiego
Tymczasem kanadyjskie przedsiębiorstwo Conserval Engineering Inc. wytwarza hybrydowe
baterie z trapezowo uformowanych płyt metalowych (rys. 3). Te zostały poddane perforacji
dzięki czemu nagrzane powietrze odprowadza się wentylatorem do odbieralników ciepła
użytkowego. Elementy fotowoltaiczne umieszcza się na tych płytach techniką laminowania.
Rys. 3.
Hybrydowa bateria słoneczna chłodzona powietrzem, kanadyjskiej firmy Conserval
Engineering
Źródło: Solimpeks Solar Energy Corp.
Rys. 4.
Hybrydowe kolektory słoneczne przy wiejskim domu, zainstalowane przez tureckie
przedsiębiorstwo Solimpeks Solar Energy Corp.
3
Równoczesne przetwarzanie promieniowania słonecznego do energii elektrycznej oraz ciepła
użytkowego jest ekonomicznie bardziej opłacalne, niż oddzielnie eksploatowane baterie
słoneczne i moduły fotowoltaiczne. Dzięki temu hybrydowe kolektory słoneczne cieszą się w
krajach wysokorozwiniętych znacznym zainteresowaniem (rys. 4). Stąd wynika pilna
potrzeba ich rozpropagowania w naszym kraju, co legło u podstaw napisania niniejszego
artykułu.
4