Photovoltaik-thermische Hybrid-Solarkollektoren, manchmal auch als hybride PV / T-Systeme oder PVT bekannt, sind Systeme, die Sonnenstrahlung in thermische und elektrische Energie umwandeln. Diese Systeme kombinieren eine Solarzelle, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandelt, mit einem thermischen Sonnenkollektor, der die verbleibende Energie aufnimmt und die Abwärme des PV-Moduls abführt. und somit insgesamt energieeffizienter sein als Photovoltaik (PV) oder Solarthermie allein. Seit den 1970er Jahren ist ein beträchtlicher Teil der Forschung in die Entwicklung der PVT-Technologie geflossen.

Fotovoltaische Zellen leiden unter einem Temperaturabfall aufgrund des erhöhten Widerstands. Solche Systeme können so konstruiert werden, dass sie Wärme von den PV-Zellen wegtransportieren, wodurch die Zellen gekühlt werden und somit ihre Effizienz verbessert wird, indem der Widerstand verringert wird. Obwohl dies eine effektive Methode ist, führt dies dazu, dass die thermische Komponente im Vergleich zu einem solarthermischen Kollektor zu wenig Leistung erbringt.

Prinzipien
Photovoltaische Elemente (PV-Zellen, typischerweise dotiertes Silizium) transformieren Sonnenlicht (sichtbarer Bereich) in Potentialdifferenz und elektrischen Strom, während der thermische Sensorteil (Absorber oder „Konzentrator“ …) kalorische Energie zurückgewinnt, die von der Sonne gesendet wird (insbesondere die Infrarotstrahlung geht normalerweise in Form von Wärme verloren, die durch die Platte verteilt wird) über ein Kühlmittel (Luft oder Wasser / Glykol, das durch eine Pumpe, deren Betrieb mit Elektrizität betrieben wird, eingespritzt wird).

Der erzeugte Strom kann unmittelbar vor Ort oder nach Lagerung (Batterie) genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden (Resale / Buyout).

Die erzeugte Wärme kann an jede konventionelle thermische Anlage angeschlossen werden, die zum Heizen oder Vorwärmen von Luft oder Brauchwasser (Warmwasser, Schwimmbecken, …), einer Trocknungsanlage, … verwendet wird.

Systemtypen
Eine Reihe von PV / T-Kollektoren in verschiedenen Kategorien sind im Handel erhältlich und können in die folgenden Kategorien eingeteilt werden:

PV / T Flüssigkeitssammler
PV / T-Luftkollektor
PV / Ta Flüssigkeits- und Luftsammler
PV / T-Konzentrator (CPVT)

PV / T Flüssigkeitssammler
Die grundlegende wassergekühlte Konstruktion verwendet einen Kanal, um den Flüssigkeitsstrom zu leiten, indem Rohrleitungen aus verschiedenen Materialien oder Platten verwendet werden, die an der Rückseite eines PV-Moduls angebracht sind. Die Anordnung der Fluidströmung durch das Kühlelement bestimmt, für welche Systeme die Paneele am besten geeignet sind.

In einem herkömmlichen Fluid-basierten System wird dann ein Arbeitsfluid, typischerweise Wasser, Glykol oder Mineralöl, durch diese Rohre oder Plattenkühler geleitet. Die Wärme von den PV-Zellen wird durch das Metall geleitet und von dem Arbeitsfluid absorbiert (vorausgesetzt, dass das Arbeitsfluid kühler als die Betriebstemperatur der Zellen ist). In geschlossenen Systemen wird diese Wärme entweder abgeführt (um sie zu kühlen) oder an einem Wärmetauscher übertragen, wo sie zu ihrer Anwendung fließt. In offenen Systemen wird diese Wärme genutzt oder verbraucht, bevor das Fluid zu den PV-Zellen zurückkehrt. Es ist auch möglich, Nanopartikel in der Flüssigkeit zu dispergieren, um einen Flüssigkeitsfilter für PV / T-Anwendungen zu schaffen. Der grundlegende Vorteil dieser Art von Split-Konfiguration ist, dass der thermische Kollektor und der Photovoltaik-Kollektor bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können.

PV / T-Luftkollektor
Die grundlegende luftgekühlte Konstruktion verwendet ein hohles, leitfähiges Metallgehäuse zur Befestigung der Photovoltaik-Module. Wärme wird von den Platten in den umschlossenen Raum abgestrahlt, wo die Luft entweder in ein HLK-System eines Gebäudes zirkuliert, um Wärmeenergie wiederzugewinnen, oder aufsteigt und von der Oberseite der Struktur abgelassen wird.

Während der Energietransfer in die Luft nicht so effizient ist wie ein Flüssigkeitssammler, hat die erforderliche Infrastruktur geringere Kosten und Komplexität; im Grunde eine flache Metallbox. Die Platzierung der PV-Module kann vertikal oder abgewinkelt sein.

PV / T-Konzentrator (CPVT)
Ein Konzentratorsystem hat den Vorteil, die Menge an benötigten photovoltaischen Zellen (PV-Zellen) zu reduzieren, so dass etwas teurere und effizientere Photovoltaikzellen mit mehreren Übergängen verwendet werden können, die das Verhältnis von erzeugter hochwertiger elektrischer Leistung zu niedrigerer thermischer Leistung maximieren Leistung. Eine große Einschränkung von Hochkonzentratorsystemen (dh HCPV und HCPVT) besteht darin, dass sie ihren Vorteil gegenüber herkömmlichen c-Si / mc-Si-Kollektoren nur in Regionen behalten, in denen atmosphärische Aerosolverunreinigungen (z. B. leichte Wolken, Smog usw.) durchgehend frei bleiben. ). Die Leistungsfähigkeit des Konzentratorsystems wird insbesondere verschlechtert, weil 1) Strahlung außerhalb des kleinen (häufig unter 1 ° -2 °) Akzeptanzwinkels der Sammeloptik reflektiert und gestreut wird und 2) die Absorption spezifischer Komponenten des Sonnenspektrums eines oder mehrere bewirkt Serienübergänge innerhalb der MJ-Zellen zu unterdurchschnittlich.

Konzentratorsysteme erfordern außerdem zuverlässige Kontrollsysteme, um die Sonne genau zu verfolgen und die PV-Zellen vor schädlichen Übertemperaturbedingungen zu schützen. Unter idealen Bedingungen können etwa 75% der Sonnenenergie, die direkt auf solche Systeme einfällt, als Elektrizität und Wärme gesammelt werden. Weitere Details finden Sie in der Diskussion des CPVT im Artikel für konzentrierte Photovoltaik.

Struktur eines PVT-Kollektors
Wie erwähnt, ist ein PVT-Kollektor eine Verbindung eines photovoltaischen Kollektors und eines Wärmetauschers. Der Photovoltaik-Kollektor ist fast immer vom verglasten Typ, um den Wärmeverlust zu reduzieren.

Sammler mit einer vorderen Luftkammer
Sie nutzen den Treibhauseffekt aus. Sie werden fast ausschließlich zum Wärmeaustausch mit Luft verwendet.

Sammler ohne Innenrohr
Der häufigste Typ. Hier erfolgt der Wärmeaustausch auf der Rückseite des Photovoltaikkollektors; es ist eine obligatorische Struktur im Falle einer Flüssigkeitskühlung, da der Wärmetauscher die photovoltaischen Zellen maskieren würde und in jedem Fall den Vorteil einer rückwärtigen Anordnung der Fluidzufuhr- und -entnahmerohre, die ansonsten Abschattungsprobleme aufwerfen würden, hat.

Flüssigkeitsverteiler
Im Vergleich zu einem normalen PV-Kollektor wird in einem Flüssigkeitsverteiler ein Wärmetauscher und seine Isolierung hinzugefügt. Dieser Tauscher kann verschiedene Formen haben; in den häufigsten Fällen besteht es aus anhaftenden Kupferrohren mit verschiedenen Technologien auf dem Rückenblech oder, genauer gesagt, aus einem Aluminium-Roll-Bond-Wärmetauscher, der eine bessere Wärmeübertragung ermöglicht. Der Wärmeaustausch mit dem Flüssigkeitssammler ist sehr effektiv zum Kühlen der photovoltaischen Zellen und erhöht deren Ausbeute.

Konzentration Sammler
Durch den Verzicht auf die Verwendung von Siliziumzellen und die Einführung der Dünnschichttechnologie ist es möglich, ein Hybrid-Panel zu entwerfen, das die Nutzung der Solarkonzentration berücksichtigt. Eine interessante Anwendung sieht das Vorhandensein eines CPC-Konzentrators (aus dem englischen Compound Parabolic Concentrator), in dessen Feuer eine Röhre platziert wird, auf deren Seitenfläche ein Film von Dünnschichtzellen (zum Beispiel CIS oder CIGS) platziert wird. Diese Konfiguration ermöglicht es, höhere Ausbeuten an photovoltaischen Zellen zu erreichen (dank der Konzentration), aber gleichzeitig eine effektivere Wärmeabfuhr (da die ganze Zelle in Kontakt mit der Wärmeübertragungsflüssigkeit ist).

Installation
Die Installation von PV-T-Panels umfasst:

wie jedes Solarpanel, Befestigungsplatten (normalerweise auf dem Dach)
wie jedes PV-Panel, die Installation von elektrischen Kabeln und Geräten nachgelagerte (Wechselrichter, …),
wie jede Heizplatte, ein Lüftungskreislauf, falls luftgekühlt, oder ein Hydraulikkreis mit einem Warmwasserspeicher (wenn das PV-T-Panel direkt an ein Warmwassersystem angeschlossen ist, das am Wasserhahn verfügbar ist (und nicht für die einzige Heizung), es ist obligatorisch, am Ausgang des Lagers, ein thermostatisches Mischventil der Sicherheit anzuschließen, damit man nicht mit zu heißem Wasser verbrannt werden kann.

Handelssystem
Mehrere französische Hersteller bieten Hybridplatten an: DualSun, Sillia (mit einem Kupferabsorber), ABCD Intl, sowie Cogen’air (Luftkühlung) und Systovi.

Vorteile
Die Gesamtenergieeffizienz ist signifikant höher als die der Photovoltaikmodule (12-20%), hauptsächlich aufgrund der thermischen Komponente (die auch die nicht genutzte IR-Strahlung in PV allein schätzt – 46% der Gesamtmenge).

Darüber hinaus hat die thermische Abscheidung zwei positive Auswirkungen auf die Stromerzeugung:

Fotovoltaikzellen arbeiten besser. In der Tat, ihre dunkle Farbe, weil sie sich in der Sonne aufheizen, oder ihre Energieerzeugungseffizienz nimmt mit der Hitze, besonders über 45 ° C ab. In einem PV-T-Panel fängt der Wärmekollektor die Sonnenkalorien ein, die die PV-Zellen kühlt und erhöht Produktion besonders während der Spitzen der Isolierung. Die Wärme wird in einen Akkumulator (geschlossenes Kreislaufwasser / Glykol im Allgemeinen) aufgrund des von den photovoltaischen Zellen erzeugten Stroms injiziert; Dies verbessert die Stromerzeugung erheblich (rund 15% in der Region Paris laut Herstellerangaben).

Die permanente Kühlung der Paneele verbessert ihre Lebensdauer und ihre Effizienz (Erhöhung des COP der Wärmepumpen, wenn eine Wärmepumpe angeschlossen ist).

Diese Vorteile zeigen sich insbesondere bei Paneelen in zentraler Position auf einem Dach.

Die gleichen Kosten für die Installation eines Hybrid-Panels sind im Vergleich zu einem PV-Solarmodul und einem Solarthermie-Panel reduziert.

Eine hybride PV-T-Platte kann im Falle von Schnee (oder Frost oder Nebel), der sie verdeckt, schneller arbeiten: Dies kann durch Umwälzen der Wärmeübertragungsflüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung beseitigt werden. Die PV-T-Platte nimmt auch bei heißem Wetter teil, um die Wärme auf dem Dachboden des Hauses zu reduzieren, indem das Dach gekühlt wird.