Collettore solare ibrido termico fotovoltaico

I collettori solari ibridi termici fotovoltaici, talvolta noti come sistemi ibridi PV / T o PVT, sono sistemi che convertono la radiazione solare in energia termica ed elettrica. Questi sistemi combinano una cella solare, che converte la luce solare in elettricità, con un collettore solare termico, che cattura l’energia residua e rimuove il calore disperso dal modulo fotovoltaico. e quindi essere più efficiente dal punto di vista energetico rispetto al solare fotovoltaico (PV) o al solare termico da solo. Una notevole quantità di ricerche è stata dedicata allo sviluppo della tecnologia PVT sin dagli anni ’70.

Le celle fotovoltaiche soffrono di un calo di efficienza con l’aumento della temperatura a causa di una maggiore resistenza. Tali sistemi possono essere progettati per trasportare il calore lontano dalle celle fotovoltaiche, raffreddando così le celle e migliorando così la loro efficienza riducendo la resistenza. Sebbene questo sia un metodo efficace, causa un sottotipo del componente termico rispetto a un collettore solare termico.

I principi
Gli elementi fotovoltaici (celle fotovoltaiche, silicio tipicamente drogato) trasformano la luce solare (intervallo visibile) in potenziale differenza e corrente elettrica, mentre la parte del sensore termico (assorbitore o “concentratore” …) recupera l’energia calorica inviata dal sole (in particolare il radiazione infrarossa di solito persa sotto forma di calore disperso dal pannello) tramite un refrigerante (aria o acqua / glicole, iniettato da una pompa il cui funzionamento è alimentato da elettricità).

L’elettricità prodotta può essere utilizzata localmente immediatamente o dopo lo stoccaggio (batteria), o essere iniettata nella rete elettrica (rivendita / acquisto).

Il calore prodotto può essere collegato a qualsiasi impianto termico convenzionale, utilizzato per il riscaldamento o il preriscaldamento dell’aria o dell’acqua domestica (acqua calda sanitaria, piscina, …), un’unità di asciugatura, …

Tipi di sistema
Un certo numero di collettori PV / T in diverse categorie sono disponibili in commercio e possono essere suddivisi nelle seguenti categorie:

Collettore di liquido PV / T
Collettore aria PV / T
PV / Ta Collettore di liquidi e aria
Concentratore FV / T (CPVT)

Collettore di liquido PV / T
Il design di base raffreddato ad acqua utilizza un canale per dirigere il flusso del fluido utilizzando tubazioni di vari materiali o piastre attaccate sul retro di un modulo fotovoltaico. La disposizione del flusso del fluido attraverso l’elemento di raffreddamento determinerà quali sistemi i pannelli sono più adatti.

In un sistema basato su fluido standard, un fluido di lavoro, tipicamente acqua, glicole o olio minerale viene quindi convogliato attraverso questi tubi o refrigeratori di piastre. Il calore delle celle fotovoltaiche viene condotto attraverso il metallo e assorbito dal fluido di lavoro (presumendo che il fluido di lavoro sia più freddo della temperatura di funzionamento delle celle). Nei sistemi a circuito chiuso questo calore viene o scaricato (per raffreddarlo) o trasferito a uno scambiatore di calore, dove scorre alla sua applicazione. Nei sistemi a circuito aperto, questo calore viene utilizzato o esaurito prima che il fluido ritorni alle celle fotovoltaiche. È anche possibile disperdere nanoparticelle nel liquido per creare un filtro liquido per applicazioni PV / T. Il vantaggio fondamentale di questo tipo di configurazione split è che il collettore termico e il collettore fotovoltaico possono funzionare a temperature diverse.

Collettore aria PV / T
Il design di base raffreddato ad aria utilizza un involucro metallico cavo conduttivo per montare i pannelli fotovoltaici (PV). Il calore viene irradiato dai pannelli nello spazio chiuso, dove l’aria viene fatta circolare in un sistema HVAC dell’edificio per ricuperare l’energia termica, o si alza e viene scaricata dalla parte superiore della struttura.

Mentre il trasferimento di energia all’aria non è efficiente come un collettore di liquidi, l’infrastruttura richiesta ha costi e complessità inferiori; fondamentalmente una scatola metallica poco profonda. Il posizionamento dei pannelli fotovoltaici può essere verticale o angolato.

Concentratore FV / T (CPVT)
Un sistema di concentratori ha il vantaggio di ridurre la quantità di celle fotovoltaiche (PV) necessarie, in modo che possano essere utilizzate celle fotovoltaiche a più giunzioni un po ‘più costose ed efficienti che massimizzeranno il rapporto tra la potenza elettrica prodotta di alto valore e quella termica di valore inferiore energia. Una delle principali limitazioni dei sistemi ad alto concentratore (cioè HCPV e HCPVT) è che mantengono il loro vantaggio rispetto ai convenzionali collettori c-Si / mc-Si solo in regioni che rimangono costantemente prive di contaminanti aerosol atmosferici (ad es. Nuvole chiare, smog, ecc. ). Le prestazioni del sistema del concentratore sono particolarmente degradate perché 1) la radiazione viene riflessa e dispersa all’esterno dell’angolo di accettazione piccolo (spesso inferiore a 1 ° -2 °) dell’ottica di raccolta e 2) l’assorbimento di componenti specifici dello spettro solare provoca uno o più giunzioni di serie all’interno delle celle MJ per sottoperformare.

I sistemi di concentratori richiedono anche sistemi di controllo affidabili per tracciare accuratamente il sole e proteggere le celle fotovoltaiche da condizioni di temperatura eccessive dannose. In condizioni ideali, circa il 75% della potenza dei soli direttamente incidente su tali sistemi può essere raccolto come elettricità e calore. Per maggiori dettagli, vedi la discussione di CPVT all’interno dell’articolo per il fotovoltaico concentrato.

Struttura di un collettore PVT
Come accennato, un collettore PVT è un’associazione di un collettore fotovoltaico e uno scambiatore di calore. Il collettore fotovoltaico è quasi sempre di tipo vetrato, per ridurre la perdita di calore.

Collettori con camera d’aria frontale
Sfruttano l’effetto serra. Sono usati quasi esclusivamente per lo scambio di calore con l’aria.

Collettori senza camera d’aria
Il tipo più comune. Qui lo scambio di calore avviene sul retro del collettore fotovoltaico; è una struttura obbligatoria in caso di raffreddamento a liquido, poiché lo scambiatore maschera le celle fotovoltaiche e, in ogni caso, ha il vantaggio di una posizione posteriore dei tubi di alimentazione e di estrazione del fluido, che altrimenti porrebbero problemi di ombreggiamento.

Varietà di liquidi
Rispetto ad un normale collettore FV, in un collettore di liquidi c’è l’aggiunta di uno scambiatore di calore e il suo isolamento. Questo scambiatore può essere di varie forme; nei casi più frequenti è costituito da tubi di rame aderenti, con varie tecnologie, al backsheet o, più efficacemente, è costituito da uno scambiatore di alluminio a rotolo, che consente una migliore trasmissione del calore. Lo scambio di calore con il collettore di liquido è molto efficace per il raffreddamento delle celle fotovoltaiche, aumentandone la resa.

Collettori di concentrazione
Abbandonando l’uso delle celle al silicio e introducendo la tecnologia a film sottile, è possibile progettare un pannello ibrido che vede l’uso della concentrazione solare. Un’applicazione interessante vede la presenza di un concentratore CPC (dal concentratore parabolico inglese composto) nel fuoco del quale è posto un tubo sulla cui superficie laterale è posta una pellicola di celle a film sottile (ad esempio CIS o CIGS). Questa configurazione consente di ottenere rese più elevate delle celle fotovoltaiche (grazie alla concentrazione) ma allo stesso tempo una rimozione del calore più efficace (poiché l’intera cella è in contatto con il fluido termovettore).

Installazione
L’installazione di pannelli PV-T include:

come qualsiasi pannello solare, pannelli di fissaggio (di solito, sul tetto)
come qualsiasi pannello fotovoltaico, l’installazione di cavi elettrici e apparecchiature a valle (inverter, …),
come qualsiasi pannello termico, un circuito di ventilazione, se raffreddato ad aria, o un circuito idraulico con un accumulatore di acqua calda (se il pannello PV-T è collegato direttamente a un sistema di acqua calda disponibile al rubinetto (e non per il solo riscaldamento), è obbligatorio collegare, all’uscita del magazzino, un miscelatore termostatico di sicurezza, in modo che non si possa bruciare con acqua troppo calda.

Sistema di trading
Diversi produttori francesi offrono pannelli ibridi: DualSun, Sillia (con assorbitore di rame), ABCD Intl, nonché Cogen’air (raffreddamento ad aria) e Systovi.

vantaggi
L’efficienza energetica complessiva è significativamente superiore a quella dei pannelli fotovoltaici (12-20%), principalmente a causa della componente termica (che valuta anche l’irradiazione IR non sfruttata nel solo fotovoltaico – il 46% del totale).

Inoltre, la cattura termica ha due effetti favorevoli sulla produzione di elettricità:

Le celle fotovoltaiche funzionano meglio. Effettivamente il loro colore scuro perché si scaldano al sole, o la loro efficienza di generazione di energia diminuisce con il calore, soprattutto sopra i 45 ° C. In un pannello PV-T, il collettore di calore cattura le calorie solari, che raffredda le celle fotovoltaiche e aumenta le loro produzione specialmente durante i picchi di insolazione. Il calore viene iniettato in un accumulatore (acqua circuito chiuso / glicole in generale) grazie alla corrente prodotta dalle celle fotovoltaiche; ciò migliora sensibilmente la produzione di elettricità (circa il 15% nella regione parigina secondo i produttori).

Il raffreddamento permanente dei pannelli migliora la loro durata e la loro efficienza (aumento del COP delle pompe di calore quando è associata una pompa di calore).

Questi vantaggi sono particolarmente evidenti per i pannelli in posizione centrale su un tetto.

Lo stesso costo di installazione di un pannello ibrido è ridotto rispetto a quello di un pannello solare fotovoltaico e di un pannello solare termico.

Un pannello PV-T ibrido può lavorare più rapidamente in caso di neve (o brina o nebbia) che lo oscura: questo può essere eliminato facendo circolare il fluido termovettore nella direzione opposta. Il pannello PV-T partecipa anche durante la stagione calda per ridurre il calore nella soffitta della casa, raffreddando il tetto.