Čo je to PVT a ako funguje nové prepojenie?
Väčšina z nás pozná štandardné fotovoltické panely, ktorých primárnou úlohou je výroba elektriny. Na druhej strane stoja fotovolticko-tepelné (PVT) kolektory, čo je prelomová technológia spájajúca produkciu elektrickej a tepelnej energie do jediného zariadenia [1]. Tradičný prístup si pri ich využívaní vyžadoval pomerne zložité zapojenia rôznych výmenníkov, no medzinárodný výskumný tím z Číny a Rwandy nedávno vyvinul inovatívne tepelné čerpadlo s duálnym zdrojom [2].
Tento nový koncept efektívne spája zber solárneho tepla a zároveň aj tepla z okolitého vzduchu do jediného integrovaného výparníka, čím úplne eliminuje potrebu oddelených výmenníkov tepla [3]. Ako presne to inžinieri dosiahli? V praxi odstránili zadnú izoláciu štandardného PVT kolektora a na hadicovitú trubicu pre chladivo pripevnili špeciálne upravené hliníkové rebrá [2]. Vďaka tejto zdanlivo jednoduchej úprave dokáže systém naraz absorbovať teplo nielen z priameho slnečného žiarenia, ale plynule ho čerpať aj z chladnejšieho okolitého vzduchu [2].
Dvojitý efekt: Zvýšenie účinnosti elektriny aj tepla
Jedným z najznámejších neduhov bežnej fotovoltiky pre rodinné domy je letné prehrievanie. Keď na tmavý panel páli silné slnko, jeho prevádzková teplota rapídne stúpa. Každý stupeň navyše pritom znamená mierny pokles schopnosti vyrábať elektrinu.
Práve tu ukazuje hybridný PVT systém svoju obrovskú silu. Špeciálna teplonosná kvapalina, ktorá cirkuluje priamo cez panely na streche, aktívne odoberá prebytočné teplo a znižuje tak teplotu samotného fotovoltického panelu, čím sa priamo zvyšuje jeho energetická účinnosť [1]. Toto odobraté teplo s nízkou teplotou následne putuje do tepelného čerpadla, ktoré vďaka vyššej počiatočnej teplote odparovania dokáže pracovať s podstatne menšou námahou a s vyšším celkovým výkonom [1].
V bežnej prevádzke to znamená dokonalú symbiózu: kým fotovoltické články vyrábajú cennú elektrinu pre domácnosť, kolektor nepretržite absorbuje teplo na odparovanie chladiva R134a [2]. Vyrobená elektrina smeruje zo strechy do meniča napätia a môže byť bez problémov využitá priamo v dome, uskladnená v batériách, alebo prenechaná distribučnej sieti [2].
Prekvapivá stabilita a výkonové parametre v praxi
Slovenských záujemcov o fotovoltiku pochopiteľne najviac zaujíma, či podobný systém funguje iba v laboratóriu, alebo si poradí s reálnymi výkyvmi počasia. Výskumníci v počítačovej simulácii otestovali systém s jedným PVT absorbérom o rozmeroch 2 x 1 meter, v ktorom bola integrovaná fotovoltická časť s plochou 1,34 m² [2]. Systém vo vnútri využíval trubicu výparníka s vnútorným priemerom 8 mm, zatiaľ čo kompresor pracoval stabilne pri 2 900 otáčkach za minútu, odovzdávajúc energiu do 10 metrov dlhej špirály v štandardnom vodnom zásobníku [2].
Výsledky jasne potvrdili životaschopnosť tohto riešenia. Povrchová teplota panelu oscilovala od 11 °C počas chladnej zimy až po 53 °C v horúcom lete [2]. Elektrická účinnosť systémov sa v týchto podmienkach pohybovala vo výbornom rozmedzí od 13,9 % do 15,4 %, pričom tepelná účinnosť zachytávania slnečného a vzdušného tepla sa držala pevne na úrovni približne 55 % [2]. Maximálny zachytený výkon jednej takejto jednotky dosiahol zhruba 230 W pre elektrickú energiu a vynikajúcich 1 181 W v podobe zachyteného tepla [2].
Najlepšou správou pre budúce aplikácie v stavebníctve je stabilita samotného vykurovania. Systém si dokázal na modelovom klimatickom podnebí udržať výnimočne vyrovnaný vykurovací faktor (COP) v rozsahu 5,2 až 5,38 počas celého roka [2]. Skúšky tiež odhalili úzke hranice ideálneho tlaku: pri umelom zvýšení kondenzačného tlaku zo štandardných 12 barov na 20 barov totiž efektivita COP prudko klesla z 5,3 na 3,3 [2]. Podobne stabilné parametre a vysoké úspory inak v súčasnosti na trhu dosahujú najmä moderné tepelné čerpadlá s propánom.
Ako systém predchádza obvyklým zimným výpadkom
Predošlé, staršie pokusy o duálne systémy narážali v zime na jeden nepríjemný fyzikálny problém. Ak bola domáca nádrž s vodou ohrievaná iba pomocou klasických PVT kolektorov na streche, jej teplota mohla počas tuhých mrazov klesnúť pod nevyhnutné prevádzkové minimum tepelného čerpadla [4]. Systém v takom prípade núdzovo spúšťal priamy elektrický ohrev vody, čím sa rapídne znižovali finančné úspory [4]. Dokonca aj v lete nastávali podobné komplikácie, pokiaľ sa zásobník nestihol v noci dostatočne ochladiť vyžarovaním a jeho prevádzková teplota bola zrazu menej vhodná na produkciu než bežná vonkajšia teplota vzduchu [4].
Nové riešenie s integrovaným výparníkom tento problém elegantne obchádza. Vďaka špeciálnym lamelám, ktoré dokážu pasívne nasávať okolitý vzduch nezávisle na slnku či nádrži, nestráca systém prevádzkový výkon [2]. Ukázalo sa dokonca, že studené zimné podmienky bez priameho silného slnečného žiarenia môžu technológii paradoxne vyhovovať v lepšej miere premeny energie, keďže chladné počasie prirodzene zamedzuje zbytočným tepelným stratám na ploche panelu [2].
Budúcnosť a reálny výskum hybridov v Európe
Vývojári z pôvodnej štúdie už teraz pripravujú experimentálne overenie celého integrovaného prototypu vo väčšom meradle, ako aj vývoj ešte lepších ovládacích stratégií na maximalizáciu ročného výkonu a hľadanie parametrov pre dosiahnutie nulovej uhlíkovej stopy [2]. Rovnakým smerom sa však uberá aj európska veda. Popredný nemecký výskumný inštitút Fraunhofer ISE v súčasnosti prechádza na realizáciu projektu, ktorého cieľom je vyvinúť podobný systém tvorený tepelným čerpadlom a PVT kolektormi určený špeciálne pre existujúcu zástavbu starších domov [5].
Tento inštitút potvrdzuje, že hlavným pilierom je inteligentné termodynamické prepojenie týchto jednotiek s úložiskom s použitím ekologického chladiva s minimálnym globálnym otepľovacím potenciálom [5]. Od tohto šikovného riadenia procesov sa pri nemeckom projekte očakáva nárast celkovej účinnosti vykurovania až do 10 percent [5]. Pri kľúčovej príprave teplej úžitkovej vody by však energetická účinnosť mohla poskočiť dokonca až o neuveriteľných 30 percent, čo v domácnosti znamená stovky ušetrených eur ročne [5].
Zatiaľ čo najnovšie hybridné PVT systémy prechádzajú laboratórnou fázou pre masový trh, už dnes si môžete skutočne výrazne znížiť účty za elektrinu a teplo pomocou aktuálne dostupných moderných fotovoltických panelov a tepelných čerpadiel. Každý rodinný dom v slovenskom podnebí je iný, a preto sa neoplatí robiť unáhlené kompromisy bez odbornej konzultácie. Odporúčame nájsť si priamo na portáli Spravmi.sk overených dodávateľov, ktorí posúdia vašu strechu, reálne energetické požiadavky a bezplatne vám pripravia cenovú ponuku. Profesionálni majstri vám navyše dokážu poradiť v legislatíve a pomôcť s vybavením dostupných štátnych príspevkov na zníženie celkovej vstupnej investície.
