Collettore solare termico ibrido fotovoltaico - Photovoltaic thermal hybrid solar collector
1 - Vetro antiriflesso
2 - Incapsulante (es. EVA )
3 - Celle fotovoltaiche solari
4 - Incapsulante (es. EVA )
5 - Backsheet ( ad es. PVF )
6 - Scambiatore di calore ( ad es. alluminio , rame o polimeri )
7 - Isolamento termico (ad es. lana minerale , poliuretano )
I collettori termici fotovoltaici , tipicamente abbreviati come collettori PVT e noti anche come collettori solari ibridi, collettori solari termici fotovoltaici, collettori PV/T o sistemi di cogenerazione solare , sono tecnologie di generazione di energia che convertono la radiazione solare in energia termica ed elettrica utilizzabile . I collettori PVT combinano celle solari fotovoltaiche , che convertono la luce solare in elettricità, con un collettore solare termico , che trasferisce il calore di scarto altrimenti inutilizzato dal modulo fotovoltaico a un fluido termovettore. Combinando la generazione di elettricità e calore all'interno dello stesso componente, queste tecnologie possono raggiungere un'efficienza complessiva più elevata rispetto al solo solare fotovoltaico (PV) o solare termico (T).
Sin dagli anni '70, sono state condotte ricerche significative per sviluppare una gamma diversificata di tecnologie PVT. Le diverse tecnologie di collettori PVT differiscono sostanzialmente nel design del collettore e nel fluido termovettore e si rivolgono a diverse applicazioni che vanno dal calore a bassa temperatura al di sotto dell'ambiente fino al calore ad alta temperatura sopra i 100 °C.
Mercati PVT
I collettori PVT generano calore solare ed elettricità sostanzialmente privi di emissioni dirette di CO2 e sono quindi considerati una promettente tecnologia verde per fornire elettricità e calore rinnovabili agli edifici e ai processi industriali.
Il calore è il più grande consumo finale di energia . Nel 2015, la fornitura di riscaldamento per uso in edifici, scopi industriali e altre applicazioni ha rappresentato circa il 52 % (205 EJ) dell'energia totale consumata. Di questi, oltre la metà è stata utilizzata nell'industria e circa il 46 % nel settore edile. Mentre il 72% del calore è stato fornito dal diretto combustione di combustibili fossili , solo il 7% era da moderni rinnovabili quali solare , biocarburanti o energia geotermica . Si stima che il mercato del calore di bassa qualità fino a 150 °C rappresenti il 26,8 % della domanda mondiale di energia finale, attualmente soddisfatta da combustibili fossili (gas, petrolio e carbone), elettricità e calore rinnovabile. Questa è la somma della domanda industriale 7,1 % (25,5 EJ) e della domanda edilizia 19,7 % (49,0 EJ residenziale e 13,6 EJ commerciale ).
La domanda di elettricità negli edifici e nell'industria dovrebbe crescere ulteriormente a causa dell'elettrificazione in corso e dell'accoppiamento settoriale . Per una significativa riduzione delle emissioni di gas serra , è essenziale che la maggior parte dell'elettricità provenga da fonti di energia rinnovabili , come l'energia eolica , solare , biomasse e acqua .
Il mercato del calore e dell'elettricità rinnovabili è quindi vasto, il che illustra il potenziale di mercato dei collettori PVT.
Il rapporto "Solar Heat Worldwide" ha valutato il mercato globale dei collettori PVT nel 2019. Secondo gli autori, l'area totale dei collettori installati ammontava a 1,16 milioni di metri quadrati. I collettori d'acqua scoperti avevano la quota di mercato maggiore (55 %), seguiti dai collettori d'aria (43 %) e dai collettori d'acqua coperti (2 %). Il paese con la maggiore capacità installata è stata la Francia (42 %), seguita dalla Corea del Sud (24 %), dalla Cina (11 %) e dalla Germania (10 %).
Tecnologia del collettore PVT
I collettori PVT combinano la generazione di elettricità solare e calore in un unico componente, ottenendo così una maggiore efficienza complessiva e un migliore utilizzo dello spettro solare rispetto ai moduli fotovoltaici convenzionali.
Le celle fotovoltaiche raggiungono in genere un'efficienza elettrica compresa tra il 15 % e il 20 %, mentre la maggior parte dello spettro solare (65 % - 70 %) viene convertita in calore, aumentando la temperatura dei moduli fotovoltaici. I collettori PVT, al contrario, sono progettati per trasferire il calore dalle celle fotovoltaiche a un fluido, raffreddando così le celle e migliorandone così l'efficienza. In questo modo, questo calore in eccesso viene reso utile e può essere utilizzato per riscaldare l'acqua o come fonte a bassa temperatura per pompe di calore, ad esempio. Pertanto, i collettori PVT sfruttano meglio lo spettro solare.
La maggior parte delle celle fotovoltaiche (ad es. a base di silicio ) soffre di un calo di efficienza con l'aumento della temperatura delle celle. Ogni Kelvin di aumento della temperatura della cella riduce l'efficienza dello 0,2 – 0,5 %. Pertanto, la rimozione del calore dalle celle fotovoltaiche può abbassare la loro temperatura e quindi aumentare l'efficienza delle celle. Una maggiore durata delle celle fotovoltaiche è un altro vantaggio delle temperature di esercizio inferiori.
Questo è un metodo efficace per massimizzare l'efficienza e l'affidabilità complessive del sistema, ma fa sì che la componente termica abbia prestazioni inferiori rispetto a quelle ottenibili con un collettore solare termico puro . Vale a dire, le temperature massime di esercizio per la maggior parte dei sistemi PVT sono limitate a meno della temperatura massima della cella (tipicamente sotto i 100°C). Tuttavia, vengono ancora generate due o più unità di energia termica per ciascuna unità di energia elettrica, a seconda dell'efficienza delle celle e della progettazione del sistema.
Tipi di collettori PVT
Ci sono una moltitudine di possibilità tecniche per combinare celle fotovoltaiche e collettori solari termici . Un certo numero di collettori PVT sono disponibili come prodotti commerciali, che possono essere suddivisi nelle seguenti categorie in base al loro design di base e al fluido termovettore :
- Collettore di liquido PVT
- Collettore d'aria PVT
Oltre alla classificazione per fluido termovettore , i collettori PVT possono essere classificati anche in base alla presenza di una vetratura secondaria per ridurre le dispersioni termiche e alla presenza di un dispositivo per concentrare l'irraggiamento solare :
- Collettore PVT scoperto (WISC PVT)
- Collettore PVT coperto
- Collettore PVT a concentrazione (CPVT)
Inoltre, i collettori PVT possono essere classificati in base al loro design, come tecnologia delle celle , tipo di fluido , materiale e geometria dello scambiatore di calore , tipo di contatto tra fluido e modulo FV , fissaggio dello scambiatore di calore o livello di integrazione dell'edificio (edificio PVT integrato (BIPVT) collettori).
Il design e il tipo di collettori PVT implicano sempre un certo adattamento alle temperature di esercizio , alle applicazioni e dando priorità alla generazione di calore o di elettricità . Ad esempio, il funzionamento del collettore PVT a basse temperature porta ad un effetto di raffreddamento delle celle fotovoltaiche rispetto ai moduli fotovoltaici e quindi si traduce in un aumento della potenza elettrica. Tuttavia, il calore deve essere sfruttato anche a basse temperature.
Le temperature massime di esercizio per la maggior parte dei moduli fotovoltaici sono limitate a meno delle temperature massime di esercizio certificate (tipicamente 85 °C). Tuttavia, vengono generate due o più unità di energia termica per ciascuna unità di energia elettrica, a seconda dell'efficienza della cella e della progettazione del sistema.
Collettore di liquido PVT
Il design di base con raffreddamento ad acqua utilizza canali per dirigere il flusso del fluido utilizzando tubazioni collegate direttamente o indirettamente alla parte posteriore di un modulo fotovoltaico. In un sistema a fluido standard, nello scambiatore di calore dietro le celle fotovoltaiche circola un fluido di lavoro , tipicamente acqua, glicole o olio minerale . Il calore delle celle fotovoltaiche viene condotto attraverso il metallo e assorbito dal fluido di lavoro (presupponendo che il fluido di lavoro sia più freddo della temperatura di esercizio delle celle).
Collettore d'aria PVT
Il design di base con raffreddamento ad aria utilizza un alloggiamento cavo e conduttivo per montare i pannelli fotovoltaici o un flusso d'aria controllato sulla faccia posteriore del pannello fotovoltaico. I collettori d'aria PVT aspirano aria esterna fresca o utilizzano l'aria come mezzo di trasferimento del calore circolante in un circuito chiuso. Il calore viene irradiato dai pannelli nello spazio chiuso, dove l'aria viene fatta circolare in un sistema HVAC dell'edificio per recuperare l'energia termica, oppure sale e viene scaricata dalla parte superiore della struttura. La capacità di trasferimento del calore dell'aria è inferiore a quella dei liquidi normalmente utilizzati e pertanto richiede una portata massica proporzionalmente maggiore rispetto a un collettore di liquidi PVT equivalente. Il vantaggio è che l'infrastruttura richiesta ha costi e complessità inferiori.
L'aria riscaldata viene fatta circolare in un sistema HVAC dell'edificio per fornire energia termica . Il calore in eccesso generato può essere semplicemente scaricato nell'atmosfera. Alcune versioni del collettore d'aria PVT possono essere utilizzate in modo da raffreddare i pannelli fotovoltaici per generare più elettricità e contribuire a ridurre gli effetti termici sul degrado delle prestazioni nel corso della vita.
Esistono diverse configurazioni di collettori d'aria PVT, che variano in termini di sofisticatezza ingegneristica . Le configurazioni del collettore d'aria PVT vanno da una scatola metallica bassa chiusa di base con un'aspirazione e uno scarico fino a superfici di scambio termico ottimizzate che ottengono un trasferimento uniforme del calore del pannello in un'ampia gamma di condizioni ambientali e di processo.
I collettori d'aria PVT possono essere realizzati come design scoperti o coperti.
Collettore PVT scoperto (WISC)
I collettori PVT scoperti, indicati anche come collettori PVT non smaltati o sensibili al vento e/o agli infrarossi (WISC), sono tipicamente costituiti da un modulo FV con una struttura di scambiatore di calore fissata sul retro del modulo FV. Mentre la maggior parte dei collettori PVT sono unità prefabbricate, alcuni prodotti sono offerti come scambiatori di calore da adattare a moduli fotovoltaici standard. In entrambi i casi, è essenziale un contatto termico buono e duraturo con un elevato coefficiente di scambio termico tra le celle fotovoltaiche e il fluido.
Il lato posteriore del collettore PVT scoperto può essere dotato di isolamento termico (es. lana minerale o schiuma) per ridurre le dispersioni termiche del fluido riscaldato. I collettori PVT non isolati sono utili per il funzionamento vicino e al di sotto della temperatura ambiente . I collettori PVT particolarmente scoperti con un maggiore trasferimento di calore all'aria ambiente sono una fonte di calore adatta per i sistemi a pompa di calore . Quando la temperatura nella sorgente della pompa di calore è inferiore a quella ambiente, il fluido può essere portato a temperatura ambiente anche nei periodi senza sole.
Di conseguenza, i collettori PVT scoperti possono essere classificati in:
- Collettore PVT scoperto con maggiore trasferimento di calore all'aria ambiente
- Collettore PVT scoperto senza isolamento posteriore
- Collettore PVT scoperto con isolamento posteriore
Collettori PVT scoperti vengono utilizzati anche per fornire rinnovabile raffreddamento per dissipare il calore attraverso il collettore PVT al aria ambiente oppure utilizzando la radiazione effetto di raffreddamento. In tal modo, viene sfruttata aria fredda o acqua, che può essere utilizzata per applicazioni HVAC .
Collettore PVT coperto
I collettori PVT coperti o vetrati, sono dotati di una vetratura aggiuntiva, che racchiude uno strato d'aria isolante tra il modulo FV e la vetratura secondaria. Ciò riduce le perdite di calore e aumenta l' efficienza termica . Inoltre, i collettori PVT coperti possono raggiungere temperature significativamente più elevate rispetto ai moduli FV o ai collettori PVT scoperti . Le temperature di esercizio dipendono principalmente dalla temperatura del fluido di lavoro. La temperatura media del fluido può essere compresa tra i 25°C nelle applicazioni in piscina e i 90°C nei sistemi di raffrescamento solare .
I collettori PVT coperti ricordano la forma e il design dei collettori piani convenzionali o dei tubi sottovuoto sottovuoto . Tuttavia, le celle fotovoltaiche invece dei rivestimenti assorbenti spettralmente selettivi assorbono l' irraggiamento solare incidente e generano una corrente elettrica oltre al calore solare .
Le caratteristiche isolanti del coperchio frontale aumentano l'efficienza termica e consentono temperature di esercizio più elevate. Tuttavia, le interfacce ottiche aggiuntive aumentano le riflessioni ottiche e quindi riducono la potenza elettrica generata. I rivestimenti antiriflesso sulla vetratura frontale possono ridurre le perdite ottiche aggiuntive.
Concentratore PVT (CPVT)
Un sistema a concentratore ha il vantaggio di ridurre la quantità di celle fotovoltaiche necessarie. Pertanto è possibile utilizzare celle fotovoltaiche più costose ed efficienti, ad esempio celle fotovoltaiche multi-giunzione . La concentrazione della luce solare riduce anche la quantità di superficie calda dell'assorbitore FV e quindi riduce le perdite di calore nell'ambiente, migliorando significativamente l'efficienza per temperature di applicazione più elevate.
I sistemi a concentrazione spesso richiedono anche sistemi di controllo affidabili per tracciare accuratamente il sole e per proteggere le celle fotovoltaiche da condizioni di sovratemperatura dannose. Tuttavia, ci sono anche tipi di collettori PVT di cancelleria che utilizzano riflettori senza immagini , come il concentratore parabolico composto (CPC) e non devono inseguire il sole.
In condizioni ideali, circa il 75% dell'energia solare incidente direttamente su tali sistemi può essere raccolta sotto forma di elettricità e calore a temperature fino a 160°C. Le unità CPVT abbinate ad accumulatori di energia termica e generatori organici a ciclo Rankine possono fornire il recupero su richiesta fino al 70% della loro produzione istantanea di energia elettrica, e possono quindi essere un'alternativa abbastanza efficiente ai tipi di accumulo elettrico che sono uniti ai tradizionali Impianti fotovoltaici.
Una limitazione dei sistemi ad alto concentratore (cioè HCPV e HCPVT) è che mantengono i loro vantaggi a lungo termine rispetto ai collettori c-Si / mc-Si convenzionali solo in regioni che rimangono costantemente libere da contaminanti atmosferici di aerosol (ad esempio nuvole leggere, smog, eccetera.). La produzione di energia viene rapidamente degradata perché 1) la radiazione viene riflessa e diffusa al di fuori del piccolo (spesso inferiore a 1°-2°) angolo di accettazione dell'ottica di raccolta e 2) l' assorbimento di componenti specifici dello spettro solare provoca una o più serie giunzioni all'interno delle celle multi-giunzione a prestazioni inferiori. Gli impatti a breve termine di tali irregolarità nella produzione di energia possono essere ridotti in una certa misura con l'inclusione di accumulo elettrico e termico nel sistema.
Applicazioni PVT
La gamma di applicazioni dei collettori PVT, e in generale dei collettori solari termici , può essere suddivisa in base ai loro livelli di temperatura :
- applicazioni a bassa temperatura fino a 50 °C
- applicazioni a media temperatura fino a 80 °C
- applicazioni ad alta temperatura superiori a 80 °C
Di conseguenza, le tecnologie dei collettori PVT possono essere raggruppate in base ai loro livelli di temperatura: l'idoneità per intervallo di temperatura dipende dal design e dalla tecnologia del collettore PVT. Pertanto, ogni tecnologia di collettore PVT presenta diversi intervalli di temperatura ottimali. La temperatura di esercizio definisce infine quale tipo di collettore PVT è adatto per quale applicazione.
Le applicazioni a bassa temperatura includono i sistemi a pompa di calore e il riscaldamento di piscine o spa fino a 50 °C. I collettori PVT negli impianti a pompa di calore agiscono sia come sorgente a bassa temperatura per l' evaporatore della pompa di calore o sul lato carico per fornire calore a media temperatura a un serbatoio di accumulo . Inoltre, è possibile la rigenerazione dei pozzi e degli scambiatori di calore geotermici . I collettori PVT scoperti con scambio termico aria-acqua potenziato possono anche essere l'unica fonte di un sistema a pompa di calore. In combinazione con un'architettura di sistema che consente di immagazzinare il freddo prodotto con WISC o collettori d' aria è possibile anche la climatizzazione .
Applicazioni a bassa e media temperatura per il riscaldamento degli ambienti e il riscaldamento dell'acqua si trovano negli edifici, con temperature da 20 °C a 80 °C. Le temperature del sistema specifico dipendono dai requisiti del sistema di fornitura di calore per l'acqua calda sanitaria (es. stazione di acqua dolce, requisiti di temperatura per la prevenzione della legionella ) e per il riscaldamento degli ambienti (es. riscaldamento a pavimento , radiatori ). Inoltre, il campo di collettori PVT può essere dimensionato per coprire solo frazioni più piccole della richiesta di calore (es. preriscaldamento dell'acqua calda), riducendo così le temperature di esercizio del collettore PVT.
Calore di processo solare comprende una vasta gamma di applicazioni industriali a bassa a requisiti di alta temperatura (ad es solari dissalazione , raffreddamento solare , o generazione di energia con concentrazione collettori PVT).
A seconda del tipo di fluido termovettore , le tecnologie di collettori PVT sono adatte a diverse applicazioni:
- Collettore d'aria PVT: sistemi di riscaldamento degli ambienti, processi agricoli (es. essiccazione colture );
- Collettore di liquidi PVT: riscaldamento degli ambienti (domestico, industriale), sistemi di riscaldamento dell'acqua , desalinizzazione dell'acqua , raffreddamento degli ambienti , sistemi di lavorazione degli alimenti.
Le tecnologie PVT possono apportare un prezioso contributo al mix energetico mondiale e possono essere considerate un'opzione per le applicazioni che forniscono elettricità rinnovabile , calore o freddo .