Фотоелектричне теплове вікно досягає 3,6% електричної ефективності, забезпечує гарячу воду 50°C

Команда німецьких і британських дослідників розробила новий інтегроване в будівлю гібридне PV-теплове вікно (PVTW), який генерує електроенергію та гарячу воду (ГВП).

«Встановлення звичайних сонячних панелей і колекторів у забудованому середовищі вимагає використання значного простору на даху, який обмежений. Це надихнуло на розробку ефективних, інтегрованих у будівлі технологій, які можуть максимально використовувати простір і енергопостачання». «У цій роботі ми виготовили та випробували інтегрований у будівлю гібридний PVTW, який складається з напівпрозорого PV шару та вибірково поглинаючого теплопоглинача на основі рідини».

Основним компонентом PVTW є скляний шар із масивом мікросмужок аморфного кремнію (a-si), розташованих на відстані один від одного. Лише частина сонячного світла поглинається фотоелектричним шаром для виробництва електроенергії, а решта передається шару води товщиною 4 мм під ним. Дві латунні трубки служать вхідним і вихідним отворами для води, а дві полікарбонатні рами використовуються для укладання стандартного шару скла з низьким вмістом заліза.

Випробування проводилися на даху в Лондоні з 16 по 23 липня 2021 року, коли виміряна максимальна температура навколишнього середовища становила 34 градуси за Цельсієм, а сонячне випромінювання опівдні становило близько 1100 Вт·м-2. Пристрій тестували за кути нахилу 30°, 60° та 90°, а його продуктивність порівнювали з характеристиками еталонного модуля для Сонячно-теплове вікно (STW) без PV компонента. Останній ідентичний PVTW, за винятком того, що фотоелектричний шар замінено шаром скла з утворенням двох шарів.

Результати випробувань показують, що система PVTW має електричну ефективність 3,6% і термічну ефективність 17,6%.

«Під кутом нахилу 30° PVTW має електричну ефективність 3,6% і термічну ефективність 10,7%. Здатність виробляти гарячу воду близько 50°C робить його придатним для домашнього застосування, а його виробництво електроенергії підтримує енергетичні потреби будівлі», – зазначила команда. «Регулюючи нахил PVTW від 30° до 90°, можна спостерігати зміни вихідної температури та термічної ефективності, що демонструє важливість орієнтації на продуктивність системи».

Вони додали: «Під кутом нахилу 90° система має електричну ефективність 3,3% і термічну ефективність 17,6%, з максимальною температурою стоків приблизно 42 градуси Цельсія. Система не тільки забезпечує гарячу воду при вищих температурах порівняно з автономною станцією очищення стічних вод, але й безумовно на 10% ефективніша за теплом, а також виробляє електроенергію».

Академики сказали: «Щоб зрозуміти потенційний вплив PVTW на задоволення потреб будівлі в тепловій енергії, ми можемо оцінити площу PVTW, необхідну для задоволення потреб у гарячій воді типового будинку з трьома спальнями в Лондоні, Великобританія, в якому живуть двоє дорослих і двоє дітей». «Використовуючи енергетичний баланс, для негайного задоволення цього попиту знадобиться вся поверхня PVTW не більше 1,2 квадратних метрів під кутом нахилу 30°. Припускаючи більшу систему з резервуаром для зберігання гарячої води, ми оцінюємо, що за такого самого нахилу для задоволення повної щоденної потреби без потреби в резервному котлі знадобиться близько 2,8 м2 поверхні PVTW».

Система опублікована в «Інтегровані в будівлю гібридні фотоелектрично-теплові (PV-T) вікна для синергічного управління світлом, генерування електроенергії та тепла» в журналі Advanced Science. Дослідження провели дослідники з Імперського коледжу Лондона, Великобританія, та Технологічного інституту Карлсруе, Німеччина.