Фотоэлектрическое тепловое окно достигает электрической эффективности 3,6%, обеспечивает горячую воду температурой 50°C

Группа немецких и британских исследователей разработала новый интегрированное в здание гибридное PV-тепловое окно (PVTW), который вырабатывает как электроэнергию, так и горячую воду для бытовых нужд (ГВС).

«Установка обычных солнечных панелей и коллекторов в застроенной среде требует использования значительного пространства на крыше, которое ограничено. Это вдохновило на разработку эффективных, интегрированных в здание технологий, которые могут максимально использовать пространство и энергоснабжение». «В этой работе мы изготовили и испытали интегрированный в здание гибридный PVTW, который состоит из полупрозрачного слоя PV и селективно поглощающего жидкого поглотителя тепла».

Основной компонент PVTW — стеклянный слой с массивом разнесенных микрополосок аморфного кремния (a-si). Только часть солнечного света поглощается слоем PV для выработки электроэнергии, а остальная часть передается в слой воды толщиной 4 мм, расположенный под ним. Две латунные трубки служат для входа и выхода воды, а две поликарбонатные рамы используются для размещения стандартного слоя стекла с низким содержанием железа.

Испытания проводились на крыше в Лондоне с 16 по 23 июля 2021 года, когда максимальная измеренная температура окружающей среды составляла 34 градуса по Цельсию, а солнечная радиация в полдень составляла около 1100 Вт м-2. Устройство испытывалось при наклонах 30°, 60° и 90°, а его характеристики сравнивались с характеристиками эталонного модуля для Солнечное тепловое окно (STW) без фотоэлектрического компонента. Последний идентичен PVTW, за исключением того, что фотоэлектрический слой заменен стеклянным слоем для формирования двух слоев.

Результаты испытаний показывают, что система PVTW имеет электрический КПД 3,6% и тепловой КПД 17,6%.

«При угле наклона 30° PVTW имеет электрический КПД 3,6% и тепловой КПД 10,7%. Способность производить горячую воду температурой около 50°C делает его пригодным для бытового применения, в то время как его выработка электроэнергии поддерживает энергетические потребности здания», — отметила команда. «Регулируя наклон PVTW от 30° до 90°, можно наблюдать изменения выходной температуры и тепловой эффективности, что демонстрирует важность ориентации для производительности системы».

Они добавили: «При наклоне 90° система имеет электрический КПД 3,3% и тепловой КПД 17,6% с максимальной температурой сточных вод около 42 градусов Цельсия. Система не только обеспечивает горячую воду при более высоких температурах по сравнению с автономной очистной станцией, но и, безусловно, на 10% более термически эффективна, а также вырабатывает электроэнергию».

Ученые заявили: «Чтобы понять потенциальное влияние PVTW на удовлетворение потребностей здания в тепловой энергии, мы можем оценить поверхность PVTW, необходимую для удовлетворения потребностей в горячей воде типичного трехкомнатного пристроенного дома в Лондоне, Великобритания, в котором проживают двое взрослых и двое детей». «Используя энергетический баланс, для немедленного удовлетворения этого спроса потребуется вся поверхность PVTW не более 1,2 квадратных метров при наклоне 30°. Предполагая более крупную систему с баком для хранения горячей воды, мы оцениваем, что при том же наклоне потребуется около 2,8 м2 поверхности PVTW для удовлетворения всего ежедневного спроса без необходимости в резервном котле».

Система опубликована в статье «Интегрированные в здание гибридные фотоэлектрические-термальные (PV-T) окна для синергетического управления светом, выработки электроэнергии и тепла» в журнале Advanced Science. Исследование провели исследователи из Имперского колледжа Лондона, Великобритания, и Технологического института Карлсруэ, Германия.