ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

С распадом СССР, Республика Беларусь оказалась отрезанной от топливных сырьевых ресурсов, что позволило ощутить  их роль в экономике страны. В связи с тем, что около 40% тепловой энергии, вырабатываемой в стране, потреблял коммунальный сектор, снижение энергоемкости зданий при их эксплуатации стало важнейшей проблемой в строительной отрасли и в жилищно-коммунальном хозяйстве страны. Тем не менее, на сегодняшний день доля энергоэффективных зданий в жилом секторе крайне мала.

При том, что в Республике Беларусь в последние десятилетия отрасль жилищного строительства активно переводилась на строительство энергоэффективного жилья и была проведена огромная работа по гармонизации ее нормативной базы с Евросоюзом, а также построен ряд экспериментальных энергоэффективных жилых зданий и налажен выпуск необходимого оборудования, достаточного положительного опыта использования возобновляемых и вторичных источников энергии для энергообеспечения зданий не имеется.

В результате дотационной политики ценооборазования жилищно-коммунальных услуг для населения, при которой стоимость тепловой энергии для бытового сектора оказывается сильно заниженной, ряд мероприятий, как, например, применение тепловых насосов, показывают себя как экономически нецелесообразные. Так, к примеру, для выработки 1 Гкал тепловой энергии, тепловым насосам требуется затратить около 400 кВт·ч электрической энергии, что при существующих субсидируемых ценах для населения составляет 17 и 57 рублей соответственно.

Наиболее перспективным направлением в развитии энергоэффективных домов после полного утепления всех ограждающих конструкций является использование гелиосистем для выработки энергии, частично компенсирующей затраты. Однако, в отличие от нового проектирования, модернизация существующих домов для повышения их класса энергоэффективности упирается в ряд особенностей, не позволяющих в полной мере применить многие мероприятия. Так, ранее зачастую выбирались не самые удачные варианты расположения домов, в результате чего, к примеру, одни здания в солнечные дни оказываются в тени других, или их ориентирование не позволяет задействовать глухие фасады зданий для размещения необходимого оборудования. Существующие решения при этом не лишены недостатков. Так, солнечные коллекторы позволяют выработать большое количество тепловой энергии в летнее время, когда она используется меньше всего, но практически бесполезны в зимнее, а выработка фотогальванических станций сильно зависит не только от уровня инсоляции, но и от температуры поверхности панелей, которая в безветренные солнечные дни легко может повыситься до 80-90 градусов по Цельсию, что приводит к резкому снижению коэффициента полезного действия и срока службы элементов. Поэтому, для снижения негативного влияния температуры, для них предусматривается, как правило, система охлаждения посредством обдува задней поверхности панелей, что требует дополнительных затрат энергии и не влияет коренным образом на проблему из-за низкого коэффициента теплопередачи воздуху.

Одним из возможных выходов из сложившейся ситуации может быть использование гибридных солнечных панелей, которые способны вырабатывать электроэнергию и тепловую энергию одновременно. Такая конструкция представляет собой объединение фотоэлектрической панели и теплового солнечного коллектора и сокращенно называется PVT-панель. Устройство гибридной панели показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство гибридной панели

Такой симбиоз позволяет сократить площадь установки и, в теории, это решение кажется очень эффективным и позволяющим решить ряд проблем. Главной сложностью в их использовании является то, что температура теплоносителя не должна превышать 50°С, поэтому работа таких систем для горячего водоснабжения весьма ограничена. В основном, их применяют при включении по схеме, показанной на рисунке 2, однако такая схема имеет ряд существенных недостатков. Так, для работы теплового насоса потребуется количество энергии, соразмерное вырабатываемой фотоэлементами. В то же время, указанные панели обладают и неоспоримым преимуществом. За счет активного охлаждения, на ней намного меньше сказываются негативные проявления перегрева модуля.

Рисунок 2. Стандартный вариант схемы применения гибридных панелей

Известно, что увеличение температуры существенно влияет на модуль уменьшая его напряжение, а, следовательно, и выходную мощность (рис. 3). Кроме того, увеличение температуры увеличивает скорость деградации примерно в два раза на каждые 10 градусов температуры.

Рисунок 3. Влияние температуры на ВАХ солнечного модуля

Для нивелирования вышеописанных недостатков предлагается использование нестандартной схемы их включения (рис. 4).

Рисунок 4. Схема включения гибридных панелей совместно с солнечными коллекторами

Сборку панелей предлагается включать последовательно со сборкой солнечных коллекторов приблизительно равной тепловой мощности. Регулирование температуры в системе осуществляется количественным способом, за счет изменения скорости движения теплоносителя. Изменение скорости осуществляет насос, управляемый датчиком температуры, поддерживающим на выходе из солнечного коллектора температуру в 70-75°С.

Исходя из равной тепловой мощности, условий эксплуатации и уровней инсоляции в каждый момент времени можно предположить, что разница температур на входе и выходе каждой из сборок панелей будет приблизительно равна. Таким образом, при условной входной температуре 15-20°С, на промежутке между сборками будет поддерживаться температура около 40-50°С , что обеспечивает оптимальный режим их использования и, одновременно, позволяет использовать полученную тепловую энергию напрямую в системе горячего водоснабжения без дополнительных преобразований. Более подробный расчет показывает, что коэффициент полезного действия у гибридной панели зависит от температуры окружающей среды сильнее, чем у солнечного коллектора из-за меньшей теплоизоляции, однако это можно рассматривать как преимущество в вышеописанной схеме включения, так как в холодные месяцы температура теплоносителя на выходе из сборки гибридных панелей уменьшится приблизительно до 30°С, обеспечивая тем самым оптимальный режим работы фотоэлементам.

Таким  образом, подобная схема может стать хорошей альтернативой существующим решениям в сфере использования неисчерпаемых источников энергии. При максимально упрощенной схеме включения и управления, всего одна такая сборка в условиях, характерных для г.Гродно может обеспечить годовую выработку около 430  кВт·ч электрической энергии и  12,8 ГДж тепловой энергии, что соответствует 3 Гкал. К тому же, с учетом более приемлимых условий работы, можно рассчитывать на увеличение срока службы элементов с 25 лет до 50 или даже более.

Список литературы:

1. Бедунько А.В. Предварительный расчёт производительности солнечной станции для экспериментального жилого многоквартирного здания в городе Гродно / А.В.Бедунько. — Минск, 2014. — 15с.
2. Данилевский Л.Н. Оценка потребности в наращивании потенциала в области повышения энергоэффективности жилых зданий с соответствующими рекомендациями. / Л.Н. Данилевский — Минск, 2013. — 10с.
3. Дюсьмикеев А.Б. Энергообеспечение инженерных систем и мест общего пользования энергоэффективных зданий солнечными фотоэлектрическими панелями (краткое учебное пособие) / А.Б. Дюсьмикеев — Минск, 2016. — 77с.
4. Пилипенко В.М. Проектирование и опыт эксплуатации энергоэффективных жилых домов с учетом типовых схем теплоснабжения / В.М.Пилипенко — Минск, 2015. — 57с.
5. Покотилов В.В. Использование солнечной энергии для повышения энергоэффективности жилых зданий. Справочное пособие. / В.В. Покотилов, М.А. Рутковский. — Минск, 2015. — 64с.