Fotovoltaicko-termický panel a odpadní teplo v hlavní roli

Posun v myšlení lidí i politické klima vyspělých ekonomik začíná dopřávat sluchu obnovitelným zdrojům energie. Stromy můžeme opakovaně sázet, změny počasí zajišťují „příznivý“ vítr a voda pořád teče z kopců dolů. Ale co když… co když hlad po energii nestačí tyto zdroje ukojit? Počátky řešení hledejme u zrodu první fotovoltaické (FV) elektrárny na světě, která vznikla před téměř 140 lety. K dokonalosti měla daleko, ale otevřela cestu pro další výzkum a vývoj na tomto poli…

Dnes, po více než století, se oblast fotovoltaické energie prudce rozvíjí. Instalace FV elektráren na průmyslových objektech i rodinných domech neustále stoupají. Věděli jste, že jenom v ČR bylo v roce 2019 do domácností nainstalováno 2 905 solárních elektráren? Narůstající zájem o solární energii, kromě nadšení, úspor či starostí o životní prostředí také podporují dotace z programu Nová zelená úsporám pro domácnosti nebo Úspory energie pro podniky.

Pojďme se společně podívat na možnosti čerpání energie nejen ze Slunce, ale doslova i z naší zahrady…

Fotovoltaické (FV) panely pracují na principu fotovoltaického jevu, kdy sluneční záření o vhodné vlnové délce a energii „vyráží“ elektrony z polovodičového materiálu a vznikající el. napětí připojeným el. obvodem „odtéká“ jako el. proud. Bohužel jejich účinnost není nijak vysoká (podle druhu FV panelu se pohybuje v rozmezí cca 10 – 25 %) a zbytek slunečního záření se přemění na odpadní teplo. Následkem je ohřev FV panelů, který dále snižuje jejich účinnost a tedy i produkci el. energie a urychluje jejich degradaci.

Termický solární kolektor (TSK) pracuje na principu absorpce slunečního záření teplosměnným médiem proudícím ve vakuově a tepelně izolovaných trubkách či deskovém výměníku. Získané teplo putuje do akumulační nádrže, kde je následně použito k vytápění nebo ohřevu TUV. V létě se však tento systém může přehřívat a v zimě zamrzat.

Tepelné čerpadlo (TČ) dokáže odebírat teplo ze vzduchu, země nebo vody a vytápět (ochlazovat) jím naše domovy. Ke své práci potřebuje, mimo jiné, kompresor a médium (chladivo) schopné přenést teplo zvenčí do objektu. Kompresor pohání el. proud. TČ se stabilnějším topným faktorem typu voda-voda a země-voda vyžadují při své instalaci rozsáhlejší a finančně náročnější úpravy pozemku. Tepelnému čerpadlu typu vzduch-voda velice kolísá topný faktor a může být i hlučnější.

Nebylo by fajn tyto 3 systémy propojit a získat tak plně soběstačné zařízení? Každý z výše uvedených systémů má své plusy i mínusy. Pravděpodobně největším mínusem je to, že se jedná o 3 samostatné technologie, což zvyšuje finanční náročnost a technickou kompatibilitu celku, zvláště tehdy, pokud by bylo nutné propojit zařízení od různých dodavatelů. Návratnost takové investice by byla příliš dlouhá a ve výsledku by se nemusela vyplatit.

Zdánlivě neřešitelný problém. Jenže uprostřed každého problému se nachází příležitost, jak už řekl Albert Einstein. Představte si, že máte FV elektrárnu, která Vám vyrábí el. proud. Při této činnosti vzniká velké množství tepla, které jen tak ohřívá okolí FV panelů. Není to škoda? Co kdybychom toto „odpadní teplo“ byli schopni využít? A tak jsme v našem výzkumně – vývojovém centru v Šimanově dali hlavy dohromady a vznikl koncept Fotovoltaicko – termické elektrárny (FT elektrárny). Ptáte se, co je to za „vynález“? Jen pojďte, zvu Vás na malou exkurzi…

Základní filozofií je efektivní využití odpadního tepla, což je dosaženo propojením FT elektrárny s TČ. Možná si říkáte to přece není nic nového, na kombinaci FV elektrárny a TČ lze získat dotace. Klasické FV panely a TČ jsou však v tomto případě 2 samostatné celky, což limituje jejich kooperaci (FV panel dodává TČ pouze el. energii) a navyšuje cenu instalace. Fotovoltaicko – termická elektrárna se však odlišuje v tom, že fotovoltaicko termické panely (FT panely) tvoří s TČ uzavřený okruh. Součástí FT panelů je absorbér, který odvádí přebytečné teplo (médium) z FT panelů k primární straně tepelného čerpadla, kde je umístěn výměník. Tímto způsobem dochází ke snížení provozní teplota FT panelů a vzrůstá jejich účinnost. FT panel tak vyrábí nejen el. energii, ale zároveň slouží jako teplonosné médium pro TČ, které už není tolik závislé na venkovních podmínkách.

FT technologie tedy odstraňuje největší „bolesti“ klasických FV panelů:

  1. Přehřívání vlivem vysokých venkovních teplot, což s sebou nese snížení účinnosti výroby el. energie a možné zkrácení životnosti běžných panelů a to výrazným způsobem.
  2. Omezuje vznik tzv. žhavých bodů, které by dále mohly znehodnotit klasické FV panely.
  3. A v neposlední řadě zpracovává tepelnou energii, která je běžnými FV panely vyzářena bez užitku do okolí. Díky zisku tohoto tzv. odpadního tepla účinnost FT elektrárny vzroste až na 90 %.

A jsme v jádru pudla! Odpadní teplo, které se při běžné technologii bez užitku „ztratí“ v okolí, je najednou klíčovou devízou této technologie, protože…

  1. … s ním nejen ohříváte TUV či vytápíte domácnost…
  2. … ale co je možná překvapivější – lze s ním domácnost i chladit! To se děje při obráceném chodu FT elektrárny s TČ s použití absorpčního chlazení.
  3. … v zimě dokáže reverzní chod TČ zahřát chladící médium, které následně ohřeje FT panely. Na nich ležící sníh odtaje a sklouzne.
  4. … za mrazivých slunečních dní se FT panely dokáží ohřát odpadním teplem produkovaným výrobou el. energie a pokud je zataženo, ohřejí se okolním teplem.
  5. … z jeho části lze vyrobit u větších aplikací i el. energii. Ptáte se jak? S pomocí tzv. Peltierova článku. To je elektrotechnická součástka, která pracuje na principu teplotní diference dvou vodičů. Čím je diference větší (více odpadního tepla), tím více el. energie se vyrobí.

FT panely, podobně jako FV panely, nedokáží produkovat el. energii v noci (avšak odběr tepla z okolí panelů probíhá i v tuto dobu). Navržený systém fotovoltaických panelů včetně tepelného čerpadla může být připojen k úložišti elektrické energie. Celý systém se pak stává energeticky nezávislým a je schopný pracovat v tzv. ostrovním režimu, tedy bez potřeby připojení k DS.

Všechny technologie, které naše výzkumně – vývojové oddělení navrhne nejprve vyzkoušíme u nás v Šimanově. Pečlivě sledujeme chování systému a snažíme se odladit všechny nedostatky. Nejinak tomu je i v případě FT technologie. A protože se jedná o systém zcela unikátní, požádali jsme Úřad průmyslového vlastnictví ČR o jeho ochranu. Stalo se a systém využití odpadního tepla z fotovoltaických panelů získal patent číslo 308676.

Toliko na úvod k nové FT technologii. Zaujal Vás tento článek? Pokud ano, tak si můžete stáhnout technickou specifikaci k FT panelům ZDE.

Jsem duší projektů Energie na dlani a Jít zelenou cestou. Jsem součástí výzkumného týmu v oblasti energetické soběstačnosti, úspor energií a obnovitelných zdrojů energie. Předávám lidem zkušenosti a inspiraci ať už z oblasti vodních elektráren, solárních systémů, malých domácností nebo velkých průmyslových objektů. A jak jsem se k tomu dostala? To si můžete přečíst zde>>