Τεχνολογία του μέλλοντος: Τα υβριδικά θερμό-φωτοβολταϊκά

Τεχνολογία του μέλλοντος: Τα υβριδικά θερμό-φωτοβολταϊκά

28 Μαΐου 2010, 12:00 πμ

Των Δρ. Αστέριου Μπουζούκα MSc , MBA (Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός) και Δημητρίου Γ. Γκιώνη (Μηχανικός Φυσικών Πόρων & Περιβάλλοντος)

O όρος «υβριδικό» είναι καταχρηστικά, χρησιμοποιούμενος, λόγω του ότι, στην ουσία πρόκειται για συστήματα συμπαραγωγής, τα οποία, αποτελούν για πολλούς την τεχνολογία εκείνη, για την οποία θα υπάρξουν ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις και εφαρμογές.

Συμμεριζόμενοι την άνωθεν άποψη, και αξιολογώντας, την ευρωπαϊκή νομοθεσία, η οποία κινείται περισσότερο στο Energy Saving, πέραν των επί μέρους επενδύσεων από Α.Π.Ε. Παρατίθενται οι απαραίτητες πληροφορίες για την τεχνολογία η οποία θα εφαρμοστεί κατά κόρον σε συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας και σε ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών εν ευθέτω χρόνο.

Εισαγωγή στα PV/T

Η ανάγκη δημιουργίας, PV/T συστημάτων, απορρέει από ορισμένες διαπιστώσεις και πειραματικές διεργασίες, οι οποίες έλαβαν χώρα, στην τεχνολογική εξέλιξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα διαπιστώθηκε ότι το μεγαλύτερο μέρος της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας, δεν μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό, αλλά σε θερμότητα, η οποία αυξάνει την θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού πλαισίου, και κατά συνέπεια μειώνει την ηλεκτρική του απόδοση.

Η προαναφερθείσα διαπίστωση σηματοδότησε έναν κύκλο ερευνών ο οποίος ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 90?. Η έρευνα είχε ως βασικό στόχο τον συνδυασμό φωτοβολταϊκών με επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες. Το ποιο σημαντικό ερευνητικό πρόγραμμα, ξεκίνησε στην Γερμανία, το 2005, με τίτλο «Ηλιακή θέρμανση και ψύξη (SHC)» και πιο συγκεκριμένα ασχολήθηκε με τα «PV/T solar systems» , στην θεματική ενότητα 35. Την έρευνα είχε αναλάβει το International Energy Agency.

Τεχνολογία αιχμής

Τα φωτοβολταϊκά/θερμικά ηλιακά συστήματα, αποτελούν τις συσκευές, οι οποίες δημιουργήθηκαν ούτως ώστε «εκμεταλλευόμενες» την ηλιακή ακτινοβολία να παράγουν ηλεκτρικό και θερμικό φορτίο αξιοποιήσιμο και αποθηκεύσιμο, μειώνοντας τις απώλειες του εκάστοτε ενεργειακού συστήματος.

Οι έρευνες και τα στοιχεία των κατασκευαστών, φωτοβολταϊκών πλαισίων, έδειξαν ότι για κάθε αύξηση, της θερμοκρασίας πλαισίου πάνω από την τιμή των 25 oC, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ακολουθεί φθίνουσα πορεία κατά περίπου 0,5% ανά βαθμό Κελσίου. Ανάγοντας τα ανωτέρω σε ένα πιο κατανοητό, για το ευρύ κοινό, μέγεθος, μία συστοιχία φωτοβολταϊκών πλαισίων 10kWp , σε συνθήκες ελληνικής επικράτειας (55-75 oC – Θερμοκρασία πλαισίου), θα υποστούν μία μείωση ισχύος περί του 15-25% από την ονομαστική τους απόδοση, και θα αποδίδουν περίπου, 7,5 kWp.

Η ερευνητική και κατασκευαστική κοινότητα, για να απαντήσει στις ανάγκες της μείωσης της απόδοσης συναρτήσει της θερμοκρασίας, έθεσε τις βάσεις για την δημιουργία, όλων εκείνων των ηλεκτρομηχανολογικών διατάξεων, οι οποίες ρυθμίζουν την θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού πλαισίου, στην τιμή που μπορεί να αποδώσει την μέγιστη ισχύ τηρουμένων των αναλογιών. Η εν λόγω ρύθμιση της θερμοκρασίας γίνεται με την απαγωγή της θερμότητας, η οποία κατά ένα ποσό, μπορεί να υποβοηθήσει συστήματα θέρμανσης, να εξασφαλίσει την ποσότητα ζεστού νερού χρήσης για τις εκάστοτε ανάγκες και να καλύψει μέρος των αναγκών σε θερμικό φορτίο.

Χρησιμοποιώντας PV/T , σύμφωνα με έρευνες από το NSTF, πραγματοποιώντας, μείωση της θερμοκρασίας του φ/β πλαισίου κατά 10 έως 20 oC, μπορεί να αυξήσει, την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος κατά 5-10%. Δηλαδή για μία συστοιχία 10 kWp, η οποία όπως προαναφέρθηκε λόγω αυξημένης, θερμοκρασίας αποδίδει 7,5 kWp μπορεί να εξασφαλίσει 0,5 – 1 kWp επιπλέον.

Τα PV/T συστήματα, αποτελούνται από PV modules συνδυασμένα με θερμική μονάδα απολαβής, η οποία απάγει την θερμότητα, από την, υπό κοινές συνθήκες θερμοκρασία των πλαισίων, μέσω ενός εργαζόμενου μέσου (π.χ. νερό, αέρας). Υπάρχουν δύο είδη PV/T συσκευών τα οποία είναι τα ακόλουθα, νερού και αέρα. Η διάταξη με την χρήση αέρα είναι απλούστερη, αλλά όχι τόσο αποδοτική συγκρίσει με την χρησιμοποίηση του νερού, ως εργαζόμενου μέσου, η οποία οφείλεται, στην διαφορά πυκνότητας τους.

Εφαρμογές – Χρησιμότητα

Εκ των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, και των συστημάτων που τις περιγράφουν, όλα τα απαραίτητα στοιχεία για την άμεση εφαρμογή στον οικιακό τομέα, δίχως σημαντικούς περιορισμούς (πολεοδομικούς , περιβαλλοντικούς, υποδομή κ.τ.λ.) εμφανίζουν τα συστήματα φωτοβολταϊκών και τα συστήματα ηλιακής θερμικής ενέργειας.

Στις χώρες της νοτιοανατολικής Ευρώπης και γενικότερα σε χώρες, οι οποίες εμφανίζουν θερμό κλίμα, δημιουργούν ένα θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων μεταξύ 45 – 75 oC, όπερ μεθερμηνευόμενο, μειωμένη απόδοση των πλαισίων και συνολικά των φωτοβολταϊκών, συστημάτων την περίοδο του θέρους.

Φωτοβολταϊκοί σταθμοί

Εφαρμόζοντας την τεχνολογία, PV/T, σε φωτοβολταϊκούς σταθμούς, μπορεί να επιτευχθεί η διατήρηση της θερμοκρασίας των πλαισίων σε θερμοκρασία κάτω των 45oC , αυξάνοντας την συνολική απόδοση του συστήματος

Η ηλεκτρική απόδοση ενός PV/Τ σταθμού συγκρίσει ενός PV σταθμού, έχει υπολογιστεί, ότι κυμαίνεται από 10 έως 30% παραπάνω, καθιστώντας την ηλεκτροπαραγωγή από συστήματα PV/T, αποδοτικότερη.

Αξιοσημείωτη είναι η χρήση τους σε εγκαταστάσεις με σύστημα ηλιακής ιχνηλάτησης (solar trackers), λόγω του ότι, η θερμοκρασία των πλαισίων διατηρείται σε υψηλότερα επίπεδα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Επίσης ενδείκνυται ιδιαίτερα στην νότια Ελλάδα λόγω ότι έχει την δυνατότητα να πετύχει καλύτερα αποτελέσματα, και να εκμεταλλευτεί την μεγάλη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί, λόγω της έντονης ηλιοφάνειας. Συστήματα PV/T, μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας κάθε τύπου φωτοβολταϊκά πλαίσια (μονοκρυσταλλικά, πολυκρυσταλλικά και Thin Film PV modules). Αν και δεν έχει εμφανιστεί ακόμη στην βιβλιογραφία συνδυασμός PV/T με οργανικά PV, θεωρείται από τους συγγραφείς εφικτό εγχείρημα.

Οικιακός – κτηριακός τομέας

Οι χώροι οι οποίοι μπορούν να φιλοξενήσουν συστήματα συλλογής και μετατροπής ηλιακής ενέργειας είναι οι ακόλουθοι, οροφές κατοικιών, ξενοδοχείων, νοσοκομείων, αθλητικών κέντρων κ.α.. Λόγω των περιορισμένων διαθέσιμων χώρων συχνά οι δύο τεχνολογίες (Φωτοβολταϊκή και Ηλιακή θερμική) ανταγωνίζονται η μία την άλλη. Ο ανταγωνισμός αυτός ο οποίος είναι ανούσιος υπό το πρίσμα της εξοικονόμησης ενέργειας, δημιούργησε τις προϋποθέσεις της συνένωσης των δύο τεχνολογιών στην ιδέα των PV/T.

Τα συστήματα PV/T, μετατρέπουν ταυτόχρονα, την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, σε ηλεκτρισμό και θερμότητα. Ένα οικιακό PV/T σύστημα, μπορεί να πετύχει βελτίωση της ηλεκτρικής ενέργειας των φωτοβολταϊκών πλαισίων κατά 10 έως 30% και επιπρόσθετα την παραγωγή θερμικής ενέργειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την υποβοηθήσει την θέρμανση νερού χρήσης (50 liters / cap / day). To υπόλοιπο θερμικό φορτίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ενδοδαπέδια θέρμανση, η οποία απαιτεί, θερμοκρασίες περίπου, 35-45 oC.

Στην Ελλάδα, λαμβάνοντας υπόψιν, την ΚΥΑ 12323/2009, για τα φωτοβολταϊκά στις στέγες καθώς και την ΚΥΑ , για τα θερμοσιφωνικά συστήματα οι οποίες ορίζουν ότι πέραν της εγκατάστασης φωτοβολταϊκών πλαισίων για ηλεκτροπαραγωγή, με feed in tariff προς 0,55? ανά παραγόμενη kWh, απαιτείται και ηλιακός θερμοσίφωνας. Το άνωθεν, στοιχείο περιορίζει τον χώρο εγκατάστασης. Με βάση τα προαναφερθέντα προτείνεται ανεπιφύλακτα, η χρήση PV/T. Ένα επιπρόσθετο όφελος στον οικιακό τομέα, έγκειται στην άμεση, χρησιμοποίηση του θερμικού φορτίου των PV/T συσκευών.

Η αγορά θερμικών ηλιακών συστημάτων έχει σταθεροποιηθεί στις 150.000 με 220.000 m2 ετησίως, και η συνολική εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών είναι περίπου 3.500.000 m2. Εάν εφαρμοστούν συστήματα PV/T , αντί των ηλιακών συλλεκτών, θα υπάρξει διπλό όφελος. Το πρώτο όφελος θα προέλθει από την εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας της τάξεως των 2.450 GWh ανά έτος και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, περίπου 420GWh ανά έτος. Τα προαναφερθέντα οφέλη, θα υποβοηθούσαν την Ελλάδα ούτως ώστε να επιτύχουν τους εθνικούς στόχους για ηλεκτροπαραγωγή από Α.Π.Ε. της τάξεως του *40.1% έως το 2020.

Επιπλέον τα συστήματα PV/T , μπορούν να απαντήσουν στις ανάγκες του νέου νομοσχεδίου που θα τεθεί προς ψήφιση τον μήνα Απρίλιο, για την εξοικονόμηση ενέργειας και την έκδοση πιστοποιητικού ενεργειακής ταυτότητας, στα κτήρια. Η τεχνολογία των PV/T, δίνει την δυνατότητα για «ηλιακή ψύξη» το καλοκαίρι με την χρήση διατάξεων ψύξης απορρόφησης/προσρόφησης και θέρμανσης τον χειμώνα, εξοικονομώντας μέχρι και 100% ηλεκτρικής και 50% θερμικής κατανάλωσης ενέργειας.

Κόστος

Το κόστος των PV/T, είναι περίπου 25% αυξημένο συγκρίσει με τα απλά συστήματα φωτοβολταϊκών, ωστόσο παράγουν ενέργεια αξιοποιήσιμη, έως και 300% παραπάνω.
Οι εταιρείες οι οποίες κατασκευάζουν και εμπορεύονται συστήματα PV/T είναι οι ακόλουθες, Everlight, Solar Wall, Millenium Electric, Zen-International, Menova, Arontis, Fototherm, Solar Zentrum Allgau, IDS AG, PVT Solar, SunDrum Solar, Entech Solar.