Вибір між фотоелектричними модулями та сонячним колектором став стандартним питанням для інженерів і забудовників. Але він базується на хибній передумові – що ці два завдання неможливо вирішити одним пристроєм. PVT-технологія (Photovoltaic-Thermal) цю передумову скасовує: гібридний колектор виробляє і електрику, і тепло одночасно. Гібридність досягається завдяки фізичному принципу відведення тепла від фотоелектричних елементів – саме він усуває один із ключових недоліків класичної фотоелектричної системи
Інженерний принцип: використання надлишкового тепла фотоелектричних модулів
Стандартний фотоелектричний модуль має характерну особливість: чим вища температура – тим менше електроенергії. Для кремнієвих монокристалічних елементів температурний коефіцієнт потужності становить від −0,4 до −0,5% на кожен градус Цельсія вище 25 °C (стандарт IEC 60891). У спекотний літній день, коли модуль нагрівається до 65 °C, це означає втрату понад 16% номінальної потужності – саме тоді, коли потрібна максимальна віддача.
Близько 80% сонячної енергії, що падає на класичний фотоелектричний модуль, не перетворюється на електрику – вона розсіюється у вигляді тепла, знижуючи ефективність фотоелектричних елементів і скорочуючи строк їх служби.
PVT-колектор частково усуває цей недолік: тепловий контур відводить надлишкове тепло від фотоелектричних елементів і передає його теплоносію – воді або гліколю. Зниження температури фотоелектричних елементів підвищує електричну потужність модуля, а відведене тепло може використовуватися для нагрівання ГВП або як джерело теплоти для теплового насоса.
Схема гібридного сонячного колектора типу WISC:
1. Захисне скло фотоелектричного модуля (антивідблискове покриття); 2. Інкапсулянт (наприклад, EVA); 3. Фотоелектричні елементи; 4. Інкапсулянт (наприклад, EVA); 5. Підкладка (наприклад, PVF); 6. Теплообмінник (алюміній, мідь або полімери); 7. Теплова ізоляція (наприклад, мінеральна вата); для колекторів типу WISC не є обов'язковим елементом
Конкретні цифри: за сонячної радіації 1000 Вт/м² стандартний фотоелектричний модуль генерує до 200 Вт електрики та суттєво втрачає потужність при підвищенні температури. PVT-колектор за певних режимів роботи може підвищувати електричну потужність фотоелектричного модуля на 5–25% порівняно з неохолоджуваним аналогом, та додатково забезпечує 500 Вт/м² теплової енергії. Сумарний електричний та тепловий ККД може перевищувати 70%.
Типи PVT-колекторів: три підходи, три сценарії
Більшість гібридних сонячних колекторів використовують воду як теплоносій. Розрізняють незакриті (WISC), закриті (covered) та вакуумно-трубчасті конструкції. Окрему категорію становлять повітряні PVT-колектори, що домінують на французькому ринку.
| Тип колектора | Температура теплоносія | Оптимальний сценарій |
| Незакритий (WISC) | До 20–30 °C | Джерело для теплового насоса + електрика |
| Закритий (covered) | 60–80 °C | Пряме нагрівання ГВП + електрика |
| Вакуумно-трубчастий | До 75–100 °C | Промислові процеси, комерційні об'єкти |
Незакриті колектори домінують у Європі за обсягами інсталяцій. Вони призначені для роботи у зв'язці з тепловим насосом: фотоелектрична частина виробляє електрику для його приводу, теплова – постачає низькотемпературний теплоносій. У системах з тепловим насосом типу «розсіл-вода» відсутній зовнішній вентиляторний блок, що забезпечує безшумну роботу і спрощує інсталяцію в щільній забудові. Закриті та вакуумні типи дають вищі температури і підходять для прямого нагрівання ГВП або промислових процесів.
Фотоелектрична система, сонячний колектор та PVT-колектор
| Параметр | Фотоелектрична система | Сонячний термальний колектор | Гібридний сонячний колектор |
| Електрика | Так | Ні | Так |
| Тепло / ГВП | Непрямо | Так | Так |
| Сумарний ККД | ~20 % (електричний) | 60–90 % (тепловий) | Сумарний електричний та тепловий ККД може перевищувати 70 % |
| Охолодження елементів | Немає | – | Вбудоване |
| Інтеграція з ТН | Опосередковано | Так (окремі типи) | Оптимальна |
| Складність монтажу | Низька | Середня (гідравліка) | Середня–висока |
| Вартість | Середня | Нижча | Вища |
| Строк окупності | 6–10 років (EU) | 5–8 років (EU) | 8–12 років (EU)* |
* Дані щодо строків окупності для українського ринку наразі відсутні. Наведені показники – європейські орієнтири (Німеччина, Франція). При зростанні українських тарифів на електроенергію цей показник може бути кращим, але потребує розрахунку під конкретний об'єкт.
Дані таблиці показують, що гібридні колектори не замінюють фотоелектричну систему і не замінює сонячний термальний колектор. Технологія поєднує обидві функції в одному пристрої та може бути доцільною в об'єктах з обмеженою площею даху.тій клас рішень для сценаріїв, де потрібні обидві функції, а площа даху обмежена. Він не замінює фотоелектричну систему і не замінює колектор.
Виробники: ключові гравці ринку
DualSun (Франція) – один із найактивніших гравців у житловому сегменті. Модуль SPRING4 має електричний ККД до 21,8% та питому теплову потужність до 459 Вт/м². Сертифікований для роботи з тепловими насосами Hitachi, Viessmann, Airwell та Panasonic.
Naked Energy (Велика Британія) – спеціалізується на вакуумній технології. Колектор VirtuPVT забезпечує теплоносій з температурою до 75 °C та у листопаді 2024 року отримав сертифікацію TÜV Rheinland – перший у світі вакуумний гібридний сонячний колектор із такою сертифікацією. Основні сфери застосування: лікарні, басейни, готелі, харчова промисловість (джерело: nakedenergy.com).Серед інших виробників на європейському ринку – Abora Solar (Іспанія), PVT Solar AG (Швейцарія), Solimpeks, NIBE Energy.
Ринок PVT: масштаби впровадження та динаміка цін
Глобальний ринок гібридний колекторів у 2024 році оцінювався в 2,2 млрд доларів. Станом на 2023 рік загальна встановлена площа PVT-колекторів у світі досягла 1,6 млн м², причому Європа забезпечує 64% цього обсягу – лідирують Франція, Німеччина та Нідерланди.
Дослідження IntegraTE-XL також зафіксувало номінальне зниження каталожних цін на гібридні сонячні колектори в Німеччині на 4–9% за чотири роки – і це в умовах 17% інфляції за той самий період.
«Виробники чітко сигналізують про готовність знижувати ціни, і це ключовий крок до прискорення поширення технології», – зазначає д-р Корбініан Крамер, дослідник Fraunhofer ISE
За науковим оглядом у журналі Energies, сучасні PVT-системи забезпечують електричний ККД від 8 % до 22 % та тепловий ККД від 30 % до 70 %.
Практичне застосування: від приватного будинку до багатоквартирного комплексу
Приватний будинок 150 м²
Наведений приклад базується на рекомендаціях виробника PVT-панелей та призначений для попереднього підбору без прив'язки до конкретного регіону, кліматичних умов та конфігурації системи.
Для будинку площею 150 м² з розрахунковим тепловим навантаженням близько 9 кВт та тепловим насосом типу «розсіл-вода». Орієнтовний коефіцієнт підбору 1,3–1,5 PVT-панелі на 1 кВт теплової потужності. Для такого об'єкта це відповідає приблизно 12–14 панелям, залежно від розрахункової мінімальної температури первинного контуру.
За питомої площі однієї панелі 2,3 м² загальна площа масиву становить близько 28–32 м², а встановлена електрична потужність — 5,1–6,0 кВт.
У поєднанні з тепловим насосом типу «розсіл-вода» гібридні сонячні панелі можуть використовуватися для часткової регенерації первинного контуру, підвищення середньої температури розсолу та зниження ризику його надмірного охолодження. Така конфігурація забезпечує у 6–8 разів більший сумарний корисний енергетичний вихід з одиниці площі даху порівняно зі стандартними фотоелектричними модулями.
Робочий проєкт: Швеція, 780 квартир
У Лунді (Швеція) реалізується житловий проєкт на 780 орендних квартир від Magnolia Bostad AB та Heimstaden. Компанія Kraftringen відмовилася від геотермального рішення через складні ґрунтові умови та обрала гібридну сонячну теплонасосну систему. Гібридна система покриває 50% загального споживання енергії, первинне енергоспоживання знижується з 61,4 до 37,1 кВт•год/м² – більш ніж на 40%. Розрахунковий SPF системи у теплий період сягає 8,5, а PVT-модулі виробляють до 10% більше електричної енергії порівняно зі стандартними фотоелектричними модулями завдяки рідинному охолодженню елементів.
Український контекст
Для вітчизняного ринку технологія має практичне значення з трьох причин.
Тарифи. Зростання вартості електроенергії підштовхує до максимізації корисного виходу з кожного квадратного метра даху – це завдання вирішує гібридна система. За даними Solar Heat Europe, PVT-система виробляє втричі більше сумарної теплової та електричної енергії на квадратний метр порівняно зі стандартними фотоелектричними модулями.
Інтеграція з тепловими насосами. Системи опалення на теплових насосах впроваджуються дедалі ширше. PVT-колектори можуть використовуватися у поєднанні з тепловими насосами типу «розсіл-вода», виконуючи функцію низькотемпературного джерела теплоти для первинного контуру. Це дозволяє одночасно отримувати електричну та теплову енергію з однієї площі даху.
Багатоквартирний сектор. У будинках, де дах є спільним ресурсом співвласників, система з гібридними сонячними колекторами дозволяє одночасно забезпечувати мешканців електрикою та гарячою водою з однієї інсталяції. Технологія поки не набула масового поширення в Україні, проте попит на неї формується разом із поширенням теплових насосів.
Висновок
Гібридні сонячні колектори (PVT) – відповідь на обмеження, яке класична фотоелектрична система так і не вирішила: кожен модуль, що стоїть на даху, щодня перетворює на електрику лише частину сонячної енергії, тоді як значна її частина переходить у тепло. Рішення перетворює це тепло з проблеми на ресурс – тому технологія перейшла із дослідних лабораторій у сучасне будівництво.
Часті запитання (FAQ) про гібридні сонячні колектори
Який температурний коефіцієнт потужності мають кремнієві монокристалічні елементи відповідно до стандарту IEC 60891?
Температурний коефіцієнт потужності для кремнієвих монокристалічних елементів становить від −0,4 до −0,5% на кожен градус Цельсія вище 25 °C. Це означає, що при нагріванні модуля у спекотний літній день до 65 °C втрата номінальної потужності становить понад 16%. Фізичний принцип відведення тепла у гібридних технологіях усуває цей недолік шляхом охолодження фотоелектричних елементів.
Які технічні характеристики має гібридний модуль SPRING4 від виробника DualSun?
Гібридний модуль SPRING4 виробництва французької компанії DualSun має електричний ККД до 21,8% та питому теплову потужність до 459 Вт/м². Цей пристрій розроблений для застосування у житловому сегменті. Модуль офіційно сертифікований для спільної роботи з тепловими насосами брендів Hitachi, Viessmann, Airwell та Panasonic.
Які особливості має вакуумний гібридний сонячний колектор VirtuPVT від компанії Naked Energy?
Вакуумний гібридний сонячний колектор VirtuPVT забезпечує нагрівання рідинного теплоносія з робочою температурою до 75 °C. У листопаді 2024 року цей продукт отримав офіційну сертифікацію від організації TÜV Rheinland, ставши першим у світі вакуумним PVT-колектором із такою сертифікацією. Основними сферами його практичного впровадження є лікарні, басейни, готелі та об'єкти харчової промисловості.
Які температурні режими та сфери застосування мають незакриті гібридні колектори типу WISC?
Незакриті гібридні колектори типу WISC працюють із низькотемпературним теплоносієм, температура якого становить до 20–30 °C. Оптимальним сценарієм їх використання є робота в якості джерела теплоти для первинного контуру теплового насоса типу «розсіл-вода» з одночасним виробництвом електрики. Таке поєднання забезпечує безшумну роботу системи через відсутність зовнішнього вентиляторного блоку.
Які показники енергоефективності продемонстрував житловий проєкт у місті Лунд у Швеції?
Впровадження гібридної сонячної теплонасосної системи у житловому комплексі на 780 квартир дозволило покрити 50% загального споживання енергії об'єкта. Первинне енергоспоживання будівлі знизилося з 61,4 до 37,1 кВт•год/м², що становить понад 40% економії. Розрахунковий коефіцієнт SPF системи у теплий період року сягає позначки 8,5, а самі PVT-модулі генерують до 10% більше електрики завдяки рідинному охолодженню.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 435Вас може зацікавити:
