Использование фотобатарей для горячего водоснабжения – опыт и перспективы

Рассмотрена возможность использования солнечных батарей для подогрева воды в системах горячего водоснабжения. Показано, что фотоэлектрические водонагреватели обладают рядом преимуществ перед традиционными солнечными водонагревателями. Построена классификация выпускаемых в мире контроллеров для фотоэлектрических водонагревателей. Отмечено, что только несколько производителей выпускают специализированные контроллеры солнечных батарей для таких систем. Как правило, водонагреватель рассматривается как элемент «умного» дома, и контроллер представляет собой дополнительное устройство в системе энергоснабжения дома, обеспечивающее утилизацию излишков вырабатываемой электроэнергии.

Разработаны математические модели традиционного и фотоэлектрического водонагревателей. В результате имитационного моделирования показано, что соотношение площадей фотобатарей и солнечных коллекторов в водонагревателях сравнимой производительности составляет для южных регионов России 1,6–2,3, а для северных – 1,2–1,6. Оценка стоимости аналогичных по производительности солнечных водонагревателей показала, что фотоэлектрические водонагреватели в климатических условиях Российской Федерации могут составить конкуренцию традиционным солнечным установкам, особенно в северных регионах страны.

Современные  фотоэлектрические  водонагреватели  оборудованы  поддерживающими  работу  солнечных батарей в точке максимальной мощности контроллерами. Стоимость выпускаемых специализированных контроллеров неоправданно велика, что делает целесообразной разработку недорогого контроллера для фотоэлектрического водонагревателя. Показано, что возможным вариантом снижения стоимости фотоэлектрического водонагревателя является отказ от контроллера и работа фотобатарей на электронагреватель постоянного сопротивления, при этом снижение производительности фотобатарей ввиду работы на удалении от точки максимальной мощности компенсируется установкой дополнительных модулей, и годовая выработка тепла превышает таковую для традиционного солнечного водонагревателя сравнимой стоимости.

солнечный водонагреватель, солнечный коллектор, солнечная батарея, фотоэлектрический нагреватель, фотоэлектрический модуль

1. Виллемс, П. Современное состояние и перспективы развития возобновляемых источников энергии в России / П. Виллемс // Энергетический вестник. – 2008. – № 2. – С. 30–39.

2. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России / О.С. Попель [и др.]. – М.: ОИВТ РАН, 2010. – 84 с.

3. Apparatus for Utilizing the Sun’s rays for heating water: United States Patent No. 451384; F24J 2/05 / Kemp C.M. – 1891.

4. Bainbridge, D.A. The integral Passive Solar Water Heater Book [Электронный ресурс] / D.A. Bainbridge. – Solar Usage Now, 1981, 104 p. – Режим доступа: http://deltavolt.pe/documentos/Integral-Passive-Solar-Water-Heater-Book.pdf – (Дата обращения: 20.03.2018).

5. Combined Solar and Artificial Heat Water Heater: United States Patent No. 735321; F24J 2/05 / Walker F. – 1903.

6. Solar Heater: United States Patent No. 842658; F24J 2/05 / Haskell C.L. – 1907.

7. Solar Heater: United States Patent No. 966070; F24J 2/04, F24J 2/05 / Bailey W.J. – 1910.

8. Даффи, Дж. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство / Дж. Даффи, У. Бекман. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2013. – 888 с.

9. Fanney, A.H. A Photovoltaic Solar Water Heating System / A.H. Fanney, B.P. Dougherty // Trans. ASME. J. Solar Energy Eng. – 1997. – Vol. 119. – No. 5. – P. 126–133.

10. Попель, О.С. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей и новые технические решения / О.С. Попель [и др.] // Теплоэнергетика. – 2006. – № 3. – С. 11–16.

11. Solar collector: United States Patent No. 3227153; F24J 2/05 / Speyer E., Godel S. – 1966.

12. Speyer, E. Solar Energy Collection With Evacuated Tubes / E. Speyer // Trans. ASME. J. Eng. Power. –1965. – Vol. 86. – No. 7. – P. 270–276.

13. Meyer, J.-P. Power from the Tube / J.-P. Meyer // Sun & Wind Energy. – 2003. – No. 1. – P. 40–46.

14. Epp, B. World Map of the Solar Thermal Industry. The disparity is growing / B. Epp // Sun & Wind Energy. – 2010. – No. 12. – P. 42–61.

15. Weiss, W. Solar Heat Worldwide. Global Market Development and Trends in 2016. Detailed Market Figures 2015. 2017 edition [Электронный ресурс] / W. Weiss, M. Spork-Dur, F. Mautnier – Режим доступа: http://www.ieashc.org/data/sites/1/publications/Solar-Heat-Worldwide-2017.pdf. – (Дата обращения: 20.03.2018).

16. Photovoltaic solar water heating system: United States Patent No. 5293447; F24H 1/18, G05F 1/60 / Fanney A.H., Dougherty B.P. – 1994.

17. Williams, P.M. Modeling PV powered solar water heating systems using TRNSYS / P.M. Williams [et al.] // American Solar Energy Society, SOLAR97. – 1997. – P. 341–346.

18. Williams P.M. Development and Analysis Tool for Photovoltaic-Powered Solar Water Heating Systems: M.S. Thesis. University of Wisconsin. Madison. 1996.

19. Dougherty, B.P. Field Test of a PhotovoltaicWater Heater / B.P. Dougherty, A.H. Fanney, J.O. Richardson // ASHRAE Transactions. – 2002. – Vol. 108. – Pt. 2. – P. 780–791.

20. Morrison, G.L. Packaged solar water heating technology twenty years of progress [Электронный ресурс] / G.L. Morrison, B.D. Wood // Proceedings of ISES solar world congress on CD-ROM. – Jerusalem. Israel. – 1999. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

21. Raisul, Islam M. Solar water heating systems and their market trends / Islam M. Raisul, K. Sumathy, Khan S. Ullah // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2013. – Vol. 17. – P. 1–25.

22. China: Challenges and Opportunities of World’s Largest Solar Thermal Market [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.solarthermalworld.org/content/china-challenges-and-opportunities-worlds-largest-solarthermal-market. – (Дата обращения: 20.03.2018).

23. Flat plate collector sales in China reach a record 6 million m2 in 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.solarthermalworld.org/content/flatplate-collector-sales-china-reach-record-6-million-m2-2017. – (Дата обращения: 01.06.2018).

24. Tyagi, V.V. Progress in solar PV technology: Research and achievement / V.V. Tyagi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2013. – Vol. 20. – P. 443–461.

25. Placzek-Popko, E. Top PV market solar cells 2016 / E. Placzek-Popko // Opto-Electronics Review. – 2017. – Vol. 25. – No. 2. – P. 55–64.

26. Skandalos, N. PV glazing technologies / N. Skandalos, D. Karamanis // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – Vol. 49. – P. 306–322.

27. Тарасенко, А.Б. Промышленные технологии фотоэнергетики и возможные пути их развития в России (обзор). Ч. 2. Модификации технологий производства фотоэлектрических преобразователей, совершенствование контактных структур и выбор перспективных технологий для расширения производства ФЭП в России / А.Б. Тарасенко, О.С. Попель // Теплоэнергетика. – 2015. – № 12. – С. 29–39.

28. Haegel, N.M. Terawatt-scale photovoltaics: Trajectories and challenges / N.M. Haegel [et al.] // Science. – 2017. – Vol. 356. – No. 6334. – P. 141–143.

29. Photovoltaics Report [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf. – (Дата обращения: 01.06.2018).

30. Тарасенко, А.Б. Промышленные технологии фотоэнергетики и возможные пути их развития в России (обзор). Ч. 1. Общие подходы к созданию ФЭП и базовые кремниевые технологии / А.Б. Тарасенко, О.С. Попель // Теплоэнергетика. – 2015. – № 11. – С. 61–69.

31. Morris, G. Heating water, not as simple as it used to be / G. Morris // Solar Progress. – 2014. – No. 2. – P. 30–32.

32. Директор, Л.Б. О применении электрокотлов в энергетических комплексах малой энергетики / Л.Б. Директор, О.А. Иванин // Промышленная энергетика. – 2014. – № 12. – С. 23–27.

33. ГИС ВИЭ. GIS Renewable Energy Sources of Russia [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://gisre.ru/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

34. Holladay, M. Solar Thermal is Dead [Электронный ресурс] / M. Holladay. – Режим доступа: http://www.greenbuildingadvisor.com/blogs/dept/musings/solar-thermal-dead. – (Дата обращения: 20.03.2018).

35. Holladay, M. Solar Thermal Is Really, Really Dead [Электронный ресурс] / M. Holladay. – Режим доступа: http://www.greenbuildingadvisor.com/blogs/dept/musings/solar-thermal-really-really-dead. – (Дата обращения: 20.03.2018).

36. АО Военно-промышленная корпорация «НПО Машиностроения». Солнечный коллектор «Сокол-эффект» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.npomash.ru/service/ru/suncollector.htm. – (Дата обращения: 20.03.2018).

37. Новый полюс. Солнечные энергоустановки с 2005 г. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.newpolus.ru/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

38. Бутузов, В.А. Анализ российского рынка солнечного теплоснабжения / В.А. Бутузов // Энергосовет. – 2015. – № 1. – С. 53–56.

39. О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности. Постановление Правительства РФ от 28 мая 2013 г. № 449 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://pravo.gov.ru/proxy/ips/?docbody=&nd=102165645&rdk=&backlink=1. – (Дата обращения: 20.03.2018).

40. Группа компаний «Хевел» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.hevelsolar.com/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

41. Meyer, J.-P. Heating with PV. Economics of Electric Heating. A question of priorities / J.-P. Meyer // Sun & Wind Energy. – 2015. – No. 2. – P. 48–53.

42. Advanced Energy. AE PV Heater [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.advanced-energy.com/en/PV_Heater.html. – (Дата обращения: 20.03.2018).

43. Krannich. The Global PV Experts. PV Heater [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://de.krannich-solar.com/en/products/pv-heater.html. – (Дата обращения: 20.03.2018).

44. Thermo Dynamics Ltd. Solar Heating. PV Solar Boiler [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.thermo-dynamics.com/PV_SB_systems.html. – (Дата обращения: 20.03.2018).

45. My-PV. Hot-water from photovoltaics [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.my-pv.com/en/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

46. Автономные решения. Солнечные ТЭНы myPV ELWA [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://autonomno.ru/teplo/bez_gaza_bez_soglasovanij/elwa_hot_water_pv1/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

47. Ellison, B. Hot PVtm – solar PV hot water and much more / B. Ellison // Solar Progress. – 2014. – No. 1. – P. 26–27.

48. Easy Warm. Power on your roof [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.easywarm.co.nz/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

49. Hirvonen, J. Zero energy level and economic potential of small-scale building-integrated PV with different heating systems in Nordic conditions / J. Hirvonen [et al.] // Applied Energy. – 2016. – Vol. 167. – P. 255–269.

50. Sussex solar. PV Water Heating. Get hot water from your PV array with Solar iBoost+ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://sussexsolar.com/pv-water-heating/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

51. Shrack technik. Energyguard Pro 3-phases PV-monitoring up to 50 kW [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.schrack.be/shop/energyguard-pro-3-phases-pv-monitoring-up-to-50-kw-pvc00002.html. – (Дата обращения: 20.03.2018).

52. WATTrouter – контроллер излишков электроэнергии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wattrouter.ru/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

53. Parra, D. Are batteries the optimum PV-coupled energy storage for dwellings? Techno-economic comparison with hot water tanks in the UK / D. Parra, G.S. Walker, M. Gillott // Energy and Buildings. – 2016. – Vol. 116. – P. 614–621.

54. Солнечное отопление и ГВС. Solar Kerberos [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://solarcrown.ru/magazin2/folder/solnechnoye-otopleniye-i-gvs. – (Дата обращения: 20.03.2018).

55. Ваш Солнечный Дом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.solarhome.ru/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

56. Yingli Solar. YGE 60 cell series 2. Proven performance and versatility [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://d9no22y7yqre8.cloudfront.net/assets/uploads/products/downloads/DS_YGE60CELL%20SERIES%202-29b_35mm_EU_EN_20170720_V04.pdf. – (Дата обращения: 20.03.2018).

57. Marken, C. PV vs. Solar Water Heating. Simple Solar Payback / C. Marken, J. Sanchez // Home power. – 2008. – No. 127. – P. 40–45.

58. TRNSYS – Transient System Simulation Tool [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://trnsys.com/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

59. User's Manual for TMY2s [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/tmy2/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

60. Meteonorm. Irradiation data for every place on Earth [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.meteonorm.com/. – (Дата обращения: 20.03.2018).

61. SPF. C1633. Solar Collector Factsheet. Atmosfera CBK-A-58-30 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.spf.ch/fileadmin/daten/reportInterface/kollektoren/factsheets/scf1633en.pdf. – (Дата обращения: 20.03.2018).