BTE Solar: un'analisi comparativa dei sistemi PVT con i sistemi fotovoltaici e solari termici tradizionali

Nel contesto dell'attuale transizione energetica globale, l'energia solare, in quanto forma di energia più pulita e rinnovabile, si sta rapidamente integrando nella produzione e nella vita della società umana. Le principali modalità di utilizzo dell'energia solare includono la produzione di energia fotovoltaica (FV) e l'utilizzo del solare termico (ST). Il primo converte direttamente la radiazione solare in energia elettrica attraverso l'effetto fotoelettrico, mentre il secondo assorbe la radiazione solare attraverso collettori e la converte in energia termica. Viene spesso utilizzato per la produzione di acqua calda sanitaria, il riscaldamento o il riscaldamento industriale. Negli ultimi anni, una nuova tecnologia che combina i vantaggi di entrambi - l'integrazione fotovoltaica e solare termica (PVT) - si è gradualmente affermata, dimostrando un valore unico nella ricerca e nell'applicazione commerciale. Questo articolo confronterà il sistema PVT con i sistemi fotovoltaici e solari termici tradizionali da diverse prospettive, esplorandone vantaggi e svantaggi.

I. Confronto tra composizione del sistema e principio di funzionamento

Impianto fotovoltaico (FV)

Il cuore di un sistema fotovoltaico è il modulo di celle solari, i cui materiali più comuni sono il silicio cristallino o le celle a film sottile. Quando la luce solare colpisce la superficie della batteria, i fotoni eccitano gli elettroni nel materiale semiconduttore per formare una corrente elettrica, che viene poi convertita in corrente alternata tramite un inverter per alimentare le utenze domestiche o la rete elettrica. La struttura del sistema fotovoltaico è relativamente semplice e la sua funzione principale è quella di generare elettricità.

2. Sistema solare termico (ST)

L'impianto solare termico è costituito principalmente da collettori piani o collettori a tubi sottovuoto. Dopo essere stata esposta alla luce solare, la piastra assorbente converte l'energia in calore, che viene trasferito al serbatoio di accumulo dell'acqua calda attraverso il fluido di lavoro (acqua o antigelo) per la produzione di acqua calda o il riscaldamento. La capacità di generazione di energia del sistema solare termico è pressoché nulla, ma la sua efficienza termica può solitamente raggiungere il 40-70%.

3. Sistema integrato fotovoltaico e solare termico (PVT)

Il sistema PVT combina moduli fotovoltaici con collettori, raccogliendo energia termica dal calore residuo sul retro dei pannelli fotovoltaici e generando al contempo elettricità. Questo non solo evita il calo di efficienza delle celle fotovoltaiche causato dalle alte temperature, ma migliora anche l'efficienza energetica complessiva per unità di superficie. Il suo concetto fondamentale è "un unico pannello che genera contemporaneamente elettricità e calore".

Ii. Confronto tra efficienza energetica e prestazioni

1. Efficienza fotoelettrica

Per un semplice sistema fotovoltaico, l'efficienza di conversione fotoelettrica dei componenti comuni è compresa tra il 18% e il 22%. Un aumento della temperatura porterà a una diminuzione dell'efficienza. Per ogni aumento di temperatura di 1 °C, la potenza media in uscita dei pannelli fotovoltaici diminuisce dallo 0,3% allo 0,5%. Pertanto, nelle regioni calde, il problema di dissipazione del calore sul retro dei pannelli fotovoltaici è più evidente.

Il sistema PVT mantiene un'efficienza di generazione di energia più stabile raffreddando i moduli fotovoltaici per abbassarne la temperatura di esercizio. La ricerca dimostra che, a parità di condizioni ambientali, la generazione di energia con il PVT può essere aumentata dal 5% al ​​15% rispetto ai sistemi fotovoltaici tradizionali.

2. Efficienza energetica termica

Il vantaggio del sistema solare termico risiede nella sua elevata efficienza termica. L'efficienza dei collettori piani è di circa il 50-70% a temperature medie e basse (da 30 a 70 °C), mentre i collettori a tubi sottovuoto offrono prestazioni migliori in inverno o nelle regioni ad alta latitudine. Al contrario, l'efficienza termica del PVT è leggermente inferiore, generalmente compresa tra il 40% e il 60%, ma considerando che genera elettricità contemporaneamente, la sua efficienza energetica complessiva è maggiore.

3. Efficienza completa

Il vantaggio principale del PVT risiede nella sua efficienza complessiva. L'efficienza dei sistemi fotovoltaici puri o solari termici varia dal 20% al 70%, mentre l'efficienza complessiva dei sistemi PVT può raggiungere il 70%-80%, con alcuni prodotti avanzati che superano addirittura l'85%. Ciò significa che, per tetti della stessa superficie, il PVT può generare più energia utilizzabile.

III. Confronto economico

1. Investimento iniziale

Essendo tecnologie mature, il fotovoltaico e il teleriscaldamento hanno costi di installazione relativamente bassi se installati separatamente. A causa della complessità progettuale e degli elevati requisiti di processo produttivo, il sistema PVT è generalmente più costoso di un sistema singolo. Tuttavia, se si considera la necessità di generare energia e riscaldare contemporaneamente sullo stesso tetto, l'"installazione combinata" del PVT può invece ridurre i costi di staffe, tubazioni e spazio.

2. Funzionamento e manutenzione

Il funzionamento e la manutenzione degli impianti fotovoltaici sono semplici e prevedono principalmente la pulizia regolare dei componenti e l'ispezione delle apparecchiature elettriche. L'impianto solare termico richiede interventi di manutenzione come la protezione antigelo, la disincrostazione e la sostituzione periodica del fluido di lavoro. Il PVT combina le due attività, rendendo il funzionamento e la manutenzione leggermente più complessi. Tuttavia, grazie alla sua elevata integrazione strutturale, la stabilità complessiva non è pessima.

3. Periodo di ammortamento dell'investimento

Nelle regioni con prezzi elevati di elettricità e riscaldamento (come Europa e Giappone), il periodo di ammortamento di un sistema FVT può essere più breve rispetto a quello di un sistema singolo. Soprattutto con il supporto di politiche energetiche distribuite, i benefici combinati dei sussidi per la connessione alla rete elettrica e della sostituzione dell'energia termica rendono l'efficienza economica del FVT più evidente. Tuttavia, nelle regioni in cui i prezzi dell'energia sono bassi o il sostegno politico è insufficiente, la promozione del FVT incontra ancora resistenze.

Iv. Confronto di scenari applicativi

1. Famiglie residenti

Le utenze domestiche necessitano solitamente di elettricità e acqua calda. Se la superficie del tetto è limitata, l'installazione di un sistema fotovoltaico può ottenere una doppia produzione di energia in uno spazio limitato, il che è particolarmente adatto per residenze urbane e ville.

2. Edifici commerciali e pubblici

Edifici come scuole, ospedali e hotel non solo hanno un elevato fabbisogno di elettricità, ma necessitano anche di una fornitura stabile di acqua calda. La tecnologia PVT può fornire una soluzione integrata per ridurre l'ingombro delle apparecchiature e i costi di manutenzione.

3. Campo industriale

Alcune produzioni industriali (come l'industria alimentare, tessile e chimica) hanno una forte domanda di energia termica a bassa temperatura. L'energia solare termica tradizionale può soddisfare parte della domanda, ma anche la domanda di elettricità è molto elevata. Il fotovoltaico ha il potenziale per sostituire parte dell'energia fossile in questi settori.

4. Agricoltura e serre

Nelle serre agricole, sono necessarie sia l'energia fotovoltaica per azionare le attrezzature sia l'energia termica per mantenere la temperatura. Il fotovoltaico può soddisfare contemporaneamente due esigenze e aumentare il tasso di autosufficienza energetica.

V. Confronto tra benefici ambientali e sociali

Il fotovoltaico e il teleriscaldamento svolgono un ruolo significativo nella riduzione delle emissioni di carbonio. Il fotovoltaico non solo può sostituire l'energia termica per ridurre le emissioni di anidride carbonica, ma anche ridurre l'uso di caldaie a gas o a carbone. Nell'ambito della tendenza generale alla neutralità carbonica, il valore del fotovoltaico sta diventando sempre più evidente. Allo stesso tempo, allevia anche il problema dell'insufficienza di spazio sul tetto ed evita l'imbarazzo di dover scegliere tra due opzioni in un'area limitata.

Vi. Problemi e sfide esistenti

Costo elevato: attualmente il prezzo del PVT è ancora più alto di quello dei singoli sistemi, il che ne limita la diffusione.

Mancanza di standard tecnici: gli standard internazionali per il collaudo, la certificazione e l'installazione dei PVT non sono ancora unificati.

Conoscenza insufficiente del mercato: molti consumatori e appaltatori di ingegneria hanno una conoscenza limitata del PVT, il che rende difficile la promozione sul mercato.

Complessità di funzionamento e manutenzione: sebbene l'integrazione complessiva sia elevata, coinvolge due sistemi, ovvero energia e calore, che impongono requisiti professionali più elevati agli installatori e al personale addetto alla manutenzione.

Vii. Direzioni di sviluppo futuro

Nuove applicazioni di materiali, come rivestimenti ad assorbimento selettivo e materiali compositi termoconduttivi, contribuiscono a migliorare l'efficienza termica.

Design modulare: rende i PVT facili da installare e sostituire come i normali moduli fotovoltaici.

Combinato con l'accumulo di energia: il doppio sistema di accumulo di energia elettrica e termica migliorerà la flessibilità di utilizzo dell'energia del PVT.

Promozione delle politiche: sussidi governativi, premi per la riduzione delle emissioni di carbonio, certificazioni per l'edilizia ecologica, ecc. possono tutti facilitare l'applicazione del PVT.

viii. Riepilogo

Come metodo emergente di utilizzo dell'energia solare, il PVT non è semplicemente la sovrapposizione di energia fotovoltaica e solare termica, ma raggiunge una maggiore efficienza energetica complessiva attraverso l'integrazione di sistema. Rispetto al fotovoltaico tradizionale, risolve il problema del calo di efficienza causato dall'aumento della temperatura. Rispetto al solare termico tradizionale, offre il valore aggiunto della produzione di energia elettrica. In termini di economia, utilizzo dello spazio, riduzione delle emissioni di carbonio e altri aspetti, il PVT ha dimostrato evidenti vantaggi. Naturalmente, la sua promozione deve ancora affrontare sfide in termini di costi, standard e consapevolezza. Con i progressi tecnologici e la promozione delle politiche, si prevede che il PVT diventerà una componente importante dell'energia pulita distribuita in futuro.