Sistemi fotovoltaico-termici (PVT) per la produzione combinata di calore ed elettricità: tecnologie e implementazione

Abstract: La tecnologia solare fotovoltaica termica (PVT) recupera il calore di scarto dai pannelli fotovoltaici durante la generazione di elettricità. Questa tecnologia non solo consente di combinare calore solare e produzione di energia, ma riduce anche la temperatura dei pannelli, migliorando l'efficienza della produzione di energia. Questa tecnologia, soprattutto se combinata con la tecnologia di accumulo del calore di scarto a bassa temperatura per l'accumulo stagionale, è molto promettente per applicazioni future.

La tecnologia di generazione di energia fotovoltaica è altamente sviluppata e ampiamente utilizzata, offrendo applicazioni promettenti. Tuttavia, la sua efficienza è solo del 20% circa, con conseguente perdita di una quantità significativa di energia solare nell'ambiente.

Senza la generazione fotovoltaica, tutto il calore solare viene disperso nell'ambiente. In confronto, un'efficienza del 20% è sufficiente. I pannelli fotovoltaici hanno anche l'effetto di concentrare il calore, raggiungendo temperature fino a 50 o 60 gradi Celsius. Questo calore concentrato riduce l'efficienza della generazione di energia fotovoltaica, ne riduce la durata e ha un impatto negativo sui pannelli. Il calore dissipato nell'ambiente in modo incontrollato non favorisce inoltre il riutilizzo.

Le fonti energetiche a basse emissioni di carbonio sono scarse in settori come il riscaldamento. La generazione di calore richiede il consumo di energia primaria, che consuma molta energia, è costosa e genera notevoli emissioni di carbonio. Il riutilizzo del calore raccolto dai pannelli fotovoltaici può ridurre i danni ai pannelli, migliorare l'efficienza della produzione di energia e fornire una fonte di calore a zero emissioni di carbonio, offrendo applicazioni promettenti. Con l'aumento dei progetti fotovoltaici, questa quantità di calore è diventata anche molto considerevole.

La tecnologia solare fotovoltaica termica (PVT) recupera il calore di scarto proveniente dalla produzione di energia fotovoltaica, ottenendo così la produzione combinata di calore ed energia solare.

Il PVT è costituito da due componenti: moduli fotovoltaici e dissipatori di calore. I moduli fotovoltaici sono realizzati con tecnologia convenzionale, e includono vetro fotovoltaico, pellicola EVA, celle solari e un backsheet. I dissipatori di calore sono costituiti da uno strato assorbente, tubi di trasferimento del calore e materiali isolanti. Questi due componenti vengono assemblati e i componenti esterni, come il telaio e la scatola di giunzione, vengono installati per formare il PVT.

I sistemi PVT sono disponibili in due tipologie: raffreddati a liquido e raffreddati ad aria. Il raffreddamento a liquido utilizza in genere l'acqua come refrigerante, sebbene nelle regioni fredde possa essere utilizzato anche l'antigelo. La struttura è mostrata nella figura sopra. Il raffreddamento ad aria utilizza un gas, in genere aria, come mostrato nella figura sottostante. I due prodotti hanno applicazioni diverse.

I PVT raffreddati ad aria presentano canali di raffreddamento più ampi e la temperatura di uscita viene regolata controllando la portata del gas. L'aria calda generata da questo prodotto è surriscaldata, il che può essere utilizzato in due modi: come fonte di calore per l'essiccazione diretta di prodotti come prodotti agricoli e alimentari che non sono adatti all'essiccazione ad alte temperature; oppure come fonte di calore a bassa temperatura in una pompa di calore ad aria, generando calore ad alta temperatura.

Il canale di raffreddamento del PVT raffreddato ad acqua è generalmente un tubo sottile. Per garantire l'effetto di raffreddamento dell'intera superficie della piastra, il tubo di trasferimento del calore deve essere strettamente integrato con la piastra di trasferimento del calore per ottenere un migliore recupero del calore. La temperatura dell'acqua in uscita dal PVT raffreddato ad acqua è bassa e difficile da utilizzare direttamente. Di solito deve essere utilizzato in combinazione con una pompa di calore.

Sistemi di pannelli fotovoltaici con pompe di calore

In generale, gli scenari applicativi comuni della tecnologia PVT sono i seguenti:

(1) Processo di essiccazione: il PVT raffreddato ad aria viene utilizzato per generare aria surriscaldata per rimuovere l'umidità dal materiale essiccato. Poiché la temperatura dell'aria di essiccazione è bassa, non ne compromette la qualità. Viene generalmente utilizzato nell'essiccazione di colture e alimenti o in altri settori con elevati requisiti di qualità.

(2) Riscaldamento distribuito: PVT+pompa di calore viene utilizzato per generare acqua calda per il riscaldamento, acqua calda sanitaria, ecc. Rispetto al percorso convenzionale della pompa di calore ad aria, l'intervallo di ottimizzazione dei parametri del processo PVT+pompa di calore è ampio e il risparmio è molto buono.

(3) Riscaldamento centralizzato interstagionale: questo è uno scenario per l'applicazione su larga scala della tecnologia PVT in futuro. È particolarmente adatta per situazioni con enormi vantaggi di spazio, come il riscaldamento rurale. I sistemi di riscaldamento rurali hanno poco calore di scarto utilizzabile, quindi l'utilizzo diretto di pompe di calore ad aria consuma una quantità significativa di energia. Sfruttando le vaste distese di spazio rurale, i sistemi PVT sui tetti possono catturare la luce solare, mentre le tubazioni interrate possono immagazzinare calore nel terreno durante la bassa stagione. Le pompe di calore possono quindi utilizzare il calore geotermico per il riscaldamento invernale. Ciò consente l'accumulo di calore di scarto a bassa temperatura durante le stagioni, aumentando la temperatura del calore di scarto della pompa di calore e riducendo significativamente i costi operativi.

In sintesi, la tecnologia PVT, in quanto miglioramento a basso costo della tecnologia fotovoltaica, rappresenta un potente complemento alla tecnologia solare fotovoltaica. Se sono disponibili metodi adeguati per l'utilizzo del calore di scarto, come l'essiccazione, la produzione di acqua calda sanitaria o il riscaldamento stagionale, la tecnologia PVT può migliorare significativamente l'efficienza del sistema, ridurre i costi operativi e vanta promettenti prospettive di sviluppo.