Фотовольтаические окна уже два года нагревают воду в квартире в Бухаресте

Поддержите работу CleanTechnica, оформив подписку через Substack, Patreon или Stripe. Помогите нам создавать качественный оригинальный контент каждую неделю, несмотря на проблемы, связанные с искусственным интеллектом для извлечения контента, антиобщественными социальными сетями, инфляцией и другими трудностями.

В Бухаресте реализуется двухлетний пилотный проект с использованием полупрозрачных фотовольтаических окон для прямого нагрева бытовой воды в постоянном токе, что позволяет превращать обычный водонагреватель в накопитель тепла без использования солнечного инвертора или аккумулятора.

Автор: Адриан Бэйсан, PhotoVoltaic Windows SRL

Для жителей многоквартирных домов использование солнечной энергии не так просто, как для владельцев домов, у которых есть собственные крыши.

У миллионов жителей квартир нет собственной пригодной для использования площади крыши. Во многих случаях единственными доступными поверхностями являются балконы, перила и окна.

Фотовольтаические системы на балконах в виде плагинов стали важным решением этой проблемы. Однако они также вызывают другой вопрос: что происходит с солнечной энергией, когда она производится в момент, когда квартире она не нужна?

Более двух лет мы тестируем другой подход в реальной квартире в Бухаресте, Румыния.

Вместо подключения фотовольтаического тока к электросети квартиры, полупрозрачные фотовольтаические окна напрямую питают обычный электрический водонагреватель от постоянного тока.

Идея проста: использовать сам водонагреватель в качестве накопителя энергии.

Солнечная энергия, произведенная в течение нескольких часов в течение дня, преобразуется непосредственно в тепло и хранится в виде горячей воды для последующего использования.

Между фотовольтаическими стеклами и нагревательным элементом отсутствуют фотовольтаические батареи и солнечные инверторы. Фотовольтаическая часть работает автономно и не подключается к общественной сети.

Когда солнечная энергии недостаточно, после захода солнца контроллер переводит тот же водонагреватель на обычную переменночастотную сеть, чтобы он мог достичь установленного термостатом значения.

Два года реальной эксплуатации в домашних условиях

Система установлена на балконе с южным ориентацией и стеклопакетами в Бухаресте.

Фотовольтаические стекла имеют номинальную установленную мощность примерно 845 Втп и обеспечивают горячую воду для семьи из четырех человек, при этом горячая вода используется ежедневно, включая по одному душу на человека в день.

В ранних проектных документациях указывалась номинальная мощность в 683 Втп, основанная на технической документации производителя 2021 года, доступной при заказе стекол в 2022 году. Позже производитель подтвердил, что поставленные стекла соответствуют более новым моделям с более высокой мощностью. Пересчёт той же конфигурации из 11 окон с использованием текущей технической документации даёт примерно 845 Втп. Эта корректировка изменяет номинальный показатель STC, но не влияет на измеренное количество энергии, поступающей в водонагреватель, и на указанный ниже уровень обеспечения горячей водой.

Мы отслеживали работу системы в течение двух последовательных периодов с октября по сентябрь.

В период с 2023 по 2024 год фотовольтаические окна обеспечили водонагреватель 446 кВт·ч энергией, покрыв тем самым 46,7% потребностей домохозяйства в теплой воде.

В период с 2024 по 2025 год они обеспечили водонагреватель 462 кВт·ч энергией, покрыв 43,7% потребностей в теплой воде.

В оба периода семья отсутствовала примерно месяц, поэтому каждый период измерений с октября по сентябрь фактически соответствует примерно 11 месяцам реального использования в домохозяйстве.

Эти результаты имеют важное значение, поскольку целью системы не является максимальная мгновенная выработка фотовольтаической энергии. Цель — использовать как можно больше доступной солнечной энергии внутри квартиры.

Исправленная номинальная мощность фотовольтаической установки также не влияет на отдельные расчеты экономии воды и охлаждения, приведенные далее в этой статье: расчет потребления воды основан на измеренном расходе и времени ожидания, тогда как модель охлаждения определяется площадью стекол и характеристиками поглощения солнечного тепла, а не электрической мощностью установки по спецификации.

Проблема самопотребления солнечной энергии на балконах

Немецкое Агентство по охране окружающей среды Umweltbundesamt, или UBA, предоставляет интересную отправную точку для анализа.

Для южноориентированной вертикально установленной фотовольтаической системы мощностью 800 Вт на балконе UBA оценивает годовой объем производства в примерно 532 кВт·ч. Также согласно этим оценкам, без аккумулятора около 240 кВт·ч в год — примерно 45% — может быть потреблено непосредственно в квартире.

Причина этого легко понять.

Традиционная фотовольтаическая система с внешним блоком питания обеспечивает электроэнергией те нагрузки, которые работают в момент выработки электричества солнцем.

Если фотовольтаическая система вырабатывает 500 Вт, в то время как квартира потребляет всего 150 Вт, домохозяйство не может одновременно потреблять все 500 Вт, если только не начнёт работать другая нагрузка, энергия не будет сохранена или избыток не будет экспортирован.

Наш подход меняет эту зависимость.

Вместо попыток заставить производство солнечной энергии соответствовать моментальным потребностям квартиры в электроэнергии, мы подключаем её к нагрузке, способной постепенно поглощать энергию.

Водонагреватель по сути является тепловым аккумулятором.

Он может принимать 100 Вт, 300 Вт или 500 Вт в течение нескольких часов, накапливать эту энергию в виде тепла и обеспечивать горячую воду позже в тот же день.

Это позволяет осуществлять производство солнечной энергии и её фактическое использование в разное время без необходимости в электрохимическом аккумуляторе.

Почему фотовольтаические окна отличаются по электрическим характеристикам от двух традиционных балконных панелей

Существует ещё один важный аспект этой концепции, который легко упустить из виду.

Система работает особенно хорошо не просто потому, что фотовольтаические элементы подключены к водонагревателю, а потому что фотовольтаическое стекло может обеспечить гораздо лучшее электрическое совместимость для непосредственного нагрева воды постоянным током по сравнению с типичной однопанельной или двухпанельной балконной фотовольтаической системой.

Электрический водонагреватель имеет фиксированный резистивный нагревательный элемент.

В качестве примера возьмём стандартный водонагреватель мощностью 3 кВт при напряжении 230 В. Тот же электрический принцип применим и к водонагревателям с другой мощностью; значение 3 кВт здесь используется лишь в качестве наглядного примера для сравнения.

Если фотовольтаические модули подключены непосредственно к этому нагревательному резистору без инвертора или активного преобразователя DC/DC MPPT, то точка работы зависит от соотношения между напряжением фотовольтаической сетки и сопротивлением нагревательного элемента.

Это означает, что мощность, указанная на фотовольтаическом модуле, не обязательно совпадает с мощностью, поступающей на нагреватель.

Рассмотрим два обычных современных фотовольтаических модуля с суммарной номинальной мощностью примерно 800 Втп.

При использовании характеристик этих модулей для сравнения их прямое подключение к нагревательному элементу водонагревателя мощностью 3 кВт при напряжении 230 В приводит к максимальной передаваемой мощности всего около 300 Вт, несмотря на номинальную мощность пары в 800 Втп.

Точное значение зависит от характеристик тока и напряжения модулей, но основная проблема остается прежней: два обычных модуля работают при постоянном напряжении, которое относительно низкое по сравнению с напряжением, необходимым для эффективной работы в сочетании с резистансом обычного водонагревателя на 230 В.

Поэтому их номинальная мощность в 800 Вт не может быть использована с полной эффективностью при простом подключении их непосредственно к нагревательному элементу.

Наша установка с фотовольтаическими окнами ведет себя иначе.

Хотя скорректированная номинальная установленная мощность составляет примерно 845 Вт, мы зафиксировали пиковую мощность в 499 Вт, поступающую непосредственно в водонагреватель.

Это не означает, что фотовольтаическое стекло по своей природе эффективнее традиционных кристаллических модулей на кремнии. Это означает, что электрическая схема лучше подходит к характеристикам нагрузки.

Вместо одного или двух относительно мощных модулей, работающих при низком напряжении и высоком токе, фотовольтаическое стекло обеспечивает большее количество менее мощных генерирующих элементов.

Их можно соединить между собой так, чтобы массив достигал гораздо более полезного напряжения постоянного тока, при этом общая установленная мощность оставалась умеренной.

Умеренная мощность + подходящее напряжение постоянного тока + резистивное нагревание + тепловое хранение.

Такая комбинация особенно хорошо подходит для резистивных элементов нагрева воды.

Почему здесь не обязателен активный MPPT

Активный преобразователь MPPT может увеличить мгновенную мощность, передаваемую нагревателю при определённых условиях освещения, путём поддержания фотоэлектрической матрицы ближе к её точке максимальной мощности.

Однако увеличение мгновенной мощности не приведёт к прямому увеличению годовой полезной энергии. У резервуара с водой есть ограниченная тепловая ёмкость, и как только достигается заданный термостатом уровень температуры, нагреватель прекращает поглощение энергии. Следовательно, дополнительная мощность в полдень может заставить резервуар достичь критической температуры раньше, чем привести к пропорциональному увеличению годового самопотребления.

В нашей конфигурации фотовольтаическая матрица и нагревательный резистор уже достаточно хорошо согласованы, поэтому наличие активной стадии MPPT не является обязательным для достижения поставленной цели. Любой дополнительный полезный прирост также необходимо сравнивать с собственным потреблением преобразователя, потерями при преобразовании, дополнительными затратами и увеличением сложности системы.

Измеренная максимальная мощность в 499 Вт от системы, состоящей примерно из фотовольтаических элементов мощностью 845 Вт, показывает, что полезную энергию уже можно передавать непосредственно в нагреватель с использованием очень простой архитектуры.

Это отличается от примера с двумя традиционными панелями. При использовании двух традиционных модулей общей мощностью около 800 Вт худшее согласование напряжений с нагревательным элементом мощностью 3 кВт/230 В делает активное преобразование мощности гораздо более важным, если цель — получить мощность, близкую к доступной фотовольтаической мощности модулей.

В качестве альтернативы несколько традиционных модулей можно соединить последовательно для повышения напряжения массива.

Однако после установки нескольких традиционных высокомощных фотовольтаических модулей общая доступная мощность значительно увеличивается. В таком случае использование инвертора и подключение нескольких бытовых электроприборов, как правило, имеет больше смысла, чем предназначение всего массива исключительно для одного водонагревателя.

Именно поэтому мы считаем сочетание фотовольтаических стекол и непосредственного преобразования в напряжение постоянного тока для нагрева воды особенно естественным.

Фотовольтаические окна → напряжение постоянного тока → нагревательный элемент → накопленная горячая вода.

Это не аргумент против традиционных фотовольтаических установок на балконах

Традиционные фотовольтаические установки на балконах — это отличное решение, которое помогло сделать солнечную генерацию доступной для тех, у кого нет крыши.

Мы также не утверждаем, что традиционные модули нельзя использовать для непосредственного преобразования в напряжение постоянного тока для нагрева воды. Они могут этого добиться.

При использовании достаточного количества модулей в серии, соответствующего по выбору сопротивления нагрева или активной цепи преобразования напряжения DC/DC, традиционные модули также могут эффективно нагревать воду.

Разница заключается в том, что типичная балконная система, состоящая из одного или двух традиционных высокомощных модулей, по своей природе не соответствует стандартному нагревателю воды на 230 В.

Фотовольтаические стекла занимают другую электрическую нишу.

Фасад или балкон могут содержать несколько фотовольтаических стекол, обеспечивающих необходимое напряжение для прямого нагрева, без необходимости создания многокиловаттной фотовольтаической установки.

Это делает эту концепцию особенно интересной для квартир.

Хранение энергии в воде вместо батареи

Резервуар с водой также меняет подход к определению размеров фотовольтаической системы.

В традиционных электрических системах пользователи часто стремятся достичь максимальной возможной мгновенной мощности.

Для прямого солнечного нагрева воды это не всегда желательно.

Если к полудню большая фотовольтаическая установка полностью нагревает резервуар, дополнительная энергия, производимая позже в тот же день, уже не может быть использована этим нагруженным устройством.

Более умеренная фотовольтаическая система может обеспечивать питание в течение многих часов; нагреватель постепенно накапливает эту энергию.

Поэтому важным показателем является не только пиковая мощность в ватах, но и количество полезных киловатт-часов, накопленных за день.

Результаты исследований в Бухаресте иллюстрируют это. Система из фотовольтаических элементов, встроенных в окна, мощностью примерно 845 Втп, с измеренным пиковым выходом 499 Вт на нагреватель, обеспечила 446 кВт·ч за первый период наблюдений и 462 кВт·ч за второй.

Этого хватало для покрытия соответственно 46,7% и 43,7% энергетических потребностей в горячей воде для четырехчеловеческого домохозяйства.

Также есть преимущество в экономии воды

Эксперимент показал ещё одно преимущество, которое мало связано с эффективностью фотовольтаических элементов.

До использования местного водонагревателя квартира полагалась на централизованное снабжение горячей водой.

Как это бывает во многих жилых домах, жильцам приходилось оставлять воду течь, пока не появится достаточно горячая вода для душа.

В нашем исследовании в Бухаресте измерения показали, что скорость потока воды в душе составляла 6,7 литра в минуту, и чтобы вода достигла температуры около 43°C, требовалось примерно пять минут в конце сентября.

Исходя из этих показателей и сезонно скорректированных времен ожидания, составляющих примерно от пяти до восьми минут, модель анализа конкретного случая оценила объем воды, тратящийся ежегодно во время ожидания, в примерно 62,1 кубического метра для семьи из четырех человек, принимающих по одному душу в день на человека.

Это не универсальный показатель. Время ожидания сильно варьируется в зависимости от здания, длины трубопроводов, системы циркуляции и условий эксплуатации.

Однако механизм остается одинаковым во всех случаях.

Если горячая вода производится непосредственно на месте и хранится в небольшом расстоянии от душа, время ожидания может стать практически незначительным.

В нашем случае местный водонагреватель объемом 80 литров обеспечивает преимущества, выходящие за рамки использования солнечной энергии: он значительно сокращает количество воды, тратящейся в ожидании прибытия централизованной горячей воды.

Фотоэлектрические стекла также служат защитой от солнца

У фотовольтаических окон есть ещё одна особенность, которой не обладают обычные непрозрачные фотовольтаические модули, установленные просто на балконе.

Они становятся частью строительного объёма здания.

Тот же самый стекловой материал, который генерирует электроэнергию, также снижает количество солнечного излучения, попадающего в квартиру.

Мы отдельно просчитали этот эффект для квартиры в Бухаресте.

Южная стеклянная фасад имеет площадь стекла примерно 12,9 м², из которых 7,92 м² приходится на полупрозрачное фотовольтаическое стекло.

Согласно предположениям, использованным в исследовании, замена обычного прозрачного стекла на фотовольтаическое снижает количество солнечного тепла, поступающего через всю стеклянную фасад, примерно на 40%.

Для конкретной квартиры и предположений относительно работы кондиционера, использованных в модели, это соответствует оценочному снижению потребления электроэнергии на охлаждение примерно на 433–481 кВт·ч в летний период, причем среднее значение составляет около 457 кВт·ч.

Эти цифры являются расчетными оценками, а не фактически измеренной экономией на кондиционировании. Это важное различие.

Тем не менее расчет демонстрирует важную особенность фотовольтаических систем, интегрированных в здания.

Стеклянные поверхности могут генерировать электроэнергию и одновременно снижать нагрузку на охлаждение.

Для квартир с большими стеклянными площадями, обращенными на юг, восток или запад, и сильным летним перегревом этот дополнительный преимущество может быть особенно значимым.

Окна и балконные перила — это поверхности, которые жители квартир могут действительно использовать

Крыша — не единственное место, где здание получает солнечное излучение. Его также принимают фасады квартир.

Фотовольтаические стекла можно встроить в фиксированные оконные элементы, ограждения балконов или стеклянные перила.

Таким образом используются поверхности, которые уже выполняют архитектурные функции.

Это не означает, что фотовольтаические стекла подходят для любого фасада. Необходимо учитывать ориентацию, затенение, прозрачность, архитектурный вид и экономические факторы.

Но в квартирах с большим количеством стекол, находящихся под прямыми солнечными лучами, фасад может стать источником энергии без необходимости доступа на крышу.

Когда эта электроэнергия используется непосредственно для горячего водоснабжения в доме, системе не нужно зависеть от одновременного потребления электроэнергии всеми бытовыми приборами.

Простота архитектуры

Одной из целей нашего пилотного проекта было исключение ненужных компонентов.

В фотоэлектрической части отсутствуют аккумуляторы и солнечные инвертеры. Электроэнергия, полученная от фотоэлементов, используется напрямую в постоянном токе резистивным нагревательным элементом.

Когда солнечной энергии недостаточно, контроллер автоматически переключает нагреватель на сеть переменного тока после захода солнца, чтобы он мог достичь температуры, установленной термостатом котла.

Концепция автоматического переключения между питанием от фотовольтаических элементов в постоянном токе и сети переменного тока также была включена в заявку на патент из Румынии, опубликованную Государственным управлением изобретений и товарных знаков Румынии.

Но самая важная часть этой концепции проще, чем сама система переключения.

Речь идет о сочетании фотовольтаического генератора, встроенного в фасад и обладающего подходящими характеристиками постоянного тока, простой резистивной нагрузки и недорогого теплового аккумулятора, которые семьи уже используют каждый день.

Квартиры должны стать частью перехода на солнечную энергию

Большинство обсуждений по вопросу использования фотовольтаики в жилых помещениях по-прежнему начинаются с крыши.

Это хорошо работает для отдельных домов. Однако для миллионов людей, проживающих в многоквартирных зданиях, это не решает проблему.

Солнечные системы на балконах уже показали, что жители квартир хотят иметь доступ к собственной возобновляемой энергии.

Следующий вопрос заключается в том, как можно максимально эффективно использовать ограниченную площадь для установки солнечных элементов, доступную у них.

Наш пилотный проект в Бухаресте предлагает один из возможных подходов.

За два последовательных периода измерений фотовольтаические окна обеспечили 446 кВт·ч и 462 кВт·ч энергии непосредственно для горячего водоснабжения, что покрыло 46,7% и 43,7% от общего спроса домохозяйства на энергию для горячей воды соответственно.

В домохозяйстве проживают четыре человека, которые ежедневно пользуются горячей водой.

Эта же установка обеспечивает солнечную защиту, а производство горячей воды на месте позволяет сократить потери воды, связанные с ожиданием централизованного водоснабжения.

Самое главное — система демонстрирует, что фотовольтаический электрический ток не всегда обязан преобразовываться в переменный ток, храниться в аккумуляторе или поступать в сеть, прежде чем стать полезным.

Иногда наиболее эффективная система хранения уже находится внутри квартиры.

Это резервуар с водой.

Что касается фотовольтаических стекол, то сочетание более высокого полезного напряжения постоянного тока, умеренной мощности и возможности теплового хранения может сделать прямое использование электричества постоянным током одним из наиболее естественных способов его применения.

Самый ценный солнечный киловатт-час может оказаться не тем, который производится крупнейшей системой. Это может быть киловатт-час, выработанный на балконе, сохранённый в виде горячей воды и использованный той же семьёй через несколько часов.

Ежемесячные измерения и подробные расчёты могут быть предоставлены автором по запросу.