Фотовольтаїчні вікна вже два роки нагрівають воду у квартирі в Бухаресті

Підтримайте роботу CleanTechnica через підписку на Substack, Patreon або Stripe. Допоможіть нам створювати якісний оригінальний контент щотижня, незважаючи на виклики, пов’язані з штучним інтелектом для збору контенту, антисоціальними мережами, інфляцією та іншими перешкодами.

У Бухаресті триває дворічний пілотний проект з квартирами, у якому використовуються напівпрозорі фотоелектричні вікна для прямого нагрівання питної води в постійному струмі, що дозволяє перетворити звичайний резервуар на тепловий акумулятор без сонячного інвертера чи акумулятора.

Адріан Бяйсан, PhotoVoltaic Windows SRL

Для мешканців багатоквартирних будинків використання сонячної енергії не є настільки простим, як для власників будинків, які мають доступ до власних дахів.

Мільйони мешканців квартир не мають власної придатної для використання площі даху. У багатьох випадках єдиними поверхнями, які у них є, є балкони, перила та вікна.

Фотовольтаїчні системи на балконі у вигляді додаткових пристроїв стали важливим рішенням цієї проблеми. Але вони також ставлять ще одне питання: що відбувається з сонячною електроенергією, коли вона виробляється у момент, коли квартира її не потребує?

Протягом понад двох років ми тестуємо інший підхід у справжній квартирі в Бухаресті, Румунія.

Замість того, щоб подавати фотовольтаїчну електроенергію до електропроводки квартири, напівпрозорі фотовольтаїчні вікна безпосередньо живлять звичайний електричний водонагрівач у постійному струмі.

Ідея проста: використовувати сам водонагрівач як сховище енергії.

Сонячна електроенергія, вироблена протягом кількох годин протягом дня, безпосередньо перетворюється на тепло та зберігається у вигляді гарячої води для подальшого використання.

Між фотовольтаїчними вікнами та елементом нагріву немає фотовольтаїчного акумулятора та сонячного інвертера. Фотовольтаїчна частина працює поза мережею та не подає електроенергію до загальної мережі.

Коли сонячної енергії недостатньо, контролер після заходу сонця перемикає цей самий водонагрівач на звичайну мережу змінного струму, щоб він міг досягти заданої термостатом температури.

Два роки реальної домашньої експлуатації

Система встановлена на балконі з вікнами, орієнтованими на південь, у Бухаресті.

Фотовольтаїчне скління має номінальну встановлену потужність приблизно 845 Вт, яка забезпечує гарячу воду для сім’ї з чотирьох осіб, причому гаряча вода використовується щодня, включаючи по одному душу на особу на день.

У попередній проєктній документації використовувалась номінальна потужність 683 Вт, заснована на дата-шиті виробника 2021 року, який був доступний під час замовлення скління у 2022 році. Виробник згодом підтвердив, що поставлене скління відповідає новішим, потужнішим моделям. Перерахунок тієї ж конфігурації з 11 вікнами за поточним дата-шитом дає приблизно 845 Вт. Ця корекція змінює номінальний показник STC, але не впливає на виміряну кількість енергії, що надходить до водонагрівача, чи на виміряний охоплення території гарячою водою, як це наведено нижче.

Ми відстежували роботу системи протягом двох послідовних періодів з жовтня до вересня.

У період з 2023 по 2024 рік фотовольтаїчні вікна забезпечили 446 кВт·год енергії для нагрівача води та покрили 46,7% потреб сім’ї у гарячій воді.

У період з 2024 по 2025 рік вони забезпечили 462 кВт·год енергії та покрили 43,7% потреб у гарячій воді.

У обох періодах сім’я була відсутня приблизно місяць, тож кожен період вимірювання з жовтня до вересня фактично відображає приблизно 11 місяців реального використання в домашніх умовах.

Ці результати є важливими, оскільки метою системи не є максимальний миттєвий вихід фотовольтаїчної енергії. Метою є максимальне використання наявної сонячної енергії всередині квартири.

Коригована номінальна потужність ПВ-панелей також не впливає на окремі аналізи економії води та охолодження, наведені далі в цій статті: розрахунок споживання води ґрунтується на виміряних показниках потоку та часу очікування, тоді як модель охолодження базується на площі скління та характеристиках накопичення сонячного тепла, а не на електричній номінальній потужності ПВ-панелей.

Проблема самовикористання сонячної енергії на балконі

Німецьке Агентство з охорони навколишнього середовища Umweltbundesamt, або UBA, є цікавим орієнтиром у цьому питанні.

Для вертикально встановленої 800-ватної балконної фотовольтаїчної системи, орієнтованої на південь, UBA оцінює річне виробництво електроенергії приблизно у 532 кВт·год. Також агентство прогнозує, що без акумулятора близько 240 кВт·год на рік — приблизно 45% — може бути спожито безпосередньо в квартирі.

Причина цього легко зрозуміла.

Традиційна фотовольтаїчна система з підключуваними модулями забезпечує електроенергією ті навантаження, які в цей момент працюють під час виробництва електроенергії сонцем.

Якщо фотовольтаїчна система виробляє 500 Вт, тоді як квартира використовує лише 150 Вт, домогосподарство не може одночасно споживати всі 500 Вт, якщо тільки не почнуть працювати інші навантаження, енергія не буде збережена або надлишок не буде експортований.

Наш підхід змінює ці взаємозв’язки.

Замість того, щоб намагатися змусити сонячну генерацію відповідати миттєвим електричним потребам квартири, ми під’єднуємо її до навантаження, яке може поступово поглинати енергію.

Водонагрівач фактично є тепловою батареєю.

Він може отримувати 100 Вт, 300 Вт або 500 Вт протягом кількох годин, накопичувати цю енергію у вигляді тепла та забезпечувати гарячу воду пізніше протягом дня.

Це дозволяє отримувати сонячну енергію та використовувати її у різний час без електрохімічної батареї.

Чому фотовольтаїчні вікна електрично відрізняються від двох звичайних балконних панелей

Існує ще одна важлива частина цієї концепції, яку легко проігнорувати.

Система працює особливо добре не лише тому, що фотовольтаїчні елементи підключені до водонагрівача, а й тому, що фотовольтаїчне скло може значно краще підходити з електричної точки зору для прямого нагрівання води постійним струмом, ніж звичайна однопанельна чи двопанельна балконна фотовольтаїчна система.

Електричний водонагрівач має фіксований резистивний нагрівальний елемент.

Як приклад можна взяти стандартний водонагрівач потужністю 3 кВт при напрузі 230 В. Той самий електричний принцип застосовується до водонагрівачів з іншою потужністю; значення 3 кВт використовується тут лише як чіткий приклад для порівняння.

Якщо фотовольтаїчні модулі підключені безпосередньо до елемента нагріву, без інвертора чи активного перетворювача DC/DC MPPT, точка роботи залежить від співвідношення між напругою фотовольтаїчного поля та опором елемента нагріву.

Це означає, що потужність, вказана на фотовольтаїчному модулі, не є автоматично тією потужністю, яка доходить до нагрівача.

Розглянемо два звичайні сучасні фотовольтаїчні модулі зі сумарною номінальною потужністю приблизно 800 Втп.

При використанні характеристик цих модулів у нашому порівнянні їх безпосереднє підключення до елемента нагріву водонагрівача потужністю 3 кВт, 230 В призводить до максимальної переданої потужності лише близько 300 Вт, попри номінальну потужність пари приблизно 800 Втп.

Точна цифра залежить від характеристик струму та напруги модулів, але основна проблема залишається незмінною: два звичайні модулі працюють при постійній напрузі, яка є відносно низькою порівняно з напругою, необхідною для ефективного взаємодії з опором звичайного водонагрівача на 230 В.

Тому їхню номінальну потужність у 800 Вт не можна ефективно використовувати, просто під’єднавши їх безпосередньо до нагрівального елемента.

Наша установка з фотовольтаїчними вікнами поводиться інакше.

Хоча скоригована номінальна потужність становить приблизно 845 Вт, ми виміряли пік у 499 Вт, який надходить безпосередньо до водонагрівача.

Це не означає, що фотовольтаїчне скло за своєю природою є ефективнішим за звичайні кристалічні силіцієві модулі. Це означає, що електрична схема краще підходить до навантаження.

Замість одного або двох відносно потужних модулів, які працюють при низькій напрузі та високому струмі, фотовольтаїчне скло забезпечує більшу кількість елементів з меншою потужністю.

Їх можна з’єднати електрично так, щоб сукупність досягала значно кориснішої напруги постійного струму, при цьому загальна встановлена потужність залишається помірною.

Помірна потужність + відповідна напруга постійного струму + резистивне нагрівання + термічне зберігання.

Ця комбінація особливо добре підходить для резистивного елемента нагріву води.

Чому активний MPPT тут не є обов’язковим

Активний перетворювач MPPT може збільшити миттєву потужність, яка передається нагрівачу за певних умов опромінення, шляхом підтримання фотовольтаїчної структури ближче до її точки максимальної потужності.

Однак збільшення миттєвої потужності не призведе прямо до додаткової корисної річної кількості енергії. Резервуар з водою має обмежену теплову ємність, і як тільки досягається задана термостатом температура, нагрівач припиняє отримувати енергію. Тому додаткова потужність у полуденний час може змусити резервуар досягти критичної температури раніше, ніж пропорційно збільшити річне самовикористання енергії.

У нашій конфігурації фотовольтаїчний модуль та нагрівальний елемент вже настільки добре підібрані, що наявність активної стадії MPPT не є обов’язковою для досягнення поставленої мети. Будь-яку додаткову корисну продуктивність також потрібно зважувати з власним споживанням перетворювача, втратами під час перетворення, додатковими витратами та складністю конструкції.

Виміряні 499 Вт пікової потужності в системі з фотовольтаїчним модулем потужністю приблизно 845 Втп свідчать про те, що корисну електроенергію вже можна безпосередньо передавати нагрівачу за допомогою дуже простої архітектури.

Це відрізняється від прикладу з двома звичайними модулями. З двома звичайними модулями загальною потужністю близько 800 Втп гірша збігність напруги з нагрівальним елементом потужністю 3 кВт/230 В робить активне перетворення енергії значно важливішим, якщо метою є отримання потужності, близької до доступної фотовольтаїчної потужності модулів.

Альтернативно, кілька звичайних модулів можна під’єднати послідовно для підвищення напруги мережі.

Але як тільки встановлюється кілька звичайних високопотужних фотовольтаїчних модулів, загальна доступна потужність значно зростає. У такому випадку використання інвертора та живлення кількох побутових електроприладів зазвичай є більш доцільним, ніж присвячувати всю мережу одному водонагрівачу.

Саме тому ми вважаємо поєднання фотовольтаїчних вікон та прямого постійного струму для нагрівання води особливо природним.

Фотовольтаїчні вікна → прямий постійний струм → нагрівальний елемент → накопичена гаряча вода.

Це не аргумент проти звичайних фотовольтаїчних систем на балконах

Звичайні фотовольтаїчні системи на балконах є чудовим рішенням та допомогли зробити сонячну енергетику доступною для людей, у яких немає даху.

Ми також не стверджуємо, що звичайні модулі не можна використовувати для прямого постійного струму у системах нагрівання води. Вони можуть це робити.

За наявності достатньої кількості модулів у серію, належним чином обраного опору нагрівання або активної схеми живлення DC/DC, звичайні модулі також можуть ефективно нагрівати воду.

Різниця полягає у тому, що типова система для балкона, яка складається з одного або двох звичайних високопотужних модулів, природним чином не підходить до стандартного елемента нагрівача води на 230 В.

Фотовольтаїчні склопакети займають іншу електричну нішу.

Фасад або балкон можуть містити кілька фотовольтаїчних склопакетів, які забезпечують необхідну напругу для прямого нагрівання, не створюючи при цьому багатокіловатну фотовольтаїчну систему.

Це робить цю концепцію особливо привабливою для квартир.

Зберігання енергії у воді замість акумулятора

Резервуар з водою також змінює підхід до визначення розміру фотовольтаїчної системи.

У традиційній електричній системі користувачі часто прагнуть досягти максимально можливої миттєвої потужності.

Для прямого сонячного нагрівання води це не завжди бажано.

Якщо велика фотовольтаїчна установка повністю нагріває резервуар до полудня, додаткова енергія, вироблена пізніше за день, вже не може бути використана цим спеціалізованим навантаженням.

Більш помірна фотовольтаїчна система може замість цього постачати енергію протягом багатьох годин. Нагрівач поступово накопичує цю енергію.

Тож важливою є не лише пікова потужність у ватах, а й корисна кількість кіловат-годин, накопичених протягом дня.

Результати з Бухареста ілюструють це. Система з фотовольтаїчними елементами на вікнах потужністю приблизно 845 Втп, яка давала пікову потужність 499 Вт на нагрівачі, постачила 446 кВт·год протягом першого періоду спостережень та 462 кВт·год протягом другого.

Цього вистачило для покриття відповідно 46,7% та 43,7% енергетичних потреб у гарячій воді для чотириособової родини.

Є також перевага у економії води

Експеримент також виявив ще одну перевагу, яка мало пов’язана з ефективністю фотовольтаїчних панелей.

До використання місцевого нагрівача води квартира користувалась гарячою водою, яка постачалась централізовано.

Як це часто буває у багатьох багатоквартирних будинках, мешканцям доводилося залишати воду текти, поки не надійде достатньо гаряча вода для душу.

У нашому дослідженні в Бухаресті вимірювання показали, що швидкість потоку води під час душу становила 6,7 літра на хвилину, і щоб досягти температури близько 43°C, потрібно було приблизно п’ять хвилин наприкінці вересня.

На основі цих вимірювань та сезонно екстраполованих часів очікування, які становлять приблизно від п’яти до восьми хвилин, модель дослідження оцінила, що протягом часу очікування сім’я з чотирьох осіб, яка приймає по одному душу на людину на день, витрачає приблизно 62,1 кубічних метрів води на рік.

Це не універсальне значення. Часи очікування суттєво варіюються залежно від будівлі, довжини труб, системи циркуляції та умов експлуатації.

Але механізм залишається універсальним.

Якщо гаряча вода генерується локально та зберігається на невеликій відстані від душа, час очікування може стати практично незначним.

У нашому випадку локальний бойлер об’ємом 80 літрів забезпечує переваги, які виходять за межі сонячної енергії: він значно зменшує кількість води, що марнується під час очікування на надходження централізованої гарячої води.

Фотовольтаїчні склопакети також виконують функцію захисту від сонця

Фотовольтаїчні вікна мають ще одну особливість, якої немає у звичайних непрозорих фотовольтаїчних модулях, коли їх просто встановлюють на балконі.

Вони стають частиною конструкції будівлі.

Той самий скло, який генерує електроенергію, також зменшує кількість сонячного випромінювання, що потрапляє до квартири.

Ми окремо прорахували цей ефект для квартири в Бухаресті.

Південна скляна фасада має приблизно 12,9 м² скла, з яких 7,92 м² — це напівпрозоре фотовольтаїчне скло.

Згідно з припущеннями, використаними у дослідженні, заміна звичайного прозорого скла на фотовольтаїчне зменшує надходження сонячного тепла через всю скляну фасаду приблизно на 40%.

Для конкретної квартири та припущень щодо роботи кондиціонерів, використаних у моделі, це відповідає оцінковому зниженню споживання електроенергії на охолодження приблизно на 433–481 кВт·год на літо, з середньою значенням близько 457 кВт·год.

Ці цифри є розрахунковими оцінками, а не фактично виміряними економіями від кондиціонерів. Це важлива різниця.

Проте цей розрахунок ілюструє основну характеристику фотовольтаїків, інтегрованих у будівлі.

Вікна можуть виробляти електроенергію та водночас зменшувати навантаження на систему охолодження.

Для квартир із великими площами скління, орієнтованими на південь, схід чи захід, та значним перегріванням влітку ця додаткова перевага може бути особливо значущою.

Вікна та балкони — це поверхні, якими можуть користуватися мешканці квартир

Дах — не єдине місце, де будівля отримує сонячне випромінювання. Його також отримують фасади квартир.

Фотовольтаїчні склопакети можна інтегрувати у фіксовані віконні елементи, огородження балконів чи скляні перила.

Таким чином використовуються поверхні, які вже мають архітектурну функцію.

Це не означає, що фотовольтаїчні склопакети підходять для кожного фасаду. Потрібно враховувати орієнтацію, затінення, прозорість, архітектурний вигляд та економічні аспекти.

Але для квартир із великою кількістю скла, яке піддається впливу сонця, фасад може стати джерелом енергії без необхідності доступу до даху.

Коли ця електроенергія використовується локально для підготовки гарячої води, системі не потрібно залежати від одночасного споживання електроенергії в домогосподарстві.

Збереження простоти архітектури

Однією з мет нашого пілотного проекту було уникнення зайвих компонентів.

У фотовольтаїчній частині немає акумулятора та сонячного інвертера. Електроенергія від фотовольтаїків безпосередньо в постійному струмі використовується резистивним нагрівальним елементом.

Коли сонячної енергії недостатньо, контролер автоматично перемикає нагрівач на мережу змінного струму після заходу сонця, щоб він міг досягти температури, встановленої термостатом котла.

Концепція автоматичного перемикання між фотовольтаїчним постійним та змінним струмом мережі також була включена до заявки на патент у Румунії, опублікованої Державним управлінням винаходів та торгових марок Румунії.

Але найважливіша частина цієї концепції є простішою за саму систему перемикання.

Це поєднання фотовольтаїчного генератора, інтегрованого у фасад, з відповідними електричними характеристиками постійного струму, простого резистивного навантаження та недорогого теплового сховища, які будинки вже потребують щодня.

Квартири мають стати частиною переходу на сонячну енергію

Більшість обговорень щодо фотовольтаїки в житлових будинках все ще починаються з даху.

Це добре підходить для окремих будинків. Але для мільйонів людей, які живуть у багатоквартирних будинках, це не вирішує проблеми.

Сонячні системи на балконах вже показали, що мешканці квартир хочуть мати доступ до власного виробництва відновлюваної енергії.

Наступне питання полягає у тому, як найефективніше використати обмежену кількість сонячних площ, яка у них є.

Наш пілотний проект у Бухаресті пропонує один із можливих підходів.

Протягом двох послідовних періодів вимірювань фотоелектричні вікна забезпечили 446 кВт·год та 462 кВт·год енергії безпосередньо для опалення гарячої води, що покрило 46,7% та 43,7% відповідно від потреб домогосподарства у енергії для гарячої води.

У домогосподарстві проживають чотири особи, які щодня використовують гарячу воду.

Ця сама установка також забезпечує сонцезахист, а місцеве виробництво гарячої води може зменшити втрати води, пов’язані з очікуванням централізованої гарячої води.

Найважливіше те, що ця система демонструє: фотовольтаїчну електроенергію не завжди потрібно перетворювати на змінний струм, зберігати в акумуляторі чи експортувати до мережі, щоб вона стала корисною.

Іноді найефективніша система зберігання вже знаходиться всередині квартири.

Це резервуар з водою.

А для фотовольтаїчних склопакетів поєднання вищої корисної напруги постійного струму, помірної потужності та можливостей теплового зберігання може зробити пряме використання електроенергії постійним струмом одним із найприродніших способів її використання.

Найцінніший сонячний кіловат-годин може бути не тим, який виробляє найбільша система. Це може бути той, який генерується на балконі, зберігається у вигляді гарячої води та використовується тією самою родиною через кілька годин.

Щомісячні вимірювання та детальні обчислення надаються автором за запитом.