Соларни покриви, които също така отопляват

Погледнете слънчевия панел в един слънчев ден и по-голямата част от енергията, падаща върху него, не прави нищо полезно. Клетките превръщат 15 до 20% от светлината в електричество; 65 до 70% от нея се превръща в топлина, която нагрява панела и го прави по-малко ефективен (Задача 60, 2020 г.). Фотоволтаичният колектор поставя топлообменник зад клетките, пренася топлината във вода или въздух и я използва за гореща вода, отопление на помещенията или термопомпа.

Честното резюме: ПВТ работи, продава се днес и може да достави две до три единици топлина за всяка единица електричество от един и същи покрив, но се изплаща само там, където има стабилно потребление на нискотемпературна топлина, а измерените му разходи все още са по-високи от отделните панели и колектори на повечето места. Тази страница обяснява защо, с цифрите.

Какво е това?

ПВТ колекторът е слънчев панел и слънчев термичен колектор в една рамка. Има три основни семейства (Задача 60, 2020 г.):

• Открити водосъбиратели изглеждат като обикновени панели с плосък топлообменник, залепен към гърба. Те работят хладно, което отговаря на клетките и лесно губят топлина към вятъра. Те представляват 61% от инсталираната топлинна мощност в световен мащаб и най-често се използват като източник на топлина за термопомпа.
• Покрити (остъклени) колектори добавете втори лист стъкло и изолационна въздушна междина пред клетките. Те достигат 50-60 градуса, от които се нуждае битовата гореща вода, но допълнителното стъкло отразява част от светлината и клетките работят по-горещо, така че произвеждат по-малко електричество.
• Колектори за въздух въздух зад панелите и да го използвате за отопление или проветряване на сградата. Те са 33% от инсталираната ПВТ мощност.

Съществуват концентриращи и евакуирани тръбни конструкции, но те играят малка роля (IEA SHC, Solar Heat Worldwide 2025).


Как работи

Лекият бюджет. В ясен ден около 1000 вата слънчева светлина достигат всеки квадратен метър от панел, обърнат към слънцето; 800 вата е по-типичен ярък час. Силициевата клетка преобразува частта от спектъра, която може да използва в електричество. Останалата част се отразява, преминава или се превръща в топлина в клетката.

Топлината прави клетките по-зле. Електрическата ефективност на кристална силициева клетка пада почти линейно с температурата: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C)), където β е около 0,4% на келвин (измереният диапазон е от 0,2 до 0,5%). С прости думи: панел, етикетиран като 20% ефективен при 25 °С, осигурява около 18.4%, когато клетките му са на 45 °С, което е нормално в слънчев ден (Скоплаки и Паливос, 2009).

Събиране на топлината. Топлината, която колекторът доставя следва уравнението в стандарта за изпитване EN ISO 9806: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. Тук η_0 е делът на слънчевата светлина, която се превръща в полезна топлина, когато течността е при температурата на въздуха (около 61% е типично за PVT), T_m е средната температура на течността, T_a температурата на въздуха, G слънчевата светлина във W/m² и a_1, a_2 описват колко бързо топлината изтича. С прости думи: колкото по-горещо искате водата, толкова по-малко топлина събирате, и един непокрит колектор, без стъклен капак да държи вятъра на разстояние, губи топлина много по-бързо от покрит.


Компромиса. Студената вода помага два пъти: клетките работят по-хладно и правят малко повече електричество, а колекторът събира повече топлина. Горещата вода боли два пъти. Ето защо и термопомпите са естествени партньори: една термопомпа иска източник с температура от 5 до 20 точно там, където един открит колектор е най-ефективен. Когато флуидът е по-студен от въздуха, откритият колектор дори извлича топлина от въздуха през деня и нощта, което му позволява да замести външното тяло на термопомпата или да зарежда земята около него Термопомпа с въздух сондажи. Обяснението по-горе ви позволява да опитате това.

Съотношението. Тъй като повече от светлината се превръща в топлина, отколкото електричество, “две или повече единици топлинна енергия се генерират за всяка единица електрическа енергия, в зависимост от ефективността на клетката и дизайна на системата” (Задача 60, 2020 г.).

Ограниченията

Теоретично. Слънчевата светлина осигурява най-много около 1 кВт на квадратен метър по обяд и средно за година, от 100 до 300 м² в зависимост от географската ширина и времето. Никой колектор не може да достави повече енергия, отколкото пада върху него (с изключение на топлината от въздуха, която откритият колектор поглъща, когато е по-студен от въздуха, което е физиката на термопомпата, а не допълнителна слънчева светлина). Електричеството е ограничено от клетката: около една пета от светлината за търговския силиций. Топлината е ограничена до температурата, от която се нуждаете: при 60 един колектор вече губи голяма част от това, което събира.

Практически.

• Топлината трябва да има приложение наблизо. Нискотемпературната топлина не може да се продава в мрежата като електричество. В слънчев следобед през юли къща с пълен резервоар за гореща вода няма къде да постави повече топлина, така че колекторът спира да се събира (“стагнация”) и се нагрява като обикновен панел. Оразмеряването на топлинната страна към реалното търсене е по-важно от всеки детайл на колектора.
• Температурни граници. Повечето панели са сертифицирани за температури на клетките до около 85 ° С. Покрит колектор, оставен в застой през лятото, може да се доближи до това, което остарява капсулантните и спойните връзки.
• Two trades on one roof. PVT needs an electrician and a plumber, two sets of standards (IEC 61215 and 61730 for the electrical side, EN ISO 9806 for the thermal side) and, until recently, no single test standard of its own. Експертите на Международната агенция за енергия посочват като пречки разходите, тестването и уменията на инсталаторите, а не физиката (IEA SHC Task 60 position paper).
• Конкуренция от евтини панели. Обикновените панели станаха толкова евтини, че покривът често може да побере отделни фотоволтаични панели и малък слънчев термичен колектор или фотоволтаични панели плюс термопомпа от въздух, за по-малко пари от система.


Реални проекти, измерени

Проект	Какво е това?	Какво е било измерено или докладвано	Източник
26 примерни системи в задача 60 на МААЕ (Европа и извън нея, 2020 г.)	Битова гореща вода, термопомпени и промишлени системи, наблюдавани за около година	Покрити ПВТ за гореща вода: до около 700 кВтч топлина на м² годишно; открити: около 400 Коефициент на електрическа ефективност 0,66 за покрити и 0,75 за открити колектори (обикновени ФВТ: от 0,7 до 0,85). Термопомпени системи с използване на открити като единствен източник са постигнали сезонен коефициент на ефективност от около 3 в Швейцария	Шуберт и Дзенхайзерн, 2020
Новата кметска сграда, Фрайбург, Германия (2017)	ПВТ колектори за гореща вода на офис сграда с нетно-плюс енергия	Designed to deliver 22 MWh of heat a year against a hot water demand of 145 MWh. The measured demand was only 24 MWh a year, so the collector field was far too large, ran hotter and delivered less heat per m². Solar fraction 29.6%; electrical output as expected	Задача 60, Съществуващи системи за ПВТ
Каросерия Пфистер, Херизау, Швейцария	Открита ПВТ на индустриална сграда	106 кВтч електрическа и 324 кВтч топлинна мощност (номинална, не измерена)	Слънчева топлина в световен мащаб 2025
Нова спортна арена, Австрия	1,130 м² с 80 земни сондата и термопомпа от 540 кВт	Проектиран да задоволява годишно търсене на топлина от 1,4 ГВтч без изкопаеми горива (проектна фигура)	Слънчева топлина в световен мащаб 2025
Световен пазар, 2024	46 производители докладват	37.5 MW thermal and 18.6 MW electrical installed in 2024; France (629,136 m²), Germany and the Netherlands lead	Слънчева топлина в световен мащаб 2025

Случаят във Фрайбург е най-полезният урок на тази страница: колекторите работиха, прогнозата за това колко гореща вода ще използва сградата не. Публикуваните, независимо измерени данни за системите все още са оскъдни; повечето цифри идват от пилотни проекти.


Колко струва

Опция	Цена за кВтч	Година и източник
ПВТ, добре оразмерени системи в примера на задача 60	електричество около 0,20 евро; топлина под 0,10 евро	2020, Шуберт и Зено
ПВТ, средна стойност на извадката от задача 60	електричество 0,10 до 0,15 евро; отопление 0,25 (покрити) до 0,45 (непокрити)	2020 г., един и същи източник (зависи от това как разходите се разделят между топлинна енергия и електроенергия)
ПВТ, моделирана	електричество 0,20 евро; топлина 0,22 евро	Лемле (2019), цитиран в същия доклад
Сравнение: слънчеви панели на покрива на същата сграда	около $0.19 централно	н Модел на вентилаторна стена
Търговски и обществени соларни покриви, САЩ	$0.09 to $0.20	юни 2026 г., Лазард версия 19
Слънчева гореща вода, Европа	0,03 евро (юг) до 0,19 евро (център и север) за кВтч топлина	2015, ЕСТИВ, цитирано от Шуберт и Ценхойзерн
Топлина от газов котел, домакинства в ЕС	около 0,14 евро на кВтч топлина (само гориво: газ при 0,1228 евро на кВтч, 90% ефективен котел)	втората половина на 2025 г., Евростат

Какво казва таблицата: най-добрите системи вече произвеждат топлина за по-малко от разходите за гориво на газов котел в Европа и електричество на цената на покривни панели, но средната пилотна система не го прави. Разликата е огромна, защото стойността на топлината зависи изцяло от това дали тя се използва. Експерти на МАА са си поставили за цел да намалят разходите за колектор с фактор от 1,5 до 2 чрез обем и технология (Задача 60 Позиционен документ).

Къде може да спечели и къде не може

Тя може да спечели:

• Сгради с целогодишно потребление на топлина и малък покрив: жилищни блокове, хотели, болници, плувни басейни, перални, спортни зали. Всеки квадратен метър изпълнява две задачи.
• Като източник на топлина за термопомпа. Откритата система може да замени шумно външно тяло или да зареди сондажно поле, така че да не се охлажда през годините, откъдето идва най-скорошният растеж.
• Warm, sunny places with hot water demand, where covered collectors can meet most of it; a Task 60 system reached a 70% solar share.
• Нискотемпературна промишлена топлина (измиване, сушене, предварително нагряване), където има употреба всеки ден от годината.


Тя не може да спечели:

• Където топлината няма потребител. Ваканционен дом, офис с малко топла вода или къща, която вече се отоплява от термопомпа със собствено външно тяло, може да бъде по-добре обслужвана от обикновени панели.
• При високи температури. Парата и топлината на процеса над около 80 °С са извън това, което фотоволтаичните клетки могат да понасят; концентрирането на слънчева термична или Термично съхранение на енергия По-добре.
• Само на цена срещу евтини панели, докато инсталацията стане толкова рутинна, колкото обикновената фотоволтаична.

Какво е доказано, правдоподобно и спекулативно

Proven: the temperature penalty of silicon cells; the collector physics of EN ISO 9806; that PVT collectors deliver both electricity and heat in real buildings, with measured yields of roughly 400 to 700 kWh of heat per m² a year; that uncovered PVT can serve as the sole source for a heat pump with a seasonal performance factor near 3 in Switzerland; that oversizing the heat side lowers the yield.

Вероятно: че масовото производство и стандартните комплекти могат да намалят разходите с фактор от 1,5 до 2; че термопомпите плюс могат да декарбонизират гъсто населени градски квартали, където няма място за външни тела или сондажи; че по-добрият термичен контакт между клетките и абсорбера повишава и двата добива.


Спекулативна: Нощно лъчисто охлаждане в полезен мащаб (демонстрирано в изследвания, рядко в сгради); дългосрочна трайност на връзката между клетката и абсорбера над 25 години термичен цикъл; интегрирани в сградата фасади на конкурентна цена.

Отворени изследователски въпроси

• Как стареят връзките между клетките и абсорбера и капсулиращите вещества при ежедневно термично циклиране и лятна стагнация? Двадесет и петгодишни данни все още не съществуват.
• Какво е правилното разпределение между обикновена фотоволтаична система и дължина на сондажа в термопомпена система, и колко регенерацията наистина удължава живота на сондажа?
• Може ли един комбиниран стандарт за изпитване и сертифициране да намали разходите и времето за пускане на продукта на пазара?
• Как трябва да се изчисли размерът на топлинната страна, когато реалното търсене на гореща вода е толкова несигурно, както показа Фрайбург?
• Могат ли евтини полимерни топлообменници да съответстват на металните за топлопреминаване и живот?

От какво би се нуждаел един работещ прототип

За изобретател с нов дизайн, доказателството, което се брои е колектор, измерен на слънце, с калибрирани сензори, достатъчно дълго, за да види както добри, така и лоши дни.

Фаза	Работа	Какво доказва това	Груба цена	Време
0. бюро за проучване	Топлопреносен модел на конструкцията, сравнение с публикувани данни за колектора, оценка на разходите	Идеята побеждава съществуващите ПВТ на хартия	$5k to $15к	1 до 2 месеца
1.Пенд и външно изпитване на един колектор	Measured electrical output (I-V curves) and thermal efficiency at several fluid temperatures, following EN ISO 9806 and IEC 60891 methods, in an accredited lab or a careful university setup	Истински η_0, a_1, и наказанието за електрическа температура	$15k to $40к.	3 до 4 месеца
2. Малка система пилот	10 до 20 м² захранване на истински бойлер или термопомпа, с топломери, електромери и метеостанция, една година	Сезонни добиви, стагнационно поведение, надеждност	$40k to $100k	12 месеца
3. Сертифициране	IEC 61215 and 61730 (electrical safety and durability), Solar Keymark (thermal), building approvals	Продукт, който може да бъде продаден и застрахован	$60k to $150k	9 до 12 месеца


Фазите от 0 до 2 струват приблизително $60,000 to $155,000. Това са нашите оценки от типичните лабораторни и мониторингови разходи, а не оферти.

От кого се нуждаем

• Solar thermal engineer with EN ISO 9806 testing experience.
• PV module engineer who understands encapsulants, thermal cycling and IEC 61215.
• Инженер по сградни услуги (ОВК) да се оразмери топлинната страна и да се интегрират термопомпи и акумулатори.
• Специалист по мониторинг да проектира калибрирано измерване на топлинна и електрическа енергия.
• Партньор в производството способни да ламинират и свързват топлообменници по обем.
• Инсталатори и водопроводчици желаещи да изпробват комбинирана инсталация и да докладват реалното време на труд.

Имате по-добра идея?

Може би имате по-добър абсорбатор, по-евтин начин да го свържете или по-умен начин да използвате топлината. Някои членове на Local Solar System Фондацията може да има контакти, които биха могли да чуят за силна енергийна идея. За да бъде представена, една идея се нуждае от работещ, реален модел, който действително произвежда енергия и топлина, измерени с инструмент, а не заявени. Идеи на хартия също са добре дошли: ако физиката и числата са солидни, можем да ги публикуваме тук в сайта. Набирането на капитал без работещ модел е много трудно и не можем да обещаем финансиране, възвръщаемост или въвеждане.

За ПВТ, най-евтиното измерване, което се брои като работен модел е един колектор на открито до идентичен обикновен панел, като температурите на входящата и изходящата вода, дебитът и електрическата мощност на двата панела се записват за няколко слънчеви седмици. Това показва спечелената топлина и спечеленото или загубеното електричество. Изпратете го чрез Форма за участие, и да видим как се сравнява с други идеи на пазара. Радар за идеи.

Източници

1. Стойчев, М. и др. (2020). Основни понятия за ПВТ колекторни технологии, области на приложение и пазар. 60, доклад D5.
2. Скоплакис, Е. и Паливос, Дж.А. (2009). Относно температурната зависимост на електрическите характеристики на фотоволтаичния модул: преглед на корелациите ефективност/мощност. Слънчева енергия 83(5), 614-624.
3. АЕЕ ИНТЕК и МААЕ СХС (2025). Слънчева топлина в световен мащаб, издание 2025, глава 5.4, Фотоволтаично-термични системи.
4. IEA PVPS (2025). Снимка на глобалните фотоволтаични пазари 2025.
5. Задача 60 на МААЕ за СЗХ (2020 г.). Позиционен документ за ПВТ технологията.
6. Шуберт, М. и Ценхойзерн, Д. (2020). Оценка на ефективността на примерни системи за ПВТ. IEA SHC Task 60, Report D2.
7. Задача 60 на МААЕ за СЗХ (2020 г.). Съществуващи системи и решения, включително информационния лист за новото кметство във Фрайбург (след Рео и др., 2019).
8. 2017 г. (на английски). ISO 9806:2017, Solar energy: solar thermal collectors, test methods.
9. Чоу, Т.Т. (2010). Преглед на фотоволтаична/термична хибридна слънчева технология. Приложна енергетика 87(2), 365-379.
10. Ерандо, М., Маркидес, К.Н. и Хелгарт, К. (2014). Оценка на хибридни фотоволтаични и слънчеви термални системи за битово отопление и електроенергия: системна ефективност. Приложна енергетика 122, 288-309.
11. Лазар (юни 2026). Изравнена цена на енергията + версия 19: общност и С&И слънчева енергия $88 to $197 за MWh.
12. Евростат (2026 г.). Статистика за цените на природния газ: Средно за домакинствата в ЕС 0,1228 евро на кВтч, втората половина на 2025 г.
13. Local Solar System Фондация (2020, модел актуализиран 2026). Стената на фена: отворен модел, слънчева базова линия на покрива.