Saulės energijos stogai, kurie taip pat šildo

Pažvelkite į saulės bateriją saulėtą dieną ir didžioji dalis energijos, kuri patenka ant jo, nedaro nieko naudingo. Ląstelės paverčia 15–20 % šviesos į elektrą; 65–70 % jos virsta šiluma, kuri sušildo skydelį ir daro jį mažiau efektyvų (IEA SHC Task 60, 2020). Fotovoltinis-terminis (PVT) kolektorius už elementų įrengia šilumokaitį, kuris šią šilumą perduoda vandeniui ar orui ir naudoja ją karštam vandeniui, patalpų šildymui arba šilumos siurbliui.

Sąžininga santrauka: PVT veikia, yra parduodamas šiandien ir gali tiekti du ar tris vienetus šilumos kiekvienam elektros energijos vienetui iš to paties stogo, tačiau jis atsiperka tik ten, kur yra nuolatinis žemos temperatūros šilumos naudojimas, o jo išmatuotos sąnaudos vis dar yra didesnės nei atskirų plokščių ir kolektorių daugelyje vietų. Šiame puslapyje paaiškinama, kodėl, su skaičiais.

Kas tai yra

PVT kolektorius – tai saulės baterija ir saulės šilumos kolektorius viename rėmelyje. Yra trys pagrindinės šeimos (IEA SHC Task 60, 2020):

• Neuždengti vandens kolektoriai atrodo kaip įprastos plokštės su plokščiu šilumokaičiu, pritvirtintu prie nugaros. Jie veikia vėsiai, kuris tinka ląstelių, ir praranda šilumą lengvai vėjo. Jie sudaro 61 % pasaulyje įrengtų PVT šiluminių pajėgumų ir dažniausiai naudojami kaip šilumos siurblio šilumos šaltinis.
• Padengti (įstiklinti) kolektoriai prideda antrą stiklo lakštą ir izoliacijos oro tarpą priešais ląsteles. Jie pasiekia 50–60 °C temperatūrą, kurios reikia karštam buitiniam vandeniui, tačiau papildomas stiklas atspindi tam tikrą šviesos kiekį ir elementai įkaista, todėl jie gamina mažiau elektros.
• Oro kolektoriai pučia orą už plokščių ir naudoja jį pastato šildymui ar vėdinimui. Tai sudaro 33 proc. įrengtų PVT pajėgumų.

Koncentravimo ir vakuuminių vamzdžių konstrukcijos egzistuoja, bet vaidina nedidelį vaidmenį (IEA SHC, Solar Heat Worldwide 2025).

Kaip tai veikia

Šviesos biudžetas. Aiškią dieną apie 1000 W saulės šviesos pasiekia kiekvieną kvadratinį metrą plokštės, nukreiptos į saulę; 800 W yra labiau tipiška šviesi valanda. Silicio elementas paverčia tą spektro dalį, kurią jis gali naudoti į elektros energiją. Likusi dalis yra atspindėta, praeina per ląstelę arba tampa šiluma.

Šiluma daro ląsteles blogiau. Kristalinio silicio elemento elektrinis efektyvumas mažėja beveik tiesiškai su jo temperatūra: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C)), kur β yra apie 0,4% vienam kelvinui (matuojamas diapazonas yra nuo 0,2 iki 0,5%). Paprastai tariant: plokštė, pažymėta 20% efektyvumu esant 25 °C temperatūrai, suteikia apie 18,4%, kai jos elementai yra 45 °C temperatūroje, o tai normalu saulėtą dieną (Skoplaki ir Palyvos, 2009).

Šilumos surinkimas. Kolektoriaus perduodama šiluma atitinka bandymų standarte EN ISO 9806 pateiktą lygtį: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. Čia η_0 yra saulės šviesos dalis, kuri tampa naudinga šiluma, kai skystis yra oro temperatūroje (apie 61% yra tipiška PVT), T_m yra vidutinė skysčio temperatūra, T_a oro temperatūra, G saulės spinduliai W/m² ir a_1, a_2 apibūdina kaip greitai šiluma išnyksta. Paprastais žodžiais tariant: kuo karštesnis norite vandens, tuo mažiau šilumos surenkate, o neuždengtas kolektorius be stiklo dangčio, kad būtų išvengta vėjo, praranda šilumą daug greičiau nei uždengtas.

Kompromisas. Vėsus vanduo padeda du kartus: ląstelės veikia vėsiau ir šiek tiek daugiau elektros energijos, o kolektorius surenka daugiau šilumos. Karštas vanduo skauda du kartus. Štai kodėl PVT ir šilumos siurbliai yra natūralūs partneriai: šilumos siurblys nori šaltinio, kurio temperatūra būtų nuo 5 iki 20 °C, būtent ten, kur atviras PVT kolektorius yra efektyviausias. Kai skystis yra šaltesnis už orą, neuždengtas kolektorius netgi išgauna šilumą iš oro dieną ir naktį, todėl jis gali pakeisti oro šilumos siurblio lauko įrenginį arba papildyti žemę aplink žemės šilumos siurblio gręžinius. Aukščiau pateiktas paaiškinimas leidžia tai išbandyti.

Santykis. Kadangi daugiau šviesos virsta šiluma nei elektra, „du ar daugiau šiluminės energijos vienetų yra generuojami kiekvienam elektros energijos vienetui, priklausomai nuo ląstelių efektyvumo ir sistemos dizaino“ (IEA SHC Task 60, 2020 m.).

Ribos

Teoriškai. Saulės šviesa vidudienį suteikia daugiausia apie 1 kW vienam kvadratiniam metrui, o vidutiniškai per metus – nuo 100 iki 300 W vienam m², priklausomai nuo platumos ir oro sąlygų. Joks kolektorius negali tiekti daugiau energijos, nei patenka į jį (išskyrus oro šaltinio šilumą, kurią neuždengtas kolektorius įsiurbia, kai jis veikia šalčiau nei oras, o tai yra šilumos siurblio fizika, o ne papildoma saulės šviesa). Elektros energija yra apribota ląstelės: apie penktadalį šviesos, naudojamos komerciniam siliciui. Šiluma yra apribota iki reikiamos temperatūros: esant 60 °C, kolektorius jau praranda didelę dalį to, ką surenka.

Praktiškas.

• Šilumos reikia naudoti netoliese. Žemos temperatūros šilumos negalima parduoti į tinklą kaip elektros energijos. Saulėtą liepos popietę namas su pilnu karšto vandens baku neturi kur daugiau šilumos, todėl kolektorius nustoja rinkti (“stagnacija”) ir įkaista kaip paprastas skydas. Šilumos pusės dydis pagal realius poreikius yra svarbesnis nei bet kuri kolektoriaus detalė.
• Temperatūros ribos. Dauguma plokščių yra sertifikuotos ląstelių temperatūrai iki maždaug 85 °C. Vasarą uždengtas kolektorius gali priartėti prie to, kuris senėja kapsulės ir litavimo jungtyse.
• Dvi profesijos ant vieno stogo. PVT reikia elektriko ir santechniko, dviejų standartų rinkinių (IEC 61215 ir 61730 elektros pusėje, EN ISO 9806 šiluminės pusės) ir iki šiol nebuvo jokio atskiro bandymo standarto. Tarptautinės energetikos agentūros ekspertai išvardija kainą, bandymus ir įrengimo įgūdžius, o ne fiziką kaip kliūtis (IEA SHC Task 60 position paper).
• Konkurencija iš pigių plokščių. Paprastos plokštės tapo tokios pigios, kad ant stogo dažnai galima pastatyti atskiras fotovoltines plokštes ir nedidelį saulės kolektorių arba fotovoltines plokštes ir oro šilumos siurblį už mažiau nei PVT sistema.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kas tai yra	Kas buvo išmatuota arba apie ką pranešta	Šaltinis
26 pavyzdžių sistemos IEA SHC Task 60 (Europa ir už jos ribų, 2020 m.)	Karšto vandens, šilumos siurblio ir pramoninių sistemų stebėjimas maždaug metus	Uždengtas PVT karštam vandeniui: iki 700 kWh šilumos vienam m² per metus; neuždengtas: apie 400. Elektrinis efektyvumo koeficientas 0,66 uždengtiems ir 0,75 neuždengtiems kolektoriams (įprasti FV: nuo 0,7 iki 0,85).Šilumos siurblių sistemos, naudojančios neuždengtą PVT kaip vienintelį šaltinį, Šveicarijoje pasiekė sezoninį naudingumo koeficientą apie 3	Šubertas ir Zenhäusernas, 2020
Naujoji rotušė, Freiburgas, Vokietija (2017)	PVT kolektoriai karštam vandeniui biurų pastate, kuriame naudojama grynoji energija ir energijos sąnaudos	Suprojektuotas tiekti 22 MWh šilumos per metus, kai karšto vandens poreikis yra 145 MWh. Išmatuotas poreikis buvo tik 24 MWh per metus, todėl kolektorius buvo per didelis, dirbo karščiau ir suteikė mažiau šilumos vienam m². Saulės energijos dalis 29,6 %; elektros energijos išvestis kaip tikėtasi	IEA SHC Task 60, Existing PVT systems
Karoserija Pfister, Herisau, Šveicarija	Atviras PVT ant pramoninio pastato	106 kWp elektros ir 324 kW šiluminė galia (vardinė, ne išmatuota galia)	IEA SHC, Saulės šiluma visame pasaulyje 2025
Nauja sporto arena, Austrija	1130 m² PVT su 80 žemės zondų ir 540 kW šilumos siurbliu	Sukurta patenkinti 1,4 GWh šilumos poreikį per metus be iškastinio kuro (projektinis pavyzdys)	IEA SHC, Saulės šiluma visame pasaulyje 2025
Pasaulio rinka, 2024 m.	46 gamintojai praneša	37.5 MW thermal and 18.6 MW electrical installed in 2024; France (629,136 m²), Germany and the Netherlands lead	IEA SHC, Saulės šiluma visame pasaulyje 2025

Freiburgo atvejis yra pati naudingiausioji pamoka šiame puslapyje: kolektoriai dirbo, prognozė, kiek karšto vandens pastatas sunaudotų, nebuvo. Paskelbtų, nepriklausomai išmatuotų PVT sistemų duomenų vis dar trūksta; dauguma skaičių gaunami iš bandomųjų projektų.

Kiek tai kainuoja

Pasirinkimas	Kaina už kWh	Metai ir šaltinis
PVT, gerai suprojektuotos sistemos 60 užduoties pavyzdyje	elektros energija apie 0,20 €; šiluma žemiau 0,10 €	2020, Šubertas ir Zenhäusernas
PVT, 60 užduoties imties vidurkis	nuo 0,10 iki 0,15 EUR už elektros energiją; nuo 0,25 (padengtas) iki 0,45 EUR (nepadengtas) už šildymą	2020 m., tas pats šaltinis (priklauso nuo to, kaip šilumos ir elektros energijos sąnaudos yra paskirstomos)
PVT, modeliuotas	elektros energija 0,20 €; šiluma 0,22 €	Lämmle (2019), cituojama toje pačioje ataskaitoje
Etalonas: saulės baterijos ant stogo tame pačiame pastate	apie $0.19 central	Ventiliatoriaus sienos modelis
Komercinės ir bendruomeninės saulės stogo sistemos, Jungtinės Valstijos	$0.09 to $0.20	2026 m. birželis, Lazard LCOE+ versija 19
Saulės šilumos karštas vanduo, Europa	nuo 0,03 EUR (Pietų regionas) iki 0,19 EUR (centras ir Šiaurės regionas) už šilumos kWh	2015, ESTIF, cituojama Schubert ir Zenhäusern
Šiluma iš dujinio katilo, ES namų ūkiai	apie 0,14 EUR už kWh šilumos (tik kuras: dujos – 0,1228 EUR už kWh, katilas efektyvus 90 proc.)	2025 m. antroji pusė, Eurostatas

Ką rodo lentelė: geriausia PVT sistema jau dabar šildo už mažiau nei kainuoja dujinis katilas Europoje, o elektra – maždaug tiek pat, kiek stogo plokštės, tačiau vidutinė bandomoji sistema to nedaro. Skirtumas yra didžiulis, nes šilumos vertė visiškai priklauso nuo to, ar ji naudojama. Tarptautinės energetikos agentūros ekspertai nustatė tikslą sumažinti PVT kolektorių sąnaudas nuo 1,5 iki 2 kartų dėl apimties ir technologijos (Task 60 position paper).

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Pastatai, kuriuose šilumos poreikis yra ištisus metus ir kurie turi nedidelį stogą: daugiabučiai namai, viešbučiai, ligoninės, baseinai, skalbyklos, sporto salės. Kiekvienas kvadratinis metras atlieka du darbus.
• Kaip šilumos siurblio šilumos šaltinis. Neuždengtas PVT gali pakeisti triukšmingą lauko įrenginį arba įkrauti gręžinio lauką, kad jis nebūtų atvėsęs per metus, iš kur atsirado naujausias augimas.
• Šiltos, saulėtos vietos su karšto vandens poreikiu, kur padengti kolektoriai gali patenkinti didžiąją dalį; Task 60 sistema pasiekė 70% saulės dalies.
• Žemos temperatūros pramoninė šiluma (skalbimas, džiovinimas, pašildymas), kur yra naudojama kiekvieną metų dieną.

Jis negali laimėti:

• Kur šiluma neturi naudotojo. Atostogų name, biure su mažai karšto vandens arba name, kuris jau yra šildomas šilumos siurbliu su savo lauko įrenginiu, gali būti geriau tarnauti paprastos plokštės.
• Aukštoje temperatūroje. Garai ir proceso šiluma, viršijanti maždaug 80 °C, yra didesnė nei fotovoltinės elementai gali toleruoti; geriau tinka koncentruota saulės šiluma arba šilumos kaupimas.
• Vien dėl kainos prieš pigias plokštes, kol įrengimas tampa toks pat įprastas kaip ir paprastas PV.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: silicio elementų temperatūros bauda; EN ISO 9806 standarte nurodyta kolektorių fizika; kad PVT kolektoriai realiuose pastatuose tiekia ir elektros energiją, ir šilumą, o išmatuota jų galia yra maždaug 400–700 kWh šilumos vienam m² per metus; kad Šveicarijoje neuždengtas PVT gali būti vienintelis šaltinis šilumos siurbliui, kurio sezoninis efektyvumo koeficientas yra artimas 3; kad dėl per didelio šiluminės pusės dydžio sumažėja galia.

Tikėtina: kad masinė gamyba ir standartiniai rinkiniai galėtų sumažinti sąnaudas 1,5–2 kartus; kad PVT plius šilumos siurbliai gali sumažinti anglies dvideginio kiekį tankiai gyvenamuosiuose rajonuose, kuriuose nėra vietos lauko įrenginiams ar gręžiniams; kad geresnis terminis kontaktas tarp elementų ir absorberio padidina abu išteklius.

Spekuliacinis: PVT pagrįstas naktinis spindulinis aušinimas naudingame lygyje (įrodytas tyrimuose, retai pastatuose); ilgalaikis elementų ir absorberio ryšio patvarumas per 25 metų šiluminį ciklą; į pastatą integruoti PVT fasadai už konkurencingą kainą.

Atviri tyrimo klausimai

• Kaip ląstelių ir absorbentų jungtys ir kapsulės senėja kasdienio terminio ciklo ir vasaros stagnacijos metu? Twenty-five-year field data does not yet exist.
• Koks yra tinkamas PVT, įprastos PV ir gręžinio ilgio santykis šilumos siurblio sistemoje ir kiek iš tikrųjų PVT regeneracija prailgina gręžinio tarnavimo laiką?
• Ar vienas bendras bandymų standartas ir sertifikavimas gali sumažinti PVT produkto pateikimo į rinką išlaidas ir laiką?
• Kaip montuotojai turėtų apskaičiuoti šildymo pusę, kai realus karšto vandens poreikis yra toks neaiškus, kaip parodė Freiburgas?
• Ar pigūs polimeriniai šilumokaičiai gali atitikti metalinius šilumos perdavimo ir tarnavimo laiko atžvilgiu?

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Išradėjui, turinčiam naują PVT dizainą, svarbiausias įrodymas yra saulės kolektoriaus matavimas kalibruotais jutikliais pakankamai ilgai, kad būtų galima matyti tiek geras, tiek blogas dienas.

Fazė	Darbas	Ką tai įrodo	Apytikslė kaina	Laikas
0. darbastalio tyrimas	Projekto šilumos perdavimo modelis, palyginimas su publikuotais kolektoriaus duomenimis, sąnaudų apskaičiavimas	Idėja pranoksta esamą PVT ant popieriaus	$5k to $15k	1-2 mėnesiai
1. Vieno kolektoriaus stendo ir lauko bandymas	Išmatuota elektros galia (I-V kreivės) ir šilumos efektyvumas esant įvairioms skysčio temperatūroms, taikant EN ISO 9806 ir IEC 60891 metodus, akredituotoje laboratorijoje arba kruopščiai sutvarkytame universitete	Tikrasis η_0, a_1 ir elektros temperatūros bauda	$15k to $40k	3-4 mėnesiai
2. Mažos sistemos bandomasis projektas	10–20 m² ploto karšto vandens bako arba šilumos siurblio maitinimas, su šilumos skaitikliais, elektros skaitikliais ir oro stotimi, vieneriems metams	Sezoniniai derliai, stagnacijos elgsena, patikimumas	$40k to $100k	12 mėnesių
3. Sertifikavimas	IEC 61215 ir 61730 (elektrinė sauga ir patvarumas), Solar Keymark (šilumos), pastatų patvirtinimai	Produktas, kurį galima parduoti ir apdrausti	$60k to $150k	9–12 mėnesių

0–2 etapai kainuoja maždaug $60,000 to $155,000. Tai yra mūsų apskaičiavimai, pagrįsti įprastomis laboratorinėmis ir stebėjimo išlaidomis, o ne citatos.

Ko mums reikia

• Saulės šilumos inžinierius su EN ISO 9806 testavimo patirtimi.
• PV modulio inžinierius, kuris supranta kapsuliatorius, šiluminį ciklą ir IEC 61215.
• Pastatų techninės priežiūros (ŠVOK) inžinierius šilumos pusės dydį ir integruoti šilumos siurblius bei saugyklas.
• Monitoravimo specialistas kalibruotų šilumos ir elektros energijos apskaitos projektavimo darbams.
• Gamybos partneris, galintis laminuoti ir klijuoti šilumokaičius pagal užsakymą.
• Montuotojai ir santechnikai norintys išbandyti kombinuotą įrengimą ir pranešti apie tikrąjį darbo laiką.

Turite geresnę idėją?

Galbūt turite geresnį absorbentą, pigesnį būdą jį sujungti arba protingesnį būdą naudoti šilumą. Kai kurie Local Solar System fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiančio, realaus modelio, kuris iš tikrųjų gamina energiją ir šilumą, matuojamas prietaisu, o ne reikalaujamas. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir mes negalime pažadėti finansavimo, grąžos ar pristatymų.

PVT atveju pigiausias matavimas, kuris laikomas veikiančio modelio rodikliu, yra vienas kolektorius lauke šalia identiškos įprastos plokštės, su įleidimo ir išleidimo vandens temperatūra, srauto greičiu ir abiejų plokščių elektros galia registruojama per kelias saulėtas savaites. Tai rodo šilumos įgyta ir elektros energijos įgytas arba prarastas. Siųskite jį per įnašo formą ir pamatykite, kaip PVT lyginama su kitomis idėjomis idėjų radare.

Šaltiniai

1. K., M. ir kt. (2020). PVT kolektorių technologijų pagrindinės sąvokos, taikymo sritys ir rinka. IEA SHC Task 60, ataskaita D5.
2. Palyvos, J.A. and Skoplaki, E. (2009). Fotovoltinių modulių elektros charakteristikų priklausomybė nuo temperatūros: efektyvumo ir galios koreliacijų apžvalga. Saulės energija 83(5), 614-624.
3. AEE INTEC ir IEA SHC (2025 m.). Solar Heat Worldwide, 2025 edition, 5.4 skyrius, Fotovoltinės-šilumos sistemos.
4. IEA PVPS (2025). Pasaulinių PV rinkų 2025 m. Momentinė nuotrauka.
5. IEA SHC Task 60 (2020 m.). PVT technologijų pozicijos dokumentas.
6. Schubert, M. ir Zenhäusern, D. (2020). Pavyzdinių PVT sistemų eksploatacinių savybių vertinimas. IEA SHC Task 60, ataskaita D2.
7. IEA SHC Task 60 (2020 m.). Esamo PVT sistemos ir sprendimai, įskaitant naują Freiburgo rotušės informacinį biuletenį (pagal Réhault et al., 2019).
8. 2017 m. (anglų k.) ISO 9806:2017, Saulės energija: saulės šilumos kolektoriai, bandymo metodai.
9. Chow, T.T. (2010). Fotovoltinės/šiluminės hibridinės saulės energijos technologijos apžvalga. Taikomoji energetika 87(2), 365-379.
10. Herrando, M., Markides, C.N. ir Hellgardt, K. (2014). Jungtinėje Karalystėje atliktas hibridinių PV ir saulės šilumos sistemų, skirtų buitiniam šildymui ir elektros energijos gamybai, vertinimas: sistemos veikimas. Taikomoji energetika 122, 288-309.
11. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, versija 19: bendruomenės ir C&I saulės $88 to $197 už MWh.
12. Eurostatas (2026 m.). Gamtinių dujų kainų statistika: ES namų ūkių vidurkis 0,1228 EUR už kWh, 2025 m. antroji pusė.
13. Local Solar System Fondas (2020 m., modelis atnaujintas 2026 m.). Ventiliatoriaus siena: atviras modelis, stogo saulės energijos etalonas.