Солнечные крыши, которые также обогревают

Посмотрите на солнечной панели в солнечный день и большая часть энергии, падающей на него не делает ничего полезного. Элементы превращают 15-20% света в электричество; 65-70% из него становится теплом, которое нагревает панель и делает ее менее эффективной (IEA SHC Task 60, 2020). Фотоэлектрический тепловой (PVT) коллектор устанавливает теплообменник за элементами, переносит это тепло в воду или воздух и использует его для горячей воды, отопления помещений или теплового насоса.

Честное резюме: PVT работает, продается сегодня и может доставить две-три единицы тепла на каждую единицу электроэнергии с той же крыши, но это только окупается там, где есть постоянное использование для низкотемпературного тепла, и его измеренные затраты все еще выше, чем отдельные панели и коллекторы в большинстве мест. На этой странице объясняется, почему, с цифрами.

Что это такое

PVT коллектор представляет собой солнечную батарею и солнечный тепловой коллектор в одной раме. Существует три основных семейства (IEA SHC Task 60, 2020):

• Открытые коллекторы воды выглядят как обычные панели с плоским теплообменником, прикрепленным к задней части. Они работают холодно, что подходит для ячеек, и теряют тепло легко на ветер. Они составляют 61% установленной тепловой мощности PVT во всем мире и чаще всего используются в качестве источника тепла для тепловых насосов.
• Стеклянные коллекторы имеют второй стеклянный лист и изолирующую воздушную полость перед ячейками. Они достигают 50-60 ° C, что горячая вода в домашних условиях необходимо, но дополнительное стекло отражает некоторый свет и элементы работать жарче, так что они производят меньше электроэнергии.
• Воздушные коллекторы выдуваются за панели и используются для отопления или вентиляции здания. Они составляют 33% от установленной мощности ПВТ.

Существуют концентрирующие и вакуумные трубки, но они играют незначительную роль (IEA SHC, Solar Heat Worldwide 2025).

Как это работает

Бюджет освещения. В ясный день на каждый квадратный метр панели, обращенной к солнцу, приходится около 1000 Вт солнечного света; более типичный яркий час составляет 800 Вт. Кремниевый элемент преобразует часть спектра, которую он может использовать, в электричество. Остальная часть отражается, проходит через или превращается в тепло в ячейке.

Тепло делает клетки хуже. Электрический КПД кристаллического кремния уменьшается почти линейно с его температурой: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C))где β составляет около 0,4% на кельвин (диапазон измерений - от 0,2 до 0,5%). Проще говоря: панели, имеющие маркировку 20% эффективности при 25 °C, дают около 18,4%, когда ее элементы находятся при температуре 45 °C, что нормально в солнечный день (Skoplaki and Palyvos, 2009).

Сбор тепла. Тепло, которое выделяет коллектор, соответствует уравнению в стандарте испытаний EN ISO 9806: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. Здесь η_0 - доля солнечного света, которая превращается в полезное тепло при температуре жидкости на уровне воздуха (около 61% типично для PVT), T_m - средняя температура жидкости, T_a - температура воздуха, G - количество солнечного света в Вт/м² и a_1, a_2 описывают, как быстро тепло уходит. Проще говоря: чем горячее вы хотите воду, тем меньше тепла вы собираете, и открытый коллектор, без стеклянной крышки, чтобы удержать ветер от, теряет тепло гораздо быстрее, чем покрытый.

Компромисс. Холодная вода помогает дважды: клетки работают холоднее и делать немного больше электричества, а коллектор собирает больше тепла. Горячая вода больна дважды. Поэтому PVT и тепловыделяющие насосы являются естественными партнерами: тепловой насос требует источника с температурой от 5 до 20 °C, именно там, где открытый коллектор PVT является наиболее эффективным. Когда жидкость холоднее, чем воздух, открытый коллектор даже черпает тепло из воздуха, день и ночь, что позволяет ему заменить наружной части воздушного источника теплового насоса или перезарядить землю вокруг земля-источник теплового насоса скважин. Вышеприведенный объяснитель позволяет вам попробовать это.

Соотношение. Поскольку больше света превращается в тепло, чем электричество, «две или более единиц тепловой энергии генерируются на каждую единицу электрической энергии, в зависимости от эффективности ячейки и конструкции системы» (Задача 60 МЭА по СВЧ, 2020 год).

Пределы

Теоретически. Солнечный свет в полдень дает максимум около 1 кВт на квадратный метр, а в среднем за год от 100 до 300 Вт на м² в зависимости от широты и погодных условий. Ни один коллектор не может обеспечить больше энергии, чем попадает на него (за исключением тепла из источника воздуха, которое открывается в открытом коллекторе, когда он работает холоднее воздуха, что является физикой тепловых насосов, а не дополнительным солнечным светом). Электричество ограничено ячейкой: около одной пятой от света для коммерческого кремния. Тепло ограничивается температурой, которая вам нужна: при 60 °C коллектор уже теряет большую часть того, что он собирает.

Практично.

• Тепло должно иметь применение поблизости. Низкотемпературное тепло не может быть продано в сеть, как электричество. В солнечный июльский день в доме с полным водонагревателем нет куда положить больше тепла, поэтому коллектор перестает собирать («застой») и нагревается как обычная панель. Размер теплой стороны к реальному спросу имеет большее значение, чем любая деталь коллектора.
• Температурные ограничения. Большинство панелей сертифицированы для температуры камеры до 85 °C. Покрытый коллектор, оставленный в застое летом, может приблизиться к тому, что стареет капсулирующим и паяльными соединениями.
• Два ремесла на одной крыше. PVT требуется электрик и сантехник, два стандарта (IEC 61215 и 61730 для электротехнической стороны, EN ISO 9806 для тепловых характеристик) и до недавнего времени отсутствовал единый собственный стандарт испытаний. Эксперты МЭА перечисляют стоимость, тестирование и навыки установщиков, а не физику, как барьеры (IEA SHC Task 60 position paper).
• Конкуренция от дешевые панели. Обычные панели стали настолько дешево, что крыша часто может содержать отдельные фотоэлектрические панели и небольшой солнечный тепловой коллектор, или фотоэлектрических панелей плюс воздушного источника теплового насоса, за меньше денег, чем PVT системы.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Что это такое	Что было измерено или отражено в отчетности	Источник
26 примерных систем в рамках задачи 60 МЭА по СВЧ (Европа и другие регионы, 2020 год)	Бытовые системы горячего водоснабжения, тепловыделения и промышленные системы, мониторинг в течение примерно одного года	Покрытые ПВТ для горячей воды: до около 700 кВт·ч тепла на м² в год; открытые: около 400. Коэффициент электрической эффективности 0,66 для покрытых и 0,75 для открытых коллекторов (обычные ФВТ: от 0,7 до 0,85). Системы теплонасосов с открытыми ПВТ как единственным источником достигли сезонного коэффициента эффективности около 3 в Швейцарии	Шуберт и Ценхайзерн, 2020
Новая ратуша, Фрайбург, Германия (2017)	PVT-коллекторы для горячей воды на офисном здании с чистым энергопотреблением	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 МЭА по СГС, существующие системы ПВТ
Кароссерия Пфистер, Херизау, Швейцария	Открытая ПВТ на промышленном здании	Электрическая мощность 106 кВт и тепловая мощность 324 кВт (номинальная, не измеренная)	МЭА СХК, Солнечная энергия во всем мире в 2025 году
Новая спортивная арена, Австрия	1130 м² ПВТ с 80 наземными зондами и тепловым насосом мощностью 540 кВт	Спроектирован для удовлетворения потребности в тепле в размере 1,4 ГВт/ч в год без использования ископаемого топлива (рис. проекта)	МЭА СХК, Солнечная энергия во всем мире в 2025 году
Мировой рынок, 2024 год	46 производителей, представляющих отчетность	37.5 MW thermal and 18.6 MW electrical installed in 2024; France (629,136 m²), Germany and the Netherlands lead	МЭА СХК, Солнечная энергия во всем мире в 2025 году

Фрайбургский случай является самым полезным уроком на этой странице: коллекторы работали, прогнозирование того, сколько горячей воды будет использовать здание, не сработало. Опубликованных, независимо измеренных данных по системам ПВТ все еще не хватает; большинство цифровых данных получено в ходе экспериментальных проектов.

Что это стоит

Вариант	Стоимость в расчете на кВт·ч	Год и источник
ПВТ, системы с надлежащими размерами в выборке задачи 60	электричество около 0,20 евро; тепло ниже 0,10 евро	2020, Шюберт и Ценхойзерн
PVT, среднее значение по выборке задачи 60	электричество 0,10-0,15 евро; тепло 0,25 (покрыто)-0,45 евро (не покрыто)	2020 год, тот же источник (в зависимости от распределения затрат между теплом и электроэнергией)
ПВТ, смоделированная	электричество 0,20 евро; тепло 0,22 евро	Lämmle (2019), цитируется в том же докладе
Эталон: солнечные панели на крыше того же здания	около $0.19 центральный	наша Модель стенового вентилятора
Коммерческие и общинные солнечные батареи на крышах, Соединенные Штаты	$0.09 to $0.20	Июнь 2026, Lazard LCOE+ версия 19
Солнечная тепловая горячая вода, Европа	0,03 евро (юг) - 0,19 евро (центр и север) за кВт·ч тепла	2015, ESTIF, цитируется по Schubert и Zenhäusern
Тепло от газового котла, домашние хозяйства ЕС	около 0,14 евро за кВт/ч тепла (только топливо: газ по цене 0,1228 евро за кВт/ч, котел с КПД 90%)	вторая половина 2025 года, Евростат

Что говорит таблица: лучшие системы PVT уже делают тепло за менее чем газовый котел топлива стоит в Европе и электроэнергии по цене около панелей крыши, но средняя пилотная система не. Спред огромный, потому что стоимость тепла полностью зависит от того, используется ли он. Эксперты МЭА поставили перед собой цель сократить затраты на коллекторы ПВТ в 1,5-2 раза за счет объема и технологии (Задача 60 - позиционный документ).

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Здания с круглогодичными потребностями в тепле и небольшой крышей: многоквартирные дома, гостиницы, больницы, бассейны, прачечные, спортивные залы. Каждый квадратный метр выполняет две функции.
• В качестве источника тепла для теплового насоса. Непокрытые PVT может заменить шумный наружной единицы или перезарядить буровой поля, так что он не охлаждается в течение многих лет, где самый последний рост пришел от.
• Теплые, солнечные места с потреблением горячей воды, где покрытые коллекторами панели могут обеспечить большую часть этого потребления; система ” Задача 60 ” достигла 70-процентной доли солнечной энергии.
• Низкотемпературное промышленное тепло (мыть, сушить, предварительного нагрева), где есть использование каждый день в году.

Он не может выиграть:

• Где тепло не имеет пользователя. Дом отдыха, офис с малой горячей водой или дом уже нагревается тепловым насосом с собственным наружным блоком может лучше обслуживаться обычными панелями.
• При высоких температурах. Пар и технологическое тепло свыше 80°C превышают допустимые значения для фотоэлектрических элементов; концентрирование солнечной тепловой или электрической энергии термическое хранение лучше подходит.
• На цене в одиночку против дешевых панелей, пока установка становится так же рутинной, как обычная фотоэлектрическая.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: температурный ущерб кремниевых элементов; физика коллекторов EN ISO 9806; что PVT-коллекторы обеспечивают как электроэнергию, так и тепло в реальных зданиях с измеренной производительностью примерно 400 - 700 кВт·ч тепла на м² в год; что открытый PVT может служить единственным источником для теплового насоса со сезонным коэффициентом эффективности около 3 в Швейцарии; что чрезмерное увеличение тепловой стороны снижает производительность.

Вероятно: что массовое производство и стандартные комплекты могут снизить затраты в 1,5-2 раза; что тепловые насосы PVT plus могут обеспечить декарбонизацию густонаселенных городских кварталов, где нет места для установки наружных устройств или буровых скважин; что более эффективный термический контакт между элементами и абсорбером повышает оба показателя.

Спекулятивные: Ночное радиационное охлаждение с использованием ПВТ в полезных масштабах (продемонстрировано в исследованиях, редко применяется в зданиях); долгосрочная устойчивость связи между элементом и поглотителем на протяжении 25 лет теплового цикла; фасады из ПВТ, интегрированные в здание, по конкурентоспособной цене.

Открытые исследовательские вопросы

• Как стареют связи между клеткой и абсорбером и капсулирующим материалом при ежедневной термической цикличности и летней стагнации? Twenty-five-year field data does not yet exist.
• Каково правильное соотношение между длиной PVT, обычной длиной FV и длиной скважины в системе тепловых насосов и насколько регенерация PVT реально продлевает срок службы скважины?
• Может ли один комбинированный стандарт испытаний и сертификации сократить расходы и время, необходимые для вывода на рынок продукта ПВТ?
• Каким образом монтажники должны осуществлять диагностику тепловых систем, если реальная потребность в горячей воде является настолько неопределенной, как это показал Фрайбург?
• Могут ли недорогие полимерные теплообменники соответствовать металлическим по теплопередаче и сроку службы?

Что нужно для рабочего прототипа

Для изобретателя с новым дизайном PVT, доказательство, которое имеет значение, это коллектор, измеренный на солнце, с калиброванными датчиками, достаточно долго, чтобы видеть как хорошие, так и плохие дни.

Фаза	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
0. Аналитическое исследование	Модель теплопередачи конструкции, сопоставление с опубликованными данными о коллекторах, смета расходов	Идея побеждает существующие PVT на бумаге	$5k to $15к	1-2 месяца
1. Стенд и наружное испытание одного коллектора	Измерение электрической мощности (кривые I-V) и тепловой эффективности при различных температурах среды в соответствии с методами EN ISO 9806 и IEC 60891 в аккредитованной лаборатории или в университете	Реальные значения η_0, a_1 и электрический температурный штраф	$15k to $40к	3-4 месяца
2. Экспериментальная небольшая система	10 до 20 м² подача реального резервуара горячей воды или теплового насоса, с счетчиками тепла, электроэнергии и метеостанции, один год	Сезонные урожаи, застойное поведение, надежность	$40k to $100к	12 месяцев
3. Сертификация	IEC 61215 и 61730 (электрическая безопасность и долговечность), Solar Keymark (тепловая защита), разрешения на строительство	Продукт, который можно продать и застраховать	$60k to $150к	9-12 месяцев

Фазы 0-2 стоят примерно $60,000 to $155,000. Это наши оценки типичных лабораторных и мониторинговых расходов, а не котировки.

Кто нам нужен

• Инженер по солнечной энергии с опытом испытаний EN ISO 9806.
• Инженер по фотоэлектрическим модулям кто понимает капсуляции, термического цикла и IEC 61215.
• Строительные услуги (HVAC) инженер для размера тепловой стороны и интеграции тепловых насосов и хранения.
• Специалист по мониторингу для проектирования калиброванных счетчиков тепла и электроэнергии.
• Партнер по производству способный ламинировать и склеивать теплообменники в объеме.
• Установщики и сантехники желающие опробовать комбинированную установку и сообщить реальное время работы.

Есть идея получше?

Может быть, у вас есть лучший поглотитель, дешевле способ связать его, или умнее способ использовать тепло. Некоторые члены Фонда Local Solar System могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть представленной, идея должна иметь рабочую, реальную модель, которая фактически производит энергию и тепло, измеряемые на приборе, а не заявленную. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и мы не можем обещать финансирование, доходы или внедрение.

Для PVT, самый дешевый измерение, которое считается рабочей моделью один коллектор на открытом воздухе рядом с идентичными обычной панели, с температурой входной и выходной воды, расход и обе панели электрической мощности зарегистрированы за несколько солнечных недель. Это показывает тепло приобретены и электроэнергии получены или потеряны. Отправьте ее через форму вклада и посмотрите, как PVT сравнивает себя с другими идеями на радаре идей.

Источники

1. Лэммле, М. и др. (2020). Основные понятия технологий ПВТ коллекторов, области применения и рынок. Задача 60 МЭА по СХС, доклад D5.
2. Скоплаки, Е. и Паливос, Я.А. (2009). О температурной зависимости электрических характеристик фотоэлектрического модуля: обзор корреляций эффективности/мощности. Солнечная энергия 83(5), 614-624.
3. АЭЭ ИНТЕК и МЭА СХС (2025 год). Solar Heat Worldwide, издание 2025, глава 5.4, Фотоэлектрические-термальные системы.
4. PVPS МЭА (2025 год). Снимок глобальных рынков фотоэлектрической энергии 2025.
5. Задача 60 МЭА по СХС (2020 год). Позиционный документ по технологии ПВХ.
6. Шуберт, М. и Ценхойзерн, Д. (2020). Оценка эффективности примерных систем ПВТ. Задача 60 МЭА по СХС, доклад D2.
7. Задача 60 МЭА по СХС (2020 год). Существующие системы и решения PVT, включая информационный лист о новой ратуше Фрайбурга (по Réhault et al., 2019).
8. РИА Новости (2017). ISO 9806:2017, Солнечная энергия: солнечные тепловые коллекторы, методы испытаний.
9. Чоу, Т.Т. (2010). Обзор гибридной технологии использования солнечной энергии в фотоэлектрических/термических целях. Прикладная энергетика 87(2), 365-379.
10. Эррандо, М., Маркидес, К.Н. и Хелльгартт, К. (2014). Оценка гибридных фотоэлектрических и солнечных термальных систем для отопления и энергоснабжения жилых помещений в Соединенном Королевстве: эффективность системы. Прикладная энергетика 122, 288-309.
11. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19: община и C&I солнечная $88 to $197 за МВт.ч.
12. Евростат (2026 год). Статистика цен на природный газ: Средняя цена газа в ЕС для домашних хозяйств составляет €0,1228 за кВт·ч, вторая половина 2025 года.
13. Local Solar System Foundation (2026). Вентилятор Стена: открытая модель, крыша солнечной эталон.