W tropikalnych rejonach świata, gdzie powietrze bywa nasycone wilgocią niemal bez przerwy, zaawansowane systemy energetyczne przechodzą prawdziwy chrzest bojowy. Szczególnie dotkliwy problem stanowi tam kondensacja pary wodnej, która potrafi w krótkim czasie uszkodzić nawet najdroższe komponenty instalacji. Oto jednak w północnej Tajlandii, bo w okolicach Chiang Mai, gdzie wilgotność regularnie osiąga ekstremalne poziomy, lokalni naukowcy postanowili zmierzyć się z tym wyzwaniem, skupiając się na hybrydowych układach łączących panele fotowoltaiczne z produkcją ciepła.
Panele fotowoltaiczne i produkcja ciepła rozwiązaniem problemu wilgoci
Praca wspomnianych specjalistów skoncentrowała się na systemie pompy ciepła wspomaganej fotowoltaiczno-termicznie z rozprężaniem pośrednim, znanym pod skrótem IDX-PVT-AHP. To skomplikowane rozwiązanie, które z założenia ma podwójną korzyść, bo generuje prąd elektryczny oraz podgrzewa wodę użytkową. Sercem systemu są moduły fotowoltaiczne, działające jak dwufunkcyjne kolektory. Górna warstwa przechwytuje światło słoneczne do produkcji energii elektrycznej, podczas gdy dolna absorbuje ciepło, ogrzewając przepływającą wodę, która następnie trafia do zbiornika, gdzie pompa ciepła, zasilana właśnie z paneli, odbiera z niej energię termiczną. Całość wydaje się elegancka i samowystarczalna, ale w wilgotnym klimacie ujawniała swoją piętę achillesową, kiedy to zbyt zimna woda w zbiorniku powodowała intensywne skraplanie się pary na powierzchni paneli, prowadzące do ich szybkiej degradacji.
Czytaj też: Silnik samolotowy zasili Twojego ChataGPT, bo AI zżera za dużo prądu. Czy to już nie przesada?
Eksperymenty przeprowadzone w warunkach klimatycznych Chiang Mai miały na celu znalezienie konfiguracji, która zminimalizuje to zjawisko bez drastycznego pogorszenia efektywności energetycznej. Badacze testowali różne warianty, zaczynając od zmiany temperatury wody w zbiorniku zimnym. Sprawdzili ustawienia na 18, 21 oraz 24 stopnie Celsjusza, a także scenariusz, w którym temperatura ta była dynamicznie utrzymywana na poziomie punktu rosy, czyli parametru zmieniającego się wraz z wilgotnością i temperaturą otoczenia. Okazało się, że najchłodniejsze ustawienie, choć zapewniało najmniejsze zużycie energii, powodowało kondensację przez ponad 300 godzin rocznie, co w praktyce skróciłoby życie paneli do zaledwie kilku lat. Utrzymanie temperatury na poziomie punktu rosy okazało się znacznie rozsądniejszym kompromisem.
Czytaj też: Dorzucili do akumulatorowych ogniw kuliste cząsteczki węgla. Tak przekuli marzenie przekute na rzeczywistość
Kolejnym krokiem było doprecyzowanie konfiguracji sprzętowej. Naukowcy sprawdzili, jak na działanie systemu wpływa liczba modułów fotowoltaicznych oraz pojemność zbiornika na zimną wodę. Testy objęły układy z dwoma i trzema panelami oraz zbiorniki o pojemnościach 500, 750, 1000 i 1500 litrów, przy stałym utrzymywaniu temperatury wody na poziomie punktu rosy. Dodanie trzeciego modułu fotowoltaicznego przyniosło wyraźną poprawę, ponieważ system rzadziej musiał sięgać po mniej wydajne, elektryczne grzałki pomocnicze. Zwiększenie zbiornika zimnej wody nieco ustabilizowało pracę układu dzięki lepszemu buforowaniu termicznemu, ale jednocześnie wydłużyło okres zwrotu inwestycji.
Najlepsza konfiguracja systemu po wielu eksperymentach
Po serii symulacji wyłoniła się optymalna konfiguracja. Składa się ona z trzech monokrystalicznych modułów fotowoltaicznych (każdy o mocy 550 W), zbiornika ciepłej wody o pojemności 1000 litrów oraz zbiornika zimnej wody na 1500 litrów. Wyniki takiego połączenia są imponujące, bo czas kondensacji skrócił się do zaledwie siedmiu godzin rocznie, co oznacza 43-krotne zmniejszenie w porównaniu do systemu bez optymalizacji. Roczne zużycie energii elektrycznej oszacowano na 7315,5 kWh, a czas zwrotu nakładów inwestycyjnych wyniósł 3,36 roku. Choć liczby te brzmią obiecująco, to warto pamiętać, że pochodzą z modeli symulacyjnych, a rzeczywista eksploatacja w terenie zawsze niesie ze sobą dodatkowe, nieprzewidziane czynniki.
Czytaj też: Tradycyjne 48V legło w gruzach pod naporem AI. Przełom przyszedł z branży motoryzacyjnej
Dla regionów o wysokiej wilgotności powietrza te ustalenia są niezwykle cenne. Pokazują bowiem, że kluczem do trwałości zaawansowanych systemów hybrydowych w trudnych warunkach nie jest wyłącznie drogi sprzęt, ale inteligentne zarządzanie parametrami, a w tym przypadku temperaturą. To podejście może otworzyć drogę do szerszego zastosowania takich rozwiązań w klimatach tropikalnych, gdzie zapotrzebowanie na zarówno energię elektryczną, jak i ciepłą wodę jest stale wysokie.