Một nhóm các nhà khoa học từ Politecnico di Milano của Ý đã phân tích các phương pháp tích hợp hiện có để kết hợp đơn vị quang điện-nhiệt (PVT) với máy bơm nhiệt nén hơi (HP)  trong một hệ thống kết hợp cho các ứng dụng nước nóng và sưởi ấm trong các tòa nhà.

Sự kết hợp này, theo các nhà nghiên cứu, có lợi thế kép. PV có thể cung cấp năng lượng cho máy nén của HP và đồng thời, truyền nhiệt từ bộ thu năng lượng mặt trời đến HP, sau đó có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống. Hơn nữa, cấu hình này cũng có thể cung cấp khả năng làm mát tích cực cho các tấm PV, điều này cũng sẽ làm tăng hiệu suất của hệ thống PV và trong một vòng phản hồi đạo đức, chính HP.

Nhóm người Ý đã xem xét hai cấu hình hệ thống chính khác nhau: hệ thống mở rộng trực tiếp nguồn đơn (DX), trong đó hệ thống PVT được vận hành như thiết bị bay hơi HP và một loại mở rộng gián tiếp nguồn kép (IDX), trong đó bộ trao đổi nhiệt (HX) được đặt giữa bộ PVT và HP, còn được gọi là máy bơm nhiệt hỗ trợ năng lượng mặt trời (SAHP).

Nguồn duy nhất

Trong cấu hình đầu tiên, hệ thống không cung cấp khả năng làm mát và tạo ra nước nóng để sưởi ấm không gian hoặc nước nóng sinh hoạt (DHW). Điều quan trọng cho hoạt động tối ưu của nó là điều khiển tần số máy nén thời gian thực, điều chỉnh tần số hoạt động của máy nén theo bức xạ thời gian thực.

Các nhà khoa học giải thích: “DX-PVT-SAHP nguồn đơn thường được sử dụng để sản xuất nước nóng, nhưng có rất ít ví dụ về các bộ thu PVT hoạt động như một bình ngưng vào ban đêm, các nhà khoa học giải thích và lưu ý rằng giải pháp này có đặc điểm là dễ dàng xây dựng hơn và độ phức tạp và chi phí thấp hơn, nhờ không có bất kỳ bộ trao đổi nhiệt trung gian nào giữa HP và đơn vị PVT. Tuy nhiên, đặc tính này làm cho các cấu hình mở rộng trực tiếp dễ bị ảnh hưởng hơn bởi sự biến đổi bức xạ mặt trời, do ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể gây ra bởi sự không phù hợp với tốc độ máy nén.”

Mặc dù sự phụ thuộc cao hơn vào bức xạ mặt trời, giải pháp này được khẳng định là cung cấp khả năng thu hồi nhiệt cao nhất.

Nguồn kép

Trong cấu hình thứ hai, nhằm đáp ứng nhu cầu nhiệt của toàn bộ tòa nhà, nguồn nhiệt thứ hai được cung cấp bởi thiết bị bay hơi thứ hai hoạt động song song với hệ thống PVT.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh: “Sự hiện diện của một nguồn nhiệt bổ sung, nói chung là không khí, cải thiện hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện vận hành bất lợi, khi năng lượng mặt trời thu hồi không đủ để vận hành máy. Cấu hình IDX-SAHP cho phép sắp xếp linh hoạt hơn các thành phần phụ của hệ thống, do đó sử dụng bộ lưu trữ nhiệt cho năng lượng mặt trời hoặc quản lý tải.”

Ưu điểm chính của hệ thống này được thể hiện bằng mức tăng nhiệt ổn định hơn từ mặt trời và ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hơn.

Nhóm nghiên cứu giải thích thêm: “Hệ thống IDX-PVT-SAHP nguồn kép là giải pháp khả thi nhất trong các bối cảnh khí hậu khi nhu cầu làm mát là phù hợp, có thể đáp ứng tất cả các nhu cầu về nhiệt của tòa nhà. Những hệ thống này cũng phù hợp hơn để kết hợp với HP nguồn mặt đất, vốn rất phổ biến ở các khu vực có hệ thống sưởi, nơi các hệ thống HP nguồn không khí ít bị khuếch tán hơn.”

Tương lai

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng rất khó, đối với cả hai cấu hình, để xác định các phương pháp tiếp cận kích thước tham chiếu, vì các biến số như điều kiện khí hậu và tải trọng của tòa nhà có tác động lớn đến tỷ lệ giữa công suất định mức HP, kích thước hệ thống PVT và kích thước kho chứa.

Về phía trước, các nhà khoa học cho biết họ muốn làm việc để tăng mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL) của cả hai cấu hình. TRL đo lường mức độ trưởng thành của các thành phần công nghệ cho một hệ thống và dựa trên thang điểm từ một đến chín, với chín đại diện cho các công nghệ trưởng thành để áp dụng thương mại đầy đủ.

Họ kết luận: “Các công trình thử nghiệm khác cũng cần thiết để chứng minh các hoạt động thực tế của toàn bộ hệ thống trong các tòa nhà nghiên cứu trường hợp thực tế, đồng thời so sánh các tiêu chí kích thước khác nhau tùy theo điều kiện khí hậu và tải trọng của tòa nhà. Đồng thời, cần nỗ lực bổ sung của quảng cáo trong việc phát triển các công cụ cụ thể có thể mô hình hóa đúng từng thành phần của hệ thống và bản thân hệ thống nói chung”.