Mikroinstalacja PV w domu - jak dopasować ją do potrzeb? Najciekawsze rozwiązania

Domowa instalacja fotowoltaiczna to, przynajmniej w 9 przypadkach na 10, zestaw minimum - zawierający tylko to, co absolutnie konieczne do działania, skonfigurowane i zamontowane w oparciu o najprostszy schemat. Potwierdzają to również dane z Programu "Mój Prąd", z których wynika, że o dofinansowanie czegoś więcej (np. magazynu energii, systemu zarządzania nią) ubiega się zaledwie kilka procent wnioskodawców.

Jednak zrobienie czegoś inaczej, albo rozbudowa systemu o mniej popularne elementy może być zarówno kwestią wyboru, jak i konieczności. Bo co np. zrobić, jeżeli na dachu brak odpowiedniej ilości dobrze nasłonecznionego i wolnego od zacienienia miejsca? Montaż na gruncie, na konstrukcji wsporczej to nie jedyna opcja. Można chociażby postawić wiatę na samochód, której dach zostanie pokryty panelami PV.

Często zresztą problemem jest brak wiedzy, że jakieś rozwiązanie w ogóle istnieje. Chociażby ilu inwestorów wie, że ogniwa słoneczne można ułożyć nie tylko na pokryciu dachowym, ale również to pokrycie nimi w ogóle zastąpić, uzyskując tzw. dach solarny? Takich przykładów jest wiele. W tym tekście postaramy się przybliżyć najciekawsze rozwiązania, które wykraczają ponad standard systemów PV.

Zanim fachowcy wezmą się do jakiejkolwiek pracy, powinniśmy przedyskutować z nimi, czego oczekujemy po działaniu instalacji. Być może podpowiedzą rozwiązanie, o którego istnieniu nie mieliśmy pojęcia. (fot. Solplanet)

Czego oczekujemy do domowej mikroelektrowni?

Planowanie domowej mikroelektrowni warto zacząć od swoistego eksperymentu myślowego. Zamiast od razu próbować znaleźć miejsce na panele oraz analizować, ile trzeba będzie za to zapłacić - spiszmy na kartce, jakich efektów oczekujemy. Co ma nam zapewnić fotowoltaika? Przy tym nie chodzi tylko o stan obecny, lecz również nasze plany na najbliższe lata. Czy np. bierzemy pod uwagę możliwość zakupu elektrycznego samochodu w ciągu najbliższych 5 lat? A może myślimy o pompie ciepła lub klimatyzatorach zasilanych fotowoltaiką? Czy chcielibyśmy się zabezpieczyć przed przerwami w dostawie prądu?

Następnie taką listę przedyskutujmy punkt po punkcie z fachowcem. On będzie w stanie określić, na ile nasze oczekiwania są możliwe do spełnienia, czego by wymagały oraz ile może to kosztować. Nie zawsze musi to oznaczać potrzebę dokonania jakichś radykalnych zmian i inwestycji już teraz. Niekoniecznie już dziś kupimy więcej paneli i ładowarkę. Warto jednak zaplanować pewne rzeczy i zapewnić możliwość łatwej rozbudowy systemu - chociażby układając stosowne okablowanie, pozostawiając miejsce na dachu itd. Co jeszcze ważniejsze, taki obeznany z branżą człowiek może zaproponować rozwiązanie niestandardowe i w ten sposób poradzić sobie z problemem (np. niedoborem miejsca), który nam wydawał się nierozwiązywalny.

Dachy solarne - 3 warianty

Panele PV zwykle umieszcza się na dachu. Dokładniej rzecz ujmując, typowym rozwiązaniem jest montaż na pokryciu systemowych uchwytów, do których następnie mocuje się panele. Producenci udostępniają wyspecjalizowane systemy montażowe, dostosowane do cech poszczególnych pokryć - dachówki, blachodachówki, blachy płaskiej, gontów bitumicznych. Niektórzy właściciele domów obawiają się jednak, że w trakcie prac pokrycie może zostać uszkodzone (nie bez racji). Innym zaś po prostu żal zasłaniać piękną, starannie wybraną dachówkę panelami.

Nie wszyscy zdają sobie jednak sprawę, że panele PV mogą całkowicie zastąpić tradycyjne pokrycie dachu, otrzymujemy wówczas tzw. dach solarny. Występuje on w aż trzech zasadniczych wariantach.

Panele PV mogą zastępować całe tradycyjne pokrycie. Wówczas mamy tzw. dach solarny. (fot. MyRoof Dachy Solarne)

Duże płaskie panele

Mogą to być duże płaskie panele, wyglądające niemal tak samo, jak w wariancie tradycyjnym. Wykonuje się pod nie typowy podkład, tak samo jak np. pod dachówkę. Następnie do krokwi mocuje się łaty oraz systemowe profile montażowe. Z założenia pokrywa się nimi całą połać dachu. Gotowy dach tego rodzaju ma płaską, niemal jednolitą powierzchnię, podzieloną tylko na duże prostokąty.

Panele mogą zastępować również modne dachówki płaskie. (fot. BMI Braas)

Panele osadzone w płaszczyźnie pokrycia

Druga wersja to mniej więcej typowej wielkości panele osadzone w płaszczyźnie pokrycia. Zasada jest tu podobna, jak w przypadku montażu okien dachowych - na styku z dachówką lub innym pokryciem, uszczelnia się połączenie odpowiednim systemowym kołnierzem. Analogicznie można zlicować z dachem kolektory słoneczne (do podgrzewania wody). Części użytkowników taki wariant może wizualnie najbardziej odpowiadać.

Jego wybór jest szczególnie uzasadniony, gdy panele fotowoltaiczne zajmują tylko część połaci. Podobnie, jeżeli dachu o bardziej skomplikowanym kształcie (choćby czterospadowego) i tak nie sposób w całości pokryć dużymi prostokątnymi panelami. Przecież ich - w przeciwieństwie do dachówek lub blachy - nie możemy docinać. Oczywiście, całość wygląda dobrze, jeżeli panele oraz pokrycie mają podobną kolorystykę. Co w praktyce oznacza, że to ostatnie musi być czarne, grafitowe lub ciemnoszare. Na szczęście ostatnio właśnie te kolory są w modzie.

Dachówka solarna lub zintegrowane panele

Trzeci wariant to coś, co można nazwać dachówką solarną lub zintegrowanymi panelami. Tu zamiast dużych płaskich paneli mamy ich mniejsze wersje. Dodatkowo o tak dobranych wymiarach, aby w płaszczyźnie pokrycia można było je idealnie połączyć z konkretnymi modelami dachówek płaskich lub panelami blachy płaskiej. Ich kształt, wielkość i wysokość idealnie odpowiada wymiarom elementów pokrycia. Dzięki temu całość wygląda bardzo estetycznie i jednolicie.

Specjalne panele PV są idealnie dopasowane do konkretnego rodzaju pokrycia. W czasie montażu zostają z nim zintegrowane. (fot. BP2 SOLROOF)

Jeżeli zaś chodzi o stronę techniczną, to w każdym z tych wariantów używa się podobnych ogniw, jak w typowych panelach PV. To po prostu najpopularniejsze obecnie monokrystaliczne ogniwa krzemowe. Ich sprawność oraz inne zasadnicze parametry są zbliżone. W związku z tym, według tych samych zasad dobiera się wielkość systemu, jego moc, rodzaj falownika itd. Oczywiście, biorąc pod uwagę, że wymiary pojedynczego panelu w każdym z tych systemów są inne, dlatego też ich liczba na dachu będzie odmienna, przy tej samej łącznej powierzchni.

Ponadto trzeba ściśle przestrzegać instrukcji producenta oraz ze szczególną starannością wykonać połączenia i uszczelnienia elementów PV z resztą pokrycia.

Konstrukcje wolno stojące

Sytuacje, gdy na pożądaną liczbę paneli PV brakuje miejsca na dachu budynku wcale nie należą do rzadkości. I nie chodzi tylko o wyjątkowo duże instalacje. Na typowy system PV w domu jednorodzinnym potrzeba kilkudziesięciu metrów kwadratowych, zaś całkowita powierzchnia dachu przeciętnego domu jest kilka razy większa. Jednak w praktyce do wykorzystania może się nadawać zaledwie niewielka jego część. Przecież niezbędne jest mocne bezpośrednie nasłonecznienie i brak elementów rzucających cień, czyli drzew, sąsiednich budynków, kominów lukarn itd.

Gdy miejsca brakuje można umieścić panele na samodzielnej konstrukcji wsporczej na gruncie. W teorii to świetne rozwiązanie. Pod względem czysto technicznym jest niemal idealne - można wybrać dowolne ustawienie względem stron świata oraz kąt nachylenia, łatwy jest montaż, a także późniejsza kontrola stanu technicznego, a także pielęgnacja w rodzaju mycia i usuwania śniegu.

Jednak w rzeczywistości do ideału daleko. Przede wszystkim nie każdemu będzie w ogóle odpowiadać zajęcie części działki w ten sposób, szczególnie, jeżeli posesja jest mała. Ponadto sposób zagospodarowania terenu w pobliżu ustawionych paneli podlega sporym ograniczeniom - nie postawimy przecież przed nimi budynku, nie posadzimy drzew, ani wysokich krzewów. Z tych wszystkich względów ustawienie paneli PV na gruncie - chociaż technicznie jest dobrym rozwiązaniem - to coś dla właścicieli dużych działek, którzy są ponadto w stanie zaakceptować pewne ograniczenia.

Pod względem technicznym panele na samodzielnej konstrukcji nośnej to świetne rozwiązanie. Powinni się nimi zainteresować przede wszystkim właściciele większych posesji. (fot. Fronius)

Wiaty PV

Z problemem niedoboru miejsca można poradzić sobie inaczej, np. decydując się na tzw. wiatę solarną (PV). Najczęściej są one wykorzystywane do parkowania samochodów, niekoniecznie tylko tych elektrycznych.

Wiata, występująca w ofertach producentów także pod nazwą carport, ma najczęściej jednospadowy dach o niewielkim nachyleniu. Przede wszystkim dlatego, że taki łatwo jest w całości pokryć panelami, nie marnując powierzchni. Ponadto unika się charakterystycznego dla dachów dwuspadowych (oraz wielospadowych) problemu z nierównomiernym nasłonecznieniem poszczególnych grup paneli w zależności od pory dnia.

To same panele pełnią funkcję pokrycia dachowego, dlatego wymiary dachu muszą być ich wielokrotnością. Typowy układ to 9 sztuk (3 × 3), czyli ok. 4,5 kWp mocy zainstalowanej. Przy typowych wymiarach paneli daje nam to zaś łączną szerokość ok. 3,5 m oraz 6,5 m długości. W zupełności wystarcza to na jedno auto, chociaż można oczywiście zbudować wersję podwójną. Z myślą o właścicielach samochodów elektrycznych producenci oferują odporne na warunki atmosferyczne ładowarki, które można zainstalować pod taką wiatą.

Warto jeszcze wspomnieć, że panele można umieścić także na dachu innych obiektów, nie tylko wiaty na samochód. Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby zrobić tak chociażby w przypadku altany w ogrodzie. Tym bardziej, że w przypadku fotowoltaiki, inaczej niż odnośnie kolektorów słonecznych, znaczna odległość paneli od domu nie jest technicznie żadnym problemem. Żeby uniknąć strat energii wystarczy ułożyć przewód (kabel) o odpowiednio większym przekroju żył.

Panele jako dach wiaty na samochód to także dobry pomysł. Dzięki temu nie tracimy cennej przestrzeni. (fot. Konsport)

Wiaty - zarówno pojedyncze, jak i podwójne - najczęściej mają dachy jednospadowe, tak aby wszystkie panele były zawsze identycznie nasłonecznione. Jednak w pewnych sytuacjach wykonanie wiaty z dachem dwuspadowym może być uzasadnione. Mogą to wymuszać również zapisy miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego (MPZP) lub decyzji o warunkach zabudowy, które stosunkowo często zakazują wykonywania dachów jednospadowych lub płaskich. Ale rozdzielenie paneli na dwie, odmiennie zorientowane względem słońca części dachu może być dobrym rozwiązaniem. Pod warunkiem, że będziemy przestrzegać pewnych reguł.

Przede wszystkim trzeba pamiętać, że jeżeli mamy dwie połacie, to niezależnie od sposobu ustawienia całości, gdy jedna jest w pełnym słońcu, to druga znajduje się w cieniu. W takim układzie polecany jest układ wschód-zachód, nie zaś południe-północ, gdyż od strony północnej nasłonecznienie zawsze jest słabe, z niewielkim udziałem najbardziej pożądanego promieniowania bezpośredniego. W efekcie uzysk energii drastycznie spada. Natomiast w układzie wschód-zachód mamy swoiste wyrównanie produkcji energii w ciągu doby - część wschodnia daje jej więcej rano, zachodnia zaś po południu. Jednak żeby system PV pracował naprawdę dobrze, każdą z tych grup należy przyłączyć do osobnego wejścia MPPT inwertera. Wówczas parametry jego pracy będą osobno optymalizowane dla każdej z nich, z uwzględnieniem aktualnego rozkładu nasłonecznienia.

Ładowarki do samochodów

Najczęściej samochody elektryczne można doładowywać za pomocą dostarczonego przez producenta kabla, używając jako źródła prądu zwyczajnego gniazdka. Jednak jest to sposób wybitnie mało efektywny i niewygodny. Przede wszystkim dlatego, że trwa to bardzo długo, nawet kilkadziesiąt godzin. Po prostu pobierana w ten sposób moc jest bardzo niska, skrajnie mała względem pojemności akumulatorów wbudowanych w auto. Ponadto nie mamy tu jakichkolwiek zaawansowanych funkcji.

Ładowanie samochodu elektrycznego ma sens tylko jeżeli kupimy odpowiednią ładowarkę. Proces przebiega wówczas szybko i bezpiecznie, a my płacimy za energię znacznie mniej, niż na komercyjnej stacji ładowania. (fot. Electronite)

Dlatego, jeżeli myślimy poważnie o ładowaniu samochodu we własnym garażu, pod wiatą lub na podjeździe, to koniecznym wyposażeniem będzie specjalna ładowarka. Przede wszystkim może ona zasilać pojazd znacznie większą mocą, co skraca cykl ładowania. Trzeba jednak uprzedzić, że takie ładowarki to zupełnie inny sprzęt, niż używane na komercyjnych stacjach ładowania urządzenia ładujące pojazdy prądem stałym (DC) o bardzo wysokim natężeniu. Na takiej stacji cykl ładowania trwa kilkadziesiąt minut, natomiast z użyciem domowej ładowarki kilkanaście lub kilka godzin.

Domowe stacje ładowania wykorzystują bowiem normalne napięcie sieciowe, prąd przemienny (AC). Elementem ograniczającym tempo ładowania pozostaje więc nadal układ ładowania baterii wbudowany w auto. Dlatego, jeżeli planujemy kupić ładowarkę, przede wszystkim powinniśmy sprawdzić jaki maksymalny prąd ładowania dopuszcza producent naszego pojazdu, ewentualnie takiego który planujemy kupić. Zakup ładowarki o wyższej mocy nie ma sensu, gdyż i tak jej pełne możliwości nie zostaną wykorzystane.

Najczęściej wykorzystywane są ładowarki zasilane prądem 3-fazowym (400 V). Te 1-fazowe (230 V) mają bowiem bardzo ograniczoną moc maksymalną. Zasilanie 3-fazowe, czyli tzw. siłowe, wymaga z kolei ułożenia odpowiedniego okablowania - przewodów o większej liczbie żył, niż w obwodach 1-fazowych. Ponadto zwykle te przewody muszą być grubsze, o większym przekroju żył, aby mogły przenosić dużą moc.

Oczywiście, do parametrów ładowarki musi być dostosowana cała reszta instalacji elektrycznej, jej zabezpieczenia oraz parametry przyłącza sieciowego. Na szczęście ładowarki mają wiele tzw. inteligentnych funkcji. Mogą np. samoczynnie ograniczać pobierany w danym momencie prąd, jeżeli w domu akurat włączymy jakieś urządzenia o większej mocy, równoważyć obciążenie poszczególnych faz czy wykorzystywać tylko prąd dostarczany w danej chwili przez system PV.

Ładowarki są odporne na wpływy atmosferyczne. Można je umieścić nie tylko w garażu, ale także pod wiatą lub wprost na ścianie domu. (fot. Technivolt)

Magazyny energii

Ładowanie własnym prądem z PV baterii akumulatorów, czyli tzw. magazynów energii, wciąż nie jest rozwiązaniem popularnym. Jednak ich udział w rynku będzie rósł. Do nich najprawdopodobniej należeć będzie przyszłość fotowoltaiki, gdyż wraz ze wzrostem liczby i mocy źródeł OZE przyłączonych do sieci energetycznej i przekazujących do niej nadwyżki prądu, coraz trudniej jest utrzymać stabilność całego systemu energetycznego.

Korzystanie z domowych magazynów energii przynajmniej częściowo rozwiązuje problem chwilowej nadprodukcji energii przekazywanej do sieci, nadmiernego wzrostu napięcia w niej, czasowych wyłączeń wymuszonych przez operatora. Ponadto, mając pewną nadwyżkę energii zgromadzoną w akumulatorach, można w pewnym stopniu zmniejszyć jej pobór w tzw. godzinach szczytu. A ta nierównomierność poboru staje się coraz poważniejszym problemem. Wreszcie domowy magazyn energii to swoista rezerwa w sytuacjach kryzysowych, gdy dochodzi do awarii sieci i tracimy zasilanie.

Magazyny energii mają, niestety, pewne zasadnicze wady. Przede wszystkim sporo kosztują. W związku z tym kupuje się raczej zestawy o niewielkiej pojemności. Natomiast mała pojemność oznacza, że nie jesteśmy w stanie zasilać z nich urządzeń o wysokiej mocy, ani nawet tych słabszych przez dłuższy czas. Dlatego konfigurując taki zestaw należy od razu wybrać, które urządzenia mają być zasilane z akumulatorów. Przydzielenie priorytetów jest absolutnie niezbędne.

Na pocieszenie można powiedzieć, że na szczęście magazyny energii mają zwykle budowę modułową - bez trudu można je powiększyć (rozbudować) po pewnym czasie użytkowania. Trzeba jeszcze koniecznie dodać, że korzystanie w systemie PV z magazynu energii jest możliwe tylko wówczas, jeżeli założymy w nim specjalny typ inwertera, tzw. hybrydowy.

Magazyny energii mogą współpracować tylko ze specjalnymi falownikami, tzw. hybrydowymi. (fot. Solplanet/Grosun)

Inwertery i systemy zarządzania energią

W każdej domowej mikroinstalacji PV potrzebny jest falownik, nazywany też inwerterem. Przede wszystkim dlatego, że w panelach powstaje prąd stały (DC), natomiast większość otaczających nas urządzeń zasilanych jest prądem przemiennym (AC).

Falowniki są zwykle niedocenianym elementem instalacji, a to właśnie od nich zależą w dużej mierze możliwości całego systemu. Dobrym przykładem są opisane wcześniej magazyny energii, z którymi współpracują tylko tzw. inwertery hybrydowe. Chodzi o to, że zdecydowanie częściej stosowane modele określane jako on-grid, są w stanie działać wyłącznie przy pełnej synchronizacji z siecią. Co w praktyce oznacza, że w razie jej awarii i wyłączenia zasilania automatycznie wyłącza się również falownik on-grid. Wtedy zaś nie możemy korzystać z własnego prądu, choćby słońce świeciło najmocniej, a panele faktycznie go wytwarzały. Taki inwerter nie jest też w stanie zasilać zestawu akumulatorów, ani czerpać z niego energii.

Ponadto inwertery hybrydowe zwykle przystosowane są do współpracy z różnymi elementami automatyki, pozwalającej na kontrolowanie działania rozmaitych urządzeń elektrycznych. Mogą to być interfejsy służące wprost komunikacji z popularnymi standardami tzw. inteligentnych budynków (smart home). Jednak często możliwe jest też bezpośrednie połączenie z konkretnymi urządzeniami - magazynem energii, klimatyzatorami, pompą ciepła. Wówczas możemy wybrać sposób wykorzystywania energii z PV - np. w pierwszej kolejności doładowywany jest magazyn energii, a następnie falownik zasila klimatyzator. Umożliwia to lepsze wykorzystywanie wytworzonej energii elektrycznej i zmniejsza jej ilość przekazywaną do sieci.

To od inwertera w dużej mierze zależą możliwości instalacji PV oraz jej bezawaryjne działanie przez wiele lat. Jest nie mniej ważny, niż panele. (fot. Fronius)

Redaktor: Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: MyRoof Dachy Solarne