Sprawdzamy: co różni kolektory i ogniwa PV i czy instalacje są opłacalne

Dla laika odróżnienie zamontowanych na dachu kolektorów słonecznych od paneli fotowoltaicznych jest trudne. Na pierwszy rzut oka prawie identyczne (może poza kolektorami rurowymi), jedne i drugie służą do pozyskiwania energii słonecznej. Co pozwala na ograniczenie zużycia tej pochodzącej z paliw kopalnych i zarazem na obniżenie wydatków na prąd, gaz czy węgiel.

Poza tym, więcej je dzieli niż łączy - to instalacje o odmiennych wymaganiach, jak i możliwościach. Kolektory przetwarzają promieniowanie słoneczne na ciepło, panele fotowoltaiczne na energię elektryczną, którą da się spożytkować na wiele sposobów.

Infografika: Panele fotowoltaiczne kontra kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne - charakterystyka

W naszej szerokości geograficznej, wykorzystuje się je głównie do podgrzewania wody użytkowej, niekiedy także tej do przydomowego basenu. Wynika to z uwarunkowań klimatycznych i ekonomicznych - mała instalacja (2 albo 3 kolektory o powierzchni ok. 2 m2 każdy) wystarczy, żeby latem zagrzać ciepłą wodę dla 4 osób (przy założeniu, że potrzebują jej po 50 l na dobę). Wiosną i jesienią woda zostanie tylko wstępnie podgrzana. Zimą, gdy słońca jest niewiele, nawet rozbudowany i kosztowny system da tak niewiele ciepła, że nie ma co liczyć na ogrzanie w ten sposób domu.

Zresztą, w miesiącach letnich, rozbudowana instalacja może być źródłem kłopotów, bo pojawi się problem z nadmiarem ciepła i przegrzanymi kolektorami. Przeważnie takie układy projektuje się tak, aby zaspokoiły 50-60% rocznego zapotrzebowania na energię do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

Na rynku znajdziemy solary płaskie i rurowe próżniowe. Różni je kształt absorbera, czyli elementu pochłaniającego promieniowanie słoneczne oraz sposób jego izolacji cieplnej. W kolektorach płaskich absorberem jest metalowa płyta (miedziana lub aluminiowa), pokryta powłokami poprawiającymi pochłanianie promieni. Od dołu przylegają do niej rurki, którymi przepływa płyn ogrzewający się od absorbera i transportujący ciepło do wężownicy w zasobniku wody. Obudowa kolektora to jakby metalowa wanna izolowana wełną mineralną, od góry przykryta taflą szkła o dużej wytrzymałości. Konstrukcja jest prosta i trwała. Jednak izolacja termiczna kolektora jest słaba, co skutkuje dużymi stratami ciepła w chłodniejsze dni.

Rurowe kolektory próżniowe to zespoły szklanych rur próżniowych, w których znajduje się absorber. Może być nim pas blachy z odpowiednią powłoką i umocowaną od spodu rurką z płynem roboczym, albo tzw. ciepłowód (heat pipe). Kolektory próżniowe, z racji skuteczniejszej izolacji, dają wyższy uzysk energii w chłodniejszych miesiącach, a także liczony jako średnia z całego roku. Za to latem, przy wysokiej temperaturze otoczenia oraz intensywnym nasłonecznieniu, lepsze osiągi mają kolektory płaskie.

Dwa najpopularniejsze typy kolektorów słonecznych - płaski (fot. z lewej: Galmet) i próżniowy heat pipe (fot. z prawej: Nibe-Biawar)

Zbiornik wody w instalacji solarnej powinien być dość duży. Dla 4 osób zaleca się 200-300 l (100 l na każdy kolektor o powierzchni 2 m2). Umożliwia to przejęcie całego ciepła w słoneczne dni i pozwala zgromadzić zapas na wypadek gorszej pogody. Większy jest niewskazany, bo jeśli zafundujemy sobie zasobnik o pojemności 400 czy 500 l, to w czasie chłodów będziemy musieli dogrzewać konwencjonalnie wodę, której i tak nie wykorzystamy.

Inwestycja w instalację solarną jest tym bardziej opłacalna, im droższy jest nośnik ciepła (gaz płynny, olej opałowy), którym ogrzewamy dom.

Ograniczenia w stosowaniu kolektorów słonecznych

Wynikają przede wszystkim z dostępu do promieniowania słonecznego. W naszej szerokości geograficznej 80% rocznej sumy promieniowania otrzymujemy od początku kwietnia do końca września. Na miesiące zimowe (grudzień, styczeń, luty) przypada jedynie 6%. Co w praktyce oznacza, że ten sam zestaw kolektorów w czerwcu podgrzeje wodę w zasobniku do przeszło 60°C, a w grudniu do 20°C.

Z tego względu bardzo ważne jest umiejscowienie solarów i ich ekspozycja na właściwą stronę świata. Najczęściej zakłada się je na dachu. To dobry wybór, o ile połać zwrócona jest mniej więcej na południe, kąt jej nachylenia wynosi plus minus 45° i nie ma elementów zacieniających (kominów, lukarn). Kolektory montuje się też na specjalnych konstrukcjach wsporczych na dachach płaskich, obok budynku, ewentualnie na ścianach.

Najlepsze miejsce na montaż solarów - skośny dach o kącie nachylenia 45°, zwrócony na południe. (fot. Hewalex)

Odchylenie na zachód lub wschód można zrównoważyć, zwiększając ich powierzchnię. Istotny jest również kąt nachylenia solarów. Jeśli nie ma możliwości zmieniania go w ciągu roku, to optymalny wynosi między 30 i 60°. Kiedy kolektory zamocowano na konstrukcji wsporczej i da się korygować ich nachylenie, latem korzystne jest ustawienie prawie płaskie (0-30°). Zimą i jesienią, gdy słońce jest nisko nad horyzontem, zalecana jest pozycja zbliżona do pionu (60-90°).

Kolektory można instalować również na konstrukcjach wsporczych: na dachach płaskich (fot. z lewej: Buderus), na gruncie (fot. z prawej: Hewalex)

Ogniwa fotowoltaiczne - charakterystyka

W tej instalacji energia promieniowania słonecznego jest przetwarzana nie na ciepło, a na prąd elektryczny. Można ją zatem wykorzystać do ogrzewania domu, przygotowywania c.w.u., ale także do zasilania lodówki, telewizora, oświetlenia, ładowania telefonów komórkowych i elektrycznych pojazdów.

W budynkach jednorodzinnych panele fotowoltaiczne nie pojawiały się dotychczas zbyt często - instalacja jest kosztowna, bez dopłat na zwrot z inwestycji trzeba było czekać kilkanaście lat. Ostatnio jednak bardzo się to zmieniło, ponieważ obok funkcjonującego gdzieniegdzie wsparcia od samorządów, pojawiły się dopłaty rządowe (program Mój Prąd).

Tak jak kolektory, panele należy ustawiać w kierunku południowym. Odchylenie na wschód lub zachód również wymaga zwiększenia ich powierzchni. Gdy idzie o kąt nachylenia, to w odniesieniu do ogniw najlepsze jest ustawienie 35°, które gwarantuje maksymalny uzysk energii w skali roku.

Najkorzystniejszy kąt nachylenia paneli fotowoltaicznych to 35°. (fot. A. Papliński)

W większości przypadków moc domowych instalacji fotowoltaicznych to 3-5 kW. Pozwala to wygenerować rocznie od 3000 do 5000 kWh energii, czyli mniej więcej tyle, ile wynosi zapotrzebowanie na prąd w przeciętnym domu. Powierzchnia paneli koniecznych do wytworzenia tej ilości energii to 20-30 m2.

Natężenie produkowanego prądu zależy od intensywności promieniowania, napięcie od liczby połączonych szeregowo paneli (łącząc je szeregowo uzyskujemy prąd o wyższym napięciu i mocy, bez zwiększania natężenia). Zimą ogniwa są kilkakrotnie mniej wydajne. Problemem jest nierównomierny uzysk energii w skali i roku, i doby.

Sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się od kilku do 20%, zależnie od budowy ogniw. Powstający w ogniwach prąd jest stały, a domowe sprzęty wymagają przemiennego. Do jego przetworzenia niezbędny jest falownik (inwerter), będący jednym z droższych elementów instalacji. Umieszcza się go np. na poddaszu, albo w kotłowni, i podłącza do tablicy rozdzielczej budynku, przyłączonej do sieci elektrycznej.

Falownik, przekształcający prąd stały w przemienny, to obok paneli najważniejszy element instalacji fotowoltaicznej. (fot. Fronius)

Możliwości spożytkowania własnego prądu w momencie jego wytworzenia są jednak ograniczone. Bo w ciągu dnia, kiedy instalacja produkuje go najwięcej, zwykle jesteśmy poza domem. Magazynowanie energii elektrycznej u siebie też się raczej nie uda. Akumulatory, które mogły by do tego służyć, są kosztowne, ciężkie i nietrwałe.

Ich wykorzystanie jest droższe i bardziej kłopotliwe, niż współpraca z lokalnym dostawcą energii. Dlatego to należąca do niego sieć energetyczna staje się magazynem. Wytworzoną nadwyżkę energii domowy system oddaje do sieci, a gdy własnego prądu brakuje, z tej samej sieci dobiera go tyle, ile potrzeba. Małe domowe instalacje oddają do sieci przeważnie 50-80% wyprodukowanej energii.

Żeby zaspokoić zapotrzebowanie na prąd, na dachu typowego domu trzeba zainstalować 20-30 m2 paneli fotowoltaicznych. Do podgrzewania c.w.u. wystarczy kilka m2 kolektorów. (fot. De Dietrich)

Kim jest prosument?

Instalacje, w których wyprodukowaną w panelach energię gromadzi się w akumulatorach i w całości zużywa na własne potrzeby, nazywa się off-grid. To rozwiązanie spotykane w Stanach Zjednoczonych czy Australii, u nas raczej nie. Opcja z oddawaniem nadwyżki energii do sieci to instalacja on-grid. Aby funkcjonować w ten sposób, niezbędne jest podpisanie odpowiedniej umowy z zakładem energetycznym i zostanie prosumentem, czyli jednocześnie producentem i konsumentem energii. Panowie z elektrowni wymienią wtedy licznik na dwukierunkowy, zliczający osobno energię pobraną i oddaną.

Zgodnie z obowiązującym prawem (ustawa o odnawialnych źródłach energii OZE), prosument posiadający instalację o mocy do 10 kW może oddać do sieci nadmiar prądu, a potem pobrać z niej 80% tego co oddał, bez ponoszenia opłat za przesył. Pozostałe 20% dostawca energii zatrzymuje jako rodzaj opłaty za magazynowanie. Jeżeli moc zainstalowana jest wyższa niż 10 kW, obowiązuje mniej korzystny przelicznik - 70%. Dobrze, żeby rozliczenie następowało w długim cyklu, najlepiej rocznym. Zwykle po tym okresie niewykorzystany nadmiar energii przechodzi na własność zakładu energetycznego.

Zobacz film "Energia elektryczna ze słońca? To już się opłaca!"

Koszty instalacji solarnej i fotowoltaicznej

Dobrej jakości zestaw solarny z dwoma kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami to wydatek 5-7 tys. zł. Układ bardziej rozbudowany będzie 2-3 razy droższy.

Panele fotowoltaiczne to jeszcze większa inwestycja. Za kilowat mocy zainstalowanej płaci się 4 do 6 tys. zł, co oznacza, że na mały domowy system ogniw trzeba wyłożyć kilkanaście tys. zł, na większy przeszło 30 tys. zł.

Koszty (tylko fotowoltaiki) pomoże obniżyć bezzwrotna dotacja z rządowego programu Mój Prąd lub wsparcie samorządów. Rząd oferuje dopłatę do instalacji fotowoltaicznej (paneli, inwerterów, okablowania, robocizny) w wysokości do 50% kosztów, lecz nie więcej niż 5 tys. zł.

Jeśli skorzystamy z dopłat, inwestycja w fotowoltaikę zwróci się nawet po 7 latach. (fot. A. Papliński)

Janusz Werner
fot. otwierająca: A. Papliński