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

Rządowy program Czyste Powietrze przewiduje dofinansowanie odnawialnych źródeł energii cieplnej i elektrycznej, tj. kolektorów słonecznych i instalacji fotowoltaicznych, w budynkach jednorodzinnych już istniejących.

Zważywszy na to, że realizację programu zaplanowano na lata 2018-2029, o dopłaty na ten cel ubiegać będą mogli się najpewniej również właściciele nowych domów, tyle że dopiero po ich oddaniu do użytkowania, a nie na etapie budowy.

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. Poza tym, więcej je dzieli niż łączy - to instalacje o odmiennych wymaganiach i możliwościach.

Kolektory przetwarzają promieniowanie słoneczne na ciepło, panele fotowoltaiczne zaś na energię elektryczną, którą da się wykorzystać na wiele sposobów.

Gdy mowa o działaniach, które mają ograniczyć smog, trudno o lepszy przykład, niż zastąpienie podgrzewającego ciepłą wodę użytkową (c.w.u.) kotła na paliwo stałe panelami solarnymi. Zimą taki kocioł podgrzewa wodę niejako przy okazji ogrzewania domu.

Latem rozpala się go tylko po to, żeby nagrzać ją do kąpieli czy zmywania. Potrzebna jest praca (załadowanie opału, usunięcie popiołu), a działający z niską sprawnością kocioł wyrzuca przez komin kłęby dymu. I całe mnóstwo toksycznych substancji, które chwilę później, razem z zanieczyszczonym powietrzem, wciągamy do płuc.

Tymczasem wystarczy umieścić na zwróconym na południe dachu dwa kolektory słoneczne, żeby latem zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę niedużej rodziny. Bez konieczności kupowania węgla czy drewna, bez rozpalania i wynoszenia popiołu. I bez szkodliwego dymu!

Kolektory słoneczne - kiedy warto je zamontować?

W naszej szerokości geograficznej wykorzystuje się głównie do podgrzewania wody użytkowej, niekiedy 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 bardzo rozbudowany i kosztowny system da tak mało 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, żeby zaspokoiły 50-60% rocznego zapotrzebowania na energię do podgrzewania c.w.u.

Na rynku dominują 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 (najczęściej miedziana), 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 do otoczenia w chłodniejsze dni.

Rurowe kolektory próżniowe to zespoły szklanych rur próżniowych, w których znajduje się absorber. Może być nim np. 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 słońcu, lepsze osiągi mają kolektory płaskie.

Kolektor płaski (fot. Galmet)

Kolektory próżniowe (fot. Nibe Biawar)

Najpopularniejsze na rynku kolektory słoneczne

Zbiornik wody w instalacji solarnej powinien być dość duży. Dla 4 osób zaleca się 200-300 l (100 l na jeden kolektor o powierzchni 2 m2). Umożliwia to przejęcie całego ciepła w słoneczne dni i pozwala zgromadzić zapas na wypadek gorszej pogody.

Przesada nie jest wskazana, bo jeśli zafundujemy sobie zasobnik o pojemności 400 czy 500 l, to w czasie chłodów będziemy dogrzewać konwencjonalnie wodę, której i tak nie wykorzystamy. W takich układach stosuje się zbiorniki dwuwężownicowe, w których dolną wężownicę ogrzewają kolektory, a górną kocioł, co umożliwia podgrzanie wody, gdy słońca jest za mało.

Inwestycja w instalację solarną jest tym bardziej opłacalna, im droższy jest nośnik ciepła (gaz płynny, olej opałowy), którym ogrzewamy dom. Założenie dwóch kolektorów o łącznej powierzchni ok. 4 m2 pozwala rocznie oszczędzić jakieś 500 zł, jeśli c.w.u. podgrzewał kocioł na gaz z sieci i 2 razy tyle, przy zastosowaniu prądu.

Ograniczenia w instalacji kolektorów słonecznych

Wynikają głównie z dostępu do promieniowania słonecznego. W naszej szerokości geograficznej od początku kwietnia do końca września otrzymujemy 80% rocznej sumy promieniowania. 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 instaluje się je na dachu. To dobry wybór, o ile połać zwrócona jest mniej więcej na południe, kąt nachylenia dachu wynosi plus minus 45° i nie ma elementów zacieniających (kominów, lukarn).

Najczęstszy sposób montażu solarów - na skośnym dachu o kącie nachylenia plus minus 45°, zwróconym na południe. (fot. Hewalex)

Kolektory montowane są też na specjalnych konstrukcjach wsporczych na dachach płaskich lub obok budynku, ewentualnie na ścianach. Przy czym trzeba uważać na wydłużenie rurociągów między nimi i zasobnikiem, bo powoduje to wzrost strat ciepła.

Odchylenie kolektorów na zachód lub wschód można zrównoważyć, zwiększając ich powierzchnię. Istotny jest również kąt nachylenia. 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°).

a) (fot. Buderus)

b) (fot. Hewalex)

Kolektory montuje się również na konstrukcjach wsporczych na dachach płaskich (a), ewentualnie na gruncie, oczywiście, o ile nie będą zacienione (b).

Ogniwa fotowoltaiczne (PV) - kiedy montować?

To alternatywny względem kolektorów sposób pozyskiwania energii ze słońca. Przy czym tu energia jego promieniowania jest przetwarzana nie na ciepło, a na prąd elektryczny. Taka forma energii jest uniwersalna - można ją wykorzystać do ogrzewania domu, przygotowania c.w.u., również do zasilania rozmaitych urządzeń elektrycznych czy oświetlenia.

W budynkach jednorodzinnych panele fotowoltaiczne (czyli zespoły ogniw) nie pojawiały się dotychczas zbyt często - instalacja jest kosztowna, bez dopłat na zwrot z inwestycji trzeba było czekać nawet kilkanaście lat.

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

Żeby zaspokoić zapotrzebowanie na prąd przeciętnego domu potrzeba paneli fotowoltaicznych o powierzchni przynajmniej 20-30 m2. Kolektory słoneczne mają zwykle powierzchnię kilku m2. (fot. De Dietrich)

Natężenie produkowanego prądu zależy od intensywności promieniowania słonecznego, napięcie od liczby połączonych szeregowo paneli. 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 ponad 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. Niekiedy zamiast jednego falownika stosuje się kilka mniejszych, co jest uzasadnione, gdy warunki pracy poszczególnych modułów się różnią, np. zainstalowano je na innych połaciach dachu.

Możliwości wykorzystania własnego prądu w momencie jego wytworzenia są jednak ograniczone. Bo w ciągu dnia, kiedy instalacja produkuje go najwięcej, domownicy są poza domem. Także magazynowanie u siebie energii elektrycznej możliwe jest raczej tylko teoretycznie.

Akumulatory, które mogły by służyć do tego celu, są drogie, ciężkie, niezbyt pojemne i nietrwałe. Ich wykorzystanie jest kosztowniejsze i bardziej kłopotliwe, niż współpraca z lokalnym dostawcą energii. To należąca do niego sieć energetyczna staje się dla nas magazynem.

Wytworzoną nadwyżkę energii domowy system oddaje do sieci, a gdy własnego prądu brakuje, z sieci dobiera go tyle, ile potrzeba. Małe domowe instalacje oddają do sieci przeważnie 50-70% wyprodukowanej energii.

Zgodnie z obowiązującym prawem (ustawa o odnawialnych źródłach energii OZE), właściciele instalacji o mocy do 10 kW mogą oddać do sieci nadmiar energii, a potem pobrać z niej 80% tego co oddali, bez ponoszenia opłat za przesył. Brakujące 20% dostawca energii zatrzymuje jako rodzaj opłaty za magazynowanie. Jeżeli moc zainstalowana jest wyższa niż 10 kW, obowiązuje mniej korzystny przelicznik 70%.

Tak jak kolektory, panele należy ustawiać w kierunku południowym. Odchylenie na wschód lub zachód także wymaga zwiększenia ich powierzchni. Gdy idzie o kąt nachylenia, to w przypadku paneli fotowoltaicznych najlepsze jest ustawienie 35°, które gwarantuje największy uzysk energii w skali roku.

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

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

Koszty ogniw PV i kolektorów

Dobrej jakości zestaw solarny z 2 kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami to wydatek przynajmniej 6-7 tys. zł. Układ bardziej rozbudowany, albo z kolektorami próżniowymi może być 2 razy droższy. Za montaż płaci się 1,5-3 tys. zł.

Panele fotowoltaiczne są jeszcze droższe. Za kilowat mocy zainstalowanej płaci się ok. 5 tys. zł, co oznacza, że najmniejszy domowy system fotowoltaiczny kosztuje 15-20 tys. zł. Wersja dająca więcej prądu 40 tys. zł.

Janusz Werner
fot. otwierająca: A. Papliński