Kolektory słoneczne czy panele fotowoltaiczne? Które rozwiązanie wybrać?

Energia ze słońca - część wspólna

Ilość energii, którą uzyskujemy z instalacji solarnej zależy od kilku czynników. Te są wspólne zarówno dla systemów zbudowanych w oparciu o kolektory słoneczne, jak i panele fotowoltaiczne.

Intensywność promieniowania słonecznego

Zależy od pory roku oraz poziomu zachmurzenia. Spotykane czasem opinie, że instalacja fotowoltaiczna może dostarczać tyle samo energii, niezależnie od pory roku, to bezsensowny mit. Na zmiany intensywności promieniowania w cyklu rocznym nie mamy wpływu. A niestety bez intensywnego nasłonecznienia - nie możemy liczyć na duże ilości energii. Tu właśnie tkwi przyczyna niskiej wydajności instalacji solarnych w sezonie zimowym. Nie ma słońca - nie ma energii. Zimą zaś słońce świeci nie tylko słabo, ale i zaledwie przez kilka godzin w ciągu doby.

I na nasze nieszczęście zimą, gdy zużycie ciepła i energii elektrycznej jest największe, słońce dostarcza nam go najmniej. Ponadto duża część energii słonecznej to wówczas promieniowanie rozproszone, które trudniej jest efektywnie wykorzystać. Wiedzą o tym użytkownicy kolektorów, których wydajność zdecydowanie spada nawet w pochmurne letnie dni. Warto spojrzeć na zestawienie pokazujące, jaka jest dzienna ilość energii promieniowania słonecznego padającego na 1 m2.

Nawet jeśli kolektory miałyby 100% sprawność, czyli pochłaniałyby całą docierającą do nich energię bez jakichkolwiek strat (co jest oczywiście niemożliwe) a ich powierzchnia była duża, np. 10 m2, to z racji bardzo słabego nasłonecznienia - w środku zimy nie dałyby wiele. W grudniu maksymalny uzysk energii z takiej instalacji wyniósłby 5 kWh dziennie, a to odpowiada pracy niewielkiego kotła o mocy 10 kW przez pół godziny.

Powierzchnia kolektorów lub paneli

Mając ich więcej, spożytkujemy promieniowanie słoneczne padające na większą powierzchnię. Co ewidentne, uzyskujemy więcej energii. Jednak zwiększanie powierzchni kolektorów niekoniecznie ma sens. Po pierwsze, powoduje wzrost kosztów. Po drugie, nadmiernie powiększony system z kolektorami cieczowymi przysparza problemów latem, jeśli nie mamy sposobu na wykorzystanie dużej ilości produkowanego wówczas ciepła. Po trzecie, duża instalacja to wyższe koszty inwestycji. Przewymiarowanie może "zabić" ekonomiczny sens energetyki słonecznej.

Ustawienie względem stron świata

Optymalne jest skierowanie kolektorów i paneli na południe. Dopuszczalne jest jednak dość znaczne odchylenie na wschód lub zachód, które można skompensować przez zwiększenie powierzchni. Przy odchyleniu o 50° na zachód, powierzchnię trzeba zwiększyć o 10%, przy 50° na wschód zaś korekta powinna wynosić 20%.

Umieszczanie takich urządzeń od północy albo w miejscach stale zacienionych nie ma sensu. W praktyce to istotny problem, bo kolektory i panele najczęściej instaluje się na dachach, których ustawienie może być dalekie od optymalnego i wynikać z tak zasadniczych warunków, jak kształt działki, bryła budynku, orientacja wjazdu. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym są lukarny i okna dachowe.

Niejednokrotnie na dachu po prostu nie ma już dobrego miejsca.

Ile paneli fotowoltaicznych zainstalować?

Kąt nachylenia

Promienie słoneczne powinny padać na powierzchnię absorbera pod kątem prostym. Kłopot w tym, że ten kąt padania zmienia się zależnie od pory roku. Zimą słońce znajduje się nisko nad horyzontem i najlepsze byłoby prawie pionowe ustawienie kolektorów i ogniw. Latem zaś odwrotnie. W związku z tym zwykle wybiera się ustawienie uniwersalne, wynoszące ok. 45°. Mniej więcej taki jest zresztą najpowszechniej spotykany kąt nachylenia dachów w domach jednorodzinnych.

Panele fotowoltaiczne - czy są wydajne zimą?

Dobry projekt i wykonanie całej instalacji

Źle skonfigurowana instalacja nie będzie działać dobrze, nawet jeśli jej elementy składowe będą najwyższej jakości. Ideowy schemat układów solarnych jest prosty, ale ich dobre skonfigurowanie w praktyce - już nie. Mało kto zdaje sobie sprawę, jak bardzo komplikuje sytuację np. ulokowanie kolektorów lub paneli na odmiennie zorientowanych połaciach dachu. Gdy jedne są w słońcu i instalacja powinna zacząć pracować, pozostała część jest w cieniu. W przypadku kolektorów, należy w takiej sytuacji zastosować odrębne pompy obiegowe i sterowniki do nich. Z kolei panele winny mieć osobne falowniki (inwertery).

Kolektory słoneczne

Kolektory i współpracująca z nimi instalacja wykorzystują promieniowanie słoneczne do podgrzania wody. Ten proces przebiega w kilku etapach:

• kolektor pochłania i zamienia promieniowanie słoneczne w ciepło;
• ciepło odbiera czynnik roboczy (najczęściej płyn niezamarzający);
• czynnik roboczy przepływa rurami do wężownicy umieszczonej w zasobniku wody i przekazuje jej ciepło.

W kolektorach próżniowych największym problemem jest uszczelnienie miejsca połączenia rury próżniowej z rurką odbierającą ciepło z jej wnętrza.

Żeby efektywnie spożytkować pozyskane ciepło, kolektor nie może zbyt wiele z niego tracić do otoczenia. Specjalna powłoka absorbera (najczęściej na bazie tlenku tytanu) powoduje, że bardzo dobrze pochłania on promieniowanie słoneczne, a rozgrzany wypromieniowuje niewiele ciepła.

By ograniczyć pozostałe straty ciepła (przez przewodzenie i konwekcję powietrza), obudowa kolektorów płaskich izolowana jest wełną mineralną. Natomiast w kolektorach próżniowych izolatorem jest właśnie próżnia - w przestrzeni bez powietrza nie ma przewodzenia ani konwekcji, pozostaje jedynie strata przez promieniowanie.

Ciepło z rozgrzanego absorbera trzeba przekazać dalej. W kolektorach płaskich od spodu styka się z nim rurka, przez którą przepływa czynnik roboczy (płyn niezamarzający). Z kolei w kolektorach próżniowych w każdej rurze próżniowej jest umieszczona rurka z przepływającym przez nią czynnikiem roboczym albo tzw. ciepłowód (rurka z cieczą o niskiej temperaturze parowania). Poszczególne ciepłowody muszą być na zewnątrz - poza rurami próżniowymi - połączone "szyną zbiorczą", przez którą przepływa czynnik roboczy.

W kolektorach próżniowych największym problemem jest uszczelnienie miejsca połączenia rury próżniowej z rurką odbierającą ciepło z jej wnętrza. Wystarczy nawet minimalna niedokładność i do wnętrza dostaje się powietrze, a wtedy rura nie ma już właściwości izolacyjnych.

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy lepsze są kolektory płaskie czy próżniowe.

Kolektor płaski przy tej samej powierzchni zabudowy, co próżniowy rurowy, ma większą powierzchnię absorbera (pochłaniającą promieniowanie), za to gorszą izolację termiczną. W efekcie kolektor płaski uzyskuje więcej ciepła latem, gdy nasłonecznienie jest intensywne, a straty ciepła są względnie niewielkie. Za to jesienią i zimą przewagę będzie miał rurowy kolektor próżniowy, bo mniej ciepła straci do otoczenia.

Budowa instalacji z kolektorami słonecznymi

Panele fotowoltaiczne - zasada działania

Panele fotowoltaiczne (PV) produkują energię elektryczną. Ze względu na wysoką cenę, ich wykorzystanie w instalacjach dostarczających przynajmniej kilka kW mocy, np. na potrzeby domu jednorodzinnego, jest wciąż rzadkie. Jednak samo używanie pojedynczych ogniw lub ich baterii - zwanych panelami fotowoltaicznymi (solarnymi, słonecznymi) - nie jest wcale nowością. Stosuje się je np. w kalkulatorach i do zasilania ulicznej sygnalizacji świetlnej.

Nie będziemy tu szczegółowo opisywać fizycznych podstaw działania ogniw fotowoltaicznych. Zainteresowani znajdą te informacje bez trudu w każdej encyklopedii. W końcu za wyjaśnienie tzw. zjawiska fotoelektrycznego - Albert Einstein otrzymał Nagrodę Nobla. Wystarczy powiedzieć, że ogniwo słoneczne jest elementem półprzewodnikowym, tworzącym złącze typu p-n. Pod wpływem padającego nań promieniowania słonecznego (fotonów) powstaje siła elektromotoryczna, bo elektrony przemieszczają się do obszaru n, zaś tzw. dziury do obszaru p. Wynikiem tego ruchu ładunków jest powstanie różnicy potencjałów, czyli prądu elektrycznego.

Panele fotowoltaiczne z wyglądu są bardzo podobne do kolektorów płaskich (fot. Braas)

Dlaczego ogniwa grupuje się w panele?

Bo pojedyncze ogniwo najpopularniejszego rodzaju, czyli zbudowane na bazie krzemu, daje napięcie zaledwie ok. 0,5 V. Łącząc je szeregowo, uzyskujemy odpowiednio wyższą, użyteczną wartość.

Z praktycznego punktu widzenia, najważniejsza jest znajomość kilku podstawowych zasad rządzących działaniem instalacji fotowoltaicznych:

• natężenie uzyskiwanego prądu elektrycznego, a więc ilość energii, zależy od intensywności promieniowania słonecznego;
• sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się w szerokich granicach od kilku do ponad 20%, zależnie od budowy ogniw. Jednak ich ceny także są bardzo różne, dlatego najlepiej jest przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kW);
• w panelach uzyskujemy prąd stały, a znakomita większość domowych urządzeń zasilana jest prądem przemiennym. Trzeba więc go przetworzyć, co wymaga dodatkowych urządzeń (falownika);
• magazynowanie energii elektrycznej w akumulatorach jest kosztowne i niepraktyczne, dlatego najbardziej pożądanym rozwiązaniem jest możliwość odsprzedaży nadwyżek energii do sieci.

Elektryczność jest znacznie bardziej uniwersalną formą energii, niż ciepło pozyskiwane w kolektorach słonecznych. Można ją wykorzystać do zasilania wszelkich urządzeń elektrycznych, ale także do ogrzewania lub przygotowania ciepłej wody.

Jaka jest żywotność paneli fotowoltaicznych?

Komu kolektory, komu panele fotowoltaiczne? - Podsumowanie

Wybór cieczowych kolektorów słonecznych wydaje się oczywisty, jeśli zależy nam przede wszystkim na przygotowaniu c.w.u. Od wiosny do jesieni kolektory zapewniają pokrycie większości zapotrzebowania. Latem niemal w pełni, w pozostałych porach roku - częściowo. Jednak nawet w chłodniejszym sezonie, gdy kolektory podgrzeją wodę w zasobniku do np. 20°C, nie można powiedzieć, że są bezużyteczne. Kocioł dogrzewając ją następnie do 40-50°C i tak zużyje mniej paliwa. To argument dla tych, którzy chcą przede wszystkim obniżyć koszty przygotowania c.w.u., bo np. korzystają z drogich nośników ciepła (prąd, olej opałowy, LPG).

Jest jeszcze druga grupa, dla której kolektory mogą być bardzo atrakcyjne. To użytkownicy kotłów na paliwa stałe. W ich przypadku, instalacja solarna uwalnia od konieczności rozpalania latem w kotle. Kto tego doświadczył, ten wie jak cenna to zaleta. Ponadto w praktyce, właśnie po to żeby nie palić w kotle, latem często zasobnik ogrzewa grzałka elektryczna. A to już wykorzystanie najdroższej postaci energii. Można przywołać także argument ekologiczny. Nie chodzi wyłącznie o fakt, że kocioł nie pracując przez część roku, w sposób oczywisty mniej zatruwa środowisko. Popularne obecnie kotły z podajnikiem paliwa pracują latem niemal wyłącznie w trybie podtrzymania żaru. A wówczas emitują szczególnie dużo zanieczyszczeń, bo proces spalania bardzo odbiega od optymalnego. Ponadto działając w ten sposób, kocioł więcej opału zużywa na podtrzymanie pracy, niż na samo podgrzanie wody użytkowej. W tej sytuacji rzeczywisty koszt przygotowania c.w.u. bardzo wzrasta.

Kiedy z kolei warto polecić wybór paneli fotowoltaicznych? Ich niezaprzeczalną zaletą jest uniwersalność. Uzyskujemy prąd, czyli czystą energię, którą da się spożytkować w dowolny sposób. Od oświetlenia, przez zasilanie różnych domowych urządzeń, po ogrzewanie, czy wreszcie przygotowanie ciepłej wody. Pod względem montażowym też są pod wieloma względami wygodniejsze. Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby panele znalazły się w sporej odległości od domu, np. na dachu budynku gospodarczego lub ustawione na ziemi. Jeśli tylko zastosujemy przewód o odpowiednio dużym przekroju, straty energii na przesyle będą niewielkie. O instalacji z kolektorami nie da się tego powiedzieć. Podstawowym problemem jest wciąż wysoka cena. Nawet uwzględniając preferencyjne kredyty i taryfy gwarantowane inwestycja wymaga starannego rachunku ekonomicznego.

Jarosław Antkiewicz
fot. otwierające: A. Papliński