Zalety, wady i koszty instalacji kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych

Spożytkowanie energii słońca to bardzo kusząca perspektywa. W końcu jest darmowa, dostępna dla wszystkich i to w dużych ilościach. Można to zrobić na dwa podstawowe sposoby - wykorzystując kolektory słoneczne lub panele fotowoltaiczne (PV).

Te pierwsze dają ciepło, w polskich warunkach klimatycznych wykorzystywane najczęściej do podgrzewania wody użytkowej (c.w.u). Panele z kolei zapewniają prąd, czyli zdecydowanie bardziej uniwersalną formę energii, którą da się wykorzystać na wiele sposobów. Tu jednak problemem jest magazynowanie wytworzonej elektryczności, dlatego małe domowe instalacje prawie zawsze połączone są z siecią i do niej trafia niewykorzystywana w danym momencie energia.

Ile tak naprawdę słońca dociera do kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych?

W naszej strefie klimatycznej ilość energii słonecznej jest wprawdzie i tak ogromna, ale jej rozkład zależnie od pory roku charakteryzuje ogromna nierównomierność.

W Polsce roczna suma energii promieniowania słonecznego padającego na 1 m2 powierzchni wynosi ok. 1000 kWh. To naprawdę dużo, bo żeby uzyskać taką ilość ciepła musimy spalić np. 100 m3 gazu ziemnego. Tymczasem roczne zapotrzebowanie nowego domu o powierzchni 150 m2 to 10 000-20 000 kWh.

Niestety, nie potrafimy wychwycić i wykorzystać całej energii słonecznej, która do nas dociera. Drugi, jeszcze poważniejszy problem to roczny rozkład tej energii. Około 4/5 z niej dostajemy przez pół roku, a tego nie jesteśmy w stanie nijak zmienić. Jak łatwo się domyślić, to właśnie w sezonie grzewczym (ok. 180 dni) musimy się zadowolić zaledwie tą 1/5 z rocznej sumy energii słońca. W efekcie średnia dla grudniowego dnia jest ok. 10 razy niższa niż w czerwcu czy lipcu.

Z tego właśnie względu kolektory słoneczne są w stanie w pełni zaspokoić zapotrzebowanie na ciepło do c.w.u w miesiącach letnich, zaś zimą tylko nieznacznie wspomogą konwencjonalne źródło ciepła (kocioł, grzałka). Z kolei instalacje PV najlepiej jest połączyć z siecią energetyczną, a następnie rozliczać się bilansowo - gdy mamy jej nadmiar oddajemy go, żeby później pobrać prąd, gdy mamy go zbyt mało lub nie mamy wcale z ogniw. Korzystny jest przy tym jak najdłuższy okres rozliczeniowy, bo latem zawsze będziemy mieć nadmiar, zaś w zimie niedobór.

Gdy zestawimy wykres pokazujący miesięczne sumy promieniowania słonecznego (a) oraz obrazujący średnią temperaturę wody w zasobniku podgrzewanym przez kolektory (b) nie sposób nie zauważyć niemal idealnej zbieżności. Po prostu ilość pozyskanej energii zależy w pierwszym rzędzie od tego ile jej do nas w ogóle dociera.

Jak wygląda typowa instalacja solarna?

Kolektory słoneczne są rozwiązaniem stosowanym już od wielu lat i dość popularnym. Na rynku dominują dwa rozwiązania - tzw. kolektory płaskie oraz rurowe próżniowe. Budowa płaskich jest prostsza, a cena nieco niższa. Z użytkowego punktu widzenia ważne jest to, że w sezonie letnim płaskie są w stanie dać nawet więcej ciepła niż próżniowe. Z kolei w chłodnych porach roku to próżniowe zyskują przewagę, wtedy mniej ciepła ucieka z nich do otoczenia. Zasada działania wszystkich kolektorów słonecznych jest przy tym taka sama - słońce nagrzewa element nazywany absorberem, od niego nagrzewa się zaś płyn niezamarzający, który krąży pomiędzy kolektorami oraz wężownicą w zasobniku c.w.u.

Zasobnik musi być przy tym duży, zwykle 200-300 l dla 4 osób. Przejmuje on ciepło pozyskane przez kolektory, ale pełni też rolę swoistego akumulatora. W słoneczny, ciepły dzień pozyskamy więcej ciepłej wody niż zużyjemy, ale ten nadmiar i tak wykorzystamy, jeżeli w kolejny dzień aura będzie mniej łaskawa.

W typowej sytuacji, gdy kolektory mają za zadanie jedynie podgrzać wodę do mycia dla 4-5 osób instalacja jest niewielka. Wystarczą 2-3 kolektory o powierzchni ok. 2 m2 każdy. Czyli wszystkie razem zajmą nie więcej niż 6 m2. Tyle miejsca udaje się zwykle wygospodarować na nasłonecznionej połaci dachu. To zdecydowanie najpopularniejsza lokalizacja i nie bez racji, bo wówczas można np. ułożyć krótkie rury łączące kolektory z zasobnikiem wody, dzięki czemu minimalizujemy straty ciepła.

Budowa kolektora płaskiego

Instalacja solarna to przede wszystkim kolektory i zasobnik c.w.u. Kocioł jest konwencjonalnym źródłem ciepła, wykorzystywanym, gdy promieniowanie słoneczne nie wystarcza.

Ogniwa fotowoltaiczne - budowa instalacji

Można powiedzieć, że w przeciwieństwie do kolektorów ogniwa fotowoltaiczne dopiero zdobywają rynek. A ściślej mówiąc, ogniwa są znane od dziesiątków lat i stosowane w rozmaitych drobnych urządzeniach jak np. kalkulatory. Nową sprawą jest jednak stosowanie ich w dużej ilości, w formie dużych paneli, po to żeby uzyskać ilość energii elektrycznej wystarczającą do zasilania rozmaitych domowych urządzeń o znacznej mocy (np. klimatyzatorów).

Ogniwo fotowoltaiczne to element półprzewodniowy, najczęściej zbudowany na bazie krzemu (Si), w którym pod wpływem padającego światła powstaje różnica potencjałów elektrycznych czyli mamy prąd. Pojedyncze ogniwo daje go jednak bardzo mało, dlatego łączy się je w zestawy w postaci paneli. Co ważne, powstaje prąd stały (jak z baterii), podczas gdy w sieci energetycznej mamy prąd zmienny i do zasilania nim przystosowane są używane w domu urządzenia elektryczne. W związku z tym prąd z paneli PV trzeba przetworzyć w falowniku (inwerterze), odpowiednio dobranym do mocy instalacji PV.

Co do zasady budowa instalacji fotowoltaicznej jest dość prosta. Mamy tu panele, przewody, inwerter, dwukierunkowy licznik energii elektrycznej (pobieranie/oddawanie prądu do sieci), automatykę dbająca o odpowiednie obciążenie paneli prądem i ewentualnie akumulatory. Dużą zaletą jest fakt, że nie ma tu mechanicznych, ruchomych części, nie ma się co rozszczelnić. Zaś przewody w razie potrzeby mogą być długie, bo żeby uniknąć strat energii na przesyle wystarczy zwiększyć ich przekrój. Nie znaczy to jednak, że budowa systemu PV jest w praktyce banalnie prosta i można ją powierzyć jakiejkolwiek firmie bez doświadczenia. Tu też można wiele zepsuć przy braku wiedzy i staranności.

Główne elementy instalacji PV to same panele oraz inwerter (falownik) zmieniający prąd stały na zmienny. Najczęściej mamy jeszcze dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, umożliwiający bilansowanie prądu czerpanego i oddawanego do sieci.

Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego

Kurs na południe, czyli gdzie najlepiej montować panele PV i kolektory?

Dla każdej instalacji wykorzystującej słońce kluczowe znaczenie ma orientacja względem stron świata. Najlepiej jest skierować kolektory lub panele wprost na południe, bo to najbardziej nasłoneczniony kierunek. Jednak dopuszczalne jest nawet dość znaczne odchylenie na zachód lub wschód - do ok. 55°. To mniej korzystne ustawienie można zrekompensować powiększając powierzchnię instalacji o nie więcej niż 20%. Natomiast ustawienie ku północy lub w miejscu zacienionym przez budynki lub drzewa nie ma sensu. Uzysk energii drastycznie spadnie.

Pewna różnice pomiędzy kolektorami i panelami ujawniają się zaś jeżeli chodzi o kąt nachylenia do poziomu. Dla tych pierwszych najczęściej wybiera się ok. 45°. Daje to dobry, chociaż nie maksymalny uzysk energii w sezonie letnim i jest dość dobre wiosną i jesienią. A poza wszystkim innym, mniej więcej taki kąt nachylenia mają zwykle dachy w polskich domach. Z kolei dla instalacji PV wskazane jest zmniejszenie kąta nachylenia do 30-35°. Daje to większy zysk energetyczny w skali całego roku. A więc ostatecznie się opłaca, gdy i tak chwilowy nadmiar energii oddajemy do sieci, żeby go później z niej odebrać.

Najczęściej kolektory lub panele zakłada się na dachu. Jednak konstrukcje wsporcze mocowane do ścian, czy ustawione wprost na gruncie też są dobre. Ważne żeby były skierowane na południe i nic ich nie zacieniało.

Montaż na płaskim dachu ma niewątpliwe zalety. Łatwiej dostać się do urządzeń, skontrolować je, oczyścić czy odśnieżyć. (fot. Viessmann)

Instalacja z kolektorami - ile zaoszczędzamy na c.w.u.

Instalacje z kolektorami zwykle projektuje się tak, żeby pokryły około połowę rocznego zapotrzebowania na ciepło potrzebne do przygotowania c.w.u. Powiększanie jej nie ma technicznego i ekonomicznego uzasadnienia, gdyż koszty inwestycyjne rosną wówczas znacznie szybciej niż korzyści. Przypomnijmy, że przez pół roku dostajemy tak naprawdę żałośnie mało energii słonecznej.

Ponadto, jak byśmy nie zwiększali powierzchni kolektorów i tak nie damy rady zrezygnować z konwencjonalnego źródła ciepła. W chłodniejszym sezonie z większej instalacji uzyskamy po prostu więcej letniej wody, ale i tak będzie ona zbyt chłodna do normalnego wykorzystania.

Dlatego lepiej pozostać przy typowej konfiguracji, zaspokajającej ok. połowy rocznego zapotrzebowania na ciepło. Trzeba jednak od razu wyjaśnić, że nie oznacza to rezygnacji z konwencjonalnych źródeł energii przez pół roku. Kolektory zastąpią je w pełni latem, zaś w pozostałych porach roku wstępnie podgrzeją wodę w zbiorniku, którą następnie dogrzeje jeszcze kocioł lub grzałka.

Zakładając, że w domu mieszkają 4 osoby, mamy zużycie ciepła na c.w.u. na poziomie ok. 10 kWh. Tak więc połowa zapotrzebowania rocznego to mniej więcej 1800 kWh (180 dni × 10 kWh). Jak przełoży się to na obniżenie rachunków zależy od ceny używanego przez nas nośnika energii. Przykładowo, cena ciepła z gazu ziemnego to ok. 0,25 zł/kWh. Oszczędzimy więc ok. 450 zł rocznie.

Jednak gdy wykorzystujemy grzałki elektryczne, płacąc 0,65 zł/kWh oszczędność wyniesie już prawie 1200 zł. A przecież choćby wielu użytkowników kotłów węglowych rezygnuje z palenia w nich latem, wodę podgrzewając grzałką elektryczną.

Ciepła woda może być podgrzewana za pomocą różnych nośników energii - gazu, węgla, prądu. To od ich cen zależy opłacalność inwestycji w kolektory. (fot. Kaldewei)

Instalacja z ogniwami fotowoltaicznymi - bilansujemy prąd

Przy obecnie obowiązujących regulacjach prawnych właściciel małej domowej instalacji PV nie ma możliwości odsprzedania wytworzonego prądu do sieci. Odsprzedania w sensie ścisłym, czyli uzyskania za to pieniędzy. Może jednak rozliczać się bilansując energię czerpaną z sieci (zużytą) oraz przekazaną do niej. Nie dostaniemy więc ani złotówki, ale możemy sami zapłacić mniej albo i nie płacić wcale. W tej sytuacji nie warto jednak oddać więcej niż sami wykorzystaliśmy, bo nic nam to nie da. Ważne przy tym żeby okres rozliczeniowy był jak najdłuższy, ewentualnie, żeby nadwyżka z jednego przechodziła na kolejny. Inaczej nie zbilansujemy nadmiaru z okresu wiosenno-letniego z zimowym niedoborem.

Zasady rozliczania są takie, że mając instalację o mocy do 10 kWp, możemy potem odebrać bez opłat 80% tego, co oddaliśmy. Ta 20% różnica ma zrekompensować dostawcy energii koszty przesyłu i obsługi sieci.

Z dostawcą energii musimy mieć podpisaną tzw. umowę kompleksową, uwzględniającą zarówno opłaty za nią samą, jak i za przesył. Ta umowa reguluje też szczegóły zasad rozliczania, przede wszystkim długość okresów rozliczeniowych. W domach jednorodzinnych moc zainstalowanych paneli jest zwykle mała i wynosi 3-5 kWp. Zakładanie większych najczęściej nie ma sensu ze względu na wysokie koszty inwestycyjne oraz ryzyko, że zaczniemy oddawać do sieci więcej energii niż potem sami wykorzystamy. Ma się rozumieć, że potrzebna jest tu indywidualna analiza. Jako ogólną wskazówkę można podać, że z 1 kWp mocy zainstalowanej uzyskamy w ciągu roku ok. 1000 kWh energii. Najczęściej ok. 2/3 z niej trafia do sieci, a zaledwie 1/3 zużywamy na bieżąco.

Przy takich proporcjach zużycia na własne potrzeby i z uwzględnieniem 20% potrącenia na każdym 1 kWp instalacji PV zaoszczędzimy rocznie ok. 550 zł.

Jednak zależnie od tego z jakich urządzeń korzystamy w domu bilans może wypaść nieco inaczej. Dobrym przykładem są klimatyzatory zużywające przecież dużo prądu właśnie w środku lata, w okresach dużego nasłonecznienia.

Ogniwa fotowoltaiczne grupuje się w panele o wielkości podobnej do kolektorów. Dzięki temu napięcie i natężenie prądu osiąga użyteczną wartość. (fot. Schüco)

Instalacja fotowoltaiczna złożona z 24 paneli oznacza moc zainstalowaną ok. 6 kWp. O ile jednak nie planujemy korzystania z klimatyzatorów lub pomp ciepła, powinno wystarczyć 3-4 kWp. (fot. Hewalex)

Na czym polega zarabianie na własnej instalacji fotowoltaicznej?

Zobacz jak dobrać instalację fotowoltaiczną

Koszty instalacji solarnej i paneli PV

Kompletna instalacja solarna złożona z 2-3 kolektorów, zasobnika i niezbędnego osprzętu wraz z montażem kosztuje ok. 10 000 zł. Najlepiej kupić kompletny zestaw od jednego producenta. Mamy wówczas pewność, że wszystkie elementy są prawidłowo dobrane (kompatybilne) i nie ma problemów z gwarancją.

Mała instalacja fotowoltaiczna kosztuje zaś od 4000 zł za 1 kWp mocy zainstalowanej. Przy tym wraz ze wzrostem mocy cena jednostkowa nieco spada. Najdroższym elementem pozostają jednak i tak same panele. Jeden o mocy nominalnej ok. 250 W kosztuje od 700 zł. W przypadku fotowoltaiki w domach jednorodzinnych krytycznym czynnikiem może okazać się nie cena lecz dostępne miejsce. Moc 5 kWp to aż 20 paneli o powierzchni zabudowy ok. 2 m2 każdy. W sumie to aż 40 m2, które trzeba gdzieś pomieścić.

Najlepiej kupić cały zestaw solarny od jednego producenta. Mamy wówczas pewność, że jego elementy zostały do siebie dopasowane. (fot. Galmet)

Redakcja BD