Technologia i opłacalność ogniw PV

Każdy panel fotowoltaiczny składa się z wielu ogniw, czyli elementów półprzewodnikowych, zazwyczaj zbudowanych na bazie krzemu. Pod wpływem promieni słonecznych w ogniwie powstaje różnica potencjałów elektrycznych, czyli prąd. Można go wykorzystywać do zasilania urządzeń elektrycznych, oświetlenia czy ładowania pojazdów elektrycznych, ale również do przygotowywania c.w.u. i ogrzewania domu - bezpośrednio bądź przez pompę ciepła.

W ostatnich latach panele fotowoltaiczne zakupiły i zamontowały setki tysięcy inwestorów w naszym kraju. Ten boom nie dziwi, bo w dobie rosnących kosztów energii wielu właścicieli domów poszukuje sposobów na obniżenie rachunków. A wykorzystywanie darmowej energii ze słońca brzmi bardzo kusząco. Tym bardziej, że inwestycje w fotowoltaikę są dość mocno wspierane przez państwo. Na poziomie centralnym działa m.in. program "Mój Prąd", w ramach którego można uzyskać kilka tys. zł dopłaty na zakup i montaż instalacji PV. Przy koszcie wykonania typowej mikroinstalacji (o mocy ok. 5 kWp), który wynosi ponad 20 tys. zł, to spore wsparcie. Dotacje na tego typu przedsięwzięcia oferują też niektóre samorządy.

Czy to oznacza, że fotowoltaika jest idealnym sposobem na obniżenie rachunków? Tylko pod warunkiem, że instalacja będzie dobrze przemyślana i wykonana. W naszym kapryśnym klimacie liczy się każdy szczegół - przykładowo nawet niewielkie zacienienie paneli PV może wpływać na opłacalność całego przedsięwzięcia.

Energię słoneczną pozyskaną dzięki panelom fotowoltaicznym można wykorzystywać do zasilania urządzeń elektrycznych, oświetlenia czy ładowania pojazdów elektrycznych, ale też do przygotowywania c.w.u. i ogrzewania domu. (fot. Hewalex)

Specyfika klimatu

Zacznijmy od tego, na co nie mamy wpływu, czyli od warunków klimatycznych w naszym kraju. Ponieważ źródłem energii przetwarzanej przez panele fotowoltaiczne na prąd jest słońce, oczywistym jest, że mogą one efektywnie pracować tylko wtedy, gdy ono świeci. Są więc bezużyteczne po nastaniu zmroku. Ale i w ciągu dnia słońce nie świeci przez cały czas z taką samą intensywnością. Najmocniej w środku dnia, gdy z reguły domownicy są w pracy. Najsłabiej po południu, a to przecież wtedy używamy najwięcej prądu, którym zasilane jest choćby domowe oświetlenie.

W naszym klimacie nasłonecznienie jest bardzo nierównomierne także w cyklu rocznym. Największa intensywność promieniowania słonecznego jest w czerwcu i lipcu, wtedy też dni są najdłuższe. Natomiast w grudniu słońce - o ile w ogóle - świeci tylko przez kilka godzin dziennie.

Tymczasem prąd z paneli fotowoltaicznych musi być zużywany na bieżąco, ewentualnie wytworzoną energię można przechowywać w specjalnych akumulatorach. Ich zakup wiąże się jednak ze sporymi wydatkami, dlatego w naszym klimacie duża część wyprodukowanej przez domowe mikroinstalacje PV energii trafia do sieci, która pełni rolę swoistego magazynu. Umożliwia to ustawa OZE, do której wrócimy w dalszej części tekstu.

Regulator zużycia, który umożliwia przesyłanie nadmiarowej energii fotowoltaicznej do podgrzewania wody. (fot. Fronius)

Najważniejszy element - panele

Biorąc pod uwagę powyższe, bardzo ważne jest, aby wszystkie elementy instalacji fotowoltaicznej były fachowo dobrane, rozmieszczone i zamontowane. Dzięki temu będzie ona maksymalnie wykorzystywać energię słoneczną.

Zacznijmy od wyboru podstawowego elementu, czyli paneli. Ponieważ rynek fotowoltaiki rozwija się u nas od dość niedawna, ale jest bardzo perspektywiczny, działa się na nim wiele firm - wśród nich i takie, które oferują produkty niskiej jakości. Dlatego warto korzystać z ofert tych sprawdzonych, z wieloma udanymi realizacjami.

Ważnym źródłem informacji o panelach są karty produktu, które zawierają wiele istotnych dla kupującego danych. Znajdziemy tam m.in. informację o mocy panelu. Trzeba jednak pamiętać, że często najbardziej uwypuklona moc w punkcie MPP (PMPP) [W] STC oznacza maksymalny punkt pracy w standaryzowanych warunkach testowych (STC, z ang. Standard Test Conditions). A takie osiągane są wyłącznie w laboratorium. Co oczywiste, mogą znacząco różnić się od rzeczywistych. Dlatego bardziej miarodajna jest moc w punkcie MPP (PMPP) [W] NOCT, która oznacza maksymalny punkt pracy panelu w warunkach zbliżonych do rzeczywistych (NOCT, z ang. Normal Operating Cell Temperature).

Innym ważnym parametrem jest temperaturowy współczynnik mocy PMPP [%/K]. Opisuje on spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury powyżej 25°C, czyli takiej, jaka osiągana jest w standardowych warunkach testowych. Im niższa jest jego wartość, tym wyższa wydajność panelu w warunkach rzeczywistych (im parametr ten jest bliższy zeru, tym lepiej).

Trzeba też pamiętać o tzw. tolerancji mocy. Moc paneli podawana jako nominalna przez producentów może być w rzeczywistości nieco inna, co wynika ze specyfiki ich produkcji. Nawet wtedy, gdy wyroby pochodzą z tej samej partii produkcyjnej. Przyjmuje się, że różnice te mogą wynosić do 5% - w jedną lub drugą stronę (-5% to możliwa o tyle moc niższa, a +5% - wyższa od nominalnej). Niektórzy producenci paneli gwarantują tzw. pozytywną tolerancję mocy. Wówczas rzeczywista moc maksymalna może być o kilka procent wyższa od nominalnej, ale nie może być niższa.

Oprócz parametrów technicznych, warto też zwrócić uwagę na budowę panelu. Ważne by był on pokryty od góry taflą z hartowanego szkła. Niedopuszczalne są większe odkształcenia, nieszczelności, nierównomierne rozmieszczenie płytek krzemu, zanieczyszczenia między szybą a ogniwami czy nieszczelne przyleganie folii z tyłu panelu.

Nowoczesne rozwiązania

Wśród nowości, jakie pojawiają się od czasu do czasu na rynku fotowoltaiki, warto zwrócić uwagę na panele bifacjalne (dwustronne). Jak wspomnieliśmy, typowy panel pokryty jest na wierzchu szkłem, natomiast z tyłu folią. W modelach bifacjalnych szklane są obie strony. Pozwala to zwiększyć uzysk energii, ponieważ promienie słoneczne pochłaniane są zarówno przez przednią, jak i tylną część modułu. Oczywiście tył pochłania ich mniej (zazwyczaj ok. 20%, maksymalnie 50%). Tym więcej, im jaśniejszy kolor ma nawierzchnia pod panelem, od której mogą się odbijać promienie słoneczne. Ponieważ pokrycia dachowe oferowane są przeważnie w ciemniejszych kolorach, panele bifacjalne bardzo dobrze sprawdzają się na konstrukcjach wsporczych umieszczonych na gruncie. Miejsce nie może być zacienione, nie mogą go też zasłaniać drzewa czy budynki itp. Dobrym pomysłem jest usypanie pod takimi panelami warstwy białego żwirku.

Panele bifacjalne pochłaniają promienie słoneczne zarówno przednią, jak i tylną częścią modułu. Dlatego warto pod nimi usypać warstwę białego żwirku, bo taki kolor lepiej odbija światło. (fot. Hanplast Energy)

Innym ciekawym rozwiązaniem są pokrycia solarne. To odmiana paneli fotowoltaicznych, które montuje się nie nad pokryciem dachowym, ale zamiast niego. Ich formaty są idealnie dopasowane do materiału pokryciowego. Mogą to być dachówki solarne o wymiarach odpowiadających konkretnym modelom, albo kompletne dachy, które zastępują tradycyjne pokrycie. Dzięki takiemu rozwiązaniu dach ma jednolitą formę i wygląda bardzo estetycznie.

Zastosowanie pokrycia solarnego powala uzyskać estetyczny dach o jednolitej formie. (fot. z lewej: Wienerberger, fot. z prawej: Nice)

Inwestorzy, dla których wygląd dachu ma duże znaczenie, mogą rozważyć zakup paneli full black (całkowicie czarnych). Ich parametry techniczne nie odbiegają zanadto od standardowych, za to inny jest ich wygląd. Wykonane są z bardzo ciemnych ogniw, które umieszczone są na czarnym podłożu. Co istotne, charakterystyczna dla zwykłych paneli siatka srebrnych połączeń elektrycznych jest niewidoczna. Czarna jest również ramka okalająca panel. Dla niektórych taka estetyka może być decydującym kryterium wyboru. Trzeba jednak pamiętać, że panele full black - ze względu na jednolicie czarną barwę całej powierzchni - nagrzewają się nieco bardziej niż modele standardowe. A, wbrew pozorom, panele nie potrzebują bardzo wysokiej temperatury. Gdy się nagrzeją, tracą na mocy.

Odpowiednie ustawienie

Dobór paneli to jedno, ale sztuką jest też ich właściwe ustawienie. Dwie takie same instalacje na sąsiadujących działkach wcale nie będą dawały tyle samo prądu - wiele zależy od umiejscowienia paneli, orientacji względem stron świata i kąta nachylenia.

Zacznijmy od umiejscowienia. Panele montuje się zazwyczaj na dachu. Ale nie bezpośrednio na pokryciu, tylko na konstrukcji wsporczej. Połać koniecznie musi być wyeksponowana na słońce - nie może być zacieniona przez drzewa, komin czy pobliskie budynki.

Jeżeli na dachu nie ma odpowiednich warunków, panele należy zamontować na konstrukcji wsporczej na gruncie. Jak wspomniano, w takim przypadku warto rozważyć zakup paneli bifacjalnych (dwustronnych).

Panele PV można zamontować również na płaskim dachu lub na gruncie. Potrzebna jest tylko odpowiednia konstrukcja wsporcza. (fot. z lewej: Nibe-Biawar, fot. z prawej: Columbus Energy)

Kolejną ważną kwestią jest orientacja paneli względem stron świata. W dużej mierze od tego zależy wydajność instalacji PV. Najlepiej skierować je wprost na południe, czyli na najbardziej nasłoneczniony kierunek. Dopuszczalne jest też pewne odchylenie na zachód lub wschód. Ustawienie ich ku północy nie ma sensu, bo uzysk energii drastycznie spadnie.

Zasada jest inna w przypadku modeli bifacjalnych. Jeżeli skierujemy je w teoretycznie najkorzystniejszym kierunku, czyli frontem na południe, to tył znajdzie się od północy, czyli uzysk energii będzie znikomy. Dlatego tego typu panele najlepiej ustawiać w kierunku wschód-zachód.

Istotny jest ponadto kąt nachylenia paneli. Optymalny to 35°. Taka wartość jest najkorzystniejsza biorąc pod uwagę uzysk energii liczony w całym roku - trzeba przecież pamiętać, że kąt padania promieni słonecznych jest inny latem, a inny zimą.

Niektóre firmy oferują konstrukcje, w których panele PV automatycznie ustawiają się względem słońca. Jednak ze względu na wysokie koszty nie są one popularne.

Wydajność instalacji PV w dużym stopniu zależy od ustawienia paneli. Optymalna orientacja to południe, a kąt nachylenia - 35°. (fot. Soleko)

Wielkość instalacji

Z 1 kWp mocy zainstalowanej minielektrowni PV można uzyskać ok. 1000 kWh rocznie. A ponieważ średniej wielkości gospodarstwo domowe zużywa rocznie 4000-5000 kWp, przyjmuje się, że w typowym domu wystarczą panele o mocy 4-6 kWp.

U wielu inwestorów z pewnością pojawi się pokusa, aby zamontować ich więcej, na zapas. Nie jest to ekonomicznie uzasadnione, bo w polskich warunkach mało realne jest np. to, żeby mikroinstalacja była w stanie pokryć zapotrzebowanie domu ogrzewanego bezpośrednio energią elektryczną. Lepiej rozważyć zakup pompy ciepła. Urządzenie to nie wytwarza go, ale by czerpać je z gruntu lub powietrza, potrzebuje zasilania prądem. I tu dobrze sprawdzi się instalacja PV, bo pompa potrzebuje 3-4 razy mniej prądu niż ogrzewanie elektryczne.

Kolejną kwestią jest wygospodarowanie na dachu lub gruncie odpowiedniej powierzchni. Na typową instalację należy przeznaczyć 20-40 m², czyli często większą część odpowiednio nasłonecznionej połaci dachu.

Planując liczbę paneli można przyjąć, że z 1 kW ich zainstalowanej mocy otrzymamy rocznie 1000 kWh energii. (fot. Vaillant)

Co poza panelami?

Sporo uwagi poświęciliśmy panelom fotowoltaicznym, ale trzeba pamiętać, że są one tylko jednym z elementów instalacji.

Nie byłaby ona w stanie działać bez falownika (inwertera). Jego zadaniem jest przetwarzanie prądu stałego (DC), jaki powstaje w panelach, na przemienny (AC), który płynie w sieci energetycznej i takim zasilane są używane w domu urządzenia elektryczne. Urządzenie to instaluje się zazwyczaj w kotłowni albo na poddaszu i podłącza do tablicy rozdzielczej budynku, przyłączonej do sieci elektrycznej.

Ważnym kryterium wyboru falownika jest moc. Powinna być dopasowana do łącznej mocy paneli. Podobnie jak w ich przypadku, nie ma sensu przewymiarowanie tego urządzenia, bo jego sprawność spada w momencie, gdy jest obciążony mocą znacznie mniejszą od nominalnej.

Niezbędnym elementem instalacji fotowoltaicznej jest inwerter, który przetwarza prąd stały na przemienny. (fot. Fronius)

Kolejnym istotnym parametrem przy wyborze inwertera jest liczba tzw. wejść MPPT, do których podłącza się panele. Dlaczego ma to duże znaczenie? Panele PV łączy się szeregowo w ciągi nazywane stringami. Jeżeli stringów jest kilka, ale wszystkie składają się z tak samo nasłonecznionych w danym momencie paneli, mogą być podłączone do tego samego MPPT. Natomiast gdy warunki nasłonecznienia poszczególnych stringów są odmienne, trzeba je podłączyć do osobnych wejść. Większa liczba MPPT jest więc niezbędna wtedy, gdy panele będą zamontowane na różnie zorientowanych połaciach.

Jeżeli grupy paneli w instalacji wystawione są na słońce w różnym stopniu, potrzebny jest inwerter z większą liczbą wejść MPPT. (fot. Hewalex)

Coraz większą popularnością cieszą się wspomniane magazyny energii. Umożliwiają one magazynowanie wytworzonej energii i późniejsze wykorzystywanie jej według potrzeb. Niestety, nie są to urządzenia tanie. Te najmniejsze, o pojemności 5 kW, kosztują przynajmniej 10 tys. zł. Za magazyn o pojemności 10 kWh trzeba zapłacić niekiedy tyle, co za całą instalację z montażem.

Panele połączone są z domową instalacją przewodami. Mogą być one długie (aby uniknąć strat energii na przesyle należy tylko zwiększyć ich przekrój), dzięki czemu panele można zamontować z dala od budynku.

Innym niezbędnym elementem jest dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, ale urządzenie to wymienia na swój koszt operator sieci.

Magazyny energii z pewnością będą zyskiwać na popularności, ale na razie barierą w ich upowszechnianiu są wysokie koszty zakupu. (fot. Fronius)

Zasady rozliczeń

Zgodnie ze wspomnianą ustawą OZE właściciel mikroinstalacji PV (prosument) może przekazać nadmiar energii do sieci energetycznej. Konieczne jest tylko podpisanie z dostawcą energii elektrycznej tzw. umowy kompleksowej, która określa zasady rozliczeń za zużywaną energię z sieci oraz za jej przesył do odbiorcy.

W naszym kraju obowiązuje system rozliczeń zwany net-billing. Polega on na tym, że właściciel mikroinstalacji kupuje prąd z sieci ponosząc pełne opłaty za energię oraz jej przesył. Dokładnie tak, jakby nie miał instalacji PV. Natomiast każda przekazana przez niego do sieci 1 kWh prądu obniża jego rachunek. Ale wcale nie o tyle, ile sam płaci za prąd, lecz zgodnie ze stawką obowiązującą na giełdzie energii, na rynku dnia następnego (RDN). Co ważne, cena ta nie obejmuje opłat za dystrybucję.

Taka zasada rozliczeń nie ułatwia właścicielom zainteresowanym fotowoltaiką wykonania kalkulacji opłacalności tego typu przedsięwzięcia. Ceny giełdowe podlegają bowiem sporym wahaniom. Zwłaszcza w ostatnich miesiącach, co wiąże się z rosyjską agresją na Ukrainę i zawirowaniami na rynku energii.

W optymistycznym scenariuszu można przyjąć, że inwestorowi, który skorzysta ze wspomnianego dofinansowania (np. z programu "Mój Prąd"), taka inwestycja zwróci się nawet już po kilku latach.

Warto dodać, że do wiosny 2022 roku system rozliczeń był inny. I to z niego korzysta większość właścicieli mikroinstalacji. Net-metering polegał na tym, że każdą 1 kWh oddanej do sieci energii mogli oni później odebrać bez dodatkowych kosztów 0,8 kWh (przy mocy instalacji do 10 kWp) lub 0,7 kWh (w przypadku większych instalacji, które są rzadkością w domach jednorodzinnych). Nie były przy tym naliczane żadne dodatkowe opłaty, a okres rozliczeniowy mógł wynosić maksymalnie 1 rok. System ten uchodził za korzystniejszy dla prosumentów, ale w związku z jego zmianą nie można dziś sugerować się tym, ile oszczędza ktoś rozliczany na starych zasadach.

Redaktor: Norbert Skupiński
fot. otwierająca: Fronius