Solary i fotowoltaika - kiedy zdecydować się na te instalacje?

Wielu użytkowników zakłada oba rodzaje instalacji solarnych, inni wybierają jedną. Obecnie najpopularniejsze są panele fotowoltaiczne, ponieważ produkują prąd, zatem w gospodarstwie domowym znajdują szersze zastosowanie, niż cieczowe kolektory słoneczne. Te ostatnie przekazują ciepło pozyskane od słońca "tylko" wodzie użytkowej, zmagazynowanej w zasobniku, lecz nie oznacza to wcale, że są mniej przydatne i pożądane.

Instalacja cieczowa i/czy fotowoltaiczna?

Zamontowanie instalacji fotowoltaicznej zaleca się tym, którzy zużywają w gospodarstwie domowym dużo energii elektrycznej, albo chcą ją zamieniać na ciepło do ogrzewania wnętrz. Taki układ można wykorzystać do zasilania domowych urządzeń elektrycznych, oświetlenia itd. Słowem, wytworzony prąd można znacznie bardziej wszechstronnie spożytkować, niż wodę, podgrzaną przez słońce.

Instalację solarną z płaskimi kolektorami o prostej konstrukcji zazwyczaj wybiera się, gdy ma służyć tylko do przygotowywania c.w.u. (do mycia, kąpieli, sprzątania, ewentualnie do podgrzewania wody w basenie) w okresie, kiedy wyłączone zostaje ogrzewanie kotłem na paliwa stałe, elektrycznym, gazowym. Jest ona bowiem najwydajniejsza w okresie od początku kwietnia do końca września, kiedy w Polsce słońce świeci najdłużej i jest najmniej dni pochmurnych. Latem zapewnia pełne pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę, natomiast w pozostałych porach roku - częściowe.

W droższe kolektory próżniowe warto zainwestować, jeśli planuje się przygotowywać c.w.u. przez cały rok oraz wspomagać system grzewczy.

Należy dodać, że w okresach przejściowych i niekiedy także w zimie oba rodzaje kolektorów cieczowych mogą (oczywiście, w różnym stopniu) podgrzać wodę w zasobniku do wyższej temperatury, niż ta, którą ma woda wychodząca bezpośrednio ze studni lub wodociągu. To z kolei sprawia, że nawet przy mniej korzystnej pogodzie instalacje solarne są przydatne, bo dzięki nim każdy rodzaj kotła grzewczego zużyje mniej paliwa do dogrzania wody do zadanej temperatury 40-50°C. Powinni je koniecznie założyć właściciele kotłów na paliwa stałe, ponieważ mogą wtedy zrezygnować z uciążliwego palenia w kotle latem, albo wyłączyć energochłonną elektryczną grzałkę w zasobniku c.w.u.

Z uwagi na pewne aspekty montażowe, np. położenie i długość instalacji, panele fotowoltaiczne są mniej wymagające. Można je, bez obniżenia ich wydajności, ulokować daleko od domu, np. na dachu budynku gospodarczego, na stojaku w ogrodzie. Wystarczy spełnić jeden prosty warunek - należy zastosować przewód o odpowiednio dużym przekroju, a uniknie się poważniejszych strat energii w trakcie przesyłu. Tymczasem instalacja z kolektorami cieczowymi powinna być możliwie najkrótsza.

W przypadku kosztów inwestycyjnych, cieczowe układy solarne są na ogół tańsze. Na przykład, instalacja dla czteroosobowej rodziny z dwoma lub trzema kolektorami, zasobnikiem c.w.u. 300 l, osprzętem i montażem kosztuje około 15 000 zł. Założenie instalacji fotowoltaicznej o mocy zainstalowanej 4 kW to wydatek 20 000-30 000 zł. Koszty obniży skorzystanie z rozmaitych form dofinansowania.

Budowa instalacji z kolektorami słonecznymi.

Instalacja z ogniwami PV.

Cechy wspólne obu instalacji

Ilość energii, którą wytworzy każda odmiana instalacji, zależy od kilku czynników - natężenia promieniowania słonecznego, kąta nachylenia kolektorów lub paneli oraz ich ekspozycji względem stron świata. Jeżeli zamierzamy efektywnie korzystać z instalacji solarnych tylko latem, kolektory powinny mieć nachylenie do 30° (w stosunku do poziomu) i być zwrócone w kierunku południowym. To najlepsze położenie kolektorów płaskich, zamocowanych na dachu i przewidzianych do przygotowywania c.w.u., a także do kolektorów ustawionych na stojaku w ogrodzie i ogrzewających wodę w basenie. W naszej szerokości geograficznej, najczęściej kieruje się kolektory na południe, w nachyleniu około 45°, ponieważ zwiększa to ich sprawność w miesiącach wiosennych i jesiennych. Dobrze działają wtedy kolektory płaskie, rurowe próżniowe, panele PV.

Przy typowej południowej ekspozycji, dla czteroosobowej rodziny, zużywającej średnio na dobę 200-240 l wody o temperaturze 60°C, wystarczają kolektory płaskie o łącznej powierzchni 4-4,50 m2. Przy skierowaniu ich na wschód lub zachód, trzeba powiększyć ich powierzchnię średnio o 20% oraz zastosować odrębne pompy obiegowe i sterowniki, jeżeli w jednej instalacji mają różną orientację. Z kolei ogniwa fotowoltaiczne powinny mieć w takiej sytuacji falownik (inwerter) z dwoma wejściami MPPT. Niestety, koszt inwestycyjny powiększonej instalacji wzrośnie, co może mieć znaczenie przy montażu droższych kolektorów próżniowych, a szczególnie paneli PV.

Kolektory słoneczne montuje się na najbardziej nasłonecznionej połaci dachu. (fot. De Dietrich)

Instalacje cieczowe

Elementy składowe w każdej cieczowej instalacji solarnej są podobne, ich początek zawsze stanowią kolektory słoneczne, ustawione w kierunku słońca. Absorbując energię z promieniowania słonecznego, przekazują ją czynnikowi grzewczemu (inaczej nazywanemu cieczą roboczą lub solarną), którym najczęściej jest niezamarzający roztwór wody i glikolu. Ogrzany czynnik płynie przez zaizolowane rury instalacji do zasobnika ciepłej wody. Przepływ czynnika między kolektorami i zbiornikiem wymusza pompa obiegowa. W niesprzyjających warunkach, instalacja solarna jest narażona na przegrzanie czynnika solarnego. Jeżeli temperatura tego płynu nadmiernie wzrośnie, jednocześnie wzrasta jego objętość, a wskutek tego również ciśnienie. W instalacji solarnej montuje się zatem membranowe naczynie wzbiorcze, które przyjmuje nadmiar płynu, jeśli ciśnienie przekroczy typowe parametry. Kolejnym elementem ochrony systemu jest zawór bezpieczeństwa. Pracę układu reguluje automatyka sterująca.

Kolektory słoneczne można połączyć z oknami dachowymi. (fot. Fakro)

Kolektory - ze względu na konstrukcję - dzielimy na płaskie i rurowe. Odmianę rurową nazywa się też próżniową.

Kolektory płaskie absorbują promieniowanie słoneczne poprzez płaską metalową płytę, wykonaną z materiału dobrze przewodzącego ciepło, na przykład z miedzi, aluminium. Płyta z powłoką pochłaniającą promieniowanie słoneczne, przekazuje ciepło do rurek z cieczą solarną, które stykają się z jej spodem. Nagrzana ciecz przez rury dociera do wymiennika ciepła (wężownicy), zamontowanego w zasobniku c.w.u., któremu oddaje ciepło. Potem, schłodzona, powraca do kolektora. Osłona chroni kolektor przed stratami ciepła oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi, np. gradem, kamieniami rzucanymi przez wandali. Izolatorem termicznym jest najczęściej wełna mineralna.

Kolektory rurowe nie mają jednolitej obudowy i składają się z wielu pojedynczych rur szklanych. W każdej rurze znajduje się osobny absorber z rurką (ewentualnie blaszką), w której ogrzewa się ciecz robocza. W przeciwieństwie do płaskich, kolektory rurowe zawsze są próżniowe. Próżnia, panująca w rurkach, ogranicza straty ciepła do otoczenia lepiej niż izolacja kolektorów płaskich. Przekłada się to jednak na wyższą cenę takich wyrobów.

Groźny nadmiar ciepła zdarza się, kiedy właściciele instalacji cieczowej nie zużywają na bieżąco wody ogrzanej przez słońce, a objawia się - wzrostem ciśnienia cieczy roboczej i jej przegrzaniem. Mogą go spowodować dłuższe przerwy w dostawie prądu, występujące przy silnym nasłonecznieniu. Instalacja cieczowa, która przegrzewa się poza okresem działania funkcji "urlop", została prawdopodobnie źle zaprojektowana (ma nieodpowiednią wielkość kolektorów lub zasobnika c.w.u.).

W okresie urlopowym, prostym zabezpieczeniem jest wyposażenie absorberów w osłony przeciwsłoneczne, np. automatyczne rolety. Większość użytkowników woli jednak od razu ułożyć instalacje ze specjalnym wyposażeniem automatyki, które przygotowali niektórzy producenci systemów solarnych. Należy do nich nocny tryb pracy systemu. Automatyka odwraca działanie instalacji i wymusza działanie pompy obiegowej również w nocy, wskutek tego kolektory oddają ciepło do otoczenia. Inni producenci zaprojektowali system drain back, czyli grawitacyjny proces opróżniania kolektora z płynu solarnego i skierowanie go do specjalnego zasobnika, zawsze wtedy, gdy instalacji grozi przegrzanie. Kiedy zagrożenie mija, wraca on do instalacji.

Kto nie musi kłopotać się nadmiarem ciepła, odebranego przez kolektory od słońca w najgorętszym okresie lata? Posiadacze przydomowych basenów, ponieważ woda w basenie pochłonie każdą przekazaną przez kolektory ilość ciepła!

Instalacje fotowoltaiczne

Zestawy zwane panelami fotowoltaicznymi (w skrócie PV) składają się z pojedynczych ogniw słonecznych, które produkują energię elektryczną. Ogniwo, najczęściej zbudowane na bazie krzemu, 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 różnica potencjałów, czyli prąd elektryczny. Pojedyncze ogniwo zapewnia małe napięcie (około 0,5 V), dlatego w celu osiągnięcia użytecznej wartości, łączy się je i grupuje w panele. Trwałość instalacji szacuje się na przynajmniej 20 lat.

Panele fotowoltaiczne mogą być wtopione w pokrycie dachowe z blachy. (fot. Lindab)

Działanie instalacji PV oparto na kilku zasadach:

• im intensywność promieniowania słonecznego jest większa, tym większe jest natężenie uzyskiwanego prądu i ilość energii;
• zależnie od budowy ogniw, sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się od kilku do ponad dwudziestu procent; ceny ogniw różnią się, dlatego najlepiej jest przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kW);
• panele PV wytwarzają prąd stały, trzeba go zatem przetworzyć przy pomocy falownika (inwertera) na prąd przemienny, którym zasila się urządzenia domowe;
• po wyprodukowaniu przez panele PV energii elektrycznej i przetworzeniu przez falownik, najbardziej zalecanym działaniem jest jej spożytkowanie we własnym gospodarstwie domowym, czyli np. do zasilania oświetlenia, urządzeń AGD, ogrzania wody użytkowej. Jeżeli mimo to pozostaje nadwyżka energii, rozwiązaniem lepszym od magazynowania w akumulatorach jest jej odsprzedaż do sieci dostawcy prądu. Do domowej sieci musi zatem zostać dodany specjalny licznik. W praktyce większość właścicieli na tzw. autokonsumpcję zużywa 1/3 wyprodukowanego prądu, a niezużytą nadwyżkę (czyli 2/3) przekazuje do sieci elektroenergetycznej. Szczególnie istotne jest dążenie do wzrostu autokonsumpcji. Jest ona tym większa, im więcej działa domowych urządzeń w tym samym czasie, w którym panele dostarczają najwięcej prądu.

Dach zintegrowany z panelami fotowoltaicznymi nie wymaga konserwacji - z uwagi na bezramową konstrukcję paneli oraz sposób ich układania (poszczególne elementy nachodzą na siebie) woda i brud nie zalegają na powierzchniach instalacji. (fot. Wienerberger)

Net-metering, Net-billing

Prawo do rozliczania według zasady Net-metering, przez 15 lat, mają prosumenci, którzy uruchomili swoją mikroinstalację do kwietnia 2022 r. Mogą wykorzystywać system energetyczny jako akumulator. Za 1 kWh energii oddanej do sieci (np. w lecie) odbierają 0,8 kWh (np. w zimie). Przelicznik wynosi 0,7 kWh, gdy moc zainstalowana paneli przekracza 10 kW.

Dla nowych prosumentów wprowadzono zasadę rozliczania Net-billing. Zmiana polega na tym, że w bilansie uwzględnia się nie ilość energii, lecz jej wartość. Niestety, stawka za oddaną energię obejmuje tylko giełdową cenę energii, bez opłat przesyłowych. W efekcie właściciel mikroinstalacji oddaje prąd znacznie tańszy, niż wtedy, gdy sam za niego płaci.

Redaktor: Lilianna Jampolska
fot. otwierająca: Hewalex