Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne

Kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne
Na dachach polskich domów coraz częściej można zobaczyć zestawy kolektorów słonecznych lub paneli fotowoltaicznych. Bywają one ze sobą mylone, bo na pierwszy rzut oka są przeważnie trudne do odróżnienia. Jednak poza tym, że jedne i drugie wykorzystują energię promieniowania słonecznego, chodzi o zupełnie różne urządzenia.

Zarówno kolektory słoneczne, jak i panele fotowoltaiczne służą do pozyskiwania promieniowania słonecznego i przetwarzania go na inną, użyteczną dla nas postać energii. W przypadku kolektorów jest to ciepło, wykorzystywane najczęściej do podgrzewania wody użytkowej.

Natomiast panele fotowoltaiczne (PV) są źródłem energii elektrycznej - uniwersalnego nośnika, który da się wykorzystać na wiele sposobów na miejscu albo przekazać do sieci elektroenergetycznej.

Kolektory

Elementy instalacji z kolektorami słonecznymi
1. Elementy instalacji z kolektorami słonecznymi

Kolektory i współpracująca z nim instalacja wykorzystują promieniowanie słoneczne do podgrzania wody.

Ten proces przebiega w kilku etapach: - kolektor pochłania i zamienia promieniowanie słoneczne w ciepło; - ciepło jest odbierane przez czynnik roboczy (najczęściej płyn niezamarzający); - czynnik roboczy przepływa rurami do wężownicy umieszczonej w zasobniku wody i przekazuje jej ciepło.

Na rynku dominują kolektory płaskie oraz rurowe próżniowe. Różni je przede wszystkim budowa absorbera, czyli elementu pochłaniającego promieniowanie słoneczne oraz sposób zabezpieczenia przed stratami ciepła do otoczenia. W kolektorach płaskich absorberem jest miedziana lub aluminiowa płyta (blacha).

Od góry zabezpiecza go szyba o dużej wytrzymałości. W kolektorach próżniowych absorber jest zwykle podzielony na wąskie pasy - po jednym w każdej rurze próżniowej. Żeby efektywnie wykorzystać pozyskane ciepło, kolektor nie może zbyt wiele tracić go 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.

Uzysk i straty energii w kolektorze płaskim
2. Uzysk i straty energii w kolektorze płaskim

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. Brak 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 stosunkowo niewielkie. Za to jesienią i zimą przewagę będzie miał rurowy kolektor próżniowy, bo mniej ciepła straci do otoczenia.

Panele fotowoltaiczne

Ze względu na wysoką cenę wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych (PV) w instalacjach dostarczających przynajmniej kilka kW mocy, np. na potrzeby domu jednorodzinnego, jest dość rzadkie. Jednak samo stosowanie pojedynczych ogniw lub ich baterii, zwanych panelami fotowoltaicznymi (solarnymi, słonecznymi), nie jest wcale nowością.

Rury próżniowe łączy się w zespoły po kilkanaście sztuk (fot. Hartmann)
3. Rury próżniowe łączy się w zespoły po kilkanaście sztuk (fot. Hartmann)

Stosuje się je od lat 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.

Dlaczego ogniwa grupuje się w panele? Bo poje - dyncze ogniwo najpopularniejszego rodzaju, czyli zbudowane na bazie krzemu, daje napięcie zale - dwie 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 procent, zależnie od budowy ogniw. Jednak ich ceny także są bardzo zróżnicowane, dlatego najlepiej przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kW);

• w panelach uzyskujemy prąd stały, a znakomita większość domowych urządzeń zasilanych 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 byłaby możliwość odsprzedaży nadwyżek energii do sieci.

Elementy instalacji z panelami fotowoltaicznymi
4. Elementy instalacji z panelami fotowoltaicznymi

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.

Jednak podstawowym problemem pozostaje nierównomierny uzysk energii, zarówno w skali roku, jak i doby.

Niestety, cena, wielkość i niska trwałość akumulatorów uniemożliwia lokalne gromadzenie dużej ilości energii elektrycznej na własne potrzeby. Pozostaje wykorzystywanie nadmiaru energii do zasilania grzałek i przygotowania ciepłej wody albo odsprzedaż do sieci.

Z pozoru ta odsprzedaż nadmiaru energii może wydawać się doskonałym rozwiązaniem dla właścicieli małych, domowych instalacji.

Zgodnie z wprowadzoną w 2013 r. nowelizacją ustawy Prawo energetyczne, dostawca energii elektrycznej ma obowiązek odkupić jej nadmiar z instalacji PV, jeśli tylko jej moc nie przekracza mocy przyłącza energetycznego budynku. W większości domów jednorodzinnych moc przyłączeniowa wynosi przynajmniej 10 kW, a instalacje fotowoltaiczne mają do 5 kW.

Niestety, taki mały dostawca dostaje bardzo niekorzystną cenę - 80 procent giełdowej ceny energii w poprzednim roku. Ta cena nie obejmuje jednak opłat za przesył, w efekcie za kWh prądu dostarczonego do sieci dostaje on poniżej 0,20 zł/kWh, podczas gdy za prąd z sieci sam płaci 0,60 zł/kWh.

Bardziej niż sprzedać nadmiar energii elektrycznej, opłaci się więc spożytkować ją na miejscu, np. do podgrzania wody użytkowej. Za 1 kWh ciepła pozyskanego z gazu ziemnego musimy zapłacić ok. 0,25 zł.

Ile energii ze słońca?

Ilość energii, którą uzyskujemy z instalacji solarnej, zależy od kilku czynników. Te zasady są wspólne dla systemów zbudowanych zarówno w oparciu o kolektory słoneczne, jak i panele fotowoltaiczne. Intensywność promieniowania słonecznego. Zależy ono od pory roku oraz poziomu zachmurzenia. Nie mamy na nią wpływu, a niestety bez intensywnego nasłonecznienia nie możemy liczyć na duże ilości energii.

Budowa ogniwa słonecznego
5. Budowa ogniwa słonecznego

Tu właśnie tkwi przyczyna niskiej wydajności instalacji solarnych w sezonie zimowym. Nie ma słońca - nie ma ener gii. Zimą zaś słońce świeci nie tylko słabo, ale i zaledwie przez kilka godzin w ciągu doby.

Niestety - zimą, gdy zużycie ciepła i energii elektrycznej jest największe, słońce dostarcza nam go najmniej. Warto spojrzeć na zestawienie pokazujące, jaka jest dzienna ilość energii promieniowania słonecznego padającego na 1 m2.

Nawet, jeśli kolektory miałyby stuprocentową 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 nasłoneczniena 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, wykorzystujemy promieniowanie słoneczne padające na większą powierzchnię. Co oczywiste, uzyskujemy wtedy więcej energii. Jednak zwiększanie powierzchni kolektorów niekoniecznie ma sens. Po pierwsze, powoduje wzrost kosztów.

Po drugie, nadmiernie powiększona instalacja z kolektorami cieczowymi przysparza problemów latem, jeśli nie mamy jak wykorzystać dużej ilości produkowanego wówczas ciepła. Ustawienie względem stron świata.

Optymalne jest skierowanie kolektorów i paneli na południe. Dopuszczalne pozostaje jednak dość znaczne od - chylenie ich na wschód lub zachód, które można zrekompensować przez zwiększenie powierzchni.

Przy odchyleniu o 50° na zachód powierzchnię trzeba zwiększyć o 10 procent. Przy 50° na wschód korekta powinna zaś wynosić 20 procent.

Umieszczanie takich urządzeń od północy albo w miejscach stale zacienionych nie ma sensu. Kąt nachylenia. Promienie słoneczne powinny padać na powierzchnie 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 najczęściej wybiera się ustawienie uniwersalne, wynoszące ok. 45°.

Mniej więcej taki jest zresztą najczęściej spotykany kąt nachylenia dachów w domach jednorodzinnych. Dobry projekt i wykonanie całej instalacji. Źle skonfigurowana instalacja nie będzie działać dobrze, nawet jeśli zastosujemy elementy składo - we najwyższej jakości. Ideowy schemat instalacji solarnych jest prosty, ale ich dobre skonfigurowanie w praktyce już nie.

Jarosław Antkiewicz