Odnawialne Źródła Energii (OZE) są coraz bardziej popularnym rozwiązaniem na oszczędności energetyczne, zarówno w domach jednorodzinnych, budownictwie mieszkaniowym oraz zakładach pracy. Na dachach budynków możemy zauważyć panele słoneczne, które wykorzystują światło słoneczne do produkcji darmowej energii. Niemniej jednak mało kto orientuje się, że mamy do czynienia z dwoma rodzajami urządzeń – kolektorami słonecznymi i panelami fotowoltaicznymi. W tym artykule zapoznamy się ze sposobem ich działania.
Solary, czyli kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne funkcjonują z powodzeniem na naszym rynku już od kilkunastu lat. Instalowane są na dachach i wykorzystują światło słoneczne do produkcji energii cieplnej. Instalacja solarna służy do podgrzewania ciepłej wody użytkowej oraz wspomagania systemu ogrzewania w domu.
Jak działają kolektory słoneczne – zasada działania
Kolektory pochłaniają i odbierają energię słoneczną, zamieniając ją w ciepło. Elementem, który odbiera ciepło jest czynnik roboczy – substancja niezamarzająca. Następnie czynnik ten przepływa rurami do wężownicy i tam przekazuje ciepło w zasobniku wody.
Wyróżniamy dwa rodzaje kolektorów słonecznych: płaskie i próżniowe. Między sobą różnią się sposobem zabezpieczenia przed utratą ciepła oraz elementem odpowiedzialnym za pochłanianiem ciepła, zwanym absorberem. W kolektorach płaskich absorber jest miedzianą lub aluminiową płytą. W próżniowych jest podzielony na wąskie paski i umieszczony w rurkach próżniowych.
Opłacalność kolektorów słonecznych
O efektywności solarów świadczą przede wszystkim straty ciepła. Im one mniejsze na drodze odbiornik-przekaźnik, tym więcej ciepła wytwarza kolektor. Aby ciepło z kolektorów mogło być dobrze spożytkowane, nie mogą one jego za wiele tracić do otoczenia. Z tego też względu, absorbery mają specjalną powłokę, która nie tylko pochłania promieniowanie słoneczne, ale też zatrzymuje jak największe ilości ciepła.
Dodatkowo w kolektorach płaskich stosuje się wełnę mineralną, która ma ograniczyć te straty. Natomiast w próżniowych, tę rolę pełnią rurki wypełnione próżnią. Pod tym względem lepszą wydajność wykazują kolektory próżniowe. Próżnia jest bardzo dobrym izolatorem, nie ma w niej przewodzenia i konwencji, pozostaje tylko strata przez promieniowanie. Wadą systemu próżniowego jest to, że wystarczy niewielkie pęknięcie, aby rozszczelnić cały układ rurki i kolektor przestał spełniać swoje zadanie. Im więcej rurek jest rozszczelnionych, tym wydajność takiego układu spada. Po paru latach użytkownik musi wymieniać rurki w kolektorze.
Energia cieplna wytwarzana przez solary jest bezpośrednio magazynowana w zasobniku wody (woda jest podgrzewana) i stamtąd może trafiać do rur ciepłowniczych lub służyć do podgrzewania CWU w zasobniku. Ten rodzaj pozyskiwania ciepła z promieniowania słonecznego najlepiej sprawdza się do podgrzewania wody użytkowej lub basenowej. Natomiast, jako system grzewczy, może jedynie służyć wspomagająco z innym głównym źródłem ciepła np. z piecem lub pompą ciepła.
Wydajność kolektorów słonecznych
Powszechnie uważa się, że im więcej założy się kolektorów słonecznych, tym więcej uzyska się z nich ciepła. Nic bardziej mylnego. Solary to nie to samo co panele fotowoltaiczne. Mniej więcej 3 panele solarne pokrywają w 50% zapotrzebowanie na CWU dla 4-osobowego gospodarstwa domowego w Polsce.
Urządzenia te najefektywniej działają przy ciepłej pogodzie, więc latem w pełni można korzystać z ciepłej wody podgrzanej solarami. Natomiast w miesiącach zimnych będzie potrzeba zastosowania dodatkowego źródła ciepła do dogrzania wody. Przy zimnej i pochmurnej pogodzie działanie kolektorów jest zbyt niskie. Zimą praktycznie w ogóle nie pracują. Występuje tutaj pewna granica produkcji ciepła. Zatem większa ich liczba na dachu nie spowoduje wzrostu efektywności produkcji ciepła w miesiącach zimnych, a latem tylko przyczyni się do niepotrzebnej nadprodukcji.
Zalety i wady kolektorów słonecznych
Zalety:
- konkurencyjna cena
- rozwiązanie ekologiczne
- podgrzewa c.w.u w sezonie letnio-wiosennym za darmo
- bezobsługowe działanie
- 5-10 lat gwarancji w zależności od producenta
- niewielka liczba paneli słonecznych
- niska cena w porównaniu do ogniw pv
Wady:
- niska sprawność w zimnych porach roku
- działanie uzależnione od temperatury na dworze
- potrzeba wymiany rurek próżniowych
- nie nadaje się do ogrzewania całego domu
- w okresie letnim niebezpieczeństwo przegrzania się kolektorów, występuje nadmiar energii cieplnej produkowanej w gorące dni
- złożony montaż – potrzeba rozbudowania instalacji hydraulicznej i jej przeróbki
Fotowoltaika, czyli panele fotowoltaiczne
W ciągu ośmiu minut nasze Słońce do Ziemi wysyła tyle energii, ile nasza planeta potrzebuje do wykorzystania w ciągu roku. Zatem mamy potężne źródło naturalnej energii do wykorzystania, które trzeba odebrać i odpowiednio przetworzyć na zasilanie możliwe do zagospodarowania. Do tego właśnie służą ogniwa fotowoltaiczne, które przetwarzają promieniowanie słoneczne na prąd stały.
Ze względu na swój sposób działania, instalowane są bezpośrednio na ekspozycję słońca, czyli np. na dachu lub specjalnej konstrukcji naziemnej. Miejsce usytuowania paneli PV musi być niezacienione i dobrze naświetlone przez słońce. Panele PV muszą być ustawione pod odpowiednim kątem nachylenia mniej więcej 20 st.-45st. latem, a zimą ok. 65 st. od horyzontu. Największe uzyski możemy zaobserwować w okresie wiosenno-letnim, więc instalacja o nachyleniu ok. 40 st. (tyle co nachylenie dachu) jest najbardziej optymalna.
Jak działają panele fotowoltaiczne?
Panele fotowoltaiczne (baterie słoneczne) przetwarzają energię słoneczną na energię elektryczną. Dzięki fotoogniwom wykonanym z cienkich krzemowych płytek, na styku tych płytek, pod wpływem światła słonecznego powstają ładunki elektryczne. Od spodu umieszczona przewodząca metalowa powłoka, a od góry metalowa siatka pozwalają na odprowadzenie tych ładunków elektrycznych o stałej częstotliwości, zwanej prądem stałem.
Niemniej jednak, aby ten potencjał elektryczny mógł być wykorzystany w naszym gniazdku elektrycznym, potrzeba dodatkowego urządzenia w postaci inwertera (falownika), który zamieni je na prąd zmienny o częstotliwości i napięciu odpowiadającemu naszej sieci elektrycznej. Dlatego baterie słoneczne łączone są w zestawy wielomodułowe (wiele modułów fotoogniw) zamkniętych w szczelnej obudowie ze szkła lub plexi i połączone z falownikiem. Taki kompletny system fotowoltaiczny gwarantuje produkcję własnego prądu w domu.
Wydajność i opłacalność paneli fotowoltaicznych
Ilość energii wyprodukowanej przez system PV zależy od wielkości instalacji fotowoltaicznej (liczby paneli PV). Aby nasze rachunki za prąd zredukować do zera, należy dostosować moc takiego układu do realnego zużycia energii elektrycznej w naszym gospodarstwie domowym, czy miejscu pracy. Przeliczając ilość zużywanych kWh na ilość potrzebną kWp instalacji PV, mamy określoną jej wielkość. Zgodnie z następująca zasadą, że w ciągu roku 1kWp instalacji modułów PV potrafi wyprodukować średnio około 1050-950 KWh w Polsce. Zależy to oczywiście od rodzaju paneli, sprawności ogniw zamontowanych w panelach, a także od ilości światła, jakie na nią pada. Zatem gospodarstwo domowe, mające średnio zapotrzebowanie na energię elektryczną rzędu ok. 250-300 kWh miesięcznie, w ciągu roku zużywa ok. 3000-3600 kWh prądu, co może zapewnić instalacja fotowoltaiczna o mocy 4 kWp.
Instalacje fotowoltaiczne mogą być wykonane w systemie on-grid i off-grid. Najbardziej popularne rozwiązanie to on-grid, czyli instalacja podłączona do sieci operatora energetycznego. W tym wypadku użytkownik w czasie rzeczywistym wykorzystuje energię z paneli PV. Nadwyżki zaś odprowadzone są do sieci energetycznej i tam magazynowane. W okresie mniejszej produkcji energii z paneli PV, użytkownik może odebrać zmagazynowaną energię elektryczną.
System off-grid montuje się głównie tam, gdzie nie ma dostępu do sieci energetycznej. Wtedy instalacja nie jest podłączona do żadnego systemu sieciowego. Dlatego ten układ wymaga zastosowania specjalnych baterii przepływowych, służących do magazynowania nadwyżek wyprodukowanej energii elektrycznej.
Fotowoltaika – wady i zalety
Zalety :
- szerokie zastosowanie i możliwość pełnego zaopatrzenia budynku w energię elektryczną i cieplną – realna redukcja kosztów prądu, niezależność
- nie potrzebują zbyt intensywnego promieniowania słonecznego, aby działać, działają również zimą oraz przy pochmurnej pogodzie
- bezobsługowe
- możliwość magazynowania energii elektrycznej
- energia przyjazna środowisku
- 25+ lat gwarancji
- dynamiczny rozwój układów fotowoltaicznych, zwiększa ich możliwości
Wady:
- wysoka cena w porównaniu z kolektorami
- zajmują więcej miejsca w porównaniu do kolektorów, trzeba liczyć się z większą powierzchnią dachu lub przestrzeni dla ich usytuowania
Fotowoltaika i solary – koszta
Koszty założenia instalacji fotowoltaicznej są zdecydowanie wyższe niż kolektorów słonecznych. Wiąże się to nie tylko z wielkością i stopniem złożoności instalacji PV, w porównaniu z instalacjami kolektorowymi, ale też ze stopniem ich zastosowania. Kolektory słoneczne mogą służyć jedynie do podgrzewania ciepłej wody użytkowej i to sezonowo. Dzięki nim możemy zmniejszyć rachunki za podgrzewanie wody. Natomiast panele fotowoltaiczne działają cały rok i jako urządzenia produkujące energię elektryczną, mają zdecydowanie szersze zastosowanie. Instalacje PV zasilają wszystkie urządzenia elektryczne. Dlatego mogą być wykorzystane jako źródło energii elektrycznej i cieplnej, współpracując z elektrycznymi urządzeniami grzewczymi, takimi jak np. podłogowe folie na podczerwień. Instalacje fotowoltaiczne to sposób na budynek bez rachunków.
