Solary i fotowoltaika - porównanie systemów i koszty instalacji

Na pierwszy rzut oka trudno odróżnić zainstalowane na dachu kolektory i panele. Ale poza tym, że wykorzystują słońce i umożliwiają zmniejszenie zużycia energii w domu, więcej je dzieli niż łączy. Kolektory przetwarzają promieniowanie słoneczne na ciepło, panele fotowoltaiczne zaś na energię elektryczną.

Ciepło z kolektora

Ciepło z kolektorów najczęściej służy do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), czasem do podgrzewania przydomowego basenu, a już naprawdę sporadycznie do ogrzewania samego budynku.

Wynika to ze specyfiki naszego klimatu i uwarunkowań ekonomicznych. Mała instalacja z 2-3 kolektorami pokrywa ok. 50% rocznego zapotrzebowania na energię niezbędną do podgrzania c.w.u. dla 4-osobowej rodziny. Z zastrzeżeniem, że latem będzie to pokrycie niemal całkowite, wiosną i jesienią zaś tylko częściowe i wstępnie podgrzaną wodę trzeba będzie jeszcze dogrzać kotłem lub grzałką.

Budowa instalacji solarnej - schemat

Wiele osób pewnie zacznie się w tym momencie zastanawiać, czy dodając więcej kolektorów, nie da się całkowicie wyeliminować konwencjonalnego źródła ciepła? Otóż nie. W niesprzyjających zimowych warunkach, przy pochmurnej pogodzie i mrozie, temperatura kolektorów jest zbyt niska. W efekcie mała instalacja z 2 kolektorami podgrzeje nam np. 200 l wody z 10°C do zaledwie 20°C. Zaś 10 razy większa (20 kolektorów) będzie w stanie podgrzać wodę też jedynie do 20°C, różnica jest taka, że będziemy jej mieć 10 razy więcej. Ani litra nie podgrzejemy zaś do 50°C, bo takiej temperatury nie osiągnie sam kolektor.

W powiększaniu instalacji pracującej na potrzeby c.w.u. jest więc granica. Przede wszystkim trzeba brać pod uwagę wzrost kosztów jej budowy, pamiętając, że korzyści stają się coraz mniejsze. Drugi czynnik to nadprodukcja ciepła w sezonie letnim. Bo co odbierze nadmiar ciepła? Mało kto ma przydomowy basen.

Na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej wystarczą 2-3 kolektory. (fot. Hewalex)

Te dwa czynniki - koszty i problem z nadmiarem ciepła w lecie - spowodowały, że kolektory są tylko sporadycznie stosowane do ogrzewania budynków. Tego typu instalacje muszą być duże (przynajmniej kilkanaście kolektorów), bo zimą trafia do nas bardzo mało słońca. W praktyce służą raczej do dogrzewania pomieszczeń w okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią.

Reasumując, technicznie i ekonomicznie uzasadnione w domach jednorodzinnych są w większości sytuacji małe instalacje - z kolektorami pracującymi na potrzeby c.w.u. i zapewniające pokrycie ok. 60% energii niezbędnej na ten cel.

Prąd z ogniw

Ogniwa fotowoltaiczne są alternatywą wobec kolektorów słonecznych. Alternatywą w tym sensie, że to inny sposób na pozyskanie energii ze słońca, jednak cała reszta je różni. Wspólną cechą jest uzależnienie od słońca, przede wszystkim od zmian intensywności jego promieniowania w cyklu rocznym. Wbrew temu, co można usłyszeć od niektórych sprzedawców, panele fotowoltaiczne, podobnie jak kolektory, zimą są kilkakrotnie mniej wydajne. Po prostu, kiedy nie ma słońca - nie ma też energii do przetworzenia.

Panele fotowoltaiczne - czy są wydajne zimą?

Zasadnicza odmienność pomiędzy kolektorami i instalacjami fotowoltaicznymi polega na tym, że w tym drugim przypadku uzyskujemy prąd elektryczny - czystą energię, którą można wykorzystać w dowolny sposób. Priorytet ma zasilanie domowych urządzeń elektrycznych, bo w ten sposób zmniejszamy zużycie dość drogiego przecież prądu z sieci.

Wykorzystanie w jednym domu zarówno kolektorów jak i ogniw fotowoltaicznych nie należy już do rzadkości. (fot. De Dietrich)

Trzeba jednak od razu zaznaczyć, że możliwości wykorzystania prądu na miejscu, w momencie jego wytworzenia, są ograniczone. Przede wszystkim dlatego, że nie ma nas w domu przez dużą część dnia. Ponadto przeznaczenie prądu na potrzeby przygotowania c.w.u. lub ogrzewania pomieszczeń, jeżeli zwykle wykorzystujemy inny nośnik energii, jest ekonomicznie nieuzasadnione. W małych domowych instalacjach najkorzystniejszym wariantem jest z reguły oddawanie nadmiaru energii do sieci. Trafia tam przeważnie 50-70% energii wytworzonej w takich układach.

Zgodnie z obowiązującym prawem (tzw. ustawa OZE), z instalacji o mocy zainstalowanej do 10 kW możemy oddać nadmiar energii do sieci, następnie zaś pobrać 80% z niej bez ponoszenia opłat za przesył itp. Jeżeli moc zainstalowana jest wyższa niż 10 kW, obowiązuje mniej korzystny przelicznik 70%. Jednak w większości przypadków typowa moc domowych instalacji to 3-5 kW. Pozwala to uzyskać od 3000 do 5000 kWh energii rocznie. Najczęściej zaś roczne zapotrzebowanie na prąd nie przekracza tego poziomu i w bilansie możemy wyjść na zero.

Nie znaczy to jednak, że dzięki fotowoltaice obejdziemy się bez dostępu do sieci, będziemy mogli odciąć się od systemu elektroenergetycznego. To właśnie on staje się dla nas swoistym magazynem energii. Zasilamy go, kiedy sami mamy jej nadmiar, a gdy nam jej brakuje - czerpiemy. Rozliczenie następuje w cyklu rocznym, co jest korzystne ze względu na bardzo duże różnice pomiędzy latem i zimą.

Magazynowanie energii elektrycznej na miejscu - w akumulatorach - to raczej możliwość teoretyczna. Problemem są same akumulatory - drogie, ciężkie, niezbyt pojemne i dość mało trwałe. Ich wykorzystanie byłoby po prostu znacznie kosztowniejsze i bardziej kłopotliwe, niż współpraca instalacji fotowoltaicznej z siecią. Jeżeli już planuje się akumulatory, to tylko do zasilania urządzeń o krytycznym znaczeniu na wypadek awarii sieci. Rezerwowe zasilanie obejmuje na ogół kocioł, pompy obiegowe, system alarmowy, napęd bramy, część oświetlenia. To jednak system do użytku awaryjnego.

Instalacja fotowoltaiczna współpracująca z siecią - schemat

Instalacja fotowoltaiczna o mocy 9 kWp na moim domu

Ile paneli fotowoltaicznych zainstalować?

Solary i fotowoltaika - czysto i wygodnie

Solary i fotowoltaika to rozwiązania proekologiczne, co dla wielu osób ma znaczenie. Jednak i pod tym względem łatwo zauważymy istotną różnicę. Instalacja fotowoltaiczna przynosi pożytek bardziej globalny. Tego, że elektrownia spaliła mniej węgla, bezpośrednio nie odczuwamy. Z kolei efekt działania kolektorów ma wymiar lokalny, widoczny niekiedy całkiem wyraźnie w bezpośrednim otoczeniu naszego domu. Mniej paliwa spalamy tu i teraz, dzięki czemu powstaje mniej dymu.

Szczególnie dobrze widać to w przypadku kotłów na paliwa stałe (węgiel, pelety, drewno), których - dzięki kolektorom - nie trzeba rozpalać latem tylko po to, żeby podgrzewać c.w.u. Efekt jest bardzo korzystny dla środowiska. Musimy sobie uświadomić, że nawet bardzo dobry i nowoczesny kocioł węglowy z podajnikiem, kiedy latem będzie podgrzewał tylko c.w.u., będzie działał z bardzo niską sprawnością. Śmiało możemy założyć, że będzie ona dwa razy gorsza niż w sezonie grzewczym. Mamy więc niską sprawność (realne koszty c.w.u. rosną).

Do tego dochodzi niebagatelny czynnik w postaci niewygody. Trzeba przecież nosić paliwo, czyścić kocioł itd. Jeżeli chcemy tego uniknąć, naturalnym wyborem wydają się kolektory ze swoją wysoką sprawnością w sezonie letnim. Jeśli zaś i tak planujemy system fotowoltaiczny, nic nie stoi na przeszkodzie, żeby wytworzony przez niego prąd zasilał latem grzałkę w zasobniku wody.

Solary i reszta, czyli budowa instalacji solarnej

Działanie kolektorów słonecznych nietrudno nam zrozumieć. W końcu w tym, że rozgrzewa je padające promieniowanie słoneczne nie ma niczego niezwykłego. Budowa instalacji jest, przynajmniej co do zasady, prosta, chociaż całość składa się z wielu elementów.

Elementy instalacji solarnej:

• kolektory;
• rury;
• izolacja rur;
• zasobnik ciepłej wody;
• naczynie wzbiorcze;
• pompa;
• sterownik;
• zawory i inne drobniejsze elementy. 

Wszystkie są ważne dla dobrego i bezpiecznego funkcjonowania całości. Dlatego budowę systemu należy powierzyć doświadczonemu fachowcowi i to nawet wówczas, gdy kupujemy typowy, gotowy zestaw od producenta. Wbrew pozorom niejedno można jeszcze zepsuć brakiem wiedzy lub staranności. Ostatecznie jednak działanie całości polega na tym, żeby uruchomić pompę obiegową, kiedy sterownik wykryje, że różnica temperatury pomiędzy płynem solarnym w kolektorach i wodą w zasobniku c.w.u. jest wystarczająco duża, aby wymiana ciepła pomiędzy nimi była efektywna.

Niedocenianym elementem jest zasobnik c.w.u. Przede wszystkim musi on być większy niż ten współpracujący z kotłem. Typowa pojemność dla 4 osób to 300 l. Zbiornik nie może być zbyt mały, bo wtedy nie będzie w stanie odebrać latem całego ciepła z kolektorów. Z drugiej jednak strony - z wielkością też nie należy przesadzać, bo gdy zastosujemy np. 500 l, częściej trzeba będzie dogrzewać wodę kotłem lub grzałką. Po prostu zamiast ciepła, będzie zaledwie letnia.

Zbiornik c.w.u. to jeden z najważniejszych elementów instalacji. Zarówno zbyt mały, jak i zbyt duży przysporzy problemów. (fot. Galmet)

Ponadto kolektory muszą zawsze współpracować z innym źródłem ciepła (kotłem, grzałką elektryczną, pompą ciepła) niezależną od słońca. Nawet latem zdarzają się kilkudniowe okresy bez słońca, kiedy kolektory nie dadzą dość energii. W chłodniejszych porach roku drugie źródło ciepła jest zaś po prostu niezbędne - kolektory wstępnie podgrzewają wodę, jednak do osiągnięcia użytecznej temperatury trzeba ją jeszcze podgrzać.

Ogniwa, moduły, panele

Przemiana światła słonecznego w energię elektryczną czyli tzw. zjawisko fotoelektryczne to już fizyka na wysokim poziomie, wymagająca znajomości zasad budowy i działania półprzewodników. W tym nie ma już nic intuicyjnie zrozumiałego. Jednak dla typowego inwestora i użytkownika liczy się nie to, lecz praktyczne konsekwencje, determinujące działanie i budowę instalacji.

Natężenie uzyskiwanego prądu elektrycznego, a więc ilość energii, zależy od intensywności promieniowania słonecznego. Stąd wynika zarówno sezonowe zróżnicowanie ilości uzyskiwanej energii, jak i dążenie do ekspozycji paneli na najbardziej nasłoneczniony, południowy kierunek, oraz unikanie zacienienia.

Sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczność waha się w granicach od kilku do ponad 20%, zależnie od budowy ogniw. Ostatecznie jednak nie jest to aż tak ważny parametr, bo płacimy za moc zainstalowaną a nie powierzchnię panelu. Dlatego lepiej jest przeliczać cenę na uzyskiwaną moc elektryczną (zł/kWp). Wyjątkiem jest sytuacja, kiedy mamy do dyspozycji ściśle ograniczoną powierzchnię. Najczęściej standardowy wymiar modułu fotowoltaicznego (grupy ogniw) wynosi 1,0 × 1,6 m, moc zaś od 240 do 320 Wp.

W ogniwach powstaje prąd stały, podczas gdy prawie wszystkie domowe sprzęty oraz sieć wymagają prądu przemiennego. Do jego przetworzenia potrzebny jest falownik (inwerter), stanowiący jeden z droższych elementów instalacji. Niekiedy zamiast jednego falownika stosuje się kilka mniejszych (mikrofalowników). Jest to uzasadnione szczególnie gdy warunki pracy poszczególnych modułów się różnią - zainstalowano je na innych połaciach dachu, okresowo zacienia je komin itd. Ma się rozumieć, że budowa instalacji solarnej wymaga fachowości i doświadczenia. Powinno ją poprzedzić wykonanie projektu.

Specjalne powłoki absorbera umożliwiają nie tylko pochłonięcie padającego promieniowania. Zapobiegają też wypromieniowaniu większych ilości ciepła.

Gdzie zamontować solary i ogniwa fotowoltaiczne?

Ani kolektory, ani panele nie są źródłem energii. One tylko odbierają i przetwarzają to, co daje słońce. Dlatego nawet najlepsze z nich nie będą efektywne, jeżeli skierujemy je na północ, ustawimy pod złym kątem albo coś będzie je zacieniać. Nie znaczy to, że wszystko musi być ustawione idealnie, jednak tych uwarunkowań nie można zlekceważyć. Tym bardziej, że w domu jednorodzinnym kolektory i panele zwykle umieszcza się na dachu, co narzuca konkretne ustawienie względem stron świata i kąt.

Odchylenie na wschód lub zachód względem południa wymaga zwiększenia powierzchni kolektorów i paneli. Przy tym kierunek zachodni jest nieco korzystniejszy niż wschodni. Z kolei zmiana kąta nachylenia jest dopuszczalna w dość szerokich granicach (30-50°) bez dużego wpływu na uzysk energii. Generalnie, w przypadku paneli fotowoltaicznych najkorzystniejsze jest ustawienie 35°, bo gwarantuje największy uzysk energii w skali roku. A w sytuacji, kiedy rozliczamy się bilansowo właśnie w skali roku, jest to najlepsze rozwiązanie.

Z kolektorami słonecznymi jest trudniej, bo w ich przypadku nie ma czynnika wzajemnie równoważącego nadmiary i niedobory energii. Kąt nachylenia determinuje ilość energii uzyskiwanej w poszczególnych porach roku. Musimy zdecydować, kiedy chcemy mieć jej więcej.

Zalecane kąty nachylenia solarów są następujące:

• do 30° - jeśli zależy nam na wykorzystaniu kolektorów głównie latem, bo np. podgrzewamy wówczas wodę w basenie albo prowadzimy pensjonat, do którego większość gości przyjeżdża latem. Lepiej zastosować kolektory płaskie;
• ok. 50° - to najczęstsze rozwiązanie, dobre gdy kolektory podgrzewają c.w.u. dla kilku osób. Zapewnia zwiększenie uzysku energii wiosną i jesienią, zimą zaś i tak możliwości kolektorów są bardo słabe, natomiast latem mamy raczej nadmiar ciepła do wykorzystania. Ze względu na cenę lepiej wybrać kolektory płaskie, choć próżniowe będą nieco wydajniejsze;
• 80-90° - gdy przede wszystkim chcemy uzyskać jak najwięcej ciepła w sezonie grzewczym (dogrzewanie pomieszczeń). Taka instalacja będzie musiała być zdecydowanie większa niż typowa, co przy okazji zrównoważy wpływ niekorzystnego ustawienia w sezonie letnim, gdy potrzebujemy tylko c.w.u.

Solary i fotowoltaika - koszty

Instalacja solarna z 2-3 kolektorami, zasobnikiem 300 l i osprzętem kosztuje około 10 000 zł. Będzie odpowiednia dla 4-osobowej rodziny, najłatwiej jest w związku z tym kupić gotowy zestaw przygotowany przez producenta. Dzięki temu unikniemy błędów w doborze komponentów.

Instalacje fotowoltaiczne są droższe w zakupie i to jest główną barierą w ich upowszechnieniu się wśród indywidualnych inwestorów. Trzeba pamiętać, że koszt to nie tylko same moduły fotowoltaiczne. Sumując wszystkie koszty zapłacimy 4000-6000 zł za kilowat mocy zainstalowanej, przy typowej mocy 3-5 kW. Trzeba zaznaczyć, że im moc instalacji większa, tym cena jednostkowa jest niższa. Fotowoltaika to rozwiązanie przyszłościowe, bo możliwości wykorzystania energii elektrycznej są wszechstronne.

Ile możemy uzyskać ciepła ze słońca i w jakich miesiącach będzie go najwięcej?

W Polsce roczna suma energii promieniowania słonecznego wynosi ok. 1000 kWh na 1 m2 powierzchni. Znaczy to, że w ciągu roku każdy metr kwadratowy działki otrzymuje w przybliżeniu tyle energii, ile uzyskujemy ze spalenia 100 m3 gazu ziemnego.

Załóżmy, że mamy energooszczędny budynek o powierzchni 150 m2, który potrzebuje rocznie 40 kWh/m2. Daje to 6000 kWh. Teoretycznie dla zaspokojenia jego potrzeb energetycznych wystarczyłoby więc zebrać energię słoneczną, padającą na zaledwie 6 m2 działki.

Jednak od teorii do praktyki jest bardzo daleko. Oczywiście, nie umiemy pozyskiwać energii bez strat, jednak zasadniczym problemem jest nierównomierny rozkład promieniowania w ciągu roku. Na miesiące zimowe - grudzień, styczeń i luty - przypada zaledwie 6% rocznej sumy promieniowania słonecznego. Co więcej, na całe chłodniejsze półrocze, czyli sezon grzewczy, przypada jej zaledwie 20%. Czyli w czasie, kiedy potrzebujemy najwięcej energii na ogrzewanie, oświetlenie itd. otrzymujemy jej bardzo mało. Równocześnie oznacza to, że w pogodne dni wiosną i latem pozyskamy więcej energii niż możemy zużyć w domu.

Z tego względu instalacje złożone z więcej niż 3-4 kolektorów słonecznych dla 4 osób przysparzają problemów, bo nie mamy czego zrobić z nadmiarem ciepła w środku lata. Za to dla instalacji fotowoltaicznych tak ważna jest możliwość przekazywania nadprodukcji prądu do sieci. W praktyce okazuje się, że z małych domowych instalacji do sieci trafia 50-70% wytworzonej energii.

Dla wydajności kolektora duże znaczenie ma również kąt ustawienia kolektora. Najlepsze efekty uzyskamy, gdy promienie będą padać prostopadle do jego powierzchni. (fot. Hewalex)

Redaktor: Jarosław Antkiewicz
Na zdjęciu otwierającym: Niezaprzeczalną zaletą paneli fotowoltaicznych jest uniwersalność - uzyskujemy prąd, czyli czystą energię, którą da się spożytkować w dowolny sposób. Od oświetlenia, przez zasilanie różnych domowych urządzeń, po ogrzewanie, czy wreszcie przygotowanie ciepłej wody. (fot. Innogy)