Energia słoneczna i jej wykorzystanie jest znane na świecie od dziesiątek lat. Jednak ostatnie lata przyniosły wzrost zastosowania technologii solarnych w zastosowaniach domowych. Na dachach wielu budynków znajdują się systemy solarne w postaci ogniw fotowoltaicznych.

Ogniwa fotowoltaiczne produkują energię elektryczną z energii Słońca za pomocą metody bezpośredniej, zwaną heliocentryczną (fotowoltaiczną) polegającą na wykorzystaniu przetworników fotoelektrycznych – ogniw słonecznych. Metoda heliocentryczna polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania elektromagnetycznego (słonecznego) w energię elektryczną za pomoca ogniw fotoelektrycznych z relatywnie dużą sprawnością 13-15%. Ta stosunkowo duża sprawność wynika z faktur, że energia elektryczna promieniowania słonecznego zamienia się w energię elektryczną bez udziału ciepła.

Ogniwo fotoelektryczne (fotowoltaiczne) jest przetwornikiem, w którym przy wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego zachodzi bezpośrednia przemiana energii promieniowania świetlnego w energię elektryczną. Promieniowanie słoneczne niesie energię rozłożoną dyskretnie w postaci kwantów promieniowania zwanych fotonami.

W chwili obecnej wyróżnia się trzy typy ogniw fotowoltaicznych:

- monokrystaliczne – wykorzystujące jednorodną warstwę krzemu;
- polikrystaliczne – wykorzystujące niejednorodną warstwę krzemu;
- amorficzne – krzemowe ogniwa, w których krzem jest materiałem mniej uporządkowanym w stosunku do klasycznych ogniw.

Ogniwa monokrystaliczne stosuje się zazwyczaj przy mocach do 150-180W jednego panelu fotowoltaicznego. Z kolei ogniwa polikrystaliczne są stosowane dla mocy powyżej 200W w jednym panelu fotowoltaicznym. Np. firma Building Solution posiada ogniwa fotowoltaiczne o mocach do 270 W. Jest to rozwiązanie dla tych, którzy mają problemy z ogrzewaniem wody lub chcą uniezależnić się od sieciowych dostawców energii elektrycznej. Ogniwa fotowoltaiczne mogą być zastosowane do bezpośredniego ogrzewania wody przez grzałkę w zasobniku na wodę (lub glikol). Energia elektryczna produkowana przez ogniwo przekazywana jest do grzałki. W taki sposób powstaje ciepła woda z energii wyprodukowanej przez ogniwo.
 

Co w momencie, gdy słońca nie ma? Są na to 3 rozwiązania:

1. Możliwość gromadzenia energii w akumulatorach.
2. Możliwość zastosowania systemu hybrydowego z turbiną wiatrową,
3. Możliwość zastosowania kolektorów słonecznych,

Konfiguracja systemu
 

Pełny system ogniw fotowoltaicznych składa się z następujących elementów:

1. Ogniw fotowoltaicznych.
2. Kontrolera – ma za zadanie stabilizowanie energii wychodzącej z ogniwa oraz stanowi jednocześnie system ładujący akumulatory.
3. Akumulatorów – przy systemie off-grid.
4. Inwertera – będącego przetwornicą napięcia stałego na napięcie zmienne sieciowe – 230V.

System On-Grid – zasilanie z ogniw jest bezpośrednio połączone z siecią energetyczną. Ta opcja pozwala na sprzedaż energii i bezpośrednie bilansowania kupowanej mocy. Do systemu On-grid stosujemy specjalny inwerter On-grid, który harmonizuje napięcie wychodzące z ogniw z napięciem sieciowym.

System Off-Grid – system składający się z ogniw, sterownika, akumulatorów i inwertera. System ten ma głównie zastosowanie w domkach jednorodzinnych. W tym systemie energia zgromadzona w akumulatorach jest bezpośrednio przekazywana do odbiorników włączonych w obwód elektryczny ogniwa. System Off-Grid można również konfigurować pod kątem podłączenia z siecią.

W tej sytuacji proponowane są 2 rozwiązania:

a. Brak systemu podłączenia z siecią – w tym wypadku robiona jest druga instalacja – wyprowadzenie kilku gniazdek w domu. Tym sposobem jesteśmy w stanie bezpośrednio włączać urządzenia (telewizor, lodówka, etc.) do zasilania ogniw.

b. Integracja z siecią energetyczną – w tym wypadku stosowany jest specjalny przełącznik, który służy do automatycznego przełączania pomiędzy siecią energetyczną a ogniwami. Innymi słowy w momencie braku energii w akumulatorach system automatycznie przełączy się na sieć energetyczną.

Konfiguracja systemu ogniw zależy przede wszystkim od mocy odbiorników, jakie będą włączone w obwód. Dotyczy to także zastosowania ogniw, czyli w jakich celach będzie ona wykorzystywana:

1. System prosty – ogniwa bezpośrednio zasilają urządzenia – w tym wypadku system składa się tylko z ogniw i sterownika. Ten system sprawdzi się tylko wtedy, jeżeli odbiornik będzie zasilany na napięcie stałe o wartościach 12V, 24V czy 48V.

Zastosowaniem może być:
 

- Oświetlenie LED.
-  Grzanie wody – bezpośrednie wpięcie ogniwa do grzałki w zasobniku na wodę – w tym wypadku grzałka musi być na napięcie stałe.

2. System umiarkowany – podobnie jak w systemie prostym ogniwo jest bezpośrednio podłączone do odbiornika. Jedyna różnica polega na tym, iż system wyposażony jest w inwerter, który zamienia napięcie stałe wychodzące ze sterownika na napięcie sieciowe. Tym samym możemy zasilać urządzenia, które nie wymagają stałego poboru mocy, jak przykładowo grzałka w zasobniku na wodę systemu grzejącego domu.

3. System profesjonalny – system ten charakteryzuje się wszystkimi elementami, jakie występują w systemie umiarkowanym wraz z akumulatorami. Zastosowanie akumulatorów pozwala na magazynowanie energii elektrycznej i wykorzystywanie jej praktycznie wtedy, kiedy będzie ona niezbędna. System ten może posiadać dwa typy podłączenia z siecią poprzednio omówione.

Dobór obciążenia

Dobór obciążenia jest dość istotnym czynnikiem kształtującym późniejszą pracę systemu. Przy zastosowaniu systemu z akumulatorami najważniejszy jest dobór obciążenia, czyli ile kW będą posiadały wszystkie odbiorniki wpinane w obwód ogniwa. Dodatkowo bardzo ważnym elementem jest moc inwertera. Moc inwertera musi być co najmniej 20% większa od mocy obciążenia, które będzie dołączone do systemu zasilania ogniwa.

Przykład
Moc wszystkich odbiorników wpiętych do systemu wynosi 3 kW. Na podstawie takiej informacji można z całą pewnością stwierdzić, iż moc inwertera musi być na poziomie 3.6 kW. Moc ogniwa przy zastosowaniu czterech 150 Ah akumulatorów może być na poziomie 1-2 kW.

Sprawdzenie zużycia energii przez odbiorniki wpinane do sieci będzie istotne przy doborze wielkości mocy ogniwa. Przyjmuje się, iż przy systemie prostym i umiarkowanym opisanym powyżej moc ogniwa powinna być większa o co najmniej 2 razy w stosunku do mocy odbiorników podłączonych do obwodu ogniwa. W systemie profesjonalnym nie ma takiej zależności, gdyż część obciążenia przejmują akumulatory, które dostarczają energię elektryczną do odbiorników, nawet jeżeli nie ma wiatru. Stąd przyjmuje się, iż moc ogniwa powinna być o co najwyżej 30% większa w stosunku do zużywanej mocy przez odbiorniki. Jednakże w praktyce moc ogniwa jest taka sama jak moc wszystkich odbiorników.

Wydajność systemu – czas zwrotu z inwestycji.

Wydajność systemu, jak również czas zwrotu z inwestycji są bezpośrednio powiązane z ilością słońca w danym rejonie. Średnioroczna suma energii promieniowania słonecznego w Polsce waha się w granicach 950-1150 kWh/m2. Natomiast średnioroczna liczba godzin nasłonecznionych wynosi 1600 h/a. Przy założeniu, iż w roku jest 8.736 godzin, systemy solarne są wydajne w 18-20%.

Do wyliczenia okresu zwrotu inwestycji przy zakupie danego zestawu solarnego niezwykle istotne jest branie pod uwagę nie tylko czynników omówionych powyżej, czyli ilości promieniowania oraz ilości dni nasłonecznionych, ale także a przede wszystkim cen energii za 1 kWh wraz z przesyłem. Należy pamiętać, iż korzystając z energii wytworzonej przez ogniwa darmowe staje się zarówno produkowanie energii, jak i jej przesył. Należy również brać pod uwagę to, iż dodatkowe opłaty w postaci stałych opłat energetycznych, mocy biernej, etc. muszą być ujęte w kalkulacji. Oczywiście przy zastosowaniu energii z ogniwa opłaty te będą zerowe.

Opłacalność inwestycji
 

Czy zakup ogniwa jest w ogóle opłacalny?

Tak, jest opłacalny, ale jego opłacalność zależy przede wszystkim od:

1. Konfiguracji całego systemu.
2. Nasłonecznienia danego regionu.
3. Ilości godzin nasłonecznionych.
4. Krzywej wietrzności ogniwa.
5. Ceny energii elektrycznej wraz z wszelkimi opłatami przesyłowymi, etc.

Proszę zwrócić uwagę na fakt, iż przewiduje się, iż energia elektryczna będzie drożeć w czasie. Wskaźnik wzrostu cen energii dla Polski jest przewidziany na ok. 20%. Wiąże się to przede wszystkim ze starą infrastrukturą sieciową, jak również dodatkowymi opłatami za przesył, jakie będą wprowadzane.

Ogniwa fotowoltaiczne są opłacalne, jednak okres zwrotu z inwestycji może być dłuższy niż w stosunku do okresu zwrotu inwestycji w turbiny wiatrowej. Ogniwa są idealnym rozwiązaniem, jako system wspomagający do turbin wiatrowych, w postaci systemu hybrydowego.

Redakcja ekooszczedni.pl na podstawie materiałów z :
 

Building Solution Sp. J.
 

 Przeczytaj inne  artykuły związane z tą tematyką:

Moduły fotowoltaiczne

Turbiny wiatrowe- ekologiczne ogrzewanie

Turbiny wiatrowe