Instalacje solarne – wady i zalety

Instalacje solarne pojawiają się w Polsce coraz częściej. Są podstawą domów budowanych w duchu ekologii i poszanowania środowiska. Ilość energii, którą dzięki nim uzyskujemy, zależy jednak od wielu różnych czynników.

Intensywność promieniowania słonecznego

Intensywność promieni słonecznych zależy od pory roku oraz poziomu zachmurzenia. Funkcjonuje opinia, że instalacja fotowoltaiczna może dostarczać tyle samo energii, niezależnie od pory roku. Jest to bezsensowny mit. Na zmiany intensywności promieniowania w cyklu rocznym nie mamy wpływu. A niestety, bez intensywnego nasłonecznienia nie można liczyć na duże ilości energii. Tu właśnie tkwi przyczyna niskiej wydajności instalacji solarnych w sezonie zimowym. Nie ma słońca – nie ma energii. Zimą zaś słońce świeci nie tylko słabo, ale też zaledwie przez kilka godzin w ciągu doby. A to w tym okresie zużycie ciepła i energii elektrycznej jest największa.

Energia słoneczna podstawą ekologicznego domu

Duża część energii słonecznej to promieniowanie rozproszone, które trudniej jest efektywnie wykorzystać. Wiedzą o tym użytkownicy kolektorów, których wydajność spada także w pochmurne letnie dni. Nawet jeśli kolektory miałyby 100% sprawność, czyli pochłaniałyby całą docierającą do nich energię bez jakichkolwiek strat (co jest oczywiście niemożliwe), a ich powierzchnia była duża, np. 10 m2, z racji bardzo słabego nasłonecznienia w środku zimy nie dałyby wiele. W grudniu maksymalne uzyskanie energii z takiej instalacji wyniósłby 5 kWh dziennie. Odpowiada to pracy niewielkiego kotła o mocy 10 kW przez pół godziny.

Powierzchnia kolektorów lub paneli

Mając ich więcej, spożytkowujemy promieniowanie słoneczne padające na większą powierzchnię. Dzięki temu rozwiązaniu uzyskujemy więcej energii. Zwiększanie powierzchni kolektorów nie zawsze ma jednak sens, gdyż pociąga za sobą niekorzystne mankamenty. Po pierwsze, powoduje wzrost kosztów. Po drugie, latem produkują one znacznie większą ilość ciepła, którego nie mamy możliwości wykorzystać.

Ustawienie względem stron świata

Optymalne jest skierowanie kolektorów i paneli na południe. Dopuszczalne jest jednak dość znaczne odchylenie na wschód lub zachód, które można skompensować przez zwiększenie powierzchni. Przy odchyleniu o 50° na zachód, powierzchnię trzeba zwiększyć o 10%. Przy 50° na wschód korekta powinna wynosić 20%.

Nie powinno się umieszczać takich urządzeń od północy albo w miejscach stale zacienionych. W praktyce to istotny problem. Kolektory i panele najczęściej instaluje się na dachach, których ustawienie może być dalekie od optymalnego. Wynika to m.in. z kształtu działki, bryły budynku, orientacji wjazdu. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym są lukarny i okna dachowe. Niejednokrotnie na dachu po prostu nie ma już dobrego miejsca.

Kąt nachylenia

Promienie słoneczne powinny padać na powierzchnię 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 zwykle wybiera się ustawienie uniwersalne, wynoszące ok. 45° (taki jest zresztą najpowszechniej spotykany kąt nachylenia dachów w domach jednorodzinnych).

Dobry projekt i wykonanie całej instalacji

Źle skonfigurowana instalacja nie będzie działać dobrze, nawet jeśli jej elementy składowe będą najwyższej jakości. Ideowy schemat układów solarnych jest prosty, ale ich dobre skonfigurowanie w praktyce już nie. Mało kto zdaje sobie sprawę, jak bardzo komplikuje sytuację np. ulokowanie kolektorów lub paneli na odmiennie zorientowanych połaciach dachu. Gdy jedne są w słońcu i instalacja powinna zacząć pracować, pozostała część jest w cieniu. W przypadku kolektorów należy w takiej sytuacji zastosować odrębne pompy obiegowe i sterowniki do nich. Z kolei panele winny mieć osobne falowniki (inwertery).

Kolektory słoneczne czy panele fotowoltaiczne?

Wybór cieczowych kolektorów słonecznych wydaje się oczywisty, jeśli zależy nam przede wszystkim na ciepłej wodzie, która zasila centralne ogrzewanie i jest wykorzystywana do celów higienicznych. Od wiosny do jesieni kolektory zapewniają pokrycie większości zapotrzebowania, latem niemal w pełni, a w pozostałych porach roku – tylko częściowo. Jednak nawet w chłodniejszym sezonie, gdy kolektory podgrzeją wodę w zasobniku do np. 20°C, nie można powiedzieć, że są bezużyteczne. Kocioł, dogrzewając ją do 40-50°C, i tak zużyje mniej paliwa.

Jest jeszcze druga grupa, dla której kolektory mogą być bardzo atrakcyjne. To użytkownicy kotłów na paliwa stałe. W ich przypadku instalacja solarna uwalnia od konieczności rozpalania latem w kotle. Kto tego doświadczył, ten wie jak duża to zaleta.

W praktyce ponadto, właśnie po to by nie palić w kotle, latem często zasobnik ogrzewa grzałka elektryczna, a to już wykorzystywanie najdroższej postaci energii. A poza tym jeśli kocioł nie pracuje przez część roku, nie zatruwa środowiska. Popularne obecnie kotły z podajnikiem paliwa pracują latem niemal wyłącznie w trybie podtrzymania żaru. Wówczas emitują szczególnie dużo zanieczyszczeń, bo proces spalania bardzo odbiega od optymalnego. Trzeba też zauważyć, że działając w ten sposób, kocioł więcej opału zużywa na podtrzymanie pracy niż na samo podgrzanie wody użytkowej.

Zalety paneli fotowoltaicznych

Zaletą paneli fotowoltaicznych jest ich uniwersalność. Uzyskujemy prąd, czyli czystą energię, którą można wykorzystać w dowolny sposób: od oświetlenia, przez zasilanie różnych domowych urządzeń, po ogrzewanie, czy wreszcie przygotowanie ciepłej wody.

Pod względem montażowym są pod wieloma względami wygodniejsze. Nic nie stoi na przeszkodzie, żeby panele znalazły się w sporej odległości od domu, np. na dachu budynku gospodarczego lub ustawione na ziemi. Jeśli tylko zastosujemy przewód o odpowiednio dużym przekroju, straty energii na przesyle będą niewielkie. O instalacji z kolektorami nie da się tego powiedzieć. Podstawowym problemem jest wciąż wysoka cena. Nawet uwzględniając preferencyjne kredyty i taryfy, inwestycja wymaga starannego rachunku ekonomicznego.

Dlaczego warto zainwestować w instalacje solarne?

Najważniejsze argumenty przemawiające za instalacją fotowoltaiczną i solarną:

  • Możliwość uniezależnienia się od ciągłego wzrostu cen energii elektrycznej. Produkcja energii elektrycznej na własny użytek jest po prostu opłacalna.
  • Moduły słoneczne są niezawodne, stabilne oraz posiadają niezwykle długą żywotność. Dodatkowym tego potwierdzeniem są długie okresy gwarancyjne.
  • Każdy może skorzystać z energii słonecznej. Instalacja możliwa jest prawie na każdym dachu i na każdej powierzchni.
  • Produkcja prądu z paneli fotowoltaicznych jest ekonomiczna i przyjazna dla środowiska.
  • Energia słoneczna zapewnia bezpieczeństwo. Jest ona do dyspozycji każdego bez żadnych ograniczeń oraz na tyle duża, że wielokrotnie pokrywa zapotrzebowanie ludności świata na prąd.
  • System solarny tego typu przyczynia się do podniesienia jakości życia.
  • Panele fotowoltaiczne produkowane są z efektywnym wykorzystaniem dostępnych zasobów, głównie krzemu.
  • Dzięki zestawom fotowoltaicznym można w łatwy sposób uniezależnić się od importu energii oraz paliw kopalnych z zagranicy.
  • Słońce jest pokojowym źródłem energii. O promienie słoneczne nie prowadzi się żadnych wojen, inaczej niż w przypadku gazu, ropy naftowej, węgla czy uranu.
  • Panele fotowoltaiczne (solarne) zamieniają światło słoneczne na prąd stały bez zbędnego hałasu i bez zanieczyszczeń.

Perowskity – najnowsze zdobycze techniki

Perowskity to występujący naturalnie minerał zbudowany z tytanu (IV) wapnia. Został odkryty w 1838 roku w górach Ural przez niemieckiego mineraloga Gustava Rose, który odkryty przez siebie minerał nazwał na na cześć Lwa Perovskiego. Poza tym, że występuje on w naturze, można go również wytworzyć w warunkach laboratoryjnych.

Minerał był znany od roku 1838, jednak możliwości wykorzystania go do budowy ogniw fotowoltaicznych naukowcy zauważyli dopiero w XXI wieku. Odkryto, że perowskity pochłaniają światło słoneczne o długości fali od 300 do 800 nm, w sposób który umożliwia produkowanie przez nie energii elektrycznej. Minerały te charakteryzują się też wysoką elastycznością, są przeźroczyste i lekkie.

Już kilka lat temu naukowcy zbudowali pierwsze ogniwa fotowoltaiczne na bazie perowskitów: mimo swoich małych wymiarów wykazywały one wydajność na poziomie 15–20%. Sam proces budowy ogniw na bazie minerału okazał się długotrwały, trudny i drogi, jednak przełomem w tej dziedzinie stały się badania polskiej fizyk, dr Olgi Malinkiewicz. Uczona opracowała metodę pokrywania różnych materiałów perowskitami. W 2014 r. wraz z Piotrem Krychem i Arturem Kupczunasem założyła firmę Saule Sp. z o. o. działającą pod nazwą Saule Technologies. Firma zajmuję się zastosowaniem perowskitów, prowadzeniem badań oraz komercjalizacją rozwiązań. Po przeprowadzeniu szeregu doświadczeń i badań Olga Malinkiewicz podała, że będzie istniała możliwość tworzenia ogniw fotowoltaicznych na materiałach tekstylnych, folii czy nawet kartce papieru.

Naukowcy nadal pracują nad rozwiązaniem problemu obecności ołowiu w składzie perowskitów. Ołów jest bowiem pierwiastkiem niebezpiecznym dla zdrowa ludzi i zwierząt. Szkodliwy pierwiastek chcą zastąpić cynkiem i tym samym zmniejszyć toksyczność oraz koszty produkcji.

Piotr Sobański