Przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Fotoogniwa słoneczne produkowane są z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 volta, dlatego zazwyczaj łączy się je w większe zestawy tworzące tzw. baterie słoneczne lub też panele fotowoltaiczne. Sprawność ogniw fotowoltaicznych z krzemu monokrystalicznego kształtuje się obecnie na poziomie od 14 do 17%, a ogniw multikrystalicznych (polikrystalicznych) na poziomie od 13 do 16%. Na rynku występują również w niewielkiej ilości specjalnej konstrukcji ogniwa monokrystaliczne o sprawności 20%. Niestety, ze względu na małą skalę ich produkcji oraz duże koszty wytwarzania, są one znacznie droższe od klasycznych ogniw monokrystalicznych o sprawności 14-17%. Najczęściej oferowane na rynku zestawy paneli fotowoltaicznych wykonane są na bazie krzemu polikrystalicznego i ich sprawność, wg danych producentów, kształtuje się na poziomie 13-14%, co oznacza, że w idealnych – laboratoryjnych – warunkach panel przetworzy na energię elektryczną do 14% energii słońca padającego na panel. Warto wspomnieć, że sprawność kolektorów słonecznych wykorzystywanych do podgrzewu c.w.u. dochodzi do 75% i jest jak na razie wielokrotnie większa od paneli fotowoltaicznych. Natężenie promieniowania słonecznego jest różne w poszczególnych regionach kraju i waha się ono od 900 kWh/m2 do 1200 kWh/m2. Najbardziej pod tym względem uprzywilejowanym rejonem Polski (natężenie powyżej 1048 kWh/m2/rok) jest południowa część województwa lubelskiego, która obejmuje większe części dawnych województw: chełmskiego i zamojskiego. Centralna część Polski, obejmująca ok. 50% powierzchni, uzyskuje natężenie promieniowania ok. 1022-1048 kWh/m2/rok, zaś południowa, wschodnia i północna część Polski otrzymuje natężenie promieniowania ok. 1000 kWh/m2/rok i mniej. Najmniejszy w skali roku dopływ energii słonecznej obserwuje się w rejonie wysoko uprzemysłowionym (Śląsk) oraz w obszarze granicznym trzech państw: Czech, Niemiec i Polski, a ponadto w rejonie północnym Polski, obejmującym pas Wybrzeża z wyjątkiem samego Wybrzeża Zachodniego. Różnice te nie są jednak aż tak znaczące i bez popełniania większego błędu można przy wstępnych szacunkach przyjmować średnią wartość dla całej Polski 990 kWh/m2 +/-10%. Wyraźne jest natomiast zróżnicowanie natężenia promieniowania w ciągu roku. W półroczu letnim otrzymujemy aż 77%, a w samym tylko sezonie letnim aż 43% całorocznego promieniowania słonecznego. Biorąc pod uwagę powyższe dane, maksymalna ilość energii elektrycznej, możliwej do uzyskania z 1 m2 powierzchni panelu słonecznego przy panujących w Polsce warunkach nasłonecznienia, nie będzie większa niż ok. 130 kWh/rok. Oczywiście taką ilość energii uzyskalibyśmy w warunkach laboratoryjnych. W rzeczywistości ciężko zapewnić optymalne warunki pracy paneli, takie jak usytuowanie względem kierunku padania promieni słonecznych, czystość powierzchni paneli, utrata sprawności paneli w czasie, etc.
Brak ciągłości promieniowania słonecznego wymaga stosowania systemów umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej w okresie braku nasłonecznienia. O ile duże systemy fotowoltaiczne umożliwiają współpracę z siecią elektroenergetyczną i dwustronną wymianę energii elektrycznej, tzn. w momencie, gdy produkcja energii elektrycznej w systemie fotowoltaicznym jest większa niż zapotrzebowanie, energia jest przekazywana do sieci i odwrotnie, to w przypadku małych systemów koszty tego rozwiązania są zbyt wysokie (specjalne systemy przetwornic i falowników zamieniających prąd stały w prąd zmienny i zapewniających synchronizację systemu z siecią elektroenergetyczną). Z tego powodu do magazynowania energii elektrycznej w małych systemach stosuje się baterie akumulatorów. Pozwalają one na ich wielokrotne ładowanie i rozładowywanie z wykorzystaniem prądu stałego produkowanego przez panele fotowoltaiczne. Do kontroli procesu ładowania akumulatorów wymagane są regulatory ładowania. Zapewniają one kontrolę prądu i stanu naładowania akumulatorów, co jest ważne ze względu na ich żywotność (zazwyczaj określaną na 3 do 5 lat). Większość urządzeń stosowanych w gospodarstwach domowych wymaga do zasilania prądu zmiennego o napięciu 240 V i częstotliwości zasilania 50 Hz. Dlatego też nie można zasilać ich bezpośrednio z akumulatorów i wymagane jest stosowanie inwertera (przetwornicy sinusoidalnej), czyli urządzenia przetwarzającego prąd stały o napięciu 12 V na prąd zmienny 240 V i częstotliwości 50 Hz. Sprawność przetwarzania energii przez inwerter wynosi zazwyczaj ok. 80-88% – reszta energii jest tracona w postaci ciepła. Reasumując, pełny system zasilania fotowoltaicznego składa się z następujących elementów:
* ogniw fotowoltaicznych,
* kontrolera – stabilizuje energię wychodzącą z ogniwa oraz stanowi jednocześnie system ładujący akumulatory,* akumulatorów – przy systemie off-grid,
* inwertera – będącego przetwornicą napięcia stałego na napięcie zmienne sieciowe – 230 V.
Należy pamiętać, że każdy z tych elementów wnosi do systemu straty, dlatego końcowa ilość energii dostępnej w „gniazdku” w stosunku do ilości dostępnej energii słonecznej będzie wielokrotnie mniejsza i stosunek ten wynosić będzie ok. 8-9%. Oznacza to, że z 1 m2 zainstalowanych paneli słonecznych otrzymamy maksymalnie 5-7 kWh energii elektrycznej rocznie. Ekonomia Koszty paneli słonecznych oferowanych obecnie na polskim rynku kształtują się na poziomie ok. 10 zł/W mocy zainstalowanej. Należy jednak pamiętać, że oprócz paneli na system składa się wiele wspomnianych wyżej elementów. Do obliczeń przyjęto jeden z oferowanych w internecie kompletnych zestawów fotowoltaicznych.
Zestaw minielektrowni słonecznej o mocy zainstalowanej 920 W składa się z następujących elementów:
* 4 modułów fotowoltaicznych o mocy katalogowej 230 W i powierzchni 1,5 m2,
* regulatora ładowania akumulatorów 30 A,
* 4 akumulatorów żelowych 200 Ah/12 V,
* przetwornicy sinusoidalnej 1200 W, 24 V,
* automatycznego przełącznika umożliwiającego przełączanie między elektrownią słoneczną a siecią.
Oferowana cena za taki zestaw wynosi ok. 18 000 zł i nie obejmuje kosztów montażu oraz okablowania. Przy założeniu kosztów montażu i okablowania w wysokości 10% łączny koszt takiej minielektrowni wyniósłby ok. 20 000 zł. Zakładana roczna produkcja energii elektrycznej z takiego zestawu wyniosłaby: 990 kWh/rok/m2 x 1,5 m2 x 4 szt. x 9% = 534 kWh. Koszt energii elektrycznej w taryfie G11 wynosi średnio 0,55 zł/kWh (uwzględniając opłatę za energię elektryczną oraz za jej przesył). Wynika z tego, że oszczędność uzyskana w wyniku instalacji własnej elektrowni wyniesie ok. 534 kWh x 0,55 zł/kWh = 293,70 zł.
Prosty rachunek ekonomiczny wykazuje, że wydatek na taką elektrownię zwróciłby się w postaci oszczędności za energię elektryczną najszybciej w ciągu 68 lat! Dlatego też na obecnym etapie instalacje takie mogą okazać się jedynie ekonomiczne na obszarach, gdzie koszt doprowadzenia energii elektrycznej jest zbyt wysoki lub z innych powodów niewykonalny. Należy liczyć też, że ze względu na wzrastającą produkcję paneli fotowoltaicznych i szeroko zakrojone badania rozwojowe cena ich ulegnie zmniejszeniu, a jednocześnie wzrośnie sprawność przetwarzania energii słonecznej, co zmieni rachunek ekonomiczny na ich korzyść.
Jarosław Pomirski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij