Symbioza kolektorów słonecznych i ogniw fotowoltaicznych. Hybryda na dachu

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf         

W ostatnim czasie wszyscy odczuwamy dynamiczny wzrost zainteresowania kolektorami słonecznymi w naszym kraju. Trend ten związany jest z rosnącymi cenami nośników energii, możliwością uzyskania preferencyjnego kredytu czy lokalnymi dotacjami do tego typu przedsięwzięć. Ogniwa fotowoltaiczne, popularnie zwane bateriami słonecznymi, cały czas pozostają drogą gratką dla zapaleńców zielonej energii, choć ostatnio obserwowane załamanie cen modułów fotowoltaicznych sprawia, że czas zwrotu inwestycji w elektrownię słoneczną zaczyna być krótszy od czasu jej życia, co na pewno zaowocuje zwiększonym zainteresowaniem systemami fotowoltaicznymi. Zapowiadane zaś wprowadzenie systemu taryf stałych (ang. feed-in-tariff) skupu energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowniach słonecznych spowoduje boom rynkowy, tym razem na baterie słoneczne.

Co ze sterowaniem? 
Obserwując wzrost rynku kolektorów słonecznych, zauważa się również rozwój techniki solarnej. Odbywa się on jednak głównie w zakresie rozwoju technicznego samych kolektorów. Nowe absorbery, lepsze szyby, mniejsze straty konwekcyjne kolektorów płaskich czy zupełnie nowe konstrukcje kolektorów próżniowych stały się chlebem powszednim na naszym rynku solarnym. Rzadziej słychać o innowacjach w sferze sterowania instalacją solarną. Porządnie skonstruowany i zaprogramowany kontroler oraz pompa obiegowa markowego producenta świetnie zdają egzamin w różnego typu instalacjach, niezależnie od poziomu zaawansowania technicznego samego kolektora. Standardowy kontroler dokonuje pomiaru temperatury czynnika roboczego w kolektorze oraz temperatury odbiornika, a gdy różnica pomiędzy dawcą i biorcą jest odpowiednio wysoka, załącza on pompę obiegową.

Opisane rozwiązanie ma też swoje słabe strony. Zarówno pompa obiegowa, jak i układ elektroniczny wymagają do swojej pracy zmiennego prądu elektrycznego pochodzącego z sieci elektroenergetycznej. Zużycie energii, mimo iż niewielkie (ok. 100 kWh rocznie), wpływa na koszty eksploatacji systemu solarnego. Inną niedogodnością związaną z podłączeniem systemu do sieci elektroenergetycznej są nagłe skoki napięcia oraz zaniki w dostawach prądu. Problemy te mają szczególne znaczenie w mniejszych miejscowościach, znajdujących się na krańcach systemu energetycznego. Mogą powodować awarię układów elektronicznych kontrolera solarnego. Przerwy w pracy układu solarnego mogą prowadzić zaś do wzrostu ciśnienia czynnika roboczego w instalacji, co w konsekwencji może objawić się otwarciem zaworu bezpieczeństwa i związanymi z tym nieprzyjemności dla użytkownika.

Baterie ładujące 
Chcąc zabezpieczyć się przed nieoczekiwanym zanikiem zasilania, możemy zaopatrzyć się w układ hybrydowy, składający się z baterii słonecznych ładujących akumulator. Wyposażenie układu w przetwornicę DC/AC pozwala zasilić tradycyjną pompę obiegową. Taki system jest jednak drogi oraz posiada dodatkowe utrudnienia eksploatacyjne, które wynikają z faktu obecności akumulatora. Niemniej jednak tego typu systemy stosuje się przy wielkopowierzchniowych instalacjach, kiedy występuje obawa zaistnienia problemów z dostawą energii elektrycznej.

Proste rozwiązanie 
Kolejne podejście do połączenia ogniw PV z kolektorami słonecznymi urzeka swoją prostotą.  Przepływ czynnika w instalacji może być zdefiniowany wspomnianą już wcześniej różnicą temperatury między czynnikiem wychodzącym z kolektora a wodą w zasobniku. Jednak różnica ta zależy także od chwilowej wartości nasłonecznienia. Ilość docierającej energii słonecznej przekłada się na moc chwilową ogniwa fotowoltaicznego, które może być bezpośrednim źródłem energii dla pompy obiegowej. Moduł fotowoltaiczny jest urządzeniem generującym prąd stały. Zastosowanie w instalacji pompy obiegowej zasilanej prądem stałym pozwoli nam na bezpośrednie podłączenie modułu fotowoltaicznego do pompy. Odpowiedni dobór modułu fotowoltaicznego pozwala na zasilanie pompy obiegowej i poprawny przepływ czynnika roboczego w instalacji. Na rynku są dostępne gotowe grupy pompowe z pompą prądu stałego, ponadto pompa solarna prądu stałego przeznaczona dla instalacji solarnych wyposażona jest w kontroler temperatury pracy, który spowalnia jej obroty przy wysokich temperaturach aż do temperatury granicznej 95°C, przy której pompa przestaje pracować. Takie rozwiązanie czuwa nad bezpiecznymi warunkami pracy samej pompy, jak i całej instalacji solarnej, kontrolując temperaturę w zasobniku ciepłej wody.

Tego typu układ jest aktualnie badany na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Urządzenia wchodzące w skład instalacji były sponsorowane przez firmę Solver Sp. z o.o. Jedną z ciekawych obserwacji, które poczyniono w trakcie badania owego układu, jest efekt wychładzania zasobnika ciepłej wody w ciągu doby, w warunkach braku poboru wody (rys.). Na rysunku wyróżnić możemy dwa etapy chłodzenia: wczesnoporanny oraz popołudniowy. Rano, gdy słońce zaczyna świecić, moduł fotowoltaiczny zaczyna produkować energię elektryczną, która wprawia pompę obiegową w ruch. Jednocześnie czynnik roboczy w kolektorze nie zdążył się nagrzać. Mamy więc sytuację, w której następuje chłodzenie zasobnika!

Po południu natężenie promieniowania słonecznego dalej jest znaczne i ogniwo fotowoltaiczne zasila pompę obiegową. Jednak promieniowanie to jest na tyle słabe, że nie jest w stanie podgrzać czynnika roboczego w kolektorze do temperatury wyższej niż woda w zasobniku. Ponieważ układ pracuje, następuje naturalne wychłodzenie zasobnika. Proszę zwrócić uwagę, że efekt ten stanowi naturalny tryb urlopowy, znany z klasycznych sterowników do instalacji solarnych. Układ może być pozostawiony bez zapewnienia odbioru ciepła, a mimo to nie dojdzie do jego przegrzania.

Zalety 
Do zalet takiego rozwiązania należy zaliczyć duże uproszczenie systemu kolektorów słonecznych poprzez wyeliminowanie regulatora solarnego oraz czujników temperatury. Upraszcza to montaż oraz wydłuża czas życia systemu jako całości. Niepodważalnym argumentem za prezentowanym rozwiązaniem jest pełne uniezależnienie od systemu elektroenergetycznego, które uwalnia użytkownika od problemów z siecią elektroenergetyczną oraz zmniejsza koszty eksploatacji.

Idea działania systemu kwalifikuje go do prostych zastosowań, niewymagających skomplikowanego systemu regulacji. Ciągle wysoki koszt baterii słonecznych oraz pompy prądu stałego sprawia, że taki system jest o ok. 1 tys. zł. droższy od rozwiązania standardowego. Mimo to, biorąc pod uwagę cały okres użytkowania instalacji solarnej, jest to inwestycja, która może się zwrócić – uwzględniając niższe koszty eksploatacji oraz serwisu.

Michał Górski

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