Instalacje energooszczędne. Część 3 - panele słoneczne i fotowoltaiczne.

Opublikowano 16 stycznia 2014, autor: MG Projekt

Kolejnym rozwiązaniem instalacji energooszczędnych wartym rozważenia są kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne. Instalacje te nie należą to tanich rozwiązań a inwestycja w solary lub fotowoltaikę może zwrócić się dopiero po 15-20 latach użytkowania. Jednakże dzięki licznym programom dopłat i dotacji, można obniżyć koszty zakupu tych rozwiązań. Instalacje zarówno paneli słonecznych, jak i ogniw fotowoltaicznych pozwalają na wykorzystanie darmowej energii słonecznej. Stosuje się je zazwyczaj jako uzupełnienie podstawowych instalacji zamontowanych w domu. Różnica pomiędzy instalacją słoneczną, a fotowoltaiczną polega na tym, iż ta pierwsza służy do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło, a w przypadku tej drugiej możemy z promieniowania słonecznego wytwarzać prąd elektryczny przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego.

Innym ciekawym rozwiązaniem są kolektory hybrydowe, które łączą w sobie konwersję fototermiczną i fotowoltaiczną. Dzięki zastosowaniu takiej technologii zyskujemy na powierzchni, na której montujemy moduły w porównaniu do zastosowania dwóch oddzielnych instalacji słonecznych. Kolektor hybrydowy posiada dużą wydajność i jego całkowita sprawność energetyczna przy produkcji energii cieplnej i elektrycznej może osiągnąć nawet 80%. Warunkiem dobrej pracy jest optymalne chłodzenie ogniw

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

hybrydowych w porze letniej, aby nie powstawały przy przegrzaniu niepotrzebne straty cieplne.

Panele Słoneczne - Solary

Energia słoneczna, która pobierana jest przez kolektor słoneczny ze słońca, zostaje zamieniana na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz np. glikol, woda, lub gaz - na przykład powietrze. Wyróżniamy kilka typów kolektorów słonecznych, możemy podzielić je na:

• Kolektory słoneczne płaskie, w tym: o kolektory cieczowe; o panele gazowe; o panele dwufazowe.

Kolektor płaski składa się z:

• przezroczystego pokrycia, którym najczęściej jest szkło strukturalne; • absorbera, czyli najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną; • wymiennika ciepła, który przeważnie jest w postaci rurek miedzianych

przylutowanych do absorbera; • Izolacji, stosowanej zazwyczaj z wełny mineralnej.

Kolektory płaskie można użytkować ponad 25 lat i stosuje się je najczęściej w budynkach mieszkalnych, w których zapotrzebowanie na ciepłą wodę ma duży wpływ na generowane

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

rachunki za energię. Technologia taka może być również wykorzystywana do ogrzewania pomieszczeń, w szczególności jeśli budynek znajduje się w okolicy, w której jest brak sieci energetycznych, albo kiedy występują częste przerwy w dostawach energii. Solary charakteryzują się dużą wydajnością i odpornością na warunki atmosferyczne, zazwyczaj posiadają też możliwość odmrażania kolektora w czasie zimy.

• Kolektory słoneczne płaskie próżniowe. • Panele słoneczne próżniowo-rurowe, inaczej nazywane też próżniowymi, w których

rolę izolacji spełniają rury próżniowe.

Panele te stosowane są z powodzeniem w naszym kraju, często posiadają również dodatkowe zwierciadło doświetlające absorber ze strony odsłonecznej. W zależności od producenta zwierciadło takie może być zamontowane poza rurkami, lub naniesione na rurki próżniowe w postaci lustra. Jest to droższe rozwiązanie od technologii kolektorów płaskich, ale bardziej wydajne w pracy, gdyż na mniejszej powierzchni można uzyskać lepszą jego sprawność, bo nawet do 60% więcej w porównaniu z kolektorami płaskimi.

• Kolektory słoneczne skupiające - zazwyczaj cieczowe.

W przypadku kolektorów skupiających koszty technologii są dość wysokie, gdyż trzeba montować dodatkowe stelaże ruchome, które będą swobodnie poruszać się za promieniami słonecznymi. Takie rozwiązanie jest optymalne przy zastosowaniu na domach z płaskim dachem, lub na terenie działki.

• Specjalne i może to być np. okno termiczne, większa szklana powierzchnia, lub izolacja transparentna.

Kolektory słoneczne powszechnie stosujemy do:

• podgrzewania wody użytkowej, • podgrzewanie wody basenowej, • wspomagania centralnego ogrzewania, jako instalacja uzupełniająca, • chłodzenia budynków, • uzyskiwania ciepła technologicznego.

W przypadku tych zadań najlepiej sprawdzają się cieczowe kolektory płaskie i kolektory próżniowe. Aby zwiększyć wydajność pracy kolektora, najlepiej stosować je w zestawie z głównym źródłem ciepła z instalacji podstawowej. Pozwala to na niezależne funkcjonowanie obu systemów w zależności od pór grzewczych. W okresie letnim nie musimy wówczas specjalnie włączać kotła do podgrzania wody użytkowej. Zimą kiedy słońca jest mniej, wykorzystujemy energię generowaną przez solary, wspomagając funkcjonowanie instalacji podstawowej.

Elementy instalacji paneli solarnych wykorzystywanej do podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

• Kolektory słoneczne - w domkach jednorodzinnych stosujemy od dwóch do czterech. • Regulator, uruchamiający pompę obiegu gdy zaistnieje odpowiednia różnica

temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem. • Pompa. • Naczynie przeponowe, czyli kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika

cieplnego. • Zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwiema wężownicami lub płaszczami

grzejnymi gdzie część dolna zasilana jest czynnikiem z kolektorów słonecznych, a górna innym źródłem ciepła najczęściej z podstawowej instalacji grzewczej.

• Inne źródło ciepła, jak na przykład kocioł gazowy, piec C.O. na ekogroszek, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym, itp.

Ogniwa fotowoltaiczne.

Instalacja energooszczędna oparta na ogniwach fotowoltaicznych działa na podobnej zasadzie jak panele słoneczne. W jej przypadku następuje konwersja promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne jest w stanie

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

wygenerować prąd o mocy ~1-6,97 W i dlatego też produkuje się je w panelach o powierzchni ~0,2 - 1,0 m², wykorzystując materiał półprzewodnikowy np. krzem krystaliczny.

Typowe ogniwa fotowoltaiczne o wymiarach ~10x10cm wytwarzają nominalne napięcie 0.5 V i maja moc ~2 W, dlatego też łączy się je szeregowo, lub równolegle w modułach, o parametrach odpowiednich do konkretnego zastosowania.

W domach jednorodzinnych stosuje się zespoły modułów w obudowie, czyli montowane panele na ramie, lub w konstrukcji nośnej np. dachu, w ilości kilku, lub kilkunastu ogniw tak, aby łącznie mogły wyprodukować kilkaset watów. Ogniwa takie produkują najczęściej prąd o napięciu 12 V i 24 V i żeby można było takim prądem zasilić domowe urządzenia, należy zamontować inwerter do zmiany prądu stałego na zmienny o napięciu 230 V. Do magazynowania energii elektrycznej z kolektorów fotowoltaicznych wykorzystuje siębaterie akumulatorów i dzięki temu można korzystać z tej energii w dowolnym momencie. Przy baterii montuje się regulator zapobiegający zniszczeniu akumulatora w przypadku jego całkowitego rozładowania. Regulator chroni również przed przeładowaniem akumulatora. Ze względu na częste spadki napięć, jak również wysokie natężenie prądu stałego stosuje się krótkie połączenia pomiędzy panelami, a akumulatorem i urządzeniami odbiorczymi prąd, oraz połączenia wykonane z przewodów o dużym przekroju. Panele fotowoltaiczne montowane są jako systemy zintegrowane z dachem, lub z elewacją. Do montażu paneli fotowoltaicznych służą odpowiednie uchwyty, których mocowanie powinno uwzględnić występujące na danym obszarze obciążenie wiatrem i śniegiem.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego:

• Elektroda ujemna. • Elektroda dodatnia. • Krzem typu p. • Krzem typu n. • Złącze p-n.

Ogniwo fotowoltaiczne działa na półprzewodnikowym złączu typu p-n, gdzie pod wpływem fotonów elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p. Przy takim ruchu ładunków elektrycznych pojawia się różnica potencjałów, czyli powstaje napięcie elektryczne.

Schemat modułu i podstawowe elementy ogniw fotowoltaicznych:

• Rama aluminiowa, zapewniającą wytrzymałość mechaniczną modułów i ułatwiającą ich montaż.

• Uszczelka. • Szyba ze szkła hartowanego. • Folia EVA.

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

• Ogniwa słoneczne. • Folia kompozytowa.

Całość modułu zostaje hermetycznie laminowana i oprawiona, tak by zabezpieczyć je przed wilgocią i korozją, oraz zanieczyszczeniami i wpływem warunków atmosferycznych. Podobnie jak panele słoneczne, panele fotowoltaiczne mogą pracować około 25 lat, a przy dbaniu o nie i zastosowaniu odpowiedniej konfiguracji sprzętu nawet powyżej 30 lat.

Rodzaje paneli fotowoltaicznych.

• Monokrystaliczne, które zbudowane są z pojedynczych ogniw z jednorodnego kryształu krzemu, lub selenu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Ogniwa takie posiadają najlepszą wydajność i żywotność, ale nie są tanie.

• Polikrystaliczne, które zbudowane są z ogniw posiadających wiele kryształów krzemu o niejednolitej powierzchni przypominającej szron. Proces produkcji takich ogniw jest prostszy, a cena ogniw niższa, lecz są mniej wydajne od monokrystalicznych. Jednakże czynnik ekonomiczny powoduje, ze takie ogniwa są częściej stosowane, w szczególności przy domowych instalacjach słonecznych.

• Amorficzne "Thin-film",czyli cienkowarstwowe, których budowa pozwala na oszczędności użytego krzemu. W ich produkcji powleka się szkło cienką warstwą krzemu i dzięki temu są tańsze.

Kolektory dwuwarstwowe pracują podobnie jak panele hybrydowe, czyli górną warstwę stanowią ogniwa fotowoltaiczne, a dolna warstwa to rury odbierające ciepło, które podobnie jak w kolektorach słonecznych można wykorzystać do podgrzania wody. Takie rozwiązanie pomaga również schłodzić warstwę fotowoltaiczną i dzięki temu podnosi wydajność energetyczna ogniw, bo to właśnie od temperatury zależy ogólna sprawność ogniw.

Kolektory fotowoltaiczne stosujemy przede wszystkim jako trwałe, o dużej niezawodności, źródła energii elektrycznej w elektrowniach słonecznych na skalę przemysłową, lub jako systemy w przydomowych małych elektrowniach do zasilania urządzeń domowych, w kalkulatorach, zegarkach, automatyce, jak również do oświetlania ogrodów, czy zasilania oświetlenia lampami ledowymi.

Reasumując, do budowy instalacji słonecznej stosuje się panele produkowane przede wszystkim w Niemczech, lub Norwegii, które to państwa są w tej kategorii potentatami i zleca się montaż instalacji solarnych specjalistycznym, fachowym i z doświadczonym firmom. Systemy solarne są przyjazne środowisku, pracują bardzo wydajnie nie wytwarzając hałasu, ani zanieczyszczeń. W użytkowaniu są bezpieczne, a dodatkowo pozwalają na spore oszczędności przy wykorzystaniu tradycyjnej energii. Dzięki nim można się nawet usamodzielnić od sieci publicznych, a nawet można zebraną energią odsprzedawać, ale nie należy się od takiej instalacji spodziewać dużych dochodów. Trzeba też wziąć pod uwagę fakt, że zmienne warunki atmosferyczne panujące w naszym kraju mogą spowodować, iż nie

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl

zawsze ogniwa fotowoltaiczne zapewnią odpowiednia ilość potrzebnej energii i wówczas będziemy musieli wspomagać się prądem z publicznej sieci energetycznej. Dodatkowo przy montażu instalacji fotowoltaicznej należy uwzględnić zamontowanie zabezpieczeń przed piorunami, oraz przed przepięciami z pobliskich wyładowań. Jest to szczególnie ważne w przypadku, kiedy system fotowoltaiczny zintegrowany jest z siecią.

Więcej na: Instalacje energooszczędne. Część 3 – panele słoneczne i fotowoltaiczne. | Blog MG Projekt Projekty domów MGProjekt

Follow us: @mgprojekt on Twitter | mgprojekt on Facebook

Copywright©MGProjekt Pracownia Architektoniczna s.c. | http://www.mgprojekt.com.pl