Panele fotowoltaiczne na ścianie (elewacji) budynku

W przypadku braku możliwości umieszczenia modułów fotowoltaicznych na dachu budynku, można rozważyć montaż modułów ustawionych pionowo (90 st. w stosunku do powierzchni ziemi) np. na elewacji budynku, ścianie, balkonach.

panele fotowoltaiczne na ścianie - panele słoneczne
Panele fotowoltaiczne na ścianie elewacyjnej biurowca

Czy taka elektrownia wyprodukuje satysfakcjonującą nas wielkość energii? Najlepsze efekty w skali roku uzyskujemy przy usytuowaniu modułów dokładnie na południe oraz pochylone 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Przy pomocy kalkulatora PVGIS obliczony został uzysk roczny przykładowej instalacji o mocy 1 kW mocowanej pionowo na elewacji budynku.

panele fotowoltaiczne na ścianie - panele słoneczne
Panele fotowoltaiczne na elewacji domu

Otrzymane wyniki poniżej:

Energia w kWh dla różnych miesięcy w roku

Dla przypomnienia należy podać, że moc 1 kW elektrowni, ale ustawionej optymalnie (azymut na południe i kąt pochylenia 35 stopni) wyliczono na 995,6 kWh w skali roku. Mimo, że panele ustawione pionowo wyraźnie „podbijają” produkcję w miesiącach zimowych, to nie na tyle, żeby skompensować jej stratę w miesiącach z długimi dniami.

W rezultacie moduły fotowoltaiczne mocowane na elewacji wypracują w ciągu roku 71,3% energii, którą wyprodukowałyby moduły ustawione pod kątem 35%.

Jak moduły fotowoltaiczne sprawują się zimą?

Jak wiadomo chmury, mgły, śnieżyce, czy nawet smog, czyli zjawiska  przesłaniające słońce mogą w dużym stopniu obniżać wielkość wyprodukowanej energii z fotowoltaiki. W okresie zimowym niższe temperatury nie powodują zmniejszania sprawności modułów. Wprost przeciwnie, im niższa temperatura powietrza, tym większe napięcia elektryczne pojawiają się na modułach. Przy obliczeniach instalacji, projektant bierze ten właśnie fakt pod uwagę przy określaniu maksymalnego napięcia, jakie może pojawić się na wejściu falownika. 

Zimą bardzo istotną wadą jest krótki dzień, czyli krótszy czas naświetlania modułów. Jeżeli nawet dociera do nich podobna ilość energii słonecznej jak latem, to w zdecydowanie w krótszym czasie. Oczywiście mitem jest twierdzenie, że w Polsce jest za małe roczne nasłonecznienie, aby moduły fotowoltaiczne działały efektywnie. Polska ma bardzo zbliżone warunki słoneczne do Niemiec, w których zainstalowano już ponad 50GW w fotowoltaice (najwięcej w Europie).

czy panele działają zimą - czy fotowoltaika działa zimą
czy panele działają zimą – czy fotowoltaika działa zimą

Co ze śniegiem i gradem?  Czy mogą zniszczyć moduły? Okazuje się, że moduły PV są bardzo odporne nawet na grad wielkości piłki golfowej. Przechodzą odpowiednie fabryczne testy i są bardziej wytrzymałe na gradobicie niż okna dachowe. Śnieg nie stanowi zagrożenia dla modułów od strony odporności na nacisk, która wynosi ok. 800 kg/m2. Zalegająca przez długi czas na panelach PV gruba warstwa śniegu, może jednak obniżyć wielkość wytwarzanej energii, więc należałoby śnieg uprzątnąć, szczególnie może to dotyczyć dachów płaskich i np. ułożenia modułów pod niewielkim kątem. Przy niewielkich opadach śniegu, występuje najczęściej naturalne jego zsuwanie się, wspomagane dodatnią temperaturą modułów, które w czasie pracy lekko się nagrzewają. Podsumowując, należy stwierdzić, że moduły fotowoltaiczne są urządzeniami bardzo odpornymi, nawet na ciężkie zimowe warunki atmosferyczne.

Czy montaż niewielkiej instalacji fotowoltaicznej ma sens?

Mając ograniczone środki na fotowoltaikę, możemy jednak zacząć od najmniejszych rozwiązań, chociażby po to, aby sprawdzić i ewentualnie przekonać się lub nie do własnej produkcji prądu elektrycznego.

Na zdjęciu poniżej widzimy dwa moduły fotowoltaiczne, których moc razem prawdopodobnie wynosi 500W (2x250W).

Dwa panele PV – Mikro elektrownia słoneczna

Ta mikroelektrownia słoneczna wyprodukuje w roku ok. 500kWh. Przemnażając przez koszt 1kWh (0,65zł) da nam to oszczędność roczną w kwocie 325zł. Napewno warto (nie jest to trudne) całą instalację zrobić samemu.

Jakie będą szacowane koszty brutto?

Moduły: 2*400zł=800zł

Mikroinwerter = 600zł

elektryka i konstrukcja = 300zł

Razem: 1700zł, więc instalacja zwróci się po 5 latach i 3 miesiącach (1700/325 zł) lub krócej jeżeli będzie wzrost cen prądu.

Czy dużo tracimy przy modułach ułożonych poziomo?

W poprzednim artykule obliczony został uzysk elektrowni o mocy 1 kW, ulokowanej w centrum Polski skierowanej na południe i pod kątem 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Ogólnie dostępny w internecie kalkulator PVGIS wyliczył dla tej konfiguracji roczną produkcję energii wielkości 995,6 kWh. Na dachach stromych, kąt połaci najczęściej mieści się w granicach 30-40 stopni. Inna sytuacja dotyczy dachów nachylonych pod niewielkim kątem lub płaskich. Do wyboru są dwie możliwości montowania modułów, można je ustawić pod pewnym kątem, albo położyć płasko na połaci dachowej. Ta pierwsza metoda jest częściej stosowana, ale i droższa, ponieważ wymaga montażu dodatkowej konstrukcji (tzw. trójkąty). Jeżeli jednak zdecydujemy się zamontować moduły poziomo na płaskim dachu, to czy dużo stracimy rocznie na produkcji energii?

Odpowiedź mamy na poniższych ilustracjach:

panele fotowoltaiczne w poziomie
produkcja energi z paneli poziomych - fotowoltaika

Wynik porównania jest następujący: moduły fotowoltaiczne ułożone poziomo (0 stopni) w stosunku do powierzchni ziemi wyprodukują rocznie 84,6% energii, którą wyprodukują moduły usytuowane optymalnie, czyli pod kątem 35 stopni ( 842,7/995,6 kwh *100% = 84,6% ). Tracimy wobec tego w skali roku ponad 15% energii.

Wielkość produkcji elektrowni słonecznej w różnych miesiącach roku.

Najlepszą porą roku dla fotowoltaiki jest oczywiście lato, ale pozostałe miesiące roku są równie ważne. Nasłonecznienie w kwietniu lub maju może nam napędzić całkiem sporą ilość energii elektrycznej. Co na ten temat mówi statystyka?

Do projektowania instalacji i obliczeń produkcji energii elektrycznej z fotowoltaiki stosowane są najczęściej aplikacje (kalkulatory) m.in. od producentów falowników oraz kalkulatory organizacji gromadzących dane statystyczne nasłonecznienia w czasie i miejscu kuli ziemskiej.

Przy pomocy kalkulatora PVGIS ( Photovoltaics Geographical Information System) dokonano obliczeń biorąc pod uwagę położenie geograficzne – miejscowość w Centralnej Polsce, moduły fotowoltaiczne o mocy łącznej 1 kW (np.4 moduły po 250W) skierowane dokładnie na południe i pod kątem 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi. Wyliczony został uzysk energii w poszczególnych miesiącach i cała produkcja roczna.

Od czego zależy wielkość produkcji elektrowni słonecznej?

Często słyszy się opinie, że instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii wtedy, gdy słońce jest przesłonięte chmurami lub np. zimą, bo jest zimno i mglisto. A tak naprawdę, jedynie w nocy możemy mówić o produkcji energii bliskiej zeru.

Największy uzysk energetyczny ze słońca mamy wtedy, gdy promienie słoneczne nie są niczym przesłonięte i padają prostopadle do modułu fotowoltaicznego. Oczywiście tylko instalacja nadążająca za słońcem (poziomo i pionowo) dałaby tutaj najlepsze efekty. Są to jednak rozwiązania droższe i rzadziej stosowane. Przyjmuje się, że statystycznie moc promieni słonecznych docierających do powierzchni ziemi wynosi 1000 W/m2 (watów na m2).

Na powyższym rysunku pokazane jest, co przeszkadza promieniom słonecznym.

Aktualnie produkowane i powszechnie stosowane moduły fotowoltaiczne mają jednak sprawność sięgającą zaledwie 18-20%. Wobec tego, to co ma do dyspozycji falownik naszej elektrowni, to moce 5-krotnie mniejsze od mocy promieni słonecznych padających na moduły PV. Mimo tego, nie jest tak źle. Obliczając na szybko, na dachu o powierzchni np. 30m2 możemy umieścić moduły fotowoltaiczne o łącznej mocy maksymalnej aż o wielkości 6000W (6kW). W geograficznym położeniu Polski (ilość godzin i średnie nasłonecznienie w roku) moduły o mocy 6kW wyprodukują rocznie ok. 6000kWh (6MWh) energii elektrycznej.

Brak prądu? Co wtedy z instalacją fotowoltaiczną?

Wyłączenie prądu przez zakład energetyczny. Co z naszą elektrownią słoneczną?

Jeżeli mamy tzw. instalacje wyspową (off grid) lub hybrydową jesteśmy niezależni od dostaw energii przez OSD. Wytwarzamy swój prąd i zasilamy urządzenia wprost „ze słońca” lub z akumulatorów.

W elektrowniach off grid i hybrydowych jest zapewniona ciągłość zasilania. Takie elektrownie, jak wspomniano w poprzednim artykule oprócz swoich niewątpliwych zalet są jednak znacznie droższe od elektrowni on grid. W elektrowniach współpracujących z siecią (on grid) musi być zapewniony mechanizm odłączenia napięcia wytwarzanego przez falownik. Czyli natychmiast po odłączeniu nam napięcia przez zakład energetyczny falownik zaprzestaje podawać swoje napięcie wytworzone z modułów PV. To jest jedna z podstawowych, wymaganych przez OSD funkcji falownika.

Dlaczego? Wyjaśnienie jest proste. Chodzi o bezpieczeństwo. Wyobraźmy sobie sytuacje, że pracownicy zakładu energetycznego wykonują jakieś prace naprawcze czy modernizacyjne. Wyłączą napięcie i przystępują do pracy np. w posesji obok lub przy tej samej ulicy. Gdyby falownik nie odłączył napięcia, mogliby zostać porażeni prądem z naszej elektrowni!

Rodzaje domowych elektrowni słonecznych

Systemy fotowoltaiczne są stosowane wszędzie tam, gdzie na odkrytych powierzchniach możemy energię słońca zamienić na energię elektryczną. Są to m.in. jachty, kampery, carporty, budynki (na dachach i elewacji), grunty, a nawet powierzchnie jezior czy mórz. To podział ze względu na usytuowanie. 

Najczęściej mówimy o trzech typach instalacji fotowoltaicznych. Pierwsze rozwiązanie to tzw. instalacja off grid ( ang. poza siecią, niezależna od sieci energetycznej i do niej nie przyłączona). Ta autonomiczna elektrownia, zwana także wyspową posiada moduły słoneczne, falownik z regulatorem ładowania akumulatorów i akumulatory, jako magazyn energii. Wytworzona przez moduły słoneczne energia zasila na bieżąco odbiorniki energii, a jej nadwyżka przeznaczona jest na doładowanie akumulatorów, które zasilają dom w nocy lub przy małym nasłonecznieniu. W naszych warunkach słonecznych trudno jest jednak zapewnić odpowiednią ciągłość i wielkość energii na potrzeby typowego gospodarstwa domowego. O ile w warunkach letnich taka elektrownia, zaprojektowana na odpowiednią moc naszych urządzeń domowych byłaby kosztowo do przyjęcia, to w warunkach zimowych moc zainstalowanych modułów fotowoltaicznych musiałaby być 5-6 większa, aby móc obsłużyć na bieżąco zasilanie domu i oprócz tego naładować akumulatory. To sprawia, że tego typu rozwiązania są mniej efektywne i stosowane w wyjątkowych warunkach np. jachty, kampery, domki letniskowe bez przyłącza elektrycznego itp. 

Domowa instalacja fotowoltaiczna

Drugi rodzaj instalacji słonecznej, to instalacja on grid (ang. w sieci, podłączona do sieci elektrycznej). To najczęściej stosowana elektrownia, składająca się modułów fotowoltaicznych i falownika – inwertera, podłączonego bezpośrednio do zasilania elektrycznego (przyłącza) naszego budynku czy mieszkania.  Falownik przetwarza napięcie stałe uzyskiwane z modułów na użyteczne dla nas napięcie przemienne jednofazowe 230V lub trójfazowe 400V. Z punktu widzenia odbiorcy energii elektrycznej nie zauważamy żadnej różnicy w działaniu domowych urządzeń elektrycznych. Podłączony i co bardzo ważne zsynchronizowany z siecią zasilającą falownik, przy dużej produkcji energii z modułów zapewnia bezpośrednie zasilanie urządzeń, a ewentualną nadwyżkę energii kieruje do sieci (jest ona zapisywana przez specjalny licznik dwukierunkowy). Przy braku energii słonecznej np. w nocy, korzystamy z prądu bezpośrednio od dostawcy, czyli z zakładu energetycznego (fachowo zwanego OSD – operator sieci dystrybucyjnej). Inaczej można powiedzieć, że dla falownika sieć zasilająca OSD pełni rolę magazynu energii. Wadą sieci on grid jest brak możliwości korzystania z instalacji fotowoltaicznej w przypadku „wyłączenia” prądu przez zakład energetyczny.

Trzeci rodzaj instalacji fotowoltaicznej, to instalacja hybrydowa, która posiada własny magazyn energii w postaci akumulatorów, ale także jest podłączona i zsynchronizowana z siecią zasilania OSD i może korzystać w pełni z tej sieci. Mimo, że jest to najbardziej funkcjonalne rozwiązanie, stosowane jest rzadziej ze względu na koszty akumulatorów, ale także z powodu konieczności zapewnienia im odpowiedniego miejsca pracy. 

Przekroczona granica 1GW z instalacji PV w Polsce to nadal mało!

Pisaliśmy ostatnio o przekroczeniu 1GW z instalacji fotowoltaicznych w Polsce. Zestawiono tam dwie liczby, roczna produkcja energii w Elektrowni Bełchatów, która wynosi średnio 28TWh oraz roczna produkcja z 1GW instalacji fotowoltaicznych, która została oszacowana na 1TWh. Należy uzupełnić, że wg raportów Polskich Sieci Energetycznych (PSE) za 2018r. potrzeby naszego kraju to nie mniej niż 170TWh rocznie. Energia elektryczna z Bełchatowa pokrywa ok.
16% zapotrzebowania Polski. Natomiast energia z modułów fotowoltaicznych to jeszcze tylko 0,6% potrzeb naszego kraju.

Niestety, przewaga Elektrowni Bełchatów jest oprócz prądu, także na polu produkcji wszelkiego rodzaju związków chemicznych. Spalanie 1 tony węgla brunatnego na sekundę (tak, tyle trzeba spalać, aby osiągnąć poziom produkcji rocznej) musi wyrządzić środowisku ogromne szkody. Wyprodukowanie w 2018 roku prawie 40Mt (megaton) dwutlenku węgla, czyli tyle ile prawie 7 milionów aut stawia naszą Elektrownie na pierwszym miejscu w Europie, jako największego truciciela.

Emisja m.in. takich związków jak dwutlenek siarki, tlenki azotu, rtęć powoduje choroby układu oddechowego i krążenia oraz przedwczesne zgony. Natychmiastowe wygaszenie pieców w Bełchatowie jest niemożliwe, to jednak jak najszybciej dla dobra naszego i pokoleń musimy zastąpić produkcję energii z węgla, produkcją z odnawialnych źródeł energii (OZE) np. ze słońca, wiatru, wody.

Super News o przekroczeniu mocy 1 GW – czy to dużo?

W październiku 2019 obiegła Polskę wspaniała wiadomość o przekroczeniu w naszym kraju mocy 1 GW (jednego gigawata) w zainstalowanych panelach fotowoltaicznych.

Sama liczba (1GW=1000MW) wydaje się ogromna, ale oczywiście jak i wszystko, także i to jest względne. Kilka przeliczeń i wszystko będzie jasne.

Po pierwsze, ile trzeba użyć modułów fotowoltaicznych?
Przyjmując, że zastosujemy moduł np. 280W, otrzymamy:
1GW/280W = 1*1000*1000*1000W/280W = ok. 3,5 mln modułów!

Jeżeli założymy, że powierzchnia jednego modułu to 1,6m2, to w sumie dadzą powierzchnię 5,6km2 lub w innych jednostkach 560ha.

Dla porównania, powierzchnia największej na świecie elektrowni i kopalni węgla brunatnego w Bełchatowie wynosi ponad 3500ha.

elektrownia belchatow a fotowoltaika
Elektrownia Bełchatów

A teraz to co ważne energetycznie, czyli ile energii w roku wyprodukuje nasz 1GW fotowoltaiki, a ile 5,5GW mocy w Elektrowni Bełchatów?

Ze względów oczywistych nasze elektrownie słoneczne produkują energię elektryczną wyłącznie w odpowiednich warunkach nasłonecznienia. Nie popełniając istotnego błędu można przyjąć, że 1kW fotowoltaiki wyprodukuje w ciagu roku 1000kWh energii czyli nasz rekordowy gigawat wyprodukuje jej 1000GWh. W Elektrowni Bełchatów węgiel może być spalany całą dobę i niezależnie od pogody. Według informacji jakie podaje wikipedia Elektrownia Bełchatów produkuje rocznie ok. 28TWh, czyli 28000GWh.

Jakie inne wynikają wnioski z powyższej zabawy liczbami oraz wątek ochrony środowiska? Czytaj tutaj.