Od momentu uruchomienia w Polsce dotacji na zakup i montaż kolektorów słonecznych, nastąpił gwałtowny wzrost ich instalacji. Nieco gorzej wygląda sytuacja rynkowa ogniw fotowoltaicznych, których instaluje się w Polsce bardzo mało, przede wszystkim ze względu na ich niską sprawność, wysoką cenę oraz brak dotacji. Taki stan rzeczy zrodził dość obiecującą innowację polegającą na połączeniu w jeden hybrydowy system dwóch technologii – kolektorowej oraz fotowoltaicznej – oraz uzyskaniu dzięki temu wyższej sprawności oraz niższej ceny obydwu rozwiązań.

Pierwszy prototyp hybrydy kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych zaprezentowany został w połowie lat 90. zeszłego wieku. Od tamtego czasu nastąpił duży rozwój tego wynalazku, prowadzący do jego komercjalizacji.
Hybryda kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych to system kombinowany, który produkuje zarówno energię elektryczną jak i energię cieplną z jednej, zintegrowanej powierzchni absorpcyjnej. Taka forma konwergencji technologicznej jest bardzo korzystna, gdyż pozwala na dostarczanie do budynku dwóch rodzajów energii i to w wielokrotnie większej ilości niż w przypadku korzystania z każdej technologii z osobna. Pełne zrozumienie sposobu funkcjonowania hybrydy kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych, wymaga przytoczenia kilku faktów na temat działania paneli fotowoltaicznych.

Technologia fotowoltaiczna

Podstawową wadą systemów fotowoltaicznych są wysokie koszty zakupu i ograniczona ilość produkowanej energii elektrycznej w stosunku do zaabsorbowanego promieniowania słonecznego. Nie do zaakceptowania jest wynikający z tego długi czas zwrotu z inwestycji, wynoszący w polskich warunkach nawet kilkadziesiąt lat. Od dłuższego czasu prowadzony jest w Polsce lobbing mający na celu uruchomienie wsparcia dla tej technologii (np. w postaci taryfy feed-in), jednak jak dotychczas bez rezultatów. Jak pokazały przykłady z innych krajów, np. Niemiec czy Anglii, uruchomienie wsparcia wpłynęło na gwałtowny rozwój rynku fotowoltaiki. Obecnie jednak kraje te zaczynają wycofywać się z systemu wsparcia, a w Polsce nadal nie jest ono nawet przewidywane.

Efektywność
Brak wsparcia finansowego to jednak nie jedyny problem fotowoltaiki. Otóż panele fotowoltaiczne przetwarzają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną ze średnią sprawnością na poziomie jedynie 15% (dla porównania płaskie kolektory słoneczne mają sprawność na poziomie 80%). Część promieni słonecznych jest tracona w wyniku odbicia od szkła, jednak większość przekształcana jest w energię cieplną, która wpływa niestety na obniżenie parametrów elektrycznych panelu fotowoltaicznego, gdyż podnosi jego temperaturę pracy. W typowym panelu fotowoltaicznym optymalna temperatura pracy wynosi 25^oC. Na każdy 1 stopień powyżej tego poziomu produkcja energii elektrycznej spada średnio o 0,5%. Temperatura na dachu budynku, gdzie zamontowany jest system fotowoltaiczny, może wynosić nawet 75^oC, co oznacza obniżenie sprawności panelu o około 25%.

System hybrydowy

Rozwiązanie dla problemów fotowoltaiki przyniosło zintegrowanie jej z kolektorem słonecznym, dzięki czemu możliwe stało się wykorzystanie dotychczas traconego ciepła na potrzeby grzewcze budynku. Jak pokazują wyniki testów, systemy hybrydowe są w stanie wygenerować nawet do czterech razy więcej energii niż kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne zainstalowane oddzielnie na tej samej powierzchni, przy jednoczesnym wzroście kosztów zakupu tylko o około 25%. Wykorzystanie „niechcianego ciepła”, do pokrycia zapotrzebowania na energię cieplną w budynku pozwala na wzrost wydajności systemu, dzięki obniżeniu temperatury pracy ogniwa fotowoltaicznego, co prowadzi do zredukowania czasu zwrotu z inwestycji o około 30%. Jest to bardzo istotna poprawa, ponieważ wyliczenie opiera się na rzeczywistej produkcji energii elektrycznej, a nie na nominalnej mocy systemu.

Zastosowania

Potencjał energetyczny innowacyjnych hybryd solarnych może być spożytkowany na wiele sposobów. Wyprodukowane ciepło można zastosować do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania wody basenowej oraz wspomagania centralnego ogrzewania. Klasyczny system wykorzystujący potencjał cieplny hybrydy składa się z pompy obiegowej, automatyki sterującej oraz zasobnika ciepłej wody. Natomiast w przypadku wyprodukowanej energii elektrycznej sytuacja jest nieco ciekawsza, ponieważ istnieją aż cztery modele wykorzystania jej w budynku.

Model pierwszy
Pierwszy wariant (rys. 1) polega na pracy równoległej z wewnętrzną linią zasilającą odbiorcy i z siecią elektroenergetyczną. Panel hybrydowy jest przyłączony wydzielonym obwodem (1-fazowym lub 3-fazowym) w punkcie dostarczania energii do odbiorcy. Wytwarzana energia jest wykorzystywana przez odbiorcę, co ogranicza jego pobór energii z sieci elektroenergetycznej. W przypadku, kiedy nie ma poboru energii lub jest on bardzo niewielki, energia jest przesyłana do sieci. Wymagane składniki systemu to regulator ładowania, inwerter sieciowy.

Rys. 1. Przykład wykorzystania energii elektrycznej z mikroźródła na potrzeby własne. Nadmiar energii elektrycznej jest sprzedawany do sieci elektroenergetycznej

Model drugi
Model drugi polega na pracy na wydzielony obwód wewnętrznej linii zasilającej odbiorcy (rys. 2). Panel hybrydowy jest przyłączony w miejscu rozdziału obwodów lub bezpośrednio do wydzielonego obwodu, jaki ma zasilać. Jest to rozwiązanie stosowane w przypadku zasilania prostych odbiorników energii, takich jak oświetlenie ogrodu. Wymagane składniki systemu to regulator ładowania, akumulator, inwerter.

Rys. 2. Przykład wykorzystania energii elektrycznej z mikroźródła do zasilania wydzielonego obwodu w instalacji odbiorczej

Model trzeci
Model trzeci polega na pracy w całości na rzecz zasobnika ciepłej wody (rys. 3). Panel hybrydowy od strony elektrycznej podłączony jest do wydzielonego obwodu niskonapięciowej grzałki elektrycznej zainstalowanej w zbiorniku. Model ten jest najtańszy do instalacji, ponieważ nie wymaga dodatkowych urządzeń takich jak inwerter czy akumulatory, a jedynie grzałki elektrycznej. Istnieje jednak ograniczenie wykorzystania obydwu energii, w postaci zapotrzebowania na podgrzaną wodę w zbiorniku.

Rys. 3. Praca mikroźródła w całości na rzecz podgrzania ciepłej wody

Model czwarty
Model czwarty polega na pracy równoległej z wewnętrzną linią zasilającą odbiorcy oraz z siecią elektroenergetyczną, dodatkowo z możliwością awaryjnej pracy wyspowej (rys. 4). Panel hybrydowy jest przyłączony wydzielonym obwodem w miejscu rozdziału obwodów, np. na wydzieloną listwę zbiorczą w miejscu dostarczania energii, z której zasilana jest instalacja szczególnie ważna dla odbiorcy. W czasie normalnej pracy sieci elektroenergetycznej wytworzona przez panel hybrydowy energia jest zużywana przez odbiorniki zainstalowane u odbiorcy, co obniża ilość pobieranej energii z sieci, oraz na ładowanie akumulatorów współpracujących z ważnymi obwodami w wewnętrznej linii zasilającej. W przypadku awarii podstawowego zasilania zgromadzona energia podtrzyma pracę panelu hybrydowego i pozwoli zasilić obwody uznane przez odbiorcę za istotne (zasilanie lodówki, oświetlenie awaryjne itp.). Na system składają się: inwerter sieciowy, falownik i prostownik, akumulatory, automatyka oraz układ pomiarowo-rozliczeniowy, którego głównym elementem jest licznik energii mierzący energię przepływającą w dwie strony (z sieci i do sieci).

Rys. 4. Przykład wykorzystania energii elektrycznej z mikroźródeł na potrzeby własne. Nadmiar energii elektrycznej jest sprzedawany do sieci energoelektrycznej, układ umożliwia również pracę wyspową na wydzielony obwód

Rozwój rynku

Biorąc pod uwagę obecne trendy w energetyce słonecznej można spodziewać się, iż nowa technologia hybrydowa szybko zadomowi się na rynku wypierając mniej efektywne energetycznie i kosztowo pojedyncze systemy kolektorów słonecznych czy ogniw fotowoltaicznych. Wzrost sprzedaży hybryd może nastąpić już w roku 2013. Szczególnie atrakcyjnym rynkiem zbytu będą budynki mieszkalne, charakteryzujące się stosunkowo dużym zapotrzebowaniem na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jednocześnie oznacza to również wzrost zapotrzebowania na fachowców przygotowanych do tego, aby taki system podłączyć – tj. specjalistów zarówno od energetyki cieplnej jak i elektrycznej.

Damian Gadzialski,
Wojciech Hetmański
Autorzy są menadżerami produktu
w firmie Energa-Obrót