Podgrzewanie wody przy wykorzystaniu systemu fotowoltaicznego

Nie zawsze odbiornikami muszą być telewizor, pralka, lodówka czy inny standardowy sprzęt gospodarstwa domowego. Wyprodukowaną energię można również skutecznie wykorzystać do zasilania wydzielonej grzałki elektrycznej wspomagającej podgrzewanie wody w nowobudowanym czy istniejącym systemie ciepłej wody użytkowej. Wydajność pracy takiego systemu może być równie dobra jak systemu on-grid.

Podstawowymi urządzeniami wchodzącymi w skład typowej instalacji fotowoltaicznej on-grid są moduły oraz inwerter fotowoltaiczny. Jest to najmniej skomplikowane i najtańsze rozwiązanie dla użytkowników chcących produkować odnawialną energię elektryczną. Jednak bezwzględnym wymogiem pracy instalacji on-grid jest konieczność jej przyłączenia do pracującej sieci elektroenergetycznej. Wyklucza to więc możliwość jej stosowania tam, gdzie nie istnieje przyłącze, a energia elektryczna jest niezbędna dla podstawowego funkcjonowania, np. w zabudowach letniskowych odległych od infrastruktury zasilającej.

Dodatkowo przyłączenie do sieci odbywa się po spełnieniu wszelkich formalnych procedur, a samo użytkowanie instalacji PV niesie za sobą prawne obowiązki (rozliczanie za wyprodukowaną, użytkowaną, sprzedawaną energię elektryczną) wobec operatora systemu dystrybucyjnego (OSD) oraz Prezesa URE. To z kolei – nawet w przypadku najmniejszych instalacji – może generować dodatkowe koszty.

Oczywiście istnieje możliwość zbudowania instalacji fotowoltaicznej z wykorzystaniem dodatkowych urządzeń: regulatorów, akumulatorów, inwerterów off-grid, niewymagającej przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Jednak i w tym przypadku można się dopatrzeć kilku wad, m.in.: system nie gwarantuje ciągłości dostawy energii elektrycznej, szczególnie w okresach znikomego nasłonecznienia (jesień/zima); żywotność akumulatorów jest dużo niższa niż modułów fotowoltaicznych; dodatkowy asortyment – głównie akumulatory – generują wysoki koszt całej instalacji (ok. 10 000 zł netto/kWp). Ostatecznie rentowność inwestycji może być niezadowalająca dla przyszłego inwestora.

Rozwiązaniem, które może wyeliminować wymienione problemy, będzie niepodłączony do sieci elektroenergetycznej zestaw umożliwiający akumulowanie w urządzeniu innym niż akumulator elektryczny energii elektrycznej produkowanej w ciągu dnia, kiedy mieszkańcy przebywają poza domem, i wykorzystanie jej w porze wieczornej.

Może się wydawać, że jest to sprzeczne z ideą uwolnionego rynku energii elektrycznej dla osób fizycznych – prosumentów, pozwalającego na bezpośrednią sprzedaż energii elektrycznej zakładom energetycznym. Należy jednak pamiętać, że oferowane stawki (które reguluje ustawa o OZE [1]) są wciąż na bardzo niskim poziomie – 80% ceny energii z poprzedniego roku kalendarzowego, a otrzymane wynagrodzenie podlega opodatkowaniu z tytułu osiągniętego dochodu. Ostatecznie prosument otrzymuje ok. 0,10 zł netto za każdą niewykorzystaną i wprowadzoną do sieci elektroenergetycznej kWh.

Zadanie akumulacji energii może spełnić autonomiczny zestaw fotowoltaiczny do podgrzewania wody PVCWU, który jest atrakcyjny nie tylko z ekonomicznego punktu widzenia, ale również technicznego.

W tym przypadku nośnikiem energii jest ciepła woda, akumulowana w zbiorniku.

Urządzeniem podgrzewającym wodę jest zespół grzejny zasilany energią elektryczną z modułów fotowoltaicznych. Dzięki zastosowanemu układowi sterowania (Inteligentny Sterownik Grzałek) praca systemu jest w pełni zautomatyzowana i optymalizowana. Sterownik ISG znajduje Punkt Mocy Maksymalnej modułów fotowoltaicznych i dopasowuje do niego rezystancję zespołu grzejnego. Na rys. 1 przedstawiono schemat kompletnego zestawu PVCWU. W jego skład wchodzą:

• moduły fotowoltaiczne – możliwe zastosowanie 2, 4, 6 lub 8 sztuk modułów PV o mocy 260 W;
• Inteligentny Sterownik Grzałek – nadzorujący pracę zespołu grzejnego DC oraz ewentualnej dodatkowej grzałki AC;
• zespół grzejny DC umieszczony w zbiorniku wody – o mocy 0,52; 1,04; 1,56 i 2,08 kWp, równej sumarycznej mocy modułów fotowoltaicznych zastosowanych przy STC (standardowe warunki testowania).

Przyjrzyjmy się pracy zestawu w praktyce.
W tym celu w pierwszej kolejności przeprowadzono analizę w odniesieniu do pracującej instalacji fotowoltaicznej on-grid o mocy 10,56 kWp (44 moduły, typ SV60P.3-240 i jeden inwerter typ Powador 10.0TL3), która w roku 2015 wyprodukowała 10 621,86 kWh.
Sugerując się tym wskazaniem, jednoznacznie stwierdzić można, że system on-grid został prawidłowo zaprojektowany i pracuje z wysoką wydajnością (1005,8 kWh/kWp/rok).

Innym badanym obiektem był kompletny autonomiczny zestaw fotowoltaiczny do podgrzewania wody PVCWU składający się z:

• ośmiu sztuk modułów SV60P-235 o łącznej mocy 1,88 kWp,
• Inteligentnego Sterownika Grzałek ISG
• oraz zespołu grzejnego o mocy 2000 W w STC.

W obu przypadkach moduły usytuowane zostały na otwartej przestrzeni, skierowane na południe i nachylone pod kątem 30° do poziomu gruntu.

Wytwarzaną energię zmierzono za pomocą wbudowanych w urządzeniach sterujących (ISG, inwerterze) algorytmów.

Badania trwały 78 dni i odbywały się latem (15.07 – 4.09.2015).

Wyniki przedstawiono w tab. 1, przy czym wartości odczytane z urządzeń pomiarowych opisane zostały kolorem czarnym, a skalkulowane – kolorem zielonym.

Należy zaznaczyć, że niesystematyczne odczyty wskazań spowodowane były jedynie brakiem możliwości codziennego przebywania na miejscu badań.

Sumaryczna wartość energii elektrycznej otrzymanej z systemu on-grid (10,56 kWp) wynosi 2954,13 kWh, a z systemu PVCWU (1,88 kWp) – 530 kWh. Liczby te informują o ilości energii uzyskanej podczas pracy poszczególnych instalacji w badanym okresie. W celu obliczenia jednostkowego sumarycznego uzysku wskazane wartości należy podzielić przez ich moc całkowitą, otrzymujemy wówczas: dla systemu on-grid 279,75 kWh/kWp, dla zestawu PVCWU 281,91 kWh/kWp. Obliczenia potwierdzają więc poprawność pracy autonomicznego systemu fotowoltaicznego do podgrzewania wody PVCWU na poziomie porównywalnym (a nawet nieco wyższym) z wydajnością pracy optymalnie zaprojektowanego systemu on-grid. Ponadto zbliżone przebiegi charakterystyk produkcji energii w odniesieniu do 1 kWp mocy zainstalowanej modułów fotowoltaicznych (rys. 2) potwierdzają prawidłowe zaprojektowanie zestawu PVCWU, precyzyjnie dopasowującego moc odbiornika – zespołu grzejnego do mocy źródła – panelu PV.

Innym równie ważnym parametrem określającym skuteczność pracy systemu PV jest współczynnik wydajności pracy w danym czasie. Wskazuje on, jaką ilość energii w kWh uzyskano z 1 kWp mocy zainstalowanych modułów fotowoltaicznych w badanym okresie. W omawianym przypadku obliczenia odnoszą się do wskazanego dnia. W większości przypadków zestaw PVCWU wykazywał wyższe wartości produkowanej energii elektrycznej – nawet o 35% (rys. 3).

Prawidłowe dopasowanie mocy odbiornika do źródła decyduje o sprawności pracy instalacji PV. Właściwość tę porównano, analizując pracę autonomicznego systemu fotowoltaicznego do podgrzewania wody PVCWU oraz standardowego systemu do podgrzewania wody z grzałką o stałej mocy 2000 W, niewykorzystującej do pracy sterownika ISG. W obu rozwiązaniach zastosowano osiem modułów SV60P.4-240 o łącznej mocy 1,88 kWp, przy takim samym usytuowaniu jak poprzednio. Badania prowadzono przez kilka letnich dni 2014 r.

W pierwszej kolejności rozpatrzmy produkcję energii 21 sierpnia (rys. 4). W godzinach porannych, kiedy występuje niskie nasłonecznienie (godziny te możemy traktować również jako dni w okresach jesień/zima), grzałka w zestawie PVCWU wykazuje wyższe wartości mocy w stosunku do standardowego rozwiązania. Dopiero w godzinach popołudniowych, kiedy promieniowanie zbliża się do wartości 1000 W/m², moce grzałek stają się porównywalne. Dzieje się tak, ponieważ ich moc dobrana została do mocy źródła w warunkach STC – 2000 W.

Sumaryczne wyniki jednoznacznie wykazały wyższość kompletnego zestawu PVCWU – uzyskano o 76% więcej energii niż w przypadku standardowego rozwiązania (rys. 5).Całkowite wartości wyprodukowanej energii były w tym dniu następujące:

• praca standardowego systemu (bez ISG) – 5,16 kWh,
• praca autonomicznego zestawu do podgrzewania wody PVCWU – 9,10 kWh.

Na wykresie pokazano również przebieg promieniowania słonecznego w ciągu doby. W obu przypadkach każda z grzałek reagowała prawidłowo na zmieniające się promieniowanie – charakterystyki mocy grzałek przyjęły kształt charakterystyki promieniowania, co potwierdza prawidłowość ich działania. Warto jednak zauważyć, że przy niskich wartościach promieniowania polecany zestaw PVCWU ma lepszą wydajność. Jest to bezsprzeczna zaleta, dzięki której użytkownik ma gwarancję dostawy większej ilości energii w okresach słabo nasłonecznionych.

W odniesieniu do pozostałych wybranych dni pomiary są również satysfakcjonujące – dane zawarto w tab. 2.

Osiągnięte wyniki są z reguły o połowę wyższe. Dzięki otrzymanym wynikom można obliczyć czas, w jakim dana ilość wody podgrzeje się o założoną wartość temperatury.

Do obliczeń przyjęto: objętość wody w zbiorniku 100 l, różnicę temperatury 20°C. Rezultaty okazały się zadowalające.

W okresach średniego nasłonecznienia, 450–650 W/m² (najczęstsze średnie wartości promieniowania w ciągu roku), podgrzanie wskazanej ilości wody o 20°C trwało zaledwie około 3 godzin. Jest to czas wystarczający, żeby woda w zbiorniku w godzinach popołudniowych, szczególnie gdy lokatorzy przebywają poza domem (w pracy), nagrzała się do wymaganej temperatury ok. 50°C (rys. 6).

Wydajna praca autonomicznego zestawu fotowoltaicznego do podgrzewania wody PVCWU to niejedyna korzyść wynikająca z jego zastosowania. Zestaw może się okazać również skuteczną alternatywą dla kolektorów słonecznych, gdyż:

• kwalifikuje się do 40-proc. dofinansowania dla źródeł OZE z ogólnopolskiego programu Prosument,
• nie wymaga skomplikowanych układów połączeń (hydrauliki) oraz dodatkowych urządzeń (pompki elektryczne, zawory),
• a gwarantowana żywotność modułów PV wynosi 25 lat.

Należy jednak pamiętać, że zestaw PVCWU jest jedynie doposażeniem konwencjonalnego źródła zasilania c.w.u., które jest w stanie zapewnić dostawę ciepła w okresach słabo nasłonecznionych czy w nocy, kiedy bufor został wyczerpany. Nieskomplikowana budowa zestawu pozwala na szybki montaż i łatwe przyłączenie do już istniejącego układu ogrzewania, bez potrzeby przeprowadzania remontu.

Przykład przedstawiono na rys. 7.

W zbiorniku umieszczone zostały dwa źródła energii cieplnej: zespół grzejny oraz wymiennik ciepła z kotła gazowego.

Odpowiednie zaprogramowanie układu pozwala na niezależną pracę dwóch źródeł, zapewniając nieprzerwany dostęp do ciepłej wody oraz zmniejszając koszty zakupu nośników paliwa do kotła. Zastosowanie zewnętrznego sterownika umożliwia nadawanie priorytetów pracy danego źródła ciepła.

Dzięki rozszerzonej funkcjonalności sterownika ISG możliwe jest sterowanie grzałką AC podłączoną do sieci elektroenergetycznej (rys. 8). Jest to szczególnie przydatne, gdy do podgrzewania wody wykorzystywana jest już energia elektryczna z sieci elektroenergetycznej. Odpowiednie zaprogramowanie sterownika (priorytety pracy nastawiane są przez użytkownika) gwarantuje utrzymanie temperatury c.w.u. na żądanym poziomie.

Podane powyżej argumenty potwierdzają korzyści płynące z użytkowania systemu do podgrzewania wody opartego na modułach fotowoltaicznych, jednak odnoszą się głównie do wartości produkowanej energii. Nie należy również zapominać o dodatkowych atutach technicznych i funkcjonalnych, jakie ma przedstawione rozwiązanie.

Podsumowując, system charakteryzuje się następującymi zaletami:

• autonomiczność – nie wymaga zasilania z sieci elektroenergetycznej,
• łatwość montażu – brak elementów hydraulicznych między modułami a zbiornikiem,
• brak glikolu – nie wymaga konserwacji i wymiany czynnika grzewczego,
• elastyczność – umożliwia podłączenie i sterowanie dodatkową grzałką AC,
• szeroki zakres pracy – pracuje przy wartościach promieniowania od 50 do
  1200 W/m²,
• funkcjonalność – umożliwia nastawy stref czasowych, zakresów temperatur oraz odczyt parametrów pracy,
• prosta adaptacja w istniejącej instalacji – większość kotłów/zbiorników ma dodatkowe miejsce przewidziane na element grzejny,
• praca przy bezpiecznym napięciu, maks. 80 V,
• gwarancja sprawności modułów PV wynosi 25 lat, gwarancja ISG-3 – 3 lata z możliwością przedłużenia,
• produkt wyprodukowany w Polsce.

Literatura

1. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (DzU 2015, poz. 478).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!