Ogrzewanie wody z baterii słonecznych

Pomimo ogromnej popularności kolektorów słonecznych nie każdy jest w pełni przekonany do ich zastosowania. Przyczyny tego stanu są różne. Niektórzy wymieniają w nich swoje obawy o posiadanie instalacji glikolowej na dachu inni obawiają się kłopotów z przegrzewaniem glikolu lub drogimi kosztami serwisu które minimalizują zyski i czynią ta inwestycję nieopłacalną. Choć wszystkie te obawy można bez większych problemu rozwiać (instalując odpowiednio dobraną i zaprojektowaną instalację z odpowiednio wysokiej jakości komponentów) to jest znaczna grupa osób która najlepsze rozwiązanie upatruje w wykorzystaniu paneli fotowoltaicznych do ogrzewania wody.

Baterie słoneczne zostały zaprojektowane jako urządzenia generujące energię elektryczną. Stąd ich główne zastosowania nikogo nie dziwią. Najczęściej wykorzystuje się je do ładowania akumulatorów i korzystania z ich energii w systemach wyspowych (odłączonych od sieci) lub konwertuje się napięcie stałe z baterii słonecznych na napięcie 230V (lub 400V) zmienne i wpuszcza do sieci w celu odsprzedaży lub wykorzystania własnego. W związku z tym pomysł wykorzystania baterii słonecznych do ogrzewania wody wydaje się być dla znacznego grona odbiorców nieco egzotycznym pomysłem.

Pomysł jest prosty, łatwy do zrealizowania; nie wymaga większych nakładów pracy. Wystarczy zakupić baterię słoneczną, grzałkę o odpowiednim oporze i napięciu, podłączyć i już energia słoneczna ogrzewa naszą wodę użytkową w zbiorniku!

Proste, tanie, więc genialne - no tak powinno być! Ale czy na pewno?

Analizując samą ideę ogrzewania wody z baterii słonecznych nietrudno niemal natychmiast popaść w zachwyt nad prostotą i genialnością tego pomysłu. Jednak zanim w pośpiechu zakupimy baterie słoneczne i grzałki radzę dotrwać do końca tego artykułu.

Rzeczywiście zaproponowane rozwiązanie ma sporo zalet:

  1. Brak elementów delikatnych - wrażliwych na eksploatację - takich jak glikol w systemach kolektorów słonecznych. Bateriom słonecznym nie straszne przegrzanie lub stagnacja. W chwili kiedy je odłączymy od odbiorników będą się grzały nieco mocniej niż zazwyczaj - będą około 15% cieplejsze - a są przecież zaprojektowane do pracy w pełnym słońcu więc nic im się nie stanie. Ponadto brak jest przy bateriach słonecznych elementów ruchomych (pompka solarna w instalacji kolektorów słonecznych) więc układ z definicji jest mniej awaryjny.
  2. Żywotność baterii słonecznych większości producentów jest gwarantowana na 25 lat - żadne kolektory słoneczne nie mają takiej gwarancji.
  3. Montaż systemu jest prostszy - co prawda należy zamontować więcej baterii słonecznych niż w przypadku kolektorów słonecznych, ale są one co najmniej dwa razy lżejsze niż kolektory słoneczne więc montaż jest łatwiejszy.
  4. Zimą, gdy tylko świeci słońce, baterie słoneczne od razu generują energię, która płynie do grzałek - kolektor słoneczny musi się nagrzać, nagrzać musi się glikol i dopiero później ogrzewany jest zbiornik wodny - ilość uzyskiwanej energii do ogrzewania zimą w przypadku kolektorów płaskich jest dużo niższa ze względu na niską temperaturę otoczenia - co niekorzystnie wpływa na straty całego układu. Za to baterie słoneczne w przypadku niskich temperatur potrafią dawać nawet więcej mocy niż latem (choć zdarza się to w ekstremalnych sytuacjach) a zawsze kiedy świeci słońce generują moc i niemal bezpośrednio kierują ją do grzałek!
  5. Nie trzeba kupować zbiornika. Zazwyczaj każdy kto posiada w domu bojler może wymienić w nim grzałkę na taką dostosowaną do baterii słonecznych i już może grzać wodę - nie musi ingerować w instalację hydrauliczną w domu.
  6. Proste przekazywanie energii - energię z kolektorów słonecznych należy odprowadzić rurociągiem solarnym do zbiornika - wiąże się to z koniecznością przeprowadzenia rurociągu solarnego od kolektorów słonecznych do zbiornika. Przy czym należy zwrócić uwagę na spadki rurociągu (konieczne dla prawidłowego odpowietrzenia). W przypadku baterii słonecznych wystarczy przeprowadzić dwie żyły przewodów elektrycznych od baterii do grzałki i sprawa załatwiona!
  7. Brak ryzyka wycieków z instalacji solarnej i brak konieczności okresowej wymiany glikolu - to kolejne oszczędności które uzyskuje się stosując baterie słoneczne do grzania wody.

Jednym słowem jest na prawdę nieźle. A są jakieś minusy?

1. Określmy potrzebną moc.

No właśnie - ile tych baterii słonecznych potrzeba. System 2-3 kolektorów słonecznych (w zależności od powierzchni i producenta) to typowy zestaw dla rodziny 3-4 osobowej. Zakładając, że zużyje ona średnio 50 litrów na osobę potrzebujemy około 200 litrów wody podgrzanej z temperatury 18°C do 50°C - co daje po przeliczeniu konieczność wydatkowania około 7 kWh energii elektrycznej dziennie. Aby uzyskać taką ilość energii latem z baterii słonecznych należy zastosować około 2 kW baterii słonecznych. W tej sytuacji należy zadać pytanie jaki jest koszt takiej ilości baterii słonecznych.

2. Określmy sprawność przekazywania energii

To kolejny bardzo ważny - często pomijany aspekt. Aby baterie słoneczne działały ze swoją maksymalną mocą konieczne jest zastosowanie nominalnego oporu który musi być dopasowany do chwilowej wartości nasłonecznienia - wartość ta zależy od zachmurzenia, kąta padania promieni słonecznych, temperatury i kilku innych czynników. Wynika z tego że grzałka musiałaby zmieniać swój opór w sposób ciągły - ale tak nie jest. Zazwyczaj mamy grzałkę o stałym oporze. Co wtedy - jeśli ilość energii jest niewystarczająca do oporu grzałki napięcie odkładające się na grzałce wynosi kilka procent napięcia mocy maksymalnej!!! - oznacza to, że nawet w słoneczny dzień jeśli słońce pada pod niskim kątem ilość energii którą generują baterie słoneczne spada do 10-20% mocy która mogła by być wykorzystana! Szacuje się, że przy zastosowaniu prawidłowo dobranej grzałki o stałym oporze do systemu fotowoltaicznego straty takiego rozwiązania sięgają około 50%-70%!!! - Aby je pokryć koniecznie musielibyśmy zastosować przynajmniej dwa razy więcej baterii słonecznych! - 4 kW

3. Zabezpieczenia

A co w przypadku gdy będzie kilka słonecznych dni a my zapomnimy o odbieraniu ciepła ze zbiornika? Z naszego doświadczenia wiemy że gdy prawidłowo dobierzemy moc baterii słonecznych mogą one zagotować wodę w zbiorniku. Konieczne jest zatem wykonanie zabezpieczenia - a zwykły termostat może tu nie zdać egzaminu!

4. Problematyczne przesyłanie prądu DC

Ważnym aspektem instalacji baterii słonecznych jest konieczność minimalizacji spadku mocy na przewodach elektrycznych - należy zwrócić uwagę,  że w przypadku odległości od baterii słonecznej do grzałki przekraczającej 10 m należy stosować większe średnice przewodów - inaczej w słoneczne dni można wygenerować na samych przewodach straty sięgające 50%.

Podsumowując grzanie wody z baterii słonecznych ma ogromną przewagę ideową nad kolektorami słonecznymi jednak dogłębna analiza pomysłu ukazuje problemy i wyzwania, które należy rozwiązać, aby pomysł zdał egzamin i był przy tym ekonomicznie uzasadniony.

Nasza firma od roku testuje układ własnego pomysłu, który ma realizować następujące funkcje:

  1. Wartość oporu posiada kilkanaście dyskretnych poziomów które zmieniają się w zależności od ilości płynącego z baterii słonecznych prądu. Dzięki czemu szacunkowe straty zmniejszą się z 50% do  kilkunastu procent. Nie trzeba tym samym kupować dwa razy większej ilości baterii słonecznych - wystarczy zwiększyć ich moc około 20-25% (bez proponowanego układu należało by zwiększyć moc systemu około 100% aby uzyskać tą samą moc)
  2. Układ posiada zabezpieczenie temperaturowe - po przekroczeniu ustalonej temperatury grzałki się wyłączą. Zabezpieczenie tej funkcji jest realizowane dwustopniowo w oparciu o elementy przystosowane do pracy z dużymi prądami DC.
  3. Układ można przeprogramować do współpracy z akumulatorami, aby na minimalnym obciążeniu akumulatorów zrzucały nadmiar energii z baterii słonecznych do grzałek. Układ ten może współpracować z dowolnymi regulatorami ładowania. Najlepsze efekty uzyskuje się przy stosowaniu regulatorów MPPT

Produkt jest w końcowej fazie testów - zainteresowane osoby prosimy o kontakt.