Wodę w gospodarstwach domowych podgrzewamy w różny sposób – za pomocą energii elektrycznej, kotłów opalanych paliwami stałymi, paliwami ciekłymi bądź gazowymi, lub też stosując rozwiązania oparte na odnawialnych źródłach energii takich jak kolektory słoneczne, panele fotowoltaiczne, czy też pompy ciepła. W ostatnich latach można zaobserwować bardzo duży wzrost w dziedzinie zastosowania tych drugich rozwiązań. Jako Polska jesteśmy drugim krajem w Europie (po Niemczech) w zestawieniu ilości instalacji solarnych służących do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Tak dobry wynik jest efektem programu dotacyjnego z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, dzięki któremu można otrzymać 45% dofinansowania na zakup i montaż zestawu kolektorów słonecznych.
Nie bez kozery NFOŚiGW w dotacji skupił się jedynie na kolektorach do podgrzewania CWU. Jest to obecnie najbardziej efektywny sposób otrzymywania energii cieplnej ze słońca. Podstawowy zestaw kolektorów słonecznych dla 6-cio osobowej rodziny składa się z trzech kolektorów płaskich i zbiornika buforowego o pojemności 300 l. Koszt takiego zestawu przed dofinansowaniem to około 11-12 tys. zł. Zestaw taki zwraca się przeciętnemu użytkownikowi w granicach od 4 do 7 lat, w zależności od tego jakiego typu paliwa (energii) używał wcześniej do podgrzewania ciepłej wody. Jak na wstępie było wspomniane, kolektory to najbardziej efektywny sposób grzania wody. O ocenę doboru i porównania różnych systemów zapytaliśmy eksperta firmy Solartime pana Adama Mazura który sporządził bilans energetycznego dla uzyskania żądanego efektu, jakim jest podgrzanie 300 l wody od temperatury 10ᵒC do temperatury 70ᵒC. Zakładając brak strat cieplnych do otoczenia oraz maksymalny czas podgrzewania wody 5 godzin otrzymujemy moc elementu grzejnego która wynosi 4,2 kW.
Moc najczęściej stosowanych kolektorów słonecznych o powierzchni bliskiej 2m2 przy mieści się w granicach 1400 - 1450 W, wobec czego dobór 3 kolektorów do zbiornika o pojemności 300 l jest najlepszym rozwiązaniem.
Bardzo rzadko stosowaną do kolektorów słonecznych, ale budzącą coraz większe zainteresowanie alternatywą jest sposób podgrzewania wody za pomocą paneli fotowoltaicznych. Sposób, który w swoim najtańszym rozwiązaniu jest bardzo nieefektywny. Jest to rozwiązanie, które mimo prostoty wykonania i (wątpliwego) ekonomicznego aspektu, może w przyszłości okazać się drogą inwestycją. Polega on na połączeniu ze sobą w szereg odpowiedniej ilości paneli fotowoltaicznych celem uzyskania napięcia bliskiego 230 V i podłączeniu takiego układu bezpośrednio do elektrycznej grzałki zamontowanej w zbiorniku.
Nieefektywność tego rozwiązania polega na tym, że panele fotowoltaiczne najczęściej pracują w zakresie 30-50% swojej mocy znamionowej, co w bardzo dużym uproszczeniu można sprowadzić do nasłonecznienia rzędu 300 – 500 W/m2. Warunki te sprawiają, że zbyt mała wydajność prądowa takiego zestawu fotowoltaicznego (natężenie prądu paneli fotowoltaicznych liniowo zależy od nasłonecznienia) sprawia, że nie jest on w stanie podgrzać grzałki do odpowiedniej temperatury. Zbyt mała temperatura grzałki oznacza, że jej rezystancja jest bardzo niska, a same panele fotowoltaiczne pracują niemalże w stanie zwarcia. Jedynie przez 20% swojego czasu działania panele fotowoltaiczne pracują przy wydajności ponad 80%, gdzie system miałby swoje ekonomiczne i techniczne uzasadnienie. Próbując jednak określić ekonomikę takiego zestawu posłużmy się przykładem z poprzedniego rozważania.
Do określonej mocy grzałki wynoszącej 4200 W należy dobrać zestaw fotowoltaiczny. Zakładając moc maksymalną pojedynczego modułu PV na poziomie 250 W należy odczytać jego dane dla nominalnych warunków nasłonecznienia. W tym miejscu uwaga. Nominalne warunki nasłonecznienia (NOCT) przedstawiają parametry modułu fotowoltaicznego w nieco innych warunkach pracy niż jego parametry znamionowe (podawane w standardowych warunkach nasłonecznienia – STC). Jednakże warunki nominalne ze względu na swoje parametry są bardziej zbliżone do rzeczywistych warunków pracy modułu PV. Moc modułu 250 W warunkach NOCT to około 185 W, wobec czego dla zasilenia grzałki o mocy 4 200 W potrzebujemy 22-23 paneli PV. Napięcie pojedynczego modułu w warunkach NOCT to 28,2 V. Aby uzyskać napięcie rzędu 230 V potrzebujemy połączyć szeregowo ze sobą 8 modułów PV.
Moc takiego pojedynczego łańcuchu modułów wynosi 1480 W (w warunkach NOCT). Aby zwiększyć moc do żądanej należy dołożyć kolejne łańcuchy modułów i połączyć je ze sobą równolegle. Wyliczona wcześniej ilość modułów musi zostać skorygowana ponieważ nie można ze sobą łączyć równolegle łańcuchów o różnej ilości modułów. Jedyne co pozostaje to układ trzech 8-modułowych łańcuchów połączonych ze sobą w sposób równoległy. W tym miejscu należy pamiętać, że przy połączeniu równoległym 3 lub większej ilości łańcuchów obowiązkiem jest zastosowanie bezpieczników topikowych w każdym z łańcuchów na każdym biegunie (zarówno na dodatnim jak i ujemnym), ponieważ potencjalne zwarcie w systemie może wiązać się z ryzykiem powstania pożaru. Kolejnym problemem, a zarazem zagrożeniem z racji użytkowania takiego zestawu jest łuk elektryczny, który powstaje przy rozłączeniu styków termostatu na grzałce.
W przypadku łuku elektrycznego przy prądzie przemiennym następuje samoczynne jego wygaszenie w chwili przejścia przebiegu prądu sinusoidalnego przez zero. Układ grzałki zasilanej prądem z instalacji fotowoltaicznej, to instalacja prądu stałego, w którym nie następuje przejście przez zero, wobec czego energia łuku elektrycznego będzie powodowała przegrzewanie styków termostatu za każdym razem stanowiąc ryzyko powstania pożaru.
Koszt takiego zestawu 24 paneli PV to około 21 tys. zł (moduły PV, skrzynka zabezpieczeniowa, system montażowy i okablowanie), a i tak działa on efektywnie przez około 20% swojego czasu pracy. Dodatkowym mankamentem tego typu rozwiązania jest potrzebna powierzchnia pod montaż. 24 moduły PV to obszar bliski 40 m2. Nie każdy dysponuje tak dużą powierzchnią dachu o południowej ekspozycji. Przypomnijmy, że 3 kolektory to tylko 6 m2.
Aby poprawić efektywność takiego rozwiązania należy zastosować w instalacji sterownik MPPT (sterownik z układem śledzącym maksymalny punkt mocy). Takie rozwiązanie spowoduje zmniejszenie konieczności stosowania tak dużej ilości modułów PV, a znacznie powiększy jego efektywność. Moduły będą pracować zawsze z maksymalną dostępną mocą (uzależnioną od warunków zewnętrznych) i co ważne na bezpiecznym napięciu, minimalizując ryzyko porażenia prądem oraz ryzyko powstania pożaru.
Reasumując powyższe rozważania na dzień dzisiejszy nie ma lepszego rozwiązania służącego do podgrzewania wody niż zestaw kolektorów słonecznych, a program dotacji z NFOŚiGW sprawił, że jest on dostępny niemal dla każdego. Koszt kompletnej instalacji kolektorów które zajmują jedynie 6m2 powierzchni to 11-12 tys. zł (przed dotacją). System fotowoltaiczny (bez zbiornika i grzałki) jest niemal dwukrotnie droższy zajmując przy tym prawie 7 razy więcej powierzchni.
Warto w tym miejscu zauważyć, że budżet programu jest na wyczerpaniu i pieniądze mogą się skończyć już w czerwcu. Kolejny program dotacyjny z NFOŚiGW czyli "Prosument" został już zatwierdzony i w najbliższym czasie wejdzie w życie, jednak zakłada on dotację dla kolektorów w kwocie 20% kosztów kwalifikowanych oraz wymusza na beneficjencie zamontowanie jeszcze dodatkowego źródła (fotowoltaika, wiatrak, pompa ciepła), przez co inwestycja polegająca na zakupie i montażu zestawu kolektorów przestaje być tak atrakcyjna cenowo. Chcąc skorzystać na obecnej atrakcyjnej formie dofinansowania należy się spieszyć i jak najszybciej skontaktować się z lokalnym dystrybutorem instalacji solarnych.
