Cały mój prąd – czyli fotowoltaika bez smyczy

Fotowoltaika pozwala zmniejszyć rachunki za prąd, ale nie ma wiele wspólnego z samowystarczalnością energetyczną. Produkując swój prąd nadal jesteś na smyczy elektrowni – i to nie tylko w nocy i w styczniu, ale o dziwo także w słoneczne lipcowe popołudnie, bo bez prądu sieciowego większość instalacji fotowoltaicznych nie będzie pracować.

Czy z tej zależności od drutu i elektrowni da się i warto próbować się urwać? Przechowywanie prądu w domowych warunkach zaczyna być realne technicznie i akceptowalne finansowo, co otwiera drogę ku coraz większej, faktycznej samowystarczalności energetycznej.

Jak to działa – sprawdzałem na sobie przez miniony rok, używając niezależnej od sieci, taniej, miniaturowej instalacji fotowoltaicznej o mocy 720W (tak, siedemset dwadzieścia). Teraz podsumowuję doświadczenia i sprawdzam, jakie są perspektywy w temacie. A są spore – wiele rozwiązań jest w Polsce nieznane lub pozostaje na marginesie.

Zacznijmy od początku

Instalacja fotowoltaiczna (PV) przerabia światło słoneczne na prąd. Nie ma to nic wspólnego z kolektorami słonecznymi – te przerabiają światło słoneczne na ciepłą wodę. Laikom myli się to podobnie jak mnie pianino z fortepianem.

O ile kolektory słoneczne można prosto zbudować niemal z byle czego, to chałupniczo skonstruować paneli PV praktycznie się nie da. Pozostaje kupić gotowe podzespoły:

  • fotowoltaika z roku na rok tanieje, ale 1kW mocy to wciąż jest koszt jakichś 5 tys. zł.
  • Ten 1kW w ciągu roku jest w stanie wyprodukować do ok. 1000kWh prądu, co w standardowej taryfie G11 jest warte w porywach 650zł.
  • Nieco naiwnie licząc, instalacja zarobi na siebie w najlepszym razie w ciągu 6-7 lat
  • Ten okres zwrotu inwestycji stale się skraca za sprawą spadku cen sprzętu i rosnącego wsparcia państwa. Skróci się także jeśli wzrosną ceny prądu – co nie jest korzystnym społecznie zjawiskiem, ale matematycznie patrząc posiadacz instalacji PV na tym skorzysta.

Fotowoltaika nie niesie może złotych jaj, ale jest już dużo bardziej rentowna niż obecne lokaty bankowe – nawet bez żadnych dopłat. Tylko że bez dopłat trzeba tylko wyłuskać te przeciętnie kilkanaście tysięcy na start... Przedstawiać inwestycję w fotowoltaikę jako sposób na niższe rachunki za prąd to tak, jakby głodnemu polecić zakup piekarni – będzie miał darmowy chleb. Ale jeśli brakuje mu na chleb, to za co kupi piekarnię?

Ogólny schemat instalacji fotowoltaicznej. Źródło: instalacjebudowlane.pl

Jako oczywistość przyjmuje się w Polsce fakt, że instalację PV podłączamy do publicznej sieci energetycznej i tam odsyłamy nadwyżki energii – nie magazynujemy prądu u siebie. Widać to na wszelkich tego typu schematach jak powyżej. Akumulatora niet.

Jednakże tak być nie musi:

  • można magazynować część nadwyżki prądu a do sieci oddawać tylko to, czego zmagazynować już nie ma jak – wtedy jest to instalacja hybrydowa, mogąca działać przy braku prądu sieciowego
  • można wcale nie oddawać prądu do sieci – magazynować go i później zużywać samemu – a pobierać prąd z sieci gdy własnego nie ma dość – i to jest instalacja wyspowa (off-grid)
  • można w ogóle nie mieć przyłącza elektrycznego – i to jest instalacja wyspowa (off-grid) w wersji ekstremalnej (w Polsce raczej nierealne aby działała przez okrągły rok, ale na świecie miejscami się stosuje).

Po co magazynować prąd? Czy to ma sens ekonomiczny albo jakiś inny? Właśnie nad tym mam zamiar się nieco porozwodzić – trochę na podstawie własnych testów, trochę obserwując jak to robią ludy germańskie na zachód od nas.

Instalacja sieciowa (on-grid) – na smyczy elektrowni

Instalacja PV oddająca nadmiar prądu do sieci jest obecnie w Polsce rozwiązaniem najtańszym i najbardziej opłacalnym (najszybciej się zwróci).

  • Energetyka pobiera "prowizję" w wysokości 20%, czyli za 1kWh wysłaną do sieci oddadzą nam 0,8kWh – co i tak jest najkorzystniejszym dostępnym rozwiązaniem. Nieomal wszelkie formy magazynowania prądu są dalece mniej opłacalne (czasem wcale).
  • Instalacja on-grid może pracować na 100% swoich możliwości, więc wyprodukuje maksimum prądu, na ile pozwala pogoda.

Czy instalacja on-grid ma jakieś wady? Owszem: choć marketing fotowoltaiki ostro lukruje bajkami o samowystarczalności i niezależności energetycznej, instalacja PV on-grid to wciąż pełna zależność od sieci energetycznej, z elektrownią węglową na drugim końcu druta.

  • Nawet jeśli w skali roku wytwarzasz ilość energii pokrywającą 100% twojego zużycia, nie jesteś samowystarczalny – nadmiar oddawany do sieci zużywa ktoś inny, a ty zimą i tak musisz korzystać z prądu z elektrowni. Niestety – tu nie Kalifornia.
  • Instalacja on-grid wbrew pozorom nie jest awaryjnym źródłem prądu. Kiedy akurat nie ma prądu sieciowego – instalacja PV on-grid wyłącza się, mimo że słońce świeci. Jest to jak najbardziej celowe: tak te instalacje zaprojektowano, że do działania wymagają obecności napięcia sieciowego. Aby instalacja działała bez napięcia sieciowego, potrzebny jest specjalny inwerter (hybrydowy lub off-grid).
  • Przyłączenie małej domowej instalacji PV do sieci energetycznej jest obecnie całkiem proste i korzystne finansowo, ale jednak potrzeba na to zgody energetyki, jak również trzeba informować zakład energetyczny o planowanych zmianach w zainstalowanej mocy albo o przerwie/zwinięciu interesu. Kogoś może mierzić sam fakt bycia w jakiejś ewidencji u energetyki.

Jak na razie w Polsce jesteśmy na takim etapie, że instalacje on-grid opłacają się i to coraz bardziej – od tego roku jest ulga podatkowa m.in. obejmująca fotowoltaikę a dosłownie przed chwilą rząd uruchomił program dopłat do instalacji PV: "Mój prąd". Poszukiwanie innych opcji może skusić jedynie osoby o grubszym portfelu, skłonne nieco bardziej go odchudzić w imię fanaberii typu: niezależność.

Instalacja off-grid (wyspowa) – niezależność, która kosztuje

Wyspowa instalacja fotowoltaiczna (off-grid) nie przesyła prądu do sieci – nadwyżki są magazynowane w akumulatorach. Zużycie energii jest zaspokajane głównie własną produkcją a energia sieciowa jest pobierana tylko na pokrycie braków. W wersji najbardziej hardkorowej instalacja off-grid w ogóle obywa się bez dostępu do sieci energetycznej – co w naszej szerokości geograficznej jest mało realne, ale na świecie ludzie to osiągają.

Podstawowa zaleta instalacji wyspowej to (prawie) pełna niezależność. Energetyka nic nie musi o tobie wiedzieć, bo instalacja wyspowa nie ma fizycznej możliwości przesyłania prądu do sieci. W naszej części świata do zastosowania instalacji w pełni wyspowej może zmuszać tylko brak fizycznego dostępu do sieci energetycznej, np. gdzieś na rekreacyjnej działce w Bieszczadach. Obycie się bez przyłącza energetycznego w normalnym gospodarstwie domowym byłoby szalenie trudne (a nawet nie jestem pewien, czy to prawnie możliwe). Ale można zredukować zużycie prądu sieciowego do minimum.

Na świecie są ludzie, którzy z samowystarczalności uczynili styl życia. Ruch ten nazywa się homesteading i polega na zaspokajaniu możliwie wielu potrzeb gospodarstwa domowego własnymi siłami i środkami. Składa się na to samodzielna produkcja m.in. żywności – a także samowystarczalność energetyczna. W US&A w wielu miejscach są ku temu znacznie lepsze warunki naturalne (słońce w ciągu roku dostarcza kilka razy więcej energii niż w Polsce), więc jest możliwe obycie się nawet bez sieci energetycznej.

Główną wadą wyspowej instalacji fotowoltaicznej pozostają wysokie koszty magazynowania energii, które zazwyczaj czynią cały pomysł bezsensownym ekonomicznie jeśli w danym miejscu jest dostęp do prądu sieciowego. Ale i na problem tych kosztów są różne sposoby – o czym będzie w szczegółach nieco później.

Moja testowa wyspowa nanoinstalacja PV

Właśnie mija rok działania mojej wyspowej nanoinstalacji fotowoltaicznej. Jest to instalacja wyspowa głównie dlatego, że jest mała – całe 720W. A jest mała, bo... moment, wszystko po kolei.

Podobno nie da się mieć ciastka i zjeść ciastko. Ale można zlizać lukier. Właśnie tak spróbowałem podejść do tematu fotowoltaiki: uzyskać większą część korzyści ponosząc mniejszą część kosztów. Byłem świadom, że to się prawdopodobnie w ogóle nie spina ekonomicznie. Mimo to chciałem spróbować.

Proszę nie traktować mojej relacji jako przepisu na gotową instalację PV. Jest to pod wieloma względami partyzantka, gdzie na pewno jest wiele niedociągnięć. Ale bawię się na własny koszt i ryzyko.

Założenia projektowe

Za większą część zużycia prądu odpowiadają urządzenia o stosunkowo niewielkich mocach, ale pracujące długo lub na okrągło (komputery, lodówki). Z kolei tym, co nakręca koszty instalacji PV, jest jej moc. Zatem: może wystarczy zbudować instalację o stosunkowo niewielkiej mocy, aby zminimalizować koszty a zarazem zasilić większość urządzeń? Tak sobie pomyślałem u zarania tego przedsięwzięcia.

Czy to jest trafne rozumowanie?

  • Trochę tak – bo rzecz faktycznie zadziała i w słoneczny dzień wiosenno-letni obywamy się praktycznie bez prądu sieciowego przez większość słonecznej części doby za pomocą instalacji o śmiesznej mocy ~700W.
  • Trochę nie – bo moc paneli PV narzuca ograniczenie na ilość wyprodukowanej przez rok energii: instalując 1/4 potrzebnej mocy, w skali roku uzyskam max. 1/4 potrzebnego mi prądu.

Czyli tak: faktycznie, większość domowych sprzętów da się zasilić inwerterem o stosunkowo niewielkiej mocy. Ale na mocy paneli nie ma co skąpić, szczególnie że zaczynają one być najtańszym elementem całego układu.

Sprawę doboru mocy inwertera komplikuje najczęściej lodówka – taka z tradycyjnym kompresorem tłokowym. Jej moc nominalna jest rzędu 200W, ale podczas rozruchu potrafi pociągnąć przez parę sekund ponad 1,5kW, co może doprowadzić do przeciążenia i wyłączenia inwertera jeśli akurat łączne obciążenie przekroczy jego możliwości. Zupełnie inaczej sprawa wygląda w najnowszych lodówkach ze sprężarką śrubową – tam tego efektu przy starcie nie ma. Problem może dotyczyć też innego rodzaju sprzętów – ja akurat tylko na to się natknąłem.

Sprzęty wybrane do zasilania z fotowoltaiki podłączyłem do osobnego obwodu elektrycznego – co sprowadzało się do pociągnięcia dodatkowych kabli gdzieś po zakamarkach.

Sprzęt

Inwestycja obejmowała następujące sprzęty:

  • Inwerter SinusPRO 2000S o mocy ciągłej 1400W – 1000zł
  • Panele monokrystaliczne Sharp 360W – 2 szt. – 940zł/szt.
  • Akumulatory AGM Divine 230Ah – 2 szt. – 1000zł/szt.
  • Trochę odpowiedniego kabla i wtyczek do budowy osobnej instalacji elektrycznej dla urządzeń zasilanych z inwertera.

Całość kosztów zamknęła się w ok. 5500zł. Jest to ok. 1/3 kosztu, jakiego wymagałaby pełnowymiarowa instalacja on-grid.

Teraz widzę, że dałoby się to zrobić znacznie taniej, pewnie w okolicach 4000zł:

  • może z wyjątkiem inwertera, bo trudno o tańszy, ale...
  • panele można kupić "mniej markowe" lub używane – koszt spadnie nawet o połowę albo za tę samą cenę będzie większa moc, czyli więcej prądu – i tu widzę największe pole do poprawy osiągów bez znacznego wzrostu kosztu
  • akumulatory można upolować używane (2x230Ah to standardowy komplet do ciężarówek) lub kupić nowe, ale mniejsze – im mniejsze tym rzecz jasna traci się na funkcji awaryjnego zasilania, ale za to można zamknąć temat akumulatorów w ~1000zł lub mniej jeśli dobrze poszukać. W każdym razie ten inwerter do poprawnej pracy wymaga jakichś, chociaż symbolicznych akumulatorów, a ponieważ potrzebuje napięcia 24V, stąd potrzebne są dwie sztuki 12V.

2 x 360W paneli monokrystalicznych Sharp zainstalowane tymczasowo na dachu.

Nie budzi zaufania? Owszem – to konstrukcja prowizoryczna, powinno się to robić porządniej, ale póki co było tak, gdyż nie wiedziałem jeszcze, jaki układ paneli docelowo zastosuję. A jednak ta instalacja przetrwała wszystkie zimowe wichury bez zastrzeżeń. Wprawne oko doliczy się 150kg balastu.

Dwa akumulatory 230Ah 12v o użytecznej pojemności w porywach ~2kWh

Inwerter/UPS Volt SinusPRO 2000S o mocy ciągłej 1400W i chwilowej do 2000W.

Problem: zacienienie paneli

Początkowo byłem pewien, że mam w bród miejsca pod instalację fotowoltaiki. Jest kawał płaskiego dachu oraz trochę południowej ściany. Szybko jednak przekonałem się, że wcale tak różowo nie jest – kiedy tylko odkryłem wagę problemu zacienienia paneli.

Cień – coś, co nie jest ani trochę problemem dla kolektorów słonecznych, dla fotowoltaiki jest dramatem. Jedna gałązka pobliskiego drzewa albo cień anteny choćby zahaczający o jeden tylko panel potrafi dramatycznie zmniejszyć ilość energii wytwarzanej przez całą instalację – nawet praktycznie do zera.

O ile znaleźć lokalizację bez grama cienia wiosną-latem-jesienią nie stanowi większego problemu, to miejsc bez cienia zimą – prawie że nie ma. Prawda, że i słońca też prawie wtedy nie ma, więc chyba nie ma co panikować jeśli jakiś cień zahaczy o panele w grudniu – ale na pewno nie powinno go tam być w bardziej słonecznym półroczu. A o to może być miejscami trudniej niż się zdaje.

W styczniu okazuje się, że cień metrowego komina wentylacyjnego ma dobre 5 metrów!

Są różne sposoby radzenia sobie z problemem zacienienia instalacji. Nie chciałbym się w to przesadnie zagłębiać teraz. Ten artykuł dość ładnie i obrazkowo wyjaśnia problem.

Destrukcyjny wpływ zacienienia na produktywność instalacji PV wynika z budowy wewnętrznej paneli. Te kwadraty, które na panelu widać, to pojedyncze ogniwa połączone w szeregi zazwyczaj wzdłuż panelu. Szeregowe połączenie ma to do siebie, że jeśli choć jedno ogniwo "padnie", to cały szereg nie działa. W fotowoltaice zacienione ogniwo nie działa – zamiast produkować prąd, stanowi "zator", który marnuje prąd produkowany w danym szeregu ogniw.

M.in. dlatego na zdjęciu powyżej panele leżą na dłuższych bokach:

  • W takim układzie, gdyby nawet cień komina ich dosięgnął, to przetnie 1-2 szeregi ogniw. Moc panelu spadnie, ale nie dramatycznie.
  • Gdyby te same panele były zamontowane krótszymi bokami do dachu i cień zakryłby ich dolną część, to wtedy produkcja energii spada praktycznie do zera. To najgorszy scenariusz, którego bezwzględnie trzeba unikać, bo inaczej z inwestycji nici.

Szczególnym rodzajem zacienienia jest zasypanie paneli śniegiem – nawet takim marnym, jaki z rzadka pada na ziemiach zachodnich. Niestety same się szybko nie odkopią – trzeba się na dach wdrapać i im pomóc.

Efekty i wnioski po roku działania nanoinstalacji

Nie chciało mi się budować układu pomiarowego, aby dokładniej wiedzieć, ile prądu wytworzyła ta nanoinstalacja PV. Bazując na historii zużycia rejestrowanej przez licznik i dostępnej w serwisie Tauronu oceniam, że moja wyspowa nanoinstalacja PV pokrywa max. 25% zapotrzebowania, co daje mi nie więcej jak 400zł oszczędności rocznie. Opłacalność jest więc taka sobie – 12 lat trzeba by czekać na zwrot tej inwestycji.

Przypomnę, że moc paneli to 720W, tj. ok. 1/4 mocy, jakiej bym potrzebował w instalacji on-grid, aby w ciągu roku pokryć całe zapotrzebowanie na prąd. Natomiast raczej kosztowało mnie to więcej niż 1/4 ceny takiej klasycznej instalacji. Owszem, instalacja off-grid z powodu akumulatorów musi być droższa, ale – jak już wyżej wyjaśniłem – koszty można by jeszcze zoptymalizować.

To są efekty uzyskiwane właściwie tylko przy wykorzystaniu prądu prosto ze słońca, bez jego magazynowania. Akumulatory są używane tylko buforowo – to znaczy, że nie są rozładowywane w całym możliwym zakresie (bo się to nie opłaca) a jedynie inwerter czerpie z nich energię chwilowo, przy przejściowych zachmurzeniach (rozładowane mogą być tylko w sytuacji braku prądu sieciowego). Gdyby były dostępne tańsze akumulatory, które opłaca się rozładowywać głębiej, wtedy możliwe byłoby znacznie większe pokrycie zużycia prądu w ciągu doby – przynajmniej w godzinach wieczornych, które w taryfie G12w są drogie.

Widzę teraz, jakie minusy ma obecna instalacja. Widzę też opcje ich zniwelowania.

Recepty na problemy instalacji wyspowych (off-grid)

Problemowi wysokich kosztów składowania energii da się przynajmniej po części zaradzić – i to na różne sposoby, nie tylko związane wprost z akumulatorami, ale także przez niestandardową aranżację instalacji.

Tematy te są zdecydowanie zbyt mało eksploatowane w polskojęzycznym internecie. Zapewne przez opłacalność klasycznej instalacji on-grid mało komu chce się kombinować w kierunku magazynowania energii. Idea niezależności energetycznej jest znacznie silniej rozwinięta tuż za linią Odry i Nysy Łużyckiej.

Tanie akumulatory z odzysku

Wózek widłowy, laptop, rozbita Tesla. Co łączy te trzy rzeczy? Każda może być dawcą tanich baterii. Tak naprawdę nie ma złego rodzaju baterii – jeśli jesteś w stanie pozyskać prymitywny 500-kilowy kwasowy kloc – ale sprawny i za grosze – nagle staje się on akumulatorem prawie idealnym, bo mega-tanim.

Ludzie na świecie pozyskują używane akumulatory do przechowywania prądu skąd tylko się da. Dobrymi źródłami są np.

  • akumulatory z wózków widłowych – dokładnie nazywa się to bateria trakcyjna – gabarytów europalety, o wadze 500kg, ale i słusznych pojemnościach, nawet jeśli już dość wyeksploatowane.
  • akumulatory z aut i innych pojazdów elektrycznych – jeśli uda się pozyskać używane tanio.
  • ogniwa 18650 – to jest cała gałąź DIY-przemysłu. Z takich ogniw składają się akumulatory w ogromnej liczbie różnych sprzętów: od wkrętarek i laptopów po hulajnogi i samochody elektryczne. Kto ma dostęp do dużych ilości zużytych sprzętów elektronicznych, ten może otwierać kopalnię akumulatorów. Zużytą lub niedziałającą baterię można rozmontować, przejrzeć poszczególne ogniwa i może się okazać, że są one jeszcze całkiem dobre, bo awaria całości wynikała z defektu jakiegoś innego elementu albo tylko jednego ogniwa.

Tu można zobaczyć jak wygląda patroszenie baterii laptopowych.

Z używanych ogniw 18650 ludzie składają nawet całe domowe magazyny energii. Na hasło "diy powerwall" YouTube wypluwa multum tego rodzaju projektów.

Majstrowanie przy używanych akumulatorach to jednak nie zabawa. Wymaga solidnej wiedzy. Bez tego można sobie zrobić srogie ku ku. Baterie litowo-jonowe mają bowiem pewną przykrą cechę: uszkodzone mechanicznie lub przeciążone (przegrzane) – mogą ulec samozapłonowi. A jest to o tyle perfidny samozapłon, że nie potrzebuje tlenu z atmosfery – bo ma go dość w materiałach składających się na baterię.

Poniżej przykład incydentu samodestrukcji baterii litowo-jonowej. A gdyby coś takiego zdarzyło się w piwnicy wypakowanej po sufit takimi bateriami... brr! W profesjonalnie wykonanej baterii ryzyko problemów jest minimalizowane na wiele sposobów. W przypadku projektów DIY, szczególnie z użyciem akumulatorów z odzysku – może być różnie, zależnie od kompetencji osoby majstrującej.

Do budowy magazynu energii można także wykorzystać nowe, eleganckie ogniwa. Kosztują znacznie więcej – porządne marki to nawet ponad 10zł za sztukę – ale są nowe, więc i wszelkie parametry mają fabryczne. Z takich ogniw można złożyć porządną baterię, która będzie przede wszystkim mniejsza oraz dłużej pożyje (ogniwa z odzysku często mają już tylko resztkę swojej pierwotnej pojemności i żywotności – ale jeśli są za darmo lub za grosze, to ten problem traci na znaczeniu).

Tanie gotowe magazyny energii

Pojawiają się coraz to nowe gotowe rozwiązania opracowane z myślą o magazynowaniu energii elektrycznej z OZE – niektóre z nich są już opłacalne: ich zakup się zwróci (a nawet może wyjść na plus) nim akumulator wyzionie ostatnią kilowatogodzinę. Niestety szukać trzeba poza granicami Polski.

Przykład: bateria Pylontech US2000B. Modułowy magazyn energii oparty na bateriach LiFePO4  (litowo-żelazowo-fosfatowych – trochę innych niż klasyczne litowo-jonowe, ale nie jestem taki szpec, by o szczegółach opowiadać).

  • koszt: ok. 4000zł
  • pojemność: 2,4 kWh / moduł z czego użyteczne 2,0-2,2 kWh
  • żywotność: min. 6000 cykli przy rozładowywaniu na głębokość 80% pojemności czyli 2,0 kWh
  • tedy koszt przechowania energii w tym akumulatorze to jakieś 0,35zł/kWh – TANIUTKO! To jest kwota (a) niższa od ceny prądu z gniazdka, (b) zostawiająca w tyle wszelkie inne akumulatory. Przykładowo dla akumulatorów AGM, których użyłem w swojej obecnej instalacji, koszt składowania w nich energii to ponad 1,2zł/kWh.

Ofert sprzedaży takich akumulatorów najbliżej można szukać na niemieckim eBay-u. Takich magazynów energii jest więcej, ale zazwyczaj ich ceny są powalające. W temacie przechowywania prądu w domowych warunkach wciąż jest wielkie pole do poprawy. I spadku cen.

Taryfy strefowe – G12 / G13

Taryfa dwu-lub-więcej-strefowa wydaje się być sojusznikiem fotowoltaiki nastawionej na własne zużycie/magazynowanie prądu:

  • słoneczne godziny doby i drogie godziny taryfy G12 w dużej mierze się pokrywają
  • w drogich godzinach taryfy G12 (~0,7zł/kWh) bardziej opłaci się używać prądu z akumulatora
  • w taryfie G13 jest szczyt popołudniowy, w którym cena prądu sięga 0,9zł/kWh – tu korzystanie z akumulatora opłaci się najbardziej
  • ale jednocześnie będzie to totalnie nieopłacalne w godzinach taniego prądu.

Jest tu potencjalny zysk, ale trzeba by mieć możliwość kontroli nad tym, w jakich godzinach zużywany jest prąd z akumulatora. Na ile się zdążyłem zorientować, inwertery raczej nie są projektowane z myślą o takim scenariuszu użytkowania – priorytet źródeł zasilania z reguły wybiera się ręcznie i nie ma jak przełączyć go zdalnie albo skonfigurować coś w rodzaju harmonogramu godzinowego użycia lub nieużywania akumulatora.

Montaż fotowoltaiki na kierunku wschód-zachód

Fotowoltaikę niemal dogmatycznie montuje się w kierunku południowym. Poniekąd słusznie – wtedy instalacja wyprodukuje sumarycznie najwięcej energii. Ale czy ilość jest jedynym, co nas interesuje? Bynajmniej. Właśnie ta górka produkcji energii około południa jest poniekąd problemem, bo trudno to spożytkować. A właśnie zużycie prądu prosto z paneli PV jest zawsze najbardziej opłacalne. Czy da się w tej fundamentalnej sprawie wymyślić coś świeżego?

Na świecie pomału przebija się pomysł montażu paneli na kierunku wschód-zachód. Po prostu: zamiast orientować wszystkie panele prosto na południe, połowę ustawia się na wschód a drugą połowę na zachód. Wtedy względem południa płaszczyzna paneli leży wtedy na płasko.

Kiedy pierwszy raz o tym usłyszałem, wydało się to głupie, bo pewnie produkcja energii spadnie na twarz? A skądże znowu! Ten układ pracuje całkiem sensownie a przy tym ma szereg zalet:

  • produkcja energii jest bardziej rozłożona w czasie – mniejsza jest górka około południa, za to prąd dostępny jest wcześniej rano i dłużej pod wieczór
  • oszczędność miejsca – panele można ustawić bliżej siebie, bo mają krótsze cienie
  • taka instalacja znacznie lepiej wygląda na płaskim dachu – a na dachach dwuspadowych ustawionych w kierunku wschód-zachód to rozwiązanie wręcz narzuca się samo
  • instalacja jest bardziej opływowa dla powietrza, co za tym idzie: odporniejsza na wiatr, więc jej montaż na dachu jest prostszy i tańszy

Przykład systemu montażu fotowoltaiki w układzie wschód-zachód. Źródło: https://www.sunpeakpower.com/sunpeak-technology-details

No dobra, ale jak wygląda ilość wyprodukowanej energii w stosunku do klasycznej instalacji skierowanej na południe? Źródła podają, że jest mniejsza, w skali roku na szerokościach geograficznych zbliżonych do Polski podobno o jakieś 20% (tu liczby bywają różne, bo właśnie od szerokości geograficznej jest uzależniony wynik; jak również od kąta montażu paneli).

Powyższe wykresy pokazują różnice w uzysku energii w instalacji w układzie wschód-zachód latem i zimą. O ile latem różnicy praktycznie nie widać, to im bliżej zimy, produkcja energii zaczyna wyglądać coraz mizerniej – może jej być aż o połowę mniej. Czy to jest duży problem? Niekoniecznie – wszak w zimowym półroczu i tak są jej małe ilości. A spadek da się częściowo zrekompensować nieco powiększając instalację na zaoszczędzonym dzięki układowi wschód-zachód miejscu.

Jakie były moje skromne póki co doświadczenia w tej dziedzinie:

  • Pierwszy raz testowałem układ wschód-zachód na początku października 2018. Panele ustawiłem pod niewielkim kątem ok. 15 stopni do dachu, tak jak wyczytałem, że zazwyczaj się to robi. Spadek produkcji energii wobec dnia poprzedniego był zauważalny, na oko co najmniej o 30%. Po jakichś dwóch tygodniach zrezygnowałem z tego układu na na rzecz postawienia paneli na południe pod kątem jesienno-zimowym, czyli prawie prostopadle do dachu. W grudniu uzysk był i tak praktycznie zerowy, bo nie było słońca.
  • Drugi raz zamontowałem panele w tym układzie na początku czerwca 2019. Jednak tym razem stoją nachylone pod znacznie większym kątem, ok. 30 stopni. Nie widać spadku w produkcji energii (normalka – słońce jest najwyżej na niebie), za to widać wyraźnie, że instalacja działa znacznie dłużej.

Próba 1 – październik 2018

Próba 2 – czerwiec 2019

W czerwcu, przy całkowicie słonecznym dniu, instalacja w układzie wschód-zachód startuje ok. 7. rano i podaje dość prądu do ok. 18.30. Przy normalnej, tj. znacznie większej mocy instalacji niż te moje ~700W, czas jej pracy byłby jeszcze bardziej wydłużony.

Dla porównania podobny dzień jeszcze w układzie południowym. Instalacja włączała się ok. 9 rano a przed 18. było już po zawodach. Nie widać tego tak dokładnie jak na pierwszym wykresie, który w słonecznych godzinach jest praktycznie płaski. Tutaj musiały być częściej włączane jakieś urządzenia na instalacji sieciowej.

Widzę sens w układzie wschód-zachód i jeśli zdecyduję się na pełnowymiarową instalację, to właśnie tak ją zorganizuję. Panele PV tanieją, więc coraz bardziej opłaca się nadłożyć kilka sztuk, ale mieć instalację ładną, zgrabną i pewną – niż cudować ze skomplikowanymi konstrukcjami, które mają każdy panel wyżyłować do granic możliwości.

Skrajnością takiego żyłowania jest tracker – w ojczystej mowie będzie to chyba "instalacja fotowoltaiczna śledząca słońce". W każdym razie to wielka płyta paneli PV osadzona obrotowo na solidnym maszcie, obracana w ślad za ruchem słońca. Zajmuje miejsce, jest ruchoma, więc podatna na awarie różnego rodzaju a niedopracowaną konstrukcję może uszkodzić pierwsza wichura. Ale – śledzenie słońca daje absolutne maksimum uzyskanej energii z metra kwadratowego panelu PV. Tylko po co? Miało to sens gdy panele były najdroższym elementem instalacji.

Przewymiarowanie instalacji fotowoltaicznej

Kolejnym niestandardowym podejściem do projektowania instalacji fotowoltaicznej może być jej przewymiarowanie – zainstalowanie na tyle dużej mocy paneli, by maksymalnie pokrywać bieżące zużycie prądu w domu, nawet za cenę wykorzystywania tej instalacji zwykle w niewielkim procencie jej nominalnych możliwości.

  • Większa moc instalacji wcześniej osiągnie użyteczną moc z rana i dłużej ją utrzyma z wieczora.
  • Również w ciągu roku większa moc będzie dłużej dawać sensowne ilości energii.

Tu trzeba zaznaczyć ciekawą cechę fotowoltaiki – przewymiarowanie jej nie szkodzi. Może bez problemu stać w pełnym słońcu przy małym albo zerowym odbiorze prądu, więc nadmiar mocy paneli nie jest problemem. Coś takiego w przypadku kolektorów słonecznych skończyłoby się małą katastrofą.

Oczywiście wszystko ma swoje granice. Nawet obwieszenie każdego wolnego metra domu i podwórka fotowoltaiką i wypakowanie piwnicy akumulatorami – ignorując na moment kosmiczne koszty takiego przedsięwzięcia – nie pozwoli złapać króliczka o imieniu Pełna Niezależność Energetyczna (przynajmniej nie w środkowoeuropejskich szerokościach geograficznych).

A jednak – nie brakuje takich, co go gonią. No, może nie tyle w Polsce. Niemiecki termin Autarkie oznacza samowystarczalność energetyczną. Wystarczy wrzucić to w dowolną wyszukiwarkę, by się przekonać, jak bardzo popularny to temat tamże. U Niemców to nie fanaberia, ale konieczność – oni dawno przeszli etap instalacji on-grid (który my dopiero zaczynamy) i przekonali się, że sieć nie jest z gumy, że lepiej byłoby zużywać i magazynować tyle prądu, ile się da, w miejscu produkcji.

Poniższy film przedstawia doświadczenia gościa, który cały budynek obwiesił fotowoltaiką – ma jej 34kW i 33kWh prądu jest w stanie zmagazynować. Ma też duże zużycie prądu, na które składają się m.in. ogrzewanie elektryczne oporowe i dwa auta elektryczne. Mimo to sam zużywa 57% swojej produkcji (w skali roku pokrywa własne zużycie w 90%, ale już we współpracy z siecią). Nie za wiele, mimo tak wielkiej instalacji i magazynu energii.

Dalsze plany co do mojej wyspowej instalacji PV

W zasadzie powyższy artykuł to zapis mojego zastanawiania się nad dalszym rozwojem obecnej nanoinstalacji i badania różnych możliwości.

Najbardziej kusząca wydaje się:

  • pełnowymiarowa instalacja wyspowa (czyli jakieś 3kW)
  • tańsze ale nowe panele zamontowane w układzie wschód-zachód
  • gotowy magazyn energii na min. 4kWh wykorzystywany tylko w godzinach drogiego prądu
  • nowy inwerter o mocy ~5kW aby zasilić najlepiej wszystko, co korzysta z jednofazowej części domowej instalacji elektrycznej

Ciągle brakuje mi w tej układance inwertera, w którym można by swobodnie i automatycznie zmieniać priorytet źródeł zasilania zależnie od tego, czy akurat prąd z gniazdka jest drogi, czy tani – oczywiście aby wykorzystywać prąd z akumulatorów tylko w drogich godzinach. Jest wiele chińskich tanich inwerterów off-grid, ale znaleźć takiego, który by to umiał – jak na razie mi się nie udało. W zanadrzu mam jednak pewne pomysły na "analogowe" obejście braku takiej funkcji.

Naturalnie wszystko to wymaga przekalkulowania. Jeśli w trakcie okaże się, że instalacja wyspowa zwróci się w 20 lat, to fanaberie i eksperymenta odwieszam na haczyk, podpinam się do sieci i inwestycja spłaca się w 5-6 lat.