Saulės kolektorių pardavėjai dažnai teigia, jog vandens šildymas su saulės fotoelektriniais moduliais yra nenašus. Jie bus teisūs, jeigu vertinsime atvejį, kuomet saulės moduliai yra tiesiogiai prijungti prie kaitinimo elemento. Teigiamą rezultatą pasieksime tik saulėtą vidurdienį, o ryte, vakare arba apniūkusią dieną tiesiogiai prijungtas kaitinimo elementas mažins saulės modulių įtampą ir bendra sistemos galia svyruos 20-50% ribose. Apie tai galite pasiskaityti šiame straipsnyje.

Tačiau, panaudojus fotovoltinį vandens šildymo valdiklį, saulės moduliai tampa puikia alternatyva saulės kolektoriams. Tiesa, saulės moduliai užims daugiau ploto ant stogo, negu saulės kolektoriai, tačiau fotovoltinio vandens šildymo privalumai neabejotinai padaro šią sistemą patrauklia.

Fotovoltinė vandens šildymo sistema

Sistemos savybės

  • Visiškai neaptarnaujama sistema: jokių vamzdžių, cirkuliacinių siurblių, skysčių, problemų su sistemos užšalimu;
  • Įrangos paprastumas: jokių akumuliatorių, inverterių, keitiklių, įkrovimo valdiklių, maitinimo iš 220 V AC tinklo. Valdiklis yra maitinamas iš saulės modulių gaminamos elektros energijos;
  • Lyginant su saulės kolektoriais, didesnis naudingumo koeficientas žiemos metu: kuo šalčiau lauke, tuo sistema yra našesnė;
  • Jokių vamzdžių lauke: nėra problemos su sistemos užšalimu. Nuo saulės modulių iki valdiklio yra nutiesiami tik du laidai;
  • MPPT – maksimalios galios taško sekimas. Kaitinimo elementas nuo ryto iki vakaro naudoja saulės modulių maksimalią gaminamą galią ;
  • Saulės modulių įrengimas jums patogioje vietoje: moduliai gali būti įrengti tiek ant stogo, tiek ant žiemės. Tuo tarpu saulės kolektoriai gali būti montuojami tik ant stogo, kuo arčiau boilerio įrengimo vietos;
  • Sistema tinka bet kuriam boileriui su elektriniu kaitinimo elementu, kurio talpa neviršija 200 litrų: nereikalingi jokie specialūs bolieriai, tereikia naudoti atitinkamos galios kaitinimo elementą*;
  • Galimybė šildyti vandenį iš elektros tinklo: nesant pakankamai saulės spinduliuotei, bolierio maitinimo laidas gali būti ištrauktas iš valdiklio ir prijungtas į tinklą;
  • Visa komplekte siūloma įranga yra suprojektuota ir pagaminta Lietuvoje.

* Iki 100 litrų talpos boileriams gali būti naudojamas 2 kW kaitinimo elementas. Didesnės talpos boilerių kaitinimo elemento galia turi būti 2.4 – 3 kW.

Fotovoltinės vandens šildymo sistemos ir saulės kolektorių palyginimas

Atlikome matematinius skaičiavimus ir parengėme abejų sistemų palyginimą. Skaičiavimams buvo panaudoti saulės kolektorių naudojimo Lietuvoje statistiniai duomenys ir mūsų fotovoltinės vandens šildymo sistemos bandymų rezultatai bei žmonių, kurie naudoja šią sistemą, atsiliepimai.

Saulės kolektoriai – tai plačiai naudojama technologija, leidžianti tiesiogiai panaudoti saulės energiją vandens šildymui. Ši technologija yra stipriai išvystyta ir neverta tikėtis ženklių našumo padidėjimų ateityje. Nagrinėjant saulės kolektorių sistemas galima įžvelgti tam tikrus apribojimus ir trūkumus. Tam, kad saulės kolektorių sistema funkcionuotų, reikalingi vamzdžiai, vožtuvai, siurbliai, cirkuliuojantis glikolis ir atitinkama sistemos eksploatacijos sauga. Taip pat, kas kelis metus turi būti keičiamas šilumą transportuojantis skystis. Kitas apribojimas yra sistemos našumo sumažėjimas šaltuoju laikotarpiu. Minėti trūkumai atveria kelią alternatyvių sistemų panaudojimui.

Esminiai fotovoltinės vandens šildymo sistemos privalumai, lyginant su saulės kolektoriais – nereikalingi jokie siurbliai, cirkuliuojantys skysčiai, vamzdžiai ir specialūs boileriai. Įrengimas yra labai paprastas ir jokios techninė priežiūros.

Mūsų atliktame tyrime buvo naudojami du galingi plokštieji saulės kolektoriai ir lietuviški Solet 250W saulės fotoelektriniai moduliai, kurie turėjo aprūpinti karštu vandeniu keturių asmenų šeimą. Skaičiavimuose buvo vertinama Ukmergės r. geografinė padėtis (55.15N, 24.68E). Meteorologiniai duomenys buvo paimti iš PVGIS, naudojant duomenų bazę CM-SAF, sudarytą iš 1998-2010 metų mėnesių vidurkių. Saulės kolektorių ir fotoelektrinių modulių pasvyrimo kampas 450 horizonto atžvilgiu.

Paros vidutinė saulės spinduliuotė kiekvieną mėnesį

Vidutinė paros temperatūra kiekvieną mėnesį

Remiantis šiais duomenimis atlikome saulės kolektorių ir saulės fotoelektrinių modulių, naudojamų vandens šildymui, palyginimą.

Karšto vandens poreikis

Suvartojamo karšto vandens kiekiui nustatyti panaudojome norminius duomenis, kuriais remiantis keturių asmenų šeima per parą sunaudoja apie 160 litrų karšto vandens.

Skaičiavimuose buvo vertinamas 10 m atstumas nuo saulės kolektorių ir fotoelektrinių modulių iki boilerio. Pusė šio atstumo buvo pastato išorėje. Name nebuvo įrengtas cirkuliacinis kontūras, t.y. karštas vanduo buvo naudojamas tik buitiniams poreikiams, o ne pastato šildymui. Boileris kombinuotas su galimybe vandenį šildyti iš katilo.

Per metus tokio kiekio vandens pašildymui reikia sunaudoti 2708 kWh energijos.

Vidutinis karšto vandens poreikis kiekvieną mėnesį

Vandens šildymo sistemų schemos

Saulės kolektorių sistema susideda iš vamzdžių, išplėtimo indo, cirkuliacinio siurblio, apsauginio vožtuvo, valdiklio ir temperatūros kolektoriuje matuoklio. Fotovoltinė sistema susideda tik iš saulės modulių, laidų, valdiklio ir elektrinio kaitinimo elemento.

Vandens šildymo su saulės kolektoriais schema

Vandens šildymo su saulės fotoelektriniais moduliais schema

Vandens šildymas su saulės kolektoriais

Bandymų metu buvo naudojama dviejų standartinių saulės kolektorių sistema su tokiais techniniais parametrais: saulės kolektoriaus plotas 2.25 m2, naudingas plotas: 2.01 m2, kolektoriaus naudingumo koeficientas 0.78, naudingas šilumos kiekis 4.5 kJ/(m2K), skaidraus paviršiaus atspindys esant lygiagrečiai spinduliuotei 0.82 ir 0.88 – esant 45 ͒ kampu horizonto atžvilgiu išdėstytam paviršiui.

Šildant vandenį su saulės kolektoriais sistemos naudingumo koeficientas (įskaitant visus energijos transportavimo nuostolius) yra virš 33 %. Bendras pagamintas energijos kiekis per metus, atskaičius nuostolius, yra 1625 kWh, kas atitinka apie 60 % visos per metus reikiamos energijos vandens pašildymui. Nuostoliai vamzdžiuose sudaro 293 kWh per metus.

Vandens šildymas su saulės moduliais

Pasinaudojant specializuota programine įranga “Homer”, buvo apskaičiuota reikiama saulės fotoelektrinių modulių galia. Saulės fotoelektrinių modulių naudingumo koeficientas yra apie 20%. Saulės modulių temperatūrinis koeficientas yra -0.40%/ ͒ C ir 0.9% metinis saulės modulių galios sumažėjimas. Remiantis energijos kiekiu, kurį sugeneruoja aprašyta saulės kolektorių sistema, nustatėme reikiamą saulės modulių skaičių, kuris pagamina panašų energijos kiekį. Paaiškėjo, kad dviejų saulės kolektorių analogas yra 1.75 kWp instaliuotos galios saulės fotovoltinė sistema, kuri užima 13.58 m2 ploto ir per metus pagamina 1670 kWh energijos vandens pašildymui (62 % reikiamo metinio energijos kiekio). Elektros energijos transportavimo nuostoliai 6.4 kWh per metus. Tokios sistemos naudingumo koeficientas yra apie 11 %.

Išvados

Gauti abiejų sistemų naudingumo koeficientai galutiniam vartotojui gaminamo energijos kiekio prasme visai nieko nereiškia. Ir viena ir kita sistema pagamins beveik vienodą energijos kiekį. Tiesiog pagal užimamą plotą saulės kolektorių sistema yra žymiai kompaktiškesnė. Tačiau, saulės moduliai efektyviau panaudoja saulės energiją, kadangi nuostoliai laiduose yra net 30 – 40 kartų mažesni, lyginant su saulės kolektorių sistemoje naudojamais vamzdžiais.

Fotovoltinės vandens šildymo sistemos įrengimas yra itin paprastas ir nereikalauja jokių specifinių žinių. Tuo tarpu saulės kolektoriams įrengti dažnai reikia kvalifikuotų specialistų pagalbos.

Nagrinėjant abiejų sistemų gamybos aspektus, saulės kolektorių gamybai yra sunaudojama mažiau resursų, todėl jų atsipirkimo laikas yra keliais metais trumpesnis.

Abejų sistemų privalumas yra toks, kad jos yra 100% perdirbamos.

Saulės moduliai nusileidžia saulės kolektorių našumui, jie užima didesnį plotą ir yra brangesni, tačiau jų įrengimo ir naudojimo paprastumas atsveria išvardintus trūkumus.