Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Jakie są podstawowe błędy przy doborze paneli PV?

Inwestorzy wybierający panele PV zwracają baczną uwagę na ich moc jednostkową. I tu znakomita większość z nich popełnia swój pierwszy istotny błąd. O ile bowiem nie jesteśmy zbytnio ograniczeni ilością dostępnego na panele miejsca, to ważna jest tylko łączna moc ich wszystkich oraz ostateczna cena za kompletny system. To, czy paneli będzie o kilka więcej lub mniej liczy się, gdy dysponujemy ograniczoną przestrzenią. Modele o wyższej mocy warto też wybrać, jeżeli zwiększenie ich liczby wymagałoby rozmieszczenia modułów na dwóch zamiast jednej połaci dachu. Wtedy bowiem każda z takich grup będzie odmiennie nasłoneczniona, co utrudnia budowę instalacji i może oznaczać np. konieczność zakupu droższego falownika, z większą liczbą tzw. układów MPPT (śledzenia punktu pracy).

Drugim istotnym błędem jest zaś przywiązywanie dużej wagi do wysokiej sprawności ogniw, którym to parametrem handlowcy szczególnie lubią się chwalić. Zadajmy sobie jednak pytanie, co wynika z faktu, że sprawność jednych wynosi 17%, a innych 20%? Tylko tyle, że aby osiągnąć tę samą łączną moc, panele o niższej sprawności będą musiały zajmować nieco większą powierzchnię i ich samych będzie więcej. Nie znaczy to, że będą w jakikolwiek sposób gorsze, a instalacja jako całość będzie dostarczała mniej energii. Mamy tu więc sytuację analogiczną do mocy. Jeżeli miejsce nas nie ogranicza, to kalkulujmy cenę za 1 kWp mocy.

Prawdopodobnie przywiązywanie wagi do wysokiej sprawności bierze się z pewnego nie do końca uświadomionego skojarzenia. Przecież wszyscy wiemy, że im wyższa jest sprawność kotła, tym lepiej, gdyż pracuje on bardziej oszczędnie. Jednak w przypadku ogniw PV ta zasada nie obowiązuje.

Rzeczywiste warunki

Przede wszystkim należy podkreślić, że moc rzeczywiście osiągana przez panele bardzo rzadko zbliża się w ogóle do tej deklarowanej przez producentów. Czy to znaczy, że wytwórcy bezczelnie oszukują klientów? Nie, gdyż różnica wynika po prostu z ogromnej dysproporcji pomiędzy laboratoryjnymi warunkami testowymi, w których prowadzi się badania, oraz rzeczywistymi warunkami nasłonecznienia, w których urządzenia później działają. Chociaż równocześnie trzeba przyznać, że handlowcy niezbyt chętnie informują klientów o tym zjawisku. Ale ten, kto przynajmniej od czasu do czasu zechce sprawdzić, na ile wydajnie pracuje jego mikroinstalacja, przekona się, że wartości w granicach 20-30% mocy nominalnej wcale nie są rzadkością.

Standardem jest zaś podawanie mocy zainstalowanej, jako tzw. mocy szczytowej w [kWp] (lub [Wp]). Na podkreślenie zasługuje tu słowo "szczytowa". Wyznacza się ją prawie zawsze w warunkach testowych określanych jako STC (Standard Test Conditions). Najważniejsze z nich to nasłonecznienie 1000 W/m2 oraz temperatura panelu 25°C. Niestety, w Polsce nawet latem słońce zwykle nie świeci aż tak mocno. Natomiast wiosną i latem, temperatura paneli jest zdecydowanie wyższa. Oba te czynniki powodują zmniejszenie faktycznej mocy. Przez większość czasu mikroelektrownie pracują tak naprawdę z mocą nie przekraczającą połowy wartości nominalnej według STC.

Lepiej, chociaż też nie idealnie, polskim realiom odpowiada moc wyznaczana w warunkach określanych jako NOCT (Normal Operating Cell Temperature). To odpowiednio 800 W/m2 i temperatura paneli 20°C, gdyż uwzględnia się chłodzący wpływ wiatru o prędkości 1 m/s. Moc NOCT zwykle również znajdziemy w dokumentacji (w karcie produktu). Różnica jest niebagatelna, gdyż sięga nawet ponad 25%. Ten sam panel może mieć moc np. 350 W (STC) oraz 260 W (NOCT).

Moc podawana w [kWp] to teoretyczna wartość maksymalna, wyznaczana w specyficznych warunkach testowych. Nie ma wiele wspólnego z tą faktycznie osiąganą na co dzień przez panele. (fot. Zeneris Projekty)

Tolerancja mocy paneli PV

Przeglądając dane katalogowe, możemy natknąć się na określenie "pozytywna tolerancja mocy". Moc paneli PV nigdy nie jest dokładnie taka sama, nawet jeżeli wszystkie pochodzą z tej samej partii produkcyjnej. Wynika to z nieuniknionych do pewnego stopnia różnic parametrów poszczególnych ogniw. W związku z tym producenci zastrzegają sobie możliwość wystąpienia odchyleń. Zwyczajna tolerancja mocy określona np. na 5% i zapisana jako +/-5% oznacza, że jeden panel może mieć ją zarówno o 5% wyższą, jak i 5% niższą od nominalnej. Natomiast 5% pozytywna tolerancja mocy, zapisywana zwykle jako -0/+5%, oznacza, że moc na pewno nie jest niższa od nominalnej, może zaś być do 5% od niej wyższa. Z zastrzeżeniem, że cały czas mamy tu na uwadze moc osiąganą w warunkach testowych (STC lub NOCT).

Czy te 5% mniej któregoś panelu ma jakieś praktyczne znaczenie? Wbrew pozorom tak. Musimy bowiem brać pod uwagę, że panele najczęściej łączy się szeregowo, w tzw. stringi liczące po 10 i więcej sztuk. Wówczas spadek mocy jednego z nich powoduje spadek mocy wszystkich do poziomu tego najsłabszego.

Panele PV a słońce i wiatr

Nigdy nie zapominajmy, że ostatecznie źródłem energii nie jest sam panel (choćby o najwyższej mocy nominalnej), lecz padające na jego powierzchnię promieniowanie słoneczne. Podstawowym wymogiem jest więc zawsze takie ich rozmieszczenie, żeby były jak najlepiej nasłonecznione i wolne od zacienienia. Nawet najlepszy, ale ustawiony ku północy dostarczy mniej energii niż przeciętny, lecz ustawiony na południe, pod właściwym kątem i wolny od zacienienia.

Ważna, chociaż w mniejszym stopniu, jest także temperatura panelu. Przy czym zależność jest odwrotna, niż w przypadku kolektorów słonecznych. Dla elementów fotowoltaicznych - im jest ona niższa, tym lepiej. Z tych względów warto ustawiać panele w miejscach przewiewnych. Ponadto zalecany jest raczej taki sposób ich montażu, żeby również od dołu pozostała wentylowana szczelina powietrzna, która poprawia chłodzenie. Warto na to zwracać uwagę przy montażu na połaci dachu. Koniecznie trzeba sprawdzić zaś czy producent modułów PV dopuszcza zlicowanie ich z pokryciem dachu, co się niekiedy praktykuje.

W wielu sytuacjach zastosowanie paneli dwustronnych nie ma sensu. Tu dostęp słońca i tak ograniczałby gęsty żywopłot. (fot. Fronius)

Nowe rodzaje paneli

W polskich domach jednorodzinnych dominują panele PV w postaci dużych, sztywnych tafli z warstwą hartowanego szkła od góry. Obecnie są to modele wykorzystujące przede wszystkim ogniwa monokrystaliczne, o wiele rzadziej polikrystaliczne. Przy czym oba warianty to ogniwa na bazie krzemu. Inne technologie, np. ogniwa cienkowarstwowe, perowskity itd. są praktycznie niedostępne na rynku konsumenckim, chociaż niektóre z nich być może kiedyś zrewolucjonizują branżę.

Ciekawym (i faktycznie dostępnym) rozwiązaniem, odmiennym od typowych paneli, są tzw. dachówki solarne. Chociaż technicznie to niemal to samo, gdyż również bazują na ogniwach krzemowych (prawie wyłącznie monokrystalicznych), to mają inną formę. Są to jakby znacznie mniejsze panele zastępujące typowe dachówki i idealnie dopasowane wymiarami do ich konkretnych modeli. Przy czym w znakomitej większości jest to zgodność z bardzo modnymi ostatnio odmianami płaskimi. Mniej popularnym wariantem są modele będące maleńkimi panelami, zintegrowanymi z bazą w postaci pojedynczych dachówek ceramicznych. Zasadnicze parametry dachówek solarnych są takie same, jak typowych paneli. Z zastrzeżeniem, że są one znacznie mniejsze. Mają więc i odpowiednio niższą moc jednostkową.

Dachówki solarne zastępują część pokrycia dachu. (fot. BMI Braas)

Drugi wariant, który ostatnio zdobył pewną popularność na rynku, to panele dwustronne, inaczej bifacjalne (bifacial). Ich odmienność polega na tym, że wykorzystują nie tylko światło padające na ich górną powierzchnię, ale również na spód. W związku z tym producenci oraz handlowcy podkreślają, że mogą one dostarczyć nawet ponad 20% więcej energii, niż zwykłe. I faktycznie tak jest, ale wyłącznie w szczególnych warunkach, które akurat w mikroinstalacjach domowych występują rzadko.

Przede wszystkim do spodniej strony panelu musi docierać światło i to możliwie intensywne. Ostatecznie to przecież ono jest źródłem energii. Tak więc, jeżeli panele leżą płasko tuż nad pokryciem dachu, to zysk z zastosowania wersji dwustronnej praktycznie nie wystąpi.

Efekt może być za to istotny, jeżeli panele zostaną ustawione na osobnej konstrukcji wsporczej na gruncie lub na płaskim dachu. Jednak i tu należy zastrzec, że trzeba wówczas uwzględnić ich orientację względem stron świata. Przy ustawieniu frontem na południe, tył znajdzie się przecież od północy, a więc będzie bardzo słabo nasłoneczniony. Co innego przy ustawieniu wschód-zachód.

Ponadto, ze względu na nasłonecznienie spodniej strony, korzystne jest ustawienie pod kątem bliskim pionu. Które jednak generalnie nie jest polecane, gdyż zmniejsza uzysk energii po stronie zasadniczej górnej powierzchni. Takie usytuowanie stosuje się więc sporadycznie, z konieczności, nie zaś z wyboru.

Wreszcie, powierzchnia, na której ustawiono konstrukcję wsporczą powinna być jasna, dobrze odbijająca światło, a za panelami nie może być ściany, żywopłotu, pełnego ogrodzenia. Tak więc, zanim kupimy droższe od zwykłych panele dwustronne, najpierw sprawdźmy, czy rzeczywiście ich możliwości będą mogły zostać wykorzystane na naszej posesji.

Kolejnym rodzajem paneli, który zyskuje coraz większą popularność są modele określane jako full black (całkowicie czarne). Składające się na nie ogniwa są bardzo ciemne, umieszczone na czarnym podłożu, bez widocznej od góry siatki metalicznych (srebrnych) połączeń elektrycznych (żargonowo określanych jako bus bary i palce), oraz z czarnymi ramkami na krawędziach. Estetycznie różnica jest duża, szczególnie względem starszych konstrukcji, w których ogniwa były raczej niebieskie, poprzedzielane grubą siatką metalicznych połączeń i z błyszczącymi aluminiowymi ramkami.

Jednak technicznie full black to nadal monokrystaliczne ogniwa krzemowe, takie same jak w "zwykłych" dominujących obecnie konstrukcjach. Jeżeli mają np. wyższą moc, to dlatego, że producent zastosował ogniwa nieco wyższej jakości, a nie dlatego, że jest to full black.

Trzeba też wspomnieć o pewnej wadzie przypisanej do tej konstrukcji. Ze względu na jednolicie czarną barwę całej powierzchni, także w miejscach, gdzie nie ma ogniw (siatka połączeń i ramka), nagrzewają się one nieco bardziej niż klasyczne wersje.

Net-metering

Zasady starego systemu rozliczania za energię oddawaną do sieci, czyli net-meteringu, można streścić w zdaniu "Nie zarobisz, ale możesz zaoszczędzić". Jego zasady były dość proste. A właściwie nadal są, gdyż znakomita większość prosumentów w naszym kraju wciąż z nich korzysta. Właściciel mikroinstalacji (prosument) może oddać do sieci nadwyżkę wytworzonego prądu, a następnie za każdą 1 kWh odebrać 0,8 kWh (0,7 kWh, jeżeli moc zainstalowana przekracza 10 kWp). Jeżeli więc odpowiednio dobrał wielkość swojej instalacji, to w rozliczeniu wychodził praktycznie na zero, ponosząc jedynie koszt opłat stałych (abonamentowych).

Na przykład, jeżeli roczne zużycie energii w domu wynosiło ok. 5000 kWh, zaś moc zainstalowana mikroelektrowni wynosi 6 kWp, to rocznie uzyskuje się z niej ok. 6000 kWh prądu (mniej więcej 1000 kWh z 1 kWp mocy zainstalowanej). Nadwyżka mocy służy właśnie temu, żeby pokryć różnicę 20%, które pozostają w sieci. Posiadacz mikroelektrowni może na tym właściwie zakończyć sprawę doboru wielkości instalacji. Co bardzo ważne, niezmienność zasad rozliczania jest gwarantowana ustawowo przez okres 15 lat od momentu przyłączenia mikroinstalacji do sieci. System trzeba uznać za korzystny, gdyż wahania cen prądu jedynie pośrednio dotyczą prosumenta.

Nawet jeżeli energia z paneli np. tylko w połowie pokrywa całkowite zapotrzebowanie na nią, to sposób rozliczania zawiera swoisty mechanizm samokompensacji. Po prostu jeżeli ceny prądu rosną, to automatycznie w takim samym stopniu rosną osiągane dzięki instalacji PV oszczędności. Tak więc jeżeli czas zwrotu nakładów poniesionych na mikroelektrownię miał wynosić np. 6 lat, licząc według cen w momencie montażu, to wzrost cen energii powoduje skrócenie tego okresu. Na ich spadek raczej się nie zapowiada.

Net-billing

Instalacje przyłączane do sieci od 1 kwietnia 2022 r. obejmuje już nowy system rozliczania, tzw. net-billing. Ponadto każdy, kto obecnie rozlicza się w starym systemie, może przejść na nowy i ewentualnie skorzystać przy tym z dotacji na dodatkowe elementy.

Wbrew pozorom jego podstawowe założenie nie odbiega aż tak bardzo od naczelnej zasady net-meteringu. Najkrócej można go opisać następująco: "Nie zarobisz, ale możesz zaoszczędzić, niestety trudno powiedzieć ile". Net-billing wiąże bowiem oszczędności nie tylko z ilością przekazywanego do sieci prądu, ale i jego ceną na giełdzie energii, na tzw. rynku dnia następnego (RDN).

Pobieraną energię prosument zawsze kupuje według stawek obowiązujących w jego taryfie. Co ważne, wraz ze wszystkimi opłatami za przesył (dystrybucję) itd. Po prostu tak, jakby nie miał instalacji PV. Ale każda przekazana do sieci 1 kWh prądu obniża jego rachunek. Jednak nie o tyle, ile sam za niego płaci, lecz zgodnie ze stawką obowiązującą na giełdzie energii, na rynku dnia następnego (RDN). Ta cena nie obejmuje zaś opłat za dystrybucję.

Wbrew różnym oficjalnym deklaracjom, cel takiej zmiany był jasny. Kiedy opracowywano nowe przepisy, cena giełdowa (ok. 0,26 zł/kWh) stanowiła bowiem mniej niż połowę ceny płaconej przez odbiorcę indywidualnego w gospodarstwie domowym. Później sytuacja bardzo się zmieniła i ceny giełdowe wystrzeliły do nie notowanego nigdy wcześniej poziomu.

Średnia cena za 1 kWh wynosiła na RDN w ciągu ostatnich miesięcy:

• czerwiec - 0,66 zł;
• lipiec - 0,80 zł;
• sierpień - 1,02 zł;
• wrzesień - 0,71 zł.

W tym czasie cena zakupu prądu dla gospodarstw domowych, w całodobowej taryfie G11 wynosiła 0,69-0,75 zł/kWh. Dla prosumenta taka sytuacja jest bardzo korzystna. I to raczej wbrew intencji ustawodawcy.

Trzeba jednak uprzedzić, że niezależnie od tego, jak wysokie będą ceny giełdowe, ostatecznie na sprzedaży własnego prądu i tak nie da się zarobić. W tym celu w nowy system wbudowano swoiste zabezpieczenie. Dla każdego prosumenta tworzone jest bowiem w systemie wirtualne konto, nazywane depozytem prosumenckim. Na nim gromadzone są środki uzyskane za przekazaną do sieci energię. Następnie są one wykorzystywane do obniżenia jego rachunków, w stosunku 1:1 (1 zł z depozytu za 1 zł na rachunku). Jeżeli po upływie roku w depozycie nadal pozostanie nadwyżka, to dopiero wówczas dostaniemy zwrot w postaci pieniędzy. Jednak może być on znacznie mniejszy, niż rynkowa wartość energii. Wielkość zwrotu nie może bowiem przekroczyć 20% wartości energii elektrycznej wprowadzonej przez nas do sieci w miesiącu, którego dotyczy zwrot nadpłaty.

Tak więc nawet jeżeli na naszym wirtualnym koncie uzbieralibyśmy całkiem sporą sumę, to i tak dostaniemy tylko jej drobną część. Maksymalnie 1/5 wartości tego, co oddajemy w ciągu jednego miesiąca. Przypomnijmy, że w starym systemie (net-metering) nadwyżka nierozliczona w ciągu roku po prostu przepadała. W nowym zaś w praktyce niewiele się zmieniło. Nadprodukcja nadal pozostała nieopłacalna.

Niestabilność cen i zasad

Warto jeszcze na chwilę wrócić do pokazanych wyżej stawek RDN, gdyż płynie z nich bardzo pouczający wniosek. Ceny giełdowe są przede wszystkim bardzo niestabilne. Najpierw mieliśmy kilka miesięcy szybkiego wzrostu, a potem we wrześniu nastąpił spadek o ok. 30%. Z miesiąca na miesiąc. Zasadniczy problem polega właśnie na tym, że nikt nie jest w stanie w wiarygodny sposób przewidzieć, jakie będą przyszłe ceny giełdowe. Jednak nie koniec na tym. Przy net-billingu oszacowanie opłacalności wymaga przecież jeszcze przyjęcia jakichś wartości jako cen prądu pobieranego z sieci, co więcej - w perspektywie przynajmniej kilku lat, gdyż wydatki na instalację PV nie zamortyzują się w ciągu roku. Z tym jest zaś zasadniczy problem. Na razie rząd zapowiedział wprowadzenie na 2023 r. limitów cen dla gospodarstw domowych, lecz nie znamy jeszcze ostatecznego kształtu tych przepisów. Trzeba też pamiętać, że rok 2023 będzie rokiem wyborczym, z wyborami parlamentarnymi i samorządowymi. Tym trudniej więc przewidywać nie tylko sytuację rynkową, ale i działania rządzących w kolejnych latach.

Problem przyszłych cen energii ma jeszcze jeden aspekt, o którym jak na razie mówi się zadziwiająco rzadko. Mianowicie od lipca 2024 r. stawki za energię oddawaną do sieci nie będą już obliczane jako średnia miesięczna cena giełdowa. Obowiązywać będzie godzinowa cena płacona w tym czasie na giełdzie energii (RDN). Tak więc za niecałe dwa lata do naszego wirtualnego depozytu prosumenckiego będzie trafiać inna suma za 1 kWh przekazaną np. o 9.00 rano niż o 14.00. Ta zmiana jeszcze bardziej skomplikuje zasady rozliczania i możliwość przewidywania okresów zwrotu. Przy tym nie musi to wcale oznaczać ich wydłużenia. W lepszej sytuacji znajdą się np. właściciele magazynów energii (akumulatorów), którzy będą w stanie dokonywać w pewnym stopniu przesunięcia godzin, w których pobierają i oddają energię.

Na koniec nie można pominąć jeszcze jednego czynnika, który może wywrócić do góry nogami wszelkie próby obliczenia, po jakim czasie inwestycja w fotowoltaikę się zwróci. Mianowicie w przypadku net-meteringu, ustawowo zapisano gwarancję niezmienności zasad rozliczania przez 15 lat od momentu uruchomienia danej mikroinstalacji (pierwszego wprowadzenia energii do sieci). Natomiast w przypadku net-billingu, żadnej tego rodzaju gwarancji nie ma. Zasady rozliczania mogą więc zostać zmienione w dowolny sposób i w dowolnej chwili.

Czy warto przejść na nowy system?

Przy uwzględnieniu wszystkich podanych powyżej zastrzeżeń, dla pewnej grupy osób przejście ze starego na nowy system rozliczeń może być warte uwagi. Przede wszystkim dlatego, że umożliwia skorzystanie ze znacznie większego zakresu dopłat w ramach programu "Mój Prąd 4.0".

Wprowadził on bowiem możliwość pokrycia do 50% kosztów kwalifikowanych następujących elementów:

• magazyny energii - do 7500 zł;
• magazyny ciepła - do 5000 zł;
• systemy zarządzania energią pozyskiwaną z fotowoltaiki (HEMS/EMS) - do 3000 zł.

Trzeba przy tym zaznaczyć, że dopłata na system zarządzania energią jest możliwa tylko w przypadku instalacji zawierającej magazyn energii elektrycznej albo ciepła. Wyjaśnijmy przy tym, że zgodnie z zasadami programu, magazynem ciepła jest każdy zasobnik ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) lub zbiornik buforowy wody grzewczej do systemu centralnego ogrzewania. Natomiast jako magazyny energii nie są traktowane elektryczne piece akumulacyjne, albo elektryczne ogrzewanie podłogowe, które przecież akumuluje ciepło w wylewce podłogowej.

Ponadto możemy otrzymać do 2000 zł na rozbudowę lub zmiany dokonane w podstawowej części systemu (panele, falownik). Na przykład może to być wymiana falownika na hybrydowy, czyli współpracujący z magazynem energii (akumulatorami).

Dla kogoś, kto wykonał instalację PV o niewielkiej mocy (np. 3 kW), a więc stosunkowo tanią i chciałby ją rozbudować o magazyn energii oraz system zarządzania nią, kwota dotacji może być na tyle duża, że rezygnacja z net-meteringu i tak będzie atrakcyjna. Podobnie jeżeli priorytetem jest rozbudowa o takie kosztowne elementy, a działający od kilku lat system PV już się praktycznie zwrócił, przejście na nowy system również jest do rozważenia. W pozostałych przypadkach trudno rekomendować taką zmianę, gdyż tracimy gwarancję stałości zasad rozliczania. Zaś powrót do starego systemu nie jest już możliwy.

Przejście na nowy system rozliczeń może być atrakcyjne dla właścicieli małych instalacji, którzy chcą rozbudować je o kosztowne elementy, takie jak magazyny energii. (fot. Kratki Energy)

Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Zeneris Projekty