Naukowcy z Wydziału Inżynierii Środowiska pracują nad nowymi koncepcjami wykorzystania fotowoltaiki. Do badań wykorzystują m.in. nowoczesną instalację fotowoltaiczną, która znajduje się na dachu budynku C-6.

Instalacja została oddana do użytku w styczniu 2020 r. Jej pomysłodawcami są prof. Jan Danielewicz oraz dr hab. inż. Marderos Sayegh, prof. uczelni, a projektem oraz koordynacją wykonania stanowiska zajął się dr inż. Krzysztof Rajski. Zespół badawczy uzupełnia dr inż. Juliusz Walaszczyk. Budowa instalacji była możliwa dzięki środkom Wydziału Inżynierii Środowiska i wsparciu ówczesnej dziekan, dr hab. inż. Katarzyny Piekarskiej, prof. uczelni.

– Instalacja została zaprojektowana jako typowa instalacja badawcza. Liczymy na to, że wraz z przyrostem danych pomiarowych, zdobędziemy materiał naukowy, który pozwoli w przyszłości opracowywać nowe koncepcje wykorzystania fotowoltaiki – mówi dr inż. Juliusz Walaszczyk z Katedry Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza PWr.

Poza obszarem typowo badawczym są także plany, aby studenci Wydziału Inżynierii Środowiska wykorzystywali tę instalację w obszarze dydaktyki. Specjalnie do tego celu obok instalacji został zainstalowany podest, z którego można bezpiecznie oglądać całe stanowisko. Ze względu na interdyscyplinarność analizowanych zjawisk, instalacja może być również ciekawa dla studentów innych kierunków.

Jak fotowoltaika działa w naszym klimacie?

Podstawowym założeniem projektu badawczego jest analiza pracy modułów PV w polskich warunkach klimatycznych, z uwzględnieniem wpływu chłodzenia modułów na ich efektywność. Wraz ze wzrostem temperatury modułów ich sprawność spada, zatem obniżenie temperatury pracy paneli jest kluczowe w kontekście podnoszenia efektywności instalacji fotowoltaicznych.

Dlatego też stanowisko badawcze składa się z dwóch instalacji – łącznie jest to 12 paneli fotowoltaicznych o sumarycznej powierzchni 24 m2. Wszystkie moduły mają te same parametry elektryczne. Elektryczna moc szczytowa każdego modułu to 315 W przy nasłonecznieniu 1000 W/m2.

– Połowa zainstalowanych modułów to tzw. moduły hybrydowe, pozwalające przetwarzać energię słoneczną w energię elektryczną i cieplną. Są to tzw. moduły PVT (photovoltaic/thermal) – wyjaśnia dr inż. Krzysztof Rajski z Katedry Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza. – Moduły PVT to tak naprawdę połączenie popularnych modułów PV z kolektorami słonecznymi. Energia cieplna może być wykorzystana np. do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, a sam odbiór ciepła z paneli obniża temperaturę modułów, co podnosi ich sprawność w produkcji energii elektrycznej – dodaje.

Energia elektryczna może być wykorzystana od razu albo wysłana do sieci operatora. Instalacja jest dokładnie opomiarowana, przy czym mierzone są nie tylko parametry elektryczne, ale dodatkowo m.in. temperatura powierzchni paneli.

– Rejestrujemy również warunki atmosferyczne takie jak temperatura i wilgotność względna powietrza, nasłonecznienie, prędkość i kierunek wiatru. Zebranie jak największej ilości informacji o działającej instalacji jest dla nas ważniejsze niż ilość wytworzonej energii elektrycznej. W naszym przypadku, ze względu na skalę produkcji energii elektrycznej, z pewnością zostanie ona zużyta lokalnie przez urządzenia elektryczne zainstalowane w pobliżu – zaznacza dr inż. Juliusz Walaszczyk.

Kampus PWr z energią słoneczną

Co ciekawe, informacje związane z działaniem instalacji można śledzić „na żywo” na stronie Wydziału Inżynierii Środowiska. Można się tam zapoznać z pomiarami mocy zarówno części PV, jak i części PVT, pomiarami nasłonecznienia oraz temperatury powietrza zewnętrznego w bezpośredniej bliskości paneli. Wszystkie dane są na bieżąco aktualizowane i dostępne w języku polskim oraz angielskim.

– Instalacja w obecnej formie jest instalacją pilotażową, która pozwoli wyznaczać kolejne cele badawcze, a także bazą, która pozwoli starać się o pozyskanie grantów naukowych. Istotna rozbudowa jest w trakcie realizacji i ma służyć instalacji pompy ciepła, która będzie wykorzystywała ciepło uzyskane dzięki panelom PVT. Pozwoli ona na stabilizację temperatury czynnika chłodzącego panele oraz na produkcję ciepłej wody użytkowej. Dodatkowo opracowujemy metody magazynowania wytworzonej energii elektrycznej, tak żeby uniknąć oddawania jej do sieci – tłumaczy dr inż. Krzysztof Rajski.

Instalacja fotowoltaiczna na dachu C-6 jest jedyną tego typu na Politechnice Wrocławskiej. Czy jednak tego typu rozwiązanie byłoby opłacalne i sprawdziłoby się na innych budynkach?

– Kwestie opłacalności są bardzo ważne, jest to jednak bardzo rozległy temat. Praktycznie każdy przypadek jest specyficzny i powinien być rozpatrywany indywidualnie. Na pewno montaż paneli fotowoltaicznych będzie bardzo korzystny w pewnym horyzoncie czasowym, jeżeli jesteśmy w stanie wykorzystać wytwarzaną energię elektryczną na bieżąco, bez oddawania jej do sieci elektrycznej, czas zwrotu instalacji może być bardzo atrakcyjny – przyznaje dr inż. Juliusz Walaszczyk. – Dodatkowym aspektem jest lokalizacja instalacji, ciężko wyobrazić sobie taką instalację np. na budynku A1. Jednak mamy dużo nowych budynków, w których architekturę instalacja PV może się wkomponować, a także budynki z płaskim dachem, który można zagospodarować – dodaje.

Fotowoltaika bez wad?

Popularność instalacji fotowoltaicznych w Polsce systematycznie wzrasta. Często reklamowana jest ona jako idealne źródło czystej energii. Czy jednak rzeczywiście tego typu rozwiązania pozbawione są wad?

– Bardzo mocnym atutem instalacji fotowoltaicznej jest jej prostota, szczególnie w porównaniu do instalacji z kolektorami słonecznymi. Przy instalacji PV nie mamy żadnego czynnika przenoszącego ciepło, który może wyciec poprzez nieszczelności instalacji lub zachowywać się „problematycznie” w skrajnych temperaturach. W tym kontekście instalacja PVT nadrabia możliwością podniesienia efektywności produkcji energii elektrycznej, jednak trzeba ocenić czy wymagany nakład inwestycyjny charakteryzuje się racjonalną stopą zwrotu – wyjaśnia dr inż. Juliusz Walaszczyk.

Trzeba także pamiętać, że wszelkie zabrudzenia, w szczególności opadające liście, mogą znacznie ograniczać wydajność instalacji PV. Co ważne, nawet niewielki stopień przysłonięcia pojedynczego modułu PV, może znacznie ograniczyć jego wydajność – kilka zasłoniętych centymetrów może powodować spadek mocy modułu PV aż o 33%.

Instalacja fotowoltaiczna wymaga także znacznych powierzchni z dostępem do promieniowania słonecznego. Jeżeli z różnych względów to promieniowanie będzie ograniczone przez zacienienie, cała inwestycja może nie być opłacalna. Ważna jest również orientacja względem stron świata.

Czy to się opłaca?

Rozważając montaż instalacji fotowoltaicznej, bierzemy pod uwagę przede wszystkim opłacalność takiej inwestycji.

– Obecny stan prawny, w tym możliwość uzyskania dofinansowania, rzeczywiście stwarzają korzystne warunki do podejmowania tego typu inwestycji. Jeżeli chodzi o komponenty do budowy instalacji, to wydaje się, że ich ceny w obecnej chwili nie są już tak wygórowane jak kiedyś – jest to więc kolejny argument przemawiający za inwestycjami tego typu. Dlatego można zaryzykować stwierdzenie, że każda przemyślana instalacja PV powinna się zwrócić w stosunkowo krótkim czasie – mówi dr inż. Juliusz Walaszczyk. – Nie jesteśmy jednak w stanie przewidzieć, jak będzie w przyszłości – zaznacza.

Okazuje się bowiem, że w powszechnym rozumieniu prawa, użytkownik może eksportować energię elektryczną do sieci, po czym w innym czasie, przez rok, może odebrać 80% tej energii bez dodatkowych opłat (przy instalacjach mniejszych niż 10 kW). Jednak w ustawie jest również zapis, że taka metoda rozliczania jest stosowana przez okres 15 lat lub do roku 2039. Dlatego w długim horyzoncie czasu, nastawienie się na eksport energii do sieci, może nie być tak korzystne, jak wydaje się to na pierwszy rzut oka.

mic