Energooszczędne technologie w domu i w gospodarstwie rolnym

Technologie grzewcze czy też elektryczne oparte na odnawialnych źródłach energii stosowane są w gospodarstwach rolnych przy osuszaniu lub schładzaniu produktów rolniczych, jak również przy oświetleniu budynków hodowlanych. Z powodzeniem sprawdzą się również w użytku domowym. Co ważniejsze, wykorzystują one energię słoneczną lub ciepło z powietrza, gruntu, a nawet wody, za pozyskiwanie których nie musimy przecież płacić. Oczywiście, inwestując w energooszczędne pompy czy panele, musimy liczyć się z wydatkami na zakup i montaż całej instalacji grzewczej bądź elektrycznej, ale jeżeli właściciel gospodarstwa rolnego zdecydował się na ich użycie w codziennej pracy, to może rozszerzyć ich zastosowanie na użytek dom owy.

Przy planowaniu tego typu inwestycji istotne jest, jaki rodzaj paneli lub pomp ciepła należy wybrać, aby sprawdziły się w gospodarstwie rolnym. Jednak o wiele ważniejsze jest określenie w pierwszej kolejności rocznego, domowego zapotrzebowania na energię elektryczną lub ciepło. Okazuje się, że to ostatnie w dużej mierze uzależnione jest nie tylko od liczby użytkowników domu na roli, sposobu wykorzystania energii odnawialnej (centralne ogrzewanie, ogrzanie wody użytkowej itd.), lecz także od zmieniających się pór roku (temperatury, nasłonecznienia). Także istotne w bilansie energetycznym jest wzięcie pod uwagę, czy dom jest prawidłowo ocieplony. Przy tego typu bilansach najlepiej skorzystać ze wsparcia specjalisty, który nie tylko obliczy roczne zapotrzebowanie na energię w domu, lecz także prawidłowo dobierze energooszczędne urządzenia pod względem mocy i sprawności pracy. Mowa tu o panelach fotowoltaicznych wraz z całą instalacją oraz pompach ciepła, które różnią się nie tylko zasadą działania, lecz także posz czególnymi parametrami technicznymi.

Pompy ciepła należą do najbardziej ekologicznych i ekonomicznych źródeł ciepła. To urządzenia niskotemperaturowe pozyskujące energię ze źródeł odnawialnych. W zależności od rodzaju są to: powietrze, grunt lub woda. I choć sama instalacja nie należy do najtańszych, coraz więcej inwestorów decyduje się na system grzewczy oparty na pompie ciepła. Coraz większą popularność pompy ciepła zawdzięczają temu, że systemy grzewcze oparte na tych urządzeniach umożliwiają duże oszczędności w rachunkach za ogrzewanie. Wpływ na to ma także coraz lepsza termoizolacja budynków, dzięki czemu możliwe jest montowanie niskotemperaturowych źródeł ciepła. A do takich zaliczają się pompy ciepła.

Pompy ciepła do pracy potrzebują jedynie niewielkiej ilości prądu (zasilającego kompresor). Jest to jednak ilość tak nieduża w porównaniu z wyprodukowaną energią cieplną, że urządzenia te zaliczane są do najbardziej ekonomicznych i ekologicznych rozwiązań grzewczych. Pompy ciepła do wytwarzania energii cieplnej wykorzystują źródła odnawialne. I tak, urządzenia typu powietrze/ woda produkują ciepło z powietrza zewnętrznego lub wewnątrz domu. Pompy solanka/woda ciepło czerpią z gruntu, a woda/woda - ze studni głębinowej.

Wybór rodzaju pompy ciepła powinien być zawsze skonsultowany ze specjalistą. Inwestor powinien zrobić to już na etapie projektowania domu. Fachowiec na podstawie projektu jest w stanie określić zapotrzebowanie na ciepło i wybrać najkorzystniejsze rozwiązanie, które zaspokoi to zapotrzebowanie. Ważne w wyborze pompy jest to, czy inwestor ma dostęp np. do gazu w gospodarstwie rolnym. Jeśli tak, montaż gruntowej lub wodnej pompy ciepła - przy obecnych niskich cenach gazu - jest dość wątpliwy ze względu na wysokie koszty instalacyjne. W takim przypadku dobrym rozwiązaniem jest zainwestowanie w powietrzną pompę, najtańszą, która będąc wsparciem dla gazowego kotła, w znacznym stopniu obniży rachunki za ogrzewanie.

Instalacja gruntowych pomp ciepła zawsze wiąże się z wykonaniem dość kosztownych prac ziemnych - zrobienia wykopów na głębokość do 1,5 m i ułożenie rur w przypadku poziomego kolektora gruntowego lub wykonania odwiertów o przeciętnej głębokości do 100 m i zainstalowania rur w przypadku pionowego kolektora gruntowego.

Wielkość wymiennika pionowego, a co za tym idzie, także głębokość odwiertów zawsze ściśle zależą od zapotrzebowania budynku na ciepło. Czyli im większe zapotrzebowanie, tym większy powinien być kolektor, ponieważ na moc grzewczą gruntowej pompy ciepła składają się dwa czynniki: moc chłodnicza, którą odbiera się z gruntu, schładzając go, i moc elektryczna, którą dostarcza się do sprężarki. W przypadku, gdy mamy pompę ciepła o mocy 10 kW, przyjmujemy, że 2 kW pobiera sprężarka, więc musimy 8 kW odebrać z gruntu, który ma określoną przewodność cieplną - 35 do 40 W z metra bieżącego odwiertu. Żeby uzyskać żądane 8 kW, musimy wykonać odpowiednio głębokie otwory. O wiele mniej problemów sprawia i mniej kosztuje instalacja pompy ciepła typu powietrze/woda. Można ją montować zarówno w nowo budowanych, jak i istniejących budynkach gospodarstwa rolnego, a instalacja nie wymaga uciąż liwych prac.

Na pytanie, czy instalacja pompy ciepła jest opłacalna i jak szybko zwrócą się koszty poniesione na tę inwestycję, nie da się łatwo odpowiedzieć, ponieważ analiza ekonomiczna w dużej mierze zależy od tego, do jakiego źródła ciepła porównamy pompę. Przykładowo, jeżeli budynek ma dostęp do gazu ziemnego, to instalacja pompy jest kwestią dyskusyjną. Koszty instalacji pompy są jednak dość duże - jeśli zestawimy je z obecnymi rachunkami za gaz, nie będą wyglądać zbyt korzystnie. Amortyzacja pompy ciepła może wynieść wówczas nawet kilkanaście lat. Gdy jednak budynek na wsi nie ma dostępu do gazu, a chcielibyśmy mieć bezobsługową instalację grzewczą, pompa ciepła jest w stanie zamortyzować się już po ok. 7 latach. Przy żywot ności pompy ciepła ok. 30 lat daje to duże oszczędności.

Pozostaje jeszcze kwestia, która pompa przynosi największe oszczędności. Tu także trudno jednoznacznie odpowiedzieć. Pompy gruntowe zapewniają najniższe koszty ogrzewania, jednak sama instalacja (wykonanie odwiertów) jest znacznie droższa niż w przypadku pompy powietrznej.

Warto także wspomnieć o górnym źródle ciepła, czyli grzejnikach, które także ma wpływ na opłacalność instalacji. Największe korzyści przyniesie układ dwóch (dolnego i górnego) niskotemperaturowych źródeł, a więc pompy ciepła i ogrzewania podłogowego. Nie zawsze taki zestaw jest możliwy do realizacji i wówczas należy liczyć się z nieco wyższymi kosztami, ponieważ pompa ciepła nie będzie pracować już tak sprawnie, zasilając wysokotemperaturowe grzejniki.

Z kolei w przypadku wykorzystania paneli fotowoltaicznych w gospodarstwie rolnym do celów domowych sytuacja wygląda nieco inaczej. Dlaczego? Efektywne wykorzystanie energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej jest problematyczne pod wieloma względami. Krótki sezon grzewczy, zmienne, ale częste zachmurzenie mają ogromny wpływ na obniżenie sprawność paneli fotowoltaicznych w Polsce. Jednak wybór baterii słonecznych o odpowiednich parametrach gwarantuje wydajne pozyskanie energii elektrycznej nawet w niesprzyjających warunkach atmosferyc znych.

Większości z nas energia słoneczna kojarzy się z ogniwami krzemowymi, które nadal zasilają przenośne kalkulatory czy zegarki. Sytuacja na rynku uległa zmianie. Krzem jako budulec ogniw fotowoltaicznych (PV) jest wypierany przez nowe technologie umożliwiające zbudowanie ogniw z bardzo cienkiej warstwy przewodnika. Coraz częściej pojawiają się ogniwa całkowicie pozbawione klasycznych półprzewodników wykonanych z krzemu, selenu czy kadmu. Podstawowym i najmniejszym elementem każdego panelu fotowoltaicznego jest ogniwo. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj 1-2 W. Taka ilość energii elektrycznej jest oczywiście niewystarczająca dla większości użytkowych zastosowań. W celu uzyskania większych napięć i energii elektrycznej ogniwa łączy się szeregowo lub równolegle. Tak powstaje moduł fotowoltaiczny, który jest w stanie dostarczyć maksymalną mocy rzędu 30-120 W, w odpowiednich warunkach szczytowych. Z kolei panel fotowoltaiczny składa się z kilku modułów połączonych ze sobą (równolegle lub szeregowo). W przypadku małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować przy niskim napięciu 12 V lub 14 V. Panele o dużej powierzchni mogą działać nawet przy napięciu 240 V np. przy produkcji prądu przekazywanej do sieci. Podłączone do siebie panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazy wane są kolektorami fotowoltaicznymi.

Jednym z parametrów określających wydajność pracy panelu jest sprawność ogniwa fotowoltaicznego. Parametr ten procentowo określa, ile energii słonecznej dane ogniwo jest w stanie wykorzystać do produkcji prądu. Na jego wielkość mają wpływ: moc szczytowa ogniwa lub modułu słonecznego oraz natężenie promieniowania słonecznego, jak i temperatura otoczenia.

Przykładowo: ogniwa krzemowe, mimo że zaliczane są do I generacji, wyróżniają się wysoką sprawnością (wydajnością konwersji), sięgającą 17-22 proc. A im większa sprawność podawana przez producentów, tym teoretycznie więcej dany moduł jest w stanie wytworzyć energii elektrycznej. Pojęcie sprawności ogniwa lub modułu wydaje się więc być całkiem obiektywnym pojęciem opisującym wydajność konwersji energii słonecznej w elektryczną, szczególnie kiedy porównujemy różne produkty. Nic bardziej mylnego.

Otóż producenci oznaczają swoje panele i moduły fotowoltaiczne informacją, że osiągają one określone parametry pracy w standardowych warunkach nazywanych STC (Standard Test Condition). Co to oznacza? STC to warunki laboratoryjne, w których producenci testują swoje ogniwa fotowoltaiczne, czyli w natężeniu promieniowania słonecznego 1000 W/m2, spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery (poziom zachmurzenia) AM 1,5 i stałej temperaturze 25^oC. Dodatkowo podają moc szczytową Wp (Watt peak), jaką osiągają ich produkty w tych warunkach. W praktyce zarówno moduły, jak i ogniwa rzadko pracują w tak idealnych warunkach. Warto sprawdzić charakterystykę prądowo-napięciową wydajności modułów w różnych, niestandardowych warunkach pracy. Dlatego też część producentów modułów podaje wydajność ogniw lub modułów w tzw. warunkach normalnych, czyli NOCT (normal operating cell temperature), czyli tych bardziej zbliżonych do naturalnych. Zostały one określone jako: temperatura otoczenia w zakresie 40-50^oC, prędkość wiatru 1 m/s; natężenie promieniowania słonecznego 800 W/m2, przy spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery AM 1,5. Każda bateria słoneczna traci efektywność w niskich warunkach natężenia promieniowania słonecznego o ok. 3-4 proc. w stosunku do warunków laboratoryjnych STC. Parametr sprawności modułu nie jest więc tak obiektywnym parametrem, jeśli weźmiemy pod uwagę, że rzeczywista sprawność modułów zmniejsza się nie tylko w przypadku większego zachmurzenia, lecz także wraz ze wzrostem temperatury nagrzewającego się panelu fotowoltaicznego. Dlatego też przy wyborze paneli fotowoltaicznych do gospodarstwa rolnego znaczenie mają nie tylko sama sprawność czy też moc szczytowa osiągnięta w laboratoryjnych waru nkach, lecz także i inne parametry.

Przy wyborze paneli fotowoltaicznych stosowanych w mikroinstalacjach dla gospodarstw domowych nie liczy się tylko potencjalna ilość wyprodukowanej energii, wyrażona procentowo w sprawności nominalnej, ale szczególne znaczenie ma podwyższona sprawność modułów przy słabym oświetleniu. W polskim klimacie baterie słoneczne będą pracować w przedziale natężenie promieniowania słonecznego 40-800W/m2, a w zimie będzie to przedział 200-500W/m2. Z tego powodu ważne jest, aby efektywna praca baterii została zachowana nawet w słabych warunkach słonecznych. Dlatego też należy pamiętać, że moduły z ogniwami polikrystalicznymi (wykonanymi z wykrystilizowanego krzemu), pomimo że osiągają słabszą sprawność niż monokrystaliczne w warunkach (laboratoryjnych) STC, to mogą wydajniej pracować przy większym zachmurzeniu. Z kolei panele monokrystaliczne są najbardziej wydajne w dni słoneczne.

Warto też wybierając do gospodarstwa domowego panele fotowoltaicznie, upewnić się, czy wykorzystano w nich ogniwa o niskotemperaturowym wskaźniku mocy. Co oznacza niski spadek wydajności pracy

panelu przy wysokich temperaturach. Standardowo każdy stopień Celsjusza powyżej 25^oC oznacza spadek mocy panelu o 0,38 proc. Oznacza to, że przy wzroście temperatury otoczenia do 80^oC obniżenie mocy może sięgnąć ponad 20 proc. w stosunku do szczytowej mocy nominalnej panelu. Jest to istotne w przypadku fotowoltaicznych instalacji dachowych, które nie zawsze są właściwie wentylowane.

Przy wyborze baterii słonecznych o modułach dostarczających moc szczytową sięgającą 250-260 Wp należy też sprawdzić, czy będą one efektywnie współpracowały z falownikiem (inwerterem) zamieniającym wyprodukowany prąd stały w zmienny. Wysokość napięcie modułów fotowoltaicznych musi odpowiadać zakresowi napięcia falownika, w którym będzie on optymalnie zamieniał prąd stały w zmienny. Warto także sprawdzić, czy panele słoneczne wyposażone są w powłokę antyrefleksyjną ARC glass, która umożliwia zwiększenie wydajności konwersji modułu z 3 ,5 proc. nawet do 5 proc.

Panele fotowoltaiczne są głównym elementem składowym instalacji fotowoltaicznej, w skład której mogą opcjonalnie wchodzić baterie akumulatorowe lub dwukierunkowy licznik energii elektrycznej. Systemy autonomiczne (off-grid) z akumulatorem przeznaczone są na wypadek, gdyby cała instalacja nie była lub nie mogła być podłączona do sieci publicznej. Akumulatory mają za zadanie gromadzić nadwyżkę energii elektrycznej, która może być później wykorzystana w gospodarstwie rolnym. W systemie autonomicznym wykorzystywany jest regulator ładowania podłączony między panelami a akumulatorem. Jego główną funkcją jest ochrona akumulatora przed nadmiernym przeładowaniem lub rozładowaniem. Z kolei ogniwa podłączone do sieci (on-grid) wykorzystują nadwyżki energii, przekierowując je do sieci publicznej. Należy pamiętać, że urządzenia stosowane w gospodarstwach domowych wymagają zasilania prądem zmiennym, a prąd wytworzony przez panele fotowoltaiczne jest stały. Dlatego też nie można tych urządzeń zasilać prądem stałym z akumulatorów lub bezpośrednio z instalacji fotowoltaicznej. Niezbędne jest zastosowanie jeszcze inwertera nazywanego także falownikiem, który przetworzy prąd stały o napięciu 12 V na prąd zmienny 240 V o częstotliwości 50 Hz.