Ogrzewanie wody za pomocą modułów fotowoltaicznych.

Z uwagi na coraz bardziej atrakcyjne ceny modułów fotowoltaicznych coraz więcej osób decyduje się na wykorzystanie systemu fotowoltaicznego do bezpośredniego ogrzewania ciepłej wody zamiast kolektorów słonecznych. Sam niedawno pisałem o zaletach tego systemu. Z uwagi że jest to pewna nowość na rynku od razu pojawiają się błędy i problemy. Dziś chciałbym odpowiedzieć na pytanie dlaczego nie powinno się zasilać grzałki bezpośrednio modułami fotowoltaicznymi. 

Podstawowym problemem jest tu dobór mocy urządzenia oraz bardzo nieefektywne wykorzystanie energii z modułów. Ten brak efektywności wynika z przeciążania modułów w przypadku słabszych warunkach oświetlania, co powoduje, że na modułach osiągamy prąd zbliżony do prądu zwarcia a napięcie spada do poziomu bliskiego 0 w skutek czego moduły generują zaledwie ułamek swojej mocy nominalnej. Sytuację tą najlepiej omówić na przykładzie. Rozważmy przypadek, w którym wykorzystujemy 5 modułów o mocy, 230 W każdy czyli o mocy łącznej 1150 W połączonych równolegle gdzie napięciem nominalnym generatora fotowoltaicznego będzie 30 V. System fotowoltaiczny będzie wykorzystany do bezpośredniego zasilania grzałki 24 V o mocy 900 W. W omawianym przypadku, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest bardzo wysokie zbliżone do warunków, STC czyli 1000 W/m2 na naszej grzałce będzie wydzielać się ciepło o mocy ok. 1100 W. W takim przypadku moduły będą bardzo dobrze obciążane, moc generowana przez grzałkę będzie zbliżona do mocy maksymalnej możliwej do uzyskania przez masz system fotowoltaiczny (pole czerwone i zielone są zbliżone). Zastosowana grzałka musi być urządzeniem 24 woltowym z uwagi na napięcie i sposób połączenia modułów. Należy zaznaczyć, że moc generowana na grzałce jest wyższa od jej mocy nominalnej z uwagi na wyższe napięcie. Praca w takich warunkach odbije się na skróconej żywotności urządzenia jednak średnio zaledwie przez kilka % czasu pracy moc modułów fotowoltaicznych zbliża się do mocy nominalnej. Moc osiągana przez system fotowoltaiczny będzie zazwyczaj wahała się od 20 - 50 % mocy nominalnej. W takich sytuacjach w omawianym przypadku moc generowana na grzałce będzie znacznie niższa od teoretycznej możliwej do osiągnięcia (pole czerwone znacznie mniejsze od zielonego). Ten brak efektywności będzie wynikał z faktu, że moduły będą przeciążane z uwagi nie niewłaściwą rezystancję grzałki. Prąd będzie bliski prądu zwarcia, Isc a napięcie będzie spadać znacząco poniżej optymalnej wartości, czyli napięcia w punkcie mocy maksymalnej Vmpp przy bardzo niskim natężeniu promieniowania słonecznego np 200 W/m2 czyli nawet w lekko pochmurny dzień moc generowana na grzałce będzie stanowiła zaledwie ułamek mocy teoretycznej możliwej do osiągnięcia. Skutki takiego rozwiązania to bardzo nieefektywne wykorzystanie dostępnej mocy modułów oraz niska temperatura osiągana na grzałce. Z tego też powodu nie zaleca się stosowania bezpośredniego zasilania urządzeń prądu stałego modułami PV.

Rys. 1.                Charakterystyka prądowo - napięciowa 5 modułów 230 W połączonych równolegle z zaznaczonymi polami mocy maksymalnej - zielone pole oraz mocy generowanej na grzałce 900 W - czerwone pole. 

W celu ograniczenia strat i uniknięcia skrajnie nieefektywnej pracy modułów PV zasilanie urządzeń prądu stałego modułami PV powinno odbywać się poprzez regulator ładowania.