Panele fotowoltaiczne plus turbina wiatrowa - idealne źródło energii?

Wiatrak czy fotowoltaika? A czemu nie oba rozwiązania?

Instalacje fotowoltaiczne w Polsce od kilku lat przeżywają okres intensywnego rozkwitu. Początek zainteresowania tego typu energetyką przypada na 2011 rok - wtedy jako kraj dysponowaliśmy mocą na poziomie 1,1 MWp. Na koniec 2019 roku skumulowana moc instalacji PV wynosiła 1,3 GW. Z kolei w końcu 2020 roku dysponowaliśmy mocą 3,9 GW. Na koniec lipca 2021 roku, moc zainstalowana w fotowoltaice przekroczyła 5,6 GW, co oznacza wzrost o 210% w stosunku do poprzedniego okresu.

Dużą zasługę w rozwoju energetyki słonecznej w Polsce mają właściciele mikroinstalacji o mocy do 50 kW, których w Polsce jest już ponad 700 tysięcy. Instalacje tego typu stanowią ok. 80% całkowitej mocy zainstalowanej. Skąd taka popularność mikroinstalacji? Z jednej strony wynika ona z szeregu dostępnych dotacji, takich jak np. Mój prąd czy Czyste powietrze. Z drugiej, istnieje jeszcze (choć już zapewne niedługo) program wsparcia właścicieli OZE nazywany systemem opustów. Pozwala on prosumentom traktować sieć energetyczną jak wirtualny magazyn z 70%-80% skutecznością (część odesłanych nadwyżek przepadała na rzecz sprzedawców). Rozwiązanie to sprawiało, że wady fotowoltaiki w postaci niskiej sprawności jesienią i zimą oraz brakiem produkcji nocą, nie miały znaczenia. Odpowiednio zwymiarowana instalacja była bowiem w stanie całkowicie pokryć zapotrzebowanie inwestora na energię czynną, ograniczając wydatki na energię do opłat stałych (związanych z utrzymaniem łącza).

Dla porównania, rozwijająca się w Polsce od końca lat 90-tych XX wieku energetyka wiatrowa, na koniec września 2021 roku mogła pochwalić się… 7 GW mocy. Inaczej niż w przypadku fotowoltaiki, tu zdecydowaną większość mają farmy wiatrowe. Jednocześnie, jak wynika z raportu PSEW (Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej), odpowiadają one za produkcję ok. 17% energii wytworzonej w Polsce (wg. danych na koniec 2020 roku). Przez kilka lat, od 2001 do 2016 roku, dziedzina ta rozwijała niemal równie dynamicznie co energetyka słoneczna. Postęp energetyki wiatrowej zahamowała jednak wprowadzona w 2016 roku ustawa odległościowa (10H), która nakazywała zachowanie odstępu 10-krotności wysokości elektrowni, od zabudowy i form ochrony przyrody. Na szczęście już niebawem, zasada ta ma przestać obowiązywać, co może zwiększyć znaczenie tego źródła energii.

Zwiększenie roli energetyki wiatrowej jest istotne, równie w makro skali (by zwiększać udział OZE w miksie energetycznym kraju), jak i w mikro skali - dla inwestujących w mikroinstalacje, które niebawem mogą utracić system opustów. Proponowane zmiany fotowoltaiki w 2022 roku zakładają zastąpienie go sprzedażą energii, co nie będzie dla prosumentów już tak opłacalne. Ratunkiem dla osób, które nadal chcą polegać głównie na energii z OZE, może być hybrydowa instalacja opierająca się na dwóch powyższych źródłach - innymi słowy: elektrownia wiatrowo-słoneczna. Jak działają oba te rozwiązania i czy faktycznie warto rozważyć ich połączenie?

Panele fotowoltaiczne plus turbina wiatrowa - połączenie idealne?

Uzupełnienie fotowoltaiki źródłem energii, które zrekompensowałoby jej braki (czyli działałoby wydajnie w nocy oraz jesienią i zimą), nie tylko mogłoby rozwiązać problemy prosumentów, ale również mogłoby zwiększyć opłacalność inwestycji w OZE. Dlaczego akurat energia wiatrowa wydaje się dobrym kandydatem?

Jak działa fotowoltaika?

Praca instalacji fotowoltaicznej, jak zapewne wiecie, opiera się na promieniowaniu słonecznym - moduły PV zamieniają je w prąd dzięki tzw. zjawisku fotowoltaicznemu. W ujęciu rocznym, ze względu na największe nasłonecznienie i najdłuższe dni, najwięcej prądu produkowane jest w okresie wiosenno-letnim, od marca do września - na ten okres przypada aż 80% całkowitej produkcji. Produkcję dla instalacji o mocy 6 kW o optymalnym położeniu względem słońca obrazuje poniższy wykres.

Źródło: re.jrc.ec.europa.eu

W ujęciu godzinowym, produkcja przypada na godziny 6:00-8:00 do 16:00-20:00 - godziny pracy instalacji różnią się, w zależności od pory roku.

Źródło: Evaluating the Impact of PV Module Orientation on Grid Operation

Taka, a nie inna praca jest głównym problemem i przyczyną, dla której instalacja PV mogłaby potrzebować wsparcia. Energii z fotowoltaiki brakuje lub jest niewiele wtedy, gdy jest najbardziej potrzebna - wieczorem i w nocy (gdy wracamy z pracy, ze szkoły), a także jesienią i zimą (gdy zużywamy ją np. do ogrzewania). Jednocześnie szczyty produkcji osiąga wtedy, gdy normalne gospodarstwo domowe nie jest w stanie z niej skorzystać.

Jak działa elektrownia wiatrowa?

Instalacja wiatrowa, wykorzystuje energię kinetyczną wiatru do produkowania energii elektrycznej. Śmigła turbiny poruszane przez wiatr, napędzają wał i przekładnię generatora, który odpowiada za przemianę energii mechanicznej na elektryczną.

Polska, pod względem zasobów wiatru wypada całkiem nieźle. Średnia roczna prędkość wiatru w naszym kraju wynosi ok. 3-4 m/s. Niecała powierzchnia Polski wypada pod tym względem jednakowo - niektóre regiony charakteryzuje większy potencjał (pas nadmorski), inne (takie jak np. kotliny), na wietrze nie skorzystają. Poniżej znajdziecie mapę wietrzności Polski.

Źródło: Akademickie Centrum Czystej Energii: Dygulska A., Perlańska E., Mapa wietrzności Polski, Projekt Czysta Energia

Największe prędkości (które, do pewnego momentu, przekładają się na większe uzyski) występują późną jesienią, zimą oraz wczesną wiosną - czyli wtedy, gdy fotowoltaika działa słabo. Poniżej znajdziecie wykres dla produkcji energii z instalacji wiatrowej.

Źródło: opracowanie własne enerad.pl

Do rozpoczęcia produkcji potrzebna jest określona prędkość wiatru, inna dla dużych farm wiatrowych (ok. 30 m/s) i inna dla małych, przydomowych elektrowni wiatrowych (ok. 2,5 m/s). Warto przy tym podkreślić, że prędkość wiatru zwiększa się wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem morza - dlatego, pomimo tego, że średnie prędkości wiatru w Polsce nie są duże, dla wysokich turbin wiatrowych, jego zasoby wydają się wystarczające.

Choć nie jest to ścisła reguła, to jednak zwykle, gdy nie świeci słońce, wieje wiatr i na odwrót. Dlatego, gdy porównamy wykresy wydajności instalacji fotowoltaicznych i instalacji wiatrowych zauważmy, że uzupełniają się ze sobą niemalże idealnie. Zatem, jak podłączyć wiatrak do fotowoltaiki, by całość działała wydajnie i skutecznie?

Jak podłączyć wiatrak do fotowoltaiki?

Zacznijmy od tego, że połączenie elektrowni wiatrowej i słonecznej w jeden, hybrydowy system, nie będzie proste. Na rynku dość trudno znaleźć wykonawców, którzy posiadają odpowiednie kompetencje do zaprojektowania i wykonania podobnej instalacji - większość instalatorów OZE koncentruje się wyłącznie na instalacjach fotowoltaicznych. A zatem zapewne zastanawiacie się teraz, czy i jak podłączyć wiatrak do fotowoltaiki samodzielnie? Również i w tym przypadku sprawa nie jest prosta, jeśli nie dysponujecie odpowiednio rozbudowaną wiedzą z zakresu elektryki oraz specyfiki pracy obu typów instalacji.

Chociaż fotowoltaika i energetyka wiatrowa to odnawialne źródła energii, które jednak dość mocno różnią się od siebie okresami wydajności, ale i też charakterystyką produkcji. Dla przykładu, w obu przypadkach, wykorzystywane są inne algorytmy śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT), co sprawia, że poruszane często na forach pomysły na podłączenie turbiny wiatrowej do inwertera PV, mogą spalić na panewce. Samodzielne próby skompletowania zestawu “panele fotowoltaiczne plus turbina wiatrowa”, mogą się zakończyć uszkodzeniem poszczególnych elementów.

Dobra wiadomość jest jednak taka, że na rynku można znaleźć gotowe zestawy elektrowni wiatrowo-słonecznych, posiadające wszystkie niezbędne elementy systemu. Zła wiadomość jest taka, że niestety, w większości przypadków będzie to instalacja off-grid - niepodłączona do sieci, opierająca się na akumulatorach (czy też magazynach energii). Jeśli wymarzyliście sobie system podłączony do sieci, możecie mieć problem z jego wdrożeniem.

Panele fotowoltaiczne plus turbina wiatrowa - jakie są koszty?

W 2021 roku, ceny fotowoltaiki, w przeliczeniu na 1 kWp (w zależności od mocy systemu oraz rodzaju podzespołów) wahają się od ok. 4.000 do 6.500 zł. Przykładowo, za instalację PV o mocy 3 kW trzeba zapłacić ok. 15.000 zł.

Przydomowe elektrownie wiatrowe są mniej popularne, co automatycznie przekłada się na nieco wyższe koszty. Za instalację zasilaną wiatrem, o mocy 3 kW będzie trzeba zapłacić ok. 20.000 zł. Ile będzie kosztować system mieszany? To kwestia niezwykle trudna do ustalenia, bo uzależniona jest m.in. od:

• mocy systemu,
• indywidualnego projektu instalacji,
• zastosowanych marek podzespołów,
• rodzaju instalacji (off-grid, on-grid),
• zakresu usług realizowanych przez wykonawcę.

Gotowe elektrownie wiatrowo-słoneczne o niewielkiej mocy (600-700 W) wyposażone w magazyn energii to wydatek rzędu ok. 5.000 zł. Podobny system, bez akumulatora, będzie kosztował o połowę mniej. To jednak cena, która nie uwzględnia kosztów robocizny oraz elementów konstrukcyjnych pod oba źródła energii.

Elektrownia wiatrowo-słoneczna - na co zwrócić uwagę?

Jeśli interesuje Was elektrownia wiatrowo-słoneczna, powinniście wiedzieć, że jest co najmniej kilka kwestii, które będą wymagały Waszej uwagi.

• Znalezienie odpowiedniego miejsca - fotowoltaika wydajnie działa, jeśli jest skierowana na południe, zachód lub wschód. System musi też być zamontowany z daleka od cienia, pod odpowiednim kątem. Elektrownia wiatrowa również musi być zamontowana w odpowiednich warunkach - na otwartej przestrzeni, w rejonie Polski, który charakteryzuje się odpowiednią prędkością podmuchów. Większość wiatrów (ok. 70%) wieje z zachodu, więc warto by tego kierunku nic nie zastawiało. Należy także unikać zawirowań powietrza, które ograniczają wydajność instalacji. Dobrze, jeśli turbinę można umieścić na dachu.
• Kwestie formalne - w przypadku fotowoltaiki, sprawa prosta. Instalacje PV o mocy do 50 kW nie wymagają ani zgłoszenia, ani pozwolenia na budowę - i to bez względu na to, czy powstają na gruncie, czy na dachu. W przypadku mikroinstalacji wiatrowych sprawa jest nico bardziej skomplikowana. Jeśli maszt trafi na dach i nie będzie dłuższy niż 3 m, nie obowiązują żadne formalności. Gdy jednak interesuje nas elektrownia na grunt, potrzebne będzie pozwolenie na budowę oraz na użytkowanie.
• Informacja dla operatora sieci - jeśli posiadacie już jedno, źródło energii (fotowoltaikę lub elektrownię wiatrową), podłączone do sieci i chcecie je rozbudować, macie obowiązek poinformować o tym fakcie operatora sieci. Jeśli dopiero zaczynacie przygodę z OZE, pamiętajcie o połączeniu instalacji do sieci i wymianie licznika na dwukierunkowy (chyba że Wasza instalacja będzie działać wyspowo - poza siecią). Dlaczego? Jeśli nie wymienicie licznika, a Wasze zapotrzebowanie na prąd nie pokryje produkcji, wszelkie nadwyżki będą przechodzić przez tradycyjny licznik i zostaną zliczone jako zużycie prądu (zapłacicie za wyprodukowane przez siebie nadwyżki).