Słoneczne okna fotowoltaiczne od dwóch lat ogrzewają wodę w mieszkaniu w Bukareszcie

Wsparcie działalności CleanTechnica można zapewnić poprzez subskrypcję na Substacku, Patreonie lub Stripe. Pomóż nam tworzyć wysokiej jakości, oryginalne treści, które publikujemy co tydzień, pomimo wyzwań stawianych przez sztuczną inteligencję do pozyskiwania treści, antyspołeczne media, inflację i inne przeszkody.

Dwuletni projekt pilotażowy w mieszkaniach w Bukareszcie wykorzystuje półprzezroczyste okna fotowoltaiczne do bezpośredniego podgrzewania wody użytkowej w napięciu stałym, przekształcając zwykły zbiornik na wodę w magazyn ciepła bez konieczności użycia inwertera słonecznego lub baterii.

Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL

Dla osób mieszkających w budynkach mieszkalnych wykorzystanie energii słonecznej nie jest tak proste jak w przypadku właścicieli domów, którzy mają dostęp do własnych dachów.

Miliony mieszkańców apartamentowców nie mają własnej dostępnej powierzchni dachu. W wielu przypadkach jedynymi dostępnymi im powierzchniami są balkony, balustrady i okna.

Systemy fotowoltaiczne na balkonach typu plug-in stały się ważną odpowiedzią na ten problem. Jednak rodzą one również inne pytanie: co dzieje się z energią słoneczną, gdy jest wytwarzana w momencie, gdy mieszkanie jej nie potrzebuje?

Od ponad dwóch lat testujemy inne podejście w rzeczywistym mieszkaniu w Bukareszcie, w Rumunii.

Zamiast doprowadzać energię fotowoltaiczną do instalacji elektrycznej mieszkania, półprzezroczyste okna fotowoltaiczne dostarczają zwykły elektryczny grzejnik wody bezpośrednio w napięciu stałym.

Idea jest prosta: wykorzystać sam grzejnik wody jako magazyn energii.

Energia słoneczna wytworzona w ciągu kilku godzin w ciągu dnia jest bezpośrednio przekształcana w ciepło i przechowywana jako gorąca woda do późniejszego użycia.

Pomiędzy szybami fotowoltaicznymi a elementem grzewczym nie ma żadnego akumulatora fotowoltaicznego ani inwertera słonecznego. Strona PV działa poza siecią i nie wprowadza prądu do publicznej sieci energetycznej.

Gdy energia słoneczna jest niewystarczająca, sterownik po zachodzie słońca przełącza ten sam grzejnik wodny na zwykłą sieć prądu przemiennego, aby mógł osiągnąć ustawiony punkt termostatu.

Dwa lata rzeczywistego użytkowania w gospodarstwie domowym

System został zainstalowany na balkonie z szybami zwróconym na południe w Bukareszcie.

Szyby fotowoltaiczne mają nominalną moc zainstalowaną wynoszącą około 845 Wp i dostarczają ciepłą wodę użytkową dla gospodarstwa domowego składającego się z czterech osób, przy codziennym użyciu wody gorącej, w tym jednej kąpieli na osobę dziennie.

We wcześniejszej dokumentacji projektu podana była nominalna moc 683 Wp, oparta na karcie specyfikacyjnej producenta z 2021 roku, dostępnej w momencie zamawiania szyb w 2022 roku. Producent potwierdził później, że dostarczone szyby odpowiadają nowszym modelom o wyższej mocy. Ponowne obliczenie tej samej konfiguracji 11 okien na podstawie aktualnej karty specyfikacyjnej daje wartość około 845 Wp. Ta korekta zmienia nominalną wartość STC, ale nie wpływa na zmierzoną ilość energii dostarczanej do grzejnika wody ani na podaną poniżej ilość ciepłej wody dostępnej do użycia.

Nadzorowaliśmy ten system przez dwa kolejne okresy od października do września.

W latach 2023–2024 okna fotowoltaiczne dostarczyły 446 kWh do grzejnika wody i zaspokoiły 46,7% zapotrzebowania gospodarstwa domowego na ciepłą wodę użytkową.

W latach 2024–2025 dostarczyły one 462 kWh i zaspokoiły 43,7% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.

W obu okresach rodzina była nieobecna przez około miesiąc, co oznacza, że każdy okres pomiarowy od października do września faktycznie odpowiada około 11 miesiącom rzeczywistego użytkowania w gospodarstwie domowym.

Te wyniki są ważne, ponieważ celem systemu nie jest maksymalna natychmiastowa wydajność fotowoltaiczna. Celem jest wykorzystanie jak największej ilości dostępnej energii słonecznej wewnątrz mieszkania.

Korygowana wartość mocy deklarowanej na tabliczce PV również nie wpływa na oddzielne analizy oszczędzania wody i chłodzenia przedstawione później w tym artykule: obliczenia dotyczące zużycia wody opierają się na zmierzonym przepływie i czasie oczekiwania, natomiast model chłodzenia bazuje na powierzchni szkła oraz charakterystykach pozyskiwania ciepła słonecznego, a nie na mocy elektrycznej deklarowanej na tabliczce PV.

Problem samowystarczalności energetycznej na balkonach słonecznych

Niemieckie Umweltbundesamt, czyli UBA – Niemiecka Agencja Ochrony Środowiska, federalny organ ds. ochrony środowiska w Niemczech – stanowi interesujący punkt odniesienia.

Dla południowo zwróconego, pionowo zamontowanego systemu fotowoltaicznego o mocy 800 W na balkonie, UBA szacuje roczną produkcję na poziomie około 532 kWh. Szacuje również, że bez baterii około 240 kWh rocznie – co stanowi około 45% – może być zużywanych bezpośrednio w mieszkaniu.

Powód jest łatwy do zrozumienia.

Konwencjonalny system fotowoltaiczny z wtyczką dostarcza tyle mocy elektrycznej, ile jest potrzebne w momencie, gdy słońce wytwarza energię.

Jeśli system fotowoltaiczny wytwarza 500 W, a mieszkanie zużywa tylko 150 W, gospodarstwo domowe nie może jednocześnie zużyć całych 500 W, chyba że uruchomi się inny obciążenie, energia zostanie zgromadzona lub nadmiar wyeksportowany.

Nasze rozwiązanie zmienia tę relację.

Zamiast próbować dostosować wytwarzanie energii słonecznej do natychmiastowej potrzeby prądu w mieszkaniu, łączymy je z obciążeniem, które może stopniowo pochłaniać energię.

Pompa ciepła jest w rzeczywistości baterią termiczną.

Może otrzymywać 100 W, 300 W lub 500 W przez kilka godzin, gromadzić tę energię w postaci ciepła i dostarczać zgromadzoną gorącą wodę później tego dnia.

To umożliwia produkcję energii słonecznej oraz jej faktyczne wykorzystanie w różnych momentach bez konieczności stosowania baterii elektrochemicznej.

Dlaczego okna fotowoltaiczne różnią się elektrycznie od dwóch tradycyjnych paneli balkonowych

Istnieje jeszcze jeden ważny aspekt tego rozwiązania, który łatwo przeoczyć.

System funkcjonuje szczególnie dobrze nie tylko dlatego, że panele fotowoltaiczne są połączone z grzejnikiem wodnym, ale także dlatego, że szyby fotowoltaiczne mogą zapewnić znacznie lepszą zgodność elektryczną przy bezpośrednim ogrzewaniu wody napięciem stałym w porównaniu z typowym systemem PV na balkonie składającym się z jednego lub dwóch paneli.

Grzejnik wodny elektryczny posiada stały element grzewczy oporowy.

Jako przykład weźmy standardowy grzejnik wodny o mocy 3 kW i napięciu 230 V. Ten sam zasad elektryczny dotyczy również grzejników o innych mocy; wartość 3 kW jest tu użyta jedynie jako wyraźny przykład do porównania.

Jeśli moduły fotowoltaiczne są podłączone bezpośrednio do tego oporu grzewczego, bez inwertera lub aktywnego konwertera DC/DC MPPT, punkt pracy zależy od związku pomiędzy napięciem układu PV a oporem elementu grzewczego.

Oznacza to, że wartość watach podana na modułu fotowoltaicznym nie jest automatycznie wartością watach, które docierają do grzejnika.

Rozważmy dwa konwencjonalne, nowoczesne moduły PV o łącznej mocy nominalnej około 800 Wp.

Dla charakterystyk modułów użytych w naszym porównaniu, podłączenie tych dwóch modułów bezpośrednio do elementu grzewczego grzejnika wody o mocy 3 kW i napięciu 230 V skutkuje maksymalną prądem przekazywanym jedynie około 300 W, pomimo nominalnej mocy tych modułów wynoszącej około 800 Wp.

Dokładna wartość zależy od charakterystyk prądu i napięcia modułów, ale podstawowy problem pozostaje taki sam: dwa konwencjonalne moduły działają przy napięciu stałym, które jest stosunkowo niskie w porównaniu z napięciem wymaganym do prawidłowego dopasowania do rezystancji konwencjonalnego grzejnika wodnego o napięciu 230 V.

Dlatego ich nominalna moc 800 W nie może być wykorzystana efektywnie poprzez proste podłączenie ich bezpośrednio do elementu grzewczego.

Nasza instalacja z fotowoltaicznymi oknami zachowuje się inaczej.

Mimo że skorygowana nominalna moc zainstalowana wynosi około 845 Wp, zmierzyliśmy szczytową moc 499 W dostarczaną bezpośrednio do grzejnika wodnego.

To nie oznacza, że szkło fotowoltaiczne jest z natury bardziej wydajne niż konwencjonalne moduły na krzemie kryształowym. Oznacza to, że konfiguracja elektryczna lepiej odpowiada obciążeniu.

Zamiast jednego lub dwóch stosunkowo wysokomocowych modułów pracujących przy niskim napięciu i wysokim prądzie, szkło fotowoltaiczne zapewnia większą liczbę elementów generujących o niższej mocy.

Można je połączyć elektrycznie tak, aby układ osiągnął znacznie bardziej przydatne napięcie stałe, przy jednoczesnym utrzymaniu umiarkowanej łącznej mocy zainstalowanej.

Umiarkowana moc + odpowiednie napięcie stałe + grzanie oporowe + magazynowanie ciepła.

To połączenie doskonale pasuje do elementu grzewczego wody oporowego.

Dlaczego aktywny MPPT nie jest tu konieczny

Aktywny konwerter MPPT może zwiększyć natychmiastową moc przekazywaną do grzejnika w określonych warunkach oświetleniowych, utrzymując układ fotowoltaiczny bliżej jego dokładnego punktu maksymalnej mocy.

Jednak wzrost natychmiastowej mocy nie przekłada się w sposób jednoznaczny na dodatkową, użyteczną energię roczną. Zbiornik z wodą ma ograniczoną pojemność cieplną, a gdy osiągnięty zostanie ustalony przez termostat punkt temperatury, grzejnik przestaje przyjmować energię. Dlatego dodatkowa moc w południe może sprawić, że zbiornik osiągnie temperaturę wyłączenia wcześniej, zamiast proporcjonalnie zwiększyć roczne samozużycie energii.

W naszej konfiguracji układ fotowoltaiczny oraz rezystancja grzewcza są już na tyle dobrze do siebie dopasowane, że aktywny etap MPPT nie jest konieczny do osiągnięcia celu projektu. Każdy dodatkowy korzystny zysk musi być również rozważony w kontekście własnego zużycia konwertera, strat przy przekształcaniu mocy, dodatkowych kosztów oraz zwiększonej złożoności.

Zmierzona wartość szczytowa 499 W w systemie fotowoltaicznym o mocy około 845 Wp pokazuje, że użyteczna energia może być już przekazywana bezpośrednio do grzejnika przy użyciu bardzo prostej architektury.

Różni się to od przykładu z dwoma konwencjonalnymi panelami. Przy użyciu dwóch modułów o łącznej mocy około 800 Wp gorsze dopasowanie napięć z elementem grzewczym o mocy 3 kW/230 V sprawia, że aktywne przekształcanie mocy staje się znacznie ważniejsze, jeśli celem jest uzyskanie mocy zbliżonej do dostępnej mocy fotowoltaicznej modułów.

Jako alternatywę można połączyć kilka konwencjonalnych modułów szeregowo, aby zwiększyć napięcie układu.

Jednak po zainstalowaniu kilku konwencjonalnych modułów PV o dużej mocy, całkowita dostępna moc staje się znacznie większa. W takim przypadku użycie inwertera i zasilanie wielu gospodarstw domowych jest zazwyczaj bardziej sensowne niż przeznaczenie całego układu wyłącznie na jeden grzejnik wody.

Dlatego uważamy, że połączenie szyb fotowoltaicznych z bezpośrednim ogrzewaniem wody napięciem stałym jest szczególnie naturalne.

Szyby fotowoltaiczne → napięcie stałe → element grzewczy → zgromadzona gorąca woda.

To nie jest argument przeciwko konwencjonalnym panelom PV na balkonie

Konwencjonalne panele PV na balkonie to doskonałe rozwiązanie, które umożliwiło korzystanie z energii słonecznej osobom, które nie posiadają dachu.

Także nie twierdzimy, że konwencjonalne moduły nie mogą być używane do bezpośredniego ogrzewania wody napięciem stałym. Mogą to robić.

Gdy złączy się wystarczającą liczbę modułów szeregowo, dobierze się odpowiedni opór grzewczy lub użyje aktywnej elektroniki zasilającej typu DC/DC, konwencjonalne moduły również mogą skutecznie podgrzewać wodę.

Różnica polega na tym, że typowy system balkonowy składający się z jednego lub dwóch konwencjonalnych modułów o dużej mocy nie jest naturalnie dostosowany do standardowego elementu grzejnego o napięciu 230 V.

Szkła fotowoltaiczne zajmują inną niszę elektryczną.

Fasada lub balkon mogą zawierać kilka elementów szkła fotowoltaicznego, dostarczając niezbędnego napięcia do bezpośredniego podgrzewania, bez konieczności tworzenia jednocześnie układu PV o mocy kilku kilowatów.

To sprawia, że ten pomysł jest szczególnie interesujący w przypadku mieszkań.

Zachowywanie energii w wodzie zamiast w baterii

Zbiornik na wodę zmienia również sposób, w jaki powinniśmy podchodzić do doboru rozmiaru systemów fotowoltaicznych.

W tradycyjnym systemie elektrycznym użytkownicy często dążą do osiągnięcia maksymalnej możliwej mocy natychmiastowej.

W przypadku bezpośredniego ogrzewania wody słonecznej nie jest to koniecznie pożądane.

Jeśli duży zestaw paneli PV całkowicie nagrzeje zbiornik do południa, dodatkowa energia wytworzona później w ciągu dnia nie może być już wykorzystana przez ten dedykowany obciążenie.

Z kolei bardziej umiarkowany system fotowoltaiczny może dostarczać energię przez wiele godzin – grzejnik stopniowo gromadzi tę energię.

Dlatego ważną miarą nie są tylko szczytowe wartości mocy, ale także użyteczne kilowatogodziny zgromadzone w ciągu dnia.

Wyniki z Bukaresztu to ilustrują. System składający się mniej więcej z 845 Wp paneli fotowoltaicznych zamontowanych w oknach, który osiągał mierzony szczyt 499 W w grzejniku, dostarczył 446 kWh w pierwszym okresie pomiarowym oraz 462 kWh w drugim.

To wystarczyło, aby pokryć odpowiednio 46,7% i 43,7% zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową w gospodarstwie czteroosobowym.

Istnieje również korzyść w postaci oszczędności wody

Eksperyment ujawnił także inną korzyść, która ma niewiele wspólnego z efektywnością fotowoltaiczną.

Zanim zaczęto używać lokalnego grzejnika wody, mieszkanie korzystało z ciepłej wody dostarczanej centralnie.

Jak to bywa w wielu budynkach mieszkalnych, mieszkańcy musieli pozostawiać wodę płynącą, czekając, aż do prysznica dotrze wystarczająco gorąca woda.

W naszym studium przypadku z Bukaresztu pomiary wykazały, że przepływ wody pod prysznicem wynosił 6,7 litra na minutę, a aby temperatura wody osiągnęła około 43°C, potrzebne było około pięciu minut pod koniec września.

Na podstawie tej pomiaru oraz sezonowo wyliczonych czasów oczekiwania wynoszących około pięciu do ośmiu minut, model badawczy oszacował, że rocznie przepływa około 62,1 metra sześciennego wody podczas tych okresów oczekiwania dla gospodarstwa domowego składającego się z czterech osób, przy jednym prysznicu na osobę dziennie.

To nie jest wartość uniwersalna. Czasy oczekiwania znacznie się różnią w zależności od budynku, długości rur, systemu cyrkulacji oraz warunków eksploatacji.

Jednak mechanizm jest uniwersalny.

Jeśli gorąca woda jest wytwarzana lokalnie i przechowywana w niewielkiej odległości od prysznica, czas oczekiwania może stać się praktycznie zaniedbywalny.

W naszym przypadku lokalny grzejnik wodny o pojemności 80 litrów zapewnia zatem korzyść wykraczającą poza energię słoneczną: znacząco zmniejsza ilość marnowanej wody podczas oczekiwania na przybycie centralnie dostarczanej gorącej wody.

Szkło fotowoltaiczne pełni również funkcję ochrony przed słońcem

Szyby fotowoltaiczne mają jeszcze jedną cechę, której nie posiadają konwencjonalne, niewidzialne moduły PV montowane po prostu na balkonie.

Stają się częścią otoczenia budynku.

To samo szkło, które wytwarza energię elektryczną, jednocześnie zmniejsza ilość promieniowania słonecznego dostającego się do mieszkania.

Odrębnie przeprowadziliśmy modelowanie tego efektu dla mieszkania w Bukareszcie.

Południowa, szklana fasada ma około 12,9 m² powierzchni szkła, w tym 7,92 m² półprzezroczystego szkła fotowoltaicznego.

Zgodnie z założeniami stosowanymi w badaniu, zastąpienie konwencjonalnego, przezroczystego szkła szkłem fotowoltaicznym zmniejsza ilość ciepła słonecznego przenikającego przez całą szklaną fasadę o około 40%.

Dla konkretnego mieszkania oraz założeń dotyczących funkcjonowania klimatyzacji użytych w modelu, oznacza to szacunkowe zmniejszenie zużycia energii na chłodzenie o około 433–481 kWh na sezon letni, przy średniej wartości około 457 kWh.

Tych danych uzyskano na podstawie obliczeń, a nie pomiarów faktycznych oszczędności energii. Ta różnica jest istotna.

Mimo to obliczenia te ilustrują kluczową cechę fotowoltaiki zintegrowanej w budynkach.

Szkła mogą wytwarzać energię elektryczną i jednocześnie zmniejszać obciążenie chłodnicze.

Dla mieszkań z dużymi powierzchniami szklanymi zwróconymi na południe, wschód lub zachód oraz występującym u nich znacznym przegrzewaniem latem, ta dodatkowa korzyść może być szczególnie istotna.

Okna i balustrady to powierzchnie, których mieszkańcy mogą faktycznie korzystać

Dach nie jest jedynym miejscem, gdzie budynek otrzymuje promieniowanie słoneczne. Fasady mieszkań również je otrzymują.

Szkła fotowoltaiczne można zintegrować w stałych elementach okiennych, osłonach balkonowych lub szklanych balustradach.

Dzięki temu wykorzystuje się powierzchnie, które już pełnią funkcję architektoniczną.

To nie oznacza, że szkła fotowoltaiczne nadają się do każdej fasady. Należy wziąć pod uwagę orientację, zaciemnienie, przejrzystość, wygląd architektoniczny oraz aspekty ekonomiczne.

Jednak w przypadku mieszkań z dużą ilością szkła wystawionego na słońce, fasada może stać się powierzchnią wytwarzającą energię bez konieczności dostępu na dach.

A gdy ta energia elektryczna jest wykorzystywana lokalnie do podgrzewania wody w domu, system nie musi polegać na jednoczesnym zużyciu prądu w gospodarstwie domowym.

Po prostu – prosta architektura

Jednym z celów naszego projektu pilotażowego było unikanie niepotrzebnych komponentów.

Za stroną fotowoltaiczną nie ma baterii ani inwertera słonecznego. Energia fotowoltaiczna jest bezpośrednio wykorzystywana w napięciu stałym przez element grzewczy oporowy.

Gdy energia słoneczna jest niewystarczająca, sterownik automatycznie przełącza grzejnik na sieć prądu przemiennego po zachodzie słońca, aby osiągnąć temperaturę ustaloną przez termostat kotła.

Koncepcja automatycznego przełączania między zasilaniem fotowoltaicznym napięciem stałym a siecią prądu przemiennego została również uwzględniona w wniosku o patent w Rumunii opublikowanym przez Rumuńskie Urząd ds. Wynalazków i Znaków Towarowych.

Jednak najważniejsza część tej koncepcji jest prostsza niż sam system przełączania.

Chodzi o połączenie generatora fotowoltaicznego zintegrowanego z fasadą o odpowiednich właściwościach elektrycznych napięcia stałego, prostej obciążenia rezystancyjnego oraz taniego systemu magazynowania ciepła, którego gospodarstwa domowe potrzebują już codziennie.

Mieszkania powinny być częścią przejścia na energię słoneczną

Większość dyskusji na temat fotowoltaiki w budynkach mieszkalnych nadal zaczyna się od dachu.

To dobrze sprawdza się w przypadku domów jednorodzinnych. Dla milionów ludzi mieszkających w budynkach mieszkalnych nie rozwiązuje to problemu.

Balcony Solar już pokazało, że mieszkańcy apartamentowców chcą mieć dostęp do własnej produkcji energii odnawialnej.

Następnym pytaniem jest to, jak w najskuteczniejszy sposób wykorzystać ograniczoną powierzchnię słoneczną, która jest im dostępna.

Nasz projekt pilotażowy w Bukareszcie proponuje jedne z możliwych rozwiązań.

W ciągu dwóch kolejnych okresów pomiarowych okna fotowoltaiczne dostarczyły odpowiednio 446 kWh i 462 kWh energii bezpośrednio na ogrzewanie wody użytkowej, zaspokajając 46,7% i 43,7% zapotrzebowania gospodarstwa domowego na energię do podgrzewania wody.

Gospodarstwo domowe składa się z czterech osób, które codziennie korzystają z gorącej wody.

To samo rozwiązanie zapewnia również osłonę przed słońcem, a lokalna produkcja gorącej wody może zmniejszyć straty wody związane z oczekiwaniem na wodę dostarczaną centralnie.

Najważniejsze jest to, że system pokazuje, iż energia fotowoltaiczna nie zawsze musi być przekształcana na prąd przemienny, przechowywana w baterii lub eksportowana do sieci, aby stać się przydatna.

Czasami najskuteczniejszy system przechowywania znajduje się już w mieszkaniu.

Jest to zbiornik na wodę.

A w przypadku szyb fotowoltaicznych połączenie wyższej użytecznej napięcia stałego prądu, umiarkowanej mocy oraz magazynowania ciepła może sprawić, że bezpośrednie wykorzystanie prądu stałego stanie się jednym z najnaturalniejszych sposobów wykorzystania wytwarzanej energii.

Najcenniejszy kilowatogodzinę słoneczną może nie być ta wyprodukowana przez największy system – może to być ta wygenerowana na balkonie, przechowywana jako gorąca woda i użyta przez tę samą rodzinę kilka godzin później.

Miesięczne pomiary oraz szczegółowe obliczenia pomocnicze są dostępne u autora na żądanie.