Solární elektrárna ostrovního domu.
Ostrovní fotovoltaická elektrárna jako jediný zdroj proudu rodinného domu.
Již pět let žijeme v domě, kde solární fotovoltaická elektrárna je jediným zdrojem elektřiny. Jen jako zálohu máme diselovou elektrocentrálu. Nevede k nám žádná přípojka, a tak jsme odkázáni pouze na sebe.
Jsme běžná tříčlenná rodina, se ženou většinou pracujeme doma, takže i během dne běží počítače a další kancelářské spotřebiče.
Elektrárna má výkon 2.5 kWp. Systém tvoří 46 panelů z amorfního křemíku, nabíjecí měniče baterií, baterie na 24V, měnič, který z napětí baterií vyrábí běžných 230 V a další části viz schema.
Celý systém jsme postupně vyvinuli tak, že jsme s ním spokojeni. Je spolehlivý a po většinu roku si elektrárny nemusíme vůbec všímat. Jen v zimě je potřeba ometat sníh z panelů a dolévat naftu a olej do elektrocentrály. V zimě 2010 - 2011 centrála pracovala dohromady přibližně dvě stě hodin. To je při průměrné spotřebě 0.7 l/h zhruba 140 l nafty. Pokud bychom zvýšili počet panelů a nebo je naklonily ke slunci, bylo by to ještě méně.
Na druhou stranu je potřeba říct, že slunci a tedy dostatku proudu je potřeba přizpůsobit život a člověk se začne chovat ekologicky, protože mu nic jiného nezbývá.
Nejlevnější je ta energie, která se nemusela vyrobit. Proto při návrhu energeticky nezávislého domu je nutné v první řadě minimalizovat spotřebu, a teprve potom navrhovat celý systém.
Zkusím zde podrobněji popsat jednotlivé komponenty elektrárny a přiblížit proces návrhu systému.
Před vlastním návrhem je nutné zamyslet se nad možnými úsporami. Náš dům dokazuje, že většinu energie, která se spotřebuje v běžné domácnosti jde ušetřit bez snížení standardu. Je především potřeba:
1: Nahradit elektřinu všude, kde se z ní vyrábí teplo. Jde o topení, ohřev TUV a vaření. Pro ostrovní dům je nevhodné i použití tepelných čerpadel na topení. Je vhodné koupit pračku s přívodem teplé vody, aby ji nemusela ohřívat elektřina. Takové pračky se vyrábějí, ale my jsme použili běžnou pračku, vypnuli ohřev vody a napouštíme teplou vodou přes termostatickou baterii. Oproti pračce s přívodem teplé i studené vody máme jen větší spotřebu teplé vody, protože v ní i mácháme. Pračka již tři roky spolehlivě pere. Vaříme na celoplynovém sporáku na propan-butan. Rychlovarnou konvici nemáme. Jedinou nevýhodu plynových spotřebičů vidím v jejich malém sortimentu a v neexistenci vestavbových spotřebičů.
2: Omezit spotřebu především u spotřebičů, které pracují dlouhodobě. Jedná se především o ledničku, počítače, různá čerpadla topení, ventilátory a technologie domu. Tady se vyplatí koupit nová maximálně úsporná zařízení. Například u ledniček nastal v poslední době značný pokrok. Je potřeba si dát pozor i na nenápadné spotřebiče, které jsou trvale pod proudem. Například jsme koupili bezdrátový zvonek, který měl trvalý odběr 17W. Pokud odběr vynásobíte 24h, tak každodenně spotřebuje 0,4 kWh. Pro srovnání naše lednička spotřebuje 0,6 kWh. Bezdrátový zvonek jsme vyhodili.
3: Navrhnout systémy tak, aby se elektřina spotřebovávala v době, kdy je jí dostatek. Například vodu čerpáme z hlubokého vrtu ponorným čerpadlem o příkonu 1200 w do kubíkové nádoby v průměru jednou za dva dny a teprve z ní menším čerpadlem domácí vodárny. Stejně tak pračku pouštíme v době dostatku proudu.
4: Používat úsporné osvětlení. Výborné jsou LED žárovky, především do pomocných prostorů, protože mají zatím menší svítivost. Velmi vhodné jsou také klasické úsporné žárovky. Problémy jsme měli s lineárními zářivkami, které by byly teoreticky ideální, ale vyžadovaly tak velké rozběhové proudy, že na rozsvícení čtyř zářivek 18 W s elektronickými předřadníky nestačil ani měnič s výkonem 1600 W.
5: Navrhnout rozvody elektřiny tak, aby se daly centrálně ovládat spotřebiče, které je vhodné zapínat v době dostatku proudu. Například pračka, čerpadlo studny... by měly mít k zásuvce od rozvaděče samostatný přívod, který lze zapínat a vypínat. Tento systém je vhodnější než novodobé inteligentní rozvody, protože nemá ve vypnutém stavu žádný odběr proudu.
V ostrovním domě, kde elektřinu vyrábějí fotovoltaické panely, se její dostupnost s dobou mění jak během dne, tak během roku. Nejvíce energie je v létě, kdy je problém všechnu spotřebovat, nejméně v prosinci, kdy musí s výrobou pomáhat elektrocentrála. Aby se překlenula doba, kdy slunce nesvítí, nebo svítí málo je potřeba energii ukládat. Zatím jedinou možností jsou baterie.
Navrhnout systém tak, aby panely pokryly spotřebu domu zcela i v prosinci je neekonomické, protože by to znamenalo výrazně zvýšit počet panelů a po zbytek roku by pro elektřinu nebyl rozumný užitek.
(Díky dotacím od státu se to do konce roku 2010 vyplácelo, protože bylo jedno, jak jste elektřinu spotřebovali a zelené bonusy jste dostali. V roce 2011 byla podpora ostrovních systémů zrušena zcela, což byl druhý nesmyslný extrém. V roce 2012 podporu stát opět obnovyl (od 30.5), ale jen pro elektrárny které již podporu dostávali před zrušením v roce 2011. Takže na nové ostrovní systémy zelené bonusy nejde získat.
Navíc jsou v zimě dny, kdy elektrárna nevyrobí téměř nic a přesto je potřeba vyprat, načerpat vodu. Případně jsou chvíle, kdy je potřeba zapnout jednorázově velký spotřebič, který systém nezvládne.
Proto je potřeba do systému přidat elektrocentrálu, která v době, kdy nesvítí slunce, dobije baterie a umožní provoz na energii náročných spotřebičů. Centrála je nezbytná i pro zajištění životnosti baterií a jako záložní zdroj, který zvýší spolehlivost.
Protože se elektrocentrály běžně vyrábějí jen na 230V, je potřeba přidat ještě nabíječ baterie.
Abychom nemuseli neustále sledovat kolik proudu panely vyrábějí, vyvinuli jsme průmyslový automat, který to dělá za nás - sleduje nabití baterií a kolik proudu mohou dodat panely, a podle toho zapíná a vypíná spotřebiče případně nastartuje, nebo vypne elektrocentrálu.
Spotřebiče jsem si pro jednoduchost rozdělil do tří skupin:
1. Ty které musí pracovat vždy když je spustím - lednička, osvětlení, rádio, televize, počítače..
2. Spotřebiče které mohou se spuštěním počkat do doby, kdy je dostatek elektřiny - pračka, filtrace vody v bazénu, myčka nádobí, čerpání vody ze studny do nádrže v domě.
3. Spotřebiče, které spotřebují nadbytek proudu, který vzniká v létě - ohřívání teplé vody, nebo bazénu.
Návrh systému:
Domovní systém tvoří vlastně tři okruhy s různým napětím. Okruh panelů, ve kterém je u nás až 120 V DC. Z něho se dobíjejí baterie pomocí MPPT nabíječek. Okruh baterií u nás pracuje na 24 V DC. Třetí okruh jsou běžné rozvody v domě na 230 V AC napájené měničem.
Pro návrh je potřeba nejprve odhadnout spotřebu domu v zimním období. Nejjednodušší je vytvořit si tabulku se seznamem spotřebičů a jejich příkony vynásobit odhadnutým počtem hodin jejich provozu. Nejdůležitější jsou spotřebiče, které pracují nepřetržitě byť mají malý příkon. Nesmí se zapomenout na technologie domu. Počítáme jen spotřebiče potřebné v zimním období, protože v létě je většinou energie nadbytek. Po sečtení nám vyjde přibližná spotřeba. Náš dům například denně v zimě spotřebuje 2,5 - 3 kWh.
Další důležitý údaj je maximální okamžitý příkon domu včetně navýšení o rozběhové proudy. Ten je nutný znát pro návrh výkonu měniče. Čím má měnič větší výkon, tím je dražší a má většinou i větší spotřebu, proto je rozumné navrhnout ho co nejpřesněji. Tady je situace o trochu obtížnější. Je potřeba vzít v úvahu všechny velké spotřebiče, především s elektromotory. Rozběhové proudy se liší podle provedení motorů a činí běžně 2-3 násobek uváděného příkonu, ale mohou být i mnohem větší. V případě velkých motorů je rozumné omezit jejich rozběhové proudy elektronicky. V našem domě jsou limitní spotřebiče: čerpadlo ve studni s příkonem 1200W a čerpadlo domáci vodárny 600W. K jejich současnému provozu stačí měnič 2500W stálého výkonu, krátkodobě dvojnásobek.
S rozběhovými proudy dále souvisí přepěťová ochrada domu, kterou je nutné vyřešit. V prvních měsících provozu nám shořely pojistky v některém elektronickém zařízení snad každý týden. Největší nebezpečí představují chvíle, kdy se přepíná z jednoho zdroje napájení na jiný (centrála / měnič), a nebo ještě hůře situace, kdy dojde nafta v elektrocentrále a ta není odpojená automatem, ale sama "chcípne".
Pokud známe příkon domu můžeme zvolit potřebný výkon panelů. Ideální je orientace směrem na jih a sklonu okolo 45 stupňů. Větší sklon než běžně udávaných 35 stupňů je z toho důvodu, že potřebujeme energii především v zimě, kdy je slunce nízko nad obzorem. (Naše panely jsou ale umístěny vodorovně, protože jsme nechtěli, aby byly vidět a raději jsme oželeli výkon, ale je to znát především uprostřed zimy).
Průměrná denní výroba panelů by se měla alespoň rovnat spotřebě domu v zimních měsících Výrobu panelů si můžete spočítat zde.
Tabulka je velmi jednoduchá na vyplnění. Pro určení Vašeho stanoviště zadejte nejbližší město, a nebo si najděte na mapách v seznamu GPS souřadnice. Pokud budete měnit parametry systému, tak okamžitě uvidíte, jak se to projeví na výkonu v jednotlivých měsísích. Není tak důležité jaké panely se použijí, důležitý je jejich výkon. Zároveň je vidět, že ani přesná orientace není nutná.
Nyní je potřeba se rozhodout pro napětí baterií. Předpokládám, že v celém domě budou běžné spotřebiče na 230 V. (I my jsme uvažovali o možnosti provozovat alespoň osvětlení na stejnosměrné napětí, ale zavrhli jsme to, protože lednička, čerpadlo topení, větrání a další spotřebiče pracující na 230 V musí stejně pracovat nepřetržitě. Mnoho bychom proto neušetřili, ale domovní rozvody by byly složitější).
Se stoupajícím napětím baterií klesají ztráty v rozvodech a i baterie se lépe navrhují, protože potřebují články s menší kapacitou, ale zase jich je víc. Nejběžněji se používá napětí 12 V. Ale to je vhodné jen pro opravdu malé systémy. Pro naší potřebu připadají v úvahu napětí 24, 36 a 48 V. Systém v našem domě pracuje s 24 V. (Volbu u nás ovlivnila především dostupnost měniče).
Výběr baterie, která je naší zásobárnou energie si zaslouží samostatný článek. Doporučil bych koupit klasickou olověnou trakční baterii s tekutým elektrolitem. Při výběru baterie je rozhodující ůdaj o garantovaném počtu ciklů. Protože ten vypovídá o tom, jak dlouho nám baterie vydrží pokud se o ni budete dobře starat, tedy ji správně nabíjet a vybíjet.
Nyní ke kapacitě baterie. Tady platí to samé co o panelech - čím více, tím lépe.
Příliš malá baterie nestačí překlenout období bez sluníčka a musí se zapínat elektrocentrála. Navíc za stejné období prodělá víc ciklů vybití - nabití a proto má nižší životnost. Velikost ovlivňuje především cena, protože ani správně navržená baterie nevydrží pracovat déle než několik let. Vzhledem k tomu, že mojí současnou baterii provozuji teprve druhým rokem, tak nemám osobní zkušenost s celkovou životností, ale předpokládám okolo pěti let. První dva roky jsem nejprve experimentoval s jinými typy baterií, ale o tom napíši samostatný článek.
Za minimálně dostatečnou považuji takovou kapacitu, aby se do baterie vešla energie dvoudenního provozu domu. To v praxi umožní jednodenní provoz, protože:
1. Baterii nesmíme vybíjet více než z 80 ti procent, protože potom rapidně klesá její životnost.
2. Musíme počítat se ztrátami na měniči. (Nenechte se mýlit udávanou účinností 95 procent, protože to platí jen při optimálním zatížení měniče, ale ne když na měnič o výkonu 2500 W rozsvítíte 20 ti watovou žárovku.)
3. Baterie jak stárne, tak jí klesá kapacita a proto musíme počítat s určitou rezervou, aby nám stačila i po letech.
4. Baterie nemusí být vždy před vybíjením plně nabita, i když z hlediska její životnosti je to žádoucí.
Podle baterie musíme naprogramovat nabíjecí měnič, který převádí napětí od panelů na nabíjecí napětí baterií. Tato část systému je velmi důležitá, protože jen kvalitní nabíjecí měnič, který nabíjí baterie v několika režimech podle stupně nabití zaručí dlouhou životnost baterií. Navíc měnič MPPT dokáže z panelů vytěžit daleko víc energie, protože pracuje vždy s optimálním napětím. (Běžně u nás nabízené regulátory nabíjení umějí většinou jen vypnout nabíjení baterie při dosažení nastaveného napětí a pro naře účely jsou naprosto nevhodné). Pokud není nabíjení a vybíjení baterie přesně kontrolováno, tak se životnost baterie může velmi zkrátit. Potom můžete na internetu číst o lidech, kteří baterii zničili již za půl roku a mají pocit, že baterie byla nekvalitní.
Celý systém ostrovního domu se točí okolo baterie a její obsluhy.
Pokud máme navrženou baterii a její nabíjení od sluníčka, tak musíme vyřešít nabíjení v době, kdy je sluníčka málo. To řeší elektrocentrála. Musí být úsporná, tedy na plyn, nebo naftu. Musí mít automatický start , protože ji bude ovládat průmyslový automat. Pro automatický start se dá centrála dodatečně upravit, ale musí mít elektrický startér.
Je vhodnější centrála jednofázová. Její výkon musí stačit na nabíjení baterií a současně běžný chod domu a některý velký spotřebič. Pokud bude centrála pracovat tak bychom z ní měli odebírat víc neč polovinu jejího nominálního výkonu, jinak pracuje neefektivně.
Centrálu umístíme tak, aby svým hlukem nevadila. Nejlépe do odhlučněné místnosti. Musíme od ní vytáhnout výfukové potrubí, do něho zařadit další tlumič hluku a vyřešit odvod kondenzátu, který se ve výfuku tvoří a pokud to neuděláme může motor centrály zničit.
Nyní celý systém zapojíme a přidáme průmyslový automat, který systém hlídá a řídí.
Toto je velmi zjednodušený popis jak celý systém funguje. Mám v ůmyslu v nejbližší době napsat samostatné články o jednotlivých částech systému, jako jsou baterie, měniče, nabíjecí měniče a další prvky životně důležité pro stavbu ostrovní elektrárny, protože mne shromáždění informací stálo nemalé ůsilí a několik mylných rozhodnutí.