Technologie fotovoltaických panelů, resp. potenciální důsledky na osobní soběstačnost, mě teoreticky začala zajímat někdy před rokem 2010. Nic jsem tehdy o tomhle tématu nevěděla, a neměla jsem ani pořádné ponětí o souvisejících technických disciplínách, hlavně o elektroinstalaci. Moje tehdejší znalosti byly omezeny na úplné základy elektroniky. Možná jsem tušila, k čemu je dobrý tranzistor nebo dioda, ale o fotovoltaickém jevu, o měničích, o elektrických ochranách a o akumulaci jsem nevěděla téměř nic.
Začala jsem tedy hlavně ze zvědavosti studovat, přečetla si pár knih, četla na internetu, sledovala ceny a dostupnost komponent. V mnohém mi pomohlo fórum pro fotovoltaiky Filipa Procházky, mypower.cz.
Čím víc jsem o začínající technologii věděla, tím víc mě celá ta myšlenka energetické nezávislosti zajímala. Slunce svítí zadarmo a je škoda tu energii nevyužít, existuje-li možnost. A tuto možnost poskytuje vlastní, byť sebemenší střecha nad hlavou. Pravda, nějaké peníze to stojí taky, ale zrovna v tomto případě se dají investice rozložit do dlouhého času, a existuje nemalá naděje, že se investice časem vrátí v podobě ušetřené energie.
Rozhodla jsem se, že to vyzkouším, chtěla jsem si vyzkoušet ten pocit, mít vlastní elektřinu. Říkala jsem si – snad se dá přirovnat k pocitu, dát si na oběd na vlastní zahrádce a vlastníma rukama vypěstovanou zeleninu, nebo na snídani vajíčka od vlastních slepic.
Příprava
V zimě 2010 jsem se začala na důsledky svého rozhodnutí připravovat – začala jsem omezovat spotřebu elektřiny. Ne pohodlí, spotřebu. Energeticky neefektivní žárovky jsem v domě postupně začala nahrazovat svítidly a LED pásky teplé barvy. Tyhle pásky mají tu výhodu, že se dají napájet 12VDC, vybrala jsem výkon 10W/m, a metr téhle pásky svítí jako 70W žárovka, alespoň teoreticky. Po čase jsem se dostala do stavu, že pro napájení všech svítidel v domě mi stačil spínaný zdroj 100W.
Pochopitelně, nebylo to jen o svítidlech, bylo nutné natahat nové rozvody s podstatně větším průřezem vodičů, ale i to se dalo zvládnout postupně, rozhodně to nebylo tak, že bych to zvládla za víkend. Rozhodně jsem tehdy narazila na první, praktický problém: spojování vodičů s velkých průřezem. Protože čím nižší napětí, tím vyšší proudy při stejném přenášeném výkonu, a tím i větší výkonové ztráty na vodiči.
Do průřezů 4mm poslouží běžná krabicová svorkovnice (tzv. věneček), já tahala 10mm kabely, to bylo jiné kafe. Po delší době, po vícero peripetiích, jsem nakonec skončila u můstků na DIN lištu, kterých se dá sehnat vícero typů, i takové, které mají jednu velkorysou svorku pro větší průřezy. Rozvody je nutné samozřejmě i chránit, pro každou větev rozvodu jsem použila pojistkové odpojovače na 10x38mm válcové pojistky s gG charakteristikou, s co nejmenšími proudovými hodnotami. V hlavním rozvaděči, přímo za zdroj, je pak hlavní pojistka pro celý dům, v mém případě tedy 10A. Pochopitelně, tyto pojistky jsou relativně pomalé, takže každý spotřebič má předřazenou ještě svou malou, rychlou pojistku.
Pro nové panely, které jsem v roce 2011 pořídila, jsem měla nachystanou část DC rozvodů.
Panely
Cenově nejvýhodnější byly tehdy amorfní panely. Rozhodla jsem se pro německé panely firmy Schott, s výkonem 100Wp (watt peaků), tzn. s výkonem, který poskytnou při optimálním oslunění. Pořídila jsem dva, takže při plném osvitu jsem měla k dispozici proud 11A při napětí 18V, pokud byly panely zapojeny paralelně. Co s tím v praxi? Inu, zcela přímočaře to nejde, svítilo by to jen ve dne – bez ohledu na nevhodné napětí. Lepší je tím nabíjet baterii.
Panely jsou relativně rozměrné – ty moje mají něco přes přibližně 1x1m. Jsou taky dost těžké kolem 20kg – přece je to jen solidní sklo v hliníkovém rámu. Upevnit panely ve vhodném úhlu na nějakou konstrukci tedy už rozhodně nebyla práce, kterou bych byla schopna zvládnout, ani fyzicky, ani řemeslně. Výrobu konstrukcí a montáž panelů jsem proto koupila. První dva panely šly na zábradlí terasy, která je orientovaná na jih.
Baterie
Psal se rok 2010 když jsem první verzi své elektrárny navrhovala, a tehdy byl jedinou jednoduchou, dostupnou akumulační technologií běžný olověný akumulátor. První chyba, kterou jsem tehdy udělala, byla ta, že jsem dala na reklamy a pořídila dražší, ovšem pro solární aplikace “zaručeně vhodnou” baterii Banner AGM 100Ah. Od běžných auto baterek se lišila tím, že elektrolyt je v ní vázán na rouno a celá je hermeticky uzavřená, neměla tedy ztrácet vodu a má být tedy bezúdržbová a nesla označení deep cycle. Nechci na tomto místě zabíhat do podrobností, ale olovo je pro solární aplikace nevhodná technologie a i při relativně nízké pořizovací ceně se dlouhodobě rozhodně nevyplatí. Více se o tomto tématu rozepíšu zde. Tenkrát jsem nevěděla, že chci-li začít s olovem, bylo by levnější a patrně i udržitelnější začít s obyčejnými bateriemi s tekutým elektrolytem, který se dá průběžně doplňovat a kontrolovat.
Nabíječka
Připojit panely přímo na baterii by asi fungovalo, ale nebyl by to nejlepší nápad, protože by hrozilo, že se baterie přebije. Baterii je nutné nabíjet na hodnoty, které uvádí výrobce, maximálním proudem, který je u olověných baterií 1/10 kapacity baterie (0,1 C), tedy 100Ah baterii max. proudem 10A. Navíc pro baterie, nejen ty olověné, platí určité nabíjecí fáze: nejdřív se baterie v tzv. fázi absorpce nabíjením přivede do absorpčního napětí, u rounových to je nějakých 14,6V, pak se má po určitém čase nabíjecí proud omezit tak, aby se napětí omezilo a drželo na float napětí (u rouna 13,6V). Další důvod, proč nepřipojovat panely na baterii napřímo je ten, že v noci by se baterie přes panely vybíjela.
Tuto práci obstarávají nabíječky baterií, kterým se v kontextu fotovoltaiky říká regulátory nabíjení.
Pořídila jsem levný regulátor CXN-40, tzv. PWM regulátor, který potřebný proud reguloval pulsní modulací. Na proud 40A mi tedy připadl už tenkrát podezřele subtilní a do jeho svorkovniček se vlezly kabely odhadem tak 8mm. Inu, strašlivá čína, ale na pro začátek dobrá zkušenost.
PWM regulátory nijak nepracují s napětím panelů na vstupu – spojují panely nakrátko s baterií vždy v sepnutém stavu spínacích prvků. S reálným výkonem systému to pak poněkud pohne, protože elektrický výkon je, jak známo, součinem napětí a proudu. Moje panely měly svůj bod maximálního výkonu při napětí cca 18V, kdy dávaly něco pod 6A. 18×6 = 108W. Při spojení s baterií nakrátko je tedy napětí určeno napětím baterie, řekněme 13,6V, proud je tentýž = 80W. Přišla jsem tedy o 20% výkonu, a to jen v ideálním případě, v praxi to bývá horší.
Vybíjení
Energie, která se přes den do baterie naakumuluje, se typicky v noci spotřebovává, baterie se tedy vybíjí. To nejhorší, co můžeme jakékoliv baterii udělat, je ji vybít úplně na dno, kdy už její napětí klesne na nulu. Nejen pro olovo to znamená prakticky zničení baterie. Nejen to: čím hlouběji se baterie vybíjí, tím kratší dobu bude sloužit. Je tedy nutné mít možnost automaticky zastavit vybíjení baterie v okamžiku, kdy napětí baterie klesne pod určené napětí.
Ten CXN regulátor měl, jako řada dalších levných regulátorů má i dodnes, výstup load, který je sepnutý tehdy, pokud je baterie v nějakém rozumném napětí, pod kritické napětí regulátor tento výstup vypne. Zapne jej až tehdy, když napětí baterie stoupne na napětí typické pro nabíjení – má tedy velkou hysterezi. Využila jsem tedy tento výstup jako řídící napětí přepínače DC sítí, což bylo jen jednoduché přepínací relé:
Toto fungovalo relativně dobře, i přes fakt, že nastavit na tom regulátoru oba napěťové prahy nebylo možné, regulátor se rozhodoval po čínsku, po svém. Přepínací kontakt relé tedy podle rozhodnutí regulátoru přepínal DC zátěž mezi spínaným zdrojem živeným z veřejné sítě a mezi baterií.
Zkušenosti
Výše popsanou první verzi jsem spustila někdy v únoru 2011, tedy v době, kdy slunce není ještě úplně nejvíce. Pocit to byl ale opojný, protože to vážně fungovalo, a po dni, kdy alespoň nějakou dobu svítilo slunce a baterie se stačila nabít, jsem v noci mohla směle svítila na solární energii. Pravda, takových dnů v únoru nebylo mnoho. Tehdejší spotřebu jsem mohla mít několik málo desítek Wh za noc a maximální okamžitá spotřeba nebyla vyšší než 50W. Na začátek to bylo hezké, ale reálnou energetickou nezávislost to ještě přinést nemohlo.
Jako pokusná laboratoř to taky nesloužilo optimálně, protože regulátor v základní výbavě neměl žádný prakticky použitelné rozhraní, které by umožnilo automatizovaně sbírat data. Časem jsem mu pořídila displej, který už něco ukazoval, ale na automatizovaný sběr dat to tedy nebylo, zapisovala jsem si je do XLS.
Získala jsem ale první praktické zkušenosti s touto výtečnou technologií, postavila si zárodek své vlastní elektrárny, kterou už bylo možné postupně rozšiřovat. A především jsem ochutnala ten pocit, a bylo to báječné.