Další panely
Už létě prvního roku došlo ke zlevnění fotovoltaických panelů: ty, které jsem použila pro prototyp, stály nyní přibližně polovinu. S amorfními panely jsem byla spokojená, fungovaly podle očekávání, byly od solidní evropské firmy, neměla jsem důvod ke změně technologie. A začala jsem přemýšlet o rozšíření. V té době jsem už chovala slepice, a potřebovala jsem postavit malou stavbičku na uskladnění sena na podestýlku. Spojit seník s konstrukcí pro panely bylo logické, tak se i stalo. Seník jsem navrhla tak, aby jeho střecha byla obrácená střechou 4m2 (4 panely) k jihu v úhlu přibližně 45°, navíc je to nízká stavba, takže pozdější montáž panelů jsem zvládla sama s pomocí přátel.
Tehdy jsem stále provozovala onen PWM regulátor CXN, takže to nebylo možné zapojit jinak než všechny panely paralelně. Kabelová trasa od seníku do domu je dlouhá přes 30 metrů, pro plánovaný proud téměř 20A bylo tedy potřeba použít přiměřeně silnou kabeláž. Zkuste si to spočítat, jaké by byly potřeba průřezy, aby byla ztráta na trase nižší než 5%… O práci, kterou nás stálo to vykopání trasy v místní kamenité jílovici tvrdé v létě jak beton, se zde rozepisovat nebudu, ale hned tak na ni nezapomenu.
Ano, bylo to hodně pracné, ale podařilo se. K dispozici bylo tedy 600W při napětí 18V, kvůli PWM technologii regulátoru tedy kolem 500W. A s tím už se dá leccos dělat. Proudem 30A nabíjet jedinou 100Ah olověnou baterii ovšem není úplně dobrý nápad, proto jsem přidala další stejné olovo paralelně.
Regulátor
Při těchto vyšších proudech se už začaly naplno projevovat limity čínského PWM regulátoru. Za prvé: je úplně jedno, co píšou v prospektech, reálné hodnoty jsou jiné. Můj kousek CXN, ačkoliv měl zvládat 40A, se zastavil na 25A a měřák prozradil i další nepředloženosti, které s bateriemi dělal. Navíc, při vysokých výkonech už byl PWM signál znatelný jako rušení v DC obvodech domu. Proto jsem se ještě koncem roku 2012 rozhodla pořídit si pořádný MPPT regulátor.
MPPT regulátor (Maximum Power Point Tracker), na rozdíl od levnějších PWM, obsahuje výkonový DC-DC měnič a je schopen najít napětí, na kterém připojené pole poskytuje maximální výkon. Na tomto napětí drží svůj vstup, a přes DC-DC měnič pak nabíjí baterii. Vstupní rozsah napětí je přitom relativně velký – tehdejší regulátory téhle kategorie nabízely max. napětí panelů až 150V. Přínos MPPT regulátorů je tedy dvojí – zužitkuje se maximální výkon panelů a navíc je možné panely zapojit do série, snížit tak proudy na kabeláži od panelů k regulátoru a snížit tomu úměrně i ztráty na vodiči. Pořídila jsem regulátor od americké firmy Tristar. Už na první pohled dává najevo, že to není žádná čína, svorkovnice robustní, takže bylo možné připojit i kabely s průřezem 35mm do baterie. S tímto strojkem tedy skončila doba prototypu definitivně.
Jednu věc ovšem nový Tristar nenabízel – totiž výstup load, takže bylo třeba vymyslet vlastní schéma podpěťové ochrany s hysterezí, která zajistí, aby se baterie nemohly vybít pod definované napětí. To se mi podařilo, ovšem komplikovaně kombinací časového a napěťového relé.
Rozvaděč
Nové panely přinesly další kabeláž a vůbec se celé to řešení technicky komplikovalo, takže bylo potřeba vyrobit prostorný DC rozvaděč. Nejdřív schéma:
Schéma se komplikuje o různé LED signálky, které umožňovaly vyčíst, v jakém režimu se celý systém nachází, a jaký je reálný stav systému. Některé z těch signálek potřebovaly i vlastní malá relátka, vážně, bylo to velmi nepřehledné a komplikované a dávám to sem vlastně hlavně z nostalgie a taky jako varování pro ty, kteří mají ambice si postavit podobné zařízení taky “analogově”. V reálu to dopadlo takto:
První verze DC rozvaděče
Rozvaděč tak umožňoval relativně jednoduše kontrolovat stavy elektrárny, ručně nebo automatizovaně přepínat DC zátěž mezi záložní zdroj a baterii, a byl připraven i na řízení měniče.
Měnič
S novým regulátorem tedy už 600W solárního výkonu poskytovalo od jara do podzimu denně daleko víc elektřiny, než bylo možné spotřebovat DC spotřebiči. Pro převod 12VDC na 230VAC slouží zařízení, česky zvané měniče. Měniče jsou v zásadě dvojího typu, tzv. offgrid a ongrid. Ty první pracují zcela nezávisle, zatímco ty druhé se umí přifázovat k jiné AC síti a dodávat proud do ní. Jen na okraj – dnes už tohle dělení není tak jednoduché, vznikly další typy měničů s nejrůznějšími provozními režimy. Nehledě na to, že dnes se měničem označuje zařízení, které v sobě obsahuje jak regulátor, měnič i síťovou nabíječku baterie.
On-grid měničům zejména legislativa v naší zemi zrovna nepřeje, v době před 10 lety nebylo vůbec možné takové měniče k síti legálně připojit bez živnostenského listu a nejrůznějších certifikátů a administrativních povolení. Nejen z těchto důvodů, ale především s vizí energetické soběstačnosti jsem měla jasno, že chci dále rozvíjet autonomní elektrárnu a rozhodla jsem se jednoznačně pro off-grid řešení.
Pořídila jsem sinusový Volcraft 600, který měl ovšem problém rozjet lednici. Proto jsem později pořídila další Volcraft 1200W. A bylo potřeba vyřešit další problém: přepínání sítí.
Přepínač sítí
Představa, že 230VAC síť je možné přepínat elektromechanickým relátkem podobně jako DC sítě, je technicky nejen naivní, je v případě, že to někdo takto skutečně i udělá, nebezpečná. Nebudu se tu o těch technických důvodech příliš rozepisovat, protože se dají vyčíst jinde. Postačí, pokud jen zmíním, že přepínač sítí musel splňovat následující požadavky: za prvé: obě sítě se nesmí v žádném případě ani na okamžik potkat – zničilo by to měnič, ne-li něco horšího (neblahých scénářů, končících životem pod mostem mě napadá celá řada). Je nutno zmínit, že sítě se nemusí potkat jen na kontaktu, ale i přes elektrický oblouk mezi kontakty.
Za druhé: přepínač se musí přepnout na provoz z měniče automaticky tehdy, pokud měnič dodává proud, v situaci, že měnič vypadne, se musí přepnout na veřejnou elektrickou síť. V první verzi jsem oželela tu automatiku a přepínala sítě velmi robustním ručním přepínačem sítí s nulovou polohou, šlo to tak ztuha, že před přepnutím bylo potřeba se dobře nadechnout.
Později jsem navrhla i schéma podporující automatizaci. Rozumy jsem tehdy tahala od elektrikářů motajících se na Filipově fóru, kteří mi nakonec posvětili následující podobu přepínače:
Přepínač sítí
Samotné přepínání realizuje tedy dvojice vzájemně elektricky i mechanicky blokovaných stykačů, elektrické blokování stykače K1, který připojuje AC síť měniče, je impulsně přerušené časovým relé K3, které po zapnutí měniče nejdříve odpojí domácí rozvody od veřejné sítě (vypne K2), což umožní sepnutí K1. Poté, co se stykače přestaví, už není řídící signál zapotřebí, stykače se blokují elektricky i mechanicky. V procesu přestavování stykačů je tedy na okamžik je celý přepínač ve stavu, kdy jsou domácí rozvody bez proudu – má kýžený nulový stav. Čas je to natolik dlouhý, aby to bylo bezpečné, a současně natolik krátký, aby to nevadilo spotřebičům – je určen součtem rychlosti vypnutí a zapnutí stykačů. Odhaduju něco kolem 100ms, možná i déle. Běžně si toho spotřebiče ani nevšimnou.
Zcela automatizované přepínání sítí ale vyžaduje, aby si elektrárna uměla měnič zapínat a vypínat podle stavu baterie. Vybírala jsem takové měniče, které to umožňují tak, že mají vyvedené tzv. remote řídící kontakty, které stačí propojit, aby se měnič spustil. Na schématu toho starého rozvaděče k tomuto účelu sloužila relé RL4 a RL5 (už si nepamatuju, proč tam byla dvě).
Zkušenosti
600Wp elektrárna už nebyla zkušebním prototypem, ale vskutku praktickou věcí: v měsících od března do října byla schopná pokrývat významnou část spotřeby celého domu i v noci, protože jsem byla schopná výměnou starých spotřebičů významně snížit spotřebu. Od roku 2012 jsem začala sbírat data, za celý rok 2012 byla výroba téměř 0,5MWh:
měsíční výroba 2012
Celý systém měl ale stále své mouchy: nebyl uspokojivě automatizovaný – například automatizovaně nesbíral data o spotřebě, k přepnutí na veřejnou síť a zpět na FVE docházelo ručně, automaticky až při kritickém stavu baterie, takže systém vyžadoval obsluhu. Celý řídící systém zátěže byl značně komplikovaný, a logika v něm zadrátovaná fixně, takže měnit funkce bylo možné jen ztěžka.
Další bolístkou byly baterie – resp. základní chování olověných baterií, které s každým dalším cyklem vybití a nabití nezadržitelně ztrácely svou schopnost akumulovat. Nechci tvrdit, že je to vlastnost jen olova, říkám ale, že u olova to jde v praxi fotovoltaické elektrárny z kopce velmi rychle.