Domovní fotovoltaická elektrárna aneb cesta k soběstačnosti

Malé fotovoltaické elektrárny o výkonu v řádu jednotek kWp, spolu s termickými kolektory pro ohřev vody nebo přitápění, tvoří opomíjenou součást domů s nízkými provozními náklady. Pojďme si ve zkratce představit možnosti výroby elektřiny v domácích podmínkách a to bez licencí, bez dotací a bez s tím spojené zbytečné byrokracie.

V současné době sílí poptávka po bydlení s nízkými provozními náklady. Je to dáno šetrnějším uvažováním budoucích majitelů k životnímu prostředí, což dokládá například odhlasovaná Evropská směrnice 20/20/20 požadující mimo jiné po roce 2020 výstavbu domů s téměř nulovou spotřebou energie.

Přes přeizolované pasivní domy cesta nevede

Tuzemští výrobci pasivních domů se této směrnice ihned chytli a začali nabízet své „krabice” s půlmetrovou vrstvou izolace ve stěnách jako jediné možné řešení: „Zdá se, že jedinou možností, která toto v současné době umí zajistit, je výstavba pasivních a nízkoenergetických domů,” uvádí jeden z nich a v zápětí mává spotřebou 20 kWh/m2 za rok. Přitom jím v základu nabízené domy spotřebují tisíce kWh elektřiny z uhelných elektráren jen na ohřev vody a na vlastní provoz možná ještě více!

Takto to naštěstí zákonodárci v Bruselu nemysleli. Místo do extrému izolovaných pasivních domů měli na mysli spíše rozumný kompromis v izolaci současně s využitím obnovitelných zdrojů na vlastní provoz. Takto správně vyvážený dům bude nejenom levnější, ale ve výsledku také úspornější. A hrubá stavba může být „jen” z tepelněizolačních cihel bez dodatečné izolace!

Hlavní komponenty domovní fotovoltaické elektrárny. Na obrázku nejsou zachyceny pouze baterie a fotovoltaické panely

Využijme energii ze Slunce

Pouhý čtvereční metr jižně orientované střechy dokáže v našich zeměpisných podmínkách ročně vyrobit 100–200 kWh elektrické energie nebo více jak 500 kWh tepla pro ohřev vody. Jak tu energii ale využít?

Dům s elektrárnou na střeše

Všem dobře známý koncept elektráren prodávajících vyrobenou elektřinu E.ONu nebo ČEZu nelze použít. Elektřinu totiž sice vyrobíme ale co je důležité, celou produkci prodáme a následně musíme koupit. Spotřebu od dodavatele tedy máme stejnou jako bez elektrárny a, jakmile skončí dotovaný výkup, budeme už jen kupovat.

Faktickou úsporu nakoupených energií představují až takzvané ostrovní fotovoltaické elektrárny, které mohou od března do září pokrývat téměř celou spotřebu. V zimním období a v případě špatného počasí si elektřinu normálně dokoupíme od dodavatele. V rámci celého roku to ale místo průměrných 10 kWh/den už může být jen kilowatthodina jedna.

Jak taková elektrárna vypadá

Fotovoltaické panely

Celý systém si popíšeme v pořadí odpovídajícímu výrobnímu procesu elektrické energie.

První v pořadí jsou fotovoltaické panely, které se starají o přeměnu slunečního záření ve stejnosměrný proud. Nejčastěji se používají panely polykrystalické s účinností kolem 15–20 %, další možností jsou panely amorfní s účinností zhruba poloviční. Výkon panelu se udává v jednotce Wp (watt peak ), která vyjadřuje počet wattů, které bude panel vyrábět pokud na něj bude kolmo dopadat sluneční záření o výkonu 1000 W/m2. Jižně orientovaný panel vyrobí v našich podmínkách z každého Wp ročně zhruba 1 kWh. Šestnáct 240 Wp panelů tedy za rok vyprodukuje cca 3840 kWh, na střeše potom zaberou cca 25 m2 (polykrystalické panely).

Různě natočené panely zabezpečují rovnoměrnější rozložení vyrobené elektřiny v průběhu dne
Termické panely pro ohřev TV a v pozadí fotovoltaické panely pro výrobu elektrické energie

Solární regulátor a baterie

Vyrobený stejnosměrný proud se následně ukládá do baterií, což zajišťuje solární regulátor.

Regulátorů existují dva základní typy – levnější a jednodušší PWM (pulse width modulation = pulsně-šířková modulace), kde se, zjednodušeně řečeno, nabíjí stejným proudem jako vystupuje z panelů a zároveň se snižuje napětí dle aktuálního napětí baterií, což vede k výrazným ztrátám (účinnost cca 70 %) a sofistikovanější maximum power point tracking (MPPT) regulátor sledující maximální výkonový bod panelů (napětí x proud). Tento regulátor snižuje napětí z panelů v závislosti na napětí baterií a současně zvyšuje proud, čímž dosahuje účinnosti až 99 %. Regulátor je třeba vybírat podle zvolených panelů a baterií.

Nejčastěji se používají baterie o celkovém napětí 48 V, dle zvoleného systému lze použít také např. 24 V nebo 12 V. Čím je menší napětí baterií, tím je potřeba při stejném požadovaném výkonu použít širší kabely. Pokud budeme chtít z baterií odebírat více jak 2000 W, je vhodné zvolit 48V systém. Dále volíme ještě kapacitu – Ah (ampér hodina), která spolu s napětím udává kolik energie do baterie lze uložit. Na kapacitě baterií také závisí maximální nabíjecí/vybíjecí proud, a proto je nutné při volbě akumulátorů zohlednit maximální proud, který může dodávat regulátor a maximální proud, který může odebírat měnič. Samozřejmě je také důležitá cykličnost baterií a nároky na údržbu.

Regulátor nabíjení (vpravo) se, jak název napovídá, stará o převod napětí z kolektorů na provozní napětí baterií

Měnič napětí

Poslední a zároveň nejdůležitější hlavní částí elektrárny je měnič napětí, který se stará o transformování stejnosměrného napětí z baterií na střídavých 230 V. Měniče se vyrábí podle nominálního napětí baterií – 12 V, 24 V nebo 48 V a požadovaného maximálního výkonu – od 100 W do několika kW. Kromě výroby střídavého proudu se mohou také starat o nabíjení baterií a v případě nedostatku elektřiny ze slunce plynule přecházet na provoz z rozvodné sítě. Pro domácí elektrárnu je potřeba vybírat vždy měnič s čistým sinusovým výstupem, s ostatními typy (trapéz, modifikovaný sinus) má velká část elektroniky problém.

Měnič následně stejnosměrné napětí přemění na střídavých 230 V

V následujícím volném pokračování si postupně podrobněji představíme jednotlivé výše zmíněné součásti, seznámíme se s dimenzováním jejich výkonu a přizpůsobením domácnosti na chod z vlastní elektrárny. Nebudou chybět ani ukázky z reálného měření a on-line monitoringu.

Související články

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek
Foto: Jiří Hejhálek