Solární panely pro chatu a dům: typy, princip fungování a postup výpočtu solárních systémů

Věda nám darovala dobu, kdy se technologie využití sluneční energie stala veřejně dostupnou. Solární panely pro dům si může pořídit každý vlastník. Chataři v tom nezůstávají pozadu. Často se nacházejí daleko od centralizovaných zdrojů stabilního napájení.

Nabízíme vám seznámení s informacemi představujícími konstrukci, principy fungování a výpočtu pracovních uzlů solárního systému. Seznámení s námi poskytnutými údaji přiblíží realitu zajištění vašeho pozemku přírodní elektřinou.

Pro názorné pochopení poskytnutých údajů jsou připojeny podrobné schémata, ilustrace, foto- a videoinstrukce.

Konstrukce a princip činnosti solárního panelu

Kdysi zvídavé mysli objevily přírodní látky, které působením částic slunečního světla, fotonů, elektrickou energii. Tento proces nazvali fotoelektrickým jevem. Vědci se naučili ovládat mikrofyzikální jev.

Na základě polovodičových materiálů vytvořili kompaktní elektronické přístroje – fotovoltaické články.

Výrobci zvládli technologii spojování miniaturních měničů do efektivních solárních panelů. Účinnost křemíkových solárních modulů široce vyráběných průmyslem je 18-22 %.

Z popisu schématu je zřejmě vidět: všechny komponenty elektrárny jsou stejně důležité – na jejich správném výběru závisí koordinovaný provoz systému

Z modulů se sestavuje solární panel. Ten je konečným bodem cesty fotonů od Slunce na Zemi. Odtud tyto složky světelného záření pokračují v cestě uvnitř elektrického obvodu jako částice stejnosměrného proudu.

Jsou distribuovány do akumulátorů nebo transformovány na náboje střídavého elektrického proudu o napětí 220 voltů, který napájí různé domácí technické přístroje.

Solární panel představuje komplex sériově zapojených polovodičových zařízení – fotovoltaických článků, které přeměňují sluneční energii na elektrickou.

Více podrobností o specifikách zařízení a principu činnosti solárního panelu najdete v jiném populárním článku našeho webu.

Druhy solárních modulů-panelů

Heliopanely-moduly se skládají ze solárních článků, jinak – fotovoltaických měničů. Hromadné uplatnění našly fotovoltaické měniče dvou typů.

Liší se použitými druhy polovodiče z křemíku, a to:

• Polykrystalické. Jsou to solární články vyrobené z křemíkové taveniny dlouhodobým chlazením. Jednoduchá výrobní metoda zajišťuje dostupnou cenu, ale výkon polykrystalické varianty nepřesahuje 12%.
• Monokrystalické. Jsou to články získané řezáním uměle vypěstovaného křemíkového krystalu na tenké destičky. Nejproduktivnější a nejdražší varianta. Průměrná účinnost kolem 17%, lze najít monokrystalické fotovoltaické články s vyšším výkonem.

Polykrystalické solární články mají plochý čtvercový tvar s nehomogenním povrchem. Monokrystalické varianty vypadají jako tenké čtverce s homogenní povrchovou strukturou a seříznutými rohy (pseudočtverce).

Takto vypadají fotovoltaické měniče: vlastnosti solárního modulu nezávisí na druhu použitých článků – to ovlivňuje pouze rozměry a cenu.

Panely prvního provedení mají při stejném výkonu větší rozměry než druhé kvůli nižší účinnosti (18% oproti 22%). Ale jsou v průměru o deset procent levnější a mají převažující poptávku.

O pravidlech a nuancích výběru solárních panelů pro zásobování energií autonomního vytápění se můžete dočíst zde.

Schéma činnosti solárního napájení

Když přejíždíte pohledem po tajemně znějících názvech uzlů, které tvoří systém napájení slunečním světlem, přichází myšlenka na supertechnickou složitost zařízení.

Na mikroúrovni života fotonu je to tak. Ale názorně celkové schéma elektrického obvodu a princip jeho činnosti vypadají velmi jednoduše. Od nebeského tělesa k „Iljičově žárovce“ jsou jen čtyři kroky.

Solární moduly – první součást elektrárny. Jsou to tenké obdélníkové panely sestavené z určitého počtu standardních desek-fotovoltaických článků. Výrobci vyrábějí fotovoltaické panely s různým elektrickým výkonem a napětím, které je násobkem 12 voltů.

Zařízení plochého tvaru se pohodlně umisťují na povrchy otevřené přímým paprskům. Modulární bloky se spojují vzájemnými propojeními do solární baterie. Úkolem baterie je přeměňovat získanou energii slunce a vydávat stejnosměrný proud dané velikosti.

Zařízení pro ukládání elektrického náboje – akumulátory pro solární panely jsou známé všem. Jejich role v systému solárního napájení je tradiční. Když jsou domácí spotřebiče připojeny k centralizované síti, energetické zásobníky se ukládají elektřinu.

Také akumulují jeho přebytky, pokud je proud ze solárního modulu dostatečný k zajištění výkonu spotřebovávaného elektrickými spotřebiči.

Akumulátorový blok dodává do obvodu požadované množství energie a udržuje stabilní napětí, jakmile spotřeba v něm vzroste na zvýšenou hodnotu. Totéž se děje například v noci, když fotopanely nepracují, nebo během počasí s malým slunečním svitem.

Schéma energetického zásobování domu pomocí solárních panelů se liší od variant s kolektory možností akumulovat energii v baterii.

Regulátor – elektronický prostředník mezi solárním modulem a akumulátory. Jeho úkolem je regulovat úroveň nabití akumulátorových baterií. Přístroj zabraňuje jejich přehřátí v důsledku přebíjení nebo poklesu elektrického potenciálu pod určitou normu nezbytnou pro stabilní provoz celého solárního systému.

Převracející, tak se doslovně vysvětluje znění termínu invertor pro solární panely. Ano, ve skutečnosti tento uzel vykonává funkci, která se kdysi elektrotechnikům zdála fantastická.

Přeměňuje stejnosměrný proud solárního modulu a akumulátorů na střídavý proud s potenciálovým rozdílem 220 voltů. Právě toto napětí je pracovním napětím pro drtivou většinu domácích elektrických spotřebičů.

Tok sluneční energie je úměrný poloze Slunce: při instalaci modulů by bylo dobré počítat s nastavením úhlu sklonu v závislosti na ročním období.

Špičkové zatížení a průměrná denní spotřeba energie

Potěšení z vlastní solární elektrárny zatím stojí nemálo. Prvním krokem na cestě k ovládnutí síly sluneční energie je určení optimálního špičkového zatížení v kilowattech a racionální průměrné denní spotřeby energie v kilowatthodinách domácnosti nebo chaty.

Špičkové zatížení je způsobeno nutností zapnout několik elektrických spotřebičů najednou a je určeno jejich maximálním celkovým výkonem s přihlédnutím k vyšším startovacím charakteristikám některých z nich.

Výpočet maximálního příkonu umožňuje zjistit, u kterých elektrických spotřebičů je současný provoz životně nezbytný a u kterých ne tolik. Tomuto ukazateli podléhají výkonové charakteristiky uzlů elektrárny, tedy konečná cena zařízení.

Denní spotřeba energie elektrického spotřebiče se měří součinem jeho individuálního výkonu a doby, po kterou byl připojen k síti (odebíral elektřinu) během dne. Celková průměrná denní spotřeba energie se vypočítá jako součet spotřebované elektrické energie každým spotřebitelem za denní období.

Následná analýza a optimalizace získaných dat o zátěžích a spotřebě energie zajistí potřebné vybavení a následný provoz solárního energetického systému s minimálními náklady

Výsledek spotřeby energie pomáhá racionálně přistupovat k výdajům na solární elektřinu. Výsledek výpočtů je důležitý pro další výpočet kapacity baterií. Na tomto parametru závisí cena bateriového bloku, což je nezanedbatelná součást systému, ještě více.

Postup výpočtu energetických ukazatelů

Proces výpočtu v doslovném smyslu začíná horizontálně položeným, čtverečkovaným, rozloženým listem sešitu. Lehkými čarami tužkou z listu vznikne formulář s třiceti sloupci a řádky podle počtu domácích elektrických spotřebičů.

Příprava na výpočty

První sloupec se kreslí tradičně – pořadové číslo. Druhý sloupec – název elektrického spotřebiče. Třetí – jeho individuální příkon.

Sloupce od čtvrtého do dvacátého sedmého – hodiny dne od 00 do 24. Do nich se přes vodorovnou zlomkovou čáru zapisují:

• do čitatele – doba provozu spotřebiče během konkrétní hodiny v desetinném tvaru (0,0);
• do jmenovatele – opět jeho individuální příkon (toto opakování je potřebné pro výpočet hodinových zátěží).

Dvacátý osmý sloupeček – celkový čas, po který domácí zařízení pracuje během dne. Do dvacátého devátého – zapisuje se osobní spotřeba energie spotřebiče jako výsledek násobení individuálního příkonu dobou provozu za denní období.

Sestavení rozšířené specifikace spotřebitelů s ohledem na hodinové zátěže pomůže ponechat více obvyklých spotřebičů díky jejich racionálnímu využití

Třicátý sloupec je také standardní – poznámka. Hodí se pro mezivýpočty.

Sestavení specifikace spotřebičů

Další etapa výpočtů – přeměna formuláře ze sešitu na specifikaci domácích spotřebitelů elektřiny. S prvním sloupcem je to jasné. Zde se uvádějí pořadová čísla řádků.

Do druhého sloupce se zapisují názvy spotřebitelů energie. Doporučuje se začít vyplňovat elektrickými spotřebiči v předsíni. Dále se popisují další místnosti proti směru nebo po směru hodinových ručiček (podle toho, co je komu pohodlné).

Pokud je druhé (atd.) patro, postup je stejný: od schodiště – dokola. Přitom nesmíme zapomenout na spotřebiče na schodišťových podestách a venkovní osvětlení.

Třetí sloupec s uvedením příkonu naproti názvu každého elektrického spotřebiče je lepší vyplňovat současně s druhým.

Sloupce od čtvrtého do dvacátého sedmého odpovídají každý své hodině dne. Pro usnadnění je lze rovnou pročrtat vodorovnými čarami uprostřed řádků. Získané horní poloviny řádků jsou jakoby čitateli, dolní jmenovateli.

Tyto sloupce se vyplňují po řádcích. Čitatelé se selektivně uvádějí jako časové intervaly v desetinném formátu (0,0), které odrážejí dobu provozu daného elektrospotřebiče v tom či onom konkrétním hodinovém období. Souběžně tam, kde se uvádějí čitatelé, se zapisují jmenovatelé s údajem o výkonu spotřebiče, převzatým ze třetího sloupce.

Jakmile jsou vyplněny všechny hodinové sloupce, přistoupí se k výpočtu individuální denní doby provozu elektrospotřebičů, a to postupně po řádcích. Výsledky se zaznamenávají do příslušných buněk dvacátého osmého sloupce.

V případě, kdy solární elektrárna hraje pomocnou roli, aby systém nepracoval naprázdno, lze k ní připojit část zátěže na trvalé napájení.

Na základě výkonu a doby provozu se postupně vypočítává denní spotřeba energie všech spotřebičů. Ta se zaznamenává do buněk dvacátého devátého sloupce.

Jakmile jsou vyplněny všechny řádky a sloupce specifikace, provedou se souhrnné výpočty. Sečtením výkonů ze jmenovatelů hodinových sloupců po jednotlivých sloupcích se získají zatížení pro každou hodinu. Sečtením jednotlivých denních spotřeb energie ve dvacátém devátém sloupci shora dolů se zjistí celková průměrná denní spotřeba.

Výpočet nezahrnuje vlastní spotřebu budoucího systému. Tento faktor se zohledňuje pomocným koeficientem při následných souhrnných výpočtech.

Analýza a optimalizace získaných údajů

Pokud je napájení ze solární elektrárny plánováno jako záložní, údaje o hodinových odebíraných výkonech a o celkové průměrné denní spotřebě energie pomáhají minimalizovat spotřebu drahé solární elektřiny.

Toho se dosahuje vyloučením energeticky náročných spotřebičů z používání až do obnovení centralizovaného zásobování elektřinou, zejména v hodinách maximálního zatížení.

Pokud je solární energetický systém navrhován jako zdroj trvalého zásobování elektřinou, pak výsledky hodinových zatížení vystupují do popředí. Důležité je rozložit spotřebu elektřiny v průběhu dne tak, aby se odstranily výrazně převažující maxima a prudce propadající minima.

Vyloučení špiček, vyrovnání maximálních zatížení a odstranění prudkých poklesů spotřeby energie v čase umožňují zvolit nejhospodárnější varianty komponent solárního systému a zajišťují stabilní, a hlavně bezporuchový dlouhodobý provoz solární elektrárny.

Graf odhalí nerovnoměrnost spotřeby energie: naším úkolem je posunout maxima do doby největší aktivity slunce a snížit celkovou denní spotřebu, zejména noční.

Předložený výkres ukazuje přeměnu iracionálního grafu získaného na základě sestavené specifikace na optimální. Ukazatel denní spotřeby byl snížen z 18 na 12 kWh, průměrné denní hodinové zatížení z 750 na 500 W.

Stejný princip optimality se uplatní při použití varianty napájení ze slunce jako záložního. Zbytečné utrácet za zvýšení výkonu solárních modulů a akumulátorových baterií kvůli určitému dočasnému nepohodlí možná nestojí za to.

Výběr komponentů solární elektrárny

Pro zjednodušení výpočtů bude uvažována varianta použití solárního panelu jako hlavního zdroje elektrické energie pro chatu. Spotřebitelem bude fiktivní chatový domek v Rjazaňské oblasti, kde lidé bydlí trvale od března do září.

Názornost úvahám dodají praktické výpočty založené na údajích výše uvedeného racionálního grafu hodinové spotřeby energie:

• Celková průměrná denní spotřeba energie = 12 000 watthodin.
• Průměrné zatížení spotřeby = 500 wattů.
• Maximální zatížení 1200 wattů.
• Špičkové zatížení 1200 × 1,25 = 1500 wattů (+25 %).

Hodnoty budou potřeba při výpočtech celkové kapacity solárních zařízení a dalších provozních parametrů.

Stanovení pracovního napětí solárního systému

Vnitřní pracovní napětí každého solárního systému je založeno na násobcích 12 voltů, jako nejběžnějšího jmenovitého napětí akumulátorových baterií. Nejrozšířenější komponenty solárních elektráren: solární moduly, regulátory, invertory – jsou vyráběny pro běžná napětí 12, 24, 48 voltů.

Vyšší napětí umožňuje použít napájecí vodiče menšího průřezu – a to zvyšuje spolehlivost kontaktů. Na druhou stranu, vyřazené akumulátory ze sítě 12V bude možné vyměňovat po jednom.

V 24voltové síti, s ohledem na specifika provozu akumulátorových baterií, bude nutné provádět výměnu pouze po párech. Síť 48V bude vyžadovat výměnu všech čtyř baterií jedné větve. Navíc při 48 voltech již existuje nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

Při stejné kapacitě a přibližně stejné ceně by se měly pořizovat akumulátory s největší povolenou hloubkou vybití a co nejvyšším proudem

Hlavní volba jmenovité hodnoty vnitřního rozdílu potenciálů systému souvisí s výkonovými charakteristikami invertorů vyráběných moderním průmyslem a musí zohledňovat velikost špičkového zatížení:

• od 3 do 6 kW – 48 voltů,
• od 1,5 do 3 kW – rovno 24 nebo 48V,
• do 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Při výběru mezi spolehlivostí vedení a nepohodlím výměny baterií se v našem příkladu zaměříme na spolehlivost. V dalším budeme vycházet z provozního napětí navrhovaného systému 24 voltů.

Sestavení baterie solárními moduly

Vzorec pro výpočet požadovaného výkonu solární baterie vypadá takto:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

kde:

• Rsm = výkon solární baterie = celkový výkon solárních modulů (panelů, W),
• 1000 = přijatá citlivost fotovoltaických měničů (kW/m²)
• Esut = potřeba denní spotřeby energie (kWh, v našem příkladu = 18),
• k = sezónní koeficient zohledňující všechny ztráty (léto = 0,7; zima = 0,5),
• Sin = tabulková hodnota insolace (toku slunečního záření) při optimálním sklonu panelů (kWh/m²).

Hodnotu insolace lze zjistit u regionální meteorologické služby.

Optimální úhel sklonu solárních panelů odpovídá hodnotě zeměpisné šířky lokality:

• na jaře a na podzim,
• plus 15 stupňů – v zimě,
• minus 15 stupňů – v létě.

Rjazaňská oblast, kterou zvažujeme v našem příkladu, se nachází na 55. rovnoběžce.

Nejvyššího výkonu solárních baterií se dosahuje použitím sledovacích systémů, sezónní změnou úhlu sklonu panelů a použitím smíšeného sklonu modulů.

Pro zvolené období od března do září je nejlepší neregulovaný sklon solární baterie roven letnímu úhlu 40° k povrchu země. Při takovém nastavení modulů je průměrná denní insolace Rjazaně v tomto období 4,73. Všechna čísla máme, provedeme výpočet:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 wattů.

Pokud vezmeme za základ solární baterie 100wattové moduly, bude jich potřeba 36 kusů. Budou vážit asi 300 kilogramů a zaberou plochu přibližně 5 x 5 m.

Montážní schémata a možnosti připojení solárních baterií ověřené v praxi jsou uvedeny zde.

Zřízení akumulátorového bloku

Při výběru akumulátorových baterií je třeba se řídit následujícími postuláty:

1. Pro tento účel NEVYHOVUJÍ běžné automobilové akumulátory. Baterie solárních elektráren jsou označeny nápisem "SOLAR".
2. Akumulátory je třeba pořizovat pouze stejné ve všech parametrech, nejlépe z jedné výrobní šarže.
3. Místnost, kde je umístěn akumulátorový blok, musí být teplá. Optimální teplota, při které baterie podávají plný výkon, je 25°C. Při jejím poklesu na -5°C se kapacita akumulátorů snižuje o 50%.

Vezmeme-li pro výpočet ukázkový akumulátor o napětí 12 voltů a kapacitě 100 ampérhodin, lze snadno spočítat, že po celou hodinu bude schopen dodávat energii spotřebičům o celkovém výkonu 1200 wattů. To je však při úplném vybití, což je krajně nežádoucí.

Pro dlouhodobý provoz akumulátorových baterií NENÍ doporučeno snižovat jejich nabití pod 70%. Krajní hodnota = 50%. Při přijetí „zlaté střední cesty“ čísla 60% položíme do základu následných výpočtů energetickou rezervu 720 Wh na každých 100 Ah kapacitní složky akumulátoru (1200 Wh x 60%).

Možná, že nákup jednoho akumulátoru o kapacitě 200 Ah vyjde levněji než pořízení dvou po 100, a také se sníží počet kontaktních spojů baterií.

Zpočátku je nutné instalovat akumulátory 100% nabité ze stacionárního zdroje proudu. Akumulátorové baterie musí plně pokrývat zátěže během tmavé denní doby. Pokud nebude přát počasí, udržovat potřebné parametry systému i ve dne.

Je důležité si uvědomit, že nadbytek akumulátorů povede k jejich trvalému podbití. To výrazně zkrátí životnost. Nejracionálnějším řešením se jeví vybavení bloku bateriemi s energetickou rezervou dostatečnou pro pokrytí jednoho denního energetického výdeje.

Pro zjištění požadované celkové kapacity baterií vydělíme celkovou denní spotřebu energie 12 000 Wh 720 Wh a vynásobíme 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Celkem v našem příkladu bude potřeba 16 akumulátorů o kapacitě 100 nebo 8 po 200 Ah, zapojených sériově-paralelně.

Výběr vhodného regulátoru

Kvalifikovaný výběr regulátoru nabíjení akumulátorových baterií (AKB) je úkol velmi specifický. Jeho vstupní parametry musí odpovídat vybraným solárním modulům a výstupní napětí vnitřnímu rozdílu potenciálů heliového systému (v našem příkladu – 24 voltů).

Dobrý regulátor musí bezpodmínečně zajišťovat:

1. Vícestupňové nabíjení AKB, které násobně prodlužuje jejich efektivní životnost.
2. Automatické vzájemné, AKB a solární baterie, připojení-odpojení v korelaci s nabíjením a vybíjením.
3. Přepojení zátěže z AKB na solární baterii a naopak.

Tento malý rozměrový uzel je velmi důležitá součást.

Pokud se část spotřebičů (například osvětlení) převede na přímé napájení 12 voltů z regulátoru, bude potřeba méně výkonný, a tedy levnější invertor.

Na správném výběru regulátoru závisí bezporuchový provoz drahého akumulátorového bloku a vyváženost celého systému.

Výběr nejkvalitnějšího střídače

Invertor se vybírá o takovém výkonu, aby byl schopen zajišťovat dlouhodobou špičkovou zátěž. Jeho vstupní napětí musí odpovídat vnitřnímu rozdílu potenciálů heliového systému.

Pro nejlepší variantu výběru se doporučuje věnovat pozornost parametrům:

1. Tvar a frekvence vydávaného střídavého proudu. Čím více se blíží sinusoidě o 50 Hz, tím lépe.
2. Účinnost zařízení. Čím vyšší než 90% – tím lépe.
3. Vlastní spotřeba přístroje. Měla by být přiměřená celkové spotřebě energie systému. Ideálně do 1%.
4. Schopnost jednotky snášet krátkodobé dvojnásobné přetížení.

Nejlepší provedení – měnič s vestavěnou funkcí regulátoru.

Sestavení domácího solárního systému

Připravili jsme pro vás přehled fotografií, který názorně ukazuje proces sestavení domácí solární soustavy z továrně vyrobených modulů:

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Ukázka instalace solárních panelů na střechu domu svépomocí:

Video #2. Výběr akumulátorů pro solární soustavu, typy, rozdíly:

Video #3. Chatová solární elektrárna pro ty, kteří vše dělají sami:

Popsané praktické postupy výpočtů krok za krokem, základní princip efektivního provozu moderního solárního panelu v rámci domácí autonomní solární stanice pomohou majitelům jak velkého domu v hustě obydlené oblasti, tak chaty v odlehlé oblasti získat energetickou nezávislost.

Chcete se podělit o osobní zkušenosti, které jste získali při stavbě mini solární soustavy nebo jen panelu? Máte otázky, na které byste chtěli získat odpověď, našli jste v textu nedostatky? Zanechte prosím komentáře v bloku níže.