Fotovoltaický zdroj energie nejen pro chaty a chalupy

Dosud nebylo mnoho možností jak tuto formu sluneční energie využít i jinak a hlavně jak ji shromáždit a uskladnit pro pozdější využití jinak, než přes přírodní procesy rostlin. Vývoj a pokrok v technice však učinil velký krok i v této oblasti. Fotovoltaika, tedy průmyslové odvětví založené na přeměně světla na elektrickou energii a to přímo, zaznamenává prudký rozvoj. Je mnoho prvků pro tuto vlastní přeměnu a to jak na anorganické, tak i organické bázi, nejrozšířenější je však fotovoltaická přeměna na bázi křemíku.

Tento článek jakožto základní prvek fotovoltaického systému generuje velice malé napětí okolo 0,4V, ale již poněkud vyšší proud dosahující hodnot okolo 4,5A. Sestavením těchto článků sériově do řetězců 40 až 50 kusů již dosáhneme napětí 15 až 20V. Toto napětí již lze běžně zpracovat. Takovéto sestavy do celků nazýváme fotovoltaické panely (FVP). Sestavením těchto panelů do vyšších funkčních celků získáme fotovoltaickou elektrárnu (FVE). Zpracování energie z takovéto FVE dělíme do dvou kategorií. Autonomní na rozvodné síti nezávislé nazýváme ostrovní, neboli off-grid. Druhá je trvale připojena k rozvodné síti a veškerou vyrobenou energii odevzdává do sítě, tuto nazýváme grid-on.

Pro realizaci alternativního zdroje v místech bez přípojky elektrické energie použijeme ostrovní systém, tedy off-grid. Základními stavebními prvky tohoto systému je FVP, solární regulátor nabíjení a akumulátor. Akumulátor je potřeba v době, kdy je nedostatečný osvit FVP přes den, nebo v noci. Také je akumulátor potřeba pro vyvažování energetických špiček při rozběhu některých spotřebičů a k ukládání nadbytečné energie. Provozní napětí je odvozeno od napětí akumulátoru a ve většině malých systémů je 12V. Pro systémy od 200Wp instalovaného výkonu FVE pak 24V, nebo 48V pro systémy nad 1000Wp instalovaného výkonu.

Pro realizaci osvětlení v objektu použijeme moderní zdroje světla. Nepoužijeme žárovky, jelikož jejich účinnost je velice malá a energie z FVE je drahá. K moderním zdrojům patří úsporné zářivky, LED žárovky a v neposlední řadě CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) trubice. Výhodou těchto zdrojů je jejich přímé napájení z provozního napětí FVE 12V, nebo 24V. Z tohoto napětí lze také provozovat řadu dalších spotřebičů určených pro provoz v automobilech a karavanech například televizory, satelitní přijímače, DVD a VHS přehrávače apod. I řada kuchyňských spotřebičů je již uzpůsobena pro provoz v automobilu. Řadu z nich však lze provozovat pouze ve velice omezeném čase, jelikož nejsou energeticky úsporné. K těmto patří především přenosné autochladničky.

Mnoho dalších spotřebičů však na 12V/24V napětí pracovat neumí. Pro jejich provoz je třeba použít měnič napětí, který převede 12V/24V napětí FVE na 230V 50Hz běžné v rozvodné síti. Takto lze již provozovat veškeré spotřebiče v domácnosti. Parametry použitého měniče závisí na používaných spotřebičích. Měnič musí být dostatečně dimenzován pro trvalý provoz při jmenovitém zatížení, ale zároveň musí být schopen mít dostatečnou rezervu pro rozběh některých spotřebičů. K těmto patří starší typy CRT televizorů, vysavače a především běžné kompresorové chladničky. Některé spotřebiče jsou citlivé na tvar napájecího napětí a je třeba pro ně použít měnič s čistým sinusovým výstupem. Dalším specifikem pro použitý měnič je stav kdy není připojen žádný spotřebič. V tomto stavu má měnič pouze svoji vlastní spotřebu. Tato sice není nikterak velká, ale přepočítána na spotřebu za den to již není zanedbatelné. Proto je třeba vybrat takový měnič, který umí rozeznat stav běhu naprázdno a snížit vlastní spotřebu na minimum. Další podstatnou vlastností je schopnost včasné reakce na nouzové stavy přetížení, zkratu a především nízkého napětí baterie FVE. Při kterémkoli z těchto stavů se musí měnič bezpečně vypnout ale především se musí sám zapnout jakmile nouzový stav pomine. Měnič se všemi těmito parametry není běžně dostupný a především je i několikanásobně dražší než běžné měniče určené do automobilu, nebo karavanu.

Výše uváděný systém FVE složený pouze ze základních prvků, případně doplněný měničem napětí má mnohá omezení a není zcela optimální. FVP propojený s akumulátorem přes běžný dvoustavový solární regulátor nabíjení není schopen dodávat svůj maximální výkon uvedený na štítku. Je to způsobeno tím, že maximální výkon je dosažen při napětí 17V až 18V nikoli 12V, případně 14,4V při nabitém akumulátoru. Maximálně lze tedy využít cca 70-80% z instalovaného výkonu. Snížením napětí na FVP zmenšením počtu článků se však problém nevyřeší, jelikož výstupní napětí panelu je závislé a pracovní teplotě a s rostoucí teplotou klesá. Pokud je například pracovní teplota panelu 50°C pak je optimální výstupní napětí panelu již jen 90% původní hodnoty při 25°C. Výkon panelu je tedy závislý nejen na intenzitě osvitu, ale i na teplotě.

Moderní elektronické prvky a mikroprocesory již dnes umožňují řešit i tak složité závislosti a najít pro panel optimální pracovní podmínky pro dosažení maximálního výkonu. Zařízení které toto zajistí nazýváme MPP (Maximum Peak Power) konvertor impedance, nebo také Tracker (hledač). Toto zařízení se zapojí mezi panel a solární regulátor nabíjení a nebo tento regulátor nabíjení zcela nahradí. Úkolem MPP konvertoru impedance je stále hledat bod maximálního výkonu panelu pro momentální intenzitu osvětlení a teplotu. Výsledkem je optimálně sestavený systém , který dovede maximálně využít energii vyrobenou FVP a tuto efektivně uložit do akumulátoru, nebo dodat to spotřebiče. Další velkou výhodou použití MPP konvertoru impedance se skutečnost, že tento konvertor dokáže na vstupu zpracovat napětí i značně vyšší, než je napětí akumulátoru a tedy FVE. Jelikož toto napětí může být až 35V, v některých případech dokonce 50V, tak je možné připojit FVP určený pro 24V FVE, nebo dokonce pro grid-on systémy. Posledně zmíněná varianta je ta ekonomicky nejvýhodnější, jelikož vzhledem k velkému počtu vyrobených grid-on systémů je cena těchto panelů v přepočtu na Wp mnohem nižší, než je tomu u 12V/24V panelů.

Pro usnadnění práce při výběru praktického využití FVE pro alternativní napájení v místech bez přípojky veřejné rozvodné sítě jsou k dispozici typizované sestavy obsahující veškeré základní komponenty FVE a některé i vybrané spotřebiče. Tyto sestavy se prodávají za zvýhodněné ceny a jejich doplněním o několik zákazníkem specifických spotřebičů získáme optimálně využitelnou sestavu.

Závěrem lze tedy shrnout výše uvedené skutečnosti asi takto. Pořizovací cena FVE je sice řádově 30 tisíc Kč. a více, ale v místě, kde není přípojka veřejné rozvodné sítě a tato by se musela vybudovat na vzdálenost například 5km je tato investice zcela srovnatelná. Navíc při stále rostoucí ceně elektrické energie a jejím zatížení ekologickou daní bude investice do autonomní FVE stále výhodnější a ekonomická návratnost stále kratší. Vhodně sestavená FVE ve spojení s vhodným výběrem spotřebičů tedy má zcela shodný výsledek, jako vybudování několika km přípojky z veřejné rozvodné sítě a navíc je její provoz s minimálními dalšími náklady na dobu nejméně 25 let. Realizace FVE je tedy možná nejen pro chaty a chalupy s víkendovým režimem, ale i pro rodinné domy s celoročním užíváním.