Solární panely, regulátory a baterie – jak se v tom vyznat?

Tento článek vznikl na základě dokola se opakujících dotazů na solární panely, MPPT regulátory, kombinace parametrů atd. Pokusím se tedy vměstnat do jednoho článku vysvětlení všeho podstatného – troše výpočtů a čísel se asi nevyhnu, budu se ale snažit, aby vše zůstalo pochopitelné pro laika se základními znalostmi o elektřině a fyzice.


Autor článku: S.D. Gotrek


Solární záření

Pokud se máme bavit o solárním systému, je nutné začít u té nejpodstatnější věci – u slunečního záření. Parametry panelů o kterých budu za chvilku psát se měří v laboratorních podmínkách a to nejčastěji při intenzitě záření 1000W/m2. Hodnota je dohodnutá jako referenční a slouží k tomu, aby se panely daly porovnávat snadno mezi sebou. Pozor jsou výjimky, kdy je referenční hodnota jiná – vždy je to někde v technickém listu uvedeno.

Pro provoz panelů je zajímavé to, jaké hodnoty bude mít intenzita záření v reálu. Existují solární mapy, ze kterých si jde udělat představu, ale většinou jsou pro součet dopadajícího záření za rok (to proto, že to je zajímavý údaj pro solární elektrárny). Pro příklad mapa pro Českou Republiku a pro Evropu:

zdroj: SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o.
solární mapa - Evropa
zdroj: SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o.

Co se týká té intenzity záření – pro představu na území ČR za jasného letního dne počítejte s hodnotou okolo 800W/m2, v zimním období 200W/m2. To jsou orientační maxima, kterých intenzita záření dosáhne za jasného počasí v poledne, to znamená, že od východu slunce se bude hodnota zvyšovat k maximu, a poté snižovat s postupným zapadáním. A v reálu Vám to ještě pokazí oblačnost, mlha atd. Minulou zimu, kdy jsem pro kamaráda zjišťoval nějaká reálná data byly tři měsíce za sebou denní maxima v desítkách wattů. To podstatné co z toho vyplývá je, že maximální výkon udaný na panelu na území ČR pravděpodobně nikdy nedosáhnete. Je nutné s tím počítat.

Solární panely

Solární panely se dnes dají koupit v mnoha provedeních od pevných panelů v rámech, přes jednotlivé moduly až po speciální flexibilní panely. V zásadě existují tři technologie panelů podle toho, jak byl připraven křemík na jejich výrobu, což ovlivňuje jejich parametry.

Monokrystalické solární panely

Nejvyšší účinnosti dosahují panely vyrobené z monokrystalického křemíku, ale také jsou nejdražší. Je to proto, že výroba je náročná energeticky i technologicky. Barva panelů je do černa, a jednotlivé články mají často tvar čtverců s useknutými rohy (to proto, že monokrystal je válec, ze kterého se nařežou kulaté polotovary, které je snaha maximálně využít). Tyto panely sice mají nejvyšší účinnost, ale využijete jí jen při dobrých světelných podmínkách. Pokud nepřichází osvětlení  přímého směru nebo se jedná o rozptýlené světlo účinnost rychle klesá.

Polykrystalické solární panely

Tyto zhoršené podmínky mnohem lépe snáší panely vyrobené z polykrystalického křemíku. Jejich barva bývá modrá a ve struktuře bývají vidět jednotlivé krystaly (připomínají ledové květy na skle). Účinnost při ideálním osvětlení bývá nižší o několik procent, ale v případě zhoršených podmínek neklesá tak rychle.

Amorfní solární panely

Posledním typem jsou panely vyrobené z amorfního křemíku. Jejich barva bývá matně černá a účinnost je zhruba poloviční oproti předchozím dvěma technologiím. To přináší velkou nevýhodu v tom, že pro požadovaný výkon systému je nutné panely zakrýt dvojnásobnou plochu. Výhoda však spočívá v tom, že tyto panely jsou citlivé i na rozptýlené světlo a jejich účinnost neklesá tak rychle s teplotou jako u předchozích dvou technologií panelů. Udává se že při porovnání dvou solárních elektráren o  stejném instalovaném výkonu vyrobí ta s amorfními panely ročně o 10-30% více energie.

zdroj: GlassCity.in

Výběr technologie je tak dán podmínkami instalace. Pokud Vám nezáleží na tom jakou plochu panely zaberou, volil bych amorfní technologii. Pokud je pro Vás prostor limitující faktor volil bych polykrystalické.

Pro správné sestavení celého systému jsou důležité elektrické vlastnosti panelu. Podívejme se blíže co znamená který z parametrů, které naleznete v technických listech:

Pnom     = 125W           (Nominal power         = nominální výkon, někdy značen také Wp)

DPnom = -0/+4%         (Tolerance of Pnom     = tolerance nominálního výkonu)

h         = 11,7%           (Module efficiency     = účinnost panelu)

Voc      = 59,3V           (Open-circuit voltage = napětí naprázdno)

Isc        = 3,22A           (Short-circuit current  = proud do zkratu)

Vmpp    = 44,0V           (Voltage at mpp          = napětí v bodě nejvyššího výkonu)

Impp     = 2,84A           (Current at mpp          = proud v bodě nejvyššího výkonu)

Ir          = 5,0A             (Limiting reverse cur. = maximální reverzní proud)

 

tyto hodnoty jsem opsal z tabulky jednoho svého panelu (AVANCIS PowerMax STRONG 125W). Pod tabulkou je uvedeno, že platí pro referenční intenzitu 1000W/m2. A teď co tyto čísla znamenají:

Pnom = 125W je maximální výkon, který panel dodá při referenční intenzitě.

DPnom = -0/+4% udává, že nový panel bude mít maximální výkon v rozsahu 125-130W. Slušní výrobci mají vždy nulovou zápornou toleranci – to znamená, že když si zakoupíte 125W panel, nebude mít méně. Výrobci panely třídí podle toho „jak se povedly“, a tak často nabízejí stejný panel v několika výkonech.

h = 11,7% je účinnost panelu. Nízká hodnota je dána tím, že jde o amorfní panel. Můžete narazit na dvě hodnoty, a to Module efficiency a Aperature efficiency. „Module“ se vztahuje k mechanickému rozměru, a tedy k celkové zabrané ploše a je nižší než „Aperature“, která se vztahuje jen k ploše „skla“.

Voc = 59,3V je napětí, které bude mít panel naprázdno bez odběru. Naměříte ho na svorkách voltmetrem. Je důležité pro volbu regulátoru, který musí toto napětí (popřípadě jeho násobek při sériovém spojování panelů) s rezervou vydržet.

Isc = 3,22A je zkratový proud, který je panel schopen dodat. Naměřili by jste ho ampérmetrem při zkratování svorek panelu. Nenapadá mě důvod proč to zkoušet.

Vmpp = 44,0V je napětí při nejvyšším dodávaném výkonu, zde tedy při výkonu 125W. Kde se tenhle parametr bere vysvětlím za chvíli.

Impp = 2,84A je proud při nejvyšším dodávaném výkonu, zde tedy při výkonu 125W. Kde se tenhle parametr bere vysvětlím za chvíli.

Ir = 5,0A je proud, který může panelem protékat v reverzním směru. Jeho účel vysvětlím v části o spojování panelů.

Pokusím se teď osvětlit význam parametrů Vmpp a Impp. Index „mpp“ znamená „maximum power point“, tedy bod nejvyššího výkonu. Výkon dodaný panelem je součin napětí na svorkách panelu a odebíraného proudu. Když je panel odpojený, je na něm napětí na prázdno Voc, ale proud nikam neteče. Výstupní výkon je tedy nulový. Pokud panel zkratujete, teče zkratem zkratový proud Isc, ale je na něm nulové napětí. Opět je tedy výstupní výkon nulový (nebo v praxi díky přechodovým odporům malý). Někde mezi těmito dvěma extrémy je ideální bod, kde je součin napětí a proudu maximální. Na obě strany od tohoto bodu výkon, který panel dodává  klesá. Poloha bodu se mění s osvětlením panelu. Regulátor má za úkol tenhle bod najít a držet se ho – to zajišťuje, že z panelu je možno odebírat maximální dostupný výkon.

zdroj: Gupta, Abhishek and Ravi Saxena. “Review on widely-used MPPT techniques for PV applications.” 2016 International Conference on Innovation and Challenges in Cyber Security (ICICCS-INBUSH) (2016): 270-273. )

Na obrázku je zatěžovací křivka panelu. Červená čára je proud, modrá výkon. Úplně vlevo je nulové napětí při zkratovém proudu – úplně vpravo napětí naprázdno s nulovým odběrem. Na modré křivce výkonu je vidět, že maximální výkon panel dodává v ohybu křivky.

Spojování panelů

Panely se dají spojovat sériově (za sebe) přičemž se sčítá jejich napětí. Druhou možností je spojení paralelně (vedle sebe) kdy se sčítá jejich proud. Případně je možno oba způsoby kombinovat (např. 2×2 panely)

Sériové spojení je často využíváno u FV elektráren (požadováno vysoké napětí na výstupu), a proto panely mívají od výrobce integrovanou bypass (přemosťovací) diodu. Tato dioda řeší zastínění jednoho panelu v řadě (pokud není v panelu integrovaná, a doplňuje se externě, její maximální proud Ir musí být vyšší než nejvyšší možný proud v sériové větvi = maximální proud použitých panelů). Doporučuje se spojovat jen stejné panely. Spojovat takto různé panely není moc vhodné, ale je to možné. V takovém případě by měly mít co nejvíce shodnou hodnotu dodávaného proudu. To proto, že maximální proud, který řadou panelů poteče bude dán panelem s nejmenším pracovním proudem. Napětí spojených panelů se sečte, a nesmí přesáhnout možnosti regulátoru (viz kapitola Sestavená systému).

Paralelní zapojení tak obvyklé není a mělo by být doplněno ochrannými diodami sériově k panelům. Důvodem je, že při zastínění jednoho z panelů by se přes něj vyrovnávaly proudy. Panely – pokud nejsou stejné – by měli mít stejné pracovní napětí. V případě, že některý bude mít výrazně nižší, nebude schopen dodávat proud do systému jakmile napětí na ostatních panelech bude vyšší.

Osobně bych Vám doporučil jen kombinace stejných panelů. Odpověď na otázku, jestli spojovat panely sériově nebo paralelně není triviální. Obecně je lepší „zvedat“ při spojování napětí systému (a spojovat sériově), protože ztráty rostou úměrně napětí, ale s druhou mocninou proudu (proto se taky dálkové rozvody elektřiny dělají jako vysoké napětí). Horním limitem je maximální povolené napětí na vstupu regulátoru. Pro tuto variantu hovoří i to, že jsou na to panely připraveny. Ale zvážit by jste měli i bezpečnost systému (bezpečné stejnosměrné napětí při poruše na neživých částech zařízení je podle norem 120V pro Normální a Nebezpečné prostory, a auto je bezpochyby ten Nebezpečný). Čím vyšší napětí systému použijete, tím pečlivější by měly být instalace a předcházení možným poruchám (jako prodřený drát). Pro paralelní spojování se lze rozhodnout pokud už regulátor neumožňuje použít vyšší napětí, nebo ve speciálních případech které momentálně nedokážu domyslet (ale bude sem patřit třeba použití PWM regulátoru viz dále).

MPPT a PWM regulátory

Regulátor v sobě kombinuje několik funkcí. Prvořadá je regulace napětí do systému, v případě automobilové instalace to bude 12V nebo 24V. S tím se pojí funkce dobíjení baterie a ochrany před mezními stavy. Výběr regulátoru výrazně ovlivní jak bude systém efektivní.

Levnější varianta, kterou bych Vám nedoporučil je PWM regulátor. Ten totiž umí jen omezit napětí z panelů na velikost potřebnou v systému. Pokud se vrátíte k obrázku s charakteristikou panelu, bude systém pracovat někde ve „vodorovné“ části červené křivky a je tedy vidět, že na modré křivce nedosáhne plného výkonu panelů (nedostane se „doprava“ do bodu maximálního výkonu). Když už ho chcete použít, potřebujete panel(y) s napětím jen o málo vyšším než je napětí baterie. Tím se budete pohybovat „tak moc vpravo“ v grafu jak jen to jde. Pokud ale klesne oslunění, snadno se dostanete do stavu, kdy napětí panelu nebude stačit na dobíjení baterie.

Složitější, ale taky mnohem dokonalejší je MPPT regulátor. Jedná o spínaný zdroj s několika módy řízený mikrokontrolérem. Spínaný zdroj umí laicky řečeno zařídit aby na jeho výstupu bylo jiné napětí a proud než na vstupu, tedy na panelech (funguje podobně jako transformátor ve střídavých rozvodech, ale pracuje s DC napětím na vstupu a výstupu). Pokud je na panelech vyšší napětí než na baterii postará se regulátor jednak o to, aby napětí na výstupu pro baterii bylo správné, a krom toho (laicky řečeno) umí napětí „navíc“ proměnit na vyšší dodávaný proud. Do baterie tak teče větší proud než z panelů. Mikrokontrolér zajišťuje MPPT Tracking, tedy to, aby panel v každém okamžiku dodával maximální možný výkon (pracoval tam kde je v grafu červená a modrá tečka). A pro tento systém také beze zbytku platí, že systém bude tím efektivnější čím vyšší bude napětí na vstupu. Detaily jsou asi na samostatný článek. Obecně je podstatné, že panely můžou mít úplně jiné napětí než baterie, a že jeho použití je nutné pro efektivní využití solárních panelů. Pro instalace na autech, kde je velmi omezený prostor pro panely, je to logická volba.

Baterie

O bateriích jen krátce. Pro použití v systému kde dochází k opakovanému vybíjení a nabíjení velké části kapacity baterie je nutné použít trakční baterii. Klasická automobilová baterie je optimalizovaná pro velké startovací proudy, ale nesnáší hlubší vybíjení které podstatně zkracuje její životnost (pro příklad – startováním proudem 500A po dobu 5s dojde k odčerpání energie kolem 1% celkové kapacity baterie). Trakční baterie jsou optimalizované na to, aby snášely lépe vybíjení na nízkou zbytkovou kapacitu, ale přesto u nich také funguje závislost, že čím hlubší vybíjecí cykly, tím nižší životnost. V technických listech najdete životnost v počtech cyklů (vybití+nabití) pro různé hloubky vybíjení (parametr D.O.D.). Snad samozřejmostí pak je, že když auto nebo karavan na delší dobu odstavíte , připojíte ho na udržovací nabíječku, která zabrání vybití baterií samovybíjením.

Trakční baterie lze ještě rozdělit podle technologie (podle jejich vnitřní konstrukce). Existují baterie, s konstrukcí obdobnou jako u klasické autobaterie, jen konstrukce elektrod je přizpůsobená tomu aby lépe snášela hlubší vybíjení. Mají tekutý elektrolyt a někdy se označují jako WET (=mokré) provedení. Jsou nejlevnější, ale mají nejkratší životnost. Také mohou vyžadovat údržbu (dolévání destilované vody). O stupínek výš jsou AGM a gelové baterie. Liší se „fixací“ elektrolytu v baterii. V případě AGM (=Absorbent Glass Mat) baterie je elektrolyt nasáknutý ve skelném rouně. V případě „gelovek“ je elektrolyt chemicky upraven do podoby gelu. Obě tyto varianty lépe snášejí vibrace a často je u nich povolena instalace v jakékoliv poloze. Jsou také plně bezúdržbové, tedy do nich nemusíte dolívat destilku (a ani není kudy). Pokud se setkáte s označením VRLA (valve-regulated lead-acid) odkazuje to na provedení baterie, která je hermeticky uzavřená (má pouze přetlakový ventil pro případ havarijních stavů). Obecně může být VRLA baterie všech tří typů, tedy s tekutým, s gelovým, nebo s ve vlákně nasáklým elektrolytem. Všechny gelové a AGM akumulátory se kterými se setkáte budou zároveň VRLA, tedy hermeticky uzavřené.

Ohledně toho, kterou baterii si vybrat doporučuji obrátit se na odborníky na baterie s přehledem o momentální situaci na trhu. Podstatným kritériem pro výběr bude jak často baterii používáte a jak moc bude cyklovaná. Osobně mám tu nejlepší zkušenost s firmou Efteria provozující web www.BATTERY.cz . Ostatně na tomto webu je i stránka věnující se výběru trakční baterie: https://www.battery.cz/aplikace-trakcnich-baterii-postup-vyberu-trakcni-baterie/

Sestavení systému

Komplexní návrh systému je nad rámec tohoto článku, ale následující body jsou malý souhrn toho co by nemělo být opomenuto. Zároveň obsahuje několik poznámek ohledně vzájemné souvislosti parametrů solárních panelů a MMPT regulátoru:

  • Kapacita baterie by měla být zvolena tak, aby při plánovaném využití systému docházelo k jejímu vybíjení na rozumnou hranici. Můj oblíbený prodejce baterií udává, že doporučuje minimálně 1,5x vyšší kapacitu baterie, než plánovaný objem vyčerpané energie. To odpovídá vybíjení D.O.D.=67% .
  • Maximální výstupní proud MPPT regulátoru by měl být schopen efektivně dobíjet baterii. Počítejte s účinností nabíjecího cyklu olověné baterie okolo 85% (jinak řečeno, musíte při nabíjení dodat 118% vyčerpané energie).
  • Doporučuju podívat se na rozsah pracovních teplot regulátoru. Případné skvosty s rozsahem 0-40°C a podobně bych si asi do auta nenamontoval. Slušným indikátorem může být velikost chladiče.
  • Zajímejte se o účinnost MPPT regulátoru. Pokud bude např. 85% tak při nabíjecím proudu 10A do 12V baterie bude ztrátový výkon okolo 21W. To je výkon který na regulátoru proměníte v teplo. Dobré regulátory mají účinnost přes 90%.
  • povolené napětí na vstupu MPPT regulátoru musí být vždy vyšší než Voc solárního panelu. (v případě více panelů sériově vyšší než součet Voc všech sériově zapojených panelů. Osobně bych volil rezervu klidně 30%.

Autor článku: S.D. Gotrek

Info o nových článcích a videích na e-mail

Info o vydání nového článku ti vždy pošlu na e-mail, ať o nic nepřijdeš. Žádný spam, odhlášení na jeden klik. Tak to zkus.

Formulář se odesílá, počkejte prosím...



Autor

martin.kolcaba@gmail.com'

Martin von Nomádem.cz

Provozovatel Nomádem.cz, NomadShop.cz a konzultant internetového marketingu libující si v SEO a použitelnosti webů.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *