Jaké technologie zajišťují dostatek elektřiny v Českém soběstačném domě? (1/2)

Tentokrát se zaměříme na detailnější popis použitých technologií a technického řešení domu. Popíšeme jaké solární panely, střídače a baterie jsme zvolili a proč. Prozradíme jak dlouho vydrží dům jet pouze na baterie nebo jak řešíme zálohování kritických komponent.

Výběr technologií solární elektrárny a úložiště

Solární panely či solární tašky? Half-cut, PERC nebo “shingled” solární moduly? Evropské značkové nebo čínské noname solární panely? Olověná, vanad redox nebo lithiová baterie? BMZ nebo Pylontech?  Střídač a regulátor LG,  Fronius, SMA, Victron, Solax,  GoodWe nebo čínské z AliExpressu?

Toto vše byly otázky, které jsme museli rozhodnout a každý odborník prosazoval pouze tu “svou technologii” jako jedinou správnou. Jako naše kritéria relevantní pro výběr komponent a technologií jsme si určili:

• standardizované a časem prověřené řešení za rozumné peníze (vypadly solární tašky),
• bezúdržbovost, snadná nahraditelnost a servisovatelnost (vypadly Vanad-Redox baterie)
• odolnost proti požáru a explozi (vypadly baterie na bázi NMC a LiPol chemie)
• co nejnižší toxicita použitých řešení (vypadly baterie na bázi kadmia, olova, GEL, VRLA a obecně kyseliny sírové)
• důraz na technicky pokroková řešení, která udávají celosvětový trend  (plusové body získaly lithiové baterie)
• elektronické komponenty, jako je například DC/AC střídač či regulátor, musí mít na českém / evropském trhu silné obchodní i technické zázemí, tedy příslib dlouhodobé podpory (vyloučili jsme čínské značky měničů, plusové body dostaly ty značky, které mají v Evropě vývojová oddělení a centrály)
• v daném místě a čase existuje dostatek projektantů, kteří s danou značkou / systémem a jejich kombinací pracují a je tak zajištěna přirozená konkurence (názorů, myšlenek a cen).

Snadná servisovatelnost použitých komponent je jedním z klíčových prvků při výběru technologií a dodavatelů. Ilustrační foto. Zdroj: https://www.solarpowerworldonline.com/

Jaké baterie použít pro soběstačný dům?

Kritéria výběru baterie pro energetické úložiště byly především bezpečnost, životnost a cena. Ačkoliv se výjimečně ještě používají i jiné, než lithiové baterie (například olověné na bázi gelu či kyseliny sírové, Nikl - Kadmiové, Nikl - metal - hydridové, Nikl - Železité), dospěli jsme k názoru, že se jedná o technologie zastaralé, pro které se stále hůře hledá opodstatnění a výrobci.

Lithium Železo-Fosfátové baterie jsou dnes nejpoužívanější právě ve stacionárních úložištích a průmyslové elektromobilitě. Mají sice nejhorší poměr hmotnosti a kapacity, ale to nám v domě nevadí. Jsou relativně levné na výrobu, šampiony z pohledu životnosti (cca osm tisíce cyklů a více) a dokáží se velmi rychle nabíjet a vybíjet. V případě zkratu / přebití nehrozí žádné riziko požáru či exploze. Tato technologie nakonec zvítězila.

Battery hub GWL složený z LiFePO4 článků. Ilustrační foto.

Zvítězily LiFePO články Winston

Dodavatel GWL a.s. navrhl baterii složenou z 20 kusů lithium železo fosfátových článků ThunderSky Winston. Každý článek má kapacitu 400Ah (ampér hodin) a napětí 3,3V (voltu). Celkem tak díky sériovému uspořádání získáme baterii s napětím 55V a kapacitou přibližně 20 kWh. Při úsporném provozu domu, kdy plánujeme spotřebu objektu do 3 kWh denně, tak vychází rezerva na 7 dní provozu bez jediného paprsku slunce. Navíc je schopna absorbovat i špičkový výkon fotovoltaiky (15 kW), protože se dokáže nabíjet proudem až 1C (v našem případě tedy 20 kW) a vybíjet dokonce ještě třikrát rychleji. Toto žádná jiná cenově a rozměrově srovnatelná baterie na tehdejším trhu (2018) neumožňovala a patrně neumožňuje dosud.

Baterie je v budoucnu rozebíratelná a servisovatelná, v případě potřeby lze vadný článek nahradit. To dokáže dle servisního manuálu každý zručný elektrikář. Ačkoliv je LiFePO4 typ prostorově spíše náročnější, podařilo se vybrat takový rozměr článků, který se vejde na dno rozvaděče. I to je výhoda skládaných baterií z prizmatických článků - téměř vždy lze najít tvarově vyhovující řešení.

Instalace bateriového úložiště v soběstačném domě. Zdroj: Archiv Pavla Podruha

Garantovaná životnost baterie je asi osm tisíc nabíjecích cyklů. Při průměrném využití jednoho cyklu týdně to znamená životnost více než 100 let. GWL osadilo baterii ochranným a bezpečnostním systémem (tzv. BMS) značky ELERIX. Ten je taktéž zcela univerzální, využívá jen analogový systém ovládání ostatních komponent a přitom k němu lze připojit přídavný modul pro vzdálené sledování baterie přes internet. Kdykoliv ho lze nahradit za jiný nebo naopak přehodit na jinou baterii.

Solární panely nebo tašky?

Solární střešní tašky jsou dnešním hitem na sociálních sítích a v médiích, zejména zásluhou Elona Muska a jeho firmy TESLA. V reálu se však oproti klasickým solárním panelům používají velmi málo, a to především kvůli přibližně šestkrát vyšší ceně – 1 kWp vyjde asi na 1800 EUR, zatímco klasické solární panely pořídíte asi za 300 EUR. Tím pro nás byla otázka vyřešena :-)

Ukázka instalací využívající solární tašky, které ale z cenových důvodů byly pro soběstačný dům zavrženy.

Výběr výrobce střídačů a solárních panelů

Jaké solární panely?

Technicky orientovaní zájemci mohou podrobnost najít například v této publikaci. My jsme si tím prošli a pro ostatní to shrneme takto: pokud nakupujete u odborné firmy s historií, tradicí a dobrými referencemi, volte dle aktuální dostupnosti, ceny za Wp, rozměrů a požadovaného vzhledu. I pár milimetrů šířky solárního panelu může ve výsledku rozhodnout o tom, kolik se jich na střechu vejde či nevejde. Pro nás byla například priorita celočerné provedení panelů – nejsou o moc dražší než černo-bílo-stříbrné šachovnice a na střeše to vypadá výrazně lépe.

Finálně zvolený solární panel Elerix 320Wp (mono, PERC, all-black) od GWL pro Soběstačný dům

Soběstačný dům je osazen celkem 48 ks Elerix o celkovém výkonu 15 360 Wp. Jeden panel v optimálních podmínkách produkuje 33,5V stejnosměrného napětí a 9,5A proudu. Pokud z panelů neodebíráme žádný proud, napětí naprázdno může být až 41V. Naopak, při zkratu panelu (napětí je tedy téměř nula) jsou panely schopné dodat až 10A proudu.

Jaké střídače a regulátory?

Součástky, které dokážou přizpůsobit napětí ze solárních panelů na napětí v baterii a domovních zásuvkách se nazývají regulátory a střídače. Původně jsme navrhovali použít zcela univerzální, no name “čínské” střídače a regulátory, který nemají žádnou vlastní chytrost ani schopnost komunikace s okolím. To je skvělé pro budoucí možnost náhrady a replikovatelnost celého řešení v různém místě a čase, ale vyžaduje to nadřazenou inteligenci - tu jsme chtěli svěřit právě systému TECOmat. Ten jsme ale nakonec zavrhli z důovdů popsaných v předchozích dílech ( kvůli chytrému domy s hloupými problémy) a museli jsme tak najít jiné řešení.

Kritérii byly technická vyspělost produktu, robustnost konstrukce, v Evropě usazený výrobce a dostatek referencí a historie. Zvažovali jsme mnoho značek a výrobců, ale nakonec to díky perfektnímu technickému zázemí v Česku, skladové dostupnosti a rozumné ceně vyhrála firma Victron Energy.

Proč právě Victron?

Jejich ucelený systém regulátorů a střídačů má implementovanou základní vlastní chytrost, ale na druhou stranu umožňuje striktně analogové ovládání. Tím nedochází k takzvanému “vendor lockup” efektu, kdy v budoucnu není možné nahradit vadnou / nevyhovující komponentu obdobnou od jiného výrobcem jen proto, že je řízena / řídí jinou část pomocí proprietární uzavřené datové komunikace.

Pohled na zapojené rozvaděče a MPPT regulátory soběstačného domu. Zdroj: GWL

Všechny komponenty Victron Energy jsou samostatné, vyměnitelné a nahraditelné za jiné. Jejich robustní konstrukce je vidět nejen prostým pohledem na desku plošných spojů a použité součástky, ale také z převládajícího určení - již více než 20 let se bez závad a problémů instalují do námořních lodích, tedy extrémního prostředí chladu, tepla, vlhkosti a slaného vzduchu.

MPPT regulátory

Pro 48 ks panelů o výkonu přes 15 kWp předpokládáme použít 3 samostatné MPPT regulátory. Jeden tak výkonný, aby zpracoval energii ze všech panelů najednou, se jednak v současné době nevyrábí a jednak bychom to tak ani nechtěli z důvodu bezpečnosti. Kdyby se totiž porouchal, celý dům by zůstal téměř bez přísunu energie. Takto máme trojnásobnou zálohu - i jeden ze tří regulátorů dokáže domu poskytnou dostatek energie pro provoz a dobití baterií.

Jeden regulátor tedy zpracuje stejnosměrné napětí ze skupiny 16-ti panelů (48 / 3 = 16). Každá skupina 16-ti panelů je ještě rozdělena na 4 panely spojené sériově (tzv. stringy, napětí cca 145V) a tyto čtyři skupiny jsou spojeny paralelně, tedy dodají do regulátoru proud až 38A.

MPPT regulátory Českého soběstačného domu. Zdroj: GWL

 Co vlastně dělá MPPT regulátor?

Elektrotechnicky znalí čtenáři asi vědí nebo si už všimli, že solární panel je tzv. zdroj proudu. Tedy při určité konstantní intenzitě osvětlení dodává stále téměř stejný proud bez ohledu na to, jakou zátěž k němu připojíme a jak snížíme napětí na jeho výstupu. A protože výkon rovná se proud krát napětí, je jasné, že nejlepšího výkonu dosáhneme při nejvyšším napětí. Jak ho ale na výstupu udržet?

To je důvod, proč mezi solární panely a spotřebič téměř vždy osazujeme nějaký stabilizátor či regulátor, který bez ohledu na osvit a proudový požadavek (rezistenci) připojeného spotřebiče stabilizuje napětí panelu na jeho ideální hodnotě (uvedeno na štítku panelu) a v případě jeho byť nepatrného poklesu ihned, v reálném čase, omezuje dodávaný proud tak, aby se napětí nesnížilo (a naopak). Toto se nazývá “funkce MPPT” a dosáhneme tak maximálního výkonu sestavy.

Výpadek měniče soběstačný dům ustojí

Co se týká měničů (anglicky invertor), ty zase dokáží ze stejnosměrného napětí (12 až 60V) vyrobit střídavé 230V / 50 Hz, na které jsou konstruovány všechny domácí spotřebiče. Připojují se na jedné straně k bateriím nebo solárním panelům a na straně druhé do standardního elektrorozvaděče, místo přívodu ze sítě 230V.  My jsme zvolili kombinaci těchto třech měničů:

• Jednoho velkého s výkonem 10 kW, který bude v provozu od jara do podzimu a dokáže hravě napájet všechny běžné spotřebiče v domě.
• Druhého o výkonu 5 kW, který bude fungovat převážně od podzimu do jara a stačí na napájení nezbytných spotřebičů. Jeho výhoda je výrazně nižší klidová spotřeba a hodí se tak pro dny, kdy nemáme energie nazbyt.
• Třetího o výkonu pouhých 1200W, který napájí kriticky důležité spotřebiče (osvětlení, alarm, kamery, internet, vodní čerpadlo, oběhové čerpadlo kotle) a který má tak nízkou vlastní spotřebu, že může téměř neomezeně běžet i ve dnech, kdy slunce nesvítí a energii získáváme pouze z rozptýleného a odraženého světla (zataženo, mlha…).

Výhody této trojkombinace:

• V případě poruchy 5 nebo 10 kW měniče může systém téměř bez omezení fungovat na druhý. Přepínání se děje mechanicky, jednou ruční pákou na rozvaděči.
• Při požadavku na napájení spotřebiče s vysokým příkonem (svářečka, sušárna dřeva, keramická pec, nabíjecí stojan na elektromobil) lze oba měniče sfázovat a poskytnout tak spotřebiči 15 kW zdroj. Opět ručním přepnutím mechanického pákového přepínače. 
• Zatímco v letním režimu nám nevadí klidová spotřeba velkého měniče 120W, v zimě si nemůžeme 3 kWh ztracených “někde v drátech” dovolit. Přepnutím na 5 kW měniče ušetříme nejméně 1,5 kWh denně. 
• V zatažených či mlhavých, případně při vysoké vrstvě sněhu na střeše lze oba měniče vypnout a využívat pouze 1200W drobečka. Jeho klidové spotřeba je zhruba 5W, takže zcela zanedbatelná.

V dalším článku o Soběsačném domě pak dojde i na detailnější popis DC rozvaděče. Přiblížíme si to, jak dům vytápíme a jak při vytápění, když nesvítí slunce vyrábíme elektřinu. Dojde také na další zajímavosti z testování a ladění použitých technologií.