Ohřev vody fotovoltaickými panely

01.06.2018

Intro

Koho neštvou poplatky na energie ať zvedne ruku :-) Mě tedy rozhodně ano a to i přesto, že po přestěhování do domku platíme dobrou polovinu z toho co v bytě (po přepočtu na plochu). Takže jsem už ve fázi projektu, po třetím pivu, píchnul tužkou na střechu a řekl - tady budou solární panely a hodně :-) Naštěstí mi do technických věcí žena nekecala, takže je všechno cajk... a panely jsou, i když v počtu menším než malém, ale o tom dále.

Proč je jich málo? Je to z důvodu ekonomické návratnosti, protože, ač se mnozí snaží tvrdit opak, je příšerně dlouhá. Posuďte sami:

Je mi jasné, že cena elektřiny půjde nahoru a nahoru poleze i spotřeba s tím, jak budou holky větší a budou v koupelně trávit více a více času - já už to bohužel nevykompenzuji, pod pět minut sprchu nedám :-) Takže jde o to, jestli se při takové malé úspoře vůbec do solárního ohřevu pouštět - nakonec tedy ano, byť tedy návratnost bude dost dlouhá. Nicméně pocit hračky je pro mě, jakožto chlapa, k nezaplacení :-)

Jen tak ze zvědavosti jsem poslal několika firmám poptávku na kompletní dodávku solárního systému na ohřev vody a to jak vodního, tak i fotovoltaiky. Ve všech případech došly takové pálky, že návratnost by byla hrubě přes 20 let i kdyby elektřina zdražila trojnásobně. Takže vítězí jedině svépomoc.

Bojler

Do domku jsem pořídil bojler DZ Dražice OKCE 160 S. Jedná se o stacionární variantu (na podlahu), která je 2x dražší než klasický závěsný bojler. Důvodem bylo to, že v naší chaloupce máme příčky ze sádrokartonu, takže posadit boljer na podlahu bylo řešení snazší než se pokoušet kotvit 200kg těžkou obludu na zeď a tvářit se, že tomu věřím. Bonusem je, že vlivem tepelných ztrát (trubky, kolena apod.) ohřívá bojler technickou místnost, kde tak nemusím topit.

Model OKCE 160 S je vlastně jen nádrž bez topného tělesa, které se musí dokoupit zvlášť. K jeho montáži je určena příruba vpravo. DZ Dražice nabízí dvě výkonové verze těles a to jednofázová 2.2kW (TPK210-12/2.2 kW) a třífázová 3-6kW (TPK210-12/3-6 kW). V obou případech se jedná o přírubu se suchými tělesy, kdy jsou topná tělesa vložena v trubce a až ta ve vodě. Takže by to mělo být poměrně bezpečné i pro stejnosměrné napájení, jež leze z FV panelů.

Pokud by se jednalo o "mokré těleso", tedy kdy je topná spirála přímo ve vodě, mohlo by při poruše obalu tělesa docházet průchodem stejnosměrného elektrického proudu k poškozování nádoby svodovými proudy a jiné nectnosti - ostatně je na každém soudruhovi, aby si prostudoval co umí stejnosměrný proud s elektrodami ve vodě, zvlášt když víme, ze se zcela jistě nejedná o vodu destilovanou. V tomto případě se musí bezpodmínečně použít regulátor se střídačem, jehož výstupem je střídavé napětí.

Jednofázová příruba je pro účely solárního ohřevu nevhodná, neboť obsahuje pouze jedno topné těleso o příkonu 2.2kW. Muselo by se složitě přepínat mezi tím, kdy má bojler ohřívat na elektřinu ze sítě a kdy ze solárních panelů. Souběh by byl nemožný, resp. příliš komplikovaný a tím nákladný. Zato třífázová varianta je poměrně zajímavá. Schéma zapojení napoví.

Příruba obsahuje tři topná tělesa a každé topné těleso dvě topné spirály. Příkon každé z nich (R) je 1kW při 230V. Na svorkovnici (1-10) lze propojkami nastavit požadovaný příkon, resp. paralelní zapojení spirál na jednotlivé fáze. Požadovaná teplota je řízena třífázovým termostatem.

Myšlenka je prostá - dvě spirály se využijí k ohřevu pomocí elektřiny ze sítě. Zapojení zůstane klasické, tedy termostat, 230V a hotovo. Zbylé čtyři spirály se poté připojí k fotovoltaickým panelům s tím, že vhodnou paralelní kombinací je možné přizpůsobit zátěž tomu, co panely při maximálním osvitu poskytují. Úprava je znázorněna na následujícím schématu. Důležité upozornění - z panelů leze stejnosměrný proud, čili je krajně nevhodné k jeho spínání použít termostat. Stejnosměrný proud se vyznačuje snadným vytažením elektrického oblouku při rozpojení a kontakty termostatu by to určitě nepřežily. Je tedy nutné ke spínání obvodu s panely použít nějaký prvek, který je DC konstruován. V mém případě to řeší regulátor a tranzistor.

Na výše uvedeném obrázku je znázorněna úprava vnitřního zapojení příruby.

Update 30.1.2019 - zlepšení využití energie ze slunce

Na základě schématu upravené příruby je zřejmé, že jsem k řízení požadované teploty bojleru používal pouze integrovaný termostat. Ten poté vypnul jak ohřev ze sítě, tak i zprostředkovaně ohřev pomocí panelů. V létě tak docházelo k tomu, že se bojler v brzkém odpoledni a poté se již elektřina ze slunce nevyužila.

Udělal jsem tedy menší modifikaci, kdy termostat plní pouze bezpečnostní fuknci a zabrání možnému přehřátí. Je nastaven trvale na maximální možnou teplotu a je schopen odpojit topné těleso a zároveň napájecí zdroj MPPT měniče - tedy panely. Řízení požadované teploty v bojleru je pak realizováno elektronickým termostatem a to na základě čidla umístěného na stejném místě, v jakém je čidlo integrovaného termostatu - v přírubě je na to speciální šachta. Elektronický termostat umožňuje dosáhnout teploty 55°C pomocí energie ze sítě a 68°C pomocí energie ze solárních panelů. Více jsem neriskoval vzhledem k možnému popálení příliš horkou "teplou" vodou.

Panely

Jak jsem se již zmiňoval v úvodu, denně si bojler vezme průměrně 6 kWh, což je 2:45 hodiny ohřevu. Elektřina ze sítě je do bojleru spínána časovým spínačem mezi 16-19 hodinou a to proto, aby se bojler dohřál před večerním koupáním. Cílem fotovoltaiky je zkrácení této doby ohřevu - nejlépe na nulu :-) Jde tedy o to, aby sluníčko ohřívalo vodu pomalu a v průběhu celého dne. Výkon panelů tedy nemusí být příliš velký, neboť časové okno (od rána do 16-ti hodin) je poměrně velké. Z tohoto důvodu jsem si z počátku pořídil pouze 4 kusy polykrystalických panelů o maximálním výkonu 270W. Jmenovité napětí je při zatížení 31V, tedy zhruba 120V při sériovém zapojení. Reálně jsou tyto hodnoty trochu nižší - při ostrém letním slunci na jižní Moravě jsem naměřil 970W při 115V. V roce 2021 jsem udělal upgrade na 8 panelů, čili sériově 240V a špička výkonu okolo 1800W.

Topné spirály v přírubě bojleru mají při napětí 230 V příkon 1kW. Při 115V je to však jen 250W (ohmův zákon). Avšak spojením všech čtyřech spirál dohromady se celkový příkon zvedne na 1kW - tedy jen o malinko více, než jsou schopny dodat panely. Jedná se téměř o ideální kombinaci, kdy zdroj 115V (4 panely) odpovídá zátěži. Pro 230V a 8 panelů je situace obdobná, paralelně se spojí 2 spirály.

Pokud je osvit panelů menší, dochází vlivem konstantní zátěže k rapidnímu poklesu napětí, tím i proudu a výkonu. Panely je tedy nutné odlehčit a k tomu slouží tzv. MPPT regulátor. Důsledkem vzroste napětí, proud, vyrobený výkon. V principu jde o to, že FV panely necháme nabíjet dostatečně velké kondenzátory a pomocí PWM připojujeme zátěž, resp. změnou střídy ovlivňujeme míru jejich odlehčení. MPPT regulátor její změnou hledá místo, kde je součin napětí na panelech a procházejícího proudu nejvyšší. Příklad: nyní je venku lehce pod mrakem, panely přes MPPT regulátor dávají 297W, pakliže regulátor obejdu, výkon spadne na 73W.

Mechanika

Panely mají rozměry 1640x992x40. Obsahují připojovací kabely o délce 900mm s konektorem MC4 (speciální vodotěsný konektor), takže je poměrně snadné je vzájemně propojit do série. Kabely s těmito konektory se dají běžně koupit, není tedy problém s nimi dojít od panelů až k bojleru bez jakékoliv svorkovnice - to u mě ale neplatí, neboť jsem měl již od doby stavby přiveden na půdu kabel 4x4 právě pro tento účel. Na obrázku je zprava přiveden "solární" kabel, je poměrně robustní a s dvojitou izolací - s trochou snahy se vejde do Wago svorky. Barvy jsem neřešil :-)

Panely se šroubují speciálními úchytkami na hliníkové lišty a ty poté háky do krokví. Je v tom krásný systém, takže není potřeba zapojovat žádnou lidovou tvořivost. Na čtyři panely jsem potřeboval následující materiál:

S háky jsem měl menší problém, ale podařilo se ho vyřešit. Jde o to, že mám na střeše taškovou krytinu Roben Monza a ta je poměrně těsná ve spodním spoji. Princip montáže háku je totiž takový, že se taška na příslušném místě vyjme, hák se přišroubuje do krokve a taška se vrátí zpátky. Hák poté vyleze pod spodním okrajem tašky. Vzhledem k těsnosti však taška nad hákem nesedí, resp. nezacvakne do zámků s vedlejšími taškami. Úprava se musí udělat flexou - a to je na střeše docela zábava :-) Háků se dá koupit celá řada. Doporučuji však výškové stavitelné, protože se dá snadněji přizpůsobit krytině a poloze krokví tak, aby to sedlo.

MPPT regulátor

Na tomto místě bych rád poděkoval Tomáši Nevřelovi a Jiřímu Oplockému za jejich poznatky a konstrukce, které zveřejnili na svých webech. Poměrně výrazně jsem se jimi inspiroval - resp. znovu nevynalézal kolo :-) Takže doporučuji přečíst.

Vlastnosti:

Problémy:

Kolik to stálo?

V srpnu 2021 jsem pořídil další 4 kusy panelů včetně montážního materiálu.

Položka Cena
Rozdíl ceny topné příruby 1f vs 3f 1400
Panely 13200
Montážní materiál 3670
MPPT regulátor 1030
Další 4 panely s příslušenstvím, úprava regulátoru, 8/2021 16008
Celkem 35308

Ke stažení

Zdrojáky, desky verze 2 apod.