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 60°C pomocí energie ze sítě a 70°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 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.

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 odpovídá zátěži.

Pokud je osvit panelů menší, dochází vlivem konstantní zátěže k rapidnímu poklesu napětí, tím i proudu a výkonu. Zátěž 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 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 4x6 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:

Zde je první verze desky a provizorně umístěný ventilátor. Deska vpravo s regulátorem nesouvisí, slouží k měření teploty bojleru, příjmu dat a odesílání na internet.

Kolik to stálo?

Položka Cena
Rozdíl ceny topné příruby 1f vs 3f 1400
Panely 13200
Montážní materiál 3670
MPPT regulátor 1030
Celkem 19300

Návratnost je při současné spotřebě a ceně elektřiny 6,7,8,9... let :-)

Statistika

Procenta vyjadřují poměr zdrojů (FV vs. EON) energie využitých na ohřev TUV. Čím vyšší číslo, tím více bylo využito k ohřevu vody slunce. Šedé pole bez procent vyjadřuje, že ohřev nebyl tento den vůbec potřeba.

05/2018 08.
81%
09.
59%
10.
63%
11.
75%
12.
85%
13.
76%
14.
88%
15.
11%
16.
83%
17.
32%
18.
69%
19.
69%
20.
79%
21.
91%
22.
79%
23.
100%
24.
96%
25.
68%
26.
87%
27.
81%
28.
89%
29.
93%
30.
57%
31.
87%
06/2018 01.
90%
02.
90%
03.
57%
04.
78%
05.
68%
06.
92%
07.
75%
08.
62%
09.
100%
10.
84%
11.
91%
12.
100%
13.
60%
14.
58%
15.
62%
16.
70%
17.
57%
18.
74%
19.
76%
20.
71%
21.
89%
22.
54%
23.
46%
24.
52%
25.
64%
26.
81%
27.
81%
28.
56%
29.
84%
30.
91%
07/2018 01.
79%
02.
95%
03.
96%
04.
99%
05.
87%
06.
44%
07.
78%
08.
64%
09.
70%
10.
41%
11.
69%
12.
73%
13.
71%
14.
84%
15.
82%
16.
74%
17.
76%
18.
35%
19.
80%
20.
67%
21.
75%
22.
46%
23.
62%
24.
88%
25.
67%
26.
100%
27.
90%
28.
100%
29.
80%
30.
95%
31.
82%
08/2018 01.
89%
02.
90%
03.
90%
04.
89%
05.
87%
06.
100%
07.
98%
08.
97%
09.
87%
10.
100%
11.
72%
12.
100%
13.
100%
14.
79%
15.
79%
16.
99%
17.
100%
18.
100%
19.
---%
20.
100%
21.
100%
22.
---%
23.
100%
24.
100%
25.
100%
26.
62%
27.
100%
28.
98%
29.
100%
30.
75%
31.
100%
09/2018 01.
32%
02.
60%
03.
---%
04.
43%
05.
89%
06.
96%
07.
97%
08.
86%
09.
100%
10.
100%
11.
83%
12.
95%
13.
84%
14.
20%
15.
81%
16.
93%
17.
100%
18.
100%
19.
100%
20.
100%
21.
100%
22.
80%
23.
35%
24.
77%
25.
52%
26.
95%
27.
74%
28.
91%
29.
77%
30.
92%
10/2018 01.
90%
02.
41%
03.
41%
04.
90%
05.
95%
06.
77%
07.
20%
08.
75%
09.
91%
10.
66%
11.
89%
12.
80%
13.
61%
14.
80%
15.
53%
16.
62%
17.
58%
18.
49%
19.
48%
20.
36%
21.
16%
22.
54%
23.
19%
24.
17%
25.
16%
26.
21%
27.
7%
28.
8%
29.
18%
30.
56%
31.
62%
11/2018 01.
18%
02.
46%
03.
2%
04.
37%
05.
42%
06.
49%
07.
32%
08.
4%
09.
5%
10.
7%
11.
2%
12.
11%
13.
5%
14.
44%
15.
51%
16.
39%
17.
42%
18.
18%
19.
10%
20.
3%
21.
3%
22.
4%
23.
1%
24.
0%
25.
2%
26.
3%
27.
19%
28.
28%
29.
51%
30.
26%
12/2018 01.
0%
02.
0%
03.
1%
04.
12%
05.
44%
06.
11%
07.
2%
08.
12%
09.
7%
10.
15%
11.
3%
12.
4%
13.
31%
14.
17%
15.
0%
16.
0%
17.
0%
18.
6%
19.
7%
20.
1%
21.
4%
22.
4%
23.
11%
24.
12%
25.
6%
26.
4%
27.
8%
28.
8%
29.
6%
30.
5%
31.
35%
01/2019 01.
2%
02.
8%
03.
5%
04.
0%
05.
2%
06.
4%
07.
8%
08.
5%
09.
7%
10.
5%
11.
45%
12.
2%
13.
8%
14.
14%
15.
3%
16.
40%
17.
26%
18.
24%
19.
33%
20.
9%
21.
35%
22.
8%
23.
13%
24.
2%
25.
21%
26.
2%
27.
21%
28.
0%
29.
0%
30.
0%
31.
0%
02/2019 01.
0%
02.
10%
03.
2%
04.
19%
05.
48%
06.
27%
07.
46%
08.
35%
09.
20%
10.
14%
11.
12%
12.
31%
13.
20%
14.
17%
15.
47%
16.
52%
17.
47%
18.
51%
19.
55%
20.
41%
21.
37%
22.
32%
23.
46%
24.
16%
25.
32%
26.
45%
27.
56%
28.
68%
03/2019 01.
19%
02.
26%
03.
24%
04.
41%
05.
34%
06.
58%
07.
52%
08.
31%
09.
20%
10.
9%
11.
36%
12.
66%
13.
34%
14.
33%
15.
27%
16.
29%
17.
55%
18.
31%
19.
36%
20.
42%
21.
57%
22.
62%
23.
71%
24.
60%
25.
48%
26.
43%
Výroba FV 815.835 kWh
Spotřeba EON 970.82 kWh
Poměr FV vs. EON 46 %
Celkem ohřev TUV 1786.655 kWh
Průměrná denní spotřeba bojleru 5.583 kWh

Odhad návratnosti

Rok Výroba FV Cena NT Počet dní provozu Úspora
2018 656.201 kWh 2.8 Kč/kWh 237 1837 Kč
2019 159.634 kWh 3.15 Kč/kWh 84 503 Kč
CELKEM 815.835 kWh 321 2340 Kč
Aktuální pokrytí nákladů 12.12 %
Odhad návratnosti 7.2 let