Ohřev vody fotovoltaickými panely 2022

Intro

V roce 2018 jsem si začal hrát s fotovoltaickými panely a jejich využitím pro ohřev teplé vody. Jelikož jsem předtím neměl absolutně žádnou zkušenost s fotovoltaikou (maximálně tak s článkem v kalkulačce :-), byl jsem velmi překvapen, že to funguje a že i s takovým malým výkonem jsem byl schopný ušetřit téměř polovinu peněz za elektřinu. O tři roky později jsem udělal menší upgrade, přidal jsem další kilowattpeak. Úspora vylezla na 70%. Byl to pro mě skvělý výsledek a to hlavně k faktu, že to ani moc nestálo - resp. nebyla to žádná darda. Tehdy jsem si naivně myslel, že se jedná o konečnou, že jakékoliv další využití fotovoltaiky nedává ekonomický smysl. Bohužel jsem se velmi zmýlil. Je rok 2022 - Green Deal popírá základní fyzikální principy, východní skřet si plní své fantasmagorie, Nord Stream je zavřen a vůbec, je to po Covidu další bláznivé období. Cena elektřiny elektřiny vystřelila na násobky původních cen a to mě donutilo přemýšlet, jak s fotovoltaikou dál. Zda-li se dá nějak více využít a nezabřednout přitom do krysího závodu s návratností v nekonečnu.

Dotace

Nebudu soudit, zda-li je to dobře nebo ne, ale faktem je, že stát v současné době poskytuje dotace až 205 tis. Kč na pořízení domácí fotovoltaické elektrárny. Funguje to zjednodušeně tak, že zájemce osloví některou z mnoha firem, které mají příslušné oprávnění na montáž dotovaných FVE, zaplatí jejich plnou cenu (zhruba 450-500 tis. dle zvolených komponentů) a následně si požádá o proplacení dotace. Celkově tak domácí FVE vyjde na 250-300 tis. Firmy tvrdí, že návratnost je do pár let - tedy alespoň v letáčku.

FVE s dotací je řešení tzv. na klíč - dodavatelská firma namontuje panely, měnič, akumulátor a zařídí veškerou byrokracii včetně připojení k distribuční síti. Následně pak poskytuje servis. Vlastní provoz FVE by měl vypadat tak, že se přes den nabije akumulátor, nahřeje bojler a večer se poté takto získaná energie využije v rámci spotřeby domácnosti. Problém fotovoltaiky a obecně návratnosti je v tom, že je nutné maximalizovat využití energie ze sluníčka a minimalizovat spotřebu energie placené. Primitivní optimalizační úloha s nepříliš jednoduchým řešením. Obvykle se to řeší zmíněným bojlerem, akumulátorem, někdy prodejem přebytků do distribuční sítě nebo využitím produktů typu "virtuální baterie." Do budoucna snad projektem komunitní energetiky, kdy by bylo možné domácí FVE využít jako zdroj elektřiny pro sousedy apod. Každopádně základem je spotřebovat svoji výrobu doma. Pokud se to nedaří, návratnost se velmi rychle prodlužuje. Čili chtě-nechtě jsem si musel položit otázku - vyplatí se mi to?

Odpovědí na výše uvedenou otázku jsem si lámal hlavu dost dlouho. Snažil jsem se udělat různé modely energetických potřeb naší domácnosti, různé simulace a zahrnutí veškerých možných vstupů a rizik. Přeci jen 300 tis. není málo a jelikož pořízení FVE by mělo být investicí (ne spotřebou), tak by nebylo moudré dělat ukvapená rozhodnutí pod tlakem okolností roku 2022. Výsledek: FVE s dotací se mi nevyplatí a to ani při hypotetické ceně 20 Kč/kWh. Při ní jsem se dostal na návratnost 15 let. V čem je problém? Je to jednoduché, máme příliš malou spotřebu. Loni to bylo 4.3MWh. V této spotřebě je placená část ohřevu teplé vody, elektrické podlahové topení a běžná spotřeba domácnosti. Doma máme LED světla, celkem úsporné spotřebiče a hlavně žádné žrouty (klimatizace, tepelná čerpadla, mrazáky, ohřevy bazénu, servery apod...). Nejzásadnějším spotřebičem je tedy podlahové topení - bohužel topit potřebujeme v zimě, kdy je výkon FVE minimální. Z toho plyne ještě jedno zajímavé zjištění - od října do března bych nebyl schopný nabít akumulátor - veškeré přebytky by tekly do bojleru a případně to podlahového topení.

Fotovoltaika svépomocí

Potřebuji na vlastní domácí hybridní nebo ongrid fotovoltaickou elektrárnu firmu? Nedá se ušetřit tím, že si vše namontuji sám? Bohužel moc nedá, neboť když jsem sečetl cenu za všechny komponenty + projekt a revize, velmi jsem se přiblížil k částce od firmy po odečtení dotace. A to platí pro různé konfigurace FVE. Dokud budou existovat dotace, tak je tato cesta slepá.

Rozhodl jsem se tedy, že půjdu následující cestou: Nebudu řešit paralelní připojení k síti, ale udělám dva malé ostrovy na napájení největších žroutů. Tím je bojler a podlahové topení. Bude to vypadat následovně:

• Stávající panely přesunu na východní a západní střechu. Rozdělím je na 2 stringy, které spojím paralelně. Následně je pak připojím přes regulátor na 120V/1kW verzi topné spirály v bojleru.
• Na jižní střechu pořídím 12 kusů panelů 450Wp (5.4kWp).
• První polovinu (2.7kWp/240V) připojím přes regulátor na 230V/2.2kW verzi topné spirály v bojleru.
• Druhou polovinu (2.7kWp/240V) připojím přes regulátor, přepínače sítí a termostat k podlahovému topení.

Představa je taková, že bojler bude moci být ohříván více než 3kW s tím, že se bude dát více využít východní a západní směr. Dále pak budu moci využít 2.7kWp na napájení podlahových topných kabelů v přechodných obdobích na jaře a na podzim. Regulací bych chtěl docílit toho, aby se sluncem ohřívaná podlaha natopila na vyšší teplotu než by tomu bylo v případě napájení ze sítě. Anhydrit v podlaze bych použil jako akumulační hmotu s tím, že jakmile slunce zajde, bude podlaha chládnout delší dobu než dosáhne teploty, kdy se bude muset opět začít ohřívat placenou elektřinou. Výpočtem jsem došel k možné úspoře okolo 1MWh za rok.

Tato stránka popisuje část týkající se ohřevu vody v bojleru. Připojení k podlahovému topení je popsáno ZDE.

Panely

Stávající stav

Mám k dispozici 8 panelů 275Wp s napětím 31V. Doposud jsem je používal zapojené do jednoho stringu, tedy zhruba 248V a 2kWp - téměř ideální na přímé připojení k topné spirále bojleru. Panely byly přišroubovány na jižní straně střechy, 4x AL profil 4.3m, 12 háků.

Úpravy

Pořídil jsem si 12 panelů Longi 450Wp s napětím 41V. K tomu 6 AL profilů 4.4m, 20 háků a další montážní materiál. Stávající panely jsem z jižní střechy přemístil na východní a západní. Na každou stranu 4 kusy. Na jižní střechu jsem poté umístil uvedených 12 kusů nových a rozdělil je do 4 stringů.

Stav je tedy následující:

Kabely od panelů jsem svedl do kovové rozvodnice na půdě. Jde zde příprava na i na svodiče bleskových proudů. Panely jsou umístěny minimálně 70 cm od hromosvodu.

Z rozvodnice na půdě jsou svody do DC rozvaděče v technické místnosti. Použil jsem k tomu zásobu CYKY 4x4 - čili nesedí barvy, ale co už :-) Svody jsou pro západní, východní string a poté pro S1+S2 a S3+S4.

V DC rozvaděči jsou pojistkové odpojovače s pojistkami 16A a přepěťové ochrany do 500V. Maximální napětí na S1+S2 nebo S3+S4 je zhruba 350V v nezatíženém stavu a se započítáním nárůstu napětí vlivem nízkých teplot, takže 500V bezpečně vyhoví.

Připojení k bojleru

Jelikož jeden obrázek je nad tisíc slov, tak níže je uvedeno schéma zapojení (propojení).

Základem jsou dva regulátory, které propojují panely a topné spirály v bojleru. Jejich aktivita je řízena pomocí elektronického termostatu. Termostat měří teplotu v měřící šachtě bojleru a dle nastavených mezí aktivuje / deaktivuje měniče a spíná / rozpíná relé, jež umožňuje ohřev placenou elektřinou. Napájení termostatu a regulátoru je ze zdroje, jež je připojen k síti přes originální mechanický termostat v bojleru. Ten je nastaven na maximální teplotu a zajišťuje bezpečnost v podobě odpojení elektroniky v případě, kdy by se elektronický termostat porouchal a neodpojil solární ohřev. Podobně je zapojen i přímý ohřev ze sítě. Bez funkční distribuční sítě nic nefunguje a vše je tak možné nouzově vypnout hlavním jističem v elekroměrovém rozvaděči.

Regulátor

Jedná o DC verzi vycházející ideově ze SITONu. Principiálně funguje tak, že se periodicky měří napětí a proud. Změnou střídy spínání výkonového tranzistoru se dosahuje maximální hodnoty součinu změřeného napětí a proudu. Toto maximum se vyhledává automaticky a čas od času se projede celá VA křivka pro případ, kdy si se regulátor zavěsil na nějaké lokální maximum.

K regulátoru lze připojit LCD displej 16x2 s převodníkem na I2C. V mém případě ho nevyužívám, neboť regulátor posílá všechny stavové informace na sériový port do modulu termostatu. Od termostatu očekává informaci, zda-li má běžet (RUN) nebo zda-li má smazat naměřenou hodnotu výroby (CLRSTAT). Jinak nemá žádnou jinou chytristiku.

Poznámky k zapojení:

• Jako budič výkonového tranzistoru je použit IR2111 a to proto, že byl k dispozici v DIP. Bohužel jeho vstup si nehraje na TTL úrovně (log.1 je pro něj až od cca. 6-ti V), takže je mu předřazen FET tranzistor BS170.
• Ventilátor se zapíná při výkonu nad 100W. V zásadě stačí nějaký menší, mám 70x70mm s 2000 otáčkami za minutu.
• TXD je TTL UART výstup. Měnič tam posílá stavové informace společně se svoji adresou 1 nebo 0.
• CLRSTAT je vstup, který v log.0 resetuje čítač výroby.
• RUN je pin, který v log.0 aktivuje regulátor. V log.1 je regulátor vypnutý a výkonový tranzistor rozpojený.
• LCD SERIAL slouží k připojení LCD displeje s převodníkem PCF8574. Dá se koupit na pár korun na Aliexpresu nebo na eshopech dratek.cz, laskakit.cz apod.
• Svorky REZERVA s naznačenou propojkou slouží k nastavení adresy, která je vysílána na sériové lince termostatu. Je to proto, že k termostatu jsou připojeny dva regulátory a to na jeden RX vstup. Termostat tak musí poznat, který regulátor danou zprávu posílá.

Varování:

V úvodu jsem se zmínil, že regulátor vychází ideově ze SITONu. Jedná se však od DC verzi, takže může být připojen POUZE k topnému tělesu umístěnému v suché šachtě a NESMÍ být připojen přes jakýkoliv mechanický spínač jako je např. mechanický termostat. Stejnosměrný proud při odpojení nezhasne oblouk a při rozpojení může mechanický kontakt shořet. Stejně tak může dojít k problémům, pokud by bylo těleso zaplaveno vodou - elektrolýza apod. Pokud uvedené nesplňujete, tak prosím ruce pryč - postavte si opravdový SITON nebo BEL - oba jsou AC.

Topná tělesa

Máme doma bojler DZ Dražice OKCE 160 S s topnou přírubou TPK210-12/3-6 kW. Tato příruba obsahuje 3 topná tělesa s tím, že každé topné těleso má v sobě dvě spirály 1kW/230V. Na TÉTO stránce jsem o přírubě napsal více a to včetně schématu zapojení.

Originální zapojení příruby jsem musel předrátovat tak, aby odpovídalo schématu propojení komponentů a upravit jedno topné těleso na 120V. Předrátování je udělat celkem neinvazivně a s využitím stávajících vodičů. Příruba TPK210-12/3-6 kW obsahuje svorkovnici (obyčejnou čokoládu) a je tak celkem flexibilní při různém variantním propojování. Úpravu topného tělesa jsem udělal prostým zkrácením obou spirál tak, aby výsledný odpor seděl na 1kW při 120V.

Termostat

Termostat, resp. tento elektronický termostat, je náhradou za originální mechanický, který je součástí topné příruby bojleru. Hlavním důvodem je, že jsem chtěl dosáhnout stavu, kdy se bojler pomocí placené elektřiny nahřívá na nižší teplotu než pomocí sluníčka. Toho s jedním mechanickým termostatem dosáhnout nelze.

Funkce:

• Termostat měří teplotu pomocí čidla DS18B20, které je vloženo v měřící šachtě v přírubě.
• Stavové informace zobrazuje na LCD displeji 20x4, jež je připojen pomocí I2C převodníku s PCF8574.
• Pokud je teplota nižší než 53°C, tak je povolen ohřev pomocí placené elektřiny - sepnuto relé GRIDRELE.
• Pokud je teplota nižší jak 68°C, tak je povolen ohřev pomocí fotovoltaiky - log.0 na pinech RUN.
• Od FV regulátorů dostává termostat stavové provozní informace - napětí, proud, výkon, výrobu a střídu PWM. Tyto informace pak zobrazuje na LCD displeji.
• Spotřebu bojleru z placené sítě počítá na základě přítomnosti síťového napětí na vstupu GRIDPOWER - je to napájení topné 2kW spirály.
• Čítače výroby v regulátorech se mažou pomocí log.0 na pinech CLRSTAT těsně před půlnocí.
• Wemos D1 je připojen na místní WiFi a všechny informace posílá přes webové API k dalšímu zpracování.
• Čas se synchronizuje z NTP serverů.

Poznámky k zapojení:

• Jako teplotní čidlo je použit DS18B20. Jelikož se toto čidlo vyskytuje v blízkosti rušení (spínání větších proudů) a přívodní vodiče jsou doslova omotány okolo silových, tak je v kódu řešeno čtení trochu paranoidně. Není využita běžná one-wire knihovna, délka čtení teplot je co nejkratší a v případě selhání je opakováno s různým časovým odstupem. Cílem je teplotu přečíst za každých okolností.
• ESP8266 (Wemos D1) má pouze jeden HW UART, avšak potřeboval jsem k němu připojit dva TX výstupy regulátorů. Jelikož je klidová úroveň TTL UARTu log.1, lze toto sloučení realizovat pomocí dvou diod a pull-up rezistoru na vstupu RX. Bohužel toto sloučení neřeší možný souběh vysílání obou regulátorů. Jelikož mám doma poměrně velkou zásobu malých ATTINY85, šáhnul jsem po jednom z nich a chtěl udělat něco jako dvojitý buffer - tedy příjmá na dvou linkách a poté za sebou vysílá na jedné. Byl to takový malý experiment, který pěkně funguje na malých rychlostech, ale jelikož se snažím všude používat baudrate 115200, nakonec jsem z TINY udělal obyčejné AND hradlo :-) Zprávy se z regulátorů vysílají každou sekundu a jsou různě posouvány v čase tak, aby se minimalizovala kolize při příjmu. Vzhledem k faktu, že rychlost přenosu je velká, délka zprávy 0.5ms, tak při měření jsem zaznamenal jednu kolizi za 3 dny. A to opravdu ničemu nevadí, neboť termostat akceptuje až 20-ti sekundové výpadky v komunikaci než prohlásí daný regulátor za offline.
• Jumper před RX pinem slouží pro odpojení příjmu dat z regulátorů během programování ESP8266.

Ke stažení

Schémata, zdrojáky, desky.

Statistika

• Horní procenta vyjadřují poměr zdrojů (FV vs. GRID) energie využitých na ohřev TUV. Čím vyšší číslo, tím více bylo využito k ohřevu vody slunce.
• Dolní procenta vyjadřují úsporu placené energie proti průměrné denní spotřebě bojleru bez FVE.
• Šedé pole bez procent vyjadřuje, že ohřev nebyl tento den vůbec potřeba, nefungoval nebo jen částečně.