Domácí solární minielektrárna

Následující řádky popisují měsíce úvah, pokusů, hledání a porovnávání informací a především velké chuti pohrát si a něco se naučit. Článek není určen jako návod pro stavbu vyspělé domácí solární elektrárny. Snahou a cílem je pobavit a inspirovat případné zájemce o podobné hrátky a téma jako takové.

Solární elektrárna, mohu-li tak označit dále popisované zařízení, je pokusná sestava, která se vyznačuje následujícími rysy:
– sestava je zcela otevřená,
– všechny komponenty byly voleny víceméně s ohledem na cenu, přestože se nikdy nejedná o úplný low-cost (bude dále u každého komponentu podrobně zmíněno),
– jedná se samozřejmě o ostrovní systém,
– systémové napětí je 12 V,
– pro akumulaci elektrické energie byly vyzkoušeny dva systémy (olověný akumulátor 12 V a Li-ion akumulátory 3,7 V)
– spíše, než k výrobě elektřiny, mělo celé zařízení sloužit k seznámení se s danou problematikou, vlastnostmi jednotlivých zařízení a chutí trochu si pohrát.

  
Obr. 1. Čínský panel o udávaném výkonu 100 a reálném max. 20 W, Obr. 2. Konektory používané pro připojení solárních panelů

Solární panel

Začněme ale od začátku (celého řetězce). První díl celé skládačky, kterou je solární elektrárna, je samozřejmě solární panel. Při pohledu na ceny na tuzemských e-shopech se můj zrak stočil na čínský shop Banggood, se kterým jsem měl již nějaké celkem pozitivní zkušenosti.

Rozhodl jsem se, nebudu troškařit, a nebudu uvažovat o ničem slabším, než 100 W. E- -shop takový panel nabízel v akci za cca 700 Kč a zdál se tedy výhodnou investicí (obr. 1). Objednal jsem panel dříve, než jsem začal přemýšlet. Až poté mi totiž došlo, že při velikosti a ploše musí panel vyrobit ideálně 20 W. Nevěřil jsem, že obchod může uvádět až tak přehnané a tedy neseriózní údaje. Po několika měsících jsem shop opět navštívil, abych zjistil, jaká bude další „skvělá“ nabídka, nebo jak reagují další uživatelé e-shopu, protože má diskusi a možnost reakcí zákazníků. E-shop mne nezklamal. Desítky zákazníků reagovali nespokojeně a argumentovali způsobem, že údaj o výkonu je nesmyslný. Obchod reagoval tím, že do nabídky zařadil o něco větší panel (cca o třetinu) přidal k němu low-cost regulátor (o podobném bude pojednáno dále) a zařadil do nabídky jako sestavu s výkonem 250 W. To už jsem nevydržel a reagoval pod nabídkou větou ve smyslu podvodné nabídky a klamání zákazníků.

Druhý den jsem obdržel na svou registraci bonus ve formě slevy na zboží (zatím jsem ji nevyužil). Pochopil jsem však, že pro případný nový a větší panel budu muset hledat jiného dodavatele.

Propojení

Pro připojení panelu k regulátoru se používá speciální kabel a konektory (obr. 2). Dále se do tohoto okruhu vkládá odpojovač. Všechny tyto komponenty se dnes dají pořídit poměrně levně.

Obr. 3. Použitý regulátor PWM Win300-N, 12 V / 20 A nahoře, netestovaný PWM regulátor dole

Regulátor

K dispozici jsem měl dvě (ke konci testu tři) provedení regulátoru, čínský low-cost pod označením Solar Charge Controller (obr. 3 dole) v ceně do 250 Kč a asi 2 × dražší typ PWM Win300-N, 12 V / 20 A (obr. 3 nahoře) zakoupený na tuzemském e-shopu, posléze doplněný verzí PWM Win300-NBT, který navíc má zabudované komunikační rozhraní BT.

Všechny v textu zmíněné regulátory využívají technologii PWM – jde o běžné a nejrozšířenější solární regulátory, jsou vhodné hlavně pro panely 30 – 175 Wp. PWM regulátory jsou levnější, ale nejsou vybavené funkcí přizpůsobení zátěži a nedosahují takové účinnosti jako MPPT regulátory, které sledují u solárního panelu bod maximálního výkonu i v nepříznivých podmínkách a systém dosahuje o 30 % vyšší výkon. Mají vyšší vstupní napětí a lze připojovat více sériově spojených panelů, což je výhodnější. Tento typ regulátoru pracuje jako měnič, vyšší vstupní napětí a nižší proud dokáže zpracovat na nižší napětí/vyšší proud s vysokou účinností. Lze pak použít např. panely o výkonu 280 Wp a vyšším.

První z testovaných regulátorů sice podle předběžných zkoušek reguloval dobře, měl však výrazně horší způsob ovládání a logiku nastavení se mi nepodařilo zcela rozluštit. Jednoduše po odšroubování dvou šroubků bylo možné regulátor rozebrat, a po pohledu dovnitř na elektroniku a celkové vnitřní provedení jsem se rozhodl regulátor zcela vyřadit. Nedoporučuji nákup regulátoru tohoto provedení.

Druhý regulátor Win300-N je proveden čistě, vodotěsně, je doplněn externí teplotní sondou, ovládání je přehledné a především podporuje Li-ion akumulátory, a to byl důvod, proč jsem zvolil tento typ. Celkem regulátor podporuje sedm typů akumulátorů. Verze Win300-NBT má stejné vlastnosti a obsahuje BT komunikaci.

Funkčně se oba osvědčily, jak bude dále uvedeno.

  
Obr. 4. Olověný trakční akumulátor o napětí 12 V a kapacitě 33 Ah, Obr. 5. Sestava packu ze šesti článků 26650 s balancérem S3

Úložiště – akumulátory

Olověný akumulátor je trakčního typu o napětí 12 V a kapacitě 33 Ah (obr. 4).

Alternativní úložný prostor tvořily Li-ion akumulátory řady 26650 o napětí 3,8 až 4,2 V a kapacitě 3,4 Ah s napájením řízeném balancérem typu S3 (pro tři články). Řada 26650 je sice dražší, ale zvolil jsem ji z důvodu výrazně vyšších kapacit oproti běžné a široce používané řadě 18650. Sestava packu ze šesti článků 26650 s balancérem S3 je na obr. 5. Sestavení packu vyžaduje bodovou svářečku nebo volné odpoledne a hodně trpělivosti. Výsledný akupack má kapacitu 6,8 Ah, není ale problém jej kapacitně libovolně škálovat připojením dalších článků nebo propojením více packů, případně zvolit články s vyšší kapacitou, které jsou však samozřejmě dražší.

Měnič

Toto zařízení se také označuje jako invertor a slouží ke generování střídavého napětí 230 V.

Měniče se liší výkonem ve W, kterým je lze zatížit. Vyrábějí se v řadě variant průběhu výstupní křivky, od čisté sinusovky po modifikovaný sinusový průběh, trapézový až po obdélníkový průběh. Levnější měniče na výstupu generují tzv. modifikovaný sinusový průběh (obr. 6) a nejdražší mají na výstupu síťové napětí 230 V s čistým sinusovým průběhem. Někde uprostřed by měly být měniče s trapézovým výstupním průběhem. O nevýhodách levnějších variant se lze dočíst na webech.

Pro popisovaný projekt jsem zvolil měnič 12 V / 230 V / 1 200 W s modifikovanou sinusovkou typ Power Inverter 1200 W se špičkou na dvojnásobku výkonu (obr. 7) zakoupený na českém e-shopu (v akci za cca 800 Kč).

  
Obr. 6. Průběry – sinusový, modifikovaný sinus a obdélníkový, Obr. 7. Měnič napětí 12 V / 230 V / 1 200 W

Postřehy při zapojování komponent

Jak jsem již v úvodu zmínil, volba solárního panelu nebyla nejlepší. Pominu-li naprosto neodpovídající výkon, celé provedení, přesněji elektrické zapojení bylo na úrovni hračky. Kabel, spíše kablík vycházející z krabičky s elektronikou byl proveden naprosto ledabyle, visel na dvou tenkých vodičích zakončených konektorem 5,5 mm (obr. 8).

Nebylo možné kablík vyměnit za silnější, aniž bych destruktivně otevřel krabičku s elektronikou přilepenou zezadu k panelu. Jsem přesvědčen, že zde byl hlavní problém a úzké hrdlo, proč se mi nepodařilo z panelu dostat více než 0,9 A a dostal jsem se tak na polovinu teoretického výkonu panelu.

Elektrické připojení panelu jsem realizoval v danou chvíli dostupnou a nevyužitou běžnou bílou dvojlinkou. Další omezení výkonu způsoboval zcela jistě tento 13 m dlouhý přívodní kabel, zde ale nebylo možné jiné řešení, pokud jsem chtěl mít veškeré komponenty pod dohledem v pracovně.

Standardní konektory na straně u panelu jsem měl k dispozici, z důvodu uvedeného „specifického“ řešení u panelu jich nebylo třeba. Na straně u regulátoru by měl být ještě zapojen odpojovač. Z důvodu velmi nízkého výkonu jsem jej také nepoužil.

  
Obr. 8. Neprofesionální provedení vodičů na solárním panelu, Obr. 9. Stožár „téčko“

Hodně času jsem věnoval plánu umístění panelu. Tradiční střecha nepřipadala z několika důvodu v úvahu. Protože pro experimenty jsem potřeboval co největší variabilitu, zvolil jsem umístění na stožáru ve výšce necelých čtyř metrů. Stožár v podobě T jsem svařil ze silnostěnných plastových trubek PPE o vnějším průměru 32 mm. (obr. 9). Stožár jsem ve výšce 3 m zafixoval tak, aby bylo možné s ním otáčet. Plán vyšel částečně. Přestože jsem použil silnostěnné trubky, stožár se prohýbal více, než jsem předpokládal. Vytvoření tvaru jakéhosi úzkého „žebříčku“ by možná přineslo řešení problému s tuhostí, ale pro předpokládané pokusné použití „téčko“ svůj účel splnilo. Těsně pod vrcholem je umístěna tyč, která měla optimalizovat náklon panelu pro co nejlepší nastavení/naklonění vůči slunci.

Celé řešení s plastovými trubkami jsem zvolil pro co nejnižší cenu za realizaci, případně snadnou modifikaci a úpravy.

Regulátor je sice také levného provedení a žádné zázraky se od něj nedají očekávat, ale pracoval dlouhodobě spolehlivě, ovládání bylo přehledné a především jsem ocenil „vzdálenou administraci“ přes BT. Zde nemohu pochválit distributora, který nejen, že nedodal žádný manuál (naštěstí byl v elektronické podobě na e-shopu, ale především v něm nebyla ani zmínka, jakou aplikaci pro Android je třeba nainstalovat. Jediné indicie byly BT a BLE. Nainstaloval jsem tedy BLE Scanner. Po spuštění se v aplikaci za chvíli objevilo zařízení SkyWise. Zajímavé bylo, že v BT managementu Androidu se po nějakém čase objevilo zcela jiné zařízení Interphone Tour BLE. Vydal jsem se po stopách SkyWise a našel apku Solar Life pro jiný (podstatně dražší) regulátor. Zmíněná apka Solar Life (obr. 10) však zabrala (pod Androidem v. 5) a zobrazila nejen aktuální stavy napětí a proudu z panelu, ale také stav baterie. Nabízí také změny některých parametrů nastavení, např. typ akumulátoru. Aplikace se mi zalíbila už jen z důvodu téměř detektivního postupu při jejím zjišťování.

  
Obr. 10. Aplikace Solar Life pro monitoring regulátoru, třetí nabídka Load není využita, použitý regulátor nemá speciální výstup pro spotřebič, Obr. 11. Měřicí panel se zabudovanými ručkovými ampérmetry 15 a 100 A v akumulátorovém okruhu, připojený voltmetr PU 140 a vpravo regulátor PWM Win300-NBT

Měnič byl dodán včetně silných a krátkých propojovacích kabelů pro spolehlivé připojení akumulátoru. Do tohoto okruhu jsem vložil dva ručkové ampérmetry, s rozsahem do 15 A pro menší spotřebiče a 100 A pro větší zátěže (obr. 11), abych v každém okamžiku spolehlivě věděl, co se zde děje. Napětí zde neustále zobrazoval dnes již historický měřicí přístroj PU 140, určený původně pro motoristy, který tak našel své nové uplatnění. K mechanické konstrukci měřicího a kontrolního panelu jsem použil díly z národní vývojové mechanické platformy, které se plně osvědčily.

Měnič s již zmíněnou modifikovanou sinusovkou pracoval spolehlivě. Pro síťové spotřebiče jsou určeny dvě standardní zásuvky a pro mobilní přístroje jeden výstup USB.

Při zkouškách běžné spotřebiče jako klasické žárovky, úsporky (LED), vrtačka, elektrická pila ocaska, úhlová bruska, vibrační bruska, tedy spotřebiče do cca 500 W výkonu neměly problém. Svářečka plastů o výkonu 1 200 W už problém měla, invertor se vypínal při 80 A, pravděpodobně z důvodu poklesu vstupního napětí, proto jsem akumulátor raději dále „netrápil“.

Přenosné bateriové rádio s adaptérem na 230 V však vykazovalo poměrně výrazné rušení způsobené harmonickými ve zmíněné modifikované sinusovce. Pro řešení problému lze využít hotový filtr, který se dá pořídit za cca 150 až 300 Kč. Zde jsem se rozhodl výrazně ušetřit a vytvořil jsem si vlastní filtr tvořený tlumivkou a dvěma kondenzátory 100 nF / 1 000 V podle schématu, jakých je na webech mnoho v různých variantách. Výsledek byl však natolik žalostný, že jsem se přece jenom rozhodl pro profesionální řešení a to filtr typu X31-1 (obr. 12). Rušení se sice poněkud zmírnilo, ale po chvíli jsem si všiml, že ampérmetr v akumulátorovém okruhu ukazuje neuvěřitelné 4 A (bateriové rádio na 9 V se síťovým adaptérem). Útlum a ztráta na filtru byly tak obrovské, že toto řešení bylo v podstatě nepoužitelné.

Obr. 12. Filtr X31-1

Nakonec jsem bateriové rádio připojil přímo na USB konektor v měniči. Přestože přístroj je určen pro napětí 9 V šesti menšími monočlánky, spokojil se s 5 V z USB s bohatou rezervou 2,1 A. Pro úplnost jsem vyzkoušel i tři různé adaptéry 230 V / 5 V USB. Výsledné rušení v přijímači bylo značně rozdílné. Nakonec jsem napájení přijímače vyřešil tím nejjednodušším možným způsobem – připojil ho přímo na akumulátor a příjem byl zcela čistý. Pro zajímavost, přijímač odebíral z akumulátoru cca 70 mA.

Na webech se lze dočíst, že měniče s modifikovanou sinusovkou nejsou vhodné pro dlouhodobý provoz, že s měniči nefungují např. kávovary, plynové kotle a u točivých strojů dochází ke zvýšení hlučnosti a poklesu výkonu. Při dlouhodobém používání s výkonnými spínanými zdroji (nabíječky na notebooky apod.) dochází k namáhání vstupních filtrů nabíječek a zkracování životnosti. U přístrojů s transformátory je na sekundární straně transformátoru po usměrnění nižší napětí než jmenovité.

  
Obr. 13. Pohled z průběhu měření – denní výkony solárního panelu v grafickém průběhu. Je vidět týden, kdy panel nebyl zapojen a aktivní byl jen regulátor s akumulátorem. Časové údaje na počátku grafu jsou také chybné, po několika dnech se datum v aplikaci Solar Life automaticky sesynchronizoval, Obr. 14. Pohled z průběhu měření – denní průběhy napětí na akumulátoru v grafickém průběhu. Je vidět týden, kdy panel nebyl zapojen a aktivní byl jen regulátor s akumulátorem. Časové údaje na počátku grafu jsou chybné, po několika dnech se datum v aplikaci Solar Life automaticky sesynchronizoval

Výsledky z měření

Když jsem začal s testováním komponent a měřením výkonu, měl jsem k dispozici regulátor typu PWM Win300- -N. Předpokládal jsem průběžná měření a zapisování výsledků do tabulky. V průběhu prací jsem do testů zařadil (neplánovaně – byl v akci) regulátor verze PWM Win300-NBT s komunikací BT a následně aplikaci Solar Life. Apka nabídla možnost automatického průběžného měření s grafickým výstupem (obr. 13. a obr. 14.). Z grafů (jejich začátků) je zřejmé, že jsem toto měření realizoval až v druhé fázi celkového testování. Aplikace nabízí i tabulkový výstup denních výsledných hodnot minimálního a maximálního napětí na akumulátoru s přesností desetiny V oproti grafům z obrázků. Další měření výkonu panelu jsem proto považoval za zbytečné a prováděl pouze měření na akumulátorovém okruhu při různém zatížení. Tyto údaje jsou uvedeny v příslušných odstavcích.

Testování regulátoru PWM Win300-NBT a prezentované grafy byly realizovány pouze s olověným akumulátorem. Pack s Li-ion články jsem zapojil pouze na regulátor PWM Win300-N a testoval jsem pouze funkčnost této sestavy. Na obr. 15 je detail displeje regulátoru, nad hodnotou proudu z panelu je vidět nastavení regulátoru na akumulátory Li-ion.

Obr. 15. Detail displeje regulátoru PWM Win300-N, nad hodnotou proudu z panelu je vidět nastavení regulátoru na akumulátory Li-ion

Závěr

Zbývá už jen sesumarizovat výsledky a zkušenosti, které jsem získal při hraní si na tvůrce fotovoltaické elektrárny.

Asi nejhorší volbou byl samotný fotovoltaický panel, jak jsem již zmínil v úvodu. Není však žádný problém použít kvalitnější a výkonnější panel, případně propojit několik panelů, použitý regulátor zvládá proud až 20 A.

Také regulátor lze vyměnit za silnější, nebo dále zvolit systémové napětí 24 V, případně přejít na technologii MPPT. Tyto regulátory jsou však pětkrát i více dražší než testovaný typ.

Akumulátory samotné jsou jedna velká „skládačka“ typů, provedení a kapacit. Použitý akumulátor 33 Ah jsem zvolil jako nejmenší smysluplnou variantu úložiště, kterou však lze dále libovolně škálovat. Ještě variabilnější a rozšiřitelnější stavebnici tvoří řešení založené na Li-ion článcích, jak bylo uvedeno výše.

Ne zcela optimální se ukázala volba měniče s modifikovanou sinusovku. Pro některé účely není vhodná. Ukázalo se, že tento průběh/resp. harmonické nelze jednoduše vyfiltrovat. Problémem ale jsou ceny měničů s kvalitním sinusovým průběhem, které jsou několikanásobně vyšší. Možná bych měl větší úspěch s měničem s trapézovým průběhem, který jsem ale neměl možnost vyzkoušet.

Také je třeba počítat s rezervou výkonu. Spotřebiče mohou představovat zátěž při startu rovnající se troj až šestinásobku nominální zátěže a někdy i mnohem více [1].

Konkrétně 500W úhlová bruska sice při běhu naprázdno vyžadovala cca 25 A, při startu však vylétala ručička ampérmetru na trojnásobnou hodnotu. O něco menší výkmity vykazovala i vibrační 290W bruska.

Jako zdroj zajímavých informací ohledně měničů, různých průběhů střídavého proudu, atd. doporučuji bakalářskou práci Záložní zdroj pro oběhové čerpadlo, VŠB - Technická univerzita Ostrava [2] a diskuze na webech [3].

Rozdíly mezi Li-ion články 26650 a 18650 a jejich srovnání lze nalézt na webu [4].

Ještě jednou zdůrazňuji, že celá popisovaná akce měla za cíl se s problematikou seznámit a poznat vlastnosti jednotlivých komponent v jejich většinou nejjednodušší variantě. Existuje řada dalších dílů, ze kterých se skládá FVE. Nezmínil jsem např. ochranné diody pro propojení více panelů, připojovače další baterie, pokud je první nabitá a mnoho dalších zajímavých zařízení.

Cílem článku je přinést začínajícím a zájemcům o tuto problematiku chuť do experimentování a vzdělávání. Nic více ani méně.

Zdroje:
[1] https://www.autoradia-vysilacky.cz/kategorie/98-0/menice-napeti/ 
[2] https://core.ac.uk/download/pdf/17305498.pdf
[3] https://diskuse.elektrika.cz/index.php/topic,16011.0.html 
[4] https://comparisonarena.com/electronics/batteries/26650-vs-18650/