Návrh fotovoltaických generátorů

Fotovoltaické moduly jsou k dispozici od různých výrobců v různých velikostech (rozměrech a výkonech), dokonce i v různých barvách. Ano, existují i červené fotovoltaické moduly.

Abychom nepřekročili rámec tohoto článku, budeme se technickými parametry podrobněji zabývat na jiném místě, protože jsou samozřejmě důležité pro doladění. Zde však vysvětlíme základní principy, které jsou důležité pro úvahy o návrhu.
Nechceme začínat Adamem a Evou, tj. měli byste vědět, co je to proud a co je to napětí. Měli byste také vědět, že výkon = proud * napětí.

Měli byste také vědět, že fotovoltaické moduly dodávají stejnosměrný proud a že - obvykle - většina spotřebičů v domácnosti potřebuje střídavý proud (a proto musíte převést stejnosměrný->střídavý proud).

Sériové a paralelní připojení

Pokud jsou fotovoltaické moduly zapojeny do série, zvýší se napětí celé sestavy a proud odpovídá - v ideálním případě - proudu jednoho fotovoltaického modulu. Jinými slovy: napětí se sčítají, proud zůstává stejný.

Pokud jsou FV moduly zapojeny paralelně, proudový tok se zvyšuje, ale napětí zůstává stejné. Jinými slovy: proudy se sčítají, napětí zůstává stejné.

Za předpokladu, že máte 20 FV modulů, existuje mnoho způsobů, jak je zapojit. Na jedné straně to znamená, že neexistuje jediné nejlepší řešení, na druhé straně ne každá konfigurace má smysl.

Můžete zapojit všech 20 modulů do série - tomu se říká konfigurace 20s1p - zde byste měli nejvyšší napětí a nejnižší průtok proudu (výkon zůstává). Mohli byste také zapojit všech 20 modulů paralelně, což by byla velmi neobvyklá konfigurace 1s20p se zajímavými vlastnostmi, ale elektrickými úskalími.

Pak existuje mnoho věcí mezi tím: 4s5p, 5s4p, 10s2p, ... z nichž se odvozují základní provozní parametry (napětí a proud fotovoltaického generátoru). Někdy je člověk omezen a potřeboval by 7s3p - tedy 21 modulů (součin čísel je vždy počet modulů). Pak je otázkou, zda se na plochu vejde např. 21 modulů, nebo zda stačí počítat s 6s3p (18 modulů).

Poznamenáváme: dostupných možností kombinace fotovoltaických modulů je velké množství, ale zároveň jsou nutné s ohledem na individuální požadavky a omezení (prostor, elektrické limity atd.), jak ukáží následující kapitoly.

Řetězce, zastínění a další omezení

Pokud jsou moduly zapojeny do série, označují se jako "řetězec" nebo "řetězec modulů". Jak bylo uvedeno výše, napětí dodávané takovým řetězcem se zvyšuje, ale proudový tok odpovídá proudu jednoho modulu.

Přesněji řečeno, proudový tok odpovídá nejslabšímu proudovému toku v řetězci. A zde je jádro věci: Pokud je v takovém sériovém řetězci zastíněn pouze jeden z modulů, "stáhne" celý výkon řetězce. Stačí jeden lístek na jediném modulu nebo stín antény/komína a může být ztracen výkon několika kilowattů. Proto je zastínění tak důležitou otázkou.

Vysoké napětí má své výhody i nevýhody. Protože k přenosu výkonu při vysokém napětí stačí malé proudy, potřebujete také menší průřezy kabelů. Převod z vysokého stejnosměrného napětí na požadovaný střídavý proud může probíhat efektivněji (s menšími ztrátami). Nemůžete však tuto hru posunout tak daleko, jak byste chtěli. Mnoho modulů má limity ve svých technických parametrech. Některé lze provozovat pouze v řetězcích do 1000 V, jiné do 1500 V, ale jen velmi zřídka více.

Více často není ze strany měničů ani možné, ani žádoucí z hlediska bezpečnosti. V případě požáru (systém nemusí hořet, stačí, když hoří dům pod ním) nejsou hasiči zrovna nadšeni, pokud někde hoří napětí 1000V. Vždyť 1000V si může najít cestu k hasiči po takové požární proudnici...

S vysokými proudy jsou však spojena i další úskalí. Většina zástrček a kabelů je konstruována na proudy do cca 30A. Toho se často dosahuje již u konfigurací XX3p (3 paralelní).

Vyrovnání a sklon fotovoltaických modulů 🧭

"Nejlepší jsou střechy orientované na jih." Stejně jako u většiny obecných tvrzení si můžete být jisti, že to není tak bezvýhradně pravda. Ano, čistě matematicky vzato existuje optimální orientace a sklon, při kterých získáte největší výnos. Je to však svatý grál? Zdaleka ne! Slunce se v průběhu dne i roku po obloze pohybuje, a zajišťuje tak vysokou variabilitu výnosů. Abychom vůbec mohli hovořit o maximálním výnosu, musíme definovat "maximální" jako "v ročním průměru?", "v zimě?", "v létě?".

V minulosti se provozovatel fotovoltaické elektrárny zajímal pouze o maximální roční průměr. Pokud provozovatel dodává a dostává pevnou odměnu, pak taková strategie dává smysl. Tato strategie však přestává dávat smysl, jakmile jde o lokální spotřebu samovýroby elektřiny. Orientace na jih zajistí maximální výnos v poledne. Ale co když v poledne není nikdo doma, kdo by elektřinu spotřeboval? Je známo, že v domácnostech je nejvíce elektřiny potřeba ráno a večer. Zde by například bylo mnohem rozumnější orientovat fotovoltaické moduly na východ a západ.

V zimě je slunce nízko na obloze. Pro optimální výnos by mělo sluneční záření dopadat na FV modul kolmo. Moduly by proto měly být v zimě umístěny pod strmějším úhlem a v létě pod rovnějším. To je myšlenka sledovacích fotovoltaických systémů, které sledují dráhu slunce. Bylo prokázáno, že tyto systémy mají přibližně o 45 % vyšší výnos než systémy s pevnou polohou, ale opět se potýkají s dalšími problémy:

• jako mechanicky aktivní systémy mají životnost 25 let, která je obtížně realizovatelná, rozhodně ne bez údržby.
• tyto systémy lze - pokud vůbec - instalovat pouze na ploché střechy. Jinak se vyskytují spíše jen na volných plochách.
• Vzhledem ke své konstrukci jsou tyto systémy náchylnější k bouřkám a vyžadují opatření, která např. při bouřkách odvedou povrch modulu "mimo vítr".

Pro pevné systémy platí pravidlo: sklon modulu = zeměpisná šířka. Pokud tedy žijete na 40° zeměpisné šířky, ideální sklon vašich fotovoltaických modulů by měl být 40°. To už je velmi strmá střecha, ale 35° je v tomto případě samozřejmě lepší než 20°.

Podobně platí pravidlo, že v zimě je lepší vyšší sklon (slunce je nízko), v létě nižší sklon. Celkově ano, ale v detailu je i toto příliš krátkozraké.

Přímé a rozptýlené světlo

Ne každé světlo je stejné. Fotovoltaický systém dodává elektřinu i tehdy, když je zataženo, a někdy jí není málo. Za předpokladu, že postavíte systém s velmi malým sklonem, je v létě velmi účinný (protože slunce je vysoko). V zimě je takový FV systém velmi neefektivní, protože při přímém slunečním světle přichází světlo pod velmi plochým úhlem a to přirozeně snižuje výkon. Kromě toho se velmi ploché FV moduly špiní (protože déšť nemůže ploché moduly tak dobře smýt). Nemluvě o tom, že v zimě, když jsou moduly pokryty sněhem, sníh z těchto modulů také nemůže sklouznout.

ALE ☁️

Znamená to, že plošně umístěné moduly jsou pro zimu zásadně nevhodné? Určitě ne. V zimě je totiž většinu času zataženo a světlo je rozptýlené. V této situaci si musíte představit, že (nezasněžené) ploché moduly "hledí" ortogonálně (přímo, v pravém úhlu) na bílé mraky. Tyto mraky jsou v danou chvíli široko daleko nejjasnější věcí. A tak je paradoxně fotovoltaická konfigurace, která se jinak jeví jako neoptimální řešení pro zimní období, přesto v této nepříliš vzácné situaci optimální. 💡

Kapacita

O dimenzování fotovoltaického systému jsme již podrobně hovořili na jiném místě a výsledek často zní: zaplňte střechu!

Moduly jsou levné a hodnota elektřiny je velmi závislá na tom, zda ji máte, nebo ne. Nikdo nechce neustále platit příliš vysokou cenu za kWh, ale zamyslete se nad tím, jak vysoké jsou náklady na to, když elektřinu nemáte. Pokud chcete fotovoltaický systém, který vám zajistí co největší nezávislost, musíte zákonitě dát přednost konstrukci, která upřednostňuje výkon systému v zimě.

A zde platí pravidlo: plocha a diverzifikace rozhodují!

Optimální systém nezná "buď-anebo", optimální systém zná "a". Vyrovnejte fotovoltaické moduly na východ a západ. V ideálním případě by moduly měly být také vertikálně (fasáda a/nebo solární plot) orientovány na jih a váš dům napájený fotovoltaickými články bude na zimu vybaven lépe než drtivá většina systémů, které dnes vídáte. ❄️