Zpět na stavby

Zkušenosti z realizace fotovoltaické elektrárny na střeše rodinného domu

11. října 2023
Ing. Jaroslav Hněvkovský

V současné době ze všech stran útočí reklamy na instalaci fotovoltaické elektrárny a slibují, že tato instalace je to nejlepší, co si můžete pro vaši střechu pořídit. Přes masivnost reklamy však zůstává řada informací skryta. Ano, pro laika je to lákadlo na úsporu elektrické energie a soběstačnost v dodávce energie. S ­přibývajícími instalacemi však vyvstává řada problémů s přetoky nadvýroby elektřiny do distribuční sítě, což může být v některých aglomeracích fatální a realizaci instalace fotovoltaické elektrárny může ohrozit.

Autor:


Autor článku vystudoval na katedře energetických strojů a zařízení Fakultu strojní ČVUT v Praze. Celý pracovní život, až na krátké přerušení, pracoval ve ŠKODĚ Praha, která zajišťovala dodávky a montáž elektráren prakticky po celém světě – od projektanta po vedoucí manažerské pozice při výstavbě elektráren. V posledních letech pracoval na rekonstrukcích tuzemských klasických elektráren.

Také elektrárna bez dobrého bateriového úložiště je špatným řešením, které nepřinese žádaný výsledek. Je třeba upozornit, že baterie je velmi drahá a v případě instalace popisované v tomto textu činila cena baterie 50 % z ceny celkové dodávky. Baterie je samostatná jednotka, která má řízené vybíjení článků, automatickou kalibraci a další automatické kroky vedoucí k prodloužení její životnosti. Způsob řešení, u kterého úložiště tvořila plná půda vyřazených autobaterií z nákladních aut a střídač byl vymontován na vrakovišti vojenské techniky, není cestou k řádně fungující elektrárně.

Když autor článku v roce 2018 začal uvažovat o pořízení fotovoltaické elektrárny, vycházel z toho, že měl u rodinného domu rovnou, dostatečně únosnou střechu orientovanou sever – jih, a z životních zkušeností, kdy celý pracovní život věnoval výstavbě elektráren. Kolegové mu v žertu říkali, že když celý život stavěl elektrárny, tak na důchod si jednu malou pořídil domů. Něco pravdy na tom je. Určitě to také byl kamínek do mozaiky rozhodnutí ke stavbě.

Před realizací je třeba vědět tuto základní informaci – celý systém pracuje jako miniaturní ostrov, který stojí na čtyřech sloupech:

  • panely na střeše;
  • baterie;
  • veřejná síť;
  • domácnost.

Pojem stálé slunce je ukryt ve spolupráci panelů s úložištěm. Autor článku postupně rozvíjel a realizoval další funkce a možnosti systému, až získal téměř plnohodnotnou malou elektrárnu. Jistě, za cenu zvýšených nákladů, ne však nijak horentních, vzhledem k celkové ceně pořízení fotovoltaického systému. Firmy nabízející montáž fotovoltaických systémů zůstávají mnoho potřebných informací dlužny. Fotovoltaická elektrárna není jednoduchým zařízením a umožňuje mnoho funkcionalit, které stojí za to realizovat.

Parametry výroby FVE

Elektrárna byla instalována v roce 2018 a uvedena do provozu byla v srpnu téhož roku. V tab. 2 je uveden přehled výroby za čtyřleté období 2019 až 2022. Je patrné, že výroba v jednotlivých letech je přibližně stejná. To potvrzuje rozložení intenzity slunečního svitu v naší zeměpisné poloze. Také rozložení spotřeby mezi baterií a přímo spotřebovanou energii je meziročně podobné. S přetoky do sítě lze bojovat například přepnutím spotřeby do vyhřívání boileru. Jestliže průměrná výroba činí 4,386 MW/rok
a dlouhodobá spotřeba domácnosti je 6,6 MWh/rok, vychází úspora 63,77 %. Naměřená hodnota je vzata z fakturačních měřidel, tudíž je přesná. Hodnotu účinnosti je možné mírně vylepšit některými regulačními zásahy na straně přetoků do sítě.

Vzhledem k současným prudkým výkyvům cen elektrické energie a nejasnému vývoji na trhu s elektrickou energií je instalace fotoelektrické elektrárny jistě zajímavá a přínosná. Popsaná instalace je na hranici možnosti dalšího zvýšení výroby elektřiny.

Neočekávejme v budoucnu významné navyšování výkonu. Slunečního svitu významně více nebude a jiná vylepšení, jako natáčení fotovoltaických panelů za sluncem, jsou příliš drahá a pro domácí elektrárnu nevhodná.

Různé funkcionality FVE

Původně navržený bateriový systém Fronius LiFePO4 s kapacitou 6 KWh nebyl dostatečný a po krátké době užívání a analýze dat bylo zjištěno, že přetoky do sítě jsou příliš velké a pro potřeby uživatele zbytečné. Bateriový systém byl v roce 2019 rozšířen o dva články na současnou kapacitu 8 KWh, která se ukázala jako vyhovující.

Původní konfigurace zapojení pak byla doplněna o modul záskoku napájení při výpadku sítě. Tento modul drží minimální kapacitu baterie na 13 %. Tuto hodnotu lze libovolně nastavit. Baterie je připravena k přepnutí do režimu záskoku. Při výpadku sítě je možno upravit zapojení rozva­děče tak, aby byly v provozu jen základní spotřebiče. Tato možnost nebyla využita vzhledem k profesi majitele s tím, že tuto manipulaci si zajistí sám. I když dodavatel energie – PRE – argu­mentoval prakticky nemožností výpadku dodávky, do budoucnosti je na místě tuto možnost instalace záskoku doporučit.

Systém baterie a střídače ještě umožňuje dokoupení modulu, který při nabití baterie a hrozbě přetoku do sítě přepne systém do režimu topení boileru. Vyžaduje to malou úpravu, a to přímé nezávislé propojení boileru se systémem samostatným vedením, což však většinou nečiní problém. Majitel FVE zatím tuto možnost nerealizoval, i když zejména v letních měsících pohled na graf výroby s přetoky do sítě posiluje rozhodnuti tuto funkcionalitu realizovat. Další možnost funkce střídač – baterie se nabízí. Střídač Fronius umožňuje nabíjet baterii v době snížené sazby NT. Zní to lákavě, ale pohled na fakturu dodavatele elektrické energie, kde sazby VT a NT téměř splývají, tuto možnost téměř vylučují.

Další využití domácí fotovoltaické elektrárny jako nabíječky elektromobilů je Wall Box.

Nabíječka elektromobilů v konfiguraci s FVE a chytrou regulací zajisti kvalitní a bezpečné nabití elektromobilů, velice vhodné pro tzv. plug-in hybridy.

Z přehledu funkcionalit fotovoltaické elektrárny je vidět, že na první pohled jednoduché zařízení v sobě ukrývá celou řadu možností, jejichž využití stojí za to.

 

Tab. 1 Základní informace o navržené FVE

 

Instalovaný výkon elektrárny

4 kWp

Počet modulů

14 ks

Zastavěná plocha FV modulů

22,78 m2

Počet střídačů

1 ks

Počet baterií

1 ks

Celková kapacita baterií

6 kWh

Typ panelů

IBC 275 VL4

SVT kód panelu pro účely NZÚ

SVT22504

Typ střídače

Fronius Symo Hybrid 4.0-3-S

SVT kód střídače pro účely NZÚ

SVT20423

Typ bateriového systému

Fronius LiFePO4

Údržba FVE

Fotovoltaické panely jsou umístěny na střeše rodinného domku, která je plochá, s mírným konstrukčním sklonem, a je orientována přímo na jih. Po posouzení únosnosti střešní konstrukce bylo rozhodnuto využít předimenzování nosných stropních panelů a navrhnout velmi jednoduché řešení. Panely jsou uchyceny na plastový základ (jakousi vanu – viz obr. 4, která je vyplněna betonovou zátěží a zajišťuje tak ukotvení fotovoltaických panelů na střechu).

Konstrukce základu pro montáž celého systému panelů nezasahuje do konstrukce střechy. Kabeláž mezi panely a střídačem, což jsou dva kabely, je vedena nepoužívaným komínem do sklepa, kde je umístěna celá strojovna elektrárny – baterie, jističe, střídač. Pohled na fasádu tedy není rušen žádnými kabely ani panely, a tak instalace FVE nenarušuje architekturu stavby. Střecha má plochu 100 m2, plocha fotovoltaických panelů je cca 25 m2, takže na střeše zbývá dostatek místa pro pohodlné umístění panelů tak, aby se vzájemně nestínily.

  Obr. 4 Fotovoltické panely jsou uchyceny na plastový základ – reálné provedení
Obr. 4 Fotovoltické panely jsou uchyceny na plastový základ – reálné provedení

Údržba elektrárny

Údržba elektrárny je velmi jednoduchá. Například čištění panelů není potřeba – během téměř pětiletého provozu to nebylo potřeba ani jednou.

Základní kroky při revizi, které se doporučují po cca čtyřech letech provozu:

  • pohledová kontrola propojovací kabeláže;
  • kontrola rozvaděčů AC, DC – jisticí a přepěťové prvky, dotažení spojů;
  • kontrola konstrukce FVE, dotažení spojů;
  • prověření funkčnosti měničů a připojení FVE;
  • zhodnocení historie výroby FVE.

Problémem instalace FVE na pultové střeše je sníh. V historii provozu elektrárny se dvakrát stalo, že panely byly zasypány sněhem, a proto byla cca týden elektrárna vyřazena z provozu.

 

Tab. 2 Výroba v průběhu let 2019–2022 v kWh


Rok

Energie dodaná do sítě [kWh]

Energie uložená v akumulátoru [kWh]

Spotřebováno [kWh]

Celkem [kWh]

2019

1 004,00

1 409

2 069

4 482

2020

859,00

1 662

1 562

4 083

2021

723,00

1 562

1 823

4 108

2022

848,00

1 549

2 054

4 451

 

Příklad denního průběhu výroby a spotřeby FVE

Střídač Symo a Smart Meter v internetovém prostředí umožňují sledovat v čase řadu důležitých parametrů: stav a průběh nabíjení akumulátoru, přímou aktuální spotřebu domácnosti, výkon ukládaný do akumulátoru a v neposlední řadě přetoky do veřejné sítě.

Na snímku z letního dne na obr. 5 vidíme průběh 24 hodin práce FVE. Na levé straně snímku je patrné, jak po vyčerpání kapacity baterie na 13 % drží tuto hodnotu pro potřeby záskoku při výpadku sítě. Na spotřebě vidíme dálkové zapnutí boileru. Přibližně v 8.00 hod. se probouzí FVE a začíná dodávat energii pro domácí spotřebiče a nabíjení baterie. Nabíjení je poměrně strmé, někdy cca ve 12.00 hod. je baterie nabitá a spotřeba domácí sítě je saturována přímou výrobou. Lze také pozorovat první přetoky do veřejné sítě. Kolem 16.00 hod. jsou přetoky do sítě poměrně velké, protože spotřeba domácnosti byla v daný den malá.

Jindy však, například při sekání trávy a spuštění čerpadla pro zalévání, je tento přetok hravě zlikvidován. Baterie vydrží zásobovat domácnost do cca 2.00 hod. ráno, kdy její kapacitu utne zapnutý boiler HDO. Baterie si pak drží svou kapacitu určenou pro záskok.

Z obr. 5 je patrný stav jednotlivých parametrů během letního dne. Takto lze po minutách rastrovat celých 24 hodin. Můžeme tak vyhodnotit špičky odběru v průběhu dne. Zpravidla se jedná o spotřebiče, jejichž přítomnost si ani neuvědomujeme a zjistíme např., že to bylo čerpadlo ve studni. S takto softwarově vybavenou FVE je možno manipulovat jako s hračkou pro pokročilé energetiky. Zjistíme například, že spící dům, kde na nás blikají bludičky vypnutých přístrojů, má spotřebu 250 Wh. Nebo že nejmenší vyrobené množství energie je zpravidla v lednu (86 KWh) a naopak nejvyšší výkon má elektrárnu v červnu (640 KWh), měřeno v roce 2022.

Závěr

V předchozím textu je definován pojem FVE a jak ji lze využívat při instalaci správně vybraných komponentů. Připomeňme, že je třeba vybrat kvalitní a odbornou dodavatelskou firmu. Pak je vyhráno a můžeme si vlastnosti naší FVE užívat. Elektrárna je v provozu tak, že o ní ani nevíme. Je tichá, ve strojovně, zpravidla ve sklepě, je slyšet pouze tiché bzučení střídače, někdy, při větším odběru, přiskočí chladicí ventilátor. Údržba je minimální, není téměř potřeba.

Fotovoltaická elektrárna je skvělým zařízením, které pomůže ušetřit část spotřebované elektřiny. Přispívá k eko­logizaci prostředí, a to významně. A energe­tikům ve výslužbě dělá radost, že si mohou hrát. I to stojí za to.

 

Grafické podklady: archiv autora