Ako funguje fotovoltaika na dom a z čoho sa skladá

Domáca elektráreň vám môže ušetriť vyššie stovky eur na elektrine ročne. Záleží na tom, aké budú jej parametre a koľko elektriny spotrebúvate.  Technických info je všade plno, ale nebojte. Ja vám vysvetlím polopate, ako fotovoltaické systémy pre rodinné domy fungujú, z čoho sa skladajú a čo robia ich časti.

Základom sú solárne panely na dom

Teda, mali by sme im hovoriť fotovoltické. Ono tých solárnych totiž existujú dva druhy:

• fotovoltické panely – vyrábajú elektrinu zo slnka,
• slnečné kolektory na ohrev vody – hovorí sa im aj solárne kolektory, zachytávajú zo slnka teplo a predávajú ho kvapaline, ktorá obieha v systéme a vo výmenníku ohrieva vodu na vykurovanie objektu, sprchovanie, umývanie riadu a pod.

Populárne sú oboje, ale v tomto článku sa budem venovať iba fotovoltike. 

Samozrejme to, čo platí pre fotovoltické panely na dom, platí z veľkej časti aj pri iných typoch stavieb, hoci pri fotovoltike pre väčšie objekty sú isté odlišnosti. 

Tak, poďme na tie fotovoltaické panely:

Sú to tie čierne panely na strechách domov s typickou bielou mriežkou. Tá mriežka je tam kvôli tomu, lebo fotovoltické panely sa skladajú z menších fotovoltických článkov. 

Články sú tvorené polovodičmi, na ktorých pri ožarovaní slnečným žiarením vzniká napätie okolo 0,5 V.

Hovoríte si, že dosť málo, nie? Máte pravdu. 

Články sú preto pospájané do série, pričom sa ich napätia sčítajú. Na výstupe panelov tak dostanete o niečo rozumnejšie napätie, obvykle do 40 V. 

Aj fotovoltické panely sú pospájané do série. Každej vetve sériovo pospájaných panelov sa hovorí anglicky string. A každý string dosahuje napätie pokojne aj 800 či dokonca 1 000 V jednosmerných.

Prečo tak veľa voltov, keď v dome máme 230 alebo 400 V?

Pretože výkon, ktorý dokážu fotovoltaické panely na dom dodávať, je násobok napätia a prúdu:

P = U × I

P – výkon, 

U – napätie,

I – prúd.

Ak by sme chceli fotovoltiku s výkonom 8 kW (8 000 W), vyzeralo by to napríklad nejako takto:

8 000 W = 800 V × 10 A

…káblami by teda muselo tiecť 10 A.

Ale ak by sme napätie znížili na polovicu:

8 000 W = 400 V × 20 A

…museli by sme káblami hnať až 20 A. Potrebovali by sme teda omnoho hrubšie káble, aby na nich neboli výkonové straty a aby sme nimi nevykurovali ovzdušie. 🙂

Fotovoltaické elektrárne pre rodinné domy (aj pre iné objekty) môžu mať takýchto stringov viac. Káble zo stringov potom vedú do striedača (meniča), ktorých môže byť takisto viac – záleží na výkone systému. O striedačoch píšem ďalej v článku.

Z panelov potom vedú káble do striedača (meniča). 

Teraz ešte k tým káblom:

Nejde o bežné elektroinštalačné káble typu CYKY, aké používate na zásuvky, svetlá či prípojku z domu. 

Kábel na fotovoltiku má dodatočnú izoláciu, aby zniesol vysoké napätie (CYKY znesie „iba“ 750 V) a špeciálnu povrchovú úpravu, aby na slnku nedegradoval. 

Dôležitá je aj konštrukcia na fotovoltaické panely

Tá, ktorý ich drží na streche.

Fotovoltické/solárne panely na dom síce samé o sebe nie sú veľmi ťažké, ich hmotnosť však musíte na strechu rovnomerne rozložiť, aby sa nepoškodila. 

No, teda nie sú ťažké, kým nenasneží, alebo nezafúka vietor…

Ak na panely napadne mokrý sneh, zaťaženie strechy sa skokovo zvýši. Určite ste už videli v správach nejednu strechu, ktorá nápor snehu nevydržala a prepadla sa. A to sa stáva dokonca aj bez panelov.

Samostatná kapitola je vietor. Ony panely síce sú ploché, ale sú na streche uložené šikmo. Pri silnom vetre teda fungujú ako plachetnica na mori:

• vietor ich môže tlačiť k streche a zrazu ako by boli niekoľkonásobne ťažšie,
• vietor ich môže aj podobrať a zo strechy ici vytrhnúť. 

A taký letiaci panel môže niekoho zabiť. Áno, aj niekoho z domácnosti, aj suseda, aj toho, kto práve pôjde okolo. 

Toto asi nechcete…

…ale ja vás zase nechcem zbytočne strašiť. Trošku bude stačiť. 🙂

Kľúčová je ted kvalitná konštrukcia na fotovoltaické panely, ktorá vrtochom počasia odolá.

Niektorí domáci majstri a, žiaľ, aj niektoré nie moc skúsené montážne firmy si vyrábajú držiak na solárny panel takpovediac na kolene. 

Dnes na to však už nie ste odkázaní. V e-shopoch nájdete množstvo typov konštrukcií od rôznych výrobcov. Tieto konštrukcie:

• rozložia hmotnosť panelov rovnomerne, aby sa strecha v určitých bodoch nepreťažovala,
• udržia panely na mieste aj pri silnom vetre,
• čiastočne vietor odklonia špeciálne tvarovanými plechmi, 
• umožnia vám nastaviť sklon panelov s vysokou presnosťou, aby ste získali zo slnka maximum elektriny alebo sklon kedykoľvek zmeniť.

FVE optimizéry vám pomôžu vyťažiť zo slnka maximum

Predstavte si situáciu:

• na streche máte 5 fotovoltických panelov,
• slnko svieti ako besné,
• každý panel teda vyrába maximum elektriny. 

Zrazu sa slnko posunie a komín zatieni veľkú časť jedného panela. Alebo to urobí mrak, strom… na tom nezáleží. Dôležité je, že také veci sa proste stávajú.

„Veď klesne výkon 1 panela, to neni také hrozné,“ pomyslíte si.

Chyba!

Áno, elektrotechnici už tušia. Písal som, že články aj panely sú zapojené do série. To znamená, že keď sa obmedzí prúd v jednom paneli, obmedzí sa prúd v celom obvode – v tomto prípade stringu. 

A to znamená, že klesne výkon celého stringu, pretože ten závisí od napätia i prúdu daného panela – ukazoval som vám to na príklade v úvode s napätiami panelov.

Ale mám pre vás dobrú správu, aj na toto existuje riešenie! 

Je ním „magická“ krabička s názvom optimizér FVE, ktorá je pripevnená na zadnej strane každého panela. 

Nenájdete v nej však žiadne čary ani kúzla. Dokonca nepotrebuje žiadny dodatočný ovládací ani napájací kábel okrem toho, ktorý ide do panelu a z panelu. 

Je v nej vstavaná „iba“ elektronika, ktorá pomôže zregulovať napätie a prúd tak, aby mal systém čo najvyšší výkon. 

FVE optimizéry teda potrebujete, ak:

• máte okolo panelov prekážky, ktoré budú počas dňa vrhať tieň čo i len na časť jedného panela (strom, komín…),
• chcete čo najrýchlejšiu návratnosť investície do fotovoltiky – no a kto by nechcel, že?

Okrem fotovoltických optimizérov existuje aj iné riešenie – mikrostriedače. 

Vtedy sa namiesto hlavného striedača použije pre každý panel samostatný malý striedač a zo strechy ide už bežné striedavé napätie 230/400 V. 

Je to však drahšie a komplikovanejšie, preto sa častejšie používajú práve FVE optimizéry. 

Menič napätia pre fotovoltiku premení jednosmerné napätie na 230/400 V 

Ako som už spomenul, z panelov ide jednosmerné napätie (DC), ktoré je navyše príliš vysoké, aby ste ho mohli použiť na napájanie spotrebičov. 

A práve preto prichádza na scénu menič napätia pre fotovoltiku (hovorí sa mu aj striedač).

Jeho úlohou je zobrať toto jednosmerné vysoké napätie a premeniť ho na striedavých 230 V s dokonalým sínusovým priebehom. Presne takým, aký máme v rozvodnej sieti a aký vzniká v generátoroch elektrární.

Prečo musí byť sínus dokonalý? 

On nie vždy je. Niektoré veľmi lacné meniče totiž vyrábajú buď napätie v tvare obdĺžnika alebo tzv. modifikovaný sínus, ktorý pripomína lichobežník alebo schody. Je to častejšie najmä pri lacných meničoch pre fotovoltické systémy na chatu či do karavanu. 

No a pointa je, že mnohé spotrebiče nemajú takýto tvar napätia rady. Jednoducho začnú štrajkovať, alebo sa vôbec nerozbehnú.

A je tu ešte jedna vec…

…ak budete fotovoltiku na dom prevádzkovať ostrovne (v zapojení off-grid),  tj. nespojenú s rozvodnou sieťou, tj. napríklad na chate alebo niekde, kde nemáte elektrinu z rozvodnej siete…

…vtedy si môžete vybrať menič napätia pre fotovoltiku, aký chcete. Nezabúdajte však, že je na vašej zodpovednosti, ak sa niekomu niečo stane, alebo ak niekde niečo zhorí. 

Ale keď budete mať:

• on-grid fotovoltiku bez batérií, kde bude dom brať elektrinu zo siete aj z fotovoltiky, 
• alebo hybridnú fotovoltiku, čo je ako on-grid len s batériami…

…vtedy nemôžete mať menič, aký vám napadne. Menič vám musí schváliť distribučná spoločnosť elektriny. Jeho typ budete musieť uviesť v žiadosti o pripojenie fotovoltiky.

Prečo? 

K rozvodnej sieti nemôžete prepojiť len tak hocičo. Ak do nej budete posielať elektrinu alebo tam náhodou niečo pretečie, menič vo vašej domácej elektrárni musí vyrábať napätie:

• s dokonalým sínusovým priebehom (o tom som už písal),
• s frekvenciou presne 50 Hz (± nejaká veľmi malá tolerancia) tak ako všetky generátory a iné zdroje v sieti.

Hovorí sa tomu, že zdroj elektriny je synchronizovaný so sieťou. V prípade, že by to tak nebolo, môžete poškodiť niektoré zariadenia rozvodnej siete alebo spotrebiče u susedov. 

Menič napätia pre fotovoltiku môže byť:

1. jednofázový – dodáva 230 V pre jednu fázu, spotrebiče v dome však máte väčšinou rozdelené rovnomerne medzi 3 fázy, takže takýmto meničom nebudete môcť napájať ktorýkoľvek z nich, 
2. trojfázový – dodáva 400 V, takže ním môžete napájať celú elektroinštaláciu v dome alebo akýkoľvek spotrebič v ňom,
3. 3 ks jednofázových – pracujú ako jeden trojfázový, nie s každým je však takéto zapojenie možné. 

Z meniča potom už vedú do fotovoltického rozvádzača klasické elektroinštalačné káble (napr. typu CYKY), ktoré prenášajú 230 V striedavých. 

Viac o meničoch vám poviem nabudúce v samostatnom texte.

DC/AC rozvádzač pre vašu domácu elektráreň

Slúži ako základňa pre ochranné a spínacie prvky fotovoltiky. 

Takéto rozvádzače kúpite ako hotové alebo vám ich vyrobia na mieru… alebo vám ich dodá firma, ktorá vám bude solárne panely na dom montovať… 

Pozor na rozvádzače skladané na kolene

Nielenže nemusia byť bezpečné a často neprechádzajú skúškami, ale firma musí mať na ich výrobu aj oprávnenie. Ku každému rozvádzaču vám musí dodať dokumentáciu vrátane schémy zapojenia a protokolu o kusovej skúške. Budete to potrebovať kvôli revízii. Bez nej vám fotovoltiku nepripoja do siete.

DC/AC rozvádzače pre fotovoltiku sa skladajú najmä z týchto prvkov:

Jednosmerné poistky pre fotovoltiku 

Jednosmerné káble z panelov idú najprv do poistkového odpínača. Ide o modul, ktorý vzdialene pripomína istič. Do jeho vnútra sa vkladajú poistky, ktoré obvod prerušia v prípade skratu alebo nadprúdu a zabránia tak vzniku požiaru. Poistkové odpínače majú teda rovnakú úlohu ako ističe, ktoré máte v domovom rozvádzači.

⚠️ Neodpájajte poistkové odpínače pri záťaži

Takéto poistkové odpínače nesmiete odpájať, keď je obvod zaťažený, tj. keď ide cez poistky veľký prúd. Nie sú na to konštruované a pri odpojení obvodu by vznikol silný elektrický oblúk, ktorý vám môže spôsobiť vážne popáleniny či poškodiť zrak… a to ešte nehovorím o prípadnom požiari. 

Poistkové odpínače sú 2 – pre kladný aj záporný vodič jeden. Z každého odpínača idú 2 káble – jeden výstup do striedača a druhý kábel do zvodiča prepätia.

Zvodiče prepätia pre fotovoltiku

Chránia celý systém aj elektroinštaláciu objektu, ku ktorej je fotovoltika pripojená pred vysokým napätím, ktoré by mohol vyvolať napríklad úder blesku. 

Ak vznikne prepätie, či už na kladnom alebo zápornom vodiči, zvodič obvod spojí s uzemnením, čím vyvolá skrat a poistka obvod preruší.

Zvodič prepätia musí byť určený pre jednosmerné obvody a dimenzovaný s ohľadom na napätie v danej vetve fotovoltického systému.

Klasický striedavý istič

Zo striedača sa vracia už klasický elektroinštalačný kábel s napätím 230/400 V. 

Kábel je pripojený ku klasickému ističu, aký máte napr. v domovom rozvádzači a zároveň k zvodiču prepätia, ktorý chráni pred prepätím striedavú vetvu a čiastočne aj elektroinštaláciu domu/objektu, s ktorou je striedač prepojený.

Batérie pre fotovoltiku

V noci slnko nesvieti a panely vyrábajú presne… nula celých nula celých nula… wattow.

Ak aj svieti, najviac ho je napoludnie, ale väčšina ľudí potrebuje elektrinu poobede alebo podvečer, keď prídu domov z práce. 

Slabšie je to aj v zime, vtedy vám domáca fotovoltická elektráreň vyrobí v priemere tretinu toho, čo cez sezónu. 

Áno, platí to aj pri teplejších zimách, fotovoltika totiž nečerpá energiu zo slnečného tepla, ale zo svetla. A slnko zapadá každú zimu rovnako, aj keby bolo v decembri 30 °C. 

Čo s tým? 

Energiu skrátka potrebujete niekam ukladať. A presne na to slúžia batérie. 

Nepozerajte sa na ne iba ako na úložisko energie, ale aj z ekonomickej stránky. Návratnosť vašej investície do fotovoltiky bude totiž tým rýchlejšia, čím viac elektriny zo slnka využijete. 

Batérie síce fotovoltický systém predražia, ale aj ony sú iba investíciou, ktorú musíte jednoducho zahrnúť do výpočtu. 

O typoch a parametroch batérií nabudúce, dnes iba to najdôležitejšie:

• Batérie nie sú také obrovské ako kedysi a nemusíte sa báť, že by vám zabrali celú pivnicu. Pre bežný rodinný dom má jedna sada batérií veľkosť asi ako mobilná klimatizácia. 
• Kapacita batérií sa udáva v kWh. A čím viac kWh, tým viac adidas… teda tým viac elektriny do batérie uložíte. 
• Celé to musíte (nechať) dôkladne prepočítať, veľká batéria bude zbytočne drahá a nevyužijete ju. Príliš malá batéria zase nemusí dostatočne vykryť obdobia, keď slnko nesvieti a čím viac elektriny budete brať zo siete, tým viac sa návratnosť predĺži.

Fotovoltaika na dom s batériami, ktorá je zároveň napojená na rozvodnú sieť, sa nazýva hybridná. Z fotovoltiky a batérií beriete, iba keď môžete a zvyšok vykryjete zo siete. 

Existujú aj on-grid systémy bez batérií, kde keď nesvieti slnko, beriete hneď zo siete. A ešte sú aj off-grid (ostrovné), ktoré nie sú spojené so sieťou vôbec. Keď nemáte elektrinu v baterkách a slnko nesvieti, nemáte elektrinu vôbec. Ostrovné systémy sa používajú napr. na chatách bez prístupu k elektrine. 

Aj o tom si ešte dáme samostatný článok, kde vám opíšem výhody a nevýhody jednotlivých systémov. 

🔋 Uložte si elektrinu na neskôr do virtuálnej batérie

Je to služba (nie fyzický predmet), v rámci ktorej môžete do siete poslať prebytočnú elektrinu a potom si ju vziať späť za distribučný poplatok. Nie vždy sa však oplatí.

Smart meter na presné meranie vyrobenej a spotrebovanej elektriny

Smart meter je doplnkový elektromer, ktorý sa zapája medzi striedač a hlavný elektromer domu/objektu. 

Meria smer prúdu, množstvo vyrobenej a spotrebovanej elektriny. Zároveň predáva cez komunikačný kábel informácie samotnému striedaču, ktorý by bez neho nevedel fungovať.

Konkrétne zapojenie smart metra nájdete v tomto videu:

Wattrouter (vyťažovač) spracuje prebytky z fotovoltiky, ktoré nevyužijete

Wattrouter je (ďalšia) „magická“ krabička, ktorá vám urýchli návratnosť investície do fotovoltiky. Funguje tak, že prebytok elektriny pustí do zariadení, ktoré ju vedia uložiť. 

Ono správne by sme tomu mali hovoriť vyťažovač, pretože Wattrouter je konkrétna značka vyťažovačov. Okrem nej existuje napr. aj Greenbono či A-Z router.

Elektrinu totiž nemôžete do siete len tak vracať. Ak nemáte virtuálnu batériu alebo dosiahnete jej limit, môžete za jej posielanie do siete dostať od dodávateľa zmluvnú pokutu. 

Áno, za určitých podmienok sa do siete dá aj predávať, ale to je skôr pre firmy. Pre väčšinu domácností to nemá zmysel. Museli by ste to aj poriadne spočítať, mať veľmi výkonnú fotovoltiku… napíšeme si o tom niekedy nabudúce.

Takže ako funguje fotovoltaika s vyťažovačom polopate:

1. Je horúci letný deň, vyrábate naplno, máte prebytok elektriny. 
2. Prebytok nabíja baterky. 
3. Po plnom nabití vyťažovač nasmeruje prebytok do nabíjania elektromobilu, ohrevu bazéna, vody v bojleri či akumulačnej nádrži, chladenia domu klimatizáciou alebo stropným chladením pomocou tepelného čerpadla… vyberte si.
4. Keď slnko zapadne a máte vlastnej elektriny málo, niektorým z uvedených zariadení wattrouter vypne prúd, aby ste ich nekŕmili platenou elektrinu zo siete. 

Geniálne, nie? 

Viac o vyťažovačoch nájdete vo videu (nezabudnite dať autorovi like a odber za jeho snahu):

Fotovoltaika na dom nie je jednoduchá vec 

Hoci je tento článok dosť dlhý, fotovoltaika na dom je v skutočnosti ešte o niečo zložitejšou témou. 

Aj pre elektrikárov a elektrotechnikov je tam mnoho nových vecí. Rozmyslite si preto, či sa do nej chcete púšťať svojpomocne, keď nepoznáte všetky jej riziká.

Toto bol len taký úvod, ďalším častiam fotovoltiky sa budem venovať v samostatných textoch a článkoch. 

Rozoberiem jednotlivé komponenty, ich úlohu, zborím niektoré mýty a pokúsim sa zodpovedať na najčastejšie otázky, ktoré si možno aj vy v súvislosti s elektrinou zo slnka kladiete. 

Často kladené otázky na tému Ako funguje fotovoltaika na dom

Zdroje:

• https://solarcontrols.cz/cz/wattrouter_function.html
• https://cs.tigoenergy.com/post/blog-solar-optimizers-should-you-add-them-to-your-system
• https://www.energysage.com/solar/string-inverters-power-optimizers-microinverters-compared/
• https://www.youtube.com/watch?v=I4czBPobtg0
• https://www.youtube.com/watch?v=6pDyIwL5yFs
• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/solar-cell-string
• https://youtu.be/awSPUPlQ4FA?si=Ip79L_ZbrFWNHdO3
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148119302265
• foto a obrázky: CBelektro.sk a Esat.sk