V principu je solární panel složen z článků, což jsou velkoplošné fotodiody. Na fotodiodě vzniká osvětlením napětí v propustném směru. Pokud fotodiodu necháme naprázdno, napětí se omezí vodivým proudem diody na cca 0,6V. Pokud fotodiodu zkratujeme, naměříme proud úměrný osvětlení a ploše. V obou případech nám fotodioda nedá žádný výkon, protože naprázdno na ní bude napětí bez proudu a do zkratu zase poteče proud bez napětí.
Abychom z panelu dostali maximální výkon, musíme zátěž nastavit tak, aby byl součin napětí a proudu maximální. Takže napětí bude menší než napětí naprázdno a proud bude trochu menší, než zkratový. Protože proud se mění s osvětlením a napětí s teplotou, to maximum bude pokaždé jinde je potřeba ho neustále hledat. To dělají měniče MPPT (Maximum Power Point Tracking). Všechny veličiny, napětí naprázdno, proud nakrátko, napětí a proud v bodě MPPT pro nějaké standardní podmínky (osvětlení, teplota) najdeme na štítku panelu. V jednodušších systémech, kde nejde o maximální využití výkonu panelu, můžeme panelem přímo dobíjet baterii, nebo na panel připojit dostatečně výkonné ledky. V takovém případě volíme napětí o něco málo nižší, než odpovídá bodu MPPT.
Ještě je v této souvislosti dobré zmínit, že fotodioda při osvětlení propouští proud i v závěrném směru. V tom případě energii nevyrábí, ale spotřebovává. To je problém zastíněných panelů. Pokud máme v sérii více panelů a na některém jeden článek částečně zastíníme, proud tohoto článku by měl klesnout. Jenže ostatní panely dávají vyšší proud a ten způsobí, že zastíněný článek se přepóluje a je na něm napětí v závěrném směru. Potom záleží jen na průrazném (zenerově) napětí oné fotodiody, jaký na ní bude ztrátový výkon. Je možné, že výkon bude i takový, že vznikne horké místo, panel se začne tavit a může dojít i k požáru střechy. Proto se dnes do panelů dávají bypass diody, které omezí napětí v závěrném směru a panel před přehříváním ochrání. Zároveň zastíněný panel tolik nesníží výkon celého stringu. V některých starých panelech ale bypass diody nebyly. O diagnostice panelů a o jejich různých závadách pojednává tato bakalářská práce.
Existuje několik druhů solárních panelů. Nejrozšířenější je dnes monokrystalický křemík, účinnost přeměny světla na el. energii se pohybuje kousek nad 20%. Ono to vypadá, že je to málo, jenže ve skutečnosti je účinnost mnohem vyšší. Bohužel jen pro jednu vlnovou délku světla, která leží v infračervené oblasti. Pro viditelné světlo je už přeměna méně účinná. Lepší účinnost pro viditelné světlo mají panely z galiumarsenidu. Ale tyto panely jsou příliš drahé a používají se především na kosmických sondách, kde se s nimi ušetří rozměry a hmotnost.
Jsou také tenkovrstvé panely, kde se používá směs polovodičů napařených na skle. Ty zpracovávají světlo ve viditelné oblasti a každý z polovodičů má maximum na jiné vlnové délce. Teoreticky by jejich účinnost mohla být větší, než účinnost křemíku, ale i po desítkách let vývoje jsou stále o dost horší. Jeden takový CIS panel mám a dostal jsem k němu i hezkou pohádku o tom, jak jeho výkon při zatažené obloze neklesá tolik, jako výkon křemíkového panelu :-) Nějaký přehled FV panelů je v téhle bakalářce.
Při výběru solárních panelů lze dnes jednoznačně doporučit monokrystalický křemík. CIS panely jsou na tom s účinností o dost hůř a křemík už není tak drahý, jako býval. Taky je dobré si pohlídat, aby měly bypass diody. Nejen že to sníží ztráty při částečném zastínění střechy, ale diody zabrání přehřívání zastíněné části.
V současné době se vyrábějí panely jako half cut, tedy dělené na polovinu a každá polovina má svoji bypass diodu. Pokud dojde k zastínění jednoho nebo několika článků na jedné polovině panelu, zastíněnou polovinu překlene bypass dioda a druhá polovina stále vyrábí energii. Na zastíněný článek se dostává energie jen z poloviny panelu, což stačí možná na roztátí sněhu, ale nehrozí vznik horkého místa, od kterého by mohlo začít hořet. Takže half cut také doporučuji - ale ono se snad už ani nic jiného nevyrábí.
Baterií je spousta systémů a jen některé z nich jsou vhodné a používané v domácí fotovoltaice. Takovou bateriovou klasikou jsou dva systémy, olověné a niklokadmiové akumulátory. Používají se často v ostrovních systémech, které si lidi dělají sami. Obvykle se používají starší vyřazené NiCd články, které se dají sehnat velmi levně. Vím o člověku, který má doma NiCd baterii 200 KWh, ale má na to zvlášť místnost plnou regálů s bateriema. Používají se i vyřazené olověné baterie, třeba z vysokozdvižných vozíků, ale tam to s tou životností bude horší. Vyrábějí se též olověné baterie přímo určené pro fotovoltaiku a i když se dělá neustálý vývoj v odolnosti proti sulfataci, nelze je příliš hluboce vybíjet a jejich životnost je menší, než životnost baterií LiFePO4. Oba tyto typy baterií jsou bezpečné, nehoří.
Občas si někdo do své fotovoltaiky sežene starší Li-on baterii z elektroauta, ale u ní člověk nikdy neví, kdy začne hořet. Ta kapacita obvykle nad 50 KWh je lákavá, ale dal bych jí jedině do samostatné budky mimo dům. Aby to nedopadlo třeba takhle. V současné době se ve fotovoltaikách používají baterie LiFePO4, které jsou bezpečné a nehoří.
Jsou i baterie, kde se nenabíjí elektrody, ale elektrolyt. Jsou vhodné pro větší systémy, protože v baterii jsou čtyři nádrže na elektrolyt a čerpadla, která elektrolyt tlačí skrz články. Princip vanadových průtočných baterií je známý už mnoho let a jak už to u takových věcí bývá, dotáhnout vývoj do praktické použitelnosti je někdy problém. Český startup se tím už 10 let zabývá a už začal vyrábět první baterie. Také se mnoho let mluví o bateriích síra-sodík, kde zase byly problémy se separátory. I tuto technologii se postupně daří řešit.
Olověná baterie má problém, když se vybije. Oxid olova a olovo se zreaguje na síran a pokud se baterie nechá vybitá dlouho, síran rekrystalizuje, "zatvrdne" a pak se nabíjením těžko zpátky rozpouští. Taková zesulfatovaná baterie se sice prý dá zregenerovat velmi pomalým a nejlépe impulzním nabíjením, ale obvykle je to jen poslední pokus před tím, než baterii vyhodíme.
Autobaterie s mřížkovými elektrodami (v olověné mřížce je zalisovaná aktivní hmota) je na tom ohledně životnosti nejhůř. Její optimální použití je v autě, kde je neustále nabitá a ani při startování se z ní neodebere tolik energie, aby se významně vybila. Pokud jí budeme používat v cyklickém režimu, nedoporučuje se jí vybíjet pod 50% a už po stovkách cyklů bude ztrácet kapacitu. Lépe jsou na tom baterie s trubkovýma elektrodama, trakční a solární. Ale i u těch můžeme počítat s životností jen pár let. Olověné baterie jsou sice levné a v nabitém stavu jim nevadí mráz, ale jejich životnost není zrovna nejlepší. Ve vybitém stavu se hustota kyseliny zmenšuje a baterie může zamrznout - mráz jí může roztrhat. Dlouho vybitá baterie zesulfatuje.
Olověné baterie jsou s tekutým elektrolytem, tedy se špuntama pro dolívání vody a gelové baterie, kam vodu dolívat nelze. Pokud přebíjíme baterii s tekutým elektrolytem, po úplném nabití se začne rozkládat voda a tu lze do baterie doplnit. Z gelové baterie také při přebíjení mizí voda, ale tu už nelze doplnit a články nenávratně vysychají. Proto nabíječka pro gelovky musí mít omezení nabíjecího napětí, aby baterie neplynovala. Ve firmě PIK vyrábíme zařízení pro formování NiCd baterií a pokud na něm měříme kapacitu olověných gelovek, při nabíjení odpínáme postupně bloky, které dosáhly maximální napětí.
Pokud mají starší články gelových baterií rozdílné kapacity, stane se, že ty slabší se nabíjejí rychleji a při omezení pouze celkového napětí začínají plynovat. To pak zkracuje životnost celé baterie. Pokud je rozdíl kapacity malý, úbytek vody je zanedbatelný a provozu baterie to nevadí. Občas se sice mluví o balancerech na olověné gelovky, ale běžně se nepoužívají. Ono taky balancovat napětí mezi jednotlivými 12V bloky je dost k ničemu, když každý blok je složený ze šesti článků a k propojkám mezi nimi se nedostaneme.
Baterie NiCd jsou dva druhy. Podobně jako u olověných, zase s tekutým elektrolytem (s dírama pro dolívání, někdy označované jako průmyslové) a hermetické. Rozdíl mezi nimi je zásadní, vyžadují úplně jiný způsob nabíjení. Je to popsané tady. Průmyslové baterie se používají jako startovací v lokomotivách a jako osvětlovací ve vagónech. Snesou toho opravdu hodně. Když jsme dělali vybavení do zkušebny u výrobce baterií, přivezli jsme si nějaké články, co prošly zkušebnou, takže i po životnostních zkouškách. Když pak práce skončily, kolega měl baterii 15 let pod stolem. Články byly vybité na nulu. Po těch 15 letech jsem baterii jen nabil a připojil na 20W solární panel. Teď z ní ve skleníku běží osvětlení, automatické zalívání a otvírání okna. Baterie je na to zbytečně velká (6V 40 Ah) a sice už dávno není v té formě jako bývala, ale funguje, je venku i přes zimu a ještě hodně dlouho vydrží.
Problém NiCd baterií je, že jim vadí, když jsou dlouho plně nabité. Aktivní hmota rekrystalizuje, zmenšuje tím svůj povrch a článek zvětšuje vnitřní odpor. Pokud baterii nezatěžujeme velkým proudem, až tak to nevadí. Ale v krajním případě se může stát, že naroste příliš dlouhý krystal a proroste skrz separátor. Pak článek podstatně zvětší samovybíjení. Jednou za čas to chce články naformovat, tedy vybít a nabít. Tím se krystaly aktivní hmoty rozpustí a narostou znova. V depech ČD, kde se NiCd baterie používají, na to mají baterkárny vybavené formovacím zařízením, které v naší firmě vyrábíme. Čím větším proudem se baterie nabíjí, tím jemnější struktura krystalů vzniká a tím má baterie nižší vnitřní odpor. Po dosažení plynovacího napětí je potřeba nabíjecí proud snížit na doporučenou hodnotu (obvykle 0,2C), aby se bublinkama nerozdrobovala aktivní hmota. Vybitý stav NiCd baterii nevadí a dá se trochu nabíjet i v mrazu (neničí se tím), i když s malou účinností. V mrazu se dá vybíjet a mráz baterii nevadí ani v nabitém, ani ve vybitém stavu.
Další problém NiCd baterií je zvětrávání (karbonizace) elektrolytu. Hydroxid draselný reaguje s CO2 ze vzduchu a mění se na uhličitan draselný. Článek tím zvyšuje vnitřní odpor a po několika letech je potřeba elektrolyt vyměnit. Výrobce sice na hladinu elektrolytu dává vrstvičku speciálního oleje, který zabrání styku CO2 s elektrolytem, ale i tak to prý chce po 10 letech elektrolyt vyměnit. Výměnu elektrolytu by měl dělat servis (dělá to firma Alkal), který dává starý elektrolyt na ekologickou likvidaci. V elektrolytu jsou rozptýlené soli a kysličníky niklu a kadmia, které se z něj musí odfiltrovat. Nevím jak teď, ale před léty to fungovalo tak, že se tyhle zachycené elektrodové hmoty vozily do Švédska, kde se separace niklu a kadmia dělala destilací. Chemicky to údajně rozdělit nejde. NiCd baterie jsou ekologické právě jen za podmínky, že se nikl a kadmium z nich plně recyklují a zabrání se jejich úniku do okolí.
Hermetické NiCd články (typicky tužkové) na tom byly s životností podstatně hůř a v současné době se už nepoužívají, jejich výroba je dokonce zakázaná. Funkce článku při konci nabíjení byla založená na tom, kladná elektroda se nabila dříve, než záporná. Kyslík z kladné oxidoval zápornou a tím jí vybíjel, aby se plně nenabila. V článku nesměl vznikat vodík, kyslík se bez problémů spotřeboval a přebytečná energie se měnila na teplo. Jenže když časem záporná elektroda zmenšila svojí kapacitu a nabila se dříve než kladná, vodík tam vznikal a pomalu z článku utíkal. Tím se elektrolyt vysušil a článek byl na vyhození. Některé články nevydržely ani rok.
Lithium má tu vlastnost, že články s ním mají velké napětí a baterie má dobrý poměr energie/hmotnost. Proto se lithiové baterie používají v elektroautech. Je potřeba zabránit přebíjení, došlo by k zničení baterie a zpravidla i k jejímu požáru. Baterie se také dá zničit, když se vybije pod minimální napětí. Proto jsou součástí baterií různé BMS (battery management system) od těch nejjednodušších, které obsahují balancer a odpínání při min. a max. napětí, až po ty řízené procesorem, které baterii průběžně hlídají a komunikují řídícím systémem, případně s nabíječkou. Nabitá lithium iontová baterie je vysoce hořlavá.
Baterie LiFePO4 mají menší napětí na článek, jen 3,2V a mají i horší poměr energie/hmotnost. Ale za to jsou bezpečné, nehoří. Proto se používají v domácích fotovoltaikách. Mají obvykle udávanou životnost 10-15 let a 8000 nabíjecích cyklů. Ve skutečnosti životnost baterie závisí na způsobu používání (nabíjecí a vybíjecí proud, hloubka vybíjení, teplota) a vzhledem k ceně baterie je dobré se o ni trochu starat. Také se dají snadno zničit přebitím a podvybitím, proto je i jejich součástí BMS.
Baterie LiFePO4 se provozují v rozsahu 10-100% kapacity, takže z udávané kapacity využijeme jen 90%. Ale ono je to složitější. Pro nejdelší časovou životnost by bylo optimální baterii udržovat mezi 40-80% nabití. Jenže od baterie chceme, aby za svojí životnost naakumulovala co nejvíc energie a tedy nechceme využívat jen 40% její kapacity. Jako kompromis lze najít 10-90%. Vybití pod 20% baterii vadí, pokud je dlouhodobé a nabití nad 80-90% také. Jenže baterie se občas, asi jednou za 14 dní, má nabít na 100% a zůstat na těch 100% asi hodinu, aby se v článkách promíchal elektrolyt. Pokud by měnič umožňoval omezit nabíjení jen do 90% (můj Goodwe to neumí), musel by na to člověk pamatovat a jednou za čas tomu nabití na 100% umožnit.
Jenže problém je i v principu, jak funguje v BMS sledování stavu nabití. Na rozdíl od baterie Li-on, kde se dá stav nabití zjistit změřením napětí, baterie LiFePO4 má plochou nabíjecí křivku. Podle napětí se dá bezpečně určit jen plně nabitý stav, kdy napětí článků stoupá, a vybitý stav pod 10%, kdy napětí klesá. Takže když baterie dojde na maximální nabití (100% SOC), vezme se to jako výchozí stav a BMS začne počítat prošlý el. náboj (součin proudu a času). Pokud se pak stav nabití dlouhodobě pohybuje někde mezi 10 a 90% a za tu dobu se baterie opakovaně nabíjí a vybíjí, prošlý náboj se přičítá a odčítá a z něj se stanoví konečný stav nabití (SOC). Jenže měření proudu baterie má omezenou přesnost, baterie nemá úplně 100% účinnost a tak se časem stane, že počítání stavu nabití ujede a ukazuje to něco jiného, než kolik toho v baterii ve skutečnosti je. Srovná se to zase až při nabití na 100%.
A aby to nebylo tak jednoduché, je potřeba, aby si i všechny články v baterii udržovaly stejný stav nabití. Při nabití mezi 90 a 100% probíhá balancování článků. Balancer vyrovnává zjišťené rozdíly a přesunuje energii mezi články tak, aby byly nabité všechny stejně. Jenže pokud BMS zjistí, že se už nebalancovalo příliš dlouho a články se mohly navzájem rozjet, spustí se balancování třeba i při vybité baterii. Přesto že je balancer aktivní a energii mezi články jen přesunuje, ke ztrátám při tom dochází a baterie, která byla na 10% má za půl dne třeba i 5% SOC. S tím je pak potřeba ihned něco dělat a pokud nesvítí, nejlépe baterii nabít ze sítě. Takže tohle je potřeba hlídat, na zimu dát minimum SOC vyšší. Alespoň 20, ale třeba i 40% a zapnout dobíjení ze sítě, pokud SOC klesne pod nastavené minimum. Protože jinak se baterie dokáže sama zničit třeba i za první zimu.
Bateriím Li-on a LiFePO4 škodí mráz. Nabitá baterie Li-on omezeně snáší mráz, ale klesá jí tím životnost nesmí se v mrazu nabíjet. Baterie LiFePO4 snáší teploty do -10°C i ve vybitém stavu, ale nabíjet se smí až nad nulou.
Baterie založené na lithiu, které jako jediné lze vybíjet i nabíjet v mrazu, jsou lithiumtitanátové (LTO). Mají i další pozoruhodné vlastnosti, jako velmi dlouhou životnost a zvládají nabíjecí i vybíjecí proudy i více, než 10C. Jsou však hodně drahé. Jejich využití je např. v elektrických vozidlech, kde baterie zužitkuje i velký výkon při brždění.
Jsou také baterie, které mají proti lithiovým sice horší parametry (účinnost, poměr energie/hmotnost), ale jsou levné. S těmi se počítá pro energetiku. Jedním takovým principem je redoxová (průtočná) baterie, kde se nenabíjí elektrody, ale elektrolyt. Baterie má čtyři nádrže s elektrolytem (kladný nabitý, vybitý a záporný nabitý a vybitý) a články, přes které elektrolyt protéká. Uspořádání baterie je pro domácí použití příliš složité, ale ve velkém se to vyplatí. Český startup se 10 let zabýval vylepšením této technologie (princip je známý už dávno) a teď tyto baterie začíná vyrábět. Další snad perspektivní baterie jsou na principu síra-sodík, nebo obdoba lithiových baterií, kde lithium je nahrazené levnějším, i když né tak výkonným sodíkem. Která z těchto technologií se rozšíří, ukáže čas.
Tenhle MPPT je snad nejmenší a je určený pro nabíjení jednoho článku. Tenhle je už větší a dokáže nabíjet baterii "až" 32V. Jenže max. vstupní napětí má také 32V, takže ho nelze připojit na standardní panel s výstupním napětím 45V. Bude použitelný pro panely určené pro 12V systém, které mají napětí okolo 20V a pokud umí napětí pouze snižovat, dokáže nabít max. 12V baterii.
Takový malý 50W systém dokáže zajistit osvětlení pro malou chatku, kde od toho opravdu nechceme víc, si večer posvítit. Do takových míst se nevyplatí zavádět přípojku elektřiny a platit stálé poplatky, když tam jsme jen občas. Baterii, pokud by měla být levná, bych volil olověnou gelovku 12V a aspoň 20 Ah. Olovu v nabitém stavu nevadí mráz, ale životnost baterky bude možná jen 5 let. Někdo dává i starou baterku z auta, ale ta opravdu moc dlouho nevydrží. Pokud je možnost, lze sehnat nějaké starší vyřazené NiCd články. Budou mít sice pod 60% kapacity (při tomto poklesu se obvykle vyřazují) a větší samovybíjení, ale ani to při pravidelném dobíjení ze sluníčka nemusí vadit. Z 12V baterie se dá nabíjet mobil přes nabíječku určenou do auta a pro osvětlení lze přímo připojit 12V LED pásky, nebo se dají koupit 12V LED svítidla.
Větší měniče pro ostrovní systémy jsou už složitější. Pokud si nevystačíme s 12V, měnič obsahuje střídač s výstupem 230V a u těch ještě větších je výstup třífázový. Měniče pro menší výkony jsou transformátorové, určené pro připojení baterie 24 nebo 48V. Napětí z panelů se na tuto úroveň snižuje a střídač s transformátorem napětí zase zvýší. Takový měnič určený pro ostrovní režim se však nedá připojit k síti a musíme mít v domě rozdělené, co se napájí z fotovoltaiky a co ze sítě.
Další skupinou měničů jsou hybridní měniče, jsou určené pro paralelní připojení k síti. Takový měnič těch měničů ve skutečnosti obsahuje několik. Má zpravidla jeden nebo dva MPPT měniče, které napětí ze solárních panelů (z jednoho nebo z dvou stringů) převádějí na napětí baterie. Tyto měniče mohou být i obousměrné a potom umožňují energií z baterie ohřát panely pro odtání sněhu. Potom tam jsou dva střídače. Jeden s proudovým výstupem, určený pro připojení na síť. Tento střídač si sám neurčuje ani výstupní napětí, ani jeho frekvenci a je synchronizovaný sítí. Má regulaci udělanou tak, že podle požadovaného výkonu do sítě dodává proud. Tento střídač může také pracovat obousměrně, napětí ze sítě usměrní a může nabíjet baterii, když nesvítí. Není možné na něj bez sítě připojit zátěž. Jednak to jeho proudová regulace neumožňuje, ale je to i blokované, aby se nestalo, že by po odpojení sítě vytvářel na odpojené části napětí.
Další součástí hybridního měniče je backup střídač. Má napěťový výstup, sám si určuje frekvenci i napětí a nesmí se spojit se sítí. Došlo by k zničení jeho výkonové části. Je určený pouze pro záložní napájení, pokud dojde k výpadku sítě. Ta část spotřebičů, která má být připojena na backup výstup, musí být od sítě odpojena a měnič potom pracuje v ostrovním režimu.
Zatím co dříve se více používaly transformátorové měniče, dnes se pro vyšší výkony používají beztransformátorové. Transformátor může napětí snižovat nebo zvyšovat v libovolném poměru a umožňuje použít baterii třeba 24V. Beztransformátorový měnič dokáže efektivně měnit napětí asi tak od poměru 1:2 do 2:1. Napětí stringu solárních panelů bývá podle výkonu od 200 do 800V a i baterie musí být "vysokonapěťová" s napětím od cca 200 do 500V. Baterii 48V k takovému měniči už nepřipojit nelze.
Beztransformátorový měnič je jednodušší a proti transformátorovému má i vyšší účinnost. Jen baterie pro něj je dražší.
