Systém může být koncipován jako velice jednoduchý, kdy jsou FV panely připojeny přímo k odporové zátěži, nebo kdy je využito regulátoru zajišťujícího sledování bodu maximálního výkonu, tzv. MPP tracking. Oba tyto systémy jsou porovnány z hlediska účinnosti v osvitových podmínkách v ČR. Příspěvek byl také prezentován na mezinárodní konferenci Nekonvenční zdroje elektrické energie NZEE 2012.

 

 

 

V současné době se velkoobchodní ceny FV panelů pohybují často pod hranicí 1 $/Wp a fotovoltaické systémy začínají být výhodné pro řadu aplikací i bez garantované podpory různých státních programů pro rozvoj obnovitelných zdrojů.

 

Za těchto podmínek může být fotovoltaika postupně využita např. i v domácnostech pro přípravu teplé užitkové vody, což bylo doposud oblastí, kde se využívalo termických kolektorů (tj. přímého ohřevu teplonosného média dopadající sluneční energií). Oba tyto systémy (termický i fotovoltaický) mají své přednosti i nevýhody. Jelikož je využití fotovoltaiky pro tepelné účely relativně novou a málo známou záležitostí, byl příspěvek věnován právě jim.

 

Mezi výhody fotovoltaického systému patří:

 

Nevýhodou může být potřeba výrazně vyšší plochy (cca 3násobné) pro instalaci FV panelů oproti termickým kolektorům při uvažování stejné celoroční energetické výtěžnosti reálného systému.

 

 

Uvažovaný FV systém se skládá ze sério-paralelně propojených FV panelů, kabeláže, vstupního rozvaděče s odjištěním a přepěťovými ochranami a topné spirály v bojleru obsahujícím tepelnou ochranu a speciálně upravený termostat pro spínání stejnosměrného proudu.

 

 

 

Přímé propojení mezi FV panely a odporovou zátěží vytváří jednoduchý systém, nicméně při použití se potýkáme s problémem impedančního přizpůsobení generátoru (FV panelů) a spotřebiče (odporové zátěže). Provozní podmínky FV panelů se neustále mění a bez využití regulátoru, který zajistí maximální předání energie z panelů do zátěže, systém dosahuje výrazně nižší účinnosti. Nejvíce výrazný vliv na provozní parametry FV panelů má aktuální intenzita záření, dále pak teplota samotných článků. Obr. 2 ukazuje typický průběh V-A charakteristiky FV generátoru (3x FV panel v sérii) a konstantní odporové zátěže (R = 25 Ω) u systému navrženého pro optimální provoz při intenzitě záření 800 W/m². Je patrné, že při jiných intenzitách je ztráta vlivem provozu mimo bod MPP výrazná (obr. 3).

 

 

 

Pokud FV systém neobsahuje sledovač bodu MPP, je obvykle třeba provést návrh komponent z hlediska maximalizace energie během celého roku. Pro osvitové podmínky ČR uvažujme rozdělení energie dopadajícího záření na rovinu FV panelů (sklon 35°, jih) z hlediska jeho intenzity dle obr. 4, [1].

 

 

Ze statistického rozdělení intenzity záření dle obr. 5 lze určit celoroční účinnost systému, resp. ztrátu vlivem odchylky od bodu MPP při přímém připojení FV panelů a odporové zátěže.

 

 

Výsledky simulace na obr. 5 ukazují, že pro maximální roční energetický zisk je v osvitových podmínkách ČR vhodné zvolit odporovou zátěž a FV panely tak, aby systém pracoval ideálně při 600 W/m². Nicméně pokud navrhneme systém pro optimální provoz při 400 − 800 W/m², není stále ztráta ročně získané energie významná. Maximálně však lze získat ze systému s odporovou zátěží 77 % energie v porovnání se systémem se sledováním bodu MPP. V reálném provozu lze očekávat vyšší celoroční pokles účinnosti vlivem odchylky od bodu MPP, jelikož se uplatňuje i vliv teploty. Ten není v simulacích zohledněn, neboť závisí na konkrétném provedení instalace a okolních podmínkách chlazení. Vliv vyšší teploty při vyšších intenzitách by měl za následek snižování účinnosti systému (jednak vlivem poklesu účinnosti FV panelů a jednak větší odchylkou od bodu MPP vlivem nižšího napětí FV panelů).

 

Simulovaný průběh výkonu FV systému s ideálním regulátorem a bez regulátoru během dne s jasnou oblohou a při proměnlivém počasí ukazuje obr. 6 a obr. 7. Simulace vychází z typických parametrů náhradního diodového modelu pro FV články. Opět není uvažován vliv teploty. Během slunečného dne s průběhem dle obr. 6 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 5,9 kWh/kWp energie, bez regulátoru 5,1 kWh/kWp. Během dne s průběhem dle obr. 7 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 2,0 kWh/kWp energie, bez regulátoru 0,8 kWh/kWp. Nejvyšší zvýšení účinnosti pomocí sledovače bodu MPP je dle simulací během dní s proměnlivým počasím nebo s dlouhodobě nízkou intenzitou záření.

 

 

Provoz v bodě MPP lze zajistit různými způsoby. Jedná se o regulaci na straně FV panelů (přepínání jejich sério-paralelního řazení), na straně topného odporu (změna hodnoty vnitřního odporu) či pomocí regulátoru mezi FV panely a topným odporem. První dvě varianty jsou diskrétní, tj. poskytují obvykle pouze několik kombinací provozu, umožňují tedy pouze částečné přiblížení k provozu v bodě MPP. Využití mechanických stykačů není z hlediska frekvence přepínání příliš vhodné, zapojení pomocí řady polovodičových přepínačů není vhodné z hlediska jejich ceny a potřeby mnoha kusů se sériovým řazením.

 

Jako výhodné se jeví využití regulátoru (např. DC/DC měniče), který zajistí sledování bodu MPP pomocí změny výstupního napětí. Zátěž se jeví jako „měkký spotřebič“, napětí na zátěži je totiž přímo úměrné proudu a je tedy velmi proměnlivé. To je základní rozdíl oproti regulátorům pro nabíjení akumulátorů nebo střídačům pro FV elektrárny, kdy se výstupní napětí pohybuje kolem dané hodnoty systémového napětí (napětí akumulátoru či sítě). S výhodou však lze využít toho, že výstupní napětí není třeba z hlediska vlastní funkčnosti tepelného ohřevu filtrovat, výstupem mohou být pulzy, či jakýkoliv nespecifikovaný průběh za předpokladu vysoké účinnosti regulátoru a provozu v bodě MPP. Pro provoz v bodě MPP musí platit rovnice 1

 

 

kde V_MPP a I_MPP značí napětí a proud FV panelů v bodě MPP, V_OUT výstupní efektivní napětí regulátoru, R odpor zátěže a η_E elektrickou účinnost regulátoru. Z rov. 1 lze určit výstupní napětí regulátoru

 

 

Účinnost η uvažovaného FV systému využívajícího regulátor je obdobná jako v případě FV elektrárny, přičemž musíme uvažovat konkrétní účinnost jednotlivých prvků systému

 

 

kde koeficienty na pravé straně rovnice představují účinnost FV panelů, kabelových výkonových rozvodů, elektrickou konverzní účinnost regulátoru, účinnost danou přesností určení bodu MPP a účinnost topného tělesa. K návrhu systému a odhadu jeho energetických zisků v jednotlivých měsících můžeme využít běžně používané softwarové prostředky pro návrh FV elektráren (např. PV-GIS, PVSyst, Homer, RETScreen).

 

 

 

Regulátor pro využití v systému s FV panely a odporovou zátěží označený SW Control Box vyvinula a nabízí např. firma Sunnywatt CZ, s.r.o. (obr. 8). Zařízení je schopno pracovat ve vstupním rozsahu napětí 120 − 300 V a proudu max. 12 A. Použitý typ DC/DC měniče je ve snižujícím zapojení, je tedy nutné systém navrhnout tak, aby vstupní napětí z FV panelů vždy bylo dostatečně vysoké pro provoz s určitou odporovou zátěží. Tuto podmínku však není problém v praktickém použití splnit (sériové řazení panelů, nízká hodnota odporové zátěže). Současně se vyšším napětím zjednoduší kabelové rozvody a zvýší účinnost přenosu energie. Regulátor je napájen pouze ze vstupu FV panelů, není tedy třeba externí zdroj pro napájení řídicí jednotky. Regulátor je bezobslužný, pro elektrické připojení slouží standardně používané konektory (Multi-Contact MC4) na vstupu i výstupu a jedna zemnící šroubová svorka. Provozní stav je indikován LED diodami na čelní straně (stand-by, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %), v případě potřeby přesného sledování provozu je třeba využít např. stejnosměrného elektroměru. Výrobek má certifikaci CE a je chráněn průmyslovým vzorem.

 

 

 

[1] K. Staněk: Fotovoltaika pro budovy, ČVUT-FSV, 2012

[2] Z. Machacek, V. Benda, R. Barinka: Electrical parameters of C-SI photovoltaic cells in dependence on temperature and irradiance, Proceedings of the International Scientific Conference FMNS-2007. ISBN: 978-954-680-537-9

[3] A. Luque, S. Hegedus: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley. 2003. ISBN: 0-471-49196-9

 

Wolf P., Kuřík O., Benda V., ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická, Kat. Elektrotechnologie
wolf@post.cz , kurikond@feld.cvut.cz , benda@feld.cvut.cz