SolarEco - fotovoltaický ohřev vody

Fotovoltaický ohřev vody je jednoduchý a efektivní způsob, jak využít sluneční energii v domácnosti. Aby ale systém fungoval spolehlivě po celý rok, je důležité správně zvolit počet panelů. V článku se podíváme na to, proč čtyři panely často nestačí – a jak si to snadno ověřit.

Fotovoltaický ohřev vody využívá energii ze slunce k přímému ohřevu vody v bojleru – jednoduše, efektivně a bez složitostí. Sluneční záření dopadá na fotovoltaické panely, které jej přemění na elektřinu, a ta pak ohřívá vodu prostřednictvím topného tělesa.

K samotnému ohřevu vody potřebujete samozřejmě bojler, to je základ. K němu přidáte náš MPPT regulátor SolarEco, který dokáže přizpůsobit výkon z fotovoltaiky tak, aby efektivně využil i slabší sluneční svit – například v jarních a podzimních měsících, kdy bývá energie méně, ale přesto ji nechceme promarnit. A třetí částí systému jsou fotovoltaické panely. Ty se dnes vyrábějí v různých výkonech, napětích a účinnostech – a právě na ně se teď podíváme podrobněji: jaké mají parametry, a kolik jich vlastně potřebujeme dát na střechu, aby systém fungoval opravdu spolehlivě a efektivně po co nejdelší část roku.

Podívejme se na konkrétní příklad:

Příklad FV systému se čtyřmi panely

Veškeré údaje pro výpočet lze najít v technických listech konkrétních panelů a topných těles (spirál) v bojleru, v našem příkladu pracujeme s těmito hodnotami:
    • Pmax [W] = 500 W – jmenovitý maximální výkon 1 panelu
    • Uoc [V] = 42 V – napětí naprázdno (open circuit voltage) panelu
    • U [V] = 230 V – napětí distribuční sítě (efektivní hodnota)
    • P [kW] = 2 kW – výkon běžné topné spirály bojleru při napětí 230 V

Pro váš konkrétní propočet doplňte údaje k fotovoltaickému panelu. Napětí distribuční sítě je v standardně 230 V. Topné spirály v domácích bojlerech bývají proto nejčastěji konstruovány na 230 V a výkon mají cca 2 až 2,2 kW. Přesný údaj najdete na štítku nebo v technických parametrech daného bojleru.

MPPT regulátory (resp. lze použít i pojem střídače) pro fotovoltaický ohřev vody převádějí stejnosměrné napětí z FV panelů na střídavé – ale nemění jeho velikost. Jinými slovy: výstupní napětí odpovídá vstupnímu napětí z panelů.

Výpočet výkonu při 4 panelech

Pokud zapojíme 4 FV panely do série, celkové napětí bude:
    • 4 × 42 V = 168 V
    • Celkový nominální výkon systému bude 4 × 500 W = 2000 W (2 kW)

Toto řešení by se na první pohled mohlo jevit jako ideální – výkon čtyř panelů 2 kW odpovídá výkonu topné spirály v bojleru. Ve skutečnosti ale spirála při nižším napětí nepracuje s plným výkonem. Je totiž navržená na síťových 230 V, a pokud ji připojíme k systému o napětí pouze 168 V, výkon výrazně klesne.

Podle Ohmova zákona platí vztah:

P = U² / R
kde P je výkon topného tělesa, U napětí a R odpor spirály.

Výkon topného tělesa při střídavém napětí odpovídá právě činnému výkonu. Ve střídavých obvodech obecně platí pro činný výkon vztah:

P=U×I×cosφ

kde $U$ je efektivní hodnota napětí (V), I je efektivní hodnota proudu (A) a $\cos \phi$ je účiník (vztah mezi napětím a proudem).

V našem případě – při ohřevu vody v bojleru – jde o čistě odporovou zátěž, kde cos φ ≈ 1. Proto můžeme výkon snadno spočítat jednodušším způsobem podle Ohmova zákona přes vztah P = U² / R.

Spočítáme nejprve odpor spirály:
R = U² / P
R = 230² / 2000 = 52 900 / 2000 = 26,45 Ω

A teď výkon při napětí 168 V:
P = U² / R
P = 168² / 26,45 = 28 224 / 26,45 ≈ 1 066 W

Z výpočtu vyplývá, že při 168 V bude výkon spirály přibližně 1 kW – tedy zhruba polovina jejího běžného výkonu. A to má přímý dopad i na dobu ohřevu vody: doba ohřevu vody se přibližně zdvojnásobí.

Například:
Voda v bojleru o objemu 122 litrů se z 10 °C na 60 °C ohřeje:
    • při 230 V (2 kW) za cca 3,5 hodiny
    • při 168 V (1 kW) za cca 6,6 hodiny

V létě to stačí – ale co zbytek roku?

V letních měsících, kdy je dostatečně dlouhý sluneční svit, se voda ohřeje i při nižším výkonu. V zimě a na podzim však nastává problém. Slunce svítí kratší dobu, a když je denní osvit jen pár hodin, voda se nestihne ohřát a musí pomoci distribuční síť – čímž klesá úspora i efektivita systému. Navíc jsme ve výpočtu vycházeli z optimálních laboratorních hodnot, kterých v reálném provozu běžně nedosáhneme – vliv má například:
    • naše zeměpisná poloha,
    • orientace a sklon panelů,
    • teplota prostředí.

V našich zeměpisných šířkách dosahujeme běžně mezi 50-70 % laboratorních hodnot.

Kolik panelů je tedy optimálních pro efektivně využitý ohřev vody?

Aby měl systém smysl po celý rok, je potřeba, aby napětí z FV systému bylo v rozmezí 260–280 V. To odpovídá zhruba 6 až 7 panelům zapojeným do série, v závislosti na konkrétním typu panelu a jeho napětí při provozu (Ump).

Praktický výpočet:
Uvažujme panel s provozním napětím (Ump) 38 V. Při zapojení 7 panelů do série bude:

    • Napětí FV systému:
7 × 38 V = 266 V

    • Odpor topné spirály (vypočítaný viz výše):
R = 26,45 Ω

    • Výkon topného tělesa při napětí 266 V:
P = U² / R = 266² / 26,45 = 70 756 / 26,45 ≈ 2 675 W

To znamená, že spirála pracuje s výkonem cca 2,67 kW, což je více než její nominální výkon při 230 V. V praxi se tato hodnota mírně omezí regulátorem, ale systém bude:
    • rychlejší,
    • efektivnější,
    • a zvládne ohřát vodu i v méně slunečných dnech bez podpory ze sítě.

Se 6–7 panely v sérii dává fotovoltaika smysl

Se 6–7 panely v sérii se dostáváme do napěťového pásma, kde má celý systém smysl – poskytuje dostatek výkonu pro praktický celoroční provoz a zároveň zůstává bezpečný a efektivní.

Chcete si spočítat sami výkon vaší soustavy? Tady je návod

Pokud si chcete navrhnout vlastní systém pro ohřev vody, můžete použít následující postup a vzorce podle Ohmova zákona.

Základní veličiny:
    • Pfvs [W] – celkový výkon FV systému = Pmax 1 panelu × počet panelů
    • Ufvs [V] – celkové napětí FV systému = Ump (provozní napětí) 1 panelu × počet panelů
    • U [V] = 230 V – napětí v distribuční síti
    • P [W] – jmenovitý výkon topné spirály (ze štítku bojleru)
    • R [Ω] – odpor topné spirály = vypočítáme z napětí a výkonu
    • Pufvs [W] – reálný výkon spirály při napětí z FV systému

1. Spočítejte napětí FV systému:

Ufvs​ = Ump​ × n

Ufvs​ = 38 V x 7 = 266 V

2. Spočítejte odpor topné spirály:

R = U² / P

R = 230² / 2 000 = 52 900 / 2 000 = 26,45 Ω

3. Spočítejte výkon topné spirály při napětí z FV systému:

P = Ufvs² / R

P = 266² / 26,45 = 70 756 / 26,45 ≈ 2 675 W

*Do červených čísel dosaďte hodnoty z vaší FV soustavy.

Pozn. Údaje o Ump najdete v datasheetech fotovoltaických panelů často pod anglickým značením Vmp = Maximum Power Voltage.

Topná spirála pracuje při napětí 266 V s výkonem cca 2,67 kW, což je více než její nominální výkon při 230 V (2 kW).
V praxi se tento výkon může mírně omezit regulátorem na 2,4 kW, aby nedošlo k výkonovému přetížení topné spirály. U takto setavené fotovoltaiky platí: Systém se 7 panely s Ump 38 V je efektivní pro ohřev vody od jara do podzimu – a v mnoha případech zvládne ohřev vody i během zimního provozu.

Potřebujete poradit a propočítat fotovoltaickou sestavu právě pro váš dům a vaše potřeby? Rádi vám pomůžeme!