Energy management na palubě jachty (5. díl)

Martin Rohovský se v pátém dílu svého vynikajícího seriálu o elektrické energii na palubách jachet zaměřil na solární panely. dozvíte se zde vše, co o nich potřebujete vědět.

Fotovoltaika
Všichni dobře známe fotovoltaické panely přeměňující energii slunečního záření v energii elektrickou. Panely jsou seskládány s fotovoltaických článků, které jsou vlastně polovodičové P-N diody vyrobené z křemíkových plátků. Když dopadá sluneční záření na článek, proniká fotovoltaickým materiálem. Je tvořeno fotony, které předají dostatek energie atomům fotovoltaického materiálu k tomu, aby tyto uvolnily elektrony a o nich a jejich toku jsme si již něco řekli.

Open circuit voltage
Elektrony mají potenciál okolo 0,6 V a tak se články spojují do série po 30 – 36 k dosažení napětí 18 – 22 V. U každého prodávaného panelu je uveden údaj o tomto napětí. Pozor jedná se o napětí při otevřeném okruhu, tedy při proudu 0 A (udává se jako napětí naprázdno, angl. open circuit voltage).

Short circuit Amps
Další údaj, který se pro panel udává, je maximální proud při uzavření okruhu tedy při 0 V (zkratový proud neboli short circuit Amps) ten už ale samozřejmě dle Ohmova zákona záleží na výkonu panelu. Pro nás je ale důležitý právě údaj o jmenovitém výkonu panelu a o proudu a napětí při tomto výkonu. Pokud si tedy kupujeme panel, měli bychom v jeho dokumentaci přečíst například: výkon 44 Wp, Umpp14,7 V a Impp3 A. Wp znamená peak Watt tedy jmenovitý výkon při ideálním osvitu, Umpp je napětí při tomto výkonu a Impp proud (mpp znamená maximum power point, někdy se místo mpp uvádí rated tedy jmenovitý).

Potřebné napětí
Teď si ale trochu odskočíme k nabíjení. Pro nabití olověného článku na 100 % kapacity potřebujeme ve 12 V systému napětí 14,4 V. Mezi panelem a baterií musí být umístěna dioda, blokující zpětný tok proudu z baterie do panelu při poklesu jeho výkonu. V této diodě očekáváme pokles napětí asi 0,4 V, takže panel s jmenovitým napětím menším než 14,7 – 14,8 V nám nezajistí plné nabití baterie.

Pokles s teplotou
Jak jsme si již řekli, při používání fotovoltaiky nebo jiné „zelené“ technologie samozřejmě nic nebrání nabíjet baterie na 100 %. Výkon článku klesá s teplotou a nominální hodnoty platí pro teplotu 250 C panelu. Při poklesu výkonu kvůli zahřátí klesá hlavně napětí, takže pokud chcete naplánovat svůj systém dokonale, je třeba vybrat panely s dostatečným napětím při jejich předpokládané provozní teplotě. Pro ilustraci, při zvýšení teploty z 25 na 50° C klesne napětí asi o 1,5 V. Je proto dobré, aby kolem panelů mohl volně proudit vzduch, který je ochlazuje. Ještě pro informaci, pokud je panel částečně zastíněn, výkon také padá, ale napětí zůstává stejné a klesá proud.

Typy článků
Existují tři typy článků – monokrystalické, polykrystalické a amorfní. Liší se mezi sebou způsobem výroby, cenou a účinností. Nejdražší monokrystalické jsou tvořeny jedním krystalem křemíku a dosahující účinnosti až 17 %, o něco levnější polykrystalické jsou z více krystalů, a právě vady na jejich hranicích snižují účinnost na asi 13 – 15 %. Jsou umístěny v pevném, nejčastěji hliníkovém rámu a tloušťka kompletního panelu bývá cca 35 mm. Poslední jmenované amorfní jsou nejlevnější. Mají nejnižší účinnost 7 – 9 % a také nejmenší životnost. Pro jachtaře ale skýtají ohromnou výhodu. Mohou totiž pokrývat pouze tenký plech nebo třeba pevnou tkaninu a jsou tedy tlusté pouze několik milimetrů. Mohou být vyrobeny jako polotuhé nebo pružné. Snesou také jistou mechanickou zátěž, a můžeme je položit třeba na prohnutou střechu nástavby a šlapat po nich.

Účinnost panelů
Ještě něco k účinnosti. K zemi dorazí sluneční záření s energií cca.1370 Wm-2. Asi 300 Wm-2 se v atmosféře vstřebá a asi 100 Wm-2 rozptýlí, takže na povrch země dopadne kolem 1000 Wm-2. Panely se proto testují při přesně definovaném záření o energii právě 1000Wm-2, které na ně dopadá kolmo. Účinnost 17 % tedy znamená schopnost panelu vyrobit na 1 m2 170 W/h elektrické energie v případě naprosto ideálních podmínek. My ale nežijeme v ideálním světě a panely se budou nacházet v dokonalých podmínkách velmi zřídka.

Vyplatí se ekonomicky?
Ekonomické otázky spojené s pořizováním a provozem elektrických systémů na lodi probereme detailněji až později, teď si ale popíšeme aspekty ke zvážení při rozhodování, jestli se pro nás fotovoltaika hodí nebo ne. Protože jsou panely prakticky jednorázovou investicí bez dalších provozních nákladů a v případě mono a polykrystalických článků bývá záruka na 90 % výkonu po 10 letech provozu a 80 % po 20, je nejdůležitějším aspektem čas, který na lodi trávíme.
Dalším je pak samozřejmě místo, kde se loď nachází a v jakém ročním období. Velmi zjednodušeně lze uvést, že čím více času na lodi trávíme a čím slunečnější je v daný čas naše lokalita, tím dříve se nám investice do panelů „vrátí“.

Jak budeme počítat
Velmi snadno se dají dohledat údaje o průměrné době slunečního svitu pro prakticky kteroukoliv lokalitu a roční dobu. Pro zjednodušení se často uvádějí jako průměrné denní záření na horizontální plochu ekvivalentní době přímého plného slunečního záření.
Pokud tedy máme tento údaj třeba pro místo XY a měsíc červenec - 5,6 h denně, tak víme, že v tomto místě v červenci bývá tolik záření, jako kdyby slunce viselo přímo nad ním denně po dobu 5,6 h, bylo by jasno a zcela čistý vzduch. Potom si snadno spočítáme, že náš 44 Wp panel vyrobí 44 W*5,6h tedy 246,4 Wh za den. Naši baterii doplní o 246,4Wh/12V= 20,5 Ah, což je pětina naší denní spotřeby z modelového příkladu uvedeného výše.
Tedy samozřejmě by ji doplnil, kdyby mu celou dobu nic nestínilo. Tím myslím ráhno, plachty apod. S mraky a jinými atmosférickými jevy již údaj o denním záření počítá.

Kolik potřebujeme panelů?
Pokud bychom chtěli získávat celou svoji denní spotřebu elektrické energie 100 Ah ze slunce, potřebovali bychom 100Ah*12V= 1200 Wh energie. 1200Wh/5,6h = 214 W nominálního instalovaného výkonu. Již dříve jsme si spočítali, že nám 44 Wp panel na daném místě a v danou dobu dodá pětinu spotřebovávané energie. Nabízí se tedy možnost, doplnit další čtyři panely a problém je vyřešen. Tento přístup ale není ani praktický ani ekonomický. Ve větším panelu je instalovaný Wp levnější. Je-li to možné, jsou lepší větší panely, než více panelů. Navíc propojovat více panelů je náročnější.

Jak jsou panely veliké
Zatím jsme si ještě neřekli, jak jsou panely vlastně velké. Pro instalaci 1 kWp musíte počítat s asi 7m2, takže našich potřebných 214 Wp znamená plochu 1,5m2. Panely se vyrábějí ve všech možných rozměrech, takže by neměl být problém nějaký/nějaké vybrat pro místo, které jsme si zvolili.

Umístění panelů
Tímto se dostáváme k umístění panelů na lodi. Jak jste si určitě všimli, panely solárních parků jsou vždy natočeny směrem, ve kterém se slunce během dne nejvíce nachází. U nás je to samozřejmě na jih. Existují i systémy natáčející panely za sluncem po dobu jeho pouti od východu na západ. Toto se ale malých plavidel netýká. Protože se loď naklání, houpe a otáčí během plavby i kotvení, nejvyšší účinnosti vždy dosáhnete s horizontálně umístěnými panely na co nejméně stíněném místě.

Malý panel na údržbu akumulátorů
Součástí instalace je samozřejmě regulátor chránící proti přepětí, nejlépe s diodami blokujícími zpětný tok proudu. I pokud si spočítáte, že fotovoltaika není pro vás potřebný anebo vhodný typ zdroje, doporučil bych zvážení instalace alespoň malého panelu. I při nízkém výkonu dobíjí baterii po dobu vaší nepřítomnosti a zabraňuje její degradaci díky dlouhodobému setrvávání ve vybitém stavu. V některých místech totiž legislativa neumožňuje připojit loď na pozemní zdroj v době nepřítomnosti posádky z důvodu bezpečnosti a někdy taky nemusí být takovýto zdroj dostupný.

Pokračování brzy.