Već neko vrijeme radim na projektima koji bi se mogli okrivno opisati kao "Internet of things na solarni pogon" pa tu i tamo dobijem neki upit za savjet oko ovih tema. Nakon jednog takvog upita, zaključio sam da je korisno da napišem kratak uvod u dostupne opcije i načine igradnje kućnih elektrana na solarni pogon.

Sunce i struja

Bez ulaska u detalje, solarne ćelije proizvode istosmjernu struju kad su izložene suncu, a snaga proizvedene struje ovisi o konstrukciji ćelija i panela (jedan panel sadrži veći broj ćelija), kutu pod kojim upada sunce (što okomitije to bolje) i temperaturi na kojoj su ćelije (što hladnije to bolje). Male kućne instalacije se obično stavljaju na krovove ili na nosače iznad zemlje, i pro tome je vrlo važno da paneli budu okrenuti tako da su što veći dio dana na suncu (tj. da nema sjene) i da su okrenuti prema suncu. Skuplje instalacije sadrže i elektromotore koji okreću panele tako da uvijek budu okrenuti okomito na sunce, ali to je skupa varijanta. Pošto su i paneli relativno skupi u odnosu na snagu, a temperatura nije nešto što se može lako kontrolirati, najvažniji pojedinačni potez pri montiranju panela je da budu što okomitije i što dulje na suncu.

Iskoristivost solarnih ćelija je dosta mala. Najbolje, najskuplje ćelije, koje se praktički koriste još samo u laboratorijima, imaju efikasnost blizu 25%. To znači da od sve energije koja sa sunca dođe do njih, samo 25% je pretvoreno u struju. "Normalne" ćelije koje se mogu jednostavno kupiti u maloprodaji imaju efikasnost od oko 15%. Srećom, efikasnost ćelija u prodaji raste. Najefikasnije su "monokristalne" ćelije. Slijede "polikristalne" i na kraju najneefikasnije su "amorfne" ćelije.

{width="80%"}

Struju iz ćelija je potrebno negdje spremiti iz dva razloga: prvo jer rijetko koja instalacija si može priuštiti da ne radi kad nema sunca i drugo, intenzitet energije sunca varira: oblaci, vlaga u zraku, magla, drveće koje pravi sjenu i slični, smanjuju snagu struje koje ćelije daju. Najefikasniji trenutno široko dostupan način spremanja električne energije su litijske baterije. Ali nažalost i najskuplji. Uobičajene instalacije koriste olovne akumulatore, koji mogu biti obični za automobile i malo posebniji, tzv. "gel" akumulatori malo drugačije konstrukcije i optimizirani za solarno punjenje. U praksi, ovi drugi, "posebni" za solarno punjenje nisu značajno bolji od običnih automobilskih.

Solarne panele obično nije moguće izravno spojiti na akumulator jer imaju maksimalni napon veći od napona akumulatora: tipično imaju od 18V do 22V napona. Ovo je tako jer optimalan napon solarnih ćelija nije isti kao maksimalni, odnosno da solarni panel nije najefikasniji kad van daje najveći napon, nego nešto manji. Solarni panel koji je konstruiran da mu je maksimalni napon 20V, može imati optimalni napon oko 14V. Još gore, taj optimalni napon se mijenja s količinom sunca i temperaturom. Zbog toga, potrebno je koristiti "kontrolere punjenja", sklopove koji prilagođavaju napon. Dvije glavne vrste kontrolera su MPPT i PWM. Dok su PWM kontroleri puno jednostavniji i zato jeftiniji, tek MPPT kontroleri iskorištavaju ćelije maksimalno, tako što "traže" i koriste optimalan napon. U najboljim uvjetima, MPPT kontroleri su oko 30% efikasniji od PWM kontrolera (misli se na pretvaranje energije sunčeve radijacije u struju).

Zadnji korak je trošenje struje. Iako baš sva današnja moderna elektronika radi na istosmjernu struju, od LED rasvjete do televizora i računala, rijetko koji uređaju imaju utičnice za istosmjernu struju. Umjesto toga, praktički svi imaju utičnice za 220V izmjeničnu (AC) i onda ju pretvaraju u istosmjernu. Da bi koristili struju akumulatora za kućne aparate, potrebno ju je pretvoriti u izmjeničnu, a tome služe uređaji zvani "inverteri". Njima je na ulazu istosmjerna (DC) struja relativno malog napona, npr. 12V, a na izlazu izmjenična (AC), napona električne mreže (kod nas 220V). Sva pretvaranja energije unose gubitke, pa je poželjno imati što efikasniji inverter.

Brojevi

Paneli obično dolaze u snagama od 100 W do 250 W, ovisno o proizvođaču, dimenzijama, izvedbi i sl. Treba imati na umu da je ovo maksimalna moguća snaga iz panela, pod optimalnim uvjetima, te da stvarna snaga dobivena tijekom dana varira. Nije neobično dobiti van samo 30-tak posto od nazivne snage. Kućanski aparati troše stotine watta struje - na primjer mikrovalne pećnice troše 600 W - 1000 W, hladnjaci oko 300 W, najmoderniji televizori oko 50 W.

Recimo da imamo jedan panel od 240 W i punimo akumulator od 12 V. Takav panel u najboljim okolnostima daje van 240W / 12V = 20 A. To znači da treba uzeti kontroler punjenja akumulatora koji može upravljati s 20 A struje. Ako se koristi više panela paralelno, treba jači kontroler. Uvijek se računa s maksimalnim vrijednostima jer čak i ako normalno panel daje van 5A, ako se slučajno dogodi da je lijepo vrijeme i dođe puno struje, slabiji kontroler može pregoriti.

Kapacitet akumulatora ovisi o trošilima. Trošilo od 220 W vuče 1 A struje pri 220 V. To znači da sa strane invertera gdje je 12V vuče oko 18 A (18A * 12 V= 216W, što je blizu 220W). Uzmimo da postoje neefikasnosti posvuda, i da zapravo vuče 20 A na strani akumulatora od 12 V. Ako akumulator ima kapacitet 120 Ah (amper-sati), to znači da može takvo trošilo pogoniti 120 / 20 = 6 sati, naravno ako je na početku pun.

Svi ovi izračuni se baziraju na tome da se snaga (u wattima) računa kao napon (u voltima) puta struja (u amperima). Tako da bi se u strujnom krugu gdje je 220 V dobilo 1 A struje (znači 220 V * 1 A = 220 W snage), u strujnom krugu gdje je napon 12 V treba teći 18.3 A struje (znači 12 V * 18.3 A = istih 220W snage). Kapacitet akumulatora u amper-satima otprilike znači da taj akumulator može davati bilo koji umnožak ampera i sati do tog kapaciteta. Akumulator od 120 Ah može davati 12 A tijekom 10 sati, ili 1 A tijekom 120 sati. Sve ovo naravno na 12V. Zapravo, napon akumulatora također varira u odnosu na to koliko je pun, pa iako je nazivno 12V, stvarni napon se kreće obično između 11V i 14V, a ponekad i izvan ovih granica.

Važno je imati na umu da je struja (u amperima) je ono što zahtjeva debele žice. Na primjer, da bi 20 A struje prenijeli žicom duljine 1 metar, uz 3% gubitaka, potrebna je bakrena žica čiji je presjek površine 4 kvadratna milimetra. Da bi tu istu struju proveli 5 metara, s istim ukupnim gubitkom od 3%, potrebna je žica čiji je presjek oko 16 mm2. To je žica čiji je promjer blizu pola centimetra! Zbog toga se često koriste akumulatori od 24 V umjesto 12 V: jer da bi snaga ostala ista (na primjer 220 W), na 24 V je potrebno prenijeti duplo manje struje (220 W / 24 V = 9.1A).

Evo nekoliko primjera izračuna koliko dugo akumulator od 120 Ah i 12 V može napajati razna trošila (u idealnom slučaju):

• 100 W : 14 sati (uz 8 A iz akumulatora)
• 220 W : 6 sati (uz 18 A iz akumulatora)
• 500 W : 2.8 sati (uz 42 A iz akumulatora)
• 1000 W : 1.4 sati (uz 83 A iz akumulatora)

Isti izračun vrijedi za punjenje akumulatora: panel koji daje 20 A će napuniti akumulator od 120 Ah u 120/20 = 6 sati (u idealnim uvjetima).

Dobra strana svega ovoga je da, dok ima sunca, solarni paneli će davati struju bez nekog posebnog održavanja ili brige. Ako akumulator (ili više njih) ima slobodnog kapaciteta, ta struja će ih puniti. Loša je (osim relativno male efikasnosti) da sve to košta, iako drastično manje nego prije. Krajem 2017., solarni panel od 240 W košta oko 1100 kn, akumulator od 120 Ah 12V isto toliko, oko 1100 kn. MPPT kontroler za 20 A košta oko 750 kn. Akumulatori pak imaju svoj vijek trajanja (u ekstremnim uvjetima čak samo godinu dana) pa se moraju mijenjati.

Solarne panele i akumulator je nezgodno kupovati iz Kine zbog transporta

• to su velike, glomazne stvari (ovakav akumulator teži oko 35 kg, a panel oko 20 kg!). MPPT kontroleri su manji, pa se čak i isplat, mogu se naći i za 5x manje novaca izravno iz Kine.

Na kraju, iako ovakve instalcije nisu konceptualno komplicirane, zbog velikih struja koje su u igri nisu baš ni jednostavne za izvedbu. Bolje ostaviti profesionalcima.