Solární elektrárna na balkóně. Osobní zkušenost / Habr

Tento článek je pokračováním pokusů se solárními panely v městském bytě, první pokusy byly provedeny před třemi lety, ale pak kvůli stěhování muselo být vše uzavřeno a prodáno. Zkušenosti však, jak víme, nelze plýtvat a bylo rozhodnuto začít znovu s přihlédnutím k nabyté praxi.

Foto (c) smartflower.com

Ukážu všechny komponenty systému a celý proces od nastavení a montáže až po přenos elektřiny do elektrické sítě. Také vám ukážu, jak naprogramovat chytrou zástrčku pro sběr statistik o vyrobené elektřině.

Koho to zajímá, jak to funguje, pokračování je pod střihem.

Proč to udělal?

Otázka „proč“ bude v komentářích určitě první, takže na ni hned odpovím. Z ekonomického hlediska není solární panel na balkoně rentabilní, v ideálním případě není rozsah výroby stejný, potřebujete střechu vlastního domu. Ale z technického a inženýrského hlediska je to docela zajímavé z hlediska studia nových a moderních technologií. Navíc nezapomínejte, že moderní byty spotřebovávají stále více energie, zejména s ohledem na rostoucí oblibu různých „chytrých“ zařízení, neustále připojených routerů, chytrých žárovek, chytrých zásuvek, chytrých podavačů pro kočky a dalších. Kompenzovat tyto náklady solární energií v zásadě není tak špatné a je docela ekologické. No a nakonec je hezké se podívat na elektroměr a na obrazovce vidět „aktuální spotřeba -100W“.

Všeobecné informace

Jak víte, existují dva hlavní principy fungování domácích solárních elektráren.

1. Akumulace energie v bateriích.
2. Přenos energie do elektrické sítě.

Druhým a nejúčinnějším způsobem je přímý přenos elektřiny ze solárních panelů do elektrické sítě. V tomto případě jsou panely připojeny ke speciálnímu grid-tie invertoru, který nejen převádí stejnosměrný proud z panelů na 220V, ale také synchronizuje fázi s elektrickou sítí. Elektřina dodávaná „do zásuvky“ se spotřebovává uvnitř bytu/domu, přebytek jde do městské sítě, čímž získáváme elektřinu nejen pro sebe, ale také pomáháme sousedům/městu odlehčit část veřejné elektrické sítě. V případě moderní legislativy a přítomnosti elektroměru, který umí počítat „import“ a „export“, můžeme získat i trochu peněz, ale zatím to nefunguje ve všech zemích.

V mém případě „autonomní vytápění“ nebylo relevantní, nemělo smysl zahlcovat byt bateriemi, takže volba byla jasná. Mimochodem, grid-tie střídač má jednu nevýhodu: při výpadku síťového napětí se vypne, takže i když máte celou střechu 3-4 kW solárních panelů, můžete skončit bez elektřiny, pokud náhle vypadne. Ale v mém případě jsou výpadky tak vzácné, že je lze ignorovat, v extrémních případech nyní existuje obrovský výběr docela účinných DC-DC měničů, které mohou napájet notebook, smartphone a LED lampy, takže pokud je to žádoucí, lze to udělat.

Takže obecná myšlenka toho, co dělat, je jasná, pojďme začít.

Schéma zapojení bude extrémně jednoduché, vezměte solární panely, připojte je k měniči, zapojte jej do zásuvky:

Uvažujme postupně všechny součásti systému.

1. Solární panely

Prvním naléhavým problémem je výběr panelů. Četl jsem názory odborníků, že solární panely se liší účinností a je potřeba vzít ty nejúčinnější. S tím se dá těžko polemizovat, nicméně jak ukázalo vyhledávání, rozdíl je 2–3 %. Podle článku Nejefektivnější solární panely 2020 vypadá 10 nejlepších panelů podle účinnosti takto:

Takové panely však prostě nebyly k dispozici a tam, kde byly, by byl rozdíl v ceně mnohem větší než udávaný 2-3% rozdíl v účinnosti. Obecně jsem tento bod prostě ignoroval a vybral jsem ty, které byly dostupné na místním Amazonu a měly nejlepší recenze.

Zbývá zvolit výkon. Vše je zde jednoduché, čím větší panel, tím levnější na watt, optimum se ukázalo kolem 160W:

V zásadě existují větší panely 320 nebo 360 W, ale jsou dost objemné a těžké, s dražší dodávkou a na balkon jsou už příliš velké. Celkově vzato, 160 W se ukázalo jako optimální hodnota. Rozměr takového panelu je 150×70 cm a hmotnost 12.5 kg.

K solárním panelům byl také zakoupen držák s nastavitelným úhlem sklonu:

V praxi se na balkon vejdou dva 160W panely, dalo by se nainstalovat i třetí, ale pak by byl balkon úplně obsazený a bylo by nepohodlné tam ven:

Zde na fotografii panely ještě nejsou natočeny ke Slunci a úhel sklonu není zcela správný, navíc by měly být dráty přednostně tlustší, protože ztrácejí několik wattů. Samozřejmě v případě zaskleného balkonu by byl design jiný, ale obecně je zde velký prostor pro kreativitu.

2. Síťový střídač

Výběr měničů pro takové mikrovýkony není tak velký, z hlavních modelů můžeme zaznamenat následující:

Jedná se o docela jednoduchý čínský invertor v ceně 80-100 Euro, existují modely pro různá vstupní napětí, 11-30V a 22-60V. Pokud je možné použít vyšší napětí a zapojit dva panely do série, pak je lepší druhá možnost, ale pokud je solární panel pouze jeden, zůstává první možnost.

Tento měnič má nevýhodu – pravidelně vydává hluk, protože Uvnitř je chladič. Zapíná se pouze ve dne při výkonu více než 100 W, v noci není slunce, ale i tak stojí za to pamatovat, pokud je střídač v obývacím pokoji.

Další možností je takzvaný „mikro-invertor“, který je připevněn přímo k solárnímu panelu:

Metoda je docela účinná a pohodlná. Problém s hlukem je vyřešen, navíc díky vyššímu napětí dochází k menším ztrátám ve vodičích. Ale z důvodu elektrické bezpečnosti jsem nechtěl na balkon přivést 220V, takže jsem se musel spokojit s první možností, kdy z balkonu jdou jen slaboproudé dráty.

Sběr dat

V zásadě je náš systém připraven – stačí připojit panely ke střídači, zapojit jej do běžné zásuvky a vše bude fungovat. Chtěl bych však minimálně vidět, kolik energie panely vydávají, a maximálně mít pokročilejší záznam přijaté energie.

Pro začátek budeme potřebovat měřič výkonu, který zobrazuje aktuální hodnoty na obrazovce.

Umí zobrazovat základní parametry (výkon, napětí, proud, kilowatthodiny), ale nemá žádné „síťové“ funkce, ani možnost ukládání dat.

Celková kilowatthodina je užitečná, pokud jde o žehličku nebo ledničku, ale u solárních panelů je důležité vidět výkon po celý den. Vyhledávání ukázalo, že chytrá zásuvka poskytuje nejlepší funkčnost TP-Link Kasa HS110 za cenu kolem 25 eur dokáže nejen zobrazovat údaje o energii, ale má také Python API, které vám umožňuje přijímat aktuální data. Důležité je neplést s modelem HS100, ten totiž nemá měření výkonu. Mimochodem, jako bonus má software TP-Link svůj vlastní „cloud“ a hodnoty generování můžete vidět online odkudkoli na světě:

Bohužel žádná z „chytrých zásuvek“ nemá vlastní LCD obrazovku (už dávno vím, že všechna marketingová a designová rozhodnutí dělají mimozemšťané, kteří si v tomto případě myslí, že je pohodlnější vzít smartphone a udělat 10 ťuknutí, abyste viděli výkon, než se jen dívat na LCD obrazovku). V důsledku toho jsme dostali tento „vlak“ – první „neinteligentní“ zásuvka zobrazuje hodnoty generování na obrazovce, druhá „chytrá“, ale bez obrazovky, poskytuje připojení WiFi. Čest a chvála moderním marketérům (nebo možná tak to bylo myšleno, protože jsem nakonec utratil peníze za 2 zařízení místo jednoho).

V aplikaci TP-Link však není vestavěné přihlašování, musel jsem si to napsat sám, k tomu jsem použil knihovnu https://github.com/python-kasa/python-kasa. Samozřejmě by to šlo zautomatizovat pomocí OpenHAB nebo Home Assistant, ale udržovat celý server na vyhrazeném zařízení pro něco, co lze provést ve 20 řádcích kódu, mi připadalo jako přehnané.

Kód pro zápis protokolu je poměrně jednoduchý:

from kasa import Discover, SmartPlug, SmartDevice import datetime, logging, time, asyncio log_format = "solarlog-%Y-%m.csv" def get_power_from_meter() -> float: try: logging.debug("Connecting the smart plug. ") devices = asyncio.run(Discover.discover()) for addr, dev in devices.items(): if dev.is_plug: asyncio.run(dev.update()) if dev.has_emeter: logging.debug("Smart Plug found: %s", addr) emeter_status = asyncio.run(dev.get_emeter_realtime()) power = emeter_status['power'] return float(power) logging.debug("Smart Plug was not found") except Exception as e: logging.error("get_power_from_meter exception: %s", e) return -1.0 def write_log(power: float): log_name = datetime.datetime.now().strftime(log_format) with open(log_name, "a") as logfile: logfile.write(f',n') if __name__ == "__main__": logging.basicConfig(level=logging.DEBUG, format='[%(asctime)-15s] %(message)s') logging.debug("App started") # Read meter and save to the log try: while True: power = get_power_from_meter() logging.debug("Power reading: %f W", power) write_log(power) time.sleep(60.0) except KeyboardInterrupt: pass logging.debug("App done")

Když je program spuštěn, soubory protokolu csv budou vytvořeny s krokem přibližně jedné minuty a rozděleny podle měsíců:

2020-06-25T11:36:27.021849,0.0 2020-06-25T11:37:32.646114,0.593 2020-06-25T11:38:38.207308,0.731 2020-06-25T11:39:43.695290,0.738 2020-06-25T11:40:49.320069,0.785 2020-06-25T11:41:54.805750,0.344 2020-06-25T11:43:00.367353,7.137

Logy jsem na svém routeru začal sbírat pomocí dd-wrt, k čemuž stačí příkaz nohup python3 /opt/solar.py >/dev/null 2>&1 &. Pokud chcete, můžete skript přidat do spuštění, abyste nemuseli zadávat příkaz pokaždé, když zapínáte router. Byl také nápad přidat do programu webový server pro přístup k logu, ale v praxi se ukázalo, že standardní WinSCP zcela postačuje ke stažení nového logu každých pár dní.

výsledky

Je docela těžké odhadnout počasí tak, aby byl den buď úplně jasno, nebo úplně zataženo. Až budou taková data k dispozici, přidám do textu snímky obrazovky. Z nejnovějších údajů zatím denní výroba elektřiny v době psaní tohoto článku vypadá takto:

V mém případě je balkon orientován na západ, ráno jsou panely ve stínu a odpoledne začíná plná výroba. I když už v 9 hodin se do sítě pouští až 25W, což obecně není špatné. Jak je vidět z grafu, špičkový výkon byl asi 175W a „propady“ v grafu způsobené občasnou oblačností jsou také dobře viditelné. Generace končí po 21. hodině – v létě je denní světlo dlouhé, v zimě bude samozřejmě kratší.
Za celý den bylo vyrobeno 0.73 kWh elektřiny:

Pokud by nebyla vůbec žádná oblačnost, pravděpodobně bychom mohli očekávat nárůst o 20-30%, tzn. součet bude přesně 1 kW*h/den. Panely mimochodem fungují i ​​při zatažené obloze, ale výkon je samozřejmě menší a jen ve velmi tmavých bouřkách může klesnout na nulu.

Pro srovnání, takto vypadá generace za zamračeného deštivého dne s celkovým počtem generovaným během dne 0.21 kWh:

Je to hodně nebo málo? Pokud věříte Googlu, 0.2 kW*h stačí k uvaření 2 litrů vody rychlovarnou konvicí, což teoreticky není na energii „z nebe“ tak špatné.

Na druhou stranu lze poznamenat, že účinnost není tak vysoká, jak bychom si přáli. Bohužel výrobci na panelech píšou maximální hodnota energie získaná v pravém úhlu ke slunečním paprskům a v křišťálově čistém vzduchu na Měsíci v Himalájích. Ve skutečnosti se Slunce po obloze neustále pohybuje a optimální úhel dopadu nebude trvat déle než 1-2 hodiny denně. Na tom samozřejmě není nic špatného, ​​jen je potřeba počítat s tím, že např. skutečných 100W ze 100wattového solárního panelu se téměř nikdy nevygeneruje.

Export energie do elektrické sítě

Konečně se dostáváme k problematice exportu energie do elektrické sítě. Vše je jednoduché z technického hlediska, ale vše je složité z ekonomického hlediska. Technicky jednoduše přidáváme do naší domácnosti nový zdroj energie. Které budou spotřebovány připojenými zařízeními a přebytky přes elektroměr (to je důležité) půjde do městské sítě. Měřič je zde důležitý, protože určí, jak se bude vypočítávat exportovaná energie.

Možnosti jsou zde:

• Starý diskový měřič s největší pravděpodobností při obráceném napětí diskem neotočí (má speciální zarážku), tzn. elektřina, kterou vyrobíme, bude dodávána do sítě zdarma, hodnoty na měřiči se nezmění.
• Staré počítadlo disků bez zátky roztočí disk v opačném směru, tzn. odečty měřidel budou pokles, což je samozřejmě pro majitele solárních panelů výhodné. Takové pulty se ale již nevyrábějí a staly se muzejní raritou.
• Digitální měřič, který neumí počítat export elektřiny, jej započítá „modulo“ bez ohledu na směr, tzn. pro každého rozdány městským kilowattovým vlastníkem solárních panelů bude платить co se týče spotřeby.
• Moderní digitální měřič, který dokáže počítat export i import elektřiny, bude ukazovat samostatné hodnoty pro všechny parametry. Celkem má tento měřič 4 střídavé možnosti odečítání: denní import, noční import, denní export, noční export.

Samozřejmě, že pro balkónovou stanici s kapacitou 100-200 W to není tak kritické, většina elektřiny bude pravděpodobně spotřebována uvnitř bytu lednicí a dalšími zařízeními. Takže i když někdo nemá moderní elektroměr, je snazší to považovat pouze za charitativní příspěvek pro životní prostředí – i když městu „darujete“ pár kWh měsíčně a zaplatíte za ně řekněme 50 rublů, je nepravděpodobné, že o to majitel zchudne. Snáze se dá předpokládat, že tyto peníze půjdou na rozvoj elektrických sítí. Samozřejmě, pokud je panelů opravdu hodně, pak má smysl instalovat speciální síťový střídač s tzv. omezovačem – proudovým čidlem, které se instaluje hned za elektroměr a omezuje výkon střídače, aby se nic neuvolňovalo ven.

V mém případě již byl magistrátem zdarma nainstalován moderní měřič, takže za slunečného dne se na obrazovce skutečně zobrazují záporné hodnoty spotřeby elektřiny:

Mimochodem, otázka, kolik se dá „vydělat“ na vyrobené elektřině a prodané státu, je ekonomicky velmi obtížná. Například v Německu byly zpočátku zavedeny zvláštní zvýhodněné sazby za dodávanou elektřinu, což dále motivovalo majitele k instalaci solárních panelů. Pak se ale začaly benefity rušit a teď to vypadá, že už to není tak výhodné. Podobný zákon o „zeleném tarifu“ s opravdu vysokými cenami za výrobu byl přijat na Ukrajině, což vedlo k výraznému nárůstu počtu solárních stanic, ale jak dlouho vydrží, není známo. Je jasné, že na Ukrajině chtějí dosáhnout maximální energetické nezávislosti na sousedech, takže ceny za výkup elektřiny jsou stále vysoké. Naopak v Rusku bude vyrobená elektřina nakupována levněji než spotřebována – v Ruské federaci je již nyní dostatek energetických zdrojů a vláda nechce motivovat lidi k instalaci solárních panelů. Ale v každém případě mluvíme o přebytek – elektřina, která je spotřebována uvnitř domu, je přímou a čistou úsporou, snižuje platby za standardní sazbu a pouze přebytek se prodává státu. Teoreticky je cílem instalace solárních panelů pro majitele domu snížit spotřebu elektřiny z externí sítě na nulu a možnost prodávat přebytky městu je jen příjemný bonus, ale ne samoúčelný.

Mimochodem, pokud mluvíme o době návratnosti v současné době, pak soudě podle německé online kalkulačky je doba návratnosti pro panely na střeše o rozloze 31 m2 pro Německo asi 9 let:

Závěr

Generování solární energie je docela zajímavý hobby projekt, pokud jde o představení něčeho nového. Koneckonců, jak víme, nejlepší způsob, jak se naučit novou technologii, je vyzkoušet si ji sami. Můžete číst články jiných lidí, jak chcete, ale vidět na vlastní oči výsledky práce, vliv úhlu panelů, vymýšlení ochrany před větrem, shromažďování statistik atd. – to je mnohem zajímavější a dává to mnohem více zkušeností a pochopení různých jemností.

Celkově jsem s výsledky práce velmi spokojen. Náklady na projekt byly cca 500 Euro, což z hlediska hobby výdajů není astronomická částka, ale je vcelku srovnatelná s průměrným herním smartphonem nebo fotoaparátem. 2 panely poskytují výkon od 10 do 180 wattů v závislosti na počasí a denní době, což dobře kompenzuje provoz různých domácích zařízení a i když není aktuální odběr, přebytek nezmizí, ale jde do městské elektrické sítě.

Všem, kteří si chtějí něco podobného zopakovat na vlastní kůži, přeji úspěšné experimenty a více slunečných dnů.

• solární baterie
• mřížková kravata
• ekologie

• DIY nebo Udělej si sám
• PYTHON
• Populární věda
• Elektronika pro začátečníky
• Energie a baterie