Malý fotovoltaický ostrovní systém – výroba panelů

[Seriál článků o konstrukci malého fotovoltaického systému v bytě]

Minule jsem se zmínil, že bydlím v bytě bez balkonu. Místo pro panely je tedy hodně omezené. V podstatě jediný využitelný prostor je venkovní parapet nebo kolmá stěna mezi okny. Náš panelový dům byl zrovna aktuálně zateplen a nechci/nesmím zatím zasahovat do fasády, tudíž jsem zvolil venkovní parapet.Využitelná plocha parapetu je 230 x 28 cm. S tím se dá něco zvládnout.

Druhý a důležitější parametr je orientace domu. Mám to štěstí, že mám okna směřovány na jih. Náš dům je od jižního směru vychýlen pouze o 17° na západ.
Literatura uvádí, že ideální umístění panelů je jižní směr, možno s odchýlením 10 až 15° na západ. Ideální sklon panelů je 35 až 45° od vodorovné roviny.

Začal jsem se dívat po nabídce fotovoltaických panelů s rozměry maximálně 200x40cm, které by tak umožnily umístění za okno na parapet a bohužel jsem zjistil, že nabídka je hodně omezená. Pokud už se takový najde, má mizivý výkon a poměr výkon/cena je tragicky nízký. Příklad – Fotovoltaický solární panel 12V/20W.

Fotovoltaický solární panel 12V/20W/1,14A (RS-M20) 20Wp, zdroj: http://wifi.aspa.cz

Po prohlídce eshopů jsem narazil také na web Filutova dílna, kde jsem našel inspiraci a rozhodl se, že si panely postavím sám na míru.

Vlastní fotovoltaické panely

Nejprve je potřeba obstarat fotovoltaické články. Ty se dají koupit na eBay, ale i na našem českém Aukru. Podle referencí jsem vybral uživatele honzasjo, který v té době nabízel velké i poloviční fotovoltaické články za rozumnou cenu.

Základní velikost fotovoltaického článku je 157 x 157mm:

Fotovoltaický článek 156 x 156mm

Jeden článek má nominální napětí pouze 0.55 – 0.6V. Při zatížení napětí klesá například k 0.45 V. Při zahřívání Sluncem může ještě napětí mírně klesnout.
Panel se proto standardně sestavuje ze 36 článků, tak aby napětí článků v serii bylo vždy nad 12V.
U = 36 * 0.45 = 16,2 V.

Je proto naprosto normální, že na nezatíženém (nepřipojeném) panelu naměříme napětí naprázdno v hodnotě cca 20V.

Existují i články o polovině velikosti, tedy 156 x 78mm (případně 156 x 71mm apod.):

Můj fotovoltaický článek má 156 x 71 mm

Pro výrobu mého panelu jsem zvolil tuto poloviční velikost. Plné čtvercové jsou pro mne příliš velké. Napětí těchto článků je shodné s velkými. Snižuje se pouze proud, který články dokáží produkovat.

Zapojení a stavba panelu

Potřebuji 36 článků v serii. Když vezmu v potaz požadovanou výslednou velikost panelu, můžu uvažovat uskupení:
1 řada po 36 článcích
2 řady po 18 článcích
3 řady po 12 článcích

Nejlépe mi vychází uskupení dvou řad po 18 článcích. Jedna řada je neprakticky dlouhá a tři řady už by znamenaly šířku kolem 50cm.
Sestavil jsem si modelovou šablonu, abych si lépe dokázal představit reálnou velikost (2 bílé papíry představují články):

Modelová šablona panelu

Kromě 5mm mezery mezi články je ještě potřeba nechat na okrajích mezeru pro izolační silikon, aby se panel dal utěsnit a byl odolný vůči povětrnostním podmínkám.

Krycí materiál

Články samotné jsou v podstatě velmi levné, náklady narůstají při sestavování panelu a zejména při ochraně extrémně křehkých článků proti okolnímu světu. Nejprve jsem uvažoval, že bych články uzavřel mezi plexiskla. Nicméně musíme si uvědomit, že panel je v zimě vystavem hlubokému mrazu, v létě extrémnímu horku a tak se prostě musí počítat i s teplotní délkovou roztažností materiálu.

Pro menší teplotní rozdíly můžeme vztah mezi změnou délky a změnou teploty přiblížit lineární závislostí, tedy zapsat ve tvaru  ΔL = L * α * ΔT
Nejrozšířenější sklo má součinitel délkové teplotní roztažnosti roven cca 9*10^-6  K^-1. Plexisklo potom cca 8*10^-5  K^-1 (tedy o cca 1 řád větší).

Výpočet:
L = 1,47m
α = 9.10-6  K-1
ΔT = 60
Dilatace, neboli prodloužení, je v případě skla ΔL = L * α * ΔT = 1.47 * (9 * (10^(-6))) * 60 = 0.0007938 tedy 0.8 mm
V případě plexiskla můžeme díky rozdílu součinitele o cca jeden řád říci, že prodloužení bude o řád větší, tedy až 8mm ! Pokud by byly články pevně uchyceny k desce, došlo by zřejmě na slunci k jejich roztrhání.

Zakoupil jsem proto sklo o rozměru 147 x 36cm. Vrchní krycí o tloušťce 4mm a spodní o tloušťce 3mm.

Ještě než jsem se skleněnými tabulemi dorazil domů, uvědomil jsem si, že to asi nebyl úplně dobrý nápad. Nepočítal jsem totiž s tím, že sklo je pružné a při tomto rozměru se dost výrazně prohýbá. V následujících dnech se mi to rozleželo v hlavě a koupil jsem si “sklénářské kolečko”, tedy řezák na sklo. Skleněné tabule jsem sice s obavami, ale nakonec bez větších potíží, rozřízl na poloviny o rozměru 73,5 x 36 cm.
S tímto rozměrem se daleko lépe manipuluje a prohyb je již minimální. Budu mít tedy 2 nezávislé panely, které se spojí do serie.

Letování

První krok při zapojování je naletování sběrnicových pásků na články. Předpokládal jsem, že to půjde celkem rychle. Bohužel při prvních pokusech se ukázalo, že to není vůbec jednoduché. Pásky se jednodušše nepřichytili k povrchu článku. Ať jsem je prohříval sebevíc, nešlo to. Zlepšení přineslo až jemné oškrábání bílé krycí vrstvy a nanesení cínu pod pásek. I přes opatrnou práci jsem se nevyvaroval obětí:

Zlomený fotovoltaický článek

Přibližně po deseti článcích jsem postup zkodonalil a práce již šla rychleji, ale přesto je časově náročná. Musíte pracovat velice jemně a obezřetně, stačí neopatrný pohyb nebo ťuknutí a článek se poškodí.

Moje fotovoltaické články mají na vrchní straně 2 sběrnice, existuji i články se 3 sběrnicemi. Nepleťte si toto s polaritou. Celá vrchní strana, tedy obě sběrnice, je záporný mínus pól. Celá spodní strana článku je potom kladný plus pól.

Pásky jsem letoval po celé délce sběrnice, aby připadné odchlípnutí na jednom místě, neovlivnilo funkci panelu. Naletování všech sběrnicových pásků z jedné strany (celkem tedy 32 x 2 = 64 kusů) mi trvalo cca 5 hodin (včetně vývoje postupu a dvou nezdarů).

Sběrnicové pásky na fotovoltaických článcích

Sběrnicové pásky na fotovoltaických článcích - komplet

Přikládám originál nákres :))

Nákres rozložení a zapojení panelu - originál

Po naletování všech pásků přišla na řadu kontrola kvality. Pod silnou lampou jsem u všech článků změřil hodnoty napětí a proudu – pro případ zjištění poničených článků – aby celá serie nebyla degradována jedním chybným článkem.

Všechny články jsou v pořádku, skvěle, můžeme je letovat do serie. Z vrchní strany prvního článku na spodní stranu druhého článku. Z vrchní strany druhého článku na spodní stranu třetího a tak dále.

Zapojení článků do serie

Zapojení článků do serie - druhá řada

Zapojení článků do serie - pohled z vrchu

Když byly články připraveny a pevně sletovány do serie, musel jsem vymyslet způsob vymezení krycího skla, aby jeho váha nerozdrtila články. Při nákupu tmelu jsem v obchodě narazil na Spárovací křížky, které se používají při pokládání dlaždic. Skvěle se pro tuto úlohu hodí, jsou vysoké asi 2 mm a jsou pevné – perfektně vymezí mezeru pro druhé sklo.

Vymezení vůle pro fotovoltaické články

Vymezení vůle pro fotovoltaické články - u vývodů

Když bylo všech 12 křížků pevně přilepeno vteřinovým lepidlem, mohl jsem přistoupit k uzavření panelu. K tomu jsem použil MS Unifix – jednosložkový lepící a těsnící tmel, na bázi MS polymeru. Vytvrzuje vulkanizací vzdušné vlhkosti, vytváří vysokopevnostní, elastický spoj.
Pro nás důležité parametry – je odolný vlhku a vodě, povětrnostním vlivům a UV záření. Přilne na různé stavební materiály, včetně nesavých, a jejich vzájemné kombinace.
Tepelná odolnost –40 / +90°C (po vytvrzení). Ideální.

Tmel pro můj fotovoltaický panel - MS Unifix

Po obvodu panelu jsem nanesl žížalu tmelu a na jednom místě nechal otvor, aby měl kudy unikat vzduch až budu přikládat druhé sklo:

Uzavření fotovoltaického panelu tmelem MS Unifix

Krycí sklo je na místě, stačí dotmelit slabá místa:

Uzavření fotovoltaického panelu tmelem MS Unifix

Poté jsem nechal panel asi 3 dny vytvrdit, na sluníčku nechal panel zahřát, aby zmizela vlhkost a zatmelil poslední otvor.

Tak a máme to, jeden panel o 18 článcích je hotov. Teď už jenom zopakovat postup, vyrobit druhý panel a mám zdroj energie v mém systému Celkově to bude 62W.

První panel (18 článků) je hotov