OBNOVITELNÉ ZDROJE P ěI NAPÁJENÍ WI-FI NODE



TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

OBNOVITELNÉ ZDROJE P ěI NAPÁJENÍ WI-FI NODE

BAKALÁ ěSKÁ PRÁCE

Liberec 2015 Jakub Fanta

0#/07*5&-/² ;%30+& 1Ʋ* /"1«+&/¶ 8*'*

/0%&

#BLBMÈDzTLÈ QSÈDF

4UVEJKOÓ QSPHSBN # o &MFLUSPUFDIOJLB B JOGPSNBUJLB 4UVEJKOÓ PCPS 3 o *OGPSNBUJLB B MPHJTUJLB

"VUPS QSÈDF +BLVC 'BOUB 7FEPVDÓ QSÈDF *OH .BSUJO 7MBTÈL

-JCFSFD 





1SPIMÈÝFOÓ

#ZM KTFN TF[OÈNFO T UÓN äF OB NPV CBLBMÈDzTLPV QSÈDJ TF QMOǔ W[UB

IVKF [ÈLPO Ǐ  4C P QSÈWV BVUPSTLÏN [FKNÏOB f  o ÝLPMOÓ EÓMP

#FSV OB WǔEPNÓ äF 5FDIOJDLÈ VOJWFS[JUB W -JCFSDJ 56- OF[BTBIVKF EP NâDI BVUPSTLâDI QSÈW VäJUÓN NÏ CBLBMÈDzTLÏ QSÈDF QSP WOJUDzOÓ QPUDzFCV 56-

6äJKJMJ CBLBMÈDzTLPV QSÈDJ OFCP QPTLZUOVMJ MJDFODJ L KFKÓNV WZVäJUÓ KTFN TJ WǔEPN QPWJOOPTUJ JOGPSNPWBU P UÏUP TLVUFǏOPTUJ 56- W UPNUP QDzÓ

QBEǔ NÈ 56- QSÈWP PEF NOF QPäBEPWBU ÞISBEV OÈLMBEǾ LUFSÏ WZOB

MPäJMB OB WZUWPDzFOÓ EÓMB Bä EP KFKJDI TLVUFǏOÏ WâÝF

#BLBMÈDzTLPV QSÈDJ KTFN WZQSBDPWBM TBNPTUBUOǔ T QPVäJUÓN VWFEFOÏ MJUFSBUVSZ B OB [ÈLMBEǔ LPO[VMUBDÓ T WFEPVDÓN NÏ CBLBMÈDzTLÏ QSÈDF B LPO[VMUBOUFN

4PVǏBTOǔ ǏFTUOǔ QSPIMBÝVKJ äF UJÝUǔOÈ WFS[F QSÈDF TF TIPEVKF T FMFL

USPOJDLPV WFS[Ó WMPäFOPV EP *4 45"(

%BUVN

1PEQJT



Pod Čkování

Tímto bych chtČl podČkovat zvláštČ vedoucímu projektu Ing. Martinovi Víchovi Vlasákovi za podporu pĜi psaní této bakaláĜské práce, za jeho cenné rady a pĜipomínky. Dále bych chtČl podČkovat MH2NET, z. s. za poskytnutí finanþních prostĜedkĤ, konkrétnČ Ing. Vítu Dittrichovi.

PodČkovat bych chtČl také Ing. Martinu Grygarovi za poskytnutá referenþní data a jeho cenné rady.

ϳ

Abstrakt

PĜedmČtem bakaláĜské práce je navržení bezobslužného solárního systému pro napájení NODE v závislosti na analýze mČĜených dat. V bakaláĜské práci analyzuji namČĜené hodnoty spotĜeby elektrické energie komponent NODE, dále pak výkon na plochu dvou fotovoltaických panelĤ. Na základČ tČchto dat provedu navržení logiky pro detekci a jeho odstranČní. Na závČr provedu zhodnocení rentability v závislosti na umístČní NODE.



Klí þová slova

Node, Wi-Fi, fotovoltaický þlánek, akumulátor, solární systém, PVGIS















Abstract

This thesis deals with the design of unattended solar system for supply NODE depending on the analysis of the measured data. In my thesis, I break down these measured figures of consumption electric energy component NODE. I analyse the external influences on the powerof two photovoltaics panels. According to these datas, I propose logic for detection of snow and freeze and his elimination. In the last chapter, I evaluate profitability which depends on the location of NODE.





Keywords

Node, Wi-Fi, Photovoltaic cell, accumulator, solar systém, PVGIS



ϴ

Obsah

1. Úvod ... 14

2. Fotovoltaický þlánek ... 15

2.1. Typy fotovoltaických þlánkĤ ... 15

2.1.1. Monokrystalický ... 15

2.1.2. Polykrystalický ... 16

2.1.3. Amorfní ... 16

2.2. Životnost panelu ... 17

2.3. Faktory ovlivĖující výkon solárního þlánku ... 17

3. Komponenty solárního systému ... 18

3.1. Solární regulátor ... 18

3.2. OlovČný akumulátor ... 18

3.2.1. DČlení dle technologie ... 18

3.2.2. DČlení dle použití ... 18

3.2.3. Životnost ... 19

3.2.4. Složení akumulátoru ... 19

3.2.5. Chemický proces akumulátoru ... 19

4. Wi-Fi ... 20

4.1. Základní pojmy ... 20

4.1.1. Access Point ... 20

4.1.2. Klient ... 20

4.1.3. Router ... 20

4.1.4. Repeater ... 20

5._ Wi-Fi smČrovaþ NODE ... 21

5.1. PĜíklad základního Wi-Fi NODE ... 21

5.1.1. Router ... 21

ϵ

5.1.2. Pojítko ... 21

5.1.3. Access point ... 21

5.1.4. Anténa ... 22

6. Software pro návrh solárního systému ... 23

6.1. PVGIS ... 23

6.1.1. Rozhraní PVGIS ... 23

6.1.2. CHMI ... 25

7. NamČĜená data – spotĜeba elektrické energie komponent ... 26

7.1. SpotĜeba elektrické energie komponent ... 26

7.1.1. SNMP - Simple Network Management Protocol ... 26

7.1.2. Cacti ... 26

7.2. Reálný odbČr ... 27

7.2.1. WispStation M5 AirMAX – 23 dBm ... 27

7.2.2. Bullet M5 ... 28

7.2.3. Mikrotik RB750UP ... 29

8. Poþasí ... 30

9. Analýza namČĜených dat ... 32

9.1. Konstrukce ... 32

9.2. Sleepy Cat Kit ... 34

9.3. Postup mČĜení ... 34

9.4. Vyhodnocení mČĜení ... 35

9.4.1. Data z mČĜení ... 35

9.4.2. ZávČr z mČĜení ... 38

10. ěešení a kalkulace ... 40

10.1. Vývoj poþasí a jeho vliv ... 40

10.2. ZpĤsob ometání ... 40

ϭϬ

10.3. Návrh solárního systému ... 41

10.3.1. VýbČr FV panelu ... 41

10.3.2. SpotĜeba elektrické energie Wi-Fi komponent ... 41

10.3.3. Detekce zapadání FV panelu ... 41

10.3.4. Výpoþet vhodné délky topného kabelu ... 42

10.3.5. Výpoþet spotĜeby elektrické energie komponent ... 43

10.3.6. Výpoþet FV panelu ... 43

10.3.7. Výpoþet a výbČr vhodného akumulátoru ... 44

10.3.8. Zapojení ... 45

11. ZávČr ... 47

12. Zdroje ... 49





ϭϭ

Seznam obrázk Ĥ

Obr. 1 Fotovoltaický þlánek [1] ... 15

Obr. 2 PĜíklad monokrystalického FV panelu [4] ... 16

Obr. 3 PĜíklad polykrystalického FV panelu [3] ... 16

Obr. 4 PĜíklad amorfního FV panelu [2] ... 16

Obr. 5 Roþní prĤmČrný úhrn sluneþního záĜení [kWh/m2] [5] ... 17

Obr. 6 PrĤmČrný poþet slunných dní v mČsíci [5] ... 17

Obr. 7 PĜíklad solárního regulátoru [9] ... 18

Obr. 8 ZpĤsob komunikace mezi klienty pomocí [10, 11] ... 20

Obr. 9 Mikrotik RB750UP [17] ... 21

Kďƌ͘ϭϬ EĂŶŽƌŝĚŐĞDϱŝƌDyϮϮĚŝ ΀ϭϲ΁ ... 21

Obr. 11 Ubiquiti Bullet M5 AirMAX [18] ... 22

Obr. 12 Sektorová anténa AirMAX MIMO 16dBi, 120°, 2x RSMA (5GHz) [19] ... 22

Obr. 13 Rozhraní PVGIS pro Stand-alone PV Estimation [20] ... 24

Obr. 14 Rozhraní PVGIS pro Performance of Grid [20] ... 25

Obr. 15 RozmístČní meteostanic poskytující sluneþní záĜení [24] ... 25

Obr. 16 Cacti – data template ... 27

Obr. 17 Fotografie uspoĜádání solárních panelĤ ... 33

Obr. 18 Sleepy Cat Kit [25] ... 34

Obr. 19 Schéma mČĜení ... 34

Obr. 20 PrĤbČh mČĜení ... 35

Obr. 21 ZpĤsob umístČní topného kabelu ... 43





ϭϮ

Seznam tabulek

Tabulka 1 – SpotĜeba el. energie komponent ... 29

Tabulka 2 – Vývoj teplot ... 30

Tabulka 3 – Popis FV panelu ... 32

Tabulka 4 – Vývoj maximálního a prĤmČrného výkonu obou panelĤ ... 38

Tabulka 5 – SpotĜeba elektrické energie pro celý systém ... 43

Tabulka 6 – PrĤmČrná produkce elektĜiny dle PVGIS [20] ... 44

Tabulka 7 – Náklady na ostrovní solární systém ... 45

Seznam Graf Ĥ

Graf 2 – SpotĜeba elektrické energie Bullet M5... 28

Graf 3 – SpotĜeba elektrické energie RB750UP ... 29

Graf 4 – Vývoj poþasí ... 30

Graf 5 – Vývoj poþasí – Leden ... 31

Graf 6 – Plošný výkon FV panelĤ v období 21. 1. 2014 – 31. 1. 2014 ... 36

Graf 7 – Plošný výkon FV panelĤ v období 25. 1. 2014 – 26. 1. 2014 ... 37

Graf 8 – Plošný výkon FV panelĤ v období 29. 1. 2014 – 31. 1. 2014 ... 38



ϭϯ

Zkratky

Ed prĤmČrná produkce energie za den

Ff poþet dnĤ, kdy bude akumulátor zcela nabit [ % ] Fe poþet dnĤ, kdy bude akumulátor zcela vybit [ % ] Rs vnitĜní odpor panelu – v mČĜení je zanedbán Rk odpor pĜívodu – v mČĜení je zanedbán Rm mČĜící odpor

T-SOL výpoþet termických systémĤ

SNMP Simple Network Management Protocol OID object identifier (identifikátor objektu) Wi-Fi Wireless Ethernet Compatibility Aliance VRLA Valve Regulated Lead Acid

AGM Absorbed Glass Mat

FV Fotovoltaický

NODE Wi-Fi smČrovaþ

AP Access point (pĜístupový bod) PDK PotĜebná denní kapacita UDP Transportní protokol

ϭϰ

1. Úvod

V posledních letech ýeská republika zažila technologický rozvoj v oblasti fotovoltaiky.

V mezinárodním srovnání se v roce 2013 ýeská republika umístila na 5. místČ instalovaného výkonu na jednoho obyvatele, který þiní 202,8 Wp/ob. Tato skuteþnost nás pĜivedla k otázce, zda-li je ekonomicky výhodné napájet NODE pomocí bezobslužného solárního systému.

Z tohoto dĤvodĤ jsem se dohodl s pĜedsedou spolku MH2NET s.z., Ing. Vítem Dittrichem, o spolupráci a poskytnutí finanþních prostĜedkĤ k realizaci této bakaláĜské práce. [43]

Cílem této bakaláĜské práce je vytvoĜit návrh bezobslužného solárního systému, vþetnČ kalkulace nákladĤ a zhodnocení rentability. V první þásti této bakaláĜské práce je teoreticky rozebrána problematika FV þlánkĤ, kde jsou uvedeny jejich základní parametry a vlastnosti.

Dále pak popisuji vlastnosti a dČlení olovČných akumulátorĤ a také k þemu slouží v solárním systému regulátor. Na konci této þásti uvedu základní pojmy z oblasti bezdrátových síti a komponenty NODE.

Ve druhé þásti této práce se zabývám návrhem a Ĝešením samotného bezobslužného solárního systému. Nejprve jsou uvedena mČĜení spotĜeby elektrické energie komponent NODE, jejich výsledky budou porovnány s hodnotami udávanými výrobcem. V další þásti je pak rozebrána problematika vnČjších vlivĤ, kde budu zkoumat úþinnost FV panelu po jeho pĜekrytí snČhem nebo námrazou. Pro mČĜení mám k dispozici dva totožné FV panely, pĜiþemž jeden bude pravidelnČ þištČn, druhý nikoliv. Data z mých mČĜení budou porovnána s volnČ dostupnými údaji z portálu PVGIS, aby byla potvrzena, respektive vyvrácena jejich pĜesnost.

V poslední þásti bude na základČ výše zmínČných skuteþností navrhnut vhodný bezobslužný solární systém. Zhodnotím rentabilitu v závislosti na jeho umístČní, kde bude bráno v potaz umístČní v zástavbČ s dobrou dostupností energetických sítí oproti umístČní mimo dosah energetických sítí.



ϭϱ

2. Fotovoltaický þlánek

Fotovoltaický þlánek byl vynalezen roku 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem. Jde o velkoplošnou polovodiþovou souþástku, která pomocí fotoelektrického jevu pĜemČĖuje sluneþní záĜení na elektrickou energii. [1]

Základem fotovoltaického þlánku je kĜemíková destiþka s vodivostí typu P. Na spodní stranČ se nachází kontakty, které tvoĜí vodivou stĜíbrnou mĜížku. Na horní stranČ se nachází vrstva polovodiþe typu N silná pouhých 500nm. Na tuto vrstvu jsou sítotiskem vytvoĜeny vodivé kontakty. Ve vrstvČ N je pĜebytek záporných elektronĤ, kdežto ve vrstvČ P je jich nedostatek, to se projevuje jako kladné ,,díry“. Na rozhraní vrstev materiálĤ P a N vzniká tzv.

pĜechodová vrstva P-N, která zabraĖuje volnému pĜechodu elektronĤ z místa, kde jich je nadbytek do místa, kde jich je nedostatek. Na pĜechodu P-N se tak vytvoĜí elektrická bariéra, díky které mohou volné elektrony snadno pĜecházet z vrstvy P do vrstvy N, nikoliv v opaþném smČru. [1]

2.1. Typy fotovoltaických þlánkĤ 2.1.1. Monokrystalický

Jedná se o základní þlánek první generace fotovoltaických panelĤ. ýlánky jsou vyrábČné z jediného krystalu monokrystalického kĜemíku. V našich podmínkách jsou monokrystalické solární panely nejpoužívanČjší. Jsou vyrábČny z tyþí (tzv. INGOT) o prĤmČru 300mm.

Krystaly kĜemíku jsou vČtší než 10 cm a vyrábí se na bázi chemického procesu. Jejich výroba probíhá pomalým tažením zárodkĤ krystalu z taveniny velmi þistého kĜemíku. Poté jsou rozĜezány na tenké plátky podložky. Mezi výhody monokrystalického þlánku lze zaĜadit pĜedevším^úþinnost (pohybuje se v rozmezí 13 – 14 %, pĜi pĜímém sluneþním svitu krátkodobČ až 17 %). Efektivní úþinnost zajistíme instalací na stĜechy orientované J, JJV a JJZ se sklonem, který by mČl být mezi 25 a 35°. Barva þlánku je temnČ modrá, bez barevných odlišností. [2]

Obr. 1 Fotovoltaický þlánek [1]

ϭϲ

2.1.2. Polykrystalický

Tento fotovoltaický þlánek je taktéž Ĝazen do tzv. první generace. Výhodou polykrystalických þlánkĤ je nižší energetická nároþnost potĜebná pro výrobu, což se pozitivnČ odráží na jejich cenČ. Úþinnost polykrystalických þlánkĤ je nepatrnČ nižší oproti þlánku monokrystalickému. Pohybuje se mezi 12 až 15 % (výjimeþnČ až 16 %), výhodou však je lepší zpracování sluneþního svitu i pokud mají vČtší odklon od optimální pozice a to i v pĜípadČ relativnČ malého sluneþního svitu (zatažená obloha). Díky této vlastnosti není rozdíl v úþinnosti oproti monokrystalickému þlánku témČĜ žádný. Jeho barva je modrá, svČtlejší oproti monokrystalickému þlánku, pĜi pohledu lze vidČt tzv. „ledový kvČt“.

Doporuþují se k instalaci na stĜechy, které mají odklon od jihu – JZ–Z a JV–V. TvoĜeny jsou krystalickou mĜížkou. Základem je také kĜemíková podložka, s tím rozdílem, že se solární þlánky skládají z vČtšího poþtu menších polykrystalĤ. [2]

2.1.3. Amorfní

Jde o druhou generaci fotovoltaického þlánku. Tato generace se snaží snížit potĜebné množství kĜemíku a zlevnit tím výrobu. ýlánky jsou tvoĜeny podložkou ze skla, textilie nebo plastu, na kterou je nanášena tenká polovodiþová vrstva amorfního kĜemíku. Oproti pĜedchozím dvČma þlánkĤm je úþinnost tohoto þlánku velmi nízká, udává 4 %. Jejich využití je minimální, jelikož s porovnáním s pĜedchozími typy þlánkĤ potĜebujeme k dosažení stejného výkonu cca 2,5× vČtší prostor. Jejich nevýhodou oproti monokrystalickému þlánku je úþinnost klesající þasem. Naopak jejich výhodou mĤže být cena, která je zhruba poloviþní.

Jeho barva je charakteristicky témČĜ þerná. [2]

Obr. 4 PĜíklad amorfního FV panelu [2]

Obr. 3 PĜíklad polykrystalického FV

panelu [3]

Obr. 2 PĜíklad monokrystalického FV

panelu [4]

ϭϳ

2.2. Životnost panelu

U FV panelĤ výrobci udávají životnost mezi 25-30 lety. V prĤbČhu let dochází k degradaci, pĜiþemž je garantováno po 25 letech provozu úþinnost na úrovni 80 procent. Provozovat FV panel mnohem déle není problém, avšak kvĤli stále klesající úþinnosti je nutné uvažovat nad otázku efektivity.[5]

2.3. Faktory ovlivĖující výkon solárního þlánku

Jeden z hlavních faktorĤ ovlivĖující výkon solárního systému pĜedstavuje úhrn sluneþního záĜení. Na Obr. 5. je uvádČno množství získané v kWh/m² v rĤzných regionech ýeské republiky. Z uvedeného obrázku je zĜejmé, že nejvíce sluneþního záĜení kWh/m² bylo namČĜeno v regionu jižní Moravy. NicménČ se jedná o minimální rozdíl v rámci ýR. Dále lze z Obr. 6 vyþíst prĤmČrný poþet slunných dní v jednotlivých mČsících, z nichž nejhĤĜe vychází prosinec a leden. V tČchto mČsících slunce svítí prĤmČrnČ pouze pĜes 20 % dnĤ.

Dalším dĤležitým faktorem je sklon FV panelu. V létČ se udává ideální sklon 30 stupĖĤ od vodorovné roviny, avšak v zimČ sklon þiní 60 stupĖĤ. Volí se tak obvykle kompromis, který se pohybuje v rozmezí mezi 35 – 45 stupni od vodorovné roviny.

 

Obr. 5 Roþní prĤmČrný úhrn sluneþního záĜení

[kWh/m2][5]

Obr. 6 PrĤmČrný poþet slunných dní v mČsíci [5]

ϭϴ

3. Komponenty solárního systému

3.1. Solární regulátor

Solární regulátor je zaĜízení k Ĝízení a dobíjení solárního systému. Chrání akumulátor pĜed jeho pĜebitím a vybitím, pĜed pĜetížením celého systému, obrácením polarizace, þi jestli nejsou obvody ve zkratu. Dále pak kontroluje aktuální stav akumulátoru, þímž hlídá jeho optimální dobití.[8]

3.2. OlovČný akumulátor

Akumulátor slouží v solárním systému k uskladnČní elektrické energie. Slouží jako záložní zdroj elektrické energie v noþních hodinách a ve dnech s ménČ pĜíznivým osvitem. OlovČný akumulátor je dnes nejpoužívanČjším sekundárním zdrojem, s elektrodami, které jsou na bázi olova, jako elektrolyt je použita kyselina sírová. Akumulátory jsou k dostání s kapacitou v Ĝádech od 1 do 10 000 Ah. Vzhledem k zvládnuté technologii výroby je lze zakoupit za pomČrnČ nízké ceny s relativnČ vysokým výkonem.

3.2.1. DČlení dle technologie

• Se zaplavenými elektrodami, které jsou použity napĜíklad u autobaterie.

• Ventilem Ĝízené olovČné akumulátory (VRLA).

• Elektrolyt je nasáknut ve skelné vatČ, která leží mezi elektrodami.

• Gelové, kde je elektrolyt zahuštČný ve formČ ledu.

3.2.2. DČlení dle použití

• Záložní, použití napĜíklad v UPS, EZS, EPS…

• Startovací, které se používají v automobilovém prĤmyslu.

Obr. 7 PĜíklad solárního regulátoru [9]

ϭϵ

• Trakþní, nachází využití u golfových vozítek, vysokozdvižných vozíkĤ a u dalších podobných zaĜízení. [6]

3.2.3. Životnost

Životnost akumulátoru je rĤznorodá, záleží na typu akumulátorĤ. Dle životnosti mĤžeme akumulátory rozdČlit na 4 skupiny. U posledních tĜech dČlení akumulátorĤ jsou hlavními rozdíly vČtší bezpeþnostní požadavky.

• 3–5 let – standartní akumulátory, tyto akumulátory se nejþastČji využívají v bezpeþnostních systémech (pĜevážnČ v malých)

• 5–8 let – akumulátory obecného použití

• 10 let – akumulátory vysokého výkonu

• Více než 10 let – je kladen požadavek na vysokou bezpeþnost [7]

3.2.4. Složení akumulátoru

OlovČný akumulátor se skládá z olovČných desek (elektrody). Elektrody jsou ponoĜené do zĜedČné kyseliny sírové. V každém z þlánku jsou dvČ desky. ýlánky jsou zapojeny do série a vytváĜí tak akumulátorovou baterii.

3.2.5. Chemický proces akumulátoru

Pokud je akumulátor nabitý, aktivní hmotu záporné elektrody tvoĜí ,,houbovité“ olovo.

Kladné elektrody tvoĜí oxid oloviþitý.[7]

ϮϬ

4. Wi-Fi

4.1. Základní pojmy 4.1.1. Access Point

ýesky pĜístupový bod (AP). Jedná se o zaĜízení, pĜes které prochází veškerý provoz ve Wi-Fi síti. PĜíklad komunikace v režimu AP je znázornČna na Obr. 8., který zobrazuje probíhající komunikaci pomocí AP mezi dvČma klienty. AP umožĖuje také režim Bridge.

Tento režim se používá pĜi vytváĜení Point to Point spojĤ.

4.1.2. Klient

Klient (nebo nČkdy také stanice) je síĢové zaĜízení, které komunikuje se serverem v místní síti. Ve Wi-Fi sítích to mĤže být poþítaþ, v poslední dobČ také mobilní telefony, tablety a další zaĜízení, které obsahují integrovaný Wi-Fi modul.

4.1.3. Router

Jedná se o síĢové zaĜízení, které routováním (smČrováním) pĜeposílá datagramy smČrem k jejich síti na tĜetí síĢové úrovni, což v tomto pĜípadČ zajišĢuje Internet Protocol.

4.1.4. Repeater

Aktivní síĢový prvek, který dokáže zesílit Wi-Fi signál. PĜijme zkreslený a zašumČný signál, opravený a zesílený ho pak vysílá dále. Tímto zpĤsobem lze snadno zvýšit dosah sítČ.[12]



Obr. 8 ZpĤsob komunikace mezi klienty pomocí [10, 11]

Ϯϭ

5. Wi-Fi smČrovaþ NODE

5.1. PĜíklad základního Wi-Fi NODE

Nejjednodušší funkþní Wi-Fi NODE se musí skládat z hlavního pojítka, routeru a vysílacího Access pointu, na který je pĜipojena všesmČrová, þi sektorová anténa. Tento pĜíklad Wi-Fi NODE je použit v ménČ obydlených oblastech, kde se jednotliví klienti sítČ pĜipojují.

5.1.1. Router

Dalším prvkem, bez kterého nemĤže být node funkþní, je router. Zvolil jsem Mikrotik RB750UP uvedený na Obr. 9. Jedná se o zaĜízení, které pracuje na základech operaþního systému linux, tento operaþní systém obsahuje grafickou nadstavbu, která je uživatelsky pĜívČtivá. Tento síĢový prvek díky tomu dokáže nastavit i þlovČk neorientující se v pĜíkazové Ĝádce.

5.1.2. Pojítko

Pojítko, které je zobrazeno na Obr. 10 je prvek, pomocí kterého je NODE propojen se zbytkem sítČ. Jedná se o AP s anténou, které pracuje v režimu Bridge. DĤležítým faktorem tohoto prvku je pĜedevším vysoká pĜenosová rychlost a stabilita. V pĜípadČ takto malého bodu, který je umístČn v ménČ zarušené oblasti zcela dostaþuje NanoBridge M5 Air MAX 22 dBi využívající standard 802.11n. Komunikace tak mĤže probíhat reálnou pĜenosovou rychlostí až 300 Mbps.

5.1.3. Access point

Dalším prvkem je pĜístupový bod. Díky mým pozitivním zkušenostem jsem zvolil zaĜízení od firmy Ubiquiti Bullet M5 AirMAX uvedený na Obr. 11. Jedná se o venkovní AP, které lze pĜipojit pĜímo k anténČ. Napájení a komunikace probíhá pomocí utp kabelu, není tedy nutné potĜeba použití koaxiálního kabelu, který je z hlediska signálu velmi ztrátový.

Vysoká pĜenosová rychlost (až 150 Mbps) je dosažena díky podpoĜe standardu IEEE 802.11n.

V tomto zaĜízení je použit systém AirOS V, který výrobce neustále podporuje. Vycházejí tak Obr. 9 Mikrotik

RB750UP [17]

Obr. 10NanoBridge M5 Air MAX 22 dBi[16]

ϮϮ

nové firmwary, které vylepšují funkþnost AP. AP tak umožĖuje širokou škálu funkcí pro lepší správu. Mezi funkcemi bych zmínil grafy vytížení AP, QoS, shaping a další.

5.1.4. Anténa

Posledním nutným prvkem je anténa. Pro mé potĜeby jsem vybral sektorovou anténu AirMAX MIMO 16 dBi, 120°, 2x RSMA (5 GHz). Anténu jsem vybral z dĤvodu plné kompatibility s Ubiquiti Bullet M5 AirMAX, která je uvedená na Obr. 12 lze tak využít maximální pĜenosové rychlosti.

Obr. 11 Ubiquiti Bullet M5 AirMAX [18] Obr. 12 Sektorová anténa AirMAX MIMO 16dBi, 120°, 2x

RSMA (5GHz) [19]

Ϯϯ

6. Software pro návrh solárního systému

Existuje nespoþet SW, které jsou vhodné k návrhu solárního systému. PĜevážná vČtšina z nich je znaþnČ zpoplatnČna. V bakaláĜské práci budu využívat bezplatné Ĝešení matematického modulu PVGIS, pĜiþemž bych chtČl otestovat, jestli je tato varianta plnČ vyhovující pro návrh solárního systému. Tento SW jsem vybral na základČ doporuþení odborníkĤ, kteĜí se danou problematikou zabývají. [20]

PĜíkladem placených Ĝešení mĤže být od firmy Valentine, která na základČ výpoþtového programu T-SOL sestavila verzi PV-SOL. Tento SW velmi zpĜesnil výpoþet a to jednak dle pĜípadného zastínČní a jeho následné optimalizace, tak i pro výpoþet odpovídajícího mČniþe s pĜíslušnou úþinností a ztrátou v rozvodu AC i DC. V dnešní dobČ je Ĝada dalších softwarĤ, které jsou buć odvozeny, þi novČ naprogramovány. NicménČ v ýeské republice všechny tyto softwary vychází z faktických mČĜení meteostanic þeského hydrometeorologického ústavu.

[36] [44]

6.1. PVGIS

6.1.1. Rozhraní PVGIS

PVGIS provádí výpoþet pomocí matematického modelu pro solární systémy na základČ faktických mČĜení z meteostanic po celém svČtČ. Obr. 13 zobrazuje uživatelské rozhraní.



Ϯϰ

Popis jednotlivých polí pro Stand-alone PV:

• Mapa – výbČr místa, kde potĜebujeme solární systém umístit.

• Battery voltage – napČtí, ve kterém pracuje celý solární systém.

• Pole Enter peak PV power – zadání maximálnČ možné úþinnosti FV panelĤ.

• Pole Capacity - celková kapacita akumulátorĤ.

• Pole Discharge cutoff limit – zde se udává hodnota, v kolika procentech je akumulátor považován za vybitý.

• Pole Enter daily consumption – zde musí být uvedena celková denní spotĜeba vysílacího bodu.

Obr. 13 Rozhraní PVGIS pro Stand-alone PV Estimation [20]

Ϯϱ

Popis jednotlivých polí pro PV Estimation

• PV technology – typ FV panelu

• Installed peak PV power – instalovaný výkon solárního systému

• Estimated systém losses – ztráty v systému

• Slope – náklon

6.1.2. CHMI

V ýeské republice se provádí výpoþet pomocí matematického modelu na základČ dat získaných z meteostanic rozprostĜených v rámci celé republiky þeského hydrometeorologického ústavu. Tyto meteostanice jsou zobrazeny na Obr. 15

Obr. 15 RozmístČní meteostanic poskytující sluneþní záĜení [24]

Obr. 14 Rozhraní PVGIS pro Performance of Grid [20]

Ϯϲ

7. NamČĜená data – spotĜeba elektrické energie komponent

7.1. SpotĜeba elektrické energie komponent

DĤležitým faktorem pĜi návrhu solárního systému je odbČr komponentĤ. Každé zaĜízení má hodnoty maximálního odbČru uvedeny od výrobce v katalogovém listu. Ovšem v reálném provozu tČchto hodnot dosahovat nebude, a pokud tak nastane, jednalo by se pravdČpodobnČ pouze o skokové hodnoty. Cílem bylo ovČĜit si tuto hypotézu. Rozhodl jsem se provést mČĜení a porovnat hodnoty udávané výrobcem s hodnotami, které jsem namČĜil.

MČĜení probíhalo na zaĜízení Mikrotik RB750 UP, pomocí kterého dochází k napájení všech komponent. Tato funkcionalita je dostupná na 2. – 5. portu. Monitoring aktuální spotĜeby lze zjistit pĜipojením se na mikrotik, pĜes API anebo pomocí SNMP protokolu.

7.1.1. SNMP - Simple Network Management Protocol

SNMP protokol slouží k prĤbČžnému sbČru dat v síti. Využívá UDP protokol na modelu klient/server. V dnešní dobČ jsou dostupné tĜi verze SNMP

• SNMPv1 – základní funkci SNMP. Tato verze umožĖuje zabezpeþení pouze na úrovni názvu komunity - pokud není znám její název nelze vyþítat.

• SNMPv2 – dochází k zabezpeþení pomocí autentizace.

• SNMPv3 – novČ byla pĜidána funkcionalita šifrování.

K mČĜení jsem využil SNMPv1, který byl pro moji práci naprosto dostaþující.

K identifikaci jsem použil následující OID:

• WipsStation - 1.3.6.1.4.1.14988.1.1.15.1.1.6.2;

• Bullet M5 - 1.3.6.1.4.1.14988.1.1.15.1.1.6.4;

• RB750UP 22 - 1.3.6.1.4.1.14988.1.1.15.1.1.6.3.

7.1.2. Cacti

Nástroj, který umožĖuje monitorovat a vytváĜet grafy na základČ dat sbíraných ze sítČ a rĤzných þidel. V mém pĜípadČ dochází pomocí SNMP dotazu k vyþtení informací z RB750UP a k následnému vykreslení do grafu. K vykreslení grafĤ využívá RRDTool, který umožĖuje zpracování a ukládání þasovČ závislých dat. V mém pĜípadČ se jedná o data spotĜeby jednotlivých komponent. U tohoto nástroje je dĤležité naplánování potĜebné kapacity disku, protože pĜi definování grafu dochází k zarezervování místa – více už zabírat nelze. Pro bakaláĜskou práci jsem využil pouze namČĜená data, na základČ kterých jsem vytvoĜil níže uvedené grafy. [35]

Ϯϳ

Nastavení

• Data template – Nastavení vyþítání pomocí SNMP, nastavení OID, rozsah vyþítané hodnoty, toto zobrazuje Obr. 16.

• Grapf Template – Zde nastavím vzhled samotného grafu, barvy þar, pojmenování apod.

• Host Template – Nastavení šablony pro používání zaĜízení, kde lze pĜednastavit využívané šablony grafu.

7.2. Reálný odbČr

Hodnoty odbČru níže uvedených komponent jsou z reálného NODE, ke kterému se pravidelnČ pĜipojuje 10 þlenĤ.

7.2.1. WispStation M5 AirMAX – 23 dBm

MČĜení probíhalo od 12. 11. 2014 do 11. 3. 2015. Graf 1 zobrazuje hodnoty dané intervalem jednotlivých dní. PrĤmČrný odbČr osciloval okolo hodnoty 3,85 W. Nejmenší namČĜenou hodnotou ze dne 31. 12. 2014 byla hodnota 3,75 W. Naopak špiþky v mČĜení dosahovaly hodnot 3,96 W. EvidetnČ rozdíl není nikterak velký, navíc nikdy nedošlo k maximálnímu možnému odbČru udávaného výrobcem v datasheetu.

Obr. 16 Cacti – data template

Ϯϴ

Graf 1 – SpotĜeba elektrické energie WispStation M5 AirMAX 7.2.2. Bullet M5

PrĤmČrný odbČr dle dostupných dat þinil 3,94 W. Rozmezí minimálního a maximálního odbČru je o nČco vyšší, než v pĜípadČ WispStation. Maximální hodnota je 4,16 W, minimální pak 3,73 W. StejnČ jako u WispStation, nikdy nedošlo k maximálnímu odbČru udávaného výrobcem v datasheetu.

Graf 2 – SpotĜeba elektrické energie Bullet M5

ϯ͕ϰϴϯ͕ϱϮ ϯ͕ϱϲϯ͕ϲ ϯ͕ϲϰϯ͕ϲϴ ϯ͕ϳϮϯ͕ϳϲϯ͕ϴ ϯ͕ϴϰϯ͕ϴϴ ϯ͕ϵϮϯ͕ϵϲϰ ϰ͕Ϭϰϰ͕Ϭϴ ϰ͕ϭϮϰ͕ϭϲϰ͕Ϯ ϰ͕Ϯϰ

ϭϮ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ ϭϮ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ ϭϭ͘ϭ͘ϮϬϭϱ Ϯϲ͘ϭ͘ϮϬϭϱ ϭϬ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ Ϯϱ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ ϭϮ͘ϯ͘ϮϬϭϱ

KĚďĢƌ΀t΁

h>>dDϱ

KĚďĢƌ WƌƽŵĢƌŶĄŚŽĚŶŽƚĂ ϯ͕ϲϰϯ͕ϲϲ

ϯ͕ϲϴϯ͕ϳ ϯ͕ϳϮϯ͕ϳϰ ϯ͕ϳϲϯ͕ϳϴϯ͕ϴ ϯ͕ϴϮϯ͕ϴϰ ϯ͕ϴϲϯ͕ϴϴϯ͕ϵ ϯ͕ϵϮϯ͕ϵϰ ϯ͕ϵϲϯ͕ϵϴ

ϭϮ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ ϭϮ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ ϭϭ͘ϭ͘ϮϬϭϱ Ϯϲ͘ϭ͘ϮϬϭϱ ϭϬ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ Ϯϱ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ

KĚďĢƌ΀t΁

t/^W^dd/KEDϱ/ZDy

KĚďĢƌ WƌƽŵĢƌŶĄŚŽĚŶŽƚĂ

Ϯϵ

7.2.3. Mikrotik RB750UP

Poslední komponenta, u které probíhalo mČĜení odbČru, byl Mikrotik RB750UP.

Z Grafu 3 lze vyþíst hodnotu minimálního odbČru 2,17 W, maximální hranice stoupla až ke 2,188 W. PrĤmČrná spotĜeba tohoto zaĜízení þinila 2,189 W. Nikdy nedošlo k maximálnímu možnému odbČru udávaného výrobcem v datasheetu.

Graf 3 – SpotĜeba elektrické energie RB750UP

V Tabulce 1 jsou ve sloupci Maximální spotĜeby uvedeny hodnoty udáváné výrobcem.

Sloupec NamČĜená spotĜeba zobrazuje mnou namČĜené hodnoty. Výsledkem porovnání hodnot je celkové snížení spotĜeby elektrické energie témČĜ o 6 W. DĤsledkem toho bude pravdČpodobný pokles nákladĤ na výkon solárního systému.

Tabulka 1 – SpotĜeba el. energie komponent

T Y P FREKVENCE [GHz]

PěENOSOVÁ RYCHLOST

[Mbps]

POýET [KS]

SPOTěEBA DATASHEET

[W]

NAMċěENÁ SPOTěEBA

[W]

Bullet M5

AirMAX [21] 5 100 1 6 3,944

RB750UP 22 - - 1 3 2,189

WispStation M5 AirMAX - 23

dBm [23] 5 150 1 5 3,853

Celkem 15,5 9,986

Ϯ͕ϭϭϮ͕ϭ Ϯ͕ϭϮϮ͕ϭϯ Ϯ͕ϭϰϮ͕ϭϱ Ϯ͕ϭϲϮ͕ϭϳ Ϯ͕ϭϴϮ͕ϭϵϮ͕Ϯ Ϯ͕ϮϭϮ͕ϮϮ Ϯ͕ϮϯϮ͕Ϯϰ Ϯ͕ϮϱϮ͕Ϯϲ Ϯ͕ϮϳϮ͕Ϯϴ Ϯ͕ϮϵϮ͕ϯ

ϭϮ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϭ͘ϮϬϭϰ ϭϮ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ Ϯϳ͘ϭϮ͘ϮϬϭϰ ϭϭ͘ϭ͘ϮϬϭϱ Ϯϲ͘ϭ͘ϮϬϭϱ ϭϬ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ Ϯϱ͘Ϯ͘ϮϬϭϱ ϭϮ͘ϯ͘ϮϬϭϱ

KĚďĢƌ΀t΁

D/<ZKd/<ZϳϱϬhW

KĚďĢƌ WƌƽŵĢƌŶĄŚŽĚŶŽƚĂ

ϯϬ

8. Poþasí

Období zimy let 2013 a 2014 bylo teplotnČ nadprĤmČrným obdobím v porovnání s dlouhodobým prĤmČrem. Na portálu www.in-pocasi.cz jsou dostupná data pro lokalitu Mnichovo HradištČ získané z poloprofesionální meteostanice. Tato meteostanice je dostupná od roku 2007 a provádí mČĜení teploty a úhrnu srážek. Vývoj teplot a úhrnu srážek je zobrazen v Graf 4. [37]

Jedná se o meteorologickou stanici TFA 35.1075 NEXUS. Teplotní þidlo je umístČno 2 metry nad zemí. Anemometr a srážkomČr jsou umístČny na stĜeše ve výšce 10 m. PrĤmČrné hodnoty teplot a úhrnu srážek v mČĜených mČsících jsou uvedeny v Tabulce 2.

Graf 4 – Vývoj poþasí



Tabulka 2 – Vývoj teplot

MċSÍC A ROK PRģMċRNÁ TEPLOTA [°C]

DLOUHODOBÁ PRģMċRNÁ TEPLOTA

V ýR[°C]

PRģMċRNÝ ÚHRN SRÁŽEK [mm]

DLOUHODOBÝ PRģMċRNÝ ÚHRN SRÁŽEK V ýR [mm]

Listopad 2013 4,99 3,9 38 31

Prosinec 2013 2,65 0,7 18 27

Leden 2014 1,52 -0,4 28 26

Únor 2014 3,66 0,5 3,7 20

Teploty dosahující nadprĤmČrných hodnot jsou nepĜíznivé k mému výzkumu, vyjma období od 21. 1. 2014 – 31. 1. 2014, kdy teplota trvale klesla pod bod mrazu, pĜiþemž následný

ͲϮϬͲϭϴ ͲϭϲͲϭϰ ͲϭϮͲϭϬ ͲϴͲϲ ͲϰͲϮ ϬϮ ϰϲ ϴϭϬ ϭϮϭϰ ϭϲ ϭϴϮϬ

ͲϮϬ Ͳϭϱ ͲϭϬ Ͳϱ Ϭ ϱ ϭϬ ϭϱ ϮϬ

ϭ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ ϲ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ ϭϭ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ ϭϲ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ Ϯϭ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ Ϯϲ͘ϭϭ͘ϮϬϭϯ ϭ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ ϲ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ ϭϭ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ ϭϲ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ Ϯϭ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ Ϯϲ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ ϯϭ͘ϭϮ͘ϮϬϭϯ ϱ͘ϭ͘ϮϬϭϰ ϭϬ͘ϭ͘ϮϬϭϰ ϭϱ͘ϭ͘ϮϬϭϰ ϮϬ͘ϭ͘ϮϬϭϰ Ϯϱ͘ϭ͘ϮϬϭϰ ϯϬ͘ϭ͘ϮϬϭϰ ϰ͘Ϯ͘ϮϬϭϰ ϵ͘Ϯ͘ϮϬϭϰ ϭϰ͘Ϯ͘ϮϬϭϰ ϭϵ͘Ϯ͘ϮϬϭϰ Ϯϰ͘Ϯ͘ϮϬϭϰ j,ZE^Z<΀ŵŵ΁

dW>Kd΀Σ΁

sljǀŽũƉŽēĂƐş

DĂdžƚĞƉůŽƚĂ΀Σ΁ DŝŶƚĞƉůŽƚĂ΀Σ΁ jŚƌŶƐƌĄǎĞŬ΀ŵŵ΁

ϯϭ

úhrn snČhových srážek byl dostaþující k pĜekrytí FV panelu vrstvou snČhu. Tento vývoj teplot a srážek potvrzuje Graf 5. [37]

Graf 5 – Vývoj poþasí – Leden

 

Ͳϭϴ Ͳϭϲ Ͳϭϰ ͲϭϮ ͲϭϬ Ͳϴ Ͳϲ Ͳϰ ͲϮ Ϭ Ϯ ϰ ϲ ϴ ϭϬ ϭϮ ϭϰ

Ͳϭϴ Ͳϭϲ Ͳϭϰ ͲϭϮ ͲϭϬ Ͳϴ Ͳϲ Ͳϰ ͲϮ Ϭ Ϯ ϰ ϲ ϴ ϭϬ ϭϮ ϭϰ

ϭ ϲ ϭϭ ϭϲ Ϯϭ Ϯϲ ϯϭ

j,ZE^Z<΀ŵŵ΁

dW>Kd΀Σ΁

sljǀŽũƉŽēĂƐşʹ >ĞĚĞŶ

>ĞĚĞŶDĂdž΀Σ΁ >ĞĚĞŶDŝŶ΀Σ΁ jŚƌŶƐƌĄǎĞŬ΀ŵŵ΁

ϯϮ

9. Analýza namČĜených dat

Z prostĜedkĤ, které mi byly poskytnuty od MH2net z.s., jsem zakoupil dva identické polykrystalické FV panely o výkonu 10 Wp. Cílem je zkoumat vliv poþasí na úþinnosti FV panelĤ, zejména pak jejich pĜekrytí mrazem a snČhem.

Pro ovČĜení správnosti mČĜení jsem chtČl mnou namČĜená data porovnat s daty z portálu PVGIS. Bohužel, data ve vhodném formátu pro zpracování zde nejsou k dispozici. Do nedávné doby poskytoval CHMI referenþní klimatický rok zdarma. Nyní si úþtuje za jeden referenþní klimatický rok pro jednu lokalitu 1500 Kþ pro soukromé a právnické osoby. Student pĜi nepĜesáhnutí þástky 5000 Kþ platí pouze manipulaþní poplatek neznámé þástky. Pro mé úþely bylo zapotĜebí získat z mČĜících stanic výkon na plochu pro mČsíce listopad, prosinec 2013 a leden, únor 2014. Za tato data si CHMI úþtuje 8000 Kþ, což znaþnČ pĜesahuje daný rozpoþet, dalším problémem je již zmínČná vzdálenost.

Zejména díky kontaktĤm získaným pĜi studiu na TU v Liberci jsem získal kontakt na Ing. Grygara, který vlastní meteostanici pĜímo v MnichovČ Hradišti. Po písemné domluvČ jsem obdržel potĜebná referenþní data. Data jsou vzorkována po 10 - ti minutách. Výkon solárního systému þiní 30 kWp.

9.1. Konstrukce

První problém, který nastal, bylo zajištČní FV panelĤ proti povČtrnostním podmínkám.

Dalším dĤležitým faktorem bylo Ĝešení správného náklonu FV panelĤ. Ideální náklon má jinou hodnotu v zimních a jinou hodnotu v letních mČsících. V našich zemČpisných šíĜkách bývá ideální sklon mezi 35 - 45 stupni. Tabulka 3 popisuje HW vlastnosti FV panelu.

Obrázek 17 zobrazuje fotografii uspoĜádání solárních panelĤ.

Tabulka 3 – Popis FV panelu [45]

Znaþka DSP 10P

RozmČry (H x Wx D) 262 x 340 x 17

Hmotnost 1,1 [Kg]

Typ þlánku polykrystalický

Poþet þlánkĤ 36 [ks]

Výkon max (Pmax) 10 [Wp]

NapČtí max 17,2 [V]

NapČtí na prázdno 11,25 [V]

Zkratový proud 1,36 [A]

Úþinnost modulu 16,4 [%]

ϯϯ

 

Obr. 17 Fotografie uspoĜádání solárních panelĤ

ϯϰ

9.2. Sleepy Cat Kit

Pro mČĜení výkonu FV panelĤ mi byl zapĤjþen Sleepy Cat kit, zobrazený na Obr. 18. SC kit je vývojová deska, která byla vyvinuta na katedĜe mČĜení ýVUT FEL. Obsahuje Ethernet, CAN, RS232, možnost pĜipojení SD karty, USB, grafický displej, dvouosý akcelometr, inkrementální enkodér, dvČ tlaþítka, osm LED, potenciometr, A/D pĜevodník, D/A pĜevodník a expanzí konektor s universálními vstupy a výstupy.



9.3. Postup mČĜení

Jako Voltmetr byl použit již zmínČný Sleepy Cat kit v rozsahu 0 – 3,3 V, pĜi rozlišení 12 bitĤ. MČĜení probíhalo 1 za sekundu. Obr. 19 zobrazuje schéma zapojení pĜi mČĜení.

Obr. 18 Sleepy Cat Kit [25]

Obr. 19 Schéma mČĜení

ϯϱ

9.4. Vyhodnocení mČĜení

Úþelem mČĜení bylo urþení rozdílnosti v úþinnosti FV panelĤ závislé na vnČjších vlivech.

Zaþátek mČĜení v ostrém režimu datuji od 18. 12. 2013 v 12:33. Ukládání hodnot mČĜení probíhalo na SD kartu, pĜi pravidelném zálohování bylo zapotĜebí mČĜení pĜerušit, vyjmout pamČĢovou kartu a provést její zálohu. ýímž došlo k pĜerušení mČĜení ĜádovČ do 5 – ti minut.

Ukládání hodnot probíhalo každou vteĜinu, což nebyl pro následné zpracování a zejména pro pĜehlednou prezentaci v grafu ideální interval. Z tohoto dĤvodu jsou namČĜená data upravena na interval po 10 minutách.

9.4.1. Data z mČĜení

V následujícím textu se zabývám pouze daty mČĜených ve dnech 21. 1. 2014 – 31. 1. 2014, které jsou prĤkazné v poklesu výkonu FV panelu po jeho pokrytí snČhem. Pro lepší pĜehlednost jsem provedl selekci dat. Vyselektován je každý den v období od 00:00 do 7:00 hodin a od 17:50 do 00:00 hodin – v tČchto hodinách dosahuje výkon FV panelĤ 0 W.

Tato data nejsou pro další zpracování relevantní. V prĤbČhu pČti dní, konkrétnČ mezi dny 21.

1. 2014 a 25. 1. 2014, dojde pĜes noc k postupnému zapadání obou FV panelĤ snČhem, pĜiþemž FV panel B je pravidelnČ þištČn. V níže uvedených grafech jsou zobrazena namČĜená data, které reprezentuje modrá kĜivka pro FV panel A a þervená kĜivka pro FV panel B. Šedá kĜivka jsou referenþní data, která byla normována tak, aby se vešla do grafu. DĤležitým prvkem je zejména vývoj kĜivek.



Obr. 20 PrĤbČh mČĜení

ϯϲ

Graf 6 – Plošný výkon FV panelĤ v období 21. 1. 2014 – 31. 1. 2014

21. 1. 2014 – FV panel A dosahuje maximálního výkonu 0,080 W/m², pĜiþemž prĤmČrná hodnota plošného výkonu þiní 0,03 W/m². FV panel B, ve stejných podmínkách dosahuje plošných hodnot 0,097W/m², prĤmČrná plošná hodnota pak 0,033 W/m². Z toho vyplývá, že rozdíl v úþinnosti obou FV panelĤ je prozatím minimální.

22. 1. 2014 – Zde se zaþíná projevovat rozdíl v úþinnosti FV panelĤ. Zatímco zasnČžený FV panel A dosahuje maximální plošného výkonu pouhých 0,001 W/m², prĤmČrný plošný výkon þiní 0,0007 W/m². FV panel B dosahuje maximálního plošného výkonu 0,235 W/m², pĜiþemž prĤmČrný plošný výkon byl na hodnotČ 0,110 W/m². FV panel B tak dává více jak 100× vyšší plošný výkon.

23. 1. 2014 – Dochází ke zvyšování rozdílu v úþinnosti obou FV panelĤ. FV panel A dosahuje maximálního plošného výkonu 0,002 W/m², což nastane v 11:30 hodin. PrĤmČr plošného výkonu þiní 0,0008 W/m². FV panel B dosáhnul maximálního plošného výkonu 0,33W/m², pĜiþemž prĤmČrný plošný výkon nabyl hodnoty 0,132 W/m².

24. 1. 2014 – V tomto dni nepozoruji žádné zásadní zmČny ve výkonnosti obou FV panelĤ. FV panel A dosáhl v tento den maximálního plošného výkonu 0,0017 W/m², prĤmČrného plošného výkonu pak 0,0007 W/m². Maximální hodnota plošného výkonu FV panelu B þinila 0,32 W/m² v 11:20 hodin, pĜiþemž prĤmČrná hodnota plošného výkonu byla 0,098 W/m².

Ϭ Ϯ ϰ ϲ ϴ ϭϬ ϭϮ ϭϰ ϭϲ ϭϴ

Ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϭϬ ϮϮ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϮϬ Ϯϯ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϯϬ Ϯϰ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϰϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϱϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϬϬ Ϯϳ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϭϬ Ϯϴ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϮϬ Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϯϬ ϯϬ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϰϬ ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϱϬ

tͬŵϮ

sljŬŽŶǀŽďĚŽďşϮϭ͘ϭ͘ϮϬϭϰͲ ϯϭ͘ϭ͘ϮϬϭϰ

ZĞĨĞƌĞŶĐĞ΀tͬŵϸ΁ ,ŽĚŶŽƚĂ΀tͬŵϸ΁

ϯϳ

25. 1. 2014 – Tento den byl z pohledu celého mČĜení nejzajímavČjší. Jedná se o jeden z mála sluneþních dní. Zatímco FV panel B dosáhl maximálního plošného výkonu 17,16 W/m² v 12:50 hodin FV panel A dosáhl maximálních hodnot až v 15:00 hod. pĜi plošném výkonu 0,51 W/m². Z tohoto vyplývá, že docházelo k postupnému tání snČhu ze FV panelu, þímž se nepatrnČ zvyšovala jeho úþinnost. PrĤmČrná hodnota plošného výkonu FV panelu A þinila 0,1144W/m² u FV panelu B pak 7,59 W/m². Došlo tak k mírnému srovnání rozdílu úþinnosti obou FV panelĤ, pĜiþemž tento trend se promítl i do následujících dní.

26. 1. 2014 – V tomto dni lze pozorovat pokraþování úbytku snČhové pokrývky na FV panelu A. U obou FV panelĤ dochází k mírnému srovnání rozdílu v úþinnosti. FV Panel A dosáhl maximální hodnoty plošného výkonu na hranici 0,97 W/m², prĤmČrný plošný výkon pak nabyl hodnoty 0,16 W/m². Maximální ploošný výkon FV panelu B þinil 15,62 W/m², pĜiþemž prĤmČrná hodnota byla 2,162 W/m².

Graf 7 – Plošný výkon FV panelĤ v období 25. 1. 2014 – 26. 1. 2014

27. 1. 2014 – 28. 1. 2014 - v tČchto dnech nepozoruji žádné zásadní zmČny ve výkonosti obou panelĤ. Hodnoty maximálního výkonu a prĤmČrného výkonu jsou uvedeny v tabulce 4.

29. 1. 2014 – s mírným oteplením ubývá snČhová pokrývka na FV panelu A. Rozdíl výkonnosti se opČt zužuje. FV Panel A dosahuje maximální plošné výkonosti 0,104 W/m², prĤmČrná hodnota þiní 0,013 W/m². Maximální hodnota plošné výkonnosti pro FV panel B je 2,91 W/m², pĜiþemž prĤmČrný plošný výkon nabýval 0,306 W/m².

Ϭ Ϯ ϰ ϲ ϴ ϭϬ ϭϮ ϭϰ ϭϲ ϭϴ

Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϭϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϱϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϬ͗ϯϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϮ͗ϭϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϯ͗ϱϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϱ͗ϯϬ Ϯϱ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϳ͗ϭϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϭϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϵ͗ϱϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϭ͗ϯϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϯ͗ϭϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϰ͗ϱϬ Ϯϲ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϲ͗ϯϬ

tͬŵϮ

sljŬŽŶǀŽďĚŽďşϮϱ͘ϭ͘ĂϮϲ͘ϭ͘ϮϬϭϰ

ZĞĨĞƌĞŶĐĞ΀tͬŵϸ΁ ,ŽĚŶŽƚĂ΀tͬŵϸ΁ ,ŽĚŶŽƚĂ΀tͬŵϸ΁

ϯϴ

31. 1. 2014 – V dĤsledku oteplení dochází k odtání snČhu z FV panelu A. Výkon obou FV panelĤ je témČĜ srovnatelný. Hodnoty plošného výkonu jsou uvedeny v Tabulce 4.

Graf 8 – Plošný výkon FV panelĤ v období 29. 1. 2014 – 31. 1. 2014



Tabulka 4 – Vývoj maximálního a prĤmČrného výkonu obou panelĤ Den A Max h.

[W/m²] B Max h.

[W/m²] A PrĤmČr

[W/m²] B PrĤmČr [W/m²] 21. 1. 2014 Ϭ͕ϬϴϬϴϮϲ Ϭ͕ϬϵϲϱϰϮ Ϭ͕ϬϯϬϬϴϱ Ϭ͕ϬϯϯϵϬϮ 22. 1. 2014 Ϭ͕ϬϬϭϯϰϳ Ϭ͕ϮϯϰϱϬϴ Ϭ͕ϬϬϬϲϳϰ Ϭ͕ϭϭϬϰϲϯ 23. 1. 2014 Ϭ͕ϬϬϮϬϮϭ Ϭ͕ϯϮϵϵϮϴ Ϭ͕ϬϬϬϳϴϲ Ϭ͕ϭϯϮϲϵ 24. 1. 2014 Ϭ͕ϬϬϭϲϴϰ Ϭ͕ϯϮϬϭϲϮ Ϭ͕ϬϬϬϲϳϰ Ϭ͕Ϭϵϴϯϯϵ 25. 1. 2014 Ϭ͕ϱϬϵϯϭϳ ϭϳ͕ϭϰϲϳϮ Ϭ͕ϭϭϰϯϵϮ ϳ͕ϱϵϮϱϬϭ 26. 1. 2014 Ϭ͕ϵϲϵϬϭϳ ϭϱ͕ϲϮϭϮϬ Ϭ͕ϭϱϴϵϱϴ Ϯ͕ϭϲϭϵϴϵ 27. 1. 2014 Ϭ͕ϬϱϯϳϳϮ Ϭ͕ϰϰϱϰϰϮ Ϭ͕ϬϬϱϳϮϱ Ϭ͕ϬϱϮϬϴϴ 28. 1. 2014 Ϭ͕Ϭϭϭϭϭϰ Ϭ͕ϯϵϵϬϳϵ Ϭ͕ϬϬϯϮϱϲ Ϭ͕ϭϬϵϵϬϭ 29. 1. 2014 Ϭ͕ϭϬϯϴϯϵ Ϯ͕ϵϭϬϰϭϴ Ϭ͕ϬϭϮϳϵϳ Ϭ͕ϯϬϱϳϵϯ 30. 1. 2014 Ϭ͕Ϭϯϲϵϯϯ Ϭ͕ϰϲϵϲϵ Ϭ͕ϬϬϳϭϴϱ Ϭ͕ϬϵϮϳϮϲ 31. 1. 2014 ϭ͕ϴϳϴϭϵϵ Ϯ͕Ϭϯϱϭϯϳ Ϭ͕ϭϮϱϴϰϮ Ϭ͕ϭϰϭϳϴϯ 9.4.2. ZávČr z mČĜení

Z mČĜení lze vyvodit, že i sebemenší pĜekrytí solárního FV panelu má za dĤsledek snížení jeho úþinnosti. O tom, jestli sníh na FV panelu zĤstane nebo sklouzne, zavisí na sklonu FV panelu. V mém pĜípadČ ke sklouznutí nedošlo, pĜiþemž jeho sklon byl v cca 40 stupních.

Pokud by chtČl majitel solárního systému elektĜinu, muselo by dojít k odklizení napadaného snČhu – což pro solární systém, který má být samostatný, není ideální. Sklon v tomto pĜípadČ již nemá vliv na úþinnost solárního systému. Pokud by byl sklon takový, že by docházelo

Ϭ Ϭ͕ϱ ϭ ϭ͕ϱ Ϯ Ϯ͕ϱ ϯ

Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϳ͗ϭϬ Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϵ͗ϰϬ Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϮ͗ϭϬ Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϰ͗ϰϬ Ϯϵ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϳ͗ϭϬ ϯϬ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϵ͗ϬϬ ϯϬ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϭ͗ϯϬ ϯϬ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϰ͗ϬϬ ϯϬ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϲ͗ϯϬ ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϬϴ͗ϮϬ ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϬ͗ϱϬ ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϯ͗ϮϬ ϯϭ͘Ϭϭ͘ϮϬϭϰϭϱ͗ϱϬ

tͬŵϮ

sljŬŽŶǀŽďĚŽďşϮϵ͘ϭ͘Ăǎϯϭ͘ϭ͘ϮϬϭϰ

ZĞĨĞƌĞŶĐĞ΀tͬŵϸ΁ ,ŽĚŶŽƚĂ΀tͬŵϸ΁ ,ŽĚŶŽƚĂ΀tͬŵϸ΁

ϯϵ

k postupnému sklouzávání, je nutné brát na vČdomí, že celý FV panel funguje dle nejhoršího þlánku. To znamená, že pokud dojde pouze k þásteþnému sklouznutí snČhu, úþinnost FV panelu bude stále minimální.

 

ϰϬ

10. ěešení a kalkulace

Na základČ namČĜených hodnot navrhnu bezobslužný solární systém, který musí odolat vlivu poþasí. Referenþní NODE se skládá z komponent uvedených v tabulce 1. Kroky, které je nutné zohlednit pro návrh bezobslužného solárního systému:

• VýbČr vhodného typu FV panelu

• Vhodný typ akumulátoru

• SpotĜeba elektrické energie Wi-Fi komponent

• VýbČr vhodného zaĜízení obstarávající logiku procesu Ĝízení pro detekci snČhu a jeho odstranČní

• Vývoj poþasí

• Stanovit maximální dobu topení

• SpotĜeba elektrické energie pro topení

• Výpoþet potĜebného výkonu pro napájení všech komponent pomocí PVGIS

• Na základČ výpoþtu sestrojit vhodný solární systém a provedení kalkulace 10.1. Vývoj poþasí a jeho vliv

Tuto skuteþnost v bakaláĜské práci zanedbávám, protože se pro NODE s takto nízkým výkonem nevyplatí sledovat. NemČlo by dojít k situaci, kdy by pĜes den došlo k zapadnutí FV panelu snČhem, protože úþinnost FV panelu je pouze do 20 % a zbytek se pĜemČní na energii tepelnou, tzn., že i pĜi hodnČ nízkých teplotách by se teplota FV panelu mČla držet nad 0 °C.

Problém nastává v noci. Pokud dojde k zapadnutí FV panelĤ pĜes noc, je vhodné sledovat vývoj poþasí v následujících dnech. Uvedu dvČ modelové situace:

• PĜedpovČć poþasí slibuje sluneþné dny – v tomto pĜípadČ se vyplatí sníh odklidit, protože v následujících dnech dojde k dobití akumulátoru.

• PĜedpovČć poþasí pĜedpovídá výrazné snČžení i v následujících dnech – v tomto pĜípadČ je zapotĜebí zvážit, zda-li se energeticky vyplatí ohĜívat FV panely nČkolik dní po sobČ.

10.2. ZpĤsob ometání

Úþinnost FV panelu závisí na jeho þistém povrchu. V letních mČsících mĤže docházet k usazování prachu na jeho povrchu, þímž dochází k nepatrnému snížení úþinnosti. NicménČ, ve výsledku se nejedná o tak velký rozdíl v úþinnosti oproti zimním mČsícĤm, kdy dochází

ϰϭ

k zapadání FV panelu snČhem nebo dojde k jeho namrznutí, což je nežádoucí stav.

Automatické odstranČní nežádoucího stavu lze provést dvČma zpĤsoby:

• Automatické ometení pomocí stČrek – Tato varianta je mechanicky nároþnČjší a složitČjší na výrobu. Výhodou je nižší energetická nároþnost, umožĖuje odstranit nejen sníh, ale také špínu, prach a listy.

• Topná spirála – Tato varianta je mechanicky jednoduchá a není tolik nároþná na údržbu. Oproti pĜedchozímu Ĝešení má vyšší energetickou nároþnost a nedokáže odstranit špínu, prach a listy. Topný kabel se umístí ze spodu na FV panel. PĜi zahĜátí FV panelu dojde v závislosti na jeho sklonu k samovolnému sklouznutí snČhu.

10.3. Návrh solárního systému 10.3.1. VýbČr FV panelu

MČĜení probíhalo na polykrystalickém solárním FV panelu. Tento FV panel má v našich zemČpisných šíĜkách nejlepší vlastnosti.

10.3.2. SpotĜeba elektrické energie Wi-Fi komponent

Pro návrh solárního systému využiji namČĜených hodnot spotĜeby elektrické energie jednotlivých komponent uvedených v Tabulce 1. Celková spotĜeba všech komponent þiní necelých 10 W, pro celý den se pak jedná o hodnotu 240 Wh.

10.3.3. Detekce zapadání FV panelu

Logiku pro detekci a odstranČní snČhu bude zajišĢovat PLC, které bude vyhodnocovat následující vstupy a výstupy:

• Fotodioda

• Teplotní þidlo

• Topná spirála

Jelikož k zapadnutí FV panelu snČhem mĤže dojít pouze v noci, rozhodl jsem se omezit provoz PLC pouze na nutnou dobu, þímž dosáhnu omezení spotĜeby o 200 Wh. O Ĝízení se bude starat þasové relé, k zapnutí PLC dojde mezi 7:00 – 9:00 hodiny ranní. PLC bude vyhodnocovat dvČ podmínky, na základČ kterých provede sepnutí topné spirály. Tyto podmínky jsou:

• Porovnání hodnot fotodiody a FV panelu. Fotodioda musí být chránČná proti zapadnutí snČhem, což lze podmínit jejím umístČním pod stĜíšku. Pokud

ϰϮ

hodnoty ze FV panelu budou znaþnČ rozdílné oproti hodnotám na fotodiodČ – splnČna první podmínka

• Teplotní þidlo detekuje teplotu nižší jak 0 °C – splnČna druhá podmínka Na základČ tČchto podmínek PLC sepne topnou spirálu vþetnČ odpoþítávání 30 minut.

PLC bude dávat podnČt k topení až do doby, dokud nebude splnČna jedna z tČchto podmínek:

• Po zahĜátí FV panelĤ dojde díky jejich sklonu k sesunutí snČhu, þímž se hodnoty fotodiody a FV panelu srovnají

• Uplyne doba 30 minut

V závislosti na sklonu FV panelĤ by za dobu 30 minut mČlo dojít k potĜebnému ohĜátí FV panelu a následnému sesunutí snČhu. Pokud by k tomuto nedošlo, pravdČpodobnČ se jedná o závadu jednoho z dostupných zaĜízení. DĤvody, které mne vedli k využití odpoþtu þasu:

• zabraĖuje dlouhému topení, které by znamenalo brzké vybití akumulátorĤ, což je nežádoucí stav.

• zjednoduší výpoþet potĜebného výkonu pro napájení celé soustavy.

10.3.4. Výpoþet vhodné délky topného kabelu

Pro hrubý výpoþet potĜebného výkonu k odtání snČhu jsem použil rovnici pro výpoþet tepla:

ܳ ൌ ݉ כ ܿ כ οܶ

m = 1kg

c =2100ሾܬ כ݇݃^ିଵܭ^ିଵ] οܶ = 23 °C

ܳ ൌ ͳ כ ʹͳͲͲ כ ʹ͵

ܳ ൌ Ͷͺ͵ͲͲܬ ൌ ͳ͵ǡͷܹ݄

K potĜebnému sesunutí snČhu postaþí zahĜátí tenké vrstvy snČhu. K odstranČní snČhu bude docházet jeho postupným sesouváním v závislosti na jeho náklonu. Jelikož nebylo možné dohledat potĜebné hodnoty materiálových parametrĤ, nebylo možné dopoþítat pĜenos tepla a tím pádem ani dobu potĜebnou k roztání snČhu. Z tohoto dĤvodu jsem se rozhodl zanedbat tepelné ztráty. UmístČní topného kabelu, který bude ve spodní þásti položen ve vČtší hustotČ, tak jak je zobrazeno na Obr. 21

ϰϯ

10.3.5. Výpoþet spotĜeby elektrické energie komponent

Výpoþet spotĜeby elektrické energie komponent je uveden v Tabulce 5. SpotĜeba elektrické energie samotného NODE je témČĜ konstatní a pohybuje se v hodnotách okolo 10 W. Výrobce udává pro topný kabel hodnotu spotĜeby elektrické energie 17 W na metr kabelu. Pro FV panel o rozmČrech 1640 mm × 990 mm × 50 mm budu uvažovat o využití 3 metrĤ topného kabelu.

Tabulka 5 – SpotĜeba elektrické energie pro celý systém

10.3.6. Výpoþet FV panelu

V závislosti na spoþtené spotĜebČ elektrické energie všech komponent jsem se rozhodl pro napájení využít dva FV panely o výkonu 250 Wp. Celkový výkon tak þiní 500 Wp. Pro kontrolu jsem provedl pomocí PVGIS výpoþet energetického zisku tČchto FV panelĤ pro lokalitu Mnichovo HradištČ. Dle Tabulky 6 je vidČt, že i v nejhorším mČsíci, kterým je listopad, mám dostaþující výkon k napájení celého systému, pĜiþemž mám dostatek energie pro pĜípadné napájení akumulátorĤ.

ZaĜízení SpotĜeba elektrické energie komponent dle datasheet [W]

Poþet aktivních hodin

/den Celkem za den [W/h]

NODE 10 24 hodin 240

Topný kabel 102 Max 0,5 hodiny 51

PLC(vþetnČ zdroje) 9,2 2 hodiny 20

ýidla 1 2 hodiny 2

Spínací hodiny 1 24 24

Regulátor 0,072 24 2

Celkem 339

Obr. 21 ZpĤsob umístČní topného kabelu