Malý off-grid pre chatu

Ostrovná chata a malý off-grid systém

Ostrovný (off-grid) systém pre chatu je autonómny zdroj elektriny bez pripojenia k verejnej sieti. Jeho cieľom je bezpečne a efektívne pokryť základné spotreby (osvetlenie, chladnička, čerpadlo, elektronika) počas celej sezóny, ideálne s minimálnou obsluhou. Tento článok popisuje end-to-end postup od návrhu cez dimenzovanie až po montáž, vrátane ochranných prvkov, kabeláže, uzemnenia a údržby.

Architektúra systému: bloková schéma

• FV pole (panely) → DC istenie a prepäťová ochrana → MPPT regulátor nabíjania → batéria (LiFePO₄/AGM) → DC rozvody a/alebo menič DC/AC (invertor) → AC rozvody a záťaže.
• Meranie a riadenie: BMS pri LiFePO₄, monitor batérie (shunt), ochrany proti hlbokému vybit iu a preťaženiu, systémový istič.
• Bezpečnosť: uzemnenie, ekvipotenciálne pospájanie, prepäťovky SPD (Typ 2), DC ističe/poistky s DC iskriskom, poistka pri batérii.

Krok 1 – Energetický audit: čo skutočne potrebujete

Východiskom je zoznam zariadení, ich príkon (W) a denná doba používania (h). Násobok dá dennú spotrebu (Wh). Pridajte rezervu na straty (20–30 %).

Rezervovaná denná potreba po započítaní strát ≈ 1 400 Wh/deň.

Krok 2 – Voľba systémového napätia a topológie

• Do ~1 kW záťaže je praktické 24 V DC (nižšie prúdy než pri 12 V, dostupné komponenty).
• Pri vyšších výkonoch a dlhších vedeniach zvážte 48 V DC (nižšie prúdy → menšie straty a káble).
• DC priorita: čo ide, napájajte priamo DC (LED, router, 12/24 V chladnička) a AC používať len kde treba (invertor má vlastné straty).

Krok 3 – Dimenzovanie batérie (autonómia a chémia)

Požadovaná autonómia bez slnka (napr. 2 dni) a prípustná hĺbka vybitia (DoD) definujú kapacitu:

• Potrebná energia za 2 dni: 1 400 × 2 = 2 800 Wh.
• LiFePO₄ (DoD ~80 %): kapacita = 2 800 / (24 × 0,8) ≈ 146 Ah → zvoľte 24 V 200 Ah (dostatok rezervy).
• AGM/gel (DoD ~50 %): kapacita = 2 800 / (24 × 0,5) ≈ 233 Ah → zvoľte 24 V 300–400 Ah.

LiFePO₄ výhody: vysoká cyklická životnosť, rýchle nabíjanie, integrovaný BMS (ochrana pred prebitím/podpätím, balancovanie). Nevýhody: vyššia obstarávacia cena, nutná ochrana pred mrazom pri nabíjaní (nabíjanie < 0 °C len s vyhrievaním alebo BMS obmedzením).

Krok 4 – Dimenzovanie FV poľa a MPPT regulátora

Veľkosť poľa závisí od „peak sun hours“ (PSH) v období používania a systémovej účinnosti (~75 % pre MPPT + straty).

• Sezónne (jar–jeseň): PSH ≈ 3,5. Potrebný FV výkon ≈ 1 400 / (3,5 × 0,75) ≈ 530 W → zvoľte 600 W (napr. 2 × 300 W).
• Zimné používanie (PSH 1,5–2): 1 400 / (2 × 0,75) ≈ 930 W až viac → uvažujte 1–1,2 kW FV alebo doplnkové zdroje (agregát).

MPPT regulátor vyberajte podľa max. vstupného napätia (Voc v mraze) a nabíjacieho prúdu do batérie:

• Príklad poľa: 2 × 300 W panely v sérii (nižší prúd na dlhšiu trasu, vhodné pre MPPT). Typické hodnoty: V_mp ~ 35 V/panel, V_oc ~ 40 V/panel.
• Reťazec: V_{mp, string} ≈ 70 V, I_mp ≈ 8,6 A (600 / 70). V_{oc, mráz}: 40 × 2 × 1,105 ≈ 88 V (≈ +10,5 % pri −10 °C). Regulátor s V_in,max ≥ 100–150 V bezpečný.
• Nabíjací prúd do 24 V batérie: ~600 / 24 ≈ 25 A → regulátor 40 A dá rezervu.

Krok 5 – Dimenzovanie meniča (invertora) a špičiek

• Súčasný trvalý príkon z AC: notebook + chladnička + čerpadlo (pri spustení) + rezerva → 1 kW menič je rozumné minimum.
• Štartovacie prúdy (čerpadlá, kompresor): vyžadujú krátkodobý násobok (2–3×). Vyberte menič so surge 2× (napr. 2 kW na 5 s) a čistou sínusovkou.
• Menič s úsporným standby režimom zníži nočné vlastné straty.

Krok 6 – Káble, istenie a maximálna prípustná strata

Cieľová strata napätia: DC vetvy ≤ 3 %, batéria ↔ menič ≤ 2 %. Použite DC-špecifikované ističe/poistky a vodiče s označením pre nízke napätia.

• FV string (≈ 70 V, 8,6 A), dĺžka ~15 m (30 m okruh): 3 % pokles → dostačuje Cu 4 mm² (výpočtom vychádza ≥ 2,5 mm²; berte rezervu).
• Batéria ↔ menič (1 kW/24 V ≈ 41,7 A), 2 m jednosmerne (4 m okruh), 2 % pokles: vychádza ≥ 6 mm²; z praxe voľte Cu 16 mm² (lepšie pre špičky).
• Isťte zdroj: poistka/istič pri + póle batérie (napr. 80 A pre 1 kW menič pri 24 V), DC istič/poistka na FV vstupe (≥ 1,25 × I_sc).
• DC ochrany: PV SPD Typ 2 (string→zem), kval itné MC4 konektory a lisovanie, chrániť proti UV a mechanickému namáhaniu.

Krok 7 – Umiestnenie, orientácia a montáž panelov

• Smer juh (±30°) je ideál. Bez tieňa v čase 9:00–15:00.
• Sklon: približne zemepisná šírka (≈ 35°) pre celoročné použitie; +10–15° pre zimu (samočistenie snehom), −10° pre leto.
• Konštrukcia: certifikované nosníky, správne upínacie zóny panelu, nerez spojovací materiál, drip-edge a odvetraná medzera pod panelom.
• Pozor na čiastočné tienenie (komín, anténa): výrazné zníženie výkonu reťazca; zvážte viac stringov alebo optimalizéry na problémových miestach.

Krok 8 – Batériové úložisko: umiestnenie, BMS a bezpečnosť

• Umiestnenie: suchá, nevymŕzajúca, vetraná miestnosť; chrániť pred priamym slnkom.
• LiFePO₄: integrovaná BMS, káblové oko/šróbové svorky s poistkou čo najbližšie k pólu, teplotný senzor pre nabíjanie.
• AGM/Gel: žiadne iskrenie, vetranie kvôli prípadným plynom; paralelné vetvy vyrovnávať rovnakými dĺžkami vodičov.
• Mechanika: pevné uloženie, chrániť proti prevrhnutiu, označenie pólov, kryty svoriek.

Krok 9 – Ovládanie, meranie a ochrany

• Monitor batérie (shunt): presné SoC (stav nabitia), história Ah, napätie a prúd; alarmy nízkeho SoC.
• MPPT: nastaviť profily nabíjania podľa chémie (Absorption/Float/Equalize – posledný nie pri LiFePO₄).
• Ochrany: LVD (low-voltage disconnect) pre DC vetvu; teplotné čidlá na batérii; AC/MCB a prúdový chránič (RCD) na AC rozvody.

Krok 10 – Uzemnenie, pospájanie a SPD

• Ekvipotenciálne pospájanie: rám panelov, konštrukcia, uzol SPD, skrine rozvádzačov na spoločný zemniaci bod.
• Zemniaca sústava: tyč/ pá s odporom podľa lokálnych noriem; krátke a priame vedenie zeleno-žltým vodičom.
• Prepäťové ochrany: SPD Typ 2 na PV vstup (string→PE) a na DC linku k regulátoru; na AC strane SPD podľa rizika blesku.

Montážny postup krok za krokom

1. Mechanicky osadiť konštrukciu, skontrolovať kotvenie do krovu/strechy alebo na zemné skrutky.
2. Upevniť panely v správnych upínacích zónach, viesť káble v UV-odolných chráničkách, vytvoriť kvapkové slučky.
3. Inštalovať DC rozvádzač pri vstupe (istič/poistka, SPD), následne MPPT regulátor, batériový rozvádzač (hlavná poistka/istič).
4. Prepojiť batérie (séria/paralela podľa napätia), nastaviť BMS a pripojiť monitor so shuntom na mínus póle.
5. Pripojiť menič, AC rozvody (MCB, RCD), zásuvky a pevné prívody k spotrebičom; oštítkovanie okruhov.
6. Uzemnenie a pospájanie komponentov, montáž SPD, overenie spojitosti PE.
7. Prvé spustenie: najprv skontrolovať polaritu a napätia, aktivovať MPPT (najskôr batéria, potom FV), kalibrácia monitoru.

Optimalizácia: ako vyťažiť z mála čo najviac

• Energetická disciplína: používať spotrebiče, keď svieti slnko (priamo zo soláru), neskoro večer šetriť AC.
• Úsporné spotrebiče: A++ chladnička s DC kompresorom, LED, čerpadlo s mäkkým rozbehom.
• Sezónne preklopenie sklonu: jednoduchý kĺb alebo dvojpolohový rám (zima/leto).
• Modularita: možnosť pridať 2. string a 2. batériový modul bez zásahu do základnej kabeláže.

Modelový návrh: sezónna chata (jar–jeseň)

• FV pole: 2 × 300 W v sérii (≈ 600 W). DC istenie 15–20 A, SPD Typ 2.
• Regulátor: MPPT 40 A, V_in,max 150 V, teplotný senzor batérie.
• Batéria: LiFePO₄ 24 V 200 Ah (≈ 5,1 kWh brutto), BMS ≥ 100 A.
• AC menič: 24 V → 230 V, 1 kVA, surge ≥ 2 kVA, ECO režim.
• Káble: FV string Cu 4 mm², batéria↔menič Cu 16 mm², DC vetvy k spotrebičom Cu 2,5–6 mm² podľa prúdov a dĺžok.
• Uzemnenie: rám panelov, rozvádzače, menič a SPD na spoločný PE bod a zemnič.

Bill of Materials (BOM) – príklad

Bezpečnosť, normy a revízia

• DC obvody dokážu udržať oblúk; používajte DC-rated ističe/odpínače a správne svorky.
• Dodržujte lokálne normy a predpisy (elektroinštalácie, bleskozvod, požiarna bezpečnosť). V kritických inštaláciách vyžiadajte revíznu správu.
• Poistka proti skratu na kladnom póle batérie čo najbližšie k batérii. Vedenie batérie chráňte proti mechanickému poškodeniu.

Údržba a prevádzka

• Panely: vizuálna kontrola, očistenie (jar/jeseň), odstraňovanie lístia a snehu bezpečne.
• Kontakty: dotiahnutie svoriek 1× ročne, kontrola MC4, žiadne prehrievanie.
• Softvérové nastavenia: aktualizácia firmvéru MPPT/meni ča, kontrola logov, kalibrácia shuntu.
• Zimná prevádzka: obmedziť nabíjanie LiFePO₄ pod 0 °C (vyhrievanie/riadenie BMS), udržať minimálne SoC ~50 % pri dlhom odstavení.

Riešenie typických problémov

• Nedostatočné nabíjanie: tieňovanie, nevhodný sklon, špinavé panely, nízke PSH → dočasne znížiť záťaž, zvážiť prídavné panely alebo agregát s nabíjačkou.
• Vypínanie pri špičkách: menič s nízkym surge, poddimenzované káble alebo poistky → zvýšiť prierez, skrátiť vedenie, zvoliť vyšší výkon meniča.
• Prehrievanie: nedostatočné odvetranie regulátora/meni ča → montovať na nehorľavý podklad, ponechať servisné medzery.

Rozšírenia a hybridné scenáre

• Agregát + nabíjačka (24 V) pre dlhé obdobia bez slnka.
• Veterná mikro-turbína pri veterných lokalitách (doplnkové nabíjanie v noci/zime).
• Inteligentné riadenie záťaže (prioritizácia zásuviek, automatické odpojovanie komfortných spotrieb pri nízkom SoC).

Zhrnutie

Malý off-grid systém pre ostrovnú chatu je kombináciou správneho dimenzovania (energetický audit, batéria, panely), dôslednej inštalácie (káble, istenie, SPD, uzemnenie) a rozumného používania (DC pred AC, práca so slnkom). Model s 24 V batériou 200 Ah, ~600 W FV, MPPT 40 A a meničom 1 kVA spoľahlivo pokryje základnú dennú spotrebu ~1,4 kWh v sezóne. Pre zimnú prevádzku počítajte s väčším poľom alebo hybridným zdrojom. Kvalitné komponenty, čistá kabeláž a revízne úkony sa premietnu do dlhej životnosti a nízkych nákladov počas celej prevádzky.