Fotovoltaické ostrovní systémy (FVOS, někdy též OSS – ostrovní solární systémy) představují fotovoltaické výrobny elektřiny, obvykle malého výkonu, které nejsou připojeny k distribuční síti (jsou od ní galvanicky oddělené). Jsou vždy řešením nouzovým či náhradním, nahrazujícím nedostupnost přípojky elektrické distribuční sítě.
Obecně platí, že v našich zeměpisných podmínkách vyrábějí fotovoltaické systémy nejvíce energie v období od jara do podzimu – počínaje třetí dekádou měsíce března a koncem druhé dekády měsíce září konče. V tomto období poskytují spolehlivě dostatek energie pro napájení spotřebičů o příkonu odpovídajícím jejich výkonu. Pokud budete od svého systému očekávat nebo dokonce vyžadovat standardní pokrytí spotřeby svých elektrických spotřebičů po dobu celého roku, dočkáte se obvykle velkého zklamání. Od jara do podzimu vyrábí fotovoltaický systém průměrně měsíčně 8 – 12,5% své celkové roční produkce elektřiny, ale v měsících prosinci a lednu pouhá 3%. Pokud tedy budete volit systém, který dokáže pokrýt energetické požadavky vašich spotřebičů spolehlivě po dobu celého roku, bude docházet k tomu, že v jarním a letním období bude systém vyrábět obrovské, i více než trojnásobné přebytky energie. Systém nebude vyvážený, a navíc bude neúměrně drahý. Pokud se budete orientovat výhradně na hodnoty jarní a letní výroby, v podzimním a zimním období budete trpět chronickým nedostatkem i více než 75% energie. Tento nedostatek systému lze kompenzovat připojením dalšího energetického zdroje – větrné nebo vodní elektrárny nebo malého motorového generátoru.

Pro správné určení požadovaného výkonu FVOS je nutné znát zejména:

Jaký má být výstupní proud systému.
Stejnosměrný (DC) o napětí 12 / 24 / 48V nebo střídavý (AC) o napětí 230V? Požadavek na povahu výstupního proudu a velikost jeho napětí určuje způsob napájení spotřebičů. V některých případech je výhodné, aby systém poskytoval současně napájení stejnosměrné i střídavé – u spotřebičů, které mohou být napájeny stejnosměrným proudem, odpadají nezanedbatelné ztráty na měniči (5 – 20% systémem spotřebiči dodané energie).

Příkon a typ spotřebičů, které má daný systém napájet.
Nejméně problematickými spotřebiči jsou spotřebiče tzv. odporové – různá topidla a světelné zdroje. Vzhledem k obvykle malému množství energie, které ostrovní systémy poskytují, a značnému příkonu topidel a nejrůznějších vařičů (standardně více než 1kW) na tuto skupinu spotřebičů zapomeňte. Ve své rekreační chatičce si raději zatopte a kávu uvařte na plynu z propanbutanové bomby. Příkon světelných zdrojů již dnes rozhodně není nijak dramatický. Kompaktní zářivka na 12V DC o příkonu 11W má světelný výkon srovnatelný s klasickou žárovkou o příkonu 70W a obdobné je to i u LED světelných zdrojů. Jejich vyšší pořizovací cena odpovídá jejich dlouhodobé životnosti. K obvyklému svícení v jarním a letním období stačí v rekreační chatičce, karavanu nebo hausbótu 2 – 4 světelné zdroje o celkovém příkonu 20 – 30W. To samo o sobě při obou druzích napájení (AC i DC) nepředstavuje žádnou významnou zátěž.
Další skupinou jsou spotřebiče kapacitní povahy. Sem můžeme zařadit všechny spotřebiče se spínanými zdroji napájení - televizory, nejrůznější zvuková zařízení, notebooky a stolní PC. V případě jejich napájení z měniče o výstupním napětí 230V AC je nutné počítat s tím, že jeho trvalý jmenovitý výkon by měl být 3 – 4x vyšší než jejich příkon.
Poslední skupinou jsou spotřebiče induktivní povahy. Sem patří všechny stroje a nářadí vybavené asynchronními i komutátorovými elektromotory. Při jejich napájení z měniče platí, že jeho trvalý jmenovitý výkon by měl být nejméně 6 – 8x vyšší než příkon uvedený na jejich energetických štítcích.
Samostatnou skupinu spotřebičů tvoří kompresorové chladničky, mrazicí boxy a klimatizace. Ty kladou na měniče největší nároky. Jejich trvalý jmenovitý výkon by měl být větší než příkon udaný na energetickém štítku takového spotřebiče až 10x.

Režim denní spotřeby spotřebičů.
Proč se zajímáme o režim denní spotřeby? Protože i každý fotovoltaický systém pracuje v denním režimu – cyklu. Poté, co po rozednění intenzita slunečního záření nabude hodnoty cca 100W/m2, začne produkovat elektřinu. Se západem slunce se produkce elektřiny stává nulovou. Po produkční dobu, od východu do západu slunce, musí systém vyrobit takové množství energie, aby dokázal dotovat energetickou ztrátu akumulátorové baterie z předchozího dne, respektive noci. Tento proces se cyklicky opakuje po celou dobu sledovaného období – od prvního jarního do prvního podzimního dne roku.
Znalost režimu denní spotřeby je z hlediska stanovení požadovaného výkonu FVOS velmi důležitá. U FVOS není tolik důležitý údaj o jeho jmenovitém výkonu, který udává jeho maximální (špičkový – peak) výkon za definovaných podmínek (obvykle při teplotě 25°C a intenzitě slunečního záření 1kW/1m2). Skutečný (okamžitý) výkon systému se výrazně mění s denní dobou a ročními obdobími tak, jak se mění intenzita slunečního záření. Důležitější je údaj o tom, jaké množství elektrické energie je v tom kterém dni toho kterého měsíce roku systém schopen vyrobit. Tyto údaje poskytuje řada prognostických systémů. My používáme data jedné z vedoucích autorit v oboru fotovoltaiky, kterou je Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) zřízený Evropskou komisí. Je nutné si uvědomit, že prognózy množství systémem vyrobené energie jsou tvořené na základě průměrů dlouhodobých měření v té které lokalitě. Jde tedy o údaje tzv. ideální. Skutečné hodnoty slunečního záření se od těchto ideálních hodnot mohou i výrazně lišit. Příkladem je rok 2013, kdy byla průměrná úhrnná hodnota slunečního záření na území ČR pouhých 940kWh/1m2, což je 72,1% dlouhodobého průměru. Pravdou ovšem je, že ve dvou letech předcházejících roku 2013 byly naopak dosahovány hodnoty slunečního záření o 12 a 27,7% vyšší než dlouhodobý průměr.

Jak nejlépe stanovit výši požadovaného výkonu FVOS.

Příklad stanovení průměrné denní energetické spotřeby – napájení 12V DC.
Starší manželé mají malý zahradní domek, ve kterém na jaře a v létě tráví volný čas. Interiér domku osvětlují třemi LED žárovkami o příkonu 5W každá. V domku si průměrně denně svítí čtyři hodiny vždy jen jednou žárovkou. Sebou si na zahrádku vozí starší přenosný televizor o příkonu 45W a rozhlasový přijímač o příkonu 10W. Na televizní pořady se dívají průměrně tři hodiny denně a rozhlasový přijímač poslouchají čtyři hodiny denně. Domek je vybavený malým čerpadlem na čerpání vody ze studny do malého vodovodního rozvodu o příkonu 50W. Čerpadlo běží denně maximálně půl hodiny. Všechny spotřebiče jsou napájeny stejnosměrným (DC) proudem o napětí 12V. Jaká tedy bude průměrná denní spotřeba všech spotřebičů v zahradním domku?

- 1 žárovka x 4 hodiny = 5W x 4 = 20Wh
- 1 televizor x 3 hodiny = 45W x 3 = 135Wh
- 1 radiopřijímač x 4 hodiny = 10W x 4 = 40Wh
- 1 čerpadlo x 0,5 hodiny = 50W x 0,5 = 25Wh

Celkem = 20Wh + 135Wh + 40Wh + 25Wh = 220Wh = 0,22kWh

Celková průměrná denní spotřeba všech spotřebičů v zahradním domku činí 0,22kWh. Toto je množství energie, které spotřebiče denně odčerpají z akumulátoru. Převážnou část tohoto množství energie odčerpají spotřebiče z akumulátoru v době, kdy je FVOS nečinný – pozdě večer a v noci. Stejné množství energie musí být fotovoltaický (FV) generátor systému, tvořený FV panelem, schopen následující den prostřednictvím solárního regulátoru do akumulátoru vrátit, aby postupně nedošlo k jeho vybití. V průběhu dobíjení akumulátoru proudem z FV panelu dochází k energetickým ztrátám, které vznikají v průběhu samotného procesu dobíjení akumulátoru a při regulaci výstupního napětí FV panelu solárním regulátorem. Představují cca 23,5% FV panelem vyrobené energie. Manželé potřebují FVOS, jehož FV generátor dokáže ideálně denně vyrobit 290Wh elektrické energie.

Pro pokrytí uvedené spotřeby elektřiny v zahradním domku, v období od jara do podzimu, postačí FVOS o špičkovém výkonu 90Wp, který při standardním ročním úhrnu slunečního záření 1 250kWh/1m2 ve sledovaném období poskytne denně 200 – 300 Wh elektrické energie.

Příklad stanovení průměrné denní energetické spotřeby – napájení 230V AC.
Rodina se dvěma dětmi vlastní chatu na odlehlém místě, které není v dosahu elektrické distribuční sítě. Na chatu pravidelně dojíždějí o víkendech od jara do podzimu. Interiér chaty osvětlují čtyři kompaktní úsporné zářivky, každá o příkonu 11W a jedna LED žárovka o příkonu 7W. Průměrně denně svítí vždy jen jedna zářivka pět hodin denně a LED žárovka dvě hodiny denně. Chata je vybavena kombinovanou chladničkou třídy A s denním odběrem 0,7kWh elektrické energie. Chladnička se po celé období od jara do podzimu, kdy je chata navštěvovaná, nevypíná. Rodina sleduje televizní pořady na LCD televizním přijímači o příkonu 40W průměrně 6 hodin denně. Užitkovou vodu z nedalekého potoka čerpají do nádrže malým čerpadlem o příkonu 0,4kW jednou za víkend jednu hodinu. Každé z dětí má svůj notebook o příkonu 65W a věnuje se mu průměrně 2 hodiny denně. Pro rychlou přípravu teplých nápojů slouží dvoulitrová rychlovarná konev o příkonu 2kW. V době, kdy je chata rodinou opuštěná, je v ní aktivován elektronický zabezpečovací systém (EZS) s předáváním poplachových zpráv na mobilní telefon o celkovém denním příkonu 350Wh. Všechny spotřebiče jsou napájeny střídavým (AC) proudem o napětí 230V.

Jmenovitý výkon systému se stanovuje podle požadavku na velikost dodávky elektrické energie z něj. Musíme proto zjistit, jaký je maximální denní odběr v týdenním cyklu provozu elektrických spotřebičů na chatě.

Na chatu dorazí rodina v pátek večer cca v 18 hodin. Deaktivuje EZS, načerpá užitkovou vodu do nádrže, uvaří si kávu, bude se dívat na televizi, svítit a děti si zřejmě budou chvíli hrát se svými notebooky.

Páteční spotřeba bude:
- 1 kompaktní zářivka x 3 hodiny = 11W x 3 = 33Wh
- 1 LED žárovka x 1 hodina = 7W x 1 = 7Wh
- Odběr kombinované chladničky = 700Wh
- Televizor x 4 hodiny = 40W x 4 = 160Wh
- Čerpadlo x 1 hodina = 400W x 1 = 400Wh
- 2 notebooky x 1 hodina = 2 x 65W x 1 = 130Wh
- Rychlovarná konev x 0,07 hodiny (1 x teplý nápoj) = 2 000W x 0,07 = 140Wh
- EZS x 18 hodin = 350Wh x ¾ dne = 260Wh

Celkem = 33Wh + 7Wh + 700Wh + 160Wh + 400Wh + 130Wh + 140Wh + 260Wh = 1 830Wh = 1,83kWh

V sobotu bude rodina svítit ráno i večer, v průběhu dne si třikrát uvaří teplý nápoj, televizní pořady bude možná sledovat i během dne, večer však určitě dlouho do noci a děti si budou hrát na noteboocích.

Sobotní spotřeba bude:
- 1 kompaktní zářivka x 5 hodin = 11W x 5 = 55Wh
- 1 LED žárovka x 2 hodiny = 7W x 2 = 14Wh
- Odběr kombinované chladničky = 700Wh
- Televizor x 6 hodin = 40W x 6 = 240Wh
- 2 notebooky x 2 hodiny = 2 x 65W x 2 = 260Wh
- Rychlovarná konev x 0,2 hodiny (3 x teplý nápoj) = 2 000W x 0,2 = 400Wh

Celkem = 55Wh + 14Wh + 700Wh + 240Wh + 260Wh + 400Wh = 1 669Wh = 1,669kWh

V neděli se bude ráno svítit a děti se budou dívat na televizi, rodina si uvaří ranní čaj a odpolední kávu a děti si nejspíš budou chvíli hrát se svými notebooky. Při odjezdu z chaty bude aktivován EZS.

Nedělní spotřeba bude:
- 1 kompaktní zářivka x 2 hodiny = 11W x 2 = 22Wh
- 1 LED žárovka x 1 hodiny = 7W x 1 = 7Wh
- Odběr kombinované chladničky = 700Wh
- Televizor x 3 hodiny = 40W x 3 = 120Wh
- 2 notebooky x 1 hodina = 2 x 65W x 1 = 130Wh
- Rychlovarná konev x 0,14 hodiny (2 x teplý nápoj) = 2 000W x 0,14 = 280Wh
- EZS x 6 hodin = 350Wh x ⅟4 dne = 90Wh

Celkem = 22Wh + 7Wh + 700Wh + 120Wh + 130Wh + 280Wh + 90Wh = 1 259Wh = 1,349kWh

Od pondělí do čtvrtka je chata prázdná a v provozu je pouze kombinovaná chladnička a elektronický zabezpečovací systém.

Denní spotřeba od pondělí do čtvrtka bude:
- Odběr kombinované chladničky = 700Wh
- Odběr EZS = 350Wh

Celkem = 700Wh + 350Wh = 1 050Wh = 1,05kWh

Předchozím rozborem jsme zjistili, že překvapivě největší spotřebu elektrické energie bude mít chata v pátek. K této hodnotě spotřeby je nutné stanovit potřebný výkon FVOS. Nesmíme při tom zapomenout, že spotřebiče jsou napájeny ze zdroje stejnosměrného proudu (akumulátorové baterie) pomocí měniče, který svorkové napětí baterie (12, 24 nebo 48V) přemění na 230V AC. Na měniči rovněž vznikají ztráty. Ty se významně liší podle provedení měniče a jeho výrobce. Do našich řešení používáme výhradně tzv. sinusové měniče – průběh jejich výstupního napětí je čistě sinusový, stejně jako v distribuční soustavě. Řešení střední úrovně stavíme na měničích značky CARSPA, jejichž účinnost – poměr množství energie přijaté z baterie a energie předané spotřebičům – se pohybuje na solidní úrovni 90% (při příkonu spotřebičů odpovídajícímu jejich trvalému jmenovitému výkonu až 94%). Spotřebiče v chatě během pátečního dne skutečně odčerpají z akumulátorové baterie cca 2kWh elektrické energie.

Ani tento údaj však není z pohledu stanovení požadovaného výkonu FV generátoru systému korektní. Stejně jako v předchozím příkladu je ještě nutné započítat ztráty vznikající na regulátoru dobíjení a v průběhu procesu nabíjení akumulátoru. Ty představují cca 17% FV generátorem vyrobené energie. Ztráty na DC straně systému jsme částečně eliminovali použitím dražšího, ale výkonnějšího solárního regulátoru s MPPT funkcí, který dokáže s energií vyrobenou FV generátorem pracovat mnohem lépe než regulátor klasický a do akumulátorové baterie dodat až o 30% více energie než on. Z uvedeného vyplývá, že rodina potřebuje do své rekreační chaty instalovat FVOS, jehož FV generátor musí být schopen ideálně denně vyprodukovat cca 2,45kWh elektrické energie.

2,45kWh elektrické energie v době od prvního jarního do prvního podzimního dne roku dokáže ideálně denně vyrobit FVOS o špičkovém výkonu 980Wp. Ten při standardním ročním úhrnu slunečního záření 1 250kWh/1m² ve sledovaném období poskytne denně 2,2 – 3,2 kWh elektrické energie.

V obou ukázkových příkladech jsme konstatovali, že oba doporučené systémy dokáží ve sledovaném období denně poskytnout množství elektrické energie, jehož hodnota není stálá, mění se v čase (první systém 200 – 300 Wh, druhý 2,2 – 3,2 kWh). Je to způsobeno již zmíněnými změnami intenzity slunečního záření v průběhu roku, které znázorňuje následující graf zobrazující měsíční procentuální podíl na hodnotě ročního slunečního záření v lokalitě Praha – Vinohrady (1 250kWh/1m²). 

Co z toho vyplývá pro Vás? Že se musíte naučit s vyrobenou elektrickou energií hospodařit a dodržovat tato základní pravidla:

Používejte svůj FVOS výhradně od jara do podzimu. Pokud budete systém používat mimo toto období, mějte vždy na paměti, že Vám je mimo toto období schopen poskytnout jen čtvrtinu své maximální denní produkce elektřiny! V poslední dekádě měsíce března a prvních dvou dekádách měsíce září, kdy je výroba systému na svojí spodní hranici, používejte své spotřebiče s rozmyslem. Odběr energie z baterie, který nedokáže být rovnocenně nahrazený produkcí FV generátoru, vede k jejímu postupnému vybíjení, které může skončit až její úplnou zkázou, v lepším případě významným zkrácením její životnosti.

Akumulátorovou baterii udržujte po dobu provozu systému v suchu a teplotě 25°C ± 3°C. Při „zazimování“ systému baterii od solárního regulátoru odpojte, nabijte ji a uložte na suchém, nepromrzajícím místě. Před prvním jarním použitím ji opět nabijte. Pro nabíjení VRLA – ventily řízených olovo kyselinových – baterií používejte výhradně k tomu určené nabíječky.

Nikdy nezapomeňte, že baterie se od solárního regulátoru odpojuje jako poslední, ale připojuje se k němu jako první!

FV generátor systému tvořený jedním či několika FV panely stabilizujte v poloze 0° k jihu, v náklonu horní hrany panelu 35° k severu. Tato poloha panelů je v našich geografických podmínkách pro provoz FV systémů nejvýhodnější.

Pokud bude Váš systém vybavený měničem, neváhejte jej v čase, kdy jej nepoužíváte, vypínat. Vlastní spotřeba měničů při chodu tzv. naprázdno, hlavně těch méně kvalitních, není zcela zanedbatelná.