Master's Thesis

Design of a photovoltaic power system with battery storage for household purposes

Final Thesis 3.45 MB Appendix 12.36 MB

Author of thesis: Ing. Radek Čuhel

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Křivík, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents an energy and economic analysis of a photovoltaic system installed on a family house in the village of Dlouhé in the Vysočina region, commissioned in 2023. Using PV*SOL Premium 2026 simulations, local weather station data and ERA5 reanalysis, two expansion scenarios are evaluated: integration of a wind turbine and an increase of the photovoltaic capacity. As the Dlouhé site exhibits borderline wind potential, the wind component is additionally assessed in the village of Chroustov, which offers more favourable conditions, to determine where a wind turbine can meaningfully offset the photovoltaic winter deficit. The original project achieves favourable payback under the grant scheme, while without subsidy the payback period extends considerably. The wind turbine at Dlouhé partially compensates the winter deficit but yields a negative overall economic contribution. A hypothetical installation at Chroustov improves winter consumption coverage, yet even the higher wind potential of that site does not allow the turbine to compete economically with photovoltaics. Expanding the existing system with additional photovoltaic modules delivers the best results, significantly improving both winter and annual energy coverage while generating the highest twenty-year return of all evaluated scenarios. The findings indicate that expanding the photovoltaic section is the most advantageous option under Vysočina conditions. Wind microgeneration can strengthen the winter energy balance but does not prove economically viable as a standalone investment in the analysed locations.

Keywords:

photovoltaics, wind turbine, hybrid system, energy self-sufficiency, economic analysis

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s cíli a řešením závěrečné vysokoškolské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta a komise. Otázky oponenta k obhajobě: 1. Jak výrazně by výsledná ekonomická návratnost navržených variant změnila situace při dlouhodobém růstu cen elektrické energie nad předpokládané hodnoty? 2. Z vašich závěrů vyplývá, že větrná mikrogenerace je v analyzovaných lokalitách ekonomicky nenávratná (mj. kvůli chybějící dotační podpoře a hraničnímu větrnému potenciálu). Jaká by musela být průměrná rychlost větru v lokalitě, případně o kolik procent by musela klesnout pořizovací cena technologie, aby se instalace malé vertikální větrné turbíny stala ekonomicky konkurenceschopnou vůči rozšíření FVE? 3. Zmínil jste nutnost vypracování statického posudku kvůli přenosu dynamického zatížení a vibrací z vertikální turbíny do krovu budovy. Existují v současné době na trhu standardizovaná konstrukční či tlumicí řešení (např. antivibrační podložky, silentbloky), která dokážou hluk a vibrace v obytné zástavbě eliminovat na legislativou požadované minimum? Doplňující otázky komise: 1. Měřil jste v rámci práce hladinu hluku? Jakým způsobem? 2. Kde vidíte inženýrský přístup v rámci vaší práce? 3. Jak jsou v dané lokalitě stanoveny akcelerační zóny? 4. Bude mít vaše diplomová práce praktické využití?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical Manufacturing and Management (MPC-EVM)

Composition of Committee

doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Binar, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jiří Maxa, Ph.D. (člen)
Ing. Kamil Jaššo, Ph.D. (člen)
Ing. Pavla Šabacká, Ph.D. (člen)
Ing. Kristýna Jandová, Ph.D. (člen)
Ing. Hana Hálová (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D.

Diplomová práce studenta Bc. Radka Čuhela se zabývá návrhem a hodnocením fotovoltaické elektrárny s bateriovým úložištěm pro domácnost, včetně posouzení možností jejího rozšíření o větrnou turbínu. Práce je zpracována komplexně a systematicky, přičemž autor vhodně kombinuje teoretická východiska s praktickou aplikací na reálném objektu a s využitím reálných provozních a meteorologických dat. Oceňuji zejména využití pokročilých simulačních nástrojů (PV*SOL Premium) a zapracování aktuálního legislativního rámce včetně dotačních mechanismů, což výrazně zvyšuje aktuálnost a praktickou využitelnost práce.
Za hlavní přínos považuji detailní energetickou a ekonomickou analýzu různých variant rozšíření systému, především srovnání zvýšení instalovaného výkonu fotovoltaiky s integrací větrné mikrogenerace. Autor na základě kvantitativních výsledků jednoznačně prokazuje, že v podmínkách Vysočiny je z hlediska energetiky i ekonomiky nejvýhodnější rozšíření fotovoltaické části, zatímco větrná turbína má pouze doplňkový význam a její samostatná investice se neukazuje jako rentabilní.
Po odborné stránce je práce na velmi dobré úrovni, obsahuje řadu výpočtů, modelů a interpretací výsledků. Text je logicky strukturován a přehledně zpracován. Dílčí nedostatky spatřuji zejména v omezené přesnosti predikce větrného potenciálu, která je ovlivněna lokální turbulencí a omezeními použitých datových zdrojů, a dále v určité závislosti výsledků na konkrétních předpokladech simulace. Tyto skutečnosti však autor korektně reflektuje a jejich vliv diskutuje.
Požadavky zadání student splnil v plném rozsahu. Po formální stránce je práce zpracována přehledně, s dobrou grafickou i jazykovou úrovní. Student při řešení prokázal samostatnost, iniciativu a schopnost aplikace teoretických poznatků v praxi. Odborná úroveň odpovídá znalostem získaným v daném oboru a uváděné informace jsou podloženy citací informačních zdrojů.
Předložená práce a její zpracování splňují všechny požadavky kladené na diplomovou práci. Proto doporučuji práci k obhajobě. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Petr Křivík, Ph.D.

Předložená diplomová práce Bc. Radka Čuhela se věnuje vysoce aktuálnímu tématu energetické udržitelnosti a optimalizace mikrogenerace v podmínkách českých domácností. Konkrétně se zaměřuje na analýzu stávajícího fotovoltaického systému na rodinném domě v obci Dlouhé na Vysočině a modelování možností jeho rozšíření za účelem kompenzace zimního deficitu výroby.
V teoretické části autor logicky a přehledně popisuje fyzikální principy fotovoltaického jevu, konstrukci solárních článků i specifika akumulátorových úložišť a střídačů. Stejná pozornost je věnována nízkovýkonovým větrným elektrárnám, jejich účinnosti a limitům. Teoretický základ je zpracován na dobré úrovni s využitím relevantní odborné literatury.
Hlavní přínos práce spočívá v její praktické a simulační části. Oceňuji využití specializovaného softwaru PVSOL Premium 2026 v kombinaci s reálnými daty spotřeby domácnosti a dlouhodobými meteorologickými daty z databáze ERA5 kalibrovanými lokálním měřením. Autor velmi vynalézavě vyřešil absenci přímé podpory větrných turbín v programu PVSOL implementací negativního zátěžového profilu, což svědčí o jeho schopnosti analytického a inženýrského myšlení.
Z ekonomických a energetických simulací tří variant (integrace větrné turbíny v původní lokalitě, integrace ve větrnější lokalitě Chroustov a prosté navýšení instalovaného výkonu FVE) autor vyvodil jasné, podložené a prakticky aplikovatelné závěry. Práce jasně ukazuje, že v současných ekonomických i klimatických podmínkách Vysočiny zůstává extenzivní navýšení solárního výkonu výrazně výhodnější než zapojení větrné mikrogenerace. Zhodnocen je i legislativní a dotační rámec (program Nová zelená úsporám) platný do roku 2026.
Práce obsahuje i několik dílčích nedostatků. V textu se místy objevují drobné stylistické a formální nepřesnosti. Grafy 10 - 13 a 17 mají popis os a legendu velmi drobným písmem, což znesnadňuje čtení.
Celkově hodnotím práci jako zdařilou, odborně přínosnou a prakticky využitelnou. Autor prokázal schopnost samostatně řešit technický problém, pracovat s daty i vhodně interpretovat výsledky. Práci doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Jak výrazně by výsledná ekonomická návratnost navržených variant změnila situace při dlouhodobém růstu cen elektrické energie nad předpokládané hodnoty?
  2. Z vašich závěrů vyplývá, že větrná mikrogenerace je v analyzovaných lokalitách ekonomicky nenávratná (mj. kvůli chybějící dotační podpoře a hraničnímu větrnému potenciálu). Jaká by musela být průměrná rychlost větru v lokalitě, případně o kolik procent by musela klesnout pořizovací cena technologie, aby se instalace malé vertikální větrné turbíny stala ekonomicky konkurenceschopnou vůči rozšíření FVE?
  3. Zmínil jste nutnost vypracování statického posudku kvůli přenosu dynamického zatížení a vibrací z vertikální turbíny do krovu budovy. Existují v současné době na trhu standardizovaná konstrukční či tlumicí řešení (např. antivibrační podložky, silentbloky), která dokážou hluk a vibrace v obytné zástavbě eliminovat na legislativou požadované minimum?
Points proposed by reviewer: 88

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová