Солнечные батареи. Тепло без посредников

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

испаритель/конденсатор.

А где их посмотреть можно?

 

Предлагаю вот такой вариант линейного регулятора/нагревателя (схема упрощенная, только для иллюстрации идеи):


В баке с горячей водой водой стоит ТЭН, мощный полевой транзистор Q1 крепится к поверхности бака. СП - это солнечная панель или батарея солнечных панелей. Напряжение рабочей точки задается стабилитроном (зенером) D1. Сопротивление ТЭНа должно быть таким, чтобы при полностью открытом транзисторе на СП было напряжение MPP, а через ТЭН шел макс. ток, которую может выдать СП.

При полном солнце транзистор полностью открыт, СП находится в MPPT. Практически весь нагрев идет за счет ТЭНа.

При снижении освещенности СП транзистор открыт не полностью, от СП забирается меньший ток, транзистор и ТЭН греют бак вместе.

Максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе будет когда сопротивление транзистора равно сопротивлению ТЭНа. В этой точке ток равен половине от макс. тока СП, а мощность, рассеиваемая транзистором - 1/4 от макс. мощности СП.

Я думаю, идея понятна. Теперь оценочный расчет, поближе к жизни.

Сетевое напряжение 230 В, мощность стандартного ТЭНа для ГВС - 3.6 кВт, значит, сопротивление ТЭНа 14.7 Ом. Возьмем 4 солнечные панели по 250 Вт (не новые, а б/у, подешевле), например, Trina TSM-250. Соединяем все четыре панели последовательно. ВАХ одной панели и нагрузочная прямая для нее, создаваемая ТЭНом, показаны ниже, по графику находим напряжение в рабочей точке для одной панели будет примерно 31 В, ток 8.3 А, мощность снимаемая с одной панели 257 Вт.



Максимальная мощность на транзисторе 515 Вт. Понятно, что одним транзистором обойтись не удастся, придется поставить несколько штук в параллель и озаботиться выравниванием токов в них. Скажем, возьмем 4 штуки IXFQ20N50P3, напряжение 500В, ток 20А, макс. рассеиваемая мощность 380 Вт макс, цена в Digi-Key по 230 руб за штуку. На мой взгляд, вполне неплохо все мажется.

Впрочем, 515 Вт - это предельная величина, перезаклад. В статическом режиме транзистор будет полуоткрыт, когда СП выдает половину мощности, т. е. примерно половинный ток. Напряжение на транзисторе при этом тоже половина от макс., а рассеиваемая мощность - всего 1/8 от макс. мощности СП. В принципе даже один транзистор может справиться.

Конечно, вместо зенера надо ставить какую-то более вменяемую схему на ОУ или микроконтроллере. В ней обеспечить и MPPT, и защиту транзисторов от перегрева.

 

Так транзисторы в параллели самосбалансируются... Слегка разные ВАХ наложатся друг на друга, и ок. Просто запас мощности нужен. Разве тут есть большая проблема?

Нехорошее условие. Накладывает сильные ограничения на ТЭН-ы.

Если не трудно, нарисуйте примерно как будет зависит напряжение на транзисторе в зависимости от тока СП. Так вроде понятна идея, что при малом токе напряжение базы падает вместе с уменьшением тока на R1 но все же.

И... Стабилитрон вольт на 30? На нем ведь тоже мощность падает...

 

Я бы на это с другой стороны посмотрел. Берем стандартный ТЭН и подбираем цепочку СП так, чтобы при нагрузке этим ТЭНом и при максимальной освещенности СП были как можно ближе к MPPT.

Нет, не падает - ток через него почти нулевой.

 

Очередная каша из топора
Осталось добавить дроссель, диод и что-нибудь типа uc3843... И вот уже не болит голова какой ТЭН, какие СП, как подобрать одно к другому...
ТММ задаём переменным резистором, можно даже по сезону подкручивать.

 

При использовании п/п элементов в качестве водяного ТЭНа желательно иметь большой запас по мощности, думаю что не более 20 вт на диод (транзистор).
Производители водяных ТЭНов при своих расчетах исходят из максимальной тепловой нагрузки не более 15 вт на 1 кв. см поверхности ТЭНа, однако на практике они делают ТЭНы с нагрузкой в 10 вт на 1 кв. см. (с запасом).
Кстати, в этом можно убедиться экспериментально, взяв водяной ТЭН с известной мощностью и измерить площадь его поверхности.
Площадь теплоотводящей металлической поверхности диода в корпусе ТО- 247 около 2 кв. см, поэтому лучше ограничить тепловую мощность значением в 20 вт на 1 диод.
Тогда для 1000 вт ТЭна потребуется около 50 диодов, что конечно многовато, однако учитывая простоту и надежность решения это вполне допустимо.

 

Зачем изобретать не проверенный велосипед, если промышленность уже предлагает DC SSR с опторазвязкой. В ваша схема не предполагает управление от основного источника (пробъёт коллектор).

 

Это Вы коммутируете, а они согласовать пытаются.

 

Совершенно верно. Это аналоговый регулятор, для него SSR не подходит.

 

Частотная модуляция- ну типа

Ну или ГУН по-сталински. (это про переменный резистор управления)

 

разница в сопротивлении открытых (а тем более полу-) каналов 2 параллельных ФЕТов при одном напряжении (ес-нно) может быть в 2 раза (обращаю внимание, что в режиме усиления- то есть на наклонной части ВАХ- это более чем возможно!) разность токов и рассеиваемой мощности будет в те же 2 раза! Поэтому с каналами последовательно надо ставить шунты выравнивающие.

 

Причиной такого удивления является банальное невежество

Трубчатый электронагреватель (ТЭН) — электронагревательный прибор в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим электрическим изолятором. Точно по центру изолятора проходит токопроводящая нить (обычно нихромовая или фехралевая) определённого сопротивления для передачи необходимой удельной мощности на поверхность ТЭН.

Применяется во многих бытовых и промышленных электроприборах: чайниках, кипятильниках, стиральных машинах, водонагревательных и отопительных котлах, и т. д.

ТЭН был изобретён и запатентован 20 сентября 1859 года Джорджом Б. Симпсоном в Вашингтоне, округ Колумбия[1].

Таким образом, ТЭН по определению изолирован от воды, иначе это не ТЭН. Джордж Симпсон еще 150 лет назад провел соответствующие опыты, обдумал результаты, нашел правильное решение и запатентовал его.

 

Напряжение на транзисторе - красная линия, мощность, рассеиваемая транзистором - зеленая линия, ось Х - ток солнечной панели.



Насчет 1/8 от макс мощности - это я погорячился, конечно. В худшем режиме транзистор будет рассеивать 1/4 от макс мощности СП.

 

Н-да, и 515 Вт я тоже непонятно с чего взял. В цепочке из 4-х панелей, если каждая может выдать 257 Вт, то транзистор в худшем случае должен рассеять как раз 257 Вт. "Торопизя надо нет" (с)

Если ТЭН подключен к СП напрямую, то мощность на ТЭНе зависит от освещенности СП линейно, поскольку ток СП пропорционален освещенности. При согласовании сопротивления ТЭНа, СП работает в MPPT только в одной точке, при макс. мощности.

Добавление транзистора последовательно с ТЭНом обеспечивает работу СП в MPPT во всем диапазоне освещенностей. А мощность, выделяемая на транзисторе, является тем самым выигрышем по мощности, который дает работа в MPPT по сравнению с прямым включением ТЭНа. В абсолютном выражении добавка мощности будет максимальна при половинной освещенности СП: при прямом подключении ТЭНа снимаемая с цепочки из 4-х панелей мощность составила бы 257 Вт, а с транзистором - 515 Вт. То есть, в этой точке от СП забирается вдвое больше мощности. А в процентном отношении выигрыш мощности будет обратно пропорционален освещенности: при макс. освещенности выигрыша нет, а при малых освещенностях выигрыш максимален.

 

Рассеять 257 Вт на транзисторах - не смертельно, но неприятно. Пусть лучше больше мощности уходит в более "дубовый" прибор - в ТЭН.

Возьмем не один ТЭН, а два, и включим их последовательно. И транзисторов тоже поставим два, один последовательно с ТЭНами, а второй будет шунтировать один из ТЭН-ов, как показано на схеме:



При малых освещенностях СП транзистор Q1 выключен, а устройство управления УУ управляет транзистором Q2 так, чтобы обеспечить MPPT. По мере увеличения освещенности Q2 все более открывается, а при половинной освещенности оказывается полностью открыт. Максимальную мощность Q2 будет рассеивать, когда освещенность СП равна 1/4 от максимальной. Если брать все тот же пример с 4-мя панелями, включенными последовательно, то макс мощность, рассеиваемая транзистором, составит 128.5 Вт.

После того, как Q2 будет полностью открыт, по мере дальнейшего роста освещенности, УУ начнет регулировать напряжение на СП при помощи Q1. Мощность расеивания на нем будет расти и достигнет максимума при освещенности 3/4 от максимальной. И тоже будет 128.5 Вт.

Проверяйте ход рассуждений, не ошибся ли я опять где-нибудь.