Солнечные батареи. Тепло без посредников

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

@mfcn,
Возможно что мы зря так "уперлись" в крутизну ВАХ диода.
Если посмотреть на ВАХ СБ, то получается что полупроводниковый ТЭН должен быть примерно настроен на тот участок, где ток СБ довольно резко падает (а именно на участке перегиба и находится ТММ).
А хар-ка кремниевого элемента СБ есть "перевернутая" хар-ка кремниевого диода, так как в обоих случаях работает p-n переход.
И так как в точке перегиба у СБ сопротивление резко растет, а у диода наоборот - сопротивление резко уменьшается, то совместив (подобрав) эти две точки перегиба, у нас автоматически произойдет и стабилизация напряжения примерно в той области что нам и нужна.
Попробую сегодня-завтра провести такой эксперимент.

 

Достаточно совместить ВАХ солнечной панели и ВАХ диода, чтобы сразу стало понятно, что крутизна ВАХ у диодов мала и слишком сильно зависит от температуры

 

Дело в том, что Ваша и @mfcn тревога вызвана в первую очередь вылетом диода из планированнной рабочей зоны по току и по Т. По Т я заверяю, что в штатном режиме или при косвенном способе нагрева воды падение напряжения на переходе будет минимальным от-но самого эффективного. А вот с током- да, ничего не попишешь- падение падения напряжения (__) будет. Но как говорит незабвенный классик:

потери в килоджоулях будут минимальны, тем более что ТММ при снижении тока (и в прямой зависимости от инсоляции) сползает вниз!

 

Ну а теперь пора сравнить "полупроводниковый ТЭН" на диодах (или на стабилитронах того или иного вида) и комбинацию ТЭНа с аналоговым регулятором. Назовем их ПП ТЭН и ТЭН+АР соответственно.

1. Качество регулировки МPPT: ПП ТЭН на диодах проигрывает вчистую, ПП ТЭН на базе TL431 будет иметь такую же точность, как ТЭН+АР

2. Надежность: в любом варианте ПП ТЭН проигрывает, поскольку в нем полупроводники рассеивают как минимум в четыре раза больше мощность, чем в ТЭН+АР

3. Стоимость: ПП ТЭН опять проигрывает, причем не столько за счет бОльшего числа ПП приборов, сколько за счет более сложного и дорогого теплоотвода для них. Грубо говоря в ТЭН+АР тоже используется "полупроводниковый ТЭН", но вчетверо меньшей мощности и, соответственно, в несколько раз более дешевый, чем в ПП ТЭН.

 

И кстати, СБ при падении на неё солнечного излучения тоже нагревается, причем этот нагрев будет идти одновременно с нагревом воды и соответственно диодов, а соответственно начнет изменяться и ТММ.
Но будет и расхождение в температуре ТЭНа и СБ в случае когда вода в баке нагрелась, а на СБ упала тень от набежавшей тучи
А СБ остывают весьма быстро.

Но в любом случае, такое решение лучше чем просто подключение обычного ТЭНа напрямую к СБ.
Кстати, интересно было бы приблизительно оценить выигрыш по мощности при сравнении этих двух способов нагрева воды - когда ТЭН обычный и п/проводниковый.
Однако здесь нужно понимать что за простоту решения всегда приходится платить и в нашем случае платой за это будет уменьшение мощности получаемой от СБ, в сравнении со случаем когда использовался бы например контроллер МРРТ.
Ну и конечно стоимость.

 

А можете качественно нарисовать как меняется напряжение и ток на ТЭН-не с регулятором и на самом регуляторе (транзисторе) при изменении освещенности СП? Для какой-то определенной схемы... Со стабилитроном и сопротивлением например.
Заранее благодарен

 

Вы тогда и про АкБ упомяните и diversion load контроллер какой-то нибудь. И да,

главный показатель плюс простота и надёжность.

 

Я так понимаю на схеме что-то вроде обычного стабилизатора напряжения, которые бывают в едином корпусе, например том же ТО 220.
Пытаюсь осмыслить.
Значится (прошу прощения за ламерство).
Цепочкой резистор, стабилитрон мы фиксируем напряжение базы при каком-то небольшом токе, что течет в стабилитроне и определяется резистором, далее поддерживаем это напряжение на коллекторе, так как между базой и коллектором малое напряжение.
Далее, хотим подать нагрузку. Просто КЗ на землю. Получается напряжение между базой и коллектором равно напряжению стабилитрона, и мощность выделяется на p-n переходе база-коллектор. Так?
Не понятно что в такой схеме ограничивает ток в транзисторе, чтобы не пытаться забрать слишком много с СП. Думаю.

Начинает проваливаться напряжение СП, в конце концов ток через стабилитрон прекратился, напряжение базы равно напряжению эмиттера, переход закрывается, ток прекращается... Саморегуляция имеет место стало быть.

И да, вместо КЗ можно воткнуть ТЭН на номинальную мощность, никак не помешает, и соответственно львиная доля тепла будет именно на ТЭН-е, просто проваливать напряжение ему транзистор не даст, будет сам греться тоже, так как способен поддерживать напряжение и без ТЭН-а

Верно мыслю?

Потом, можно ведь тогда и взять именно стабилизатор и подключить к нему нагло нихромовый ТЭН на выходе...?

 

Качественную оценку получить элементарно. Графики внизу показывают зависимость мощности (ось Y) от инсоляции (ось X)

1. Ток СП и мощность в точке МРРТ в первом приближении пропорциональны инсоляции. Синяя линия - мощность на выходе МРРТ контроллера.

2. Если сопротивление ТЭНа согласовано с характеристиками СП так, чтобы попасть в точку МPPТ при максимальной инсоляции, то мощность в ТЭНе будет зависеть от инсоляции так, как показано зеленой линией. Это парабола.

3. Разница между п. 1 и п. 2 показана красной линией. Это мощность, которую недобирает "голый согласованный ТЭН". И одновременно это мощность, которая рассеивается на транзисторе по схеме ТЭН+АР. Худший случай - когда инсоляция равна половине от максимальной.



Естественный вопрос: а что будет, если сопротивление ТЭН таково, что он попадает в МРРТ при меньшей инсоляции? А будет вот что:



При увеличении инсоляции, после того, как достигнута точка МРРТ, мощность на ТЭНе продолжает расти, но начинает отставать от линейного графика. При таком согласовании суммарная эффективность "голого ТЭНа" увеличивается, а мощность, рассеиваемая транзистором регулятора ТЭН+АР, уменьшается. Правда, при этом ТЭН+АР работает как МРРТ не во всем диапазоне: при максимальных инсоляциях он начинает следовать зеленому графику. Но если перефразировать крылатое выражение, "ну и чего на эти незначительные лишние Ватты облизываться?"

 

В первом приближении СП является генератором тока для относительно низкоомных нагрузок и генератром напряжения для относительно высокоомных нагрузок. Поэтому качественно картинка выглядит так:

1. Напряжение на СП постоянно (горизонтальная черная линия), это обеспечивается контроллером с MPPT

2. Ток, выдаваемый СП, нарастает линейно (синяя линия). Точно так же нарастает напряжение на ТЭНе, просто по закону Ома, U=I*R

3. Напряжение на регулирующем элементе (т.е на транзисторе в ТЭН+АР) линейно падает (зеленая линия)

4. Мощность на ТЭНе растет параболически (коричневая линия)

5. Мощность, выделяемая на регулирующем транзисторе, это перевернутая парабола с максимумом при половинной инсоляции (красная линия)

 

1. Пока напряжение на стабилитроне D1 меньше напряжения его пробоя Uz, токи в схеме не текут: D1 закрыт, Q1 закрыт.

2. После того, как напряжение между эмиттером и коллектором Uce достигнет Uz, D1 начнет открываться и через R1 начнет течь ток. Однако до тех пор пока падение напряжения на R1 не достигнет примерно 0.6В, ток в базу Q1 втекать не будет.

3. Когда Uce достигнет величины (Uz + 0.6В), начнет открываться Q1. После этого дальнейший рост Uce становится почти невозможным - при малейшей попытке роста входного напряжения ток, втекающий в базу Q1 будет резко возрастать, и, соответственно, будет резко возрастать ток коллектора, "отсасывая" весь втекающий ток.

То есть схема работает практически так же, как любой стабилитрон, но только может выдерживать в десятки раз бОльшие токи. Резистор R1 играет вспомогательную роль: его присутствие гарантирует, что транзистор останется закрытым пока стабилитрон не откроется как следует.

 

Поразмыслив, я пришел к выводу, что вполне практичную конструкцию сделать можно.

В наших краях в накопительных баках для воды имеются отверстия с резьбой DN20. То есть, в такое отверстие можно завинтить штуцер, в котором зажата медная труба 3/4". Наружный диаметр такой трубы 19.05 мм, толщина стенок 1.02 мм. Внутренний диаметр, соответственно, 17.01 мм.

На конец трубы припаиваем стандартный медный колпачок-заглушку. Получился герметичный медный корпус.

Берем алюминиевый пруток и обтачиваем его до чуть меньше чем 17 мм в диаметре. Разрезаем вдоль по длине пополам, получаем две полукруглые заготовки для внутренностей ТЭНа.

По дине заготовки с регулярным шагом сверлим отверстия и нарезаем в них резьбу М3. Привинчиваем к ним транзисторы в изолированных корпусах TO-3FP или TO-220F. Туда же привинчиваем плоские пружины. Распаиваем провода.

Перед тем как вставлять собранные кишки в медную трубку, обмазываем полукруглую поверхность алюминия теплопроводной пастой - такой же, какая используется в компьютерах. Задвигаем кишки в медную трубку, при этом плоские пружины плотно поджимают алюминиевый полукруг к внутренней поверхности медной трубки по всей длине.

Вуаля. Насчет киловатта ручаться не буду, но нужные мне 250 Вт можно рассеять запросто.

 

@_AK_,
может упростить? Берем заглушку на DN20. К ней медную пластину 3мм толщиной чуть уже чем заглушка, на которую с одной стороны крепим все барахло (в ТО корпусе), соединяем, спаиваем. Потом делаем в заглушке прорезь толщиной с пластину и дырку под провода. Заливаем эпоксидкой всю электрику и заглушку, пластину с одной стороны оставляем чистой. Вкручиваем и пользуемся.

В вашем плане смущает резка стержня алюминия вдоль, гладкость полученной поверхности, сохранность изоляции проводов (положения проводов друг относительно друга) ну и термопаста.

Коэффициент теплопроводности термопасты ~0,6-1 хуже чем у бетона... Между ТО корпусами и поверхностью тоже надо... Кстати вполне можно солидол вместо того. Да, теплопроводность 0,3 всего, зато можно сделать слой тоньше, а именно толщина слоя имеет решающее значение.

Мельком пробежав по яндексу. Для эпоксидки типа ЭД-20 155 градусов предел, но есть термостойкие - 160-200 и более...

 

Электрические изоляторы в большинстве своем являются теплоизоляторами. Эпоксидка не исключение. Ватт 10-20 так рассеять можно будет, от силы 50.

Пусть алюминий обтачивают, режут и полируют профессионалы, сейчас нет проблем заказать деталь по чертежу или даже эскизу.

С изоляцией вообще не вижу никаких проблем. Достаточно все пайки закрыть термоусадочными трубками.

Термопаста - это лучшее их того, что имеется в наличии. Она достаточно эффективно работает когда зазор между деталями мал. Алюминий с термопастой - это в разы (если не в десятки раз) лучше, чем толстый слой эпоксидки.

 

А медную трубу, наполненную плоскими диодами, можно просто сплющить. так, что бы стенки коснулись диодов, обмазанных термопастой с двух сторон.

Для проводов можно предусмотреть место сбоку гирлянды, благо их там немного будет.

Аж руки зачесались попробовать, жаль бака нет, все остальное в наличии.