И еще немного практики - солнечные панели

Сразу скажу, что вопрос "стоимости киловатта" тут не стоит и не рассматривается.
Солнечные панели нужны для подзарядки АКБ в случае отказа электросети, как бесшумная и без-топливная альтернатива генератору.
А тут рассматривается только практическая сторона вопроса.

Итак, общая схема примерно такая: к блоку батарей постоянно подключена нагрузка (12в и инверторы), и эти АКБ постоянно подзаряжаются, на них выдерживается напряжение 13.8-14 вольт.
Подзаряжаются от сети, когда она есть, и от солнечных панелей.

Нагрузка может увеличиваться или уменьшаться - соответственно, аккумуляторы компенсируют это.
Средний ток нагрузки ориентировочно 15-20А.
Заряд - обычные инверторные блоки питания, с выставленным напряжением. По сути, при заряженных батареях они питают только нагрузку, от сети.

Ну и наконец, солнечные панели. Исторически они подключались по одной, и вот настало время провести эксперимент по выбору оптимального способа подключения.
Имеем 6 одинаковых панелей, заявленной мощностью 100Вт, напряжением ХХ 18В, с максимальным током 5А.

Вариант 1: параллельное подключение панелей. В теории должны давать напряжение ХХ 18В, ток до 30А.

Для подключения панелей к АКБ нужен контроллер (на самом деле не всегда).
Как известно, контроллеры бывают двух видов - PWM и MPPT, и все знают (с) что MPPT лучше.

Суть работы PWM достаточно простая: контроллер проверяет напряжение на батарее, и если надо - ограничивает зарядный ток, чтобы батарея не кипела. Того же эффекта можно добиться с помощью обычного реле, но PWM регулирует заряд плавнее.

С MPPT все сложнее:



Обычно с помощью такой картинки доказывается, что MPPT позволяет получить максимальную отдачу от панели.
И действительно, мощность P = I * U, то есть максимальная мощность на нагрузке будет достигаться при максимальном токе, при котором напряжение еще не упало в ноль.

Но есть нюанс: это верно, когда у нас нагрузка может просадить линию в ноль. Например, лампочка, или ТЭН, или вход блока питания. Если же нагрузка - АКБ, то фактически ток определяется еще и разностью потенциалов между СП и АКБ. При заряде наступает такой момент, когда разница минимальна, и тогда ток определяется как

I = Ud / (Rсп + Rакб)

где Rсп - внутреннее сопротивление СП, и Rакб - внутреннее сопротивление АКБ. Вторым можно пренебречь, для АКБ оно очень небольшое, а вот первое нелинейно зависит от тока - именно поэтому получается вон так картинка с кривыми.
Максимально возможный ток ограничен графиком, но при этом падает и напряжение, и разность напряжений с АКБ, а вместе с ним падает ток и растет напряжение.
Нетрудно понять, что все это остановится в какой-то точке на перегибе графика, где будет достигнут баланс между ростом тока и ростом напряжения. Ток не может стать еще больше, а напряжение не может стать еще ниже.

При этом АКБ заряжаются именно протекающим током! И в этой точке баланса - он будет максимально возможным для данной солнечной панели.
Чем ближе напряжение АКБ к напряжению ХХ СП - тем эффективнее используется панель, тем меньше будет потерь.

Короче, выходит, что никаких особых усилий по поиску "точки максимальной мощности" тут не требуется, а значит и MPPT контроллер тут не нужен.

Тут и PWM не особо нужен - только на случай ограничения, когда нагрузка не выбирает всю подаваемую мощность, а АКБ уже полны под завязку. Но пусть будет.

Итак, используем параллельное соединение 6 панелей с подключением их через PWM к АКБ.
И получаем примерно такой график суточного потребления:



Это такой средненький день, с тучками. Не слишком солнечно, не слишком пасмурно, так, нечто среднее.
Как видим, суммарный ток заряда не дотягивает до максимально возможных 30А - это зависит и от освещенности, и от потребления нагрузки (АКБ заряжены, разница напряжений минимальна).
При более-менее значимом разряде АКБ в некоторые дни отмечался ток до 25А. Видимо, стоит считать это реальным пределом для этих панелей.

Возник вопрос, нельзя ли увеличить отдачу, соединив панели последовательно? Так появился второй вариант:
6 панелей последовательно, суммарное напряжение 100-107В, но максимальный ток не может превышать все те же 5А, как у одной панели.
То есть, ставим в 6 раз больше панелей - а получаем все то же самое, как от одной. Невыгодно!

Но может быть можно улучшить результат, преобразовав 107В в 16, и увеличить ток соответственно, с помощью инвертора?
А вот это уже можно посчитать:



Это простая табличка, в которой можно прикинуть пределы и возможности:
Во-первых, примем за отправную точку ток в 25А при напряжении на АКБ 14В.
Мощность = 350Вт.
Новый вариант подключения должен давать результат хотя бы такой же, или лучше.

Третья колонка в таблице - желаемая мощность.
Первая - максимальное напряжение СП.
Вторая - ток, который должен проходить через нагрузку. Это в случае, если напряжение остается тем же, 107В.
Четвертая - это сопротивление нагрузки, которая должна получать такую мощность.
Пятая - это эквивалентный ток заряда, который должен бы идти через АКБ.
Это все - для идеальной СП, напряжение на которой не падает при росте тока. В реальности все должно быть хуже - вопрос, насколько.

Теперь подключаем нагрузку:
24 Ома - реальное падение напряжения на ней 31В, ток 1.24А, реальная мощность 38Вт.
31 Ом - реальное падение напряжения 36В, ток 1.13А, мощность 40Вт.
Данные подтверждают правильность первого графика - с увеличением сопротивления нагрузки ток падает, но напряжение растет, а вместе с ним растет мощность.
То есть, если еще увеличить сопротивление нагрузки - то теоретически, если очень повезет, можем выскочить на горизонтальную часть графика, где напряжение максимально, и получим 340Вт или меньше.

Конечно, это лучше чем 38Вт, но нам надо было лучше чем 350! Но это невозможно, потому что напряжение уже ограничено максимумом, а увеличение тока приводит к падению напряжения.
Обмануть систему не удалось.

Выходит, что оптимальнее всего использовать параллельное подключение панелей - это сразу увеличивает зарядный ток в разы.

Теоретически, можно попытаться поднять инвертором напряжение до стабильных 16В, вытягивая его выше АКБ даже при недостаточном освещении - но это будет уже следующий эксперимент.
В любом случае выше верхнего не прыгнешь, но можно попытаться заполнить провалы.

 

Не надо никого обманывать. Взять приличный МППТ контроллер и соединить СП последовательно. Ток заряда возрастет до максимально возможной величины. Если солнечной энергии будет достаточно, а АКБ разряжена, то получите свои вожделенные ватты-амперы
Это уже тысячи раз проверено-перепроверено.

 

@Weis, дело не в "приличном контроллере". Его КПД не может быть выше 100%, и закон Ома он тоже не отменяет.

При увеличении тока через панель растет ее внутреннее сопротивление - это и по теории, и по практике.
Максимальная мощность при этом определяется характеристиками панели и интенсивностью освещения.
Контроллер действительно может забрать всю доступную мощность - но она будет не выше, чем может дать панель без контроллера, при условии когда напряжение ХХ на панели близко к напряжению АКБ.
Что, собственно, и проверялось.

Скажете, зачем же тогда умные люди придумали контроллеры?
Затем, когда напряжения панелей и АКБ сильно различаются - нужен конвертер.
Затем, что соединить 30 панелей последовательно намного проще, чем сделать то же самое параллельно.
Затем, чтобы снизить количество и толщину медных проводов - потому что при большом токе падение напряжения на сопротивлении провода съест энергию (30*5 = 150А, при сопротивлении кабеля в 0.1Ом он сожрет 15В из 18, на батарею ничего не останется. Медное бревно класть?)
Вот тогда - нужен.

А когда панелей мало - в нем нет никакого смысла. Ну, кроме как "продать чуваку 2 панели по 150Вт и контроллер за 50 т." Приличный

 

Вам о чем нибудь говорит термин "точка максимальной мощности"?

 

Конечно. О том, что вы не поняли того, о чем я там выше написал.
В свою очередь спрошу, говорят ли вам о чем-то слова "внутреннее сопротивление", "эквивалентная схема", и даже "монотонная функция" (ВАХ солнечной панели - как раз монотонная функция)?

 

Термин "точка максимальной мощности" иногда используют, не вполне представляя себе о чем идет речь.
А речь тут идет о поглощении мощности некой абстрактной нагрузкой. Мощность эта равна P= I * U, и для нелинейной вольт-амперной характеристики солнечной панели ее максимум находится на перегибе графика, при максимально возможном токе, при котором напряжение еще не снизилось.
Если ток больше - напряжение ниже и мощность падает. Если ток меньше - напряжение не изменяется, и мощность падает.



Но это все справедливо для нагрузки, потребляющей мощность, когда важно и напряжение, и ток, то есть именно мощность, которую можно потребить. При этом абстрактная нагрузка может иметь любое сопротивление, все пойдет в дело.

А вот для реальной нагрузки в виде АКБ это не так. Заряд АКБ производится протекающим через нее током, вызывающим электрохимические реакции. Чем ток больше - тем больше идет заряд. Нельзя увеличить заряд, увеличив напряжение на батарее и ограничивая при этом ток, это так не работает.

Ток в 11А даст больше заряда, чем ток в 10А. Какое при этом где-то там напряжение - роли не играет, на контактах АКБ оно будет равно напряжению АКБ, чуть больше за счет протекающего тока и неидеальности аккумулятора.
Если подать меньше чем напряжение АКБ - то тока не будет вообще. Если батарея 12В, то неважно, будет подано 11, 10, 8, 4 - заряда не будет никакого.

ВАХ СП нелинейна, поэтому при прямом подключении АКБ вытянет такой ток, при котором напряжение СП будет продолжать быть выше номинала АКБ. Максимально возможный, насколько позволит СП.

 

При последовательном подключении панелей суммируется их внутреннее сопротивление.
К тому же оно зависит от тока. Если при токе Х падение напряжения на внутреннем сопротивлении одной панели равно фото-ЭДС - то этот ток и будет предельным для всей цепочки.
Поэтому для последовательно включенных панелей нужен преобразователь напряжения - вот он то и должен работать в точке максимальной мощности.
Но максимальная мощность Pmax <= Umax * Imax.

 

Теоретически - да.
Практически - не имеет смысла.

 

Похоже что так. На одних только преобразованиях придется потратить больше, чем получится добыть

 

Не стоит забывать о том что любой импульсный преобразователь или тот же мппт, при понижении высокого напряжения до уровня акб одновоеменно повышает выходной ток до уровня, сравнимого с тем, если бы все панели были параллельны. Кпд мппт контроллеров около 0.93-0.96, поэтому такими потерями можно пренебречь, а ток протекающий через каждую панель будет таким же номинальным, как и в параллельном случае, если нагрузка будет оптимальна. Однако эффект от мппт начинается только в том случае, когда напряжение солнечных панелей как минимум в 2 раза выше напряжения заряда. Весь смысл алгоритма мппт это прикинуться оптималтной нагрузкой, создать на своем входе оптимальное входное сопротивление и вычислив программно точку максимальной мощности, производить отбор мощности при помощи преобразования с высоким кпд. Собственно сам этот преобразователь имитирует входное сопротмвление. Я своими руками собрал 2 мппт контроллера, при напряжении СП порядка 52 вольта мппт это очень эффективная штука. Без мппт контроллеров я получал зарядный ток в 2 раза ниже. При этом у контроллера предусмотрен режим ограничения напряжения, при котором он фактически переходит в pwm режим, когда акб почти заряжен и потребления нет. Как только пошло потребление, возобновляется мппт режим и дает компенсирующий ток. Если никакого потребления нет, излишки заряда скидываются в бойлер)

 

Как работает импульсный преобразователь - я знаю

В любом случае выходная мощность не выше входной, а входная ограничена графиком Ток-Напряжение. О чем и речь...

 

В пасмурную погоду напряжение параллельных сп приблизится к напряжению акб и ТММ будет физически невозможно обеспечить. Акб будет недогружать СП. В солнечную погоду при жаркой погоде то же самое, напряжение СП сильно понизится, разница напряжений уменьшится и зарядный ток уменьшится. Поэтому разницу напряжений, как минимум двухкратную, нужно сохранять. И использовать мппт обязательно.

 

Странное утверждение.
Чем выше U на СБ, тем меньше отдаваемая ей мощность, это верно при условии что точка макс. мощности пройдена.
При напряжении ХХ тока от СБ не будет вообще.

 

Там немало странного

 

О да...
Честно говоря, более половины я вообще не понял.