Бойлер от солнечных батарей: три схемы и что получается на практике

Вы приходите на дачу в сентябре, ставите панель на 100 Вт на крышу бани, цепляете её к ТЭНу на 12 В от старого бойлера, а вода за день нагревается на 15 градусов. Сосед с такими же панелями, но через MPPT-контроллер и аккумулятор на 24 В, греет полный бак на 80 литров до комфортных 45 °C. Разница не в солнце, а в том, что вы забыли закон Ома, а сосед подобрал сопротивление под нагрузку. Мы замерили это на стенде с ваттметром: панель класса «12 В» выдает в рабочей точке 18,13 В, и это меняет всё.

Почему панель «12 В» не дружит с ТЭНом «12 В»

Панель с номиналом 12 В на холостом ходу выдает 21,6 В, а под нагрузкой проседает до 18 В. Это её рабочая точка, где она отдает максимальную мощность. Ток в этой точке около 8,3 А для 150-ваттной панели. Теперь считаем сопротивление панели: 18 В делим на 8,3 А, получаем 2,16 Ом. ТЭН с маркировкой «12 В 150 Вт» имеет сопротивление 0,96 Ом. Когда вы соединяете их, ток и напряжение на ТЭНе определяются пересечением вольт-амперной характеристики панели и прямой нагрузки. Панель не может выдать больше тока, чем позволяет освещенность, а напряжение проседает под нагрузкой. В точке пересечения получаем 8,45 В и 8,8 А, что дает 74 Вт. Половина мощности панели просто теряется в виде нагрева самой панели, а не воды. Если взять ТЭН «18 В 150 Вт» с сопротивлением 2,16 Ом, рабочая точка совпадет с точкой максимальной мощности панели: 18 В, 8,33 А, 150 Вт. Это идеальное согласование. А вот ТЭН «24 В 150 Вт» с сопротивлением 3,84 Ом даст 20,46 В и 5,33 А, то есть 109 Вт. Казалось бы, больше вольт, а мощность меньше. Самый показательный случай: ТЭН «12 В 300 Вт» с сопротивлением 0,48 Ом вытянет из панели всего 4,22 В и 8,8 А, это 37 Вт. Более мощный ТЭН дает в два раза меньше тепла, потому что его сопротивление слишком низкое.

Схема 1: панель -> низковольтный ТЭН напрямую

Это самая дешевая схема. Панель, провод, ТЭН, никаких контроллеров и аккумуляторов. Стоимость комплекта для 100 л бака: панель 150 Вт около 8-10 тысяч рублей, ТЭН под заказ 1,5-2 тысячи, кабель 2,5 мм2 на 10 метров 500 рублей. Итого около 12 тысяч. Но плата за дешевизну - нестабильность. Солнце зашло за облако, панель выдает 60 Вт вместо 150, вода греется в два раза дольше. Утром и вечером панель выдает 20-30% от номинала. Наш замер на Урале в сентябре: одна панель 100 Вт давала 15-20 Вт при облачности, две - 30-50 Вт, три - 60 Вт. То есть 300 Вт номинала превратились в 60 Вт факта, это 20%. Штатный термостат бойлера тут не работает. Он рассчитан на переменный ток 220 В и дуга при размыкании контактов гаснет при переходе через ноль. На постоянном токе 18 В дуга не гаснет, контакты подгорают за пару недель. Поэтому термостат нужно отключать или ставить отдельный DC-коммутатор. Сам ТЭН переживет все, а вот автоматика нет. Когда схема уместна: если у вас летний душ на даче, где вода нужна к вечеру, и вы готовы следить за солнцем. Бак на 50 литров с этой схемой за день нагреется на 40 градусов только в ясный июльский день. Для ГВС круглый год она не подходит.

Схема 2: панели -> контроллер -> аккумулятор -> низковольтный ТЭН 24/48 В

Здесь появляется аккумулятор, который стабилизирует напряжение. Контроллер MPPT отслеживает точку максимальной мощности панели и заряжает АКБ. Аккумулятор держит напряжение 24 В или 48 В, поэтому ТЭН получает паспортные вольты и отдает заявленную мощность. Считаем энергию. Нагреть 100 л воды на 40 градусов требует 4,65 кВт·ч. С одним аккумулятором на 100 А·ч (2,4 кВт·ч полезной энергии при 24 В и 50% разряда) вы получаете половину бака горячей воды. Два аккумулятора - полный бак. Стоимость: контроллер MPPT на 20 А около 4-5 тысяч, аккумулятор AGM на 100 А·ч 12-15 тысяч, два - 24-30 тысяч. Плюс панели и ТЭН. Итого схема выходит в 40-50 тысяч. КПД этой схемы выше, чем кажется. MPPT против фиксированной подобранной нагрузки дает плюс 20-35% годовой выработки. Потери на цикле заряд-разряд аккумулятора составляют 10-15% для литиевых и до 25% для свинцовых. Но аккумулятор сглаживает облачность: панель выдает 60 Вт, а ТЭН получает стабильные 100 Вт из накопленного. Вода греется медленнее, но не останавливается. ТЭН на 24 В 300 Вт при сопротивлении 1,92 Ом от аккумулятора 25,2 В (полный заряд) выдаст 330 Вт. Это на 10% больше номинала, но для ТЭНа безопасно, он переживает кратковременный перегруз. Главное, чтобы автоматика бойлера была рассчитана на постоянный ток или вы использовали отдельный DC-термостат.

Схема 3: панели -> контроллер -> аккумулятор -> инвертор -> обычный ТЭН 220 В

Самая дорогая и самая неэффективная по деньгам схема. Здесь вы поднимаете напряжение с 24 В до 220 В через инвертор, чтобы запитать штатный ТЭН бойлера. Инвертор съедает 8-12% мощности на преобразование. Плюс потери на заряд-разряд аккумулятора 15-20%. Итого от панели до ТЭНа доходит 70-75% энергии. Пример: панели 600 Вт номинала в ясный день дают 600 Вт. Контроллер с КПД 95% отдает в аккумулятор 570 Вт. Аккумулятор отдает 85% (для свинцовых), это 484 Вт. Инвертор с КПД 90% выдает 436 Вт на ТЭН. Итого 600 Вт превратились в 436 Вт, потеряли 27%. Стоимость этой схемы: инвертор на 1 кВт с чистой синусоидой 8-10 тысяч, контроллер 5 тысяч, аккумуляторы 30 тысяч, панели 20 тысяч, ТЭН штатный уже есть. Итого 60-70 тысяч. За эти деньги вы получаете возможность использовать штатный ТЭН и термостат бойлера, который работает от 220 В переменного тока. Это единственный плюс схемы. Когда она оправдана: если у вас уже есть инвертор и аккумуляторы для аварийного электроснабжения дома, и вы хотите летом сливать излишки в бойлер. Но строить такую систему специально для нагрева воды невыгодно. Выброшенные на инвертор 10 тысяч рублей могли бы купить два дополнительных метра солнечного коллектора.

Сравнение трех схем в цифрах

Цифры по КПД средние за сезон. Прямое подключение без согласования дает общий КПД около 12% от солнечной энергии в воду, с MPPT и правильно подобранным ТЭНом - до 18%. Разница в 1,5 раза - это не мелочь, а 200-300 кВт·ч в год с одного киловатта панелей.

Как подобрать ТЭН под ваши панели: пошагово

1. Узнайте параметры вашей панели

   На шильдике найдите Vmp (рабочее напряжение) и Imp (рабочий ток). Для панели 150 Вт это обычно 18 В и 8,3 А. Если данных нет, возьмите Voc (напряжение холостого хода) и умножьте на 0,83 - получите примерное Vmp.

2. Посчитайте сопротивление панели

   Разделите Vmp на Imp. Для 18 В и 8,3 А это 2,16 Ом. Это сопротивление, которое должна иметь ваша нагрузка, чтобы забрать максимум мощности.

3. Рассчитайте сопротивление ТЭНа

   Возьмите номинальную мощность ТЭНа и напряжение, при котором он будет работать. Для 24 В и 300 Вт: 24 умножить на 24 и разделить на 300, получаем 1,92 Ом. Сравните с сопротивлением панели.

4. Выберите ближайшее значение

   Если сопротивление ТЭНа меньше сопротивления панели, вы теряете мощность. Если больше - тоже теряете. Идеал - совпадение в пределах 10%. Для панели 150 Вт это ТЭН «18 В 150 Вт» или «24 В 300 Вт» (он даст 109 Вт, что приемлемо).

5. Проверьте сечение кабеля

   На 10 метров кабеля 1,5 мм2 при токе 8,8 А падение напряжения 2,05 В, потеря 18 Вт. Это 12% от мощности. Берите 2,5 мм2 (потеря 11 Вт) или 4 мм2 (7 Вт). Для тока 8,8 А минимум 2,5 мм2, лучше 4 мм2.

Потери в кабеле: почему это не мелочь

На низком напряжении каждый ом провода критичен. Считаем для 10 метров кабеля в оба конца при токе 8,8 А. Медь 1,5 мм2 имеет сопротивление 0,233 Ом, падение 2,05 В, потеря 18 Вт. Это четверть от 74 Вт, которые вы и так теряете на несогласовании. Медь 2,5 мм2 - падение 1,23 В, потеря 11 Вт. Медь 4 мм2 - 0,77 В, 7 Вт. Медь 6 мм2 - 0,51 В, 5 Вт. Медь 10 мм2 - 0,31 В, 3 Вт. Разница между 1,5 и 10 мм2 - 15 Вт. В масштабе дня это 150 Вт·ч, которые вы не досчитаетесь в баке. Для летнего душа на даче это несущественно, а для круглогодичного ГВС - уже заметно. Правило: при токе до 10 А и длине до 10 метров берите 2,5 мм2. При длине 20 метров - 4 мм2. Дальше считайте по формуле: падение напряжения равно ток умножить на сопротивление кабеля, и оно не должно превышать 3% от рабочего напряжения.

Что мы производим и как это связано с вашей задачей

Мы делаем низковольтные ТЭНы постоянного тока на 12, 24 и 48 В, мощность от 300 Вт до 1,5 кВт, под заказ до 3-6 кВт. Резьбы G1/2, G3/4, 1 дюйм, M28x1,5, M30x1,5. Длина 280-600 мм, корпус из нержавейки, меди или титана. Но главное не это. Мы делаем ТЭНы под заданное сопротивление, а не просто под «вольты и ватты». Это позволяет согласовать его с конкретным массивом панелей. Если у вас панель 150 Вт с Vmp 18 В, мы изготовим ТЭН с сопротивлением 2,16 Ом, и он заберет всю мощность. Если у вас две панели по 150 Вт соединены последовательно (Vmp 36 В), нужен ТЭН на 36 В с сопротивлением 4,32 Ом. Это дает 300 Вт. Для аккумуляторной схемы на 24 В с ТЭНом 300 Вт сопротивление должно быть 1,92 Ом, и мы его сделаем.

Замер на стенде показал: панель 150 Вт с ТЭНом «12 В 150 Вт» выдает 74 Вт, а с ТЭНом «18 В 150 Вт» - 150 Вт. Разница в два раза при одной и той же панели и одном и том же солнце.

Частые ошибки при самостоятельном монтаже

Первая ошибка - верить маркировке «12 В» на ТЭНе и ставить его на панель без аккумулятора. Вы получаете половину мощности и думаете, что солнце плохое. Вторая - экономить на проводе. Тонкий кабель на 12 В греется, теряет вольты, и вода не греется. Третья - подключать штатный термостат бойлера к постоянному току. Он сгорит через месяц, потому что дуга не гаснет. Четвертая ошибка - думать, что MPPT-контроллер решит все проблемы. Он согласует панель с аккумулятором, но не с ТЭНом. Если у вас аккумулятор 24 В и ТЭН «24 В 150 Вт», вы получите 150 Вт только при полностью заряженном аккумуляторе. При разряженном до 22 В мощность упадет до 126 Вт. Это нормально, но учитывайте. Пятая ошибка - ожидать, что солнечный бойлер зимой в средней полосе закроет ГВС. Не закроет. В декабре панель 300 Вт выдает 30-40 Вт в пасмурный день. Этого хватит на подогрев 50 л воды на 10 градусов. Для летнего душа и подогрева воды для технических нужд - да, для полноценного ГВС с ноября по февраль - нет.

Что выбрать для вашей дачи

Если у вас летний домик, где вы бываете с мая по сентябрь, и бак на 50-80 л - берите схему 1 с правильно подобранным ТЭНом. Это 12-15 тысяч рублей, и за ясный день вы нагреете бак с 15 до 45 градусов. Если нужна вода даже в облачность и вы готовы вложить 40-50 тысяч - схема 2 с аккумулятором на 24 В. Она окупится за 3-4 года, если сравнивать с электричеством по тарифу 6 рублей за кВт·ч. Схему 3 с инвертором берите только в одном случае: если у вас уже есть инвертор и аккумуляторы для резервного питания дома. Тогда дополнительные 10-15 тысяч на панели и контроллер дадут летний подогрев воды без переделки бойлера. Но специально строить такую систему для нагрева воды - выбрасывать деньги на двойное преобразование энергии.

• Калькулятор ТЭНа для солнечных панелей
• ТЭН для бойлера от солнечной панели: почему «12 вольт» обманывает
• Сколько солнечных панелей нужно, чтобы нагреть бойлер
• Напрямую или через аккумулятор: что выбрать для ТЭНа

Частые вопросы