Какое сечение кабеля нужно низковольтному ТЭНу

Недавно на нашем стенде мы подключали панель 150 Вт класса «12 В» к разным ТЭНам и снимали показания ваттметром. Панель в точке максимальной мощности выдавала 18,13 В и 8,3 А. Когда мы подключили ТЭН с маркировкой «12 В 150 Вт», ваттметр показал всего 8,45 В и 8,8 А, то есть 74 Вт. Половина энергии панели просто осталась невостребованной. А вот ТЭН с сопротивлением 2,16 Ом (мы его маркировали как «18 В 150 Вт») взял от панели все 150 Вт. Разница не в качестве ТЭНа, а в сопротивлении. Это не теория, это цифры с реального замера.

Почему маркировка «12 В» на ТЭНе вводит в заблуждение

Когда мы видим ТЭН «12 В 150 Вт», мы привыкли думать, что он потребляет 150 Вт от источника 12 В. Это работает только если источник держит напряжение, как аккумулятор. Аккумулятор 12 В выдает 12 В и при токе 1 А, и при токе 12 А, пока он не разрядился. Солнечная панель ведет себя иначе: её напряжение зависит от тока, который вы от неё забираете. Панель класса «12 В» имеет напряжение холостого хода около 21,6 В. Но как только вы подключаете нагрузку, напряжение проседает. В точке максимальной мощности (Vmp) оно составляет около 18 В, а ток (Imp) около 8,3 А для панели 150 Вт. Сопротивление панели в этой точке равно Vmp / Imp, то есть 18 / 8,33 = 2,16 Ом. ТЭН - это чисто активное сопротивление. Его мощность на постоянном токе считается по формуле P = U² / R. Если мы берём ТЭН с сопротивлением 0,96 Ом (это и есть «12 В 150 Вт»), то рабочая точка пересечения ВАХ панели и прямой нагрузки U = I × R оказывается при 8,45 В. Мощность при этом 8,45² / 0,96 = 74 Вт. Панель физически не может выдать больше, потому что её напряжение проседает до 8,45 В при таком токе. Если мы берём ТЭН с сопротивлением 2,16 Ом, рабочая точка совпадает с точкой максимальной мощности панели: 18 В и 8,33 А. Мощность 18² / 2,16 = 150 Вт. Вся панель работает в номинале. А вот ТЭН «24 В 150 Вт» с сопротивлением 3,84 Ом даст рабочую точку 20,46 В и 5,33 А, то есть 109 Вт. Это 73% от мощности панели. Казалось бы, ТЭН на большее напряжение должен хуже работать, но он работает лучше, чем «12 В», потому что его сопротивление ближе к сопротивлению панели в точке максимальной мощности. Самый показательный случай - ТЭН «12 В 300 Вт» с сопротивлением 0,48 Ом. На панели 150 Вт он даст всего 4,22 В и 8,8 А, то есть 37 Вт. Более мощный ТЭН даёт меньше мощности, чем менее мощный, потому что его сопротивление слишком низкое и он «сажает» панель.

Что происходит на практике: полевой замер на Урале

Мы проводили замеры в сентябре на Урале, при солнце с облаками. Три панели по 100 Вт номиналом давали следующую картину: - одна панель: 15-20 Вт, - две панели: 30-50 Вт, - три панели: 60 Вт. То есть 300 Вт номинала превратились в 60 Вт факта, примерно 20% от заявленной мощности. Это не брак панелей, это реальные условия: угол солнца, облачность, нагрев панелей. Поэтому, когда вы считаете, сколько воды нагреет ваш бойлер, берите не номинал панелей, а реальную выработку за день. Для нагрева 100 литров воды на 40 градусов нужно 4,65 кВт·ч. Для 80 литров - 3,72 кВт·ч. Для 50 литров - 2,33 кВт·ч. Если ваша система в сентябре на Урале даёт 60 Вт в полдень, то за 5 часов солнечного дня вы получите около 300 Вт·ч. Этого хватит, чтобы нагреть 50 литров всего на 5-6 градусов. Реально солнечный нагрев работает в сезон с мая по сентябрь, и то при ясной погоде.

КПД системы: прямое подключение, MPPT и аккумуляторы

Когда мы говорим про КПД, нужно разделять КПД панели, КПД согласования и КПД накопителя. Сама панель преобразует солнечную энергию в электричество с КПД около 18-22% (для кремниевых панелей). Но нас интересует, сколько из этой энергии дойдёт до ТЭНа. При прямом подключении панели к ТЭНу без согласования средний общий КПД системы (от солнца до нагрева воды) составляет около 12%. Это связано с тем, что рабочая точка панели постоянно плавает из-за изменения освещённости, и фиксированное сопротивление ТЭНа не успевает за ней. Если использовать MPPT-контроллер, который динамически подстраивает нагрузку, КПД вырастает до 18%. MPPT против фиксированной подобранной нагрузки даёт плюс 20-35% годовой выработки. Но у MPPT есть свои потери: контроллер сам потребляет 5-10% энергии. И если вы ставите аккумулятор, то цикл заряд-разряд съедает ещё 8-12%. Если вы используете инвертор, чтобы получить 220 В, он съедает 8-12% и добавляет потери на преобразование. Итого от панели до ТЭНа через инвертор и аккумулятор доходит меньше половины энергии. Прямое подключение без аккумулятора и без инвертора - самый эффективный путь, но он работает только тогда, когда светит солнце.

Сечение кабеля: почему при 12 В это критично, а при 220 В нет

При 220 В падение напряжения в 2 вольта - это меньше 1% потери. При рабочем напряжении 8,5 В (как в нашем замере с ТЭНом «12 В 150 Вт») падение 2 вольта - это уже 25% потери. Поэтому для низковольтных систем правило «по току» не работает, нужно считать именно падение напряжения. Вот расчёт для медного кабеля длиной 10 метров в оба конца (то есть 10 метров до ТЭНа и 10 метров обратно, общая длина 20 метров) при токе 8,8 А: Смотрите, что получается. На кабеле 1,5 мм² при токе 8,8 А падение 2,05 В. Если рабочее напряжение ТЭНа 8,45 В, то на ТЭН дойдёт только 6,4 В. Мощность упадёт пропорционально квадрату напряжения: (6,4 / 8,45)² = 0,57, то есть ТЭН получит только 57% от своей расчётной мощности. А 18 Вт из 150 Вт просто рассеются в проводе, нагрев его. Формула для расчёта потери: P = I² × R, где R - сопротивление провода. Для 1,5 мм² на 20 метрах это 8,8² × 0,233 = 18 Вт. Для 10 мм² это 8,8² × 0,035 = 3 Вт. Разница в 6 раз. Теперь возьмите ТЭН 300 Вт при напряжении 12 В. Ток будет 25 А. Для такого тока на 10 метрах в оба конца нужно сечение минимум 6 мм², иначе падение будет 1,45 В (12% от напряжения) и потери 36 Вт.

Как растёт требование к сечению при снижении напряжения

Возьмём одну и ту же мощность 300 Вт и посмотрим, как меняется ток и требуемое сечение при разных напряжениях. При 220 В ток 1,36 А, хватит 1,5 мм² с запасом. При 48 В ток 6,25 А, нужно 2,5 мм². При 24 В ток 12,5 А, нужно 4 мм². При 12 В ток 25 А, нужно 6 мм² минимум, а лучше 10 мм². Это правило работает для любой длины трассы. Чем ниже напряжение, тем больше ток при той же мощности, тем больше сечение. И это не про нагрев провода (хотя при 25 А и 1,5 мм² провод будет греться), а про падение напряжения, которое съедает полезную мощность. Правило для расчёта: допустимое падение напряжения не должно превышать 3% от рабочего напряжения ТЭНа. Для ТЭНа 12 В это 0,36 В. Для ТЭНа 24 В - 0,72 В. Для ТЭНа 48 В - 1,44 В. Считайте по формуле: сечение (мм²) = (2 × длина трассы в метрах × ток в амперах) / (57 × допустимое падение в вольтах). Коэффициент 57 - это удельная проводимость меди.

Клеммы и наконечники: где греется сильнее, чем в проводе

На токах от 8 до 25 А плохой контакт на клемме греется сильнее, чем сам провод. Переходное сопротивление клеммы даже в 0,01 Ом при токе 25 А даст потерю 6,25 Вт. Это не смертельно для провода, но для пластикового клеммника - реальный риск оплавления. Практические требования для низковольтных систем: - Используйте обжимные наконечники под винт, а не просто зачищенный провод. Зачищенный провод под винтом со временем ослабевает из-за термических циклов. - Наконечники должны быть подходящего размера: для 2,5 мм² - наконечник на 2,5 мм², не больше и не меньше. - Затягивайте винт с усилием, указанным на клеммнике. Обычно это 0,5-0,8 Н·м для малых клемм. - Если соединяете медь и алюминий, используйте переходные шайбы или клеммники с биметаллической пластиной. Прямой контакт меди и алюминия даёт окисление и нагрев. Проверяйте температуру клемм рукой через час после запуска. Если клемма горячее провода - контакт плохой, переделайте. Нормальная температура клеммы при токе 25 А - не выше 50-60 градусов.

Коммутация постоянного тока: почему обычный автомат опасен

ТЭН сам по себе переживёт постоянный ток без проблем. А вот штатный термостат бойлера, рассчитанный на переменный ток 220 В, при коммутации постоянного тока 12-48 В будет убиваться. Причина - дуга. В сети переменного тока дуга гаснет сама при переходе напряжения через ноль, это происходит 100 раз в секунду (для 50 Гц). На постоянном токе перехода через ноль нет. Дуга горит непрерывно, пока контакты не разойдутся на достаточное расстояние. При токе 8 А и напряжении 24 В дуга уже заметна, а при 25 А и 48 В она разрушает контакты за несколько десятков циклов. Что нужно использовать: - Автоматические выключатели с DC-рейтингом. На корпусе должна быть маркировка «DC» и указание напряжения, например «DC 48 В 16 А». - Контакторы с магнитным дугогашением. Магнитная катушка растягивает дугу и гасит её. - Термостаты, специально предназначенные для постоянного тока, с герметичными контактами. Если вы используете обычный автомат на переменный ток в цепи постоянного тока, он может работать какое-то время, но при отключении под нагрузкой контакты будут подгорать. Через 20-30 отключений автомат начнёт греться, а потом откажет.

Что мы производим и как подобрать ТЭН под ваш массив панелей

Мы делаем низковольтные ТЭНы постоянного тока на 12, 24, 48 В, мощностью 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 от 280 до 600 мм. Корпус из нержавейки, меди или титана. Главное отличие нашего подхода: мы делаем ТЭН под заданное сопротивление, а не просто под «вольты и ватты». Когда вы присылаете параметры ваших панелей (Vmp и Imp), мы рассчитываем нужное сопротивление и собираем ТЭН точно под него. Это позволяет выжать из панели максимум без MPPT-контроллера. Как подобрать ТЭН под ваш массив: 1. Посмотрите на шильдике панели значения Vmp (напряжение в точке максимальной мощности) и Imp (ток в точке максимальной мощности). 2. Если у вас несколько панелей, соединённых последовательно, сложите Vmp. Если параллельно - сложите Imp. 3. Нужное сопротивление ТЭНа = суммарный Vmp / суммарный Imp. 4. Пришлите нам это значение, мы изготовим ТЭН с нужным сопротивлением. Например, у вас две панели по 150 Вт, каждая с Vmp 18 В и Imp 8,33 А. При последовательном соединении Vmp = 36 В, Imp = 8,33 А. Сопротивление = 36 / 8,33 = 4,32 Ом. При параллельном соединении Vmp = 18 В, Imp = 16,66 А. Сопротивление = 18 / 16,66 = 1,08 Ом. Это два разных ТЭНа, и они будут давать разную мощность на одном и том же массиве панелей.

При последовательном соединении панелей ток остаётся тем же, а напряжение растёт. При параллельном - напряжение остаётся, а ток растёт. Сопротивление ТЭНа всегда считается как суммарный Vmp, делённый на суммарный Imp.

Реальная выработка: сколько воды вы нагреете за день

Давайте посчитаем на конкретном примере. У вас массив панелей 300 Вт номиналом, вы подобрали ТЭН с правильным сопротивлением. В ясный июльский день на юге России панель будет работать с реальной мощностью около 70-80% от номинала в полдень. За 8 часов солнечного дня вы получите примерно 1,8-2 кВт·ч. Этого хватит, чтобы нагреть 50 литров воды на 35-40 градусов. Для 100 литров - только на 17-20 градусов. В сентябре на Урале, как мы замерили, реальная мощность в полдень 60 Вт при номинале 300 Вт. За 6 часов солнечного дня это 360 Вт·ч. Этого хватит, чтобы нагреть 50 литров на 6 градусов. Практически бесполезно для душа, но для предварительного подогрева холодной воды перед электрическим котлом - неплохо. Если вы хотите реально греть воду для душа, вам нужно минимум 1 кВт номинала панелей на 100 литров бойлера в летний период. Для круглогодичного использования в средней полосе солнечный нагрев не закроет ГВС даже с 3 кВт панелей, потому что зимой выработка падает в 5-10 раз.

Как проверить, что вы не теряете мощность в кабеле

Простой тест: измерьте напряжение на клеммах панели без нагрузки (холостой ход), потом подключите ТЭН и измерьте напряжение на клеммах ТЭНа. Разница между этими значениями - падение напряжения в кабеле и контактах. Если разница больше 3% от рабочего напряжения ТЭНа - увеличивайте сечение или укорачивайте трассу. Второй тест: измерьте ток в цепи и напряжение на ТЭНе. Умножьте их - получите фактическую мощность. Сравните с ожидаемой (Vmp панели × Imp панели). Если фактическая мощность меньше на 20% и более - ищите потери: кабель, контакты, неправильное сопротивление ТЭНа. Третий тест: потрогайте кабель по всей длине через час работы. Если какой-то участок теплее остальных - там плохой контакт или заниженное сечение. Кабель должен быть чуть тёплым, но не горячим.

• ТЭН 48 вольт от солнечных панелей: меньше ток, тоньше кабель
• ТЭН 24 вольта для бойлера: когда он оправдан
• Как рассчитать ТЭН под солнечную панель по сопротивлению

Частые вопросы