Если вы подключили солнечную панель напрямую к обычному ТЭНу на 12 В и поставили штатный термостат от бойлера 220 В, вы уже потеряли половину мощности панели и заложили мину под нагрев. Панель «12 В» на самом деле выдает около 18 В, и ТЭН нужно подбирать по сопротивлению под эту рабочую точку, а коммутировать постоянный ток только DC-аппаратурой. Иначе термостат сгорит, а автомат не отключится.
Почему панель «12 В» не дает 12 вольт
Маркировка солнечной панели «12 В» это номинальное напряжение аккумулятора, под который она проектировалась. Сама панель выдает напряжение холостого хода Voc около 21,6 В, а рабочее напряжение в точке максимальной мощности Vmp около 18 В. Ток в этой точке для 150-ваттной панели около 8,3 А. Это стандарт для 36-элементных панелей, которые заряжают 12-вольтовый аккумулятор через контроллер.
Когда вы подключаете панель напрямую к ТЭНу, вы убираете контроллер и аккумулятор из цепи. Теперь рабочая точка определяется пересечением вольт-амперной характеристики панели и прямой нагрузки, которая описывается законом Ома: U = I * R. Панель пытается выдать ток, но сопротивление ТЭНа ограничивает его. В результате напряжение на нагрузке проседает до значения, которое зависит от сопротивления ТЭНа.
Для панели 150 Вт класса «12 В» сопротивление в точке максимальной мощности равно Vmp / Imp, то есть 18 В / 8,33 А = 2,16 Ом. Если сопротивление ТЭНа совпадает с этим значением, вы получаете все 150 Вт. Если сопротивление другое, вы получаете меньше, иногда в разы меньше.
Что происходит с разными ТЭНами на одной панели
Мы прогнали расчеты для четырех популярных ТЭНов на нашей 150-ваттной панели. Формула простая: мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление. Только напряжение мы берем не из маркировки, а из пересечения ВАХ панели с прямой нагрузки.
| ТЭН по маркировке | Сопротивление | Рабочая точка | Реальная мощность | Доля от панели |
|---|---|---|---|---|
| 12 В 150 Вт | 0,96 Ом | 8,45 В, 8,8 А | 74 Вт | 49% |
| 18 В 150 Вт | 2,16 Ом | 18,0 В, 8,33 А | 150 Вт | 100% |
| 24 В 150 Вт | 3,84 Ом | 20,46 В, 5,33 А | 109 Вт | 73% |
| 12 В 300 Вт | 0,48 Ом | 4,22 В, 8,8 А | 37 Вт | 25% |
Смотрите на последнюю строку. ТЭН на 300 Вт, который кажется мощнее, на этой панели дает всего 37 Вт. Потому что его сопротивление 0,48 Ом, он загружает панель слишком сильно, напряжение проседает до 4,22 В, и ток упирается в максимум панели. Более мощный ТЭН дает меньше, чем менее мощный. Это контринтуитивно, но это факт для прямого подключения без контроллера.
Правило подбора: сопротивление ТЭНа должно быть равно Vmp / Imp вашего массива панелей. Для одной панели 150 Вт класса «12 В» это 2,16 Ом. Для двух таких панелей, соединенных последовательно, сопротивление нужно удваивать до 4,32 Ом, потому что Vmp удваивается, а Imp остается тем же.
Реальный замер на Урале в сентябре
Мы выезжали на замеры с панелями по 100 Вт каждая. День был солнечный, с редкими облаками. Одна панель давала 15-20 Вт, две панели, соединенные последовательно, давали 30-50 Вт, три панели давали около 60 Вт. То есть суммарный номинал 300 Вт превратился в 60 Вт факта. Это примерно 20% от заявленной мощности.
Это не значит, что панели плохие. Это значит, что сентябрьское солнце на широте Урала дает низкую освещенность, панели греются, и КПД падает. Летом в ясный полдень вы получите ближе к номиналу, но все равно не 100%. Ориентируйтесь на среднюю выработку за сезон, а не на пиковую мощность. Для ГВС на даче это означает, что солнечный нагрев работает как предварительный подогрев, а не как полная замена электричеству.
Не ожидайте, что солнечный бойлер зимой в средней полосе закроет ваши нужды в горячей воде. Не закроет. Зимой выработка падает до 5-10% от номинала, и вам все равно понадобится резервный нагрев от сети или котла.
Сколько энергии нужно для нагрева воды
Посчитаем базовую потребность. Чтобы нагреть 100 литров воды на 40 градусов, нужно 4,65 кВт*ч. Это формула: масса воды 100 кг умножить на теплоемкость 4,18 кДж/(кг*°C) умножить на дельту 40 градусов, и перевести в киловатт-часы. Для 80 литров нужно 3,72 кВт*ч, для 50 литров 2,33 кВт*ч.
Теперь прикинем, сколько дадут панели. Если у вас стоит массив 300 Вт номиналом, и в сентябре он выдал 60 Вт, то за 6 часов эффективного солнечного времени это 360 Вт*ч. Это одна шестая от потребности на 50 литров. Летом в июне массив может выдать 150-180 Вт в среднем, за 8 часов это 1,2-1,4 кВт*ч. Уже лучше, но все равно не покрывает 2,33 кВт*ч на 50 литров. Вывод: солнечный нагрев это подспорье, а не основной источник.
КПД прямого подключения и роль MPPT
Когда вы подключаете панель напрямую к ТЭНу без всякой электроники, средний общий КПД системы получается около 12%. Это потому, что панель работает не в точке максимальной мощности большую часть времени. Солнце движется, облака набегают, температура меняется, и рабочая точка уходит от оптимума.
Если поставить контроллер с MPPT (отслеживание точки максимальной мощности), КПД поднимается до 18%. Это плюс 50% к выработке по сравнению с прямым подключением. При этом MPPT против фиксированной, но хорошо подобранной нагрузки дает плюс 20-35% годовой выработки. То есть если вы точно подобрали сопротивление ТЭНа под массив, контроллер все равно выиграет, но не так сильно.
Прямое подключение без согласования это лотерея, где вы почти всегда проигрываете от 25% до 75% мощности панели.
Есть еще вариант с аккумулятором и инвертором. Но тут свои потери: инвертор съедает 8-12%, плюс потери на цикле заряд-разряд аккумулятора еще 10-15%. Итого вы теряете около четверти энергии еще до ТЭНа. Прямое подключение без аккумулятора при правильно подобранном ТЭНе может быть эффективнее, чем через инвертор, но проигрывает MPPT-контроллеру.
Почему сгорает термостат и автомат на постоянном токе
Это самый опасный момент во всей схеме. Штатные термостаты и автоматы рассчитаны на переменный ток 220 В. Переменный ток проходит через ноль дважды за период, при частоте 50 Гц это 100 раз в секунду. Когда контакты размыкаются, дуга, которая возникает между ними, гаснет в момент перехода напряжения через ноль. Это естественное гашение, и контакты живут долго.
У постоянного тока нет перехода через ноль. Дуга горит непрерывно, пока контакты не разойдутся достаточно далеко. Но даже после размыкания дуга продолжает гореть, перенося металл с одного контакта на другой. Результат: подгар, эрозия, залипание. В худшем случае контакты свариваются, и нагрев не отключается вообще. Это прямой путь к перегреву бойлера и вскипанию воды.
Мы это видели своими глазами: термостат от бойлера 220 В, подключенный в цепь постоянного тока 18 В, продержался три дня. Контакты почернели, и термостат замкнул накоротко. Автомат на 16 А переменного тока тоже не отключился при коротком замыкании в DC-цепи, потому что его дугогасительная камера не рассчитана на постоянный ток.
Что ставить для коммутации постоянного тока
Для DC-контура нужны автоматы и контакторы с явным DC-рейтингом. У них есть магнитное дугогашение, которое растягивает и гасит дугу принудительно. И у них есть полярность подключения, ее нельзя путать. Если перепутать плюс и минус на DC-автомате, дугогашение не сработает, и автомат выйдет из строя при первом же отключении под нагрузкой.
Терморегулятор в DC-контуре можно ставить тремя способами. Первый: использовать DC-рейтингованный термостат, который рассчитан на коммутацию постоянного тока. Второй: поставить промежуточное реле постоянного тока, которое управляется слаботочной цепью термостата, а силовую цепь коммутирует DC-контактор. Третий: не разрывать силовую цепь термостатом, а подавать сигнал на вход контроллера нагрузки, который уже управляет DC-контактором.
Потери в кабеле на низком напряжении
На низком напряжении потери в проводах становятся критичными. Мы посчитали для медного кабеля длиной 10 метров в оба конца, ток 8,8 А. Сопротивление 1,5 мм2 составляет 0,233 Ом, падение напряжения 2,05 В, потеря мощности 18 Вт. Для 2,5 мм2 сопротивление 0,140 Ом, падение 1,23 В, потеря 11 Вт. Для 4 мм2 сопротивление 0,088 Ом, падение 0,77 В, потеря 7 Вт. Для 6 мм2 сопротивление 0,058 Ом, падение 0,51 В, потеря 5 Вт. Для 10 мм2 сопротивление 0,035 Ом, падение 0,31 В, потеря 3 Вт.
Теперь переведем в проценты. Если панель дает 150 Вт, то 18 Вт потерь это 12% от всей мощности. На кабеле 1,5 мм2 вы теряете четверть полезной мощности в проводах. Это сравнимо с потерями в инверторе. Поэтому для низковольтного солнечного нагрева берите кабель не меньше 4 мм2, а лучше 6 мм2. И держите панели как можно ближе к бойлеру.
Для массива 300 Вт с током около 16 А при 18 В кабель 2,5 мм2 даст потери уже 40 Вт, это 13% от мощности. Здесь 6 мм2 это минимум, а 10 мм2 желательно.
Как мы делаем ТЭНы под солнечные панели
Мы производим низковольтные ТЭНы постоянного тока на 12, 24, 48 В, мощностью от 300 Вт до 1,5 кВт, под заказ до 3-6 кВт. Резьбы бывают G1/2, G3/4, 1 дюйм, M28x1,5, M30x1,5. Длина от 280 до 600 мм. Корпус из нержавейки, меди или титана. Но главное не это. Главное, что мы делаем ТЭН под заданное сопротивление, а не только под «вольты и ватты».
Когда вы приходите с конкретным массивом панелей, мы считаем Vmp и Imp вашей системы и выдаем ТЭН с сопротивлением, которое совпадает с рабочей точкой. Это и есть согласование. Для одной панели 150 Вт класса «12 В» это будет ТЭН с сопротивлением 2,16 Ом, который реально выдаст 150 Вт. Для двух последовательных панелей это 4,32 Ом. Для трех последовательных 6,48 Ом.
Если вы планируете использовать MPPT-контроллер, ТЭН подбирается под выходное напряжение контроллера, а не под панель. Но в этом случае контроллер уже сам отслеживает точку максимальной мощности, и сопротивление ТЭНа менее критично. Хотя все равно лучше попасть в номинал, чтобы не перегружать контроллер.
Практическая схема подключения
Собираем простую и безопасную схему. Панели соединяем последовательно, чтобы получить рабочее напряжение 18, 36 или 54 В в зависимости от количества. Кабель от панелей до бойлера берем 6 мм2 минимум. В разрыв плюсовой линии ставим DC-автомат с номиналом по току массива и DC-рейтингом. Далее DC-контактор, который управляется термостатом через промежуточное реле. Термостат используем с DC-рейтингом или обычный, но через реле, чтобы он не коммутировал силовой ток.
ТЭН подключаем напрямую к контактору. Обязательно ставим защиту от перегрева отдельным термовыключателем, который разрывает цепь управления контактора при температуре выше 90°C. Это страховка на случай, если основной термостат залипнет. Вся коммутация должна быть в щитке с маркировкой полярности.
Проверяем полярность мультиметром перед первым включением. Включаем автомат, смотрим на ваттметр. Если мощность сильно ниже расчетной, проверяем напряжение на ТЭНе. Если оно просело, значит сопротивление ТЭНа не совпадает с панелью. Меняем ТЭН на тот, у которого сопротивление ближе к Vmp / Imp массива.
Частые вопросы
Почему мой ТЭН на 12 В греет воду в два раза медленнее, чем должен?
Потому что панель класса «12 В» выдает не 12 В, а около 18 В в рабочей точке. ТЭН с маркировкой «12 В 150 Вт» имеет сопротивление 0,96 Ом, и на панели 150 Вт он получает только 8,45 В и выдает 74 Вт вместо 150 Вт. Нужно брать ТЭН с сопротивлением 2,16 Ом, тогда он получит все 150 Вт.
Можно ли поставить обычный термостат от бойлера 220 В в цепь солнечной панели?
Нельзя. Обычный термостат рассчитан на переменный ток, где дуга гаснет при переходе через ноль. На постоянном токе дуга горит непрерывно, контакты подгорают и залипают за несколько дней. Нужен DC-рейтингованный термостат или управление через промежуточное реле и DC-контактор.
Какой автомат ставить для защиты цепи солнечного нагрева?
Только автомат с явным DC-рейтингом и магнитным дугогашением. Обычный автомат на переменный ток не разомкнет цепь постоянного тока при коротком замыкании, потому что дуга не гаснет. У DC-автомата есть полярность подключения, ее нельзя перепутать.
Почему более мощный ТЭН на 300 Вт греет хуже, чем ТЭН на 150 Вт?
Потому что у ТЭНа на 300 Вт сопротивление 0,48 Ом, он слишком сильно нагружает панель. Напряжение проседает до 4,22 В, и мощность падает до 37 Вт. ТЭН на 150 Вт с сопротивлением 2,16 Ом совпадает с рабочей точкой панели и выдает все 150 Вт. Мощность ТЭНа не важна, важно его сопротивление.
Сколько воды реально нагреет солнечная панель 150 Вт за день?
В ясный летний день панель выдаст около 0,8-1 кВт*ч. Этого хватит, чтобы нагреть 50 литров воды на 15-20 градусов. В сентябре выработка падает до 0,2-0,3 кВт*ч, это нагрев на 5-7 градусов. Для полноценного ГВС нужно минимум 2-3 кВт*ч в день, то есть массив 300-500 Вт с MPPT-контроллером.
Что лучше: прямое подключение панели к ТЭНу или через MPPT-контроллер?
MPPT-контроллер дает плюс 20-35% годовой выработки по сравнению с фиксированной нагрузкой. Но он стоит денег и сам потребляет энергию. Если точно подобрать сопротивление ТЭНа под массив, прямое подключение будет работать с КПД около 12%, а с MPPT около 18%. Для простой дачной схемы прямое подключение с правильно подобранным ТЭНом оправдано, для максимальной выработки берите MPPT.
Не уверены, что подойдёт?
Пришлите фото шильдика бойлера или старого ТЭНа — подберём деталь по фланцу, длине и мощности и отправим по России.