Uparivanje trošila i fotonaponskih panela

[Nikola]

Da malo proširim temu koju sam ovdje započeo:
https://www.perforum.info/forum/index.php/topic,1501.0.html

Ovo se ne tiče samo grijanja vode, nego općenito spajanja bilo kakvog radnog trošila direktno na fotonaponske panele. Direktno spajanje mi je zanimljivo iz razloga što je sustav mnogo jednostavniji, manje je komponenti koje se mogu pokvariti i nema gubitaka uslijed konverzije energije. Nedostatak je ipak što nije baš jednostavno upariti panele sa trošilima, zbog promjenjivih uvjeta.

Da krenem od karakteristike jednog panela (koristim dokumentaciju za panele koje sam kupio), moji su ovi u zadnjem stupcu sa 325W vršne snage:


Podaci vrijede uz osunčanost 1000W/m2. Ovdje je jedan od važnijih podataka MPP napon i struja. MPP (maximum power point) je točka pri kojoj panel generira maksimalnu snagu, to nisu maksimalne vrijednosti ni struje ni napona. Kako je snaga panela veoma ograničena, ako većim trošilom pokušamo "povući" veću snagu iz panela, napon će pasti, i obrnuto, ako panel nije dovoljno opterećen, njegov napon će biti nešto viši od nazivnog. U-I karakteristika tipičnog panela izgleda ovako, uz označenu točku maksimalne snage:


Ovo gore je karakteristika nekog proizvoljnog panela, a kako ja imam 7 panela s poznatim vrijednostima (iz prve tablice), crtam vlastitu U-I karakteristiku:


Sve ovo vrijedi za osunčanost panela od 1000W/m2. Kako se ponaša karakteristika ako je osunčanost manja (recimo kut upada zraka nije idealan ili nije posve vedro):


Tu se vidi da se uz manju snagu panela MPP napon ne mijenja, mijenja se jedino struja. Odnosno, čak i uz manju snagu, napon bi bilo dobro zadržati na deklariranoj vrijednosti, u mom slučaju 237V.

[Nikola]

E sad, što se tiče trošila, upravo sam nabavio ovaj uljni radijator koji ima deklarirane snage 1000, 1500 i 2500 W.


Izmjerio sam otpore grijača, iznose 57, 37 i 22.5 oma. Jasno, ovaj zadnji je zapravo otpor prva dva grijača spojena paralelno i on daje snagu od 1000+1500=2500W.

U-I karakteristika uz ove otpore izgleda ovako:


I sad samo moram preklopiti karakteristiku trošila preko karakteristike panela da bih znao koju snagu očekivati uz koji grijač.

[Nikola]

Preklopim li karakteristike 3 različita grijača preko karakteristike mojih panela (u idealnim uvjetima 1000W/m2), dobijam ovakvo stanje:


Vidi se da je zeleni pravac koji odgovara 2500W grijaču najbliže MPP točki, ali nije daleko ni onaj od 1500W, idealno bi bilo nešto između, oko 2200W.

Sad je malo kompliciranije za predvidjeti što se događa u manje idealnim uvjetima, kada paneli daju samo dio maksimalne snage. Ponovno sam preklopio tri pravca preko karakteristike za različite osunčanosti.


Na U-I krivuljama 1000 W/m2, 800 W/m2 itd. sam prvo označio MPP točke (žute zvjezdice). Nalaze se iznad tjemena pripadajuće krivulje snage. Potražio sam pravac koji prolazi najbliže MPP točki u svakom pojedinom slučaju. Kada su dva pravca prolazila približno jednako blizu, pogledao sam i krivulju snage da vidim koji bi rezultirao većom snagom. Tako sam odabrao idealne grijače za svaki od slučajeva.

1. Uz 1000 W/m2 najviše toplinske energije će proizvoditi grijač od 2500W
2. Uz 800 i 600 W/m2, najviše će energije proizvoditi grijač od 1500W
3. Uz 400 i manje W/m2, najbolji izbor je grijač od 1000W

[Nikola]

Ima još jedna stvar koju nisam zaboravio, ali sam ostavio za kraj. Uljni radijator je malena grijalica sa 11 rebara koja ima svoju maksimalnu temperaturu. Kolikom snagom radijator zagrijava prostor ne ovisi samo o snazi grijača, nego i o sposobnosti radijatora da tu toplinu predaje okolini.

Radijator sam spojio na utičnicu 230V (dakle ne na FN panele nego na gradsku el. mrežu) i pratio rad sa sve tri postavke grijača, 1000W, 1500W i 2500W. Napon na utičnici je znao biti i manji od nazivnog, negdje oko 215V, dakle realna snaga grijača je bila i manja.

1. Uz 1000W radijator je radio neprekidno, nije se uspio zagrijati dovoljno da termostat isključi
2. Uz 1500W radijator je grijao oko 8 min, a hladio se 2-3 minute, pa bi onda opet počeo grijati
3. Uz 2500W radijator je grijao 3 minute, hladio se 3 minute, pa opet grijao 3 minute...

Zaključujem da u toploj prostoriji (oko 20 stupnjeva C) radijator ima sposobnost da zagrijava prostor snagom od oko 1200W. U hladnijoj prostoriji, recimo kod mene može biti i 5 stupnjeva, ta sposobnost predaje topline je sigurno veća, možda 1500W, ali ne mnogo veća. Nemam pri ruci termometar, kada izmjerim temperaturu površine radijatora znati ću lakše procijeniti koliko zaista grije pri kojoj temperaturi prostorije. Ali, za sad ću uzeti da neće moći emitirati više od 1500W energije.

[Nikola]

Nešto kao na ovoj slici.


Ovo sivo ne mogu iskoristiti sa jednim radijatorom. Kada je osunčanost ispod 600-700W/m2, to se niti ne može dogoditi, a kada je 800 i više onda može, ali zato ću koristiti 1500W grijač čak i pri maksimalnoj snazi panela. To mi je ujedno zaštita od pregrijavanja, čak i ako termostat ne isključi, radijator će se ionako hladiti jednako brzo kao što se grije.

Eto, do tuda je moja "istraga" stigla, nadam se da ću uskoro teoriju potkrijepiti i praktičnim opažanjima.

[Nikola]

Moram se pohvaliti da su napori da prekidam strujni krug bez pojave električnog luka urodili plodom! Radijator sa slike gore sam spojio u radioni na istosmjerni napon od oko 60 i nešto sitno volti. Već pri ovom naponu, termostat nije bio u stanju da prekine strujni krug, na kontaktima se pojavio električni luk i kontakti su počeli nagarati. Osjetio se neugodan miris.

Nakon toga, dodao sam RC član paralelno termostatu. Sada je termostat uključivao i isključivao bez ikakve iskre, kao da uopće nije spojen na napon.

[Harp]

Da utjeces odnosno smanjis vrijeme hladjenja grijalice (vrijeme dok ne grije) predlazem da spojis ventilator od auto hladnjaka (12v) na 6v ili slicno (samo da se okrece, ali da sigurno moze startati), on je vrlo tanko dizajniran i poprilicno sirok, taman za tvoju potrebu. Time bi se mnogostruko povecala efikasnost, odnosno mogao bi uci u sivu zonu na tvom grafu.

I... koje si vrijednosti koristio za elektrolit i otpornik, okrenuo si ih da se ne vidi?

[Nikola]

C=10µF, 350V
R=2Ω, par watta

Paralelno elektrolitu sam stavio i mali otpornik od par megaoma, radi pražnjenja elektrolita.

Radijator mi služi kao pokusni kunić da brzo vidim što se događa sa strujnim krugom, da isprobavam neke teorije i sl. U konačnici, grijanje će vjerojatno biti podno, ali to do sljedeće zime riješim. Za ljeto mi je prioritet topla voda.

EDIT: Evo dokument "How Quencharc Works"

[Nikola]

Ja proteklih mjeseci nisam mnogo napravio po pitanju spajanja trošila na panele, odnosno prekidanje strujnog kruga je i dalje aktualan problem. Za sad, kao što sam napisao ovdje, bojler veoma ugodno i bezbrižno koristim tako što ručno uključim i isključim grijanje, bolje od toga mi nije trebalo.

Imam vrlo konkretne ideje kako ću to s vremenom automatizirati, ali više ću pisati kada to zaista i napravim. Do tad, htio sam samo prikazati kako izgleda prekidanje kruga istosmjerne struje.

Dolazi do pojave luka kada se krene žica odvajati od žice. Luk je znao biti duljine 5 i više cm, i nije moguće "samo tako" naći prekidač za trošila, termostat, relej i slično koji bi prekinuo takav luk. Razmak kontakata kod takvih elemenata obično nije više od 1-2 mm što znači da oni ne mogu prekinuti ovakav strujni krug.

Ranije sam isprobavao sa manjim naponom, dakle mnogo manjom snagom, i kondenzator od 10µF je pomagao. Nije dolazilo do pojave luka. Ipak, sa mnogo višim naponom i takav se kondenzator pokazao beskorisnim. Na kraju sam došao do višestruko veće vrijednosti. 47 µF gasi luk pri visokom naponu (230 i više volti) ali se čuje malo šustanje unutar prekidača tj. sklopke. Uz kondenzator od nekih 235 µF prekidanje je potpuno hladno. Kao da struja uopće ne teče.

Na sljedećem se videu vidi prekidanje istog kruga, uz isti napon i struju, ali sa privremeno spojenim kondenzatorom (tj. nizom kondenzatora 47 * 5) 235 µF.

[Harp]

Mozes li napraviti jedan eksperiment, ili mozda vec znas teorijski ishod:

Po suncanom danu kada su solarni paneli direktno spojeni na stropno grijanje, probaj paralelno na njih spojiti uljni radijator (bez zastite od iskrenja), i vidi da li ce pritom doci do iskrenja.

Dakle, cijelo vrijeme je ogromni potrosac fiksno spojen (stropno grijanje) a kada mu paralelno jos pridruzis i radijator onda ce se raspoloziva snaga podijeliti, no nisam siguran da li bi tada doslo do pojave el. luka na zici radijatora ili bi stropno grijanje pri iskljucivanju radijatora momentalno svu struju preuzelo bez pojave luka?

[Nikola]

Nisam napravio opisani test jer je proteklih dana uglavnom bilo oblačno. Napraviti ću kada bude prilike jer i mene zanima.

Iz dosadašnjeg iskustva, kada uključim oba potrošača istodobno (bojler i stropno grijanje, cca po 2,2 kW svaki) struja ostane ista, a napon padne na polovicu vrijednosti, otprilike. Iskustveno, kada sam imao 200 V sa uključenim bojlerom i 8 A struje (snaga 1600 W), pa još priključim i stropno grijanje, napon padne na 100 V a struja je i dalje 8 A. Naravno, sad se struja dijeli na 4+4, pa je snaga kojom radi svaki od potrošača 400 W, ili ukupno samo 800 W uz isto sunce. Što otprilike ilustrira koliko je značajno dobro upariti panel i trošilo.

Ovako napamet, ako su oba trošila spojena, i onda jedno isključim na prekidaču koji nema pomoćne elektronike, rekao bih da je situacija vrlo slična ili ista kao da imam samo to jedno trošilo uz 4 puta manju snagu panela. Kod testiranja radijatora u radioni, na termostatu je jako iskrilo i pri 60V, ali uz mali elektrolit to je iskrenje eliminirano. Pri većem naponu (test u stvarnoj situaciji) taj mali elektrolit nije radio ništa, i tek je veći elektrolit spriječio luk. Dakle, ja bih ovako napamet rekao da je nekakva zaštita od pojave luka ipak potrebna. Usput, prekidački elementi (osigurači, prekidači, termostati...) su obično deklarirani za jedan izmjenični napon i ponekad za 10-20 puta manji istosmjerni. To znači da bih mogao normalno koristiti nemodificirano trošilo tek kad bi istosmjerni napon bio ispod 30-ak volti, što je ipak premalo za bilo kakvu praktičnu upotrebu. Hoće li paralno vezana trošila promijeniti ove pretpostavke, moram provjeriti kada bude sunčan dan.

[Harp]

Ovako napamet, ako su oba trošila spojena, i onda jedno isključim na prekidaču koji nema pomoćne elektronike, rekao bih da je situacija vrlo slična ili ista kao da imam samo to jedno trošilo uz 4 puta manju snagu panela.

Neznam, ja vidim ipak razliku, naime u tvom eksperimentu s niskom voltazom si imao u trenutku iskrenja fizicki prekinuti strujni krug, a ovdje bi stalno bio zatvoren s osnovnim potrosacem.