如何利用MPPT設計一個太陽能熱水控制器

介紹

家用熱水的太陽能加熱傳統(tǒng)上是使用“太陽能熱”技術（平板面板或真空管集熱器）實現(xiàn)的。雖然就單位面積捕獲的能量而言，太陽能熱能比光伏（PV）更節(jié)省空間，但它通常具有較高的安裝成本，在寒冷天氣或陰天時效率較低，壽命較短，并且可以提供持續(xù)維護挑戰(zhàn)和成本（機械泵、防凍和腐蝕化學品、泄漏、屋頂空間定位和管道布線等）的數(shù)量。有更大的太陽能收集區(qū)域可用（在大多數(shù)安裝中很少有限制），那么現(xiàn)在使用光伏電池板提供了一種更具成本效益、接近零維護且性能更好的“固態(tài)”太陽能熱水替代方法。光伏電池板成本的快速持續(xù)下降有助于使光伏熱水成為一種有吸引力且經(jīng)濟可行的方法。Loadmaster設計為位于光伏電池板陣列和傳統(tǒng)浸入式電加熱器之間，旨在調(diào)節(jié)加熱元件的負載阻抗，以便在不受天空條件影響的情況下最大限度地提高光伏電能的收集效率。

光伏系統(tǒng)也比太陽能熱系統(tǒng)更通用，任何多余的電能都可以很容易地用于各種其他目的。LoadMaster包括一個可選的第二個輸出，允許將多余的太陽能轉(zhuǎn)移到電踢腳板加熱器（便宜）并在水達到最高溫度后用于空間加熱。

如果房產(chǎn)擁有完整的“并網(wǎng)”太陽能電力裝置，則可以使用許多商業(yè)產(chǎn)品將多余的電力轉(zhuǎn)移到水浸式加熱器，而不是將其饋入電網(wǎng)。并網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性和成本延長了回報時間，而且對于許多連接到電網(wǎng)的人來說，這超出了DIY項目的范圍。如果您花錢請其他人安裝，任何太陽能系統(tǒng)都會貴得多！

此處顯示的LoadMasterPV熱水方法提供了一個非常簡單和便宜的解決方案，非常適合有能力的DIY人員。這是一個“安裝即忘”的項目，幾乎零維護，偶爾清潔面板是唯一的維護需求。

此處討論的LoadMaster項目有兩個額外的“附加”項目頁面，一個項目使用DT-06（或ESP8266-01S）Wifi-Serial終端添加遠程互聯(lián)網(wǎng)連接，另一個項目詳細說明了用于遠程顯示Loadmaster的方法位于遠程、無線連接的Nextion顯示器上的操作狀態(tài)：

光伏熱水，MPPT基礎！

為了加熱水，光伏電池板產(chǎn)生的電能必須輸送到標準熱水缸中的電加熱元件。聽起來很簡單？好吧，不幸的是，為了高效和安全的操作，它并不像將加熱元件（和恒溫器）連接到太陽能電池陣列的直流輸出那么簡單。

將光伏陣列的高壓直流輸出連接到標準交流額定機械恒溫器可能會導致觸點產(chǎn)生電弧和焊接，可能會嚴重危及熱水瓶的安全。此外，在現(xiàn)實世界的變化和非完美的天空條件下（即大部分時間！），加熱器的負載電阻與光伏陣列提供最大功率所需的理想“匹配”阻抗之間經(jīng)常會出現(xiàn)嚴重的不匹配。這會導致潛在加熱功率的損失，效率非常低，并且是對光伏面板投資的荒謬浪費。

讓我們用我的我的3kW的陣列為例說明最大功率點跟蹤的重要性（2串并聯(lián)的每個組成的5倍REC太陽能300WTP2串聯(lián)板）：-在充滿陽光的陣列將有類似的電壓電流關系通過所示出的藍色曲線在下面的曲線圖（用于單個面板VI響應曲線圖中它的通常示出的數(shù)據(jù)表）。圖中任意點的電壓與電流之比意味著連接的負載電阻為V/I歐姆，如綠色軌跡所示。

將V–I曲線上所有點的電壓和電流相乘將顯示陣列的輸出功率曲線（紅色軌跡）。我們可以清楚地看到對應于特定電壓和電流的陣列輸出功率（在垂直線處）有一個峰值。這稱為最大功率點。在此示例中，要在最大功率點運行并因此提供3kW，我們需要162V/18.48A=8.8Ω的負載。所以，現(xiàn)在讓我們看一下太陽強度大約一半時的陣列特性（即陰天，不是正午等）：

這次我們可以看到峰值功率以略低的電壓提供，但電流現(xiàn)在大約是陽光充足時的一半。在這種日照減少的情況下，為了使陣列在其峰值功率點運行并提供1.47kW，我們現(xiàn)在需要160V/9.24A=17.3Ω的匹配負載阻抗。如果我們?nèi)匀挥袕脑撉€然后被連接的原始8.8Ω負荷我們可以看到一個8.8Ω負荷將拉動陣列電壓下降到僅85V，只會產(chǎn)生大約834W的輸出功率到8.8Ω負載，而不是在1.47kW如果連接了17.3Ω的匹配負載，我們可能會有！由于有錯誤的負載阻抗以適應減少的太陽能條件，我們剛剛損失了636W-相當于我的兩個300WPV面板的功率只是因為錯誤的負載阻抗而損失了！。當太陽能條件不是最大時，由于負載不匹配而導致的有效功率損失變得極端（即，在晴朗的日子不是中午時，-這是大部分時間?。。oadMaster等電路旨在提供最大功率點跟蹤（MPPT），它們持續(xù)調(diào)整呈現(xiàn)給太陽能電池板的有效負載阻抗，以便在任何太陽能條件下始終提取最大可用功率并且在一天中的任何時間。LoadMaster已經(jīng)并將繼續(xù)為我們提供免費熱水，總支出為《《1，800英鎊（3kW的新光伏電池板、150L氣缸、車頂縱梁等，外加一些討價還價）。PV電池板有25年的使用壽命保證，并且該系統(tǒng)沒有理由不超過25年。

我的系統(tǒng)配置為通過預熱兼容的LPGCombi鍋爐將水轉(zhuǎn)移到《40°C。即使在英國11月，一個3千瓦的陣列也提供了我們熱水使用量的很大比例（2人家庭）。當然，在陰天、下雨天太陽能輸出會很低。

熱水通常占家庭年度總能源預算的25-30%。這是PVHotwater的一個直接且具有成本效益的項目。它沒有電網(wǎng)連接問題，并且在具有合格DIY和電子技能的人的能力范圍內(nèi)。LoadMaster是保護我們脆弱且人口稠密的星球的一小步。我們的星球氣候著火了。你在做什么來幫忙？

可以（最后）下載電子表格，以估計給定光伏陣列大小和您所在位置的可能熱水性能。

Loadmaster規(guī)格

LoadMaster項目基于ArduinoNano，電路基本架構如下所示：

C1是一個高壓薄膜型電容器，有效連接在太陽能電池陣列兩端。小值分流電阻器和分壓器使Arduino能夠監(jiān)控PV陣列產(chǎn)生的電流和電壓（以及由此產(chǎn)生的功率）。

眾所周知，電容器的阻抗取決于它的充電狀態(tài)。當未充電的電容器最初連接時，其兩端的電壓會很低，充電電流會很高，因此會呈現(xiàn)低阻抗。一旦完全充電，電容器將呈現(xiàn)非常高的阻抗。最終，對于MPPT操作，我們希望將C1保持在充電狀態(tài)，該狀態(tài)呈現(xiàn)與PV陣列的主要最大功率點條件完美匹配的阻抗。為了實現(xiàn)這一點，Arduino快速打開和關閉負載（使用5kHz的PWM）改變ON:OFF比率以在天空條件不是最佳時有效地“減輕負載”。在技術方面，ON：加熱器負載的關斷開關時間被調(diào)整，以便從C1移除恰到好處的電荷量（Ixt）以將陣列保持在最大功率點。LoadMaster監(jiān)控PV輸出電壓和電流（VxI=功率）并使用“PerterbanObserve”（P&O）方法每秒10次調(diào)整ON:OFF比率，以跟蹤任何天空條件下的最大功率。

為了最大限度地減少損耗，MOSFET被“硬”打開和關閉（使用強大的柵極驅(qū)動）。這種快速切換邊緣因輻射射頻噪聲而臭名昭著。您當然無法將如此高功率、尖銳的開關邊緣連接到一段電纜（即天線），而不會冒著擾亂您的wifi、當?shù)貜V播電臺、鄰居或無線電監(jiān)管機構的風險。

電感器和C2提供過濾以限制外部電纜上的dI/dt和dV/dt。D1用于捕獲MOSFET關斷時電感器釋放的反電動勢尖峰和能量。雖然這種安排可能看起來像低側開關降壓，但它不是！這種安排有時被稱為線性電流升壓器-它在不過度加載輸入的情況下最大化輸出電流。通過一些調(diào)整，該電路可以很容易地用于最大化輸送到直流太陽能灌溉泵的電流（即扭矩）。

在指定的交流機械恒溫器上使用高壓直流電可能會導致觸點產(chǎn)生電弧和焊接，可能會嚴重危及熱水瓶的安全。Loadmaster通過以30Hz的間隔強制零負載電流（熄滅任何電弧）的短暫周期來調(diào)制其電氣輸出波形。使用這種技術（在3kW和Vmp155V下）沒有觀察到電弧的跡象。還應該注意的是，在正常操作期間，浸入式恒溫器不用于控制鋼瓶溫度，它們只是作為安全備份而被調(diào)整為打開更高的溫度。正常運行時的溫度控制是使用傳感器（DS18B20）和軟件實現(xiàn)的。

Loadmaster規(guī)格

電源：-12VDC，500mA。2.1mm電源連接器中心+Ve

PV輸入：-最大電流《20A，最大Vmp《200V，建議陣列PMax=3.8kW

繼電器輸出x1（對于Combi預熱/分流閥控制，低于指定溫度的水可以分流到Combi入口）

光電隔離邏輯輸入-用于未來連接或備用I/O

RGB狀態(tài)LED-提供當前操作狀態(tài)的“一目了然”指示

單按鈕控制-短按=顯示切換。長按=開/關。

20x4I2C圖形LCD

連接性：-串行接口在連接器處可用。使用HM-10（BLE）、DT-06（Wifi）和（ESP8266-01S）進行測試。串行菜單驅(qū)動的終端接口提供對所有監(jiān)視和控制功能的訪問。Wifi模塊啟用LAN或Internet遠程訪問（Telnet）。強烈推薦KaiMorich的Android串行終端應用程序。

溫度傳感器：-默認DS18B20傳感器用于散熱器、水缸頂部和底部溫度。（或者模擬傳感器，例如MCP9701也可用于》12m的電纜）

第二個負載輸出-硬件上包含第二個MOSFET通道，可用于將多余的功率轉(zhuǎn)儲到第二個負載中，例如空間加熱（請參閱組裝文件）

光伏負載電容：

這應該是具有合適電壓和紋波電流額定值（典型值》350VDC和》15ARMS）的薄膜型電容器。合適的電容器經(jīng)常用于電機運行或“直流鏈路應用”。（考慮諸如EPCOSB32363系列等提供M10螺柱端子、過壓斷開并特別適用于高脈沖應用的電容。這些通常用于大型直流電源或太陽能裝置-尋找易趣上的便宜貨！）。電解帽不適合。

電容值影響峰值功率點周圍PV電流和電壓的紋波幅度。值越高，紋波越少。推薦值為200至400uF。

電容器向負載提供大電流脈沖，并連接到LoadmastersPV+和C-端子。重要提示：-為確保低電纜電感（在切換大電流時可能導致大電壓尖峰和可能的電路損壞），必須使用短（理想情況下《10cm）和大規(guī)格（6mm^2或更大）將電容器連接到Loadmaster電纜。如果可能，最好將PV陣列的正極直接連接到電容器的正極端子，如下所示：

系統(tǒng)設計，我會得到多少熱水？

每天輸送到水箱的平均能量（KWhrs）顯然取決于您的位置、光伏陣列的大小、一年中的時間和其他效率損失，如陰影、面板角度和方向等。在冬季，有些日子會顯著高于或低于平均值，這稱為天氣。在下載部分（最后），LoadMaster設計電子表格包括一個近似的性能計算器，另外還有一個SystemSizing文檔。以下示例顯示了英國和美國地區(qū)的典型性能：

一個高效的150L熱水瓶可能具有《=50w的靜置損失。一夜之間它可能會冷卻3-4°C。上面顯示的最終溫度值假設鋼瓶每天早上在15°C下啟動。實際上，即使在隆冬，如果一兩天的使用量較低，那么儲存的能量就會累積以達到設定的溫度限制（在我的情況下為60°C）。在天氣好的時候可以使用更大的氣缸來有效地積累更多的能量。加熱的水通過分層上升并充滿圓柱體的頂部。雖然較大的圓柱體可以儲存更多的能量并容納更多的熱水，但在較差的太陽能條件下，其站立損失會影響凈太陽能增益。您需要考慮每天的熱水消耗量、加熱水所需的平均每日能源、光伏陣列的大小和位置。需要采取一種平衡措施。

不幸的是，鑒于每個人都有不同的地理位置和太陽能條件、不同的光伏電池板規(guī)格、不同的陣列配置、不同的熱水消耗需求、不同的商用加熱器規(guī)格等，那么根本不可能就每個人的設置提供建議！

下載中提供了包含設計計算和背景信息的電子表格，以幫助您理解和做出系統(tǒng)設計選擇。計算PV能量和水加熱性能并不神奇，它只是物理學、方程和基本數(shù)學，可以很好地了解可能的性能。

顯然，一個人在俄勒岡州的山坡上節(jié)儉地生活，只需要少量熱水以獲得更舒適的生活，這與布里斯班的四口之家截然不同。然而！我仍然被問到“什么是最好的配置”。請查看系統(tǒng)調(diào)整文檔。

也許考慮一下我這里介紹的系統(tǒng)，即5Sx2P300W面板陣列，使用150-180L氣缸并行驅(qū)動2個3kw/240V加熱器。

如果需要更多的熱水和能源，我建議您不要再次驅(qū)動6kw或2x3kW/240Vheaters并聯(lián)并使用200-250L圓筒。（不需要更高的電壓配置，更高的電壓更危險（Youtube的“直流電弧”），切換更高的電壓會給組件帶來更高的dV/dt壓力，加上60Cell面板的4.5或6S配置（4或5S，如果72Cell）通?？梢院芎玫仄ヅ湓S多常見的240V加熱器電阻）。您對系統(tǒng)配置、安全和性能負責！

效率

LoadMaster損耗低。MOSFET功率損耗（冷卻時RdsON=17mΩ）主要取決于加熱器負載電流，I^2xRdsWatts（加上一些小的開關損耗）將導致MOSFET損耗IRO2至10W。電容損耗可以忽略不計。CR緩沖電阻器損失了大約2.5W（這是消耗由開關和雜散電感引起的不需要的“振鈴”能量的不可避免的結果）。從3kW的PV輸入提供2.985kW的總功率損耗為15W，相當于》99%的效率。

在冬季，PV熱水系統(tǒng)已被證明優(yōu)于太陽能熱能。光伏電池板在寒冷條件下效率更高，-12°C時的功率比25°C時高約10%。

散熱系統(tǒng)變得更少由于增加了熱損失在寒冷的環(huán)境條件下有效。較小的溫差意味著循環(huán)泵的啟動較少，因此輸送到水中的能量較少。

使用光伏熱水，即使在黎明、黃昏或惡劣天氣下，您仍然會看到LoadMaster將所有可用的瓦特能量推入水中，即使這是80W，水仍在加熱，而太陽能熱系統(tǒng)將完全不活動。

匹配加熱器電阻和光伏陣列

此設計的一個關鍵考慮因素是選擇加熱元件（額定功率和電阻）以匹配連接的PV陣列的峰值輸出規(guī)格。Loadmaster不能在不考慮匹配的情況下連接到任何舊陣列和任何舊加熱器電阻。這是一項簡單的任務，但必須在購買面板或加熱器之前及早考慮。

可以看出，在最大太陽能電池陣列輸出時，PWM將為100%，MOSFET將持續(xù)導通，因此提供給PV陣列的負載電阻將是加熱元件的電阻。在較低的太陽能條件下，MPPT將調(diào)整PWM的ON:OFF比率，以便LoadMaster呈現(xiàn)更高的阻抗，與PV陣列降低的最大功率點相匹配。

國內(nèi)浸入式元件一般為3kW、240V（R=V^2/P=19.2Ω）。適合這種元件的理想陣列顯然會產(chǎn)生Pmp=3kW@240Vmp，這是不切實際的，對于Loadmaster來說電壓太高，不同的應用可能需要不同的PV功率。在所有情況下，光伏陣列在理想情況下都應具有Pmp和Vmp關系，使得Vmp^2/Pmp=R加熱器。

在理想情況下，我們的目標是使加熱器電阻理想地與陣列的最大Vmp/Imp相同或略低（或至少在+/-10%以內(nèi)）。

LoadMaster設計電子表格包括一個工作表（“負載匹配配置”），可幫助您查看可能的PV規(guī)格、陣列配置和加熱器選擇。

如果使用單個3kW240V加熱元件（19.2Ω），那么對于小型熱水消耗系統(tǒng)，一個好的陣列選項可能是使用275W60Cell面板（即每個PV面板的Vmp=32.5V左右）的5Sx1P陣列。結果陣列為1，375W@162.5VVmp=19.2Ω。

對于更大的熱水需求，60Cell270至300W面板的5Sx2P陣列配置與具有大約9歐姆電阻的加熱器（例如并聯(lián)的兩個240V3kW加熱器）一起使用可能是優(yōu)選的。

如果使用具有更高Vmd（約40V）的72個電池板，則從4Sx1P或2P陣列配置瞄準。

避免超過Loadmasters的電壓和功率限制，因為這會導致過大的電壓瞬變和mosfet上的壓力。

我的系統(tǒng)使用2x240V3kW浸入式加熱器并聯(lián)（即9.6Ω），并有一個5Sx2P陣列，由REC300W（60單元）面板組成，Vmp=32.5V，產(chǎn)生3kW@Vmp=162.5V，代表匹配負載（V^2）/P=8.8Ω。這與9.6Ω加熱器負載非常接近。事后看來！6Sx2P陣列配置（即3.6kW@195Vmp相當于10.56ΩMppt負載，我的并聯(lián)元件的較低9.6Ω電阻會更好地匹配。

我的Direct150L鋼瓶有兩個并聯(lián)的浸入式加熱器元件。每個3kw加熱元件的最大功率只有1.5kw，應該可以使用很多年。我夏季多余的光伏將用于電池充電。

有些人可能希望在更小、更低功率和更低電壓的應用中使用LoadMaster，為此提供了一系列具有各種電阻和額定功率的直流加熱器。在美國，有許多交流額定加熱器元件可用：-

3500Wx480V=65.8Ω，1500Wx277V=51.15Ω，1250Wx240V=46.08Ω，1500Wx240V=38.4Ω，2000Wx240V，20V=20Wx20V，20V=20V，20Wx240V，20V=20V240V=19.2Ω，2500WX208V=17.3Ω，4500WX277V=17.05Ω，3500WX240V=16.46Ω，3800WX240V=15.16Ω，4500WX240V=12.8Ω，3500WX208V=12.36Ω，5500WX240V=10.47Ω，6000Wx240V=9.6Ω，5000Wx208V=8.65Ω，5500Wx208V=7.87Ω，6000Wx208V=7.21Ω。

安全！

希望現(xiàn)在您已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該項目包括：

高電壓、高電流、高功率（觸電和火災風險）

熱水（燙風險與理解加壓熱水存儲系統(tǒng)的安全問題）

具有高電荷能量的電容器（切勿將此或任何高電壓短路-燒傷、火花、眼睛受傷等）

安裝太陽能電池板在高度，等等等等

與任何商用大功率太陽能逆變器或充電器一樣，電子設備必須安裝在密封的金屬接地外殼內(nèi)，以提供一定程度的防火保護。如果您應用相關的安全預防措施和常識，該項目與任何其他電源供電項目一樣安全。我對您的項目不承擔任何責任，如果您懷疑自己對所涉及的安全方面的知識、技能或鑒賞力，那么我真的建議您考慮一個不同的項目！

該電路的電源側使用TiTina建模。