Integruoti fotoelektros įrenginius į elektros tinklą yra efektyvus saulės energijos panaudojimo būdas, tačiau jei jie naudojami tik vandeniui šildyti, gali iškilti problemų. Jungti kaitinimo elementą tiesiai prie saulės modulių be prietaiso, kuris reguliuotų katilui tiekiamą elektros energiją, yra labai neefektyvu. Tęsiame praėjusiame numeryje pradėtą saulės energijos panaudojimo temą.

Kai saulės spinduliuotė yra maža, modulių srovė tampa lygi trumpojo jungimo srovei, o įtampos kritimas kaitinimo elemente sumažina saulės modulio įtampą beveik iki nulio. Todėl saulės moduliai gamina tik mažą savo nominalios galios dalį. Tokio naudojimo pasekmės - labai žemas naudingumo koeficientas ir žema kaitinimo elemento temperatūra.

Šį reiškinį geriausiai galima paaiškinti praktiniu pavyzdžiu. Tarkime, naudojame penkis modulius, kurių vieno galingumas yra 230 W. Moduliai yra sujungti lygiagrečiai, jų bendras galingumas siekia 1 150 W. Fotovoltinės sistemos įtampa yra 30 V. Prie šios sistemos prijungtas 900 W 24 V elektrinis kaitinimo elementas. Kai saulės spinduliuotė yra labai didelė, artima 1 000 W/m², kaitinimo elementas pavers į šilumą 1 100 W elektrinę galią. Saulės moduliai bus labai efektyviai apkrauti, kaitinimo elemento vartojama galia bus artima saulės modulių maksimaliai gaminamai galiai. Šiuo konkrečiu atveju vandens kaitinimo elementas turi būti apskaičiuotas 24 V įtampai.

Pabrėžtina, kad kaitinimo elemento vartojama galia yra didesnė už jo nominalią galią, kadangi saulės modulių įtampa yra 30 V, o kaitinimo elementas pritaikytas žemesnei 24 V įtampai. Dėl viršytos kaitinimo elemento nominalios galios trumpėja jo eksploatavimo laikas, tačiau tokia galia bus generuojama tik kelis procentus viso sistemos naudojimo laiko. Taigi, sistemos gaminama galia bus tik 20-50 proc. nominalios galios, todėl kaitinimo elemento galia neviršys ir net nesieks nominalios vertės. Sistema dirbs nenašiai dėl to, kad kaitinimo elementas dėl netinkamos varžos apkraus saulės modulius. Srovė bus artima trumpojo jungimo srovei, o įtampa nukris gerokai žemiau už savo nominalią vertę, todėl net mažai debesuotą dieną kaitinimo elementas vartos tik nedidelę saulės modulių teorinės nominalios galios dalį. Dėl šios priežasties nepatariama saulės modulių jungti tiesiogiai prie elektros kaitinimo elemento. Sumažinti nuostolius ir padidinti saulės modulių našumą galima naudojant maksimalios galios taško sekimo sistemos MPPT valdiklį, jungiamą tarp saulės modulių ir elektrinio kaitinimo elemento.

Prietaisas našumui didinti

Automatiškai katile nustatytai vandens temperatūrai kontroliuoti ir šildymo laikui reguliuoti yra sukurtas prietaisas Nectar Sun. Jis skirtas prijungti elektrinį vandens šildymo katilą prie elektrą generuojančių saulės baterijų (PV modulių). Sistemą sudaro: PV moduliai, Nectar Sun valdiklis ir namų ūkyje esantis elektrinis katilas. Pagrindinės sistemos sudedamosios dalys pavaizduotos paveiksle.

Prietaiso pagrindas yra ATMEGA 32 mikrovaldiklis. Mikrovaldiklyje įdiegta programa atlieka šiuos efektyviam prietaiso darbui reikalingus veiksmus: seka PV sistemos MGT algoritmą, matuoja nuolatinę srovę, įtampą ir vandens temperatūrą katile, skaičiuoja momentinę ir suminę PWM galias. Be to, stebi katilo termostatą ir atitinkamai komutuoja katilo elektrinį kaitinimo elementą. Programos darbas susietas su realaus laiko (RTC) laikmačiu.

Gauti darbo rezultatai per nuosekliojo ryšio jungtis (UART) siunčiami toliau apdoroti ir vartotojui patogiu formatu į 2X16 LCD (skystųjų kristalų) ekraną. Priekiniame prietaiso skydelyje esančiais mygtukais pasirenkama norima katilo vandens temperatūra, nustatomi kiti reikalingi parametrai. Kadangi Nectar Sun darbo programa sujungta su RTC laikmačiu, gali būti nustatyta ir palaikoma skirtinga katilo vandens temperatūra, atsižvelgiant į paros laiką.

Temperatūros nustatymo ribos nuo 0 iki 90^o. Toks platus diapazonas nėra būtinas, tačiau pasirinktas, siekiant supaprastinti vartotojo meniu ir kuo efektyviau išnaudoti PV modulių generuojamą energiją. Pasirinkus norimą valdiklio darbo eigą, Nectar Sun veikia automatiškai.

Nectar Sun matavimo dalyje įdiegti mikrovaldiklio schemoje integruoti 10 bitų analoginio signalo į skaitmeninį keitikliai (ADC). Kiekvienai matavimo daliai naudojamas atskiras ADC kanalas.

PV modulio generuojama srovė priklauso nuo apšvietimo temperatūros. Ji labai svyruoja, todėl srovės matavimo dalyje matuojama, kiek sumažėja įtampa. Kaip ir PV modulio, įtampos matavimo dalyje yra matuojama katilo vandens temperatūra. Kad būtų tiksliai išmatuota PV baterijos įtampa, srovė ir vandens temperatūra, kiekvieną Nectar Sun prietaiso matavimo dalį būtina kalibruoti. Tam yra numatyta atskira Nectar Sun mikrovaldiklio programos prietaiso kalibravimo dalis. Išmatuoti ir perskaičiuoti matavimo rezultatai atitinkamai nustato PWM impulsų trukmę.

Valdymas

Valdymo paskirtis - automatiškai nustatyti ir palaikyti tokią PWM santykinę valdymo impulso trukmę, kuriai esant saulės baterija atiduoda didžiausią galią. Pasiekus kritinę temperatūros ribą, jutiklis siunčia mikrovaldikliui signalą ir Nectar Sun darbas stabdomas. Taip pat siunčiamas panešimas į LCD ekraną vartotojui.

Relinė dalis yra skirta komutuoti katilo elektrinį kaitinimo elementą. Kai saulės baterijos yra nepakankamai apšviestos, siekiant išlaikyti nustatytą vandens temperatūrą, Nectar Sun valdiklyje numatytas automatinis kaitinimo elemento perjungimas prie kintamos srovės 220 V tinklo (AC).

Pagrindinis prietaiso tikslas yra perduoti maksimalią modulio generuojamą galią į katilo elektrinį kaitinimo elementą. Kadangi jį sudaro fotoelementai, kiekvieno fotoelemento srovė yra proporcinga saulės energinei apšvitai. Gauti maksimalų galingumą galima tik esant tokiai apkrovai, kuri galėtų prisitaikyti prie PV baterijos V-A charakteristikų. Nectar Sun prietaise apkrovą su PV baterijos V-A charakteristikomis suderina impulsų trukmės reguliatorius PWM.

Vout = ŋDVin

Vout - PWM reguliatoriaus išėjimo įtampa, V;

Vin - PWM reguliatoriaus įėjimo įtampa, V;

D - PWM skvarba;

ŋ - efektyvumo koeficientas (nuo 0 iki 1).

Maksimali galia esant apkrovai, kai Pbat = Papkr:

V2out/RE = ŋV2in/RB

RE - apkrovos varža, Ω;

RB - PV baterijos vidaus varža, Ω;

Taigi, remiantis šiom dviem formulėm:

D2/ RE = ŋ/RB arba D2 = ŋ RE/RB

Matyti, kad reguliuodami PWM skvarbą, galime pritaikyti apkrovą prie PV baterijos V-A charakteristikų. PV baterijos, prijungtos prie apkrovos (be PWM reguliatoriaus), darbo režimą (srovę, įtampą, galią) nusako modulio voltamperinės (V-A) ir apkrovos V-A charakteristikų susikirtimo taškas.

Modulio V-A charakteristikos būna nurodytos techniniuose duomenyse. Apkrovos (elektrinio šildymo elemento) V-A charakteristika yra tiesinė ir jai sudaryti taikoma tokia formulė:

RE = UE2/PE

PE - apkrovos vardinė galia, W;

UE - apkrovos vardinė įtampa, V;

RE - apkrovos varža, Ω.

Šildymo elemento voltamperinė charakteristika, perskaičiuota vienam moduliui:

I = U/(RE/N) = NU/RE

N - nuosekliai sujungtų modulių skaičius, vnt.

Paveiksle pateiktos modulio HR- 245W ir jo apkrovos, perskaičiuotos vienam moduliui, V-A charakteristikos, kai nuosekliai sujungtų modulių skaičius N = 4.

Darbo režimai

PV modulių su Nectar Sun reguliatoriumi darbo režimams nustatyti reikia žinoti maksimalios galios taškų įtampas Umax, esant skirtingai apšvitai ir temperatūrai. Apytiksliu įvertinimu galima laikyti, kad modulio maksimalios galios taškų įtampos yra apytiksliai vienodos ir nepriklauso nuo apšvitos. Pavyzdžiui, HR-245W U_max ≈ 30 V.

Pavyzdžiui, apšvita lygi 400 W/ m², PE = 2 kW ir N = 4. Be Nectar Sun reguliatoriaus, vieno modulio įtampa bus apytikriai 22 V, srovė - 3,4 A, o galia - 75 W. Kadangi susikirtimo taškas yra kairėje nuo Umax, reguliatorius sukurs maksimalios galios režimą, kurio Umax ≈ 30 V, Imax ≈ 3,2 A ir Pmax ≈ 96 W.

PV modulio galios išnaudojimas šiame taške sieks 100 proc. Jei apšvita bus 800 W/m², tiek be Nectar Sun reguliatoriaus, tiek ir su juo įtampa bus apie 34 V, srovė apie 5 A ir galia apie 170 W. Maksimali galia, esant 800 W/ m² apšvitai bus apie 190 W. PV modulio galios išnaudojimas šiame taške - apie 90 procentų.

Prietaisas kalibruojamas, programuojamas pagal vartotojo pageidavimus per jo gamybą ir diegimą darbo vietoje. Patartina stebėti jo parodymus, kurie matyti ekrane, ir pagal norimą rezultatą prietaisą programuoti.

Tyrimai

Aleksandro Stulginskio universiteto mokslininkai ištyrė Nectar Sun valdiklio, dirbančio realiomis sąlygomis, darbą. Kaip jis veikia, buvo stebima keturių ir šešių PV modulių HR-245W sistemose. Abiem atvejais energija buvo naudojama tam pačiam vandens katilui, kurio elektrinio kaitinimo elemento galingumas 2,2 kW. Saulės modulių montavimo kampas 20 laipsnių, orientacija į pietus (ant pastato stogo).

Nectar Sun valdiklio techniniai rodikliai:

• saulės baterijos įtampa - iki 250 V, srovė - iki 10 A, galia - iki 1,5 kW;
• apkrova (vandens šildytuvas E) 230 V, 2-3 kW, 26-18 Ω;
• maitinimo įtampa - 230 V+/-10 proc., kintama 50 Hz;
• temperatūros jutiklis NTC 10K (25 °C);

PV modulio techniniai rodikliai:

• maksimali galia* (PMPP) - 245-250 Wp;
• maksimali įtampa (VMPP) - 30,8 V;
• maksimali srovė (IMPP) - 8,04 A;
• atviros grandinės įtampa (VOC) - 38,2 V;
• užtrumpintos grandinės srovė (ISC) - 8,6 A.

* Apšvita 1 000 W/m2, modulio temperatūra 25 °C, spektras AM 1.5.

Katilo techniniai rodikliai:

• elektrinio kaitinimo elemento galia - 2,2 kW;
• talpa - 160 l;
• maitinimo įtampa - 230 V+/-10 proc., kintama 50 Hz.

Analizei naudoti rugsėjo ir spalio Nectar Sun duomenys: data, laikas, darbo įtampa, srovė, momentinis vartojamas galingumas ir katilo vandens temperatūra. Duomenys kaupiami tolesnei analizei kompiuteryje, prijungtame prie Nectar Sun per UART/USB keitiklį. Duomenų gavimo intervalas - kas 2 min. Surinkti dviejų mėnesių Nectar Sun darbo rezultatai apibendrinti ir pavaizduoti grafikais.

Nectar Sun reguliatoriaus galios grafikas parodo du prietaiso darbo režimus, kai pajungti 4 (atiduodama maksimali galia apie 540 W) ir 6 moduliai (atiduodama maksimali galia apie 860 W). Iš grafiko matyti, kad Nectar Sun stabiliai palaiko maksimalią modulių galią, esant skirtingai saulės apšvitai.

Iš grafiko matyti eksploatuojamo katilo vandens temperatūros pokyčiai per parą. Realiomis sąlygomis vandens temperatūros grafikas yra proporcingas galios grafikui. Sistemoje su keturiais PV moduliais maksimali vandens temperatūra neviršija 58^oC. Sistemoje su šešiais PV moduliais katilo vanduo būna vidutiniškai 10^oC karštesnis. Pažymėtina, kad vandens temperatūra šviesiuoju paros metu abiejuose sistemų variantuose nuolat kyla. Staigus vandens temperatūros kritimas atspindi didesnį vandens vartojimą, kai į katilą patenka nepašildytas vandentiekio vanduo. Taip pat dėl katilo efektyvumo aukštesnė vandens temperatūra iš dalies greičiau prarandama, t. y. išspinduliuojama į aplinką. Tokią aušimo eksponentę Nectar Sun reguliatorius išnaudoja energijai taupyti, t. y. tamsiuoju paros metu palaiko minimalią leistiną katilo vandens temperatūrą.