โปรเจกต์ LoadMaster XP - Smart PV MPPT Solar Hot Water Controller อัจฉริยะ

บทนำ

การทำน้ำร้อนสำหรับใช้ในบ้านด้วยพลังงานแสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมมักจะใช้เทคโนโลยี ‘Solar Thermal’ (แผงแบบแผ่นเรียบ (Flat plate) หรือตัวเก็บพลังงานแบบท่อสุญญากาศ) แม้ว่า Solar thermal จะใช้พื้นที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า Photo-voltaic (PV) ในแง่ของพลังงานที่เก็บได้ต่อหน่วยพื้นที่ แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีค่าติดตั้งที่สูง มีประสิทธิภาพลดลงในช่วงที่อากาศหนาวหรือท้องฟ้ามืดครึ้ม มีอายุการใช้งานสั้นกว่า และอาจนำมาซึ่งความท้าทายและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาที่ต่อเนื่อง (ปั๊มกลไก, สารกันเยือกแข็ง และสารเคมีกันการกัดกร่อน, การรั่วซึม, การจัดวางพื้นที่บนหลังคา และการเดินท่อ เป็นต้น) ในกรณีที่มีพื้นที่ติดตั้งแผงโซลาร์ขนาดใหญ่ (ซึ่งแทบจะไม่ใช่ข้อจำกัดสำหรับบ้านส่วนใหญ่) การใช้แผง PV ในปัจจุบันจึงเป็นทางเลือกที่เป็นแบบ ‘Solid state’ ที่คุ้มค่ากว่า แทบไม่ต้องบำรุงรักษา และให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าในการทำน้ำร้อนด้วยแสงอาทิตย์ การลดลงอย่างรวดเร็วและต่อเนื่องของราคาแผง PV เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้การทำน้ำร้อนด้วย PV กลายเป็นแนวทางที่น่าสนใจและคุ้มค่าในเชิงเศรษฐกิจ Loadmaster ถูกออกแบบมาเพื่อติดตั้งระหว่างแผง PV และเครื่องทำน้ำร้อนไฟฟ้าแบบ Immersion heater ทั่วไป โดยทำหน้าที่ปรับ Load Impedance ของตัวทำความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บพลังงานไฟฟ้าจาก PV ให้ได้สูงสุดไม่ว่าสภาพท้องฟ้าจะเป็นอย่างไร

ระบบ PV ยังมีความอเนกประสงค์มากกว่าระบบ Solar thermal พลังงานไฟฟ้าส่วนเกินสามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย LoadMaster มี Output ที่สองเป็นออปชันเสริม ช่วยให้สามารถเปลี่ยนทิศทางพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนเกินไปยังเครื่องทำความร้อนแบบ Baseboard (ราคาถูก) และใช้เพื่อทำความร้อนในพื้นที่ได้ทันทีเมื่อน้ำมีอุณหภูมิถึงระดับสูงสุดแล้ว

ในกรณีที่ที่พักอาศัยมีการติดตั้งระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แบบ 'Grid tied' (เชื่อมต่อสายส่ง) เต็มรูปแบบ มีผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์จำนวนมากที่สามารถเปลี่ยนทิศทางไฟฟ้าส่วนเกินไปยังเครื่องทำน้ำร้อนแทนที่จะส่งคืนเข้า Grid แต่ความซับซ้อนและค่าใช้จ่ายของระบบ Grid-tied ทำให้ระยะเวลาคืนทุนนานขึ้น และสำหรับหลายๆ คน การเชื่อมต่อกับ Grid นั้นเกินขอบเขตของโปรเจกต์แบบ DIY นอกจากนี้ระบบโซลาร์ทุกประเภทจะมีราคาแพงกว่ามากหากคุณจ้างคนอื่นมาติดตั้งให้!

แนวทางการทำน้ำร้อนด้วย PV ของ LoadMaster ที่แสดงที่นี่มอบโซลูชันที่เรียบง่ายและราคาถูกกว่ามาก ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ที่พอมีทักษะด้าน DIY โปรเจกต์นี้เป็นแบบ 'Fit and Forget' หรือติดตั้งแล้วปล่อยทำงานได้ยาวๆ โดยแทบไม่ต้องบำรุงรักษาเลย การทำความสะอาดแผงเป็นครั้งคราวเป็นเพียงการบำรุงรักษาเดียวที่จำเป็น

โปรเจกต์ LoadMaster ที่กล่าวถึงในที่นี้มีหน้าโปรเจกต์ 'add-on' เพิ่มเติมอีกสองหน้า หน้าหนึ่งสำหรับเพิ่มการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตทางไกลโดยใช้ DT-06 (หรือ ESP8266-01S) Wifi-Serial terminal และอีกโปรเจกต์หนึ่งจะแสดงรายละเอียดวิธีการแสดงสถานะการทำงานของ Loadmaster บนจอ Nextion ที่เชื่อมต่อแบบไร้สายจากระยะไกล:-

PV Hot Water, พื้นฐาน MPPT!

ในการทำน้ำร้อน พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตโดยแผง PV จะต้องถูกส่งไปยังองค์ประกอบความร้อน (Heating element) ในถังน้ำร้อนมาตรฐาน ฟังดูง่ายใช่ไหม? น่าเสียดายที่เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัย มันไม่ง่ายเหมือนการเชื่อมต่อตัวทำความร้อน (และ Thermostat) เข้ากับเอาต์พุต DC ของแผงโซลาร์ของคุณโดยตรง

การเชื่อมต่อเอาต์พุต DC แรงดันสูงจากแผง PV เข้ากับ Thermostat แบบกลไกที่จัดเรตไว้สำหรับ AC อาจนำไปสู่การเกิดอาร์ก (Arcing) และการเชื่อมติดกันของหน้าสัมผัส ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อความปลอดภัยของถังน้ำร้อนอย่างร้ายแรง นอกจากนี้ ในสภาวะท้องฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจริงและไม่สมบูรณ์ (ซึ่งเป็นเวลาส่วนใหญ่!) มักจะมีความไม่สอดคล้องอย่างมากระหว่างความต้านทานโหลดของตัวทำความร้อนและ Impedance ที่เหมาะสมที่สุดที่แผง PV ต้องการเพื่อให้จ่ายพลังงานได้สูงสุด ส่งผลให้สูญเสียพลังงานความร้อนที่ควรจะได้ ประสิทธิภาพต่ำมาก และเป็นการสูญเสียเงินลงทุนในแผง PV ไปอย่างเปล่าประโยชน์

ขออธิบายความสำคัญของ Maximum Power Point Tracking โดยใช้แผงขนาด 3kW ของผมเป็นตัวอย่าง (ต่อขนานกัน 2 สตริง โดยแต่ละสตริงประกอบด้วยแผง REC Solar 300W TP2 จำนวน 5 แผงต่ออนุกรมกัน):- ในแสงแดดจ้า แผงจะมีแรงดันและกระแสไฟฟ้าสัมพันธ์กันคล้ายกับที่แสดงโดยเส้นกราฟสีน้ำเงินในกราฟด้านล่าง (กราฟตอบสนอง V-I ของแผงเดียวมักจะแสดงอยู่ใน Data sheet) อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าต่อกระแสไฟฟ้าที่จุดใดๆ บนกราฟจะแสดงถึงค่าความต้านทานโหลดที่เชื่อมต่อคือ V/I โอห์ม ตามที่แสดงโดยเส้นสีเขียว

การคูณแรงดันและกระแสที่จุดต่างๆ ตลอดเส้นโค้ง V – I จะแสดงเส้นโค้งกำลังไฟฟ้าขาออกของแผง (เส้นสีแดง) เราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่ามีจุดสูงสุดในกำลังขับของแผง (ที่เส้นแนวตั้ง) ซึ่งตรงกับแรงดันและกระแสที่เฉพาะเจาะจง จุดนี้เรียกว่า Maximum Power Point ในตัวอย่างนี้ เพื่อให้ทำงานที่จุดกำลังสูงสุดและจ่ายไฟ 3kW เราต้องการโหลดขนาด 162V / 18.48A = 8.8Ω คราวนี้เรามาดูคุณลักษณะของแผงที่ความเข้มแสงอาทิตย์ประมาณครึ่งหนึ่ง (เช่น เมฆมาก, ไม่ใช่ช่วงเที่ยงวัน เป็นต้น):-

ในครั้งนี้เราจะเห็นว่ากำลังไฟฟ้าสูงสุดจะถูกจ่ายที่แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าเล็กน้อย แต่ปัจจุบันกระแสไฟฟ้าเหลือเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของช่วงแดดจ้า ในช่วงที่แสงแดดลดลงนี้ เพื่อให้แผงทำงานที่จุดกำลังสูงสุดและจ่ายไฟ 1.47kW เราต้องการค่า Load Impedance ที่เหมาะสมคือ 160V / 9.24A = 17.3Ω หากเรายังคงเชื่อมต่อโหลด 8.8Ω เดิมไว้ จากกราฟนี้เราจะเห็นว่าโหลด 8.8Ω จะดึงแรงดันไฟฟ้าของแผงลงมาเหลือเพียง 85V และจะผลิตกำลังไฟฟ้าออกมาได้เพียงประมาณ 834W เข้าสู่โหลด 8.8Ω แทนที่จะเป็น 1.47kW ที่เราอาจจะได้หากเชื่อมต่อโหลด 17.3Ω ที่เหมาะสม!! เราเพิ่งสูญเสียพลังงานไป 636W เนื่องจากมี Load Impedance ที่ไม่เหมาะสมกับสภาวะแสงอาทิตย์ที่ลดลง ซึ่งพลังงานที่หายไปนี้เทียบเท่ากับแผง PV ขนาด 300W สองแผงเลยทีเดียว! การสูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากโหลดไม่เหมาะสมจะรุนแรงมากเมื่อสภาวะแสงอาทิตย์ไม่เต็มที่ (นั่นคือเมื่อไม่ใช่เวลาเที่ยงวันในวันที่ท้องฟ้าแจ่มใส ซึ่งเป็นเวลาส่วนใหญ่!!) วงจรอย่าง LoadMaster ถูกออกแบบมาเพื่อทำ Maximum Power Point Tracking (MPPT) โดยจะปรับค่า Load Impedance เสมือนที่แสดงต่อแผงโซลาร์อย่างต่อเนื่อง เพื่อให้สกัดพลังงานที่มีอยู่สูงสุดออกมาได้เสมอภายใต้สภาวะแสงแดดใดๆ และในเวลาใดก็ได้ของวัน LoadMaster ช่วยให้เราได้น้ำร้อนฟรีด้วยค่าใช้จ่ายรวมทั้งหมดน้อยกว่า £1,800 (แผง PV ใหม่ 3kW, ถัง 150 ลิตร, รางหลังคา ฯลฯ รวมกับการหาซื้อของราคาประหยัด) แผง PV มีการรับประกันอายุการใช้งาน 25 ปี และไม่มีเหตุผลใดที่ระบบนี้จะมีอายุการใช้งานไม่เกิน 25 ปี

ระบบของผมถูกตั้งค่าให้เปลี่ยนทิศทางน้ำที่มีอุณหภูมิ <40°C ผ่านหม้อต้ม LPG Combi boiler ที่รองรับระบบ Pre-heat แม้ในเดือนพฤศจิกายนในสหราชอาณาจักร แผงขนาด 3kW ก็สามารถทำน้ำร้อนให้เราได้เป็นเปอร์เซ็นต์ที่สูงมาก (สำหรับครัวเรือนที่มี 2 คน) แน่นอนว่าในวันที่เมฆครึ้มจัดหรือฝนตก เอาต์พุตของโซลาร์ก็จะต่ำลง

โดยปกติแล้วน้ำร้อนคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 25-30% ของพลังงานทั้งหมดที่ครัวเรือนใช้ต่อปี นี่เป็นโปรเจกต์ทำน้ำร้อนจาก PV ที่ตรงไปตรงมาและคุ้มค่า ไม่มีปัญหาเรื่องการเชื่อมต่อ Grid และอยู่ในความสามารถของคนที่มีทักษะด้าน DIY และอิเล็กทรอนิกส์ LoadMaster เป็นก้าวเล็กๆ ในการปกป้องโลกที่เปราะบางและมีประชากรหนาแน่นเกินไปของเรา ภูมิอากาศของโลกเรากำลังอยู่ในภาวะวิกฤต คุณกำลังทำอะไรเพื่อช่วยบ้าง?

สามารถดาวน์โหลด Spreadsheet (ที่ตอนท้าย) เพื่อประมาณการประสิทธิภาพน้ำร้อนสำหรับขนาดแผง PV และตำแหน่งที่ตั้งของคุณ

รายละเอียดเฉพาะของ Loadmaster

โปรเจกต์ LoadMaster ใช้พื้นฐานจาก Arduino Nano และโครงสร้างพื้นฐานของวงจรแสดงอยู่ด้านล่าง:-

C1 เป็น Capacitor ชนิด Film แรงดันสูงที่เชื่อมต่อคร่อมแผงโซลาร์ ตัวต้านทาน Shunt ค่าต่ำและตัวแบ่งแรงดัน (Voltage divider) ช่วยให้ Arduino สามารถตรวจสอบกระแสและแรงดัน (รวมถึงกำลังไฟ) ที่ผลิตโดยแผง PV ได้

อย่างที่ทราบกันดีว่า Impedance ของ Capacitor ขึ้นอยู่กับสถานะการชาร์จ เมื่อเชื่อมต่อ Capacitor ที่ไม่มีประจุในตอนแรก แรงดันไฟฟ้าที่คร่อมมันจะต่ำ กระแสชาร์จจะสูง ดังนั้นมันจึงแสดงค่า Impedance ต่ำ เมื่อชาร์จเต็มแล้ว Capacitor จะแสดงค่า Impedance ที่สูงมาก ท้ายที่สุดสำหรับการทำงานแบบ MPPT เราต้องการให้ C1 อยู่ในสถานะการชาร์จที่แสดง Impedance ที่สอดคล้องกับสภาวะ Maximum Power Point ของแผง PV ในขณะนั้นได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ Arduino จะสลับโหลดเปิดและปิดอย่างรวดเร็ว (โดยใช้ PWM ที่ 5kHz) โดยปรับอัตราส่วน ON:OFF เพื่อ 'แบ่งเบาโหลด' เมื่อสภาวะท้องฟ้าไม่เหมาะสม ในทางเทคนิค เวลาเปิด-ปิดของโหลดเครื่องทำน้ำร้อนจะถูกปรับเพื่อให้ประจุ (I x t) ปริมาณที่เหมาะสมถูกดึงออกจาก C1 เพื่อรักษาแผงโซลาร์ไว้ที่จุดกำลังสูงสุด LoadMaster จะตรวจสอบแรงดันและกระแสเอาต์พุตของ PV (V x I = กำลังไฟฟ้า) และปรับอัตราส่วน ON:OFF 10 ครั้งต่อวินาทีโดยใช้วิธี 'Perturb and Observe' (P&O) เพื่อติดตามกำลังสูงสุดภายใต้สภาพท้องฟ้าใดๆ

เพื่อลดการสูญเสีย MOSFET จะถูกเปิดและปิดอย่างรวดเร็วและรุนแรง (โดยใช้ Gate drive ที่แรง) ขอบการสลับที่รวดเร็วเช่นนี้ขึ้นชื่อเรื่องการแพร่กระจายสัญญาณรบกวน RF คุณไม่สามารถเชื่อมต่อจุดที่มีการสลับสัญญาณที่รวดเร็วและกำลังสูงเช่นนี้เข้ากับสายเคเบิลยาวๆ (ซึ่งทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ) ได้โดยไม่เสี่ยงที่จะรบกวน Wifi, สถานีวิทยุในท้องถิ่น, เพื่อนบ้าน หรือหน่วยงานกำกับดูแลด้านวิทยุ

Inductor และ C2 ทำหน้าที่กรองเพื่อจำกัด dI/dt และ dV/dt บนสายเคเบิลภายนอก D1 ใช้เพื่อดักจับ Back EMF spike และพลังงานที่ปล่อยออกมาจาก Inductor เมื่อ MOSFET ปิดตัว แม้ว่าการจัดวางนี้อาจดูเหมือน Low side switched buck แต่มันไม่ใช่! การจัดวางแบบนี้บางครั้งเรียกว่า Linear Current Booster ซึ่งจะเพิ่มกระแสเอาต์พุตให้สูงสุดโดยไม่โหลดอินพุตมากเกินไป ด้วยการปรับจูนเล็กน้อย วงจรนี้สามารถนำไปใช้เพื่อเพิ่มกระแส (นั่นคือแรงบิด) ที่ส่งไปยังปั๊มน้ำ DC Solar irrigation ได้อย่างง่ายดาย

การใช้ไฟฟ้า DC แรงดันสูงกับ Thermostat แบบกลไกสำหรับ AC อาจนำไปสู่การเกิดอาร์กและการเชื่อมติดกันของหน้าสัมผัส ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อความปลอดภัยของถังน้ำร้อนอย่างร้ายแรง Loadmaster จึงปรับสัญญาณเอาต์พุตไฟฟ้าโดยบังคับให้มีช่วงเวลาสั้นๆ ที่กระแสโหลดเป็นศูนย์ (เพื่อดับประกายไฟอาร์ก) ทุกๆ ช่วงเวลา 30Hz ไม่พบหลักฐานของการเกิดอาร์กเมื่อใช้เทคนิคนี้ (ที่ 3kW และ Vmp 155V) ควรสังเกตด้วยว่าในระหว่างการทำงานปกติ Thermostat ของเครื่องทำน้ำร้อนจะไม่ถูกใช้เพื่อควบคุมอุณหภูมิในถัง แต่จะถูกปรับให้เปิดที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อเป็นระบบสำรองความปลอดภัยเท่านั้น การควบคุมอุณหภูมิในการทำงานปกติจะใช้ Sensor (DS18B20) และ Software

ข้อมูลทางเทคนิคของ Loadmaster

แหล่งจ่ายไฟ:- 12VDC, 500mA. ขั้วต่อสายไฟขนาด 2.1 มม. ขั้วกลางเป็นบวก (+Ve)

PV Input:- กระแสสูงสุด <20A, Vmp สูงสุด <200V, แนะนำแผง PMax = 3.8kW

Relay Output x 1 (สำหรับการควบคุมวาล์ว Combi Pre-Heat / Diverter, เมื่อน้ำอุณหภูมิต่ำกว่าที่กำหนด น้ำจะถูกส่งไปที่ Combi Inlet)

Opto isolated logic input - สำหรับการเชื่อมต่อในอนาคตหรือ I/O สำรอง

RGB Status LED - แสดงสถานะการทำงานปัจจุบันให้เห็นได้ชัดเจน

การควบคุมด้วยปุ่มกดเดียว - กดสั้น = สลับหน้าจอแสดงผล, กดค้าง = เปิด/ปิด

จอ 20x4 I2C Graphics LCD

การเชื่อมต่อ:- อินเทอร์เฟซ Serial มีให้ที่หัวต่อ ทดสอบแล้วกับ HM-10 (BLE), DT-06 (Wifi) และ (ESP8266-01S) อินเทอร์เฟซ Terminal แบบเมนูช่วยให้เข้าถึงฟังก์ชันการตรวจสอบและควบคุมทั้งหมด โมดูล Wifi ช่วยให้เข้าถึงผ่าน LAN หรืออินเทอร์เน็ตระยะไกล (Telnet) แนะนำเป็นอย่างยิ่งให้ใช้แอป Android Serial Terminal ของ Kai Morich

Temperature Sensors:- ใช้ Sensor มาตรฐาน DS18B20 สำหรับวัดอุณหภูมิ Heatsink, ด้านบนและด้านล่างของถังน้ำร้อน (หรืออาจใช้ Sensor แบบ Analog เช่น MCP9701 สำหรับสายที่ยาวกว่า 12 เมตร)เอาต์พุตโหลดที่ 2 - มีช่อง MOSFET ช่องที่สองในฮาร์ดแวร์ซึ่งสามารถใช้เพื่อระบายพลังงานส่วนเกินไปยังโหลดที่สอง เช่น เครื่องทำความร้อนในพื้นที่ (อ้างอิงจากเอกสารการประกอบ)

PV Load Capacitor:

ควรเป็น Capacitor ชนิด Film ที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าและ Ripple current ที่เหมาะสม (โดยปกติ >350VDC และ >15A RMS) Capacitor ที่เหมาะสมมักใช้ในงาน Motor run หรือ 'DC link' (พิจารณาตัวเก็บประจุอย่างซีรีส์ EPCOS B32363 ที่มีขั้วต่อแบบน็อต M10, มีระบบตัดการเชื่อมต่อเมื่อความดันเกิน และเหมาะสำหรับงานที่มี High pulse โดยเฉพาะ มักใช้ในแหล่งจ่ายไฟ DC ขนาดใหญ่หรือระบบโซลาร์ ลองหาใน eBay ดู!) Capacitor แบบ Electrolytic ไม่เหมาะสมสำหรับงานนี้

ค่าความจุมีผลต่อขนาดของ Ripple ในกระแสและแรงดัน PV รอบจุดกำลังสูงสุด ยิ่งค่าสูง Ripple ยิ่งน้อย ค่าที่แนะนำคือตั้งแต่ 200 ถึง 400uF

Capacitor จะจ่ายกระแสพัลส์ขนาดใหญ่ให้กับโหลด และต้องต่อสายเข้ากับขั้ว PV+ และ C- ของ Loadmaster ข้อสำคัญ:- เพื่อให้แน่ใจว่าค่าความเหนี่ยวนำของสายเคเบิลต่ำ (ซึ่งอาจส่งผลให้เกิด Voltage spike ขนาดใหญ่และวงจรเสียหายได้เมื่อมีการสลับกระแสสูง) Capacitor ต้องเชื่อมต่อกับ Loadmaster โดยใช้สายเคเบิลที่สั้น (แนะนำให้สั้นกว่า 10 ซม.) และมีขนาดใหญ่ (6 มม.^2 หรือมากกว่า) หากเป็นไปได้ ควรต่อขั้วบวกของแผง PV เข้ากับขั้วบวกของ Capacitor โดยตรงดังนี้:-

การออกแบบระบบ, ฉันจะได้น้ำร้อนแค่ไหน?

ปริมาณพลังงานเฉลี่ย (KWhrs) ที่ส่งเข้าไปในถังน้ำร้อนของคุณทุกวันนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ตั้ง, ขนาดของแผง PV, ช่วงเวลาของปี และการสูญเสียประสิทธิภาพอื่นๆ เช่น ร่มเงา, มุมและทิศทางของแผง เป็นต้น ในเดือนที่หนาวเย็น บางวันอาจจะได้พลังงานสูงหรือต่ำกว่าค่าเฉลี่ยอย่างมาก ซึ่งเป็นเรื่องของสภาพอากาศ ในส่วนดาวน์โหลด (ตอนท้าย) มี Design Spreadsheet ของ LoadMaster ซึ่งรวมถึงเครื่องคำนวณประสิทธิภาพโดยประมาณ และมีเอกสาร System Sizing ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงประสิทธิภาพทั่วไปสำหรับพื้นที่ในสหราชอาณาจักรและสหรัฐอเมริกา:-

ถังน้ำร้อนขนาด 150 ลิตรที่มีประสิทธิภาพอาจมีการสูญเสียความร้อนขณะรอใช้งาน (Standing loss) <=50W ในตอนกลางคืนน้ำอาจเย็นลง 3-4°C ค่าอุณหภูมิสุดท้ายที่แสดงด้านบนสมมติว่าอุณหภูมิน้ำในถังเริ่มที่ 15°C ทุกเช้า ในความเป็นจริง แม้ในช่วงกลางฤดูหนาว หากมีการใช้งานน้อยเป็นเวลาหนึ่งหรือสองวัน พลังงานที่สะสมไว้จะเพิ่มขึ้นจนถึงขีดจำกัดอุณหภูมิที่ตั้งไว้ (ในกรณีของผมคือ 60°C) ถังขนาดใหญ่อาจถูกใช้เพื่อสะสมพลังงานได้มากขึ้นในวันที่แดดดี น้ำที่ร้อนจะลอยตัวขึ้นและเติมเต็มส่วนบนของถังตามชั้นอุณหภูมิ แม้ว่าถังขนาดใหญ่จะเก็บพลังงานได้มากกว่าและเก็บน้ำร้อนได้มากกว่า แต่ในสภาวะแสงแดดน้อย การสูญเสียความร้อนของมันจะส่งผลกระทบต่อพลังงานโซลาร์สุทธิที่ได้รับ คุณต้องพิจารณาการใช้น้ำร้อนรายวัน พลังงานเฉลี่ยที่จำเป็นในการทำน้ำร้อน ขนาดของแผง PV และสถานที่ติดตั้ง ซึ่งต้องมีการปรับสมดุลให้เหมาะสม

น่าเสียดายที่เนื่องจากแต่ละคนมีสถานที่ตั้งและสภาพแสงแดดที่แตกต่างกัน ข้อมูลจำเพาะของแผง PV ที่ต่างกัน การกำหนดค่าแผงที่ต่างกัน ความต้องการใช้น้ำร้อนที่ต่างกัน ข้อมูลจำเพาะของตัวทำความร้อนที่มีจำหน่ายในท้องตลาดที่ต่างกัน ฯลฯ จึงเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะให้คำแนะนำที่ครอบคลุมการติดตั้งของทุกคน!

Spreadsheet ที่มีสูตรคำนวณการออกแบบและข้อมูลพื้นฐานได้จัดเตรียมไว้ให้ในส่วนดาวน์โหลดเพื่อช่วยให้คุณเข้าใจและเลือกการออกแบบระบบได้ การคำนวณพลังงาน PV และประสิทธิภาพการทำน้ำร้อนไม่ใช่เวทมนตร์ แต่มันคือฟิสิกส์ สมการ และคณิตศาสตร์พื้นฐานที่จะให้ภาพรวมที่ดีของประสิทธิภาพที่เป็นไปได้

เห็นได้ชัดว่าคนที่อาศัยอยู่แบบ Off-grid คนเดียวบนเนินเขาในโอเรกอนที่ต้องการน้ำร้อนเพียงเล็กน้อยเพื่อชีวิตที่สะดวกสบายนั้น แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับครอบครัวที่มี 4 คนในบริสเบน อย่างไรก็ตาม! ผมยังคงถูกถามว่า "การกำหนดค่าที่ดีที่สุดคืออะไร" โปรดดูในเอกสาร System Sizing

อาจลองพิจารณาระบบของผมเป็นตัวอย่าง คือ แผง 300W ต่อแบบ 5S x 2P ขับตัวทำความร้อน 3kw/240V สองตัวต่อขนานกัน ในถังขนาด 150-180 ลิตร

หากต้องการน้ำร้อนและพลังงานมากขึ้น ผมแนะนำว่าอย่าใช้เกินแผง 60 เซลล์ 330W ต่อแบบ 6S x 2P (หรือ 5S หากเป็นแผง 72 เซลล์) และขับตัวทำความร้อน 6kW หรือ 3kW/240V สองตัวต่อขนานกัน โดยใช้ถังขนาด 200-250 ลิตร (การกำหนดค่าแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่านี้ไม่ควรจำเป็น เนื่องจากแรงดันสูงอันตรายมากกว่า (ลองค้นหาใน Youtube ว่า 'DC arcing'), การสลับแรงดันสูงทำให้เกิดความเค้น dV/dt ต่ออุปกรณ์สูงขึ้น นอกจากนี้การกำหนดค่า 4, 5 หรือ 6S ของแผง 60 เซลล์ (4 หรือ 5S หากเป็นแผง 72 เซลล์) โดยทั่วไปสามารถจับคู่ได้ดีกับตัวต้านทานตัวทำความร้อน 240V ทั่วไปหลายรุ่น) คุณเป็นผู้รับผิดชอบในการกำหนดค่า ความปลอดภัย และประสิทธิภาพของระบบของคุณเอง!

ประสิทธิภาพ

LoadMaster มีการสูญเสียพลังงานต่ำ การสูญเสียพลังงานที่ MOSFET (Rds ON = 17mΩ ขณะเย็น) ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับกระแสโหลดของตัวทำความร้อน I^2 x Rds วัตต์ (บวกกับการสูญเสียจากการสลับเล็กน้อย) ซึ่งจะส่งผลให้สูญเสียที่ MOSFET ประมาณ 2 ถึง 10W การสูญเสียที่ Capacitor นั้นน้อยมาก มีการสูญเสียประมาณ 2.5W ในตัวต้านทาน CR Snubber (ซึ่งเป็นผลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้จากการสลายพลังงาน 'Ringing' ที่ไม่ต้องการซึ่งเกิดจากการสลับและค่าความเหนี่ยวนำแฝง) การสูญเสียพลังงานรวม 15W เพื่อจ่ายไฟ 2.985kW จากอินพุต PV 3kW คิดเป็นประสิทธิภาพมากกว่า 99%

ในช่วงเดือนฤดูหนาว ระบบน้ำร้อน PV ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่า Solar thermal แผง PV มีประสิทธิภาพมากกว่าในสภาวะอากาศหนาว โดยมีกำลังไฟมากกว่าประมาณ 10% ที่ -12°C เมื่อเทียบกับที่ 25°C

ระบบ Thermal จะมีประสิทธิภาพลดลงในสภาวะอากาศหนาวเนื่องจากการสูญเสียความร้อนที่เพิ่มขึ้น ผลต่างอุณหภูมิที่น้อยหมายความว่าปั๊มหมุนเวียนจะทำงานน้อยลง พลังงานจึงถูกส่งไปที่น้ำได้น้อยลง

ด้วยน้ำร้อน PV แม้ในช่วงรุ่งเช้าหรือพลบค่ำ หรือในสภาพอากาศที่เลวร้าย คุณจะยังคงเห็น LoadMaster ผลักดันทุกวัตต์ที่มีอยู่เข้าไปในน้ำ แม้ว่าจะเป็นเพียง 80W แต่น้ำก็ยังคงถูกทำความร้อน ในขณะที่ระบบ Solar thermal จะไม่ทำงานเลย

การจับคู่ความต้านทานตัวทำความร้อนและแผง PV

ข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับการออกแบบนี้คือการเลือกองค์ประกอบความร้อน (พิกัดกำลังและความต้านทาน) ให้ตรงกับข้อมูลจำเพาะเอาต์พุตสูงสุดของแผง PV ที่เชื่อมต่อ Loadmaster ไม่สามารถเชื่อมต่อกับแผงโซลาร์ใดๆ และความต้านทานตัวทำความร้อนใดๆ ก็ได้โดยไม่พิจารณาการจับคู่ นี่คืองานง่ายๆ แต่ต้องพิจารณาตั้งแต่เนิ่นๆ ก่อนซื้อแผงหรือตัวทำความร้อน

จะเห็นได้ว่าที่เอาต์พุตสูงสุดของแผงโซลาร์ PWM จะเป็น 100% MOSFET จะนำไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นความต้านทานโหลดที่แสดงต่อแผง PV จะเป็นความต้านทานขององค์ประกอบความร้อนเอง ในช่วงที่แสงแดดน้อยลง MPPT จะปรับอัตราส่วน ON:OFF ของ PWM เพื่อให้ LoadMaster แสดง Impedance ที่สูงขึ้นซึ่งสอดคล้องกับจุดกำลังสูงสุดที่ลดลงของแผง PV

องค์ประกอบความร้อนในครัวเรือนมักจะเป็น 3kW, 240V (R=V^2/P = 19.2Ω) แผงที่เหมาะที่สุดสำหรับองค์ประกอบดังกล่าวจะต้องผลิต Pmp=3kW @ 240Vmp ซึ่งไม่เป็นความจริงในทางปฏิบัติ เพราะแรงดันสูงเกินไปสำหรับ Loadmaster และการใช้งานที่ต่างกันอาจต้องการกำลัง PV ที่ต่างกัน ในทุกกรณี แผง PV ควรมีความสัมพันธ์ระหว่าง Pmp และ Vmp ที่เหมาะสมเพื่อให้ Vmp^2/Pmp = R ของตัวทำความร้อน

ในโลกอุดมคติ เราควรตั้งเป้าไปที่ความต้านทานของตัวทำความร้อนซึ่งควรจะ เท่ากับ หรือต่ำกว่าค่า Vmp / Imp สูงสุดของแผงเล็กน้อย (หรืออย่างน้อยก็อยู่ในช่วงประมาณ +/- 10%)

Design Spreadsheet ของ LoadMaster มีแผ่นงาน ('Load Matching Configs') ซึ่งสามารถช่วยคุณตรวจสอบข้อมูลจำเพาะของ PV, การกำหนดค่าแผง และตัวเลือกตัวทำความร้อนที่เป็นไปได้

หากใช้ตัวทำความร้อน 3kW 240V ตัวเดียว (19.2Ω) สำหรับระบบที่มีการใช้น้ำร้อนน้อย ตัวเลือกแผงที่ดีอาจเป็นการต่อแบบ 5S x 1P โดยใช้แผง 60 เซลล์ ขนาด 275W (ซึ่งแต่ละแผงมี Vmp ประมาณ 32.5V) ผลลัพธ์ที่ได้คือ 1,375W @ 162.5V Vmp = 19.2Ω

สำหรับความต้องการน้ำร้อนที่มากขึ้น การกำหนดค่าแผง 5S x 2P ของแผง 60 เซลล์ ขนาด 270 ถึง 300W อาจจะดีกว่า ร่วมกับตัวทำความร้อนที่มีความต้านทานประมาณ 9 โอห์ม (เช่น ตัวทำความร้อน 240V 3kW สองตัวต่อขนานกัน)

หากใช้แผง 72 เซลล์ที่มี Vmp สูงกว่า (ประมาณ 40V) ให้ตั้งเป้าไปที่การกำหนดค่าแผงแบบ 4S x 1P หรือ 2P

หลีกเลี่ยงการใช้เกินขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟของ Loadmaster เนื่องจากอาจส่งผลให้เกิด Transient ของแรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปและความเครียดต่อ MOSFET

ระบบของผมใช้ตัวทำความร้อน 240V 3kW สองตัวต่อขนานกัน (นั่นคือ 9.6Ω) และมีแผงต่อแบบ 5S x 2P ประกอบด้วยแผง REC 300W (60 เซลล์) ที่มี Vmp = 32.5V รวมเป็น 3kW @ Vmp = 162.5V ซึ่งแสดงถึงโหลดที่เหมาะสม (V^2)/P = 8.8Ω ซึ่งใกล้เคียงพอสมควรกับโหลดตัวทำความร้อน 9.6Ω หากมองย้อนกลับไป! การกำหนดค่าแผง 6S x 2P (นั่นคือ 3.6kW @ 195Vmp) จะเท่ากับโหลด MPPT 10.56Ω ความต้านทาน 9.6Ω ที่ต่ำกว่าของตัวทำความร้อนขนานของผมก็จะยิ่งจับคู่กันได้ดียิ่งขึ้นไปอีก

ถังขนาด 150 ลิตรแบบ Direct ของผมมีตัวทำความร้อนสองตัวต่อขนานกัน ตัวทำความร้อนแต่ละตัวจะรับกำลังสูงสุดเพียง 1.5kW และควรจะมีอายุการใช้งานยาวนานหลายปี พลังงาน PV ส่วนเกินของผมในเดือนฤดูร้อนจะถูกนำไปใช้สำหรับชาร์จแบตเตอรี่

บางท่านอาจต้องการใช้ LoadMaster ในการใช้งานที่มีกำลังไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า และสำหรับงานนี้ก็มีตัวทำความร้อน DC ที่มีความต้านทานและพิกัดกำลังที่หลากหลายให้เลือก ในสหรัฐอเมริกามีองค์ประกอบตัวทำความร้อนเรต AC จำนวนมากให้เลือกใช้งาน:-

3500W x 480V = 65.8Ω, 1500W x 277V = 51.15Ω, 1250W x 240V = 46.08Ω, 1500W x 240V = 38.4Ω, 2000W x 240V = 28.8Ω, 2500W x 240V = 23Ω, 2000W x 208V = 21.63Ω, 3000W x 240V = 19.2Ω, 2500W x 208V = 17.3Ω, 4500W x 277V = 17.05Ω, 3500W x 240V = 16.46Ω, 3800W x 240V = 15.16Ω, 4500W x 240V = 12.8Ω, 3500W x 208V = 12.36Ω, 5500W x 240V = 10.47Ω, 6000W x 240V = 9.6Ω, 5000W x 208V = 8.65Ω, 5500W x 208V = 7.87Ω, 6000W x 208V = 7.21Ω.ความปลอดภัย!

หวังว่าถึงตอนนี้คุณคงสังเกตเห็นแล้วว่าโปรเจกต์นี้ประกอบด้วย:-

แรงดันไฟฟ้าสูง, กระแสสูง, กำลังไฟฟ้าสูง (ความเสี่ยงต่อการถูกไฟฟ้าดูดและไฟไหม้)น้ำร้อน (ความเสี่ยงต่อการถูกลวกและความเข้าใจในด้านความปลอดภัยของระบบกักเก็บน้ำร้อนที่มีแรงดัน) Capacitors ที่มี พลังงาน ประจุ สูง (ห้ามลัดวงจรสิ่งนี้หรือแรงดันไฟฟ้าสูงใดๆ - อาจเกิดการไหม้, ประกายไฟ, บาดเจ็บที่ดวงตา ฯลฯ)การติดตั้ง แผง โซลาร์ ใน ที่สูง, ฯลฯ เช่นเดียวกับ Inverter หรือเครื่องชาร์จโซลาร์กำลังสูงในเชิงพาณิชย์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องบรรจุอยู่ภายในกล่องโลหะที่ปิดสนิทและต่อลงดิน ซึ่งมีการป้องกันอัคคีภัยในระดับหนึ่ง หากคุณใช้มาตรการป้องกันความปลอดภัยที่เหมาะสมและใช้สามัญสำนึก โปรเจกต์นี้ก็ปลอดภัยเหมือนกับโปรเจกต์ที่ใช้ไฟบ้านอื่นๆ ผมไม่รับผิดชอบต่อความเสียหายใดๆ จากโปรเจกต์ของคุณ หากคุณสงสัยในความรู้ ทักษะ หรือความเข้าใจในด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง ผม ขอแนะนำ ให้คุณพิจารณาโปรเจกต์อื่นแทน!

ส่วนภาคกำลังของวงจรนี้ถูกจำลองโดยใช้ Ti Tina

แนวคิดในอนาคต!

ในช่วงกลางฤดูหนาวและสภาพอากาศเลวร้าย พลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับต่อวันจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด จะเป็นข้อดีหากพลังงานที่ลดลงนี้ถูกส่งไปยังน้ำที่มีปริมาตรน้อยลง (เช่น ส่งไปที่ เฉพาะส่วนบนของ ถังน้ำร้อน) เพื่อให้น้ำที่ออกมามีอุณหภูมิที่สูงขึ้นและใช้งานได้จริงมากขึ้น สำหรับถังน้ำร้อนที่มีองค์ประกอบความร้อนทั้งด้านบนและด้านล่าง เป็นไปได้ในทางทฤษฎีที่จะใช้ความสามารถเอาต์พุตคู่ของ LoadMaster และควบคุมการจ่ายพลังงานไปยังแต่ละตัวทำความร้อนอย่างชาญฉลาดโดยแยกอิสระจากกัน (เช่น ให้ทำงานทั้งคู่แบบขนาน หรือเฉพาะตัวบนหรือตัวล่าง) เพื่อให้ส่วนบนของถังได้รับความร้อนก่อนเสมอ กลยุทธ์การควบคุมจะต้องอิงตามอุณหภูมิน้ำในระดับต่างๆ และต้องแน่ใจว่า PWM ไม่ถึง 100% (ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อความเข้มของแสงอาทิตย์ (กำลัง) สูงพอที่จะต้องการความต้านทานที่ตรงกับกำลังสูงสุดที่มีค่าน้อยกว่าตัวทำความร้อนตัวเดียว)

มีไอเดียและทางเลือกมากมาย เพียงแค่ไม่มีเวลาพอ!

อีกหนึ่งการติดตั้งที่น่าสนใจจาก Mike ในวิสคอนซิน:- ใช้ LoadMaster 2 ชุดพร้อมแผง PV 2 ชุด ระบบหนึ่งใช้สำหรับน้ำร้อนในบ้านโดยเฉพาะ อีกระบบหนึ่งช่วยเพิ่มความร้อนฟรีให้กับบ้านโดยใช้เครื่องทำความร้อนแบบ Baseboard (ที่แสดงอยู่ด้านล่างของรูปภาพ)

อัปเดตล่าสุด (มีนาคม 2022)

หลังช่วงโควิด การจัดหาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ค่อนข้างยุ่งเหยิง! แม้ว่าชิ้นส่วนส่วนใหญ่น่าจะหาซื้อได้ แต่มีความเป็นไปได้สูงที่คุณจะต้องสั่งจากซัพพลายเออร์หลายรายและเผชิญกับระยะเวลาการรอคอยที่นานขึ้น - Mouser, Digikey, Farnell, RS, Ebay, Banggood, Aliexpress ฯลฯ

BOM (V07) ได้รับการอัปเดตเพื่อรวมอุปกรณ์ MOSFET และ Capacitor ทางเลือกเพิ่มเติม

มี Code เวอร์ชัน (PV_Hot_Water_LoadMasterXP_V-210.zip ในโฟลเดอร์ดาวน์โหลด) ที่ไม่ต้องการให้ติดตั้งนาฬิกา Real time clock DS3232, ถ่านกระดุม หรือ Sensor อุณหภูมิ Heatsink DS18B20 โค้ดนี้จะจัดการวันที่ในปฏิทิน (สำหรับการบันทึกข้อมูลเท่านั้น) ผ่านการตรวจจับเวลาช่วงกลางคืนของ PV เป็นเวลา 3 ชั่วโมง V210 มีการปรับปรุงหลายอย่าง รวมถึงการแก้ Bug และการเพิ่มประสิทธิภาพ

จอแสดงผล Nextion แบบสีสำหรับโปรเจกต์นี้ก็มีการอัปเดตเช่นกัน มีโค้ดเวอร์ชันที่กำหนดค่าให้รันบนจอ Nextion ขนาด 2.8 นิ้ว (โควิดทำให้จอขนาด 3.2 นิ้วราคาแพงและหายาก จอ Nextion 'Discovery' ขนาด 2.8 นิ้วเป็นจอที่มีราคาต่ำกว่าและให้ประสิทธิภาพที่ดีสำหรับโปรเจกต์นี้) สวิตช์บนแผงสัมผัสเปิด/ปิดของหน้าจอตอนนี้ยังสามารถควบคุม Loadmaster จากระยะไกลได้ด้วย

ผมกำลังจะเผยแพร่ Code ที่สามารถดึงข้อมูล Serial stream ที่ส่งไปยังจอ Nextion ระยะไกล แล้วส่งค่าไปยัง Ubidots ผ่าน MQTT (โดยใช้บัญชีฟรี) ซึ่งจะช่วยให้การบันทึกข้อมูลทำได้ง่ายมาก มีการประทับเวลาอัตโนมัติ มีกราฟ และใช้ NodeMCU / Wemos D1 ฯลฯ ในราคา <$5 ผมขอแนะนำว่าการติดตั้ง RTC นั้นไม่จำเป็นอีกต่อไป

โปรดทราบด้วยว่า: - ตัวต้านทาน Gate drive (R4 & R26 = 4R7) และตัวต้านทาน Snubber (R41, R42, R43 & R44, R45, R46 = 3R9) ต้องเป็นชนิด 'Pulse withstanding' สำหรับแผงใดๆ ที่มี Vmp > 165V ตัวต้านทาน Snubber แบบ SMD จะร้อนเกินไป และต้องถูกแทนที่ด้วยตัวต้านทานพิกัดพัลส์ 12R 20-30W ที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำ (ปกติจะเป็นชนิด TO220 พร้อม Heatsink ขนาดเล็ก) BOM ได้รับการอัปเดตแล้ว และกรุณา! - อ่านคำแนะนำในการสร้างก่อนเสมอ!!! ดูลิงก์ด้านล่าง:-คลิกที่นี่เพื่อดาวน์โหลดแผนผังวงจร, คำแนะนำการประกอบ, ไลบรารีแบบซิป, Spreadsheet การออกแบบ และไฟล์การออกแบบที่เป็นประโยชน์อื่นๆ