如何利用MPPT设计一个太阳能热水控制器

介绍

家用热水的太阳能加热传统上是使用“太阳能热”技术（平板面板或真空管集热器）实现的。虽然就单位面积捕获的能量而言，太阳能热能比光伏（PV）更节省空间，但它通常具有较高的安装成本，在寒冷天气或阴天时效率较低，寿命较短，并且可以提供持续维护挑战和成本（机械泵、防冻和腐蚀化学品、泄漏、屋顶空间定位和管道布线等）的数量。有更大的太阳能收集区域可用（在大多数安装中很少有限制），那么现在使用光伏电池板提供了一种更具成本效益、接近零维护且性能更好的“固态”太阳能热水替代方法。光伏电池板成本的快速持续下降有助于使光伏热水成为一种有吸引力且经济可行的方法。Loadmaster设计为位于光伏电池板阵列和传统浸入式电加热器之间，旨在调节加热元件的负载阻抗，以便在不受天空条件影响的情况下最大限度地提高光伏电能的收集效率。

光伏系统也比太阳能热系统更通用，任何多余的电能都可以很容易地用于各种其他目的。LoadMaster包括一个可选的第二个输出，允许将多余的太阳能转移到电踢脚板加热器（便宜）并在水达到最高温度后用于空间加热。

如果房产拥有完整的“并网”太阳能电力装置，则可以使用许多商业产品将多余的电力转移到水浸式加热器，而不是将其馈入电网。并网系统的复杂性和成本延长了回报时间，而且对于许多连接到电网的人来说，这超出了DIY项目的范围。如果您花钱请其他人安装，任何太阳能系统都会贵得多！

此处显示的LoadMasterPV热水方法提供了一个非常简单和便宜的解决方案，非常适合有能力的DIY人员。这是一个“安装即忘”的项目，几乎零维护，偶尔清洁面板是唯一的维护需求。

此处讨论的LoadMaster项目有两个额外的“附加”项目页面，一个项目使用DT-06（或ESP8266-01S）Wifi-Serial终端添加远程互联网连接，另一个项目详细说明了用于远程显示Loadmaster的方法位于远程、无线连接的Nextion显示器上的操作状态：

光伏热水，MPPT基础！

为了加热水，光伏电池板产生的电能必须输送到标准热水缸中的电加热元件。听起来很简单？好吧，不幸的是，为了高效和安全的操作，它并不像将加热元件（和恒温器）连接到太阳能电池阵列的直流输出那么简单。

将光伏阵列的高压直流输出连接到标准交流额定机械恒温器可能会导致触点产生电弧和焊接，可能会严重危及热水瓶的安全。此外，在现实世界的变化和非完美的天空条件下（即大部分时间！），加热器的负载电阻与光伏阵列提供最大功率所需的理想“匹配”阻抗之间经常会出现严重的不匹配。这会导致潜在加热功率的损失，效率非常低，并且是对光伏面板投资的荒谬浪费。

让我们用我的我的3kW的阵列为例说明最大功率点跟踪的重要性（2串并联的每个组成的5倍REC太阳能300WTP2串联板）：-在充满阳光的阵列将有类似的电压电流关系通过所示出的蓝色曲线在下面的曲线图（用于单个面板VI响应曲线图中它的通常示出的数据表）。图中任意点的电压与电流之比意味着连接的负载电阻为V/I欧姆，如绿色轨迹所示。

将V–I曲线上所有点的电压和电流相乘将显示阵列的输出功率曲线（红色轨迹）。我们可以清楚地看到对应于特定电压和电流的阵列输出功率（在垂直线处）有一个峰值。这称为最大功率点。在此示例中，要在最大功率点运行并因此提供3kW，我们需要162V/18.48A=8.8Ω的负载。所以，现在让我们看一下太阳强度大约一半时的阵列特性（即阴天，不是正午等）：

这次我们可以看到峰值功率以略低的电压提供，但电流现在大约是阳光充足时的一半。在这种日照减少的情况下，为了使阵列在其峰值功率点运行并提供1.47kW，我们现在需要160V/9.24A=17.3Ω的匹配负载阻抗。如果我们仍然有从该曲线然后被连接的原始8.8Ω负荷我们可以看到一个8.8Ω负荷将拉动阵列电压下降到仅85V，只会产生大约834W的输出功率到8.8Ω负载，而不是在1.47kW如果连接了17.3Ω的匹配负载，我们可能会有！由于有错误的负载阻抗以适应减少的太阳能条件，我们刚刚损失了636W-相当于我的两个300WPV面板的功率只是因为错误的负载阻抗而损失了！。当太阳能条件不是最大时，由于负载不匹配而导致的有效功率损失变得极端（即，在晴朗的日子不是中午时，-这是大部分时间！！）。LoadMaster等电路旨在提供最大功率点跟踪（MPPT），它们持续调整呈现给太阳能电池板的有效负载阻抗，以便在任何太阳能条件下始终提取最大可用功率并且在一天中的任何时间。LoadMaster已经并将继续为我们提供免费热水，总支出为《《1，800英镑（3kW的新光伏电池板、150L气缸、车顶纵梁等，外加一些讨价还价）。PV电池板有25年的使用寿命保证，并且该系统没有理由不超过25年。

我的系统配置为通过预热兼容的LPGCombi锅炉将水转移到《40°C。即使在英国11月，一个3千瓦的阵列也提供了我们热水使用量的很大比例（2人家庭）。当然，在阴天、下雨天太阳能输出会很低。

热水通常占家庭年度总能源预算的25-30%。这是PVHotwater的一个直接且具有成本效益的项目。它没有电网连接问题，并且在具有合格DIY和电子技能的人的能力范围内。LoadMaster是保护我们脆弱且人口稠密的星球的一小步。我们的星球气候着火了。你在做什么来帮忙？

可以（最后）下载电子表格，以估计给定光伏阵列大小和您所在位置的可能热水性能。

Loadmaster规格

LoadMaster项目基于ArduinoNano，电路基本架构如下所示：

C1是一个高压薄膜型电容器，有效连接在太阳能电池阵列两端。小值分流电阻器和分压器使Arduino能够监控PV阵列产生的电流和电压（以及由此产生的功率）。

众所周知，电容器的阻抗取决于它的充电状态。当未充电的电容器最初连接时，其两端的电压会很低，充电电流会很高，因此会呈现低阻抗。一旦完全充电，电容器将呈现非常高的阻抗。最终，对于MPPT操作，我们希望将C1保持在充电状态，该状态呈现与PV阵列的主要最大功率点条件完美匹配的阻抗。为了实现这一点，Arduino快速打开和关闭负载（使用5kHz的PWM）改变ON:OFF比率以在天空条件不是最佳时有效地“减轻负载”。在技术方面，ON：加热器负载的关断开关时间被调整，以便从C1移除恰到好处的电荷量（Ixt）以将阵列保持在最大功率点。LoadMaster监控PV输出电压和电流（VxI=功率）并使用“PerterbanObserve”（P&O）方法每秒10次调整ON:OFF比率，以跟踪任何天空条件下的最大功率。

为了最大限度地减少损耗，MOSFET被“硬”打开和关闭（使用强大的栅极驱动）。这种快速切换边缘因辐射射频噪声而臭名昭著。您当然无法将如此高功率、尖锐的开关边缘连接到一段电缆（即天线），而不会冒着扰乱您的wifi、当地广播电台、邻居或无线电监管机构的风险。

电感器和C2提供过滤以限制外部电缆上的dI/dt和dV/dt。D1用于捕获MOSFET关断时电感器释放的反电动势尖峰和能量。虽然这种安排可能看起来像低侧开关降压，但它不是！这种安排有时被称为线性电流升压器-它在不过度加载输入的情况下最大化输出电流。通过一些调整，该电路可以很容易地用于最大化输送到直流太阳能灌溉泵的电流（即扭矩）。

在指定的交流机械恒温器上使用高压直流电可能会导致触点产生电弧和焊接，可能会严重危及热水瓶的安全。Loadmaster通过以30Hz的间隔强制零负载电流（熄灭任何电弧）的短暂周期来调制其电气输出波形。使用这种技术（在3kW和Vmp155V下）没有观察到电弧的迹象。还应该注意的是，在正常操作期间，浸入式恒温器不用于控制钢瓶温度，它们只是作为安全备份而被调整为打开更高的温度。正常运行时的温度控制是使用传感器（DS18B20）和软件实现的。

Loadmaster规格

电源：-12VDC，500mA。2.1mm电源连接器中心+Ve

PV输入：-最大电流《20A，最大Vmp《200V，建议阵列PMax=3.8kW

继电器输出x1（对于Combi预热/分流阀控制，低于指定温度的水可以分流到Combi入口）

光电隔离逻辑输入-用于未来连接或备用I/O

RGB状态LED-提供当前操作状态的“一目了然”指示

单按钮控制-短按=显示切换。长按=开/关。

20x4I2C图形LCD

连接性：-串行接口在连接器处可用。使用HM-10（BLE）、DT-06（Wifi）和（ESP8266-01S）进行测试。串行菜单驱动的终端接口提供对所有监视和控制功能的访问。Wifi模块启用LAN或Internet远程访问（Telnet）。强烈推荐KaiMorich的Android串行终端应用程序。

温度传感器：-默认DS18B20传感器用于散热器、水缸顶部和底部温度。（或者模拟传感器，例如MCP9701也可用于》12m的电缆）

第二个负载输出-硬件上包含第二个MOSFET通道，可用于将多余的功率转储到第二个负载中，例如空间加热（请参阅组装文件）

光伏负载电容：

这应该是具有合适电压和纹波电流额定值（典型值》350VDC和》15ARMS）的薄膜型电容器。合适的电容器经常用于电机运行或“直流链路应用”。（考虑诸如EPCOSB32363系列等提供M10螺柱端子、过压断开并特别适用于高脉冲应用的电容。这些通常用于大型直流电源或太阳能装置-寻找易趣上的便宜货！）。电解帽不适合。

电容值影响峰值功率点周围PV电流和电压的纹波幅度。值越高，纹波越少。推荐值为200至400uF。

电容器向负载提供大电流脉冲，并连接到LoadmastersPV+和C-端子。重要提示：-为确保低电缆电感（在切换大电流时可能导致大电压尖峰和可能的电路损坏），必须使用短（理想情况下《10cm）和大规格（6mm^2或更大）将电容器连接到Loadmaster电缆。如果可能，最好将PV阵列的正极直接连接到电容器的正极端子，如下所示：

系统设计，我会得到多少热水？

每天输送到水箱的平均能量（KWhrs）显然取决于您的位置、光伏阵列的大小、一年中的时间和其他效率损失，如阴影、面板角度和方向等。在冬季，有些日子会显着高于或低于平均值，这称为天气。在下载部分（最后），LoadMaster设计电子表格包括一个近似的性能计算器，另外还有一个SystemSizing文档。以下示例显示了英国和美国地区的典型性能：

一个高效的150L热水瓶可能具有《=50w的静置损失。一夜之间它可能会冷却3-4°C。上面显示的最终温度值假设钢瓶每天早上在15°C下启动。实际上，即使在隆冬，如果一两天的使用量较低，那么储存的能量就会累积以达到设定的温度限制（在我的情况下为60°C）。在天气好的时候可以使用更大的气缸来有效地积累更多的能量。加热的水通过分层上升并充满圆柱体的顶部。虽然较大的圆柱体可以储存更多的能量并容纳更多的热水，但在较差的太阳能条件下，其站立损失会影响净太阳能增益。您需要考虑每天的热水消耗量、加热水所需的平均每日能源、光伏阵列的大小和位置。需要采取一种平衡措施。

不幸的是，鉴于每个人都有不同的地理位置和太阳能条件、不同的光伏电池板规格、不同的阵列配置、不同的热水消耗需求、不同的商用加热器规格等，那么根本不可能就每个人的设置提供建议！

下载中提供了包含设计计算和背景信息的电子表格，以帮助您理解和做出系统设计选择。计算PV能量和水加热性能并不神奇，它只是物理学、方程和基本数学，可以很好地了解可能的性能。

显然，一个人在俄勒冈州的山坡上节俭地生活，只需要少量热水以获得更舒适的生活，这与布里斯班的四口之家截然不同。然而！我仍然被问到“什么是最好的配置”。请查看系统调整文档。

也许考虑一下我这里介绍的系统，即5Sx2P300W面板阵列，使用150-180L气缸并行驱动2个3kw/240V加热器。

如果需要更多的热水和能源，我建议您不要再次驱动6kw或2x3kW/240Vheaters并联并使用200-250L圆筒。（不需要更高的电压配置，更高的电压更危险（Youtube的“直流电弧”），切换更高的电压会给组件带来更高的dV/dt压力，加上60Cell面板的4.5或6S配置（4或5S，如果72Cell）通常可以很好地匹配许多常见的240V加热器电阻）。您对系统配置、安全和性能负责！

效率

LoadMaster损耗低。MOSFET功率损耗（冷却时RdsON=17mΩ）主要取决于加热器负载电流，I^2xRdsWatts（加上一些小的开关损耗）将导致MOSFET损耗IRO2至10W。电容损耗可以忽略不计。CR缓冲电阻器损失了大约2.5W（这是消耗由开关和杂散电感引起的不需要的“振铃”能量的不可避免的结果）。从3kW的PV输入提供2.985kW的总功率损耗为15W，相当于》99%的效率。

在冬季，PV热水系统已被证明优于太阳能热能。光伏电池板在寒冷条件下效率更高，-12°C时的功率比25°C时高约10%。

散热系统变得更少由于增加了热损失在寒冷的环境条件下有效。较小的温差意味着循环泵的启动较少，因此输送到水中的能量较少。

使用光伏热水，即使在黎明、黄昏或恶劣天气下，您仍然会看到LoadMaster将所有可用的瓦特能量推入水中，即使这是80W，水仍在加热，而太阳能热系统将完全不活动。

匹配加热器电阻和光伏阵列

此设计的一个关键考虑因素是选择加热元件（额定功率和电阻）以匹配连接的PV阵列的峰值输出规格。Loadmaster不能在不考虑匹配的情况下连接到任何旧阵列和任何旧加热器电阻。这是一项简单的任务，但必须在购买面板或加热器之前及早考虑。

可以看出，在最大太阳能电池阵列输出时，PWM将为100%，MOSFET将持续导通，因此提供给PV阵列的负载电阻将是加热元件的电阻。在较低的太阳能条件下，MPPT将调整PWM的ON:OFF比率，以便LoadMaster呈现更高的阻抗，与PV阵列降低的最大功率点相匹配。

国内浸入式元件一般为3kW、240V（R=V^2/P=19.2Ω）。适合这种元件的理想阵列显然会产生Pmp=3kW@240Vmp，这是不切实际的，对于Loadmaster来说电压太高，不同的应用可能需要不同的PV功率。在所有情况下，光伏阵列在理想情况下都应具有Pmp和Vmp关系，使得Vmp^2/Pmp=R加热器。

在理想情况下，我们的目标是使加热器电阻理想地与阵列的最大Vmp/Imp相同或略低（或至少在+/-10%以内）。

LoadMaster设计电子表格包括一个工作表（“负载匹配配置”），可帮助您查看可能的PV规格、阵列配置和加热器选择。

如果使用单个3kW240V加热元件（19.2Ω），那么对于小型热水消耗系统，一个好的阵列选项可能是使用275W60Cell面板（即每个PV面板的Vmp=32.5V左右）的5Sx1P阵列。结果阵列为1，375W@162.5VVmp=19.2Ω。

对于更大的热水需求，60Cell270至300W面板的5Sx2P阵列配置与具有大约9欧姆电阻的加热器（例如并联的两个240V3kW加热器）一起使用可能是优选的。

如果使用具有更高Vmd（约40V）的72个电池板，则从4Sx1P或2P阵列配置瞄准。

避免超过Loadmasters的电压和功率限制，因为这会导致过大的电压瞬变和mosfet上的压力。

我的系统使用2x240V3kW浸入式加热器并联（即9.6Ω），并有一个5Sx2P阵列，由REC300W（60单元）面板组成，Vmp=32.5V，产生3kW@Vmp=162.5V，代表匹配负载（V^2）/P=8.8Ω。这与9.6Ω加热器负载非常接近。事后看来！6Sx2P阵列配置（即3.6kW@195Vmp相当于10.56ΩMppt负载，我的并联元件的较低9.6Ω电阻会更好地匹配。

我的Direct150L钢瓶有两个并联的浸入式加热器元件。每个3kw加热元件的最大功率只有1.5kw，应该可以使用很多年。我夏季多余的光伏将用于电池充电。

有些人可能希望在更小、更低功率和更低电压的应用中使用LoadMaster，为此提供了一系列具有各种电阻和额定功率的直流加热器。在美国，有许多交流额定加热器元件可用：-

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！

希望现在您已经发现该项目包括：

高电压、高电流、高功率（触电和火灾风险）

热水（烫风险与理解加压热水存储系统的安全问题）

具有高电荷能量的电容器（切勿将此或任何高电压短路-烧伤、火花、眼睛受伤等）

安装太阳能电池板在高度，等等等等

与任何商用大功率太阳能逆变器或充电器一样，电子设备必须安装在密封的金属接地外壳内，以提供一定程度的防火保护。如果您应用相关的安全预防措施和常识，该项目与任何其他电源供电项目一样安全。我对您的项目不承担任何责任，如果您怀疑自己对所涉及的安全方面的知识、技能或鉴赏力，那么我真的建议您考虑一个不同的项目！

该电路的电源侧使用TiTina建模。