Раз в неделю приходит заявка одного вида: «нужен ТЭН 12 вольт 150 ватт, буду греть от солнечной панели». Человек посмотрел ролик, где ведро воды греется напрямую от панели, и повторяет цифры с обложки. Схема действительно рабочая, а вот цифры на обложке между собой не дружат.
Откуда берётся потеря половины мощности?
Потеря появляется потому, что панель не розетка. У розетки напряжение держится, сколько бы ампер вы ни взяли. У панели наоборот: ток почти жёстко задан солнцем, а напряжение проседает, как только нагрузка требует больше тока, чем панель может дать.
Возьмём типовой паспорт панели, которую в магазине называют «12-вольтовой на 150 Вт»:
- Voc (холостой ход) — 22 В;
- Vmp (в точке максимальной мощности) — 18 В;
- Imp — 8,3 А;
- Isc (короткое замыкание) — 8,8 А.
Слово «12 вольт» тут историческое, оно означает «под свинцовую батарею 12 В», а не рабочее напряжение. Реально панель отдаёт максимум при 18 В.
Теперь ТЭН. Его сопротивление считается из маркировки: R = U² / P = 144 / 150 = 0,96 Ом. Этот резистор задаёт цепи жёсткую линию: сколько ампер, столько и вольт, U = 0,96 × I. Панель в это же время может дать максимум 8,8 А. Пересечение получается около 8,5 В при 8,8 А — 75 ватт. Панель не сгорела, не сломалась, она просто работает в неправильной точке своей вольт-амперной характеристики.
Какое сопротивление нужно под конкретную панель?
Считается по двум числам из паспорта: R = Vmp / Imp. Всё остальное — следствие. Ниже готовые пары для самых ходовых панелей.
| Панель | Vmp / Imp | Нужное R | Какой ТЭН заказывать |
|---|---|---|---|
| 100 Вт, «12 В» | 18 В / 5,6 А | 3,2 Ом | 18 В, 100 Вт |
| 150 Вт, «12 В» | 18 В / 8,3 А | 2,2 Ом | 18 В, 150 Вт |
| 300 Вт, «24 В» | 32 В / 9,4 А | 3,4 Ом | 32 В, 300 Вт |
| 2 × 150 Вт последовательно | 36 В / 8,3 А | 4,4 Ом | 36 В, 300 Вт |
| 550 Вт, полноразмерная | 42 В / 13,1 А | 3,2 Ом | 42 В, 550 Вт |
Заметьте: ни одного «12 В» в правой колонке. Низковольтные ТЭНы под солнце почти всегда получаются на 18, 32, 36 или 42 вольта, потому что панели работают именно там. Подробнее про линейку напряжений — в разборе низковольтных ТЭНов 12/24/48 В для солнечных систем.
Сколько воды это реально нагреет?
Формула та же, что и для сетевого нагрева: P = 0,00116 × V × ΔT / t, где V в литрах, ΔT в градусах, t в часах, P в киловаттах.
Ведро на 10 литров, согласованный ТЭН, реальная средняя отдача по дню около 100 Вт (полдень даёт больше, утро и вечер меньше). Подставляем: ΔT = 0,1 / (0,00116 × 10) = 8,6 градуса в час. За 6 эффективных солнечных часов набегает примерно 50 градусов — вода из 15 °C приходит к 65 °C. С рассогласованным ТЭНом на 0,96 Ом средняя отдача падает до 50 Вт, прирост становится 4,3 градуса в час, и к вечеру в ведре 41 °C вместо 65 °C. Тёплая вода вместо горячей, при одинаковой панели и одинаковом солнце.
Отсюда практический вывод: утепление ёмкости даёт прибавку сопоставимую с правильным подбором сопротивления. Считать бак и его теплопотери есть смысл до заказа ТЭНа, методика — в статье про расчёт ТЭНа под бак.
Почему в облачный день мощность падает не вдвое, а вчетверо?
Потому что у резистивной нагрузки мощность растёт как квадрат тока: P = I² × R. Ток панели пропорционален освещённости. Лёгкая облачность срезает освещённость наполовину — ток падает вдвое, а мощность в четыре раза. Панель, дававшая 150 Вт, отдаёт 37 Вт.
Это главный аргумент за MPPT-контроллер в схеме прямого нагрева: он вытягивает не полдень, а именно серые дни, когда прямая схема проваливается. И это же аргумент против погони за паспортным пиком: если ставите ТЭН строго под полуденную точку, всё остальное время он работает мимо неё. Мы обычно советуем считать сопротивление на 5–7 % ниже расчётного, тогда рабочая точка чуть смещается в сторону тока и день в целом отдаёт больше. Сравнение схем с батареей и без — в статье аккумулятор или прямое питание ТЭН.
Что ещё съедает ватты, кроме сопротивления ТЭНа
Провода. На 12–18 вольтах кабель важнее, чем на 220. Медь 2,5 мм² даёт около 0,007 Ом на метр. Двадцать метров туда-обратно — это 0,14 Ом, при токе 8,3 А падение 1,2 В и потеря 10 Вт, около 7 % мощности. На 220 В те же 10 Вт потерялись бы незаметно, здесь это заметная доля. Панель ставят ближе к баку или берут 4 мм².
Удельная нагрузка на поверхности трубки. Для воды безопасный потолок 8–10 Вт/см², при выходе за него на нержавейке нарастает накипь и ТЭН перегорает изнутри. Для 150 Вт при 5 Вт/см² нужно 30 см² поверхности: трубка 8,5 мм даёт 2,67 см² на сантиметр длины, значит активная часть от 11 см. Короткий «палец» на 4 см с такой мощностью проживёт один сезон.
Нагрев самой панели. К полудню кремний уходит к 55–60 °C, и Vmp просаживается примерно на 12–15 % от паспортных. Расчёт по холодному паспорту всегда оптимистичнее реальности, поэтому в таблице выше числа стоит воспринимать как верхнюю границу.
Главная ошибка при заказе
Заказывать ТЭН по цифре мощности с панели. «Панель 150 — дайте ТЭН 150» звучит логично, но мощность ТЭНа не свойство самого ТЭНа, а результат его сопротивления и того напряжения, которое до него доходит. Заказывать надо по сопротивлению, а сопротивление берётся из паспорта панели. Это же касается попытки взять готовый автомобильный подогреватель на 12 В: он рассчитан на жёсткие 12–14 вольт от генератора, а не на плывущую характеристику панели.
Что прислать для расчёта
- Vmp и Imp панели из паспорта (или фото шильдика с обратной стороны);
- сколько панелей и как соединены — последовательно или параллельно;
- объём и материал ёмкости, есть ли утепление;
- среда: вода, тосол, масло, воздух;
- присоединение: резьба G1/2, G1¼, фланец или под приварку;
- максимальная длина погружной части.
По этим шести пунктам мы наматываем ТЭН под нужное сопротивление в день обращения. Готовых «солнечных» ТЭНов на складе не бывает ни у кого: под каждую панель своё число ом, и это ровно тот случай, когда изготовление по чертежу дешевле поиска аналога.
Нужен ТЭН под вашу панель?
Пришлите Vmp и Imp из паспорта — посчитаем сопротивление и длину, ответим в день обращения.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли подключить ТЭН к солнечной панели без контроллера?
Можно. ТЭН — активная нагрузка, ему безразличны просадки и пульсации, ни контроллер, ни аккумулятор для нагрева не обязательны. Условие одно: сопротивление ТЭНа должно совпадать с отношением Vmp к Imp вашей панели. Если не совпадает, панель работает не в точке максимальной мощности и часть ватт теряется.
Какой ТЭН заказать под панель 150 Вт с Vmp 18 В?
ТЭН на 18 В и 150 Вт, его сопротивление 2,16 Ом. Именно оно совпадает с отношением 18 В к 8,3 А. ТЭН с маркировкой 12 В 150 Вт имеет 0,96 Ом и снимет с той же панели около 75 Вт, то есть половину.
Опасно ли 12–18 вольт в баке с водой?
Само напряжение безопасно, ударить током через воду оно не может. Опасность в другом: ток 8–9 ампер греет клеммы и провода. Клеммную коробку выводят выше уровня воды, соединения обжимают наконечниками, сечение кабеля берут от 2,5 мм², иначе греется не бак, а проводка.
Сколько воды нагреет панель 150 Вт за солнечный день?
При согласованном ТЭНе за 6 эффективных солнечных часов панель отдаёт около 0,6 кВт·ч с учётом нагрева самой панели и утреннего косого света. Этого хватает, чтобы 10 литров в утеплённом ведре поднять примерно на 50 градусов: с 15 °C до 65 °C. Без утепления половина уйдёт в воздух.
Что даёт MPPT-контроллер в схеме прямого нагрева?
MPPT удерживает панель в точке максимальной мощности при любой освещённости, поэтому в переменной облачности он добавляет заметно больше, чем в ясный полдень. Для резистивной нагрузки нужен контроллер с режимом DC-нагрузки или отдельный солнечный DC-DC. При точно подобранном сопротивлении ТЭНа в ясный день разница с прямым подключением невелика.
Можно ли собрать один ТЭН под две панели последовательно?
Да, и это частый вариант. Две панели по 150 Вт в последовательном соединении дают около 36 В при тех же 8,3 А, нужное сопротивление становится 4,4 Ом, а ТЭН заказывается на 36 В и 300 Вт. Ток остаётся прежним, поэтому провод и клеммы не меняются, а потери в кабеле в процентах падают вдвое.