Solární měnič pro bojler trochu jinak

Ukládání energie ze solárních panelů do tepelných spotřebičů je nejlevnější varianta solární elektrárny. Obvyklým typem měniče mezi panely a bojler je střídač, díky kterému můžeme použít běžné vypínače a termostaty na střídavý proud. Měnič zatěžuje panely tak, aby dávaly maximální výkon.

Často se bohužel používají střídače s obdélníkovým výstupem, které kvůli strmým spínacím hranám přenáší výstupním vodičem do spotřebiče rušení a není možné do takového obvodu zapojit elektronický elektroměr, ani žádný jiný malý instalační přístroj napájený typicky obvodem stylu kondenzátor zenerka. Čistě sinová modulace má zase nevýhodu ve snížení maximální efektivní hodnoty výstupního napětí vzhledem k napětí panelů a nutnost použití větších kondenzátorů na vstupu měniče a velkých filtračních tlumivek na výstupu dimenzovaných stejně jako tlumivky sinusových měničů.

Zvolil jsem tedy kompromis, křivku složenou z 1,3,5,7. a 11. harmonické, která má efektivní hodnotu 93% stejnosměrného napětí meziobvodu. Díky tomu stačí kapacita v meziobvodu podobná jako pro obdélníkový střídač. Výstupní tlumivky jsou zatížené především ohmickými ztrátami, protože jsou využity jen po krátkou dobu okolo průchodů napětí nulou. Regulace výstupního napětí není amplitudová, ale fázová, podobně jako u obdélíkového střídače. To umožňuje připojení běžných instalačních přístrojů, jako je zmíněný digitální elektroměr, který s tímto průběhem už umí správně měřit.

Silová část je potom dvoufázový střídač se dvěma tlumivkami řízený tříúrovňově. Tedy vždy je jeden dolní tranzistor sepnutý celou půlvlnu a druhý polomost spíná s příslušnou modulací, v opačné půlvlně se prohodí. Díky tomu jsou spínací ztráty na tranzistorech a hlavně ztráty v jádrech tlumivek poloviční.

 

Schema

Proud panelů je měřen bočníkem 1mR a úbytek zesílen invertujícím zesilovačem se zesílením 100x. tento jednoduchý způsob měření dává překvapivě přesné hodnoty, jen je třeba po osazení desky zkontrolovat a případně zkalibrovat kvůli případným přidaným odporům pájením bočníku nebo cest DPS. Bočník takto malé hodnoty je nutné připojit "čtyřsvorkově" a vyvést měřící cesty přímo z pod pouzdra SMD bočníku.

Tranzistory ve schematu jsou IGBT ale osazeny jsou ve finály výkonové mosfety 650V 38mR IXFH80N65, které se pro tohle zapojení, kde jsou především vodivostní ztráty hodí víc. Tlumivky jsou na několikátý pokus navinuty na jádrech KAH184-125A (nízkoztrátový železoprach, modré jádro). U tlumivek byly nakonec největším problémem vodivostní ztráty a špatné chlazení relativně malé cívky v uzavřené krabici měniče. Vstupní kondenzátor je zatížený 100Hz zvlněním tím víc, čím menší je výstupní modulace. Tedy při plném výkonu panelů je teoreticky zatížený nejméně, ale záleží to na odporu zátěže vzhledem k výkonu panelů. Vhodnější je kondenzátorů osadit více paralelně, zvětšit kapacitu.

Drivery tranzistorů jsou použity s desaturační ochranou. Ta je třeba nastavit i s ohledem na nárůst odporu tranzistorů při zvýšení teploty. Nicméně odporové spotřebiče nezatěžují měnič proudovými špičkami při zapínání, takže nemusí být nastavená tak kriticky.

Zajímavým řešením, které vyplynulo ze zapojení je jednoduchá kontrola izolace výstupních vodičů od země. Panely ani výstupní vodiče nejsou nikde přímo spojeny se zemí. Výstup je tedy "dvoufázový". Mínus panelů je připojen k zemi přes měřící dělič, na kterém je za běhu malé nebo žádné napětí. Při doteku výstupního vodiče se zemí se mezi mínusem panelů a zemí objeví střídavá složka s offsetem poloviny napětí panelů a procesor ihned vypne tranzistory.

Další výhodou dvoufázové topologie je minimální rušení, protože oba střídavé výstupy jsou filtrovány tlumivkou a kondenzátorem.

Osazování a zamontování do krabičky. Tlumivky jsem nakonec ještě několikrát měnil, chladič je nakonec také větší. Tranzistory jsou studené, ale tlumivky topí.

Záznam z průběhu dne, dodaná energie 10,7kWh, pohled na funkci MPPT. Pro výkony větší než 1200W měnič pracuje v režimu omezení max teploty a neumí využít celý výkon, topí tlumivky. Pokles napětí s výkonem je dán odporem přívodů k panelům i zvýšením jejich teploty.

 

Porovnání teoretické dodané energie se skutečnou naměřenou. V zimě jsou panely bohužel částečně zastíněné a v létě zatím není vše kam dávat.

 

 

Průběhy výstupního napětí při různém výkonu panelů

Závěr:

Měnič funguje téměř rok a až na ladění tlumivek a SW nebyly potřeba úpravy. Výkonnější verzi plánuju udělat jako třífázovou pro rozložení výkonu mezi více tlumivek a také možnost vytvoření priorit tepelných spotřebičů.

Výhodou takového měniče pro ukládání do tepelných spotřebičů jsou zanedbatelné náklady na stavbu v porovnání se systémem s ukládáním energie do baterek a měničem na síťové napětí.