И еще немного практики - солнечные панели

Сразу скажу, что вопрос "стоимости киловатта" тут не стоит и не рассматривается.
Солнечные панели нужны для подзарядки АКБ в случае отказа электросети, как бесшумная и без-топливная альтернатива генератору.
А тут рассматривается только практическая сторона вопроса.

Итак, общая схема примерно такая: к блоку батарей постоянно подключена нагрузка (12в и инверторы), и эти АКБ постоянно подзаряжаются, на них выдерживается напряжение 13.8-14 вольт.
Подзаряжаются от сети, когда она есть, и от солнечных панелей.

Нагрузка может увеличиваться или уменьшаться - соответственно, аккумуляторы компенсируют это.
Средний ток нагрузки ориентировочно 15-20А.
Заряд - обычные инверторные блоки питания, с выставленным напряжением. По сути, при заряженных батареях они питают только нагрузку, от сети.

Ну и наконец, солнечные панели. Исторически они подключались по одной, и вот настало время провести эксперимент по выбору оптимального способа подключения.
Имеем 6 одинаковых панелей, заявленной мощностью 100Вт, напряжением ХХ 18В, с максимальным током 5А.

Вариант 1: параллельное подключение панелей. В теории должны давать напряжение ХХ 18В, ток до 30А.

Для подключения панелей к АКБ нужен контроллер (на самом деле не всегда).
Как известно, контроллеры бывают двух видов - PWM и MPPT, и все знают (с) что MPPT лучше.

Суть работы PWM достаточно простая: контроллер проверяет напряжение на батарее, и если надо - ограничивает зарядный ток, чтобы батарея не кипела. Того же эффекта можно добиться с помощью обычного реле, но PWM регулирует заряд плавнее.

С MPPT все сложнее:



Обычно с помощью такой картинки доказывается, что MPPT позволяет получить максимальную отдачу от панели.
И действительно, мощность P = I * U, то есть максимальная мощность на нагрузке будет достигаться при максимальном токе, при котором напряжение еще не упало в ноль.

Но есть нюанс: это верно, когда у нас нагрузка может просадить линию в ноль. Например, лампочка, или ТЭН, или вход блока питания. Если же нагрузка - АКБ, то фактически ток определяется еще и разностью потенциалов между СП и АКБ. При заряде наступает такой момент, когда разница минимальна, и тогда ток определяется как

I = Ud / (Rсп + Rакб)

где Rсп - внутреннее сопротивление СП, и Rакб - внутреннее сопротивление АКБ. Вторым можно пренебречь, для АКБ оно очень небольшое, а вот первое нелинейно зависит от тока - именно поэтому получается вон так картинка с кривыми.
Максимально возможный ток ограничен графиком, но при этом падает и напряжение, и разность напряжений с АКБ, а вместе с ним падает ток и растет напряжение.
Нетрудно понять, что все это остановится в какой-то точке на перегибе графика, где будет достигнут баланс между ростом тока и ростом напряжения. Ток не может стать еще больше, а напряжение не может стать еще ниже.

При этом АКБ заряжаются именно протекающим током! И в этой точке баланса - он будет максимально возможным для данной солнечной панели.
Чем ближе напряжение АКБ к напряжению ХХ СП - тем эффективнее используется панель, тем меньше будет потерь.

Короче, выходит, что никаких особых усилий по поиску "точки максимальной мощности" тут не требуется, а значит и MPPT контроллер тут не нужен.

Тут и PWM не особо нужен - только на случай ограничения, когда нагрузка не выбирает всю подаваемую мощность, а АКБ уже полны под завязку. Но пусть будет.

Итак, используем параллельное соединение 6 панелей с подключением их через PWM к АКБ.
И получаем примерно такой график суточного потребления:



Это такой средненький день, с тучками. Не слишком солнечно, не слишком пасмурно, так, нечто среднее.
Как видим, суммарный ток заряда не дотягивает до максимально возможных 30А - это зависит и от освещенности, и от потребления нагрузки (АКБ заряжены, разница напряжений минимальна).
При более-менее значимом разряде АКБ в некоторые дни отмечался ток до 25А. Видимо, стоит считать это реальным пределом для этих панелей.

Возник вопрос, нельзя ли увеличить отдачу, соединив панели последовательно? Так появился второй вариант:
6 панелей последовательно, суммарное напряжение 100-107В, но максимальный ток не может превышать все те же 5А, как у одной панели.
То есть, ставим в 6 раз больше панелей - а получаем все то же самое, как от одной. Невыгодно!

Но может быть можно улучшить результат, преобразовав 107В в 16, и увеличить ток соответственно, с помощью инвертора?
А вот это уже можно посчитать:



Это простая табличка, в которой можно прикинуть пределы и возможности:
Во-первых, примем за отправную точку ток в 25А при напряжении на АКБ 14В.
Мощность = 350Вт.
Новый вариант подключения должен давать результат хотя бы такой же, или лучше.

Третья колонка в таблице - желаемая мощность.
Первая - максимальное напряжение СП.
Вторая - ток, который должен проходить через нагрузку. Это в случае, если напряжение остается тем же, 107В.
Четвертая - это сопротивление нагрузки, которая должна получать такую мощность.
Пятая - это эквивалентный ток заряда, который должен бы идти через АКБ.
Это все - для идеальной СП, напряжение на которой не падает при росте тока. В реальности все должно быть хуже - вопрос, насколько.

Теперь подключаем нагрузку:
24 Ома - реальное падение напряжения на ней 31В, ток 1.24А, реальная мощность 38Вт.
31 Ом - реальное падение напряжения 36В, ток 1.13А, мощность 40Вт.
Данные подтверждают правильность первого графика - с увеличением сопротивления нагрузки ток падает, но напряжение растет, а вместе с ним растет мощность.
То есть, если еще увеличить сопротивление нагрузки - то теоретически, если очень повезет, можем выскочить на горизонтальную часть графика, где напряжение максимально, и получим 340Вт или меньше.

Конечно, это лучше чем 38Вт, но нам надо было лучше чем 350! Но это невозможно, потому что напряжение уже ограничено максимумом, а увеличение тока приводит к падению напряжения.
Обмануть систему не удалось.

Выходит, что оптимальнее всего использовать параллельное подключение панелей - это сразу увеличивает зарядный ток в разы.

Теоретически, можно попытаться поднять инвертором напряжение до стабильных 16В, вытягивая его выше АКБ даже при недостаточном освещении - но это будет уже следующий эксперимент.
В любом случае выше верхнего не прыгнешь, но можно попытаться заполнить провалы.