Zaawansowany sterownik DIY do grzania wody użytkowej z instalacji fotowoltaicznej.

Witam wszystkim i dziękuję na wstępie zainteresowaniem niniejszym tematem.

Przed kilkoma laty opisałem na niniejszym forum instalację balkonową, która po dzień dzisiejszy zaopatruje w słoneczne dni mój dom w energię.
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3819236.html

Z biegiem czasu zmniejszyłem bufor energii z 105Ah na 65Ah czyli prawie o połowę z racji kosztów związanych z wymianą cykliczną tego najsłabszego ogniwa całego systemu.
Niestety na banki energii pozwolić sobie mogą osoby mające dostęp do używanych ogniw, sponsorujących firmy produkcyjne na YouTube i osoby zamożne – ja niestety nie należę do żadnej z tych grup - Jestem zwykłym elektronikiem z pasją.

Mimo wszystko moja instalacja nadal pracuje poprawnie chroniąc urządzenia w moim gospodarstwie przed zbyt wysokim napięciem sieciowym w słoneczne dni.

Z biegiem czasu zacząłem optymalizować i opomiarowywać instalację elektryczną i ciepłownicza systemem inteligentnego domu, jaki sobie sam w wolnych chwilach buduję. Ku mojemu zdziwieniu, okazało się że największym pożeraczem energii w moim domu jest bojler 220 litrów, który ustawiony był jedynie na grzanie w taryfie nocnej.
Z wyliczeń wyszło że średnie zapotrzebowanie dzienne na energię dla mojej czteroosobowej rodziny wynosi w okresie od kwietnia do listopada (poza okresem grzewczym) około 5,5kWh.
Daje to wynik w granicach 1.150kWh/rok zapotrzebowania na energię tylko dla utrzymania ciepłej wody użytkowej.
Nadmienię że temperaturę reguluję cyfrowo, a próg wyłączenia grzałki wynosi (a raczej ”wynosił”) 45°C z histerezą 2°C.

Zacząłem liczyć…
-Okres dogrzewania bufora z sieci wynosi około 7 miesięcy (przyjmijmy 210 dni).
-Bojler ma zapotrzebowanie średnie 5,5kW/dzień
-Straty cieplne poprzez płaszcz zbiornika wynoszą do 50W/h.
-Daje to dzienną stratę energii magazynowanej w ilości >1kWh
-Większe straty uzyskamy stosując obieg cyrkulacyjny gorącej wody.
-W połowie marca długość dnia wynosi 12H, a wysokość słońca ponad horyzontem przekracza już 35°
-Teoretycznie z instalacji PV 1,5kW powinniśmy w słoneczny dzień wyciągnąć te 5,5kWh.

Do wykonania miałem 20m za domem szopkę ogrodową i jakże cudownie się złożyło że dachu nie zacząłem wykonywać z blachodachówki.
Usytuowanie szopki ogrodowej wypadło idealnie na południe, jednakże pochylenie dachu na południe chciałem zrealizować ze względów estetycznych z kątem nie większym niż 8° i ku mojemu zdziwieniu korzystając z kalkulatora dla instalacji fotowoltaicznych, okazało się że w okresie letnim takie ułożenie instalacji fotowoltaicznej potrafi rozpocząć produkcję o ponad godzinę wcześniej, co tyczy się również zakończenia produkcji.
Powierzchnia dachu pozwoliła na zamontowanie sześciu paneli o łącznej mocy 1440Wp.


Początkowo instalację podłączyłem stosując zasadę prawa Ohma bezpośrednio do grzałki wykorzystując tranzystor IGBT jako wyłącznik. Działało wszystko sprawnie, lecz chyba o czymś zapomniałem?!
No jasne MPPT…
Już po kilku dniach można było zauważyć że instalacja mizernie pracuje o poranku i wieczorami przez co traciłem kilkadziesiąt procent sprawności. Zacząłem więc przeszukiwać sieć w poszukiwaniu rozwiązań.

Znalazłem kilka sterowników gotowych, lecz cena troszeczkę mnie przeraziła. W końcu za panele z przewodami i konektorami wydałem już 1.700 zeta, a zależało mi na zwrocie inwestycji w najlepiej nie więcej niż 2 lata.
Szukałem więc dalej i…

Trafiłem na kilka projektów, więc zacząłem zabawę.
-Pierwszy sterownik był prosty, oparty o tranzystor, dławik i trochę druciarstwa o czym wolę się nie rozpisywać – Straty wynosiły nadal ponad 10%

-Następny powstał w oparciu o WEMOS D1 mini i ADS1115 - Niestety często się wieszał.


-Kolejny sterownik oparłem o popularne Arduino NANO i kilka dostępnych od ręki podzespołów. Niestety pomimo że nie wydałem na niego więcej niż 50zł z racji że praktycznie wszystko miałem pod ręką nie byłem z niego zadowolony, ponieważ jak się okazało nie miałem odpowiednich tranzystorów Mosfet na stanie. Rezystancja w trakcie przewodzenia okazała się bardzo istotna, co doprowadziło pewnego dnia do uszkodzenia tranzystora i prawie zagotowania wody w buforze.

-I kolejny...


-Następne sterowniki próbowałem wykonać w oparciu o odpowiednio wyselekcjonowane podzespoły i zacząłem rozkminiać za i przeciw biorąc pod uwagę dostępne rozwiązania Open Source, jak i możliwości dostępnych na rynku sterowników i oto jest wersja sterownika MPPT, którego nazwałem
mini2nano_V2.1






A oto i jego możliwości:
-Zakres napięć z instalacji PV <250VDC OpenCircuit (istnieje możliwość zwiększenia zakresu – Zastosowano dla PCB normę IPC-2221).
-Maksymalne natężenie <16A (Istnieje możliwość zwiększenia zakresu modułem ACS712-30A i zwiększeniem grubości ścieżek z 1oz na 2oz)
-Maksymalna moc zatem wynosi około 3,75kW
-Dla płynnej pracy zastosowano kondensator 200uF (praca buforowa)

-Topologia ścieżek pozwala na indywidulany dobór podzespołów takich jak: Mosfety, diody Schottky, drivery, kondensatory itp.)
-Wykorzystano algorytm MPPT P&O o sprawności przekraczającej 99% z możliwością podmiany na inny.
-Kontrola temperatur zbiornika w trzech poziomach (Dół, środek, góra) – Dlaczego trzy czujniki zapytacie? Następny punkt wyjaśni.
-Zaimplementowano dodatkowe wyjście dla przekaźnika zewnętrznego na wypadek, gdy pogoda nie dopisze (sterownik złączy np. grzałkę sieciową usytuowaną w połowie wysokości zbiornika i dogrzeje górną część bufora „Woda dostępna” do zadanej wartości np. 43ᵒC)
-Dodano możliwość wykorzystania sprawdzonych układów chłodzenia elementów pasywnych (dodano złącze dla wentylatora 12V aktywowane po przekroczeniu temperatury zadanej – wstępnie 35ᵒC)
-PCB skonstruowano tak, by możliwe było zastosowanie wentylatorów komputerowych z Socketem Intel LGA775, LGA155X, LGA1700 oraz AMD serii AM4 (przygotowane otwory montażowe)
-Istnieje możliwość montażu płytki do dowolnego radiatora metodą dociskową (wszelkie elementy pasywne SMD zamontowane z jednej strony PCB)
-Istnieje możliwość zmiany częstotliwości dla sygnału PWM w zakresie 2kHz – 17kHz.
-Dla ochrony temperaturowej Tranzystora Mosfet zastosowano dodatkowo czujnik temperatury DS18B20 w obszarze radiatora)
-Dodano dodatkowa złącze dla indywidualnej rozbudowy projektu (2x wejście/wyjście analogowo-cyfrowe)
-Dodano dodatkowe złącze dla modułu Wi-Fi ESP-01, lub ESP-01s opartych o znany wielu ESP8266 dla przesyłu danych do aplikacji klienckich takich jak Supla, Tasmota, Domoticz…
-Istnieje możliwość wyboru czy na wejściu Rx ESP8266 chcemy mieć transmisję danych z Arduino Nano, czy sygnał impulsowy 100imp/kWh.
-Dodano złącze czujnika temperatury buforu DS18B20 na PCB dla ESP-01s.
-Dla wydajnej pracy zastosowano driver Mosfet o wydajności prądowej 5A
-Dodano diodę LED RGB informującą o statusie urządzenia.
-Płytka wykonywana metodą bezołowiową , czyli „RoHS compilant” – jak EKO to po bandzie.
-Program przed rozpoczęciem pracy jak i w trakcie pracy wykonuje pełny test układu:
-Sprawdza zakres napięcia zasilacza 12VDC (Zasilacz pozwala na wyduszenie z paneli każdego Wata.
-Sprawdza temperatury bufora i mosfeta.
-Urządzenie wykorzystuje wyświetlacz LCD2004 po magistrali I2C (długowieczny i sprawdzony)
-Na wyświetlaczy zobaczymy między innymi:
-Aktualne napięcie PV
-Aktualne natężenie PV
-Aktualną moc układu.
-Poziom wysterowania sygnału PWM
-Aktualne temperatury bufora
-Maksymalne dzienne temperatury bufora
-Aktualna temperatura układu chłodzenia
-Komunikaty o błędach w języku polskim
-Informację o stanie wyjścia sygnału dla dodatkowej grzałki
-Datę
-Sumaryczną dzienną produkcję.
-Wyprowadzenie złącza wyświetlacza pozwala na łatwy montaż takiego wyświetlacza jak OLED SSD1306, jednakże ze względu na obszerną bibliotekę Adafruit nie jest możliwe napisanie kodu jednocześnie dla wielu wyświetlaczy (postanowiłem temat OLED zostawić sobie na deser)
-Dodano złącze dla przycisku zewnętrznego w sytuacji gdy zechcemy zamontować PCB w skrzynce.
-Poprzez złącze USB, oraz UART wyprowadzone na złącze ESP-01s możliwe jest ustawienie takich wartości jak:
-Data zapamiętywana w pamięci EPROM (Usunięto zegar RTC – data zmieni się automatycznie po zmroku)
-Zakresy temperatur:
-Bufora (wstępnie ustawiono na 65ᵒC)
-Dodatkowej grzałki zewnętrznej (wstępnie ustawione na 43ᵒC)
-Temperatury chłodzenia układu (wstępnie ustawiono na 35ᵒC)
-Dodatkowo poprzez USB, UART możemy:
-Wywołać komendę uruchomienia, lub wyłączenia układu.
-Wywołać komendę pełnego testu sygnały PWM z wykazaniem wartości szczytowej i punktu mocy MPP
-Ustalenie dowolnej wartości wysterowania sygnału PWM.
-Monitorować wartości wejść analogowych i ich wartości przeliczonych na Ampery, Volty dla celu kalibracji układu.
-Wywołać intuicyjne MENU z opisem w języku Polskim oczywiście
-Wykasować pamięć EPROM
-Wysłać na żądanie aktualnych wartości
-Odpytać wartości historyczne.

Ktoś powie, hej a inny sterownik posiada dodatkowo wykres na wyświetlaczu, a ten nie.
Tak, zgadza się. Lecz zastosowany u mnie wyświetlacz kosztuje około 20zł, a gdyby się uprzeć to jest zbędny, ponieważ dzięki modułowi Wi-Fi mamy dostęp do wykresów i historii wstecz za darmo jak daleko chcemy bez dodatkowych SUBSKRYPCJI i co najlepsze mamy wybór na jaką platformę wysyłamy dane.

Dane zapisywane co 10 minut.

Tak przedstawia się produkcja miesięczna w ponurym okresie luty - marzec


Przykład eksportu danych mocy i temperatur do Excel z słonecznego dnia 08.03.2024.

Powiesz, a inny sterownik nie potrzebuje wentylatora.
Ten także nie potrzebuje – wystarczy odpowiedni radiator (czasem mamy taki pod ręką za darmo)

Ktoś zapyta – A obudowa i bezpieczeństwo?
PCB ma wymiary 98mm x 98mm – Skrzyneczka dedykowana na pewno się znajdzie – w końcu to projekt DIY.

A co z bezpieczeństwem przy prądzie stałym DC?
Jesteśmy na forum Elektroda przecież…
Sterownik zaprojektowałem z zastosowaniem normy IPC-2221.
Wszystkie zasilacze impulsowe wewnątrz obudowy zamknięte mają >300V prądu stałego.
Do tego 90% sterowników do grzania wody z PV działa w oparciu o prąd stały.


Projekt rozwijam od około roku i postępy zamieszczam od niedawna na swoim kanale YouTube
@mini2nano
W poprzednim roku w okresie od kwietnia do października instalacja PV z powodzeniem oddała 970kWh do bufora, a z sieci zaczerpnąłem niecałe 2kWh w momencie niedoboru energii jesienią.
W skrócie w przeciągu roku instalacja zwróciła się w połowie.
Jeśli projekt Ci się spodobał, będę bardzo wdzięczny za wsparcie subskrybcją mojego kanału i ewentualny Like...