Domowy obwód solarny MPPT - urządzenie śledzące maksymalny punkt mocy biednego człowieka

MPPT oznacza śledzenie punktu maksymalnej mocy, który jest systemem elektronicznym zaprojektowanym do optymalizacji zmiennej mocy wyjściowej z modułu panelu słonecznego, tak aby podłączony akumulator wykorzystywał maksymalną dostępną moc z panelu słonecznego.

Wprowadzenie

UWAGA: Omówione obwody MPPT w tym poście nie wykorzystują konwencjonalnych metod sterowania, takich jak „Zakłócaj i obserwuj”, „Przewodnictwo przyrostowe”, „Przemiatanie prądu”, „Stałe napięcie” ...... itd. Itd. skoncentruj się i spróbuj wdrożyć kilka podstawowych rzeczy:

1. Aby mieć pewność, że wejściowa „moc” z panelu słonecznego jest zawsze równa wyjściowej „mocy” docierającej do obciążenia.
2. „Napięcie kolanowe” nigdy nie jest zakłócane przez obciążenie, a strefa MPPT panelu jest skutecznie utrzymywana.

Co to jest napięcie i prąd kolana panelu:

Mówiąc prościej, napięcie kolana to „napięcie w obwodzie otwartym” poziom panelu, podczas gdy prąd kolanowy wynosi 'prąd zwarcia' pomiar panelu w dowolnym momencie.

Jeśli powyższe dwa są utrzymywane tak dalece, jak to możliwe, można założyć, że obciążenie pobiera moc MPPT przez całą swoją pracę.

Zanim zagłębimy się w proponowane projekty, zapoznajmy się najpierw z niektórymi podstawowymi faktami dotyczącymi ładowanie baterii słonecznej

Wiemy, że moc wyjściowa z panelu słonecznego jest wprost proporcjonalna do stopnia padającego światła słonecznego, a także do temperatury otoczenia. Kiedy promienie słoneczne są prostopadłe do panelu słonecznego, generuje maksymalne napięcie i pogarsza się wraz ze zmianą kąta od 90 stopni Temperatura atmosferyczna wokół panelu wpływa również na sprawność panelu, która spada wraz ze wzrostem temperatury .

Dlatego możemy wywnioskować, że gdy promienie słoneczne są bliskie 90 stopni nad panelem i gdy temperatura wynosi około 30 stopni, sprawność panelu zbliża się do maksimum, współczynnik maleje, gdy powyższe dwa parametry odchodzą od wartości znamionowych.

Powyższe napięcie jest zwykle używane do ładowania akumulatora, a akumulator kwasowo-ołowiowy , który z kolei służy do obsługi falownika. Jednak tak samo jak panel słoneczny ma własne kryteria operacyjne bateria też jest nie mniej i oferuje pewne surowe warunki optymalnego naładowania.

Warunki są takie, że akumulator musi być początkowo ładowany przy stosunkowo wyższym prądzie, który musi być stopniowo zmniejszany do prawie zera, gdy akumulator osiągnie napięcie o 15% wyższe niż jego normalne parametry.

Zakładając, że całkowicie rozładowany akumulator 12 V, o napięciu w dowolnym miejscu około 11,5 V, może być początkowo ładowany z prędkością około C / 2 (C = AH akumulatora), spowoduje to stosunkowo szybkie ładowanie akumulatora i obniży jego napięcie do około 13V w ciągu kilku godzin.

W tym momencie prąd powinien zostać automatycznie zmniejszony do poziomu C / 5, co ponownie pomoże utrzymać szybkie tempo ładowania bez uszkadzania akumulatora i podniesie jego napięcie do około 13,5 V w ciągu następnej godziny.

Postępując zgodnie z powyższymi krokami, można teraz dodatkowo obniżyć prąd do współczynnika C / 10, co zapewnia, że ​​szybkość ładowania i tempo nie spowalniają.

Wreszcie, gdy napięcie akumulatora osiągnie około 14,3 V, proces może zostać zredukowany do współczynnika C / 50, co prawie zatrzymuje proces ładowania, ale ogranicza ładowanie do niższych poziomów.

Cały proces ładuje głęboko rozładowany akumulator w ciągu 6 godzin bez wpływu na żywotność baterii.

MPPT jest używany dokładnie w celu zapewnienia, że ​​powyższa procedura jest optymalnie wydobywana z określonego panelu słonecznego.

Panel słoneczny może nie być w stanie zapewnić wysokich wyjść prądowych, ale z pewnością jest w stanie zapewnić wyższe napięcia.

Sztuczka polegałaby na przekształceniu wyższych poziomów napięcia na wyższe poziomy prądu poprzez odpowiednią optymalizację mocy wyjściowej panelu słonecznego.

Ponieważ konwersja wyższego napięcia na wyższy prąd i na odwrót może być realizowana tylko za pomocą przetwornic typu buck boost, innowacyjną metodą (choć nieco nieporęczną) byłoby zastosowanie obwodu o zmiennej cewce, w którym cewka miałaby wiele przełączanych zaczepów, te zaczepy mogą być przełączane przez obwód przełączający w odpowiedzi na zmieniające się światło słoneczne, dzięki czemu moc wyjściowa do obciążenia pozostaje zawsze stała, niezależnie od nasłonecznienia.

Pojęcie to można zrozumieć, odwołując się do następującego schematu:

Schemat obwodu

Używanie LM3915 jako głównego układu scalonego procesora

Głównym procesorem na powyższym schemacie jest IC LM3915 który przełącza swoje wyjście wyjściowe sekwencyjnie od góry do dołu w odpowiedzi na malejące światło słoneczne

Wyjścia te można zobaczyć jako skonfigurowane z przełączającymi tranzystorami mocy, które z kolei są połączone z różnymi odczepami ferrytowej pojedynczej długiej cewki indukcyjnej.

Najniższy koniec cewki można zobaczyć połączony z tranzystorem mocy NPN, który jest przełączany z częstotliwością około 100 kHz z zewnętrznie skonfigurowanego obwodu oscylatora.

Tranzystory mocy łączyły się z wyjściami przełącznika IC w odpowiedzi na sekwencjonujące wyjścia IC, łącząc odpowiednie odczepy cewki z napięciem panelu i częstotliwością 100kHz.

Te obroty cewki indukcyjnej są odpowiednio obliczane tak, że różne odczepy stają się kompatybilne z napięciem panelu, ponieważ są one przełączane przez stopnie wyjściowe sterownika IC.

W ten sposób postępowanie upewnia się, że gdy natężenie światła słonecznego i napięcie spada, jest ono odpowiednio połączone z odpowiednim odczepem cewki, utrzymując prawie stałe napięcie na wszystkich podanych odczepach, zgodnie z ich obliczonymi wartościami znamionowymi.

Zrozummy funkcjonowanie za pomocą następującego scenariusza:

Załóżmy, że cewka jest wybrana tak, aby była kompatybilna z panelem słonecznym 30 V, dlatego przy szczytowym nasłonecznieniu załóżmy, że najwyższy tranzystor mocy jest włączany przez układ scalony, który poddaje całą cewkę oscylacji, dzięki czemu całe 30 V jest dostępne w całym skrajne końce cewki.

Teraz załóżmy, że światło słoneczne spada o 3 V i zmniejsza moc wyjściową do 27 V, jest to szybko wykrywane przez układ scalony tak, że pierwszy tranzystor od góry wyłącza się, a drugi tranzystor w sekwencji włącza się.

Powyższe działanie powoduje wybranie drugiego odczepu (odczep 27V) cewki od góry wykonującego pasujący zaczep cewki indukcyjnej do odpowiedzi napięciowej, upewniając się, że cewka oscyluje optymalnie przy zmniejszonym napięciu ... podobnie teraz, gdy napięcie światła słonecznego dalej spada na odpowiednie tranzystory „uścisnąć dłoń” za pomocą odpowiednich zaczepów cewki indukcyjnej, zapewniając idealne dopasowanie i wydajne przełączanie cewki, odpowiadające dostępnym napięciom słonecznym.

Ze względu na powyższą dopasowaną odpowiedź między panelem słonecznym a przełączającą cewką obniżającą / podwyższającą ... można założyć, że napięcia odczepów w odpowiednich punktach utrzymują stałe napięcie przez cały dzień, niezależnie od sytuacji nasłonecznienia ....

Załóżmy na przykład, że jeśli cewka indukcyjna jest zaprojektowana tak, aby wytwarzać 30 V na najwyższym zaczepie, a następnie 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V na kolejnych odczepach, to można założyć, że wszystkie te napięcia są stały nad tymi kranami niezależnie od poziomu światła słonecznego.

Należy również pamiętać, że napięcie to można zmieniać zgodnie ze specyfikacjami użytkownika w celu uzyskania wyższych lub niższych napięć niż napięcie panelu.

Powyższy obwód można również skonfigurować w topologii flyback, jak pokazano poniżej:

W obu powyższych konfiguracjach moc wyjściowa ma pozostać stała i stabilna pod względem napięcia i mocy niezależnie od mocy słonecznej.

Korzystanie z metody śledzenia I / V

Poniższa koncepcja obwodu zapewnia, że ​​poziom MPPT panelu nigdy nie zostanie drastycznie zakłócony przez obciążenie.

Obwód śledzi poziom „kolana” panelu MPPT i zapewnia, że ​​ładunek nie może pochłonąć niczego więcej, co mogłoby spowodować upadek na tym poziomie kolan panelu.

Dowiedzmy się, jak można to zrobić za pomocą prostego obwodu śledzenia I / V pojedynczego wzmacniacza operacyjnego.

Należy pamiętać, że konstrukcje bez przetwornicy buck nigdy nie będą w stanie zoptymalizować nadmiernego napięcia na prąd równoważny dla obciążenia i mogą zawieść w tym względzie, co jest uważane za kluczową cechę każdego projektu MPPT.

Bardzo proste, ale skuteczne urządzenie typu MPPT można wykonać przy użyciu układu scalonego LM338 i wzmacniaczy operacyjnych.

W tej koncepcji, którą zaprojektowałem, wzmacniacz operacyjny jest skonfigurowany w taki sposób, że rejestruje chwilowe dane MPP panelu i porównuje je z chwilowym zużyciem obciążenia. Jeśli stwierdzi, że zużycie obciążenia przekracza te zapisane dane, odcina obciążenie ...

Etap IC 741 to sekcja śledzenia słonecznego i stanowi serce całego projektu.

Napięcie panelu słonecznego jest podawane na styk odwracający 2 układu scalonego, podczas gdy to samo jest przykładane do styku nieodwracającego 3 ze spadkiem około 2 V za pomocą trzech diod 1N4148 połączonych szeregowo.

Powyższa sytuacja konsekwentnie utrzymuje styk3 układu scalonego w odcieniu niższym niż pin2, zapewniając zerowe napięcie na styku wyjściowym 6 układu scalonego.

Jednak w przypadku nieefektywnego przeciążenia, takiego jak niedopasowany akumulator lub akumulator wysokoprądowy, napięcie panelu słonecznego ma tendencję do obniżania się przez obciążenie. Kiedy tak się dzieje, napięcie na pinie2 również zaczyna spadać, jednak z powodu obecności kondensatora 10uF na pinie3 jego potencjał pozostaje stały i nie reaguje na powyższy spadek.

Sytuacja natychmiast zmusza pin3 do przejścia w stan wysoki niż pin2, co z kolei przełącza pin6 w stan wysoki, włączając BJT BC547.

BC547 natychmiast wyłącza LM338 odcinając napięcie do akumulatora, cykl przełącza się w szybkim tempie w zależności od prędkości znamionowej układu scalonego.

Powyższe operacje zapewniają, że napięcie panelu słonecznego nigdy nie spadnie ani nie zostanie obniżone przez obciążenie, utrzymując przez cały czas stan podobny do MPPT.

Ponieważ używany jest liniowy układ scalony LM338, obwód może być jeszcze raz nieco nieefektywny ... rozwiązaniem jest zastąpienie stopnia LM338 przetwornikiem buck ... co uczyniłoby projekt niezwykle wszechstronnym i porównywalnym do prawdziwego MPPT.

Poniżej pokazano obwód MPPT wykorzystujący topologię konwertera buck, teraz projekt ma dużo sensu i wygląda znacznie bliżej prawdziwego MPPT

Obwód 48V MPPT

Powyższe proste obwody MPPT można również zmodyfikować w celu implementacji ładowania akumulatora wysokiego napięcia, na przykład następujący obwód ładowarki 48 V akumulatora MPPT.

Wszystkie pomysły zostały opracowane wyłącznie przeze mnie.