Jak zrobić obwód optymalizatora panelu słonecznego

Proponowany obwód optymalizatora słonecznego można wykorzystać do uzyskania maksymalnej możliwej mocy wyjściowej pod względem prądu i napięcia z panelu słonecznego w odpowiedzi na zmieniające się warunki oświetlenia słonecznego.

W tym poście wyjaśniono kilka prostych, ale skutecznych obwodów ładowarki optymalizatora paneli słonecznych. Pierwsza z nich może być zbudowana przy użyciu kilku układów scalonych 555 i kilku innych elementów liniowych, druga opcja jest jeszcze prostsza i wykorzystuje bardzo zwykłe układy scalone, takie jak LM338 i wzmacniacz operacyjny IC 741. Nauczmy się procedur.

Cel obwodu

Jak wszyscy wiemy, osiągnięcie najwyższej sprawności z dowolnego źródła zasilania staje się możliwe, jeśli procedura nie obejmuje bocznikowania napięcia zasilania, czyli chcemy uzyskać określony wymagany niższy poziom napięcia i maksymalny prąd dla obciążenia, które jest działanie bez zakłócania poziomu napięcia źródła i bez wytwarzania ciepła.

Krótko mówiąc, dany optymalizator słoneczny powinien pozwolić na wyjście z maksymalnym wymaganym prądem, dowolnym niższym poziomem wymaganego napięcia, upewniając się, że poziom napięcia na panelu pozostaje niezmieniony.

Jedną z omawianych tutaj metod jest technika PWM, którą można uznać za jedną z dotychczas optymalnych metod.

Powinniśmy być wdzięczni temu małemu geniuszowi zwanemu IC 555, który sprawia, że ​​wszystkie trudne koncepcje wyglądają tak łatwo.

Używanie IC 555 do konwersji PWM

W tej koncepcji również włączamy i mocno polegamy na kilku układach IC 555 w celu zapewnienia wymaganej implementacji.

Patrząc na podany schemat obwodu, widzimy, że cały projekt jest zasadniczo podzielony na dwa etapy.

Górny stopień regulatora napięcia i dolny stopień generatora PWM.

Górny stopień składa się z mosfetu z kanałem p, który jest ustawiony jako przełącznik i odpowiada na zastosowane informacje PWM na swojej bramce.

Dolny stopień to stopień generatora PWM. Dla proponowanych działań skonfigurowano kilka układów scalonych 555.

Jak działa obwód

IC1 jest odpowiedzialny za wytwarzanie wymaganych fal prostokątnych, które są przetwarzane przez generator fali trójkątnej prądu stałego, zawierający T1 i powiązane komponenty.

Ta trójkątna fala jest podawana do IC2 w celu przetworzenia na wymagane PWM.

Jednak odstęp PWM od IC2 zależy od poziomu napięcia na jego pinie # 5, które jest wyprowadzane z sieci rezystancyjnej w panelu za pośrednictwem rezystora 1K i ustawienia wstępnego 10K.

Napięcie między tą siecią jest wprost proporcjonalne do zmiennych napięć paneli.

Podczas napięć szczytowych PWM stają się szersze i odwrotnie.

Powyższe PWM są stosowane do bramki mosfet, która przewodzi i dostarcza wymagane napięcie do podłączonego akumulatora.

Jak wspomniano wcześniej, podczas szczytowego nasłonecznienia panel generuje wyższy poziom napięcia, wyższe napięcie oznacza, że ​​IC2 generuje szersze PWM, co z kolei utrzymuje mosfe wyłączone przez dłuższe okresy lub włączone przez stosunkowo krótsze okresy, co odpowiada średniej wartości napięcia, która może wynosić około 14,4 V na zaciskach akumulatora.

Kiedy słońce się pogarsza, PWM są proporcjonalnie wąsko rozmieszczone, co pozwala mosfetowi przewodzić więcej, tak że średni prąd i napięcie na baterii ma tendencję do utrzymywania optymalnych wartości.

Ustawienie wstępne 10 K powinno być ustawione tak, aby uzyskać około 14,4 V na zaciskach wyjściowych w jasnym świetle słonecznym.

Wyniki można monitorować w różnych warunkach oświetlenia słonecznego.

Proponowany obwód optymalizatora paneli słonecznych zapewnia stabilne ładowanie akumulatora, bez wpływu lub bocznikowania napięcia panelu, co również skutkuje mniejszym wytwarzaniem ciepła.

Uwaga: Podłączony panel szybowy powinien być w stanie wygenerować o 50% większe napięcie niż podłączony akumulator w szczytowym nasłonecznieniu. Prąd powinien wynosić 1/5 wartości AH akumulatora.

Jak skonfigurować obwód

1. Można to zrobić w następujący sposób:
2. Początkowo wyłączaj S1.
3. Wystaw panel na maksymalne nasłonecznienie i wyreguluj ustawienie wstępne, aby uzyskać wymagane optymalne napięcie ładowania na wyjściu diody mosfet i masie.
4. Obwód jest teraz gotowy.
5. Po wykonaniu tej czynności włącz S1, akumulator zacznie się ładować w możliwie najlepszym zoptymalizowanym trybie.

Dodawanie aktualnej funkcji sterowania

Dokładne zbadanie powyższego obwodu pokazuje, że gdy mosfet próbuje skompensować spadający poziom napięcia panelu, pozwala to baterii na pobieranie większego prądu z panelu, co wpływa na napięcie panelu, obniżając je dalej, powodując sytuację ucieczki, to może poważnie utrudnić proces optymalizacji

Funkcja kontroli prądu, jak pokazano na poniższym schemacie, rozwiązuje ten problem i zapobiega pobieraniu przez baterię nadmiernego prądu poza określone limity. To z kolei pomaga utrzymać nienaruszone napięcie panelu.

RX, który jest rezystorem ograniczającym prąd, można obliczyć za pomocą następującego wzoru:

RX = 0,6 / I, gdzie I to określony minimalny prąd ładowania dla podłączonego akumulatora

Surowa, ale prostsza wersja opisanego powyżej projektu może zostać zbudowana zgodnie z sugestią pana Dhyaksy przy użyciu wykrywania progów pin2 i pin6 w IC555, cały schemat można zobaczyć poniżej:

Brak optymalizacji bez konwertera Buck

Wyżej wyjaśniony projekt działa przy użyciu podstawowej koncepcji PWM, która automatycznie dostosowuje PWM obwodu opartego na 555 w odpowiedzi na zmieniające się natężenie światła słonecznego.

Chociaż wyjście z tego obwodu wytwarza odpowiedź samoregulującą w celu utrzymania stałego średniego napięcia na wyjściu, napięcie szczytowe nigdy nie jest regulowane, co czyni go znacznie niebezpiecznym przy ładowaniu akumulatorów Li-ion lub Lipo.

Ponadto powyższy obwód nie jest przystosowany do zamiany przepięć z panelu na proporcjonalną ilość prądu dla podłączonego obciążenia znamionowego o niższym napięciu.

Dodawanie konwertera Buck

Próbowałem naprawić ten stan, dodając stopień konwertera buck do powyższego projektu i mogłem stworzyć optymalizację, która wyglądałaby bardzo podobnie do obwodu MPPT.

Jednak nawet z tym ulepszonym obwodem nie mogłem być całkowicie przekonany co do tego, czy obwód naprawdę był w stanie wytworzyć stałe napięcie z obniżonym poziomem szczytowym i zwiększonym prądem w odpowiedzi na różne poziomy natężenia światła słonecznego.

Aby mieć całkowitą pewność co do koncepcji i wyeliminować wszystkie niejasności, musiałem przejść przez wyczerpujące badanie dotyczące przetworników buck i związanej z nimi relacji między napięciami wejściowymi / wyjściowymi, prądem i współczynnikami PWM (cykl pracy), co zainspirowało ja, aby utworzyć następujące powiązane artykuły:

Jak działają konwertery Buck

Obliczanie napięcia, prądu w cewce Buck

Końcowe formuły uzyskane z powyższych dwóch artykułów pomogły wyjaśnić wszystkie wątpliwości i na koniec mogłem być całkowicie pewny mojego wcześniej zaproponowanego obwodu optymalizatora słonecznego wykorzystującego obwód konwertera buck.

Analiza stanu cyklu pracy PWM dla projektu

Podstawową formułę, która wyraźnie wyjaśniła sprawę, można zobaczyć poniżej:

Vout = DVin

Tutaj V (in) to napięcie wejściowe, które pochodzi z panelu, Vout to pożądane napięcie wyjściowe z przetwornika buck, a D to cykl pracy.

Z równania wynika, że ​​Vout można po prostu dostosować, kontrolując cykl pracy konwertera buck lub Vin ... lub innymi słowy Vin i parametry cyklu pracy są bezpośrednio proporcjonalne i wpływają na siebie nawzajem wartości liniowo.

W rzeczywistości terminy są niezwykle liniowe, co znacznie ułatwia wymiarowanie obwodu optymalizatora słonecznego przy użyciu obwodu konwertera buck.

Oznacza to, że gdy Vin jest znacznie wyższe (przy szczytowym nasłonecznieniu) niż specyfikacje obciążenia, procesor IC 555 może proporcjonalnie zwężać PWM (lub szersze dla urządzenia P) i wpływać na Vout, aby pozostał na pożądanym poziomie i odwrotnie słońce znika, procesor może ponownie rozszerzyć (lub zawęzić w przypadku urządzenia P) PWM, aby zapewnić utrzymanie napięcia wyjściowego na określonym stałym poziomie.

Ocena implementacji PWM na praktycznym przykładzie

Możemy to udowodnić rozwiązując podany wzór:

Załóżmy, że szczytowe napięcie panelu V (in) wynosi 24 V.

a PWM ma składać się z 0,5 sekundy czasu włączenia i 0,5 sekundy czasu wyłączenia

Cykl pracy = czas włączenia tranzystora / impuls wł. + Wył. = T (wł.) / 0,5 + 0,5 sek

Cykl pracy = T (wł.) / 1

Zatem podstawiając powyższe w podanym poniżej wzorze otrzymujemy,

V (out) = V (in) x T (on)

14 = 24 x T (wł.)

gdzie 14 to zakładane wymagane napięcie wyjściowe,

w związku z tym,

T (wł.) = 14/24 = 0,58 sekundy

Daje nam to czas włączenia tranzystora, który należy ustawić dla obwodu podczas szczytowego nasłonecznienia, aby wytworzyć wymagane 14 V na wyjściu.

Jak to działa

Po ustawieniu powyższego, resztę można pozostawić dla IC 555 do przetworzenia dla oczekiwanych samoregulujących się okresów T (on) w odpowiedzi na malejące nasłonecznienie.

Teraz, gdy nasłonecznienie maleje, powyższy czas włączenia zostanie zwiększony (lub zmniejszony dla urządzenia P) proporcjonalnie przez obwód w sposób liniowy, aby zapewnić stałe 14 V, aż napięcie panelu rzeczywiście spadnie do 14 V, kiedy obwód mógłby po prostu zamknij procedury.

Można również założyć, że parametr prądu (amp) jest samoregulujący, czyli zawsze stara się osiągnąć stałą iloczynu (VxI) w całym procesie optymalizacji. Dzieje się tak, ponieważ konwerter buck zawsze powinien zamieniać wejście wysokiego napięcia na proporcjonalnie zwiększony poziom prądu na wyjściu.

Jeśli jednak chcesz uzyskać pełne potwierdzenie wyników, możesz zapoznać się z następującym artykułem, aby znaleźć odpowiednie formuły:

Obliczanie napięcia, prądu w cewce Buck

Zobaczmy teraz, jak wygląda finalny zaprojektowany przeze mnie obwód, z poniższych informacji:

Jak widać na powyższym schemacie, podstawowy schemat jest identyczny z wcześniejszym, samoczynnie optymalizującym się obwodem ładowarki słonecznej, z wyjątkiem włączenia IC4, który jest skonfigurowany jako wtórnik napięcia i jest zastępowany w miejscu wtórnika nadajnika BC547. Odbywa się to w celu zapewnienia lepszej odpowiedzi na pinout sterujący IC2 pin # 5 z panelu.

Podsumowując podstawowe działanie optymalizatora słonecznego

Funkcjonowanie można zrewidować, jak podano w: IC1 generuje częstotliwość fali prostokątnej przy około 10 kHz, którą można zwiększyć do 20 kHz poprzez zmianę wartości C1.

Częstotliwość ta jest podawana do pinu 2 układu IC2 w celu wytworzenia szybko przełączających fal trójkątnych na pinie # 7 za pomocą T1 / C3.

Napięcie panelu jest odpowiednio regulowane przez P2 i podawane do stopnia wtórnika napięcia IC4 w celu zasilania styku # 5 układu IC2.

Ten potencjał na pinie # 5 układu IC2 z panelu jest porównywany przez szybkie fale trójkątne na pinie # 7 w celu utworzenia odpowiednio zwymiarowanych danych PWM na pinie # 3 układu IC2.

Podczas szczytowego natężenia światła słonecznego P2 jest odpowiednio dostosowywany tak, że IC2 generuje możliwie najszersze PWM, a gdy nasłonecznienie zaczyna się zmniejszać, PWM proporcjonalnie się zwęża.

Powyższy efekt jest podawany do podstawy PNP BJT w celu odwrócenia odpowiedzi w podłączonym stopniu konwertera buck.

Oznacza to, że w szczytowym nasłonecznieniu szersze PWM zmuszają urządzenie PNP do przewodzenia niewielkiego {zredukowanego okresu T (on)}, powodując węższe przebiegi, aby osiągnąć cewkę buck ... ale ponieważ napięcie panelu jest wysokie, poziom napięcia wejściowego {V (in)} osiągające cewkę buck jest równe poziomowi napięcia panelu.

Zatem w tej sytuacji przetwornica buck za pomocą odpowiednio obliczonego T (on) i V (in) jest w stanie wytworzyć prawidłowe wymagane napięcie wyjściowe dla obciążenia, które może być znacznie niższe niż napięcie panelu, ale przy proporcjonalnie zwiększony poziom prądu (amp).

Teraz, gdy słońce spada, PWM również stają się węższe, umożliwiając proporcjonalny wzrost PNP T (on), co z kolei pomaga cewce buck w kompensowaniu malejącego nasłonecznienia poprzez proporcjonalne podnoszenie napięcia wyjściowego ... prądu (amp ) jest teraz proporcjonalnie zmniejszany w trakcie działania, zapewniając doskonałe utrzymanie spójności wyjściowej przez konwerter buck.

T2 wraz z towarzyszącymi komponentami tworzą stopień ograniczenia prądu lub stopień wzmacniacza błędu. Zapewnia, że ​​obciążenie wyjściowe nigdy nie może zużywać niczego ponad znamionowe specyfikacje projektu, dzięki czemu system nigdy nie jest grzechotany, a wydajność panelu słonecznego nigdy nie może odchodzić od strefy wysokiej wydajności.

C5 jest pokazany jako kondensator 100 uF, jednak dla lepszego wyniku można go zwiększyć do wartości 2200 uF, ponieważ wyższe wartości zapewnią lepszą kontrolę prądu tętnienia i bardziej płynne napięcie dla obciążenia.

P1 służy do regulacji / korygowania napięcia przesunięcia wyjścia opamp, tak że pin nr 5 jest w stanie otrzymać idealne zero woltów przy braku napięcia panelu słonecznego lub gdy napięcie panelu słonecznego jest poniżej specyfikacji napięcia obciążenia.

Specyfikację L1 można w przybliżeniu określić za pomocą informacji podanych w następującym artykule:

Jak obliczyć cewki indukcyjne w obwodach SMPS

Solar Optimizer wykorzystujący wzmacniacze operacyjne

Kolejny bardzo prosty, ale skuteczny obwód optymalizatora słonecznego można wykonać, stosując układ scalony LM338 i kilka wzmacniaczy operacyjnych.

Zrozummy proponowany obwód (optymalizator słoneczny) za pomocą następujących punktów: Na rysunku pokazano obwód regulatora napięcia LM338, który ma funkcję kontroli prądu również w postaci tranzystora BC547 podłączonego do styku regulacji i masy układu scalonego.

Opampy używane jako komparatory

Oba wzmacniacze operacyjne są skonfigurowane jako komparatory. W rzeczywistości można włączyć wiele takich etapów w celu wzmocnienia efektów.

W niniejszym projekcie ustawienie wstępne styku nr 3 A1 jest ustawione tak, że wyjście A1 jest wysokie, gdy natężenie światła słonecznego nad panelem jest o około 20% mniejsze niż wartość szczytowa.

Podobnie, stopień A2 jest regulowany w taki sposób, że jego moc wyjściowa rośnie, gdy nasłonecznienie jest o około 50% mniejsze niż wartość szczytowa.

Gdy wyjście A1 osiąga stan wysoki, RL # 1 wyzwala podłączenie R2 zgodnie z obwodem, odłączając R1.

Początkowo w szczytowym nasłonecznieniu R1, którego wartość jest dużo niższa, pozwala na dopływ maksymalnego prądu do akumulatora.

Schemat obwodu

Kiedy spada słońce, spada również napięcie panelu i teraz nie możemy sobie pozwolić na pobieranie dużego prądu z panelu, ponieważ obniżyłoby to napięcie poniżej 12 V, co mogłoby całkowicie zatrzymać proces ładowania.

Przełączanie przekaźnika dla bieżącej optymalizacji

Dlatego, jak wyjaśniono powyżej, do akcji wkracza A1, który rozłącza R1 i łączy R2. R2 jest wybierany przy wyższej wartości i dopuszcza tylko ograniczoną ilość prądu do akumulatora, tak aby napięcie słoneczne nie spadło poniżej 15 głosów, poziomu, który jest bezwzględnie wymagany na wejściu LM338.

Kiedy nasłonecznienie spadnie poniżej drugiego ustawionego progu, A2 aktywuje RL # 2, który z kolei przełącza R3, aby prąd do akumulatora był jeszcze niższy, upewniając się, że napięcie na wejściu LM338 nigdy nie spadnie poniżej 15 V, a prędkość ładowania do bateria jest zawsze utrzymywana na najbliższym optymalnym poziomie.

Jeśli stopnie wzmacniacza operacyjnego zostaną zwiększone wraz z większą liczbą przekaźników i późniejszymi działaniami sterowania prądem, urządzenie można zoptymalizować z jeszcze lepszą wydajnością.

Powyższa procedura umożliwia szybkie ładowanie akumulatora wysokim prądem podczas szczytowych promieni słonecznych i obniżenie prądu, gdy natężenie światła słonecznego nad panelem spada, i odpowiednio zasila akumulator odpowiednim prądem znamionowym, tak aby pod koniec dnia był w pełni naładowany.

Co się dzieje z baterią, której nie można rozładować?

Załóżmy, że w przypadku, gdy akumulator nie jest optymalnie rozładowany, aby przejść przez powyższy proces następnego ranka, sytuacja może być śmiertelna dla akumulatora, ponieważ początkowy wysoki prąd może mieć negatywny wpływ na akumulator, ponieważ nie został jeszcze rozładowany do określonego poziomu oceny.

Aby sprawdzić powyższą kwestię, wprowadza się kilka dodatkowych opampów A3, A4, które monitorują poziom napięcia akumulatora i inicjują te same czynności, co A1, A2, dzięki czemu prąd do akumulatora jest zoptymalizowany pod kątem napięcie lub poziom naładowania akumulatora w tym okresie.