Circuit solar MPPT de casă - Urmăritor punct maxim de putere al omului sărac

MPPT reprezintă urmăritorul punctului de putere maximă, care este un sistem electronic conceput pentru optimizarea puterii variate de la un modul de panou solar, astfel încât bateria conectată să exploateze puterea maximă disponibilă de la panoul solar.

Introducere

NOTĂ: Circuitele MPPT discutate în acest post nu folosesc metodele convenționale de control, cum ar fi „Perturbați și observați”, „Conductanța incrementală,„ Măturarea curentului ”,„ Tensiunea constantă ”...... etc etc. Mai degrabă aici, noi concentrați-vă și încercați să implementați câteva lucruri de bază:

1. Pentru a vă asigura că „puterea” de intrare de la panoul solar este întotdeauna egală cu „puterea” de ieșire care atinge sarcina.
2. „Tensiunea genunchiului” nu este niciodată deranjată de sarcină și zona MPPT a panoului este menținută eficient.

Ce este tensiunea și curentul genunchiului unui panou:

Pur și simplu, tensiunea genunchiului este „tensiune în circuit deschis” nivelul panoului, în timp ce curentul genunchiului este 'scurt circuit' măsura panoului în orice moment dat.

Dacă cele două de mai sus sunt menținute cât mai mult posibil, se poate presupune că sarcina obține puterea MPPT pe toată durata funcționării sale.

Înainte de a aprofunda proiectele propuse, să ne familiarizăm mai întâi cu câteva dintre faptele de bază referitoare la încărcarea bateriei solare

Știm că ieșirea de la un panou solar este direct proporțională cu gradul de lumină solară incidentă și, de asemenea, cu temperatura ambiantă. Când razele solare sunt perpendiculare pe panoul solar, acesta generează cantitatea maximă de tensiune și se deteriorează pe măsură ce unghiul se deplasează de la 90 de grade. Temperatura atmosferică din jurul panoului afectează, de asemenea, eficiența panoului, care scade odată cu creșterea temperaturii .

Prin urmare, putem concluziona că atunci când razele solare sunt aproape de 90 de grade peste panou și când temperatura este de aproximativ 30 de grade, eficiența panoului este spre maxim, rata scade pe măsură ce cei doi parametri de mai sus se îndepărtează de valorile lor nominale.

Tensiunea de mai sus este utilizată în general pentru încărcarea unei baterii, a baterie cu plumb acid , care la rândul său este utilizat pentru acționarea unui invertor. Cu toate acestea, la fel ca panoul solar are propriile criterii de funcționare , bateria nu este nici mai puțin și oferă câteva condiții stricte pentru a fi încărcată optim.

Condițiile sunt, bateria trebuie încărcată la un curent relativ mai mare inițial, care trebuie scăzut treptat la aproape zero atunci când bateria atinge o tensiune cu 15% mai mare decât valoarea normală.

Presupunând că o baterie complet descărcată de 12V, cu o tensiune undeva în jurul valorii de 11,5V, poate fi încărcată inițial la o rată C / 2 (C = AH a bateriei), aceasta va începe să umple bateria relativ repede și va trage tensiunea la în jur de 13V în câteva ore.

În acest moment, curentul ar trebui redus automat pentru a spune rata C / 5, acest lucru va ajuta din nou să mențineți ritmul rapid de încărcare fără a deteriora bateria și să ridicați tensiunea la aproximativ 13,5 V în următoarea oră.

Urmând pașii de mai sus, acum curentul poate fi redus în continuare la rata C / 10, ceea ce asigură că rata de încărcare și ritmul nu încetinesc.

În cele din urmă, când tensiunea bateriei ajunge la aproximativ 14,3 V, procesul poate fi redus la o rată C / 50, care aproape oprește procesul de încărcare, însă restricționează încărcarea să scadă la niveluri mai mici.

Întregul proces încarcă o baterie descărcată profund într-un interval de 6 ore fără a afecta durata de viață a bateriei.

Un MPPT este utilizat exact pentru a se asigura că procedura de mai sus este extrasă optim dintr-un anumit panou solar.

Un panou solar poate fi incapabil să furnizeze ieșiri de curent ridicat, dar cu siguranță este capabil să asigure tensiuni mai mari.

Trucul ar fi convertirea nivelurilor de tensiune mai ridicate la niveluri de curent mai ridicate printr-o optimizare adecvată a ieșirii panoului solar.

Acum, deoarece conversiile unei tensiuni mai mari la un curent mai mare și invers pot fi implementate numai prin intermediul convertoarelor Buck Boost, o metodă inovatoare (deși puțin cam voluminoasă) ar fi utilizarea unui circuit cu inductor variabil în care inductorul ar avea multe robinete comutabile, robinetele pot fi comutate de un circuit de comutare ca răspuns la lumina soarelui variabilă, astfel încât ieșirea la sarcină să rămână constantă indiferent de lumina soarelui.

Conceptul poate fi înțeles referindu-se la următoarea diagramă:

Diagrama circuitului

Utilizarea LM3915 ca circuit principal IC

Procesorul principal din diagrama de mai sus este IC LM3915 care își comută pinoutul de ieșire secvențial de sus în jos ca răspuns la lumina soarelui în scădere

Aceste ieșiri pot fi văzute configurate cu tranzistoare de putere de comutare care sunt la rândul lor conectate cu diferitele robinete ale unei bobine cu inductor lung de ferită.

Capătul inferior al inductorului poate fi văzut atașat cu un tranzistor de putere NPN care este comutat la o frecvență de aproximativ 100 kHz dintr-un circuit oscilator configurat extern.

Tranzistoarele de putere conectate la ieșirile comutatorului IC ca răspuns la secvențierea ieșirilor IC, conectând robinetele corespunzătoare ale inductorului cu tensiunea panoului și frecvența de 100 kHz.

Aceste rotații ale inductorului sunt calculate corespunzător, astfel încât diferitele sale robinete să devină compatibile cu tensiunea panoului, deoarece acestea sunt comutate de etapele driverului de ieșire IC.

Astfel, procedurile se asigură că, în timp ce intensitatea soarelui și tensiunea scad, este legată în mod corespunzător cu robinetul relevant al inductorului menținând o tensiune aproape constantă pe toate robinetele date, conform valorilor calculate.

Să înțelegem funcționarea cu ajutorul următorului scenariu:

Să presupunem că bobina este selectată pentru a fi compatibilă cu un panou solar de 30V, prin urmare, la vârful soarelui, să presupunem că tranzistorul cu cea mai mare putere este pornit de către IC, care supune întreaga bobină să oscileze, acest lucru permite ca întregul 30V să fie disponibil în întreaga capetele extreme ale bobinei.

Acum, să presupunem că lumina soarelui scade cu 3V și își reduce puterea la 27V, acest lucru este detectat rapid de IC astfel încât primul tranzistor din partea de sus se oprește acum și al doilea tranzistor din secvență se aprinde.

Acțiunea de mai sus selectează al doilea robinet (27V robinet) al inductorului din partea superioară executând un robinet al inductorului corespunzător la răspunsul la tensiune, asigurându-se că bobina oscilează optim cu tensiunea redusă ... în mod similar, acum pe măsură ce tensiunea soarelui scade și mai mult tranzistoarele respective „dați mâna” cu robinetele de inducție relevante, asigurând o potrivire perfectă și o comutare eficientă a inductorului, corespunzătoare tensiunilor solare disponibile.

Datorită răspunsului asociat mai sus între panoul solar și inductorul de comutare buck / boost ... se poate presupune că tensiunile de la robinet peste punctele relevante mențin o tensiune constantă pe tot parcursul zilei, indiferent de situația soarelui ....

De exemplu, să presupunem că dacă inductorul este proiectat să producă 30V la robinetul de sus, urmat de 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V pe toate robinetele următoare, atunci toate aceste tensiuni ar putea fi presupuse a fi constantă peste aceste robinete, indiferent de nivelurile soarelui.

De asemenea, vă rugăm să rețineți că aceste tensiuni pot fi modificate conform specificațiilor utilizatorului pentru a obține tensiuni mai mari sau mai mici decât tensiunea panoului.

Circuitul de mai sus poate fi, de asemenea, configurat în topoogia flyback, așa cum se arată mai jos:

În ambele configurații de mai sus, ieșirea ar trebui să rămână constantă și stabilă în ceea ce privește tensiunea și puterea, indiferent de puterea solară.

Utilizarea metodei de urmărire I / V

Următorul concept de circuit asigură faptul că nivelul MPPT al panoului nu este niciodată deranjat drastic de sarcină.

Circuitul urmărește nivelul „genunchiului” MPPT al panoului și se asigură că sarcinii nu i se permite să consume nimic mai mult care ar putea provoca o cădere în acest nivel al genunchiului panoului.

Să învățăm cum se poate face acest lucru folosind un circuit simplu de urmărire I / V opamp.

Vă rugăm să rețineți că proiectele care nu au un convertor buck nu vor putea niciodată optimiza excesul de tensiune în curent echivalent pentru sarcină și ar putea eșua în acest sens, care este considerat caracteristica crucială a oricărui design MPPT.

Un dispozitiv de tip MPPT foarte simplu dar eficient poate fi realizat prin utilizarea unui IC LM338 și a unui opamps.

În acest concept conceput de mine, amplificatorul de operare este configurat în așa fel încât să păstreze înregistrarea datelor MPP instantanee ale panoului și să le compare cu consumul instantaneu de încărcare. Dacă constată că consumul de încărcare depășește aceste date stocate, acesta întrerupe sarcina ...

Etapa IC 741 este secțiunea de urmărire solară și formează inima întregului design.

Tensiunea panoului solar este alimentată la pinul inversor 2 al CI, în timp ce același lucru este aplicat pinului neinversibil 3 cu o cădere de aproximativ 2 V folosind trei diode 1N4148 în serie.

Situația de mai sus menține în mod constant pinul 3 al IC-ului o umbră mai mică decât pin-ul 2, asigurând o tensiune zero pe pinul de ieșire 6 al IC-ului.

Cu toate acestea, în cazul unei supraîncărcări ineficiente, cum ar fi o baterie nepotrivită sau o baterie cu curent ridicat, tensiunea panoului solar tinde să fie trasă de sarcină. Când se întâmplă acest lucru, tensiunea pin2 începe, de asemenea, să scadă, totuși datorită prezenței condensatorului 10uF la pin3, potențialul său rămâne solid și nu răspunde la căderea de mai sus.

Situația forțează instantaneu pin3 să meargă mai sus decât pin2, care la rândul său comută pin6 înalt, pornind BJT BC547.

BC547 dezactivează imediat LM338 întrerupând tensiunea la baterie, ciclul continuă să comute într-un ritm rapid, în funcție de viteza nominală a IC.

Operațiunile de mai sus se asigură că tensiunea panoului solar nu scade niciodată sau nu este trasă de sarcină, menținând o condiție similară MPPT pe tot parcursul.

Deoarece se utilizează un IC liniar LM338, circuitul ar putea fi din nou puțin ineficient .... remediul este înlocuirea etapei LM338 cu un convertor buck ... care ar face designul extrem de versatil și comparabil cu un MPPT adevărat.

Mai jos este prezentat un circuit MPPT care utilizează o topologie a convertorului Buck, acum designul are mult sens și arată mult mai aproape de un MPPT adevărat

Circuit MPPT de 48V

Circuitele MPPT simple de mai sus pot fi, de asemenea, modificate pentru implementarea încărcării bateriei de înaltă tensiune, cum ar fi următorul circuit de încărcare a bateriei MPPT de 48V.

Ideile sunt dezvoltate exclusiv de mine.