Domáci solárny obvod MPPT - sledovač maximálneho výkonu chudobného človeka

MPPT je skratka pre tracker maximálneho výkonu, čo je elektronický systém navrhnutý na optimalizáciu meniaceho sa výstupného výkonu z modulu solárneho panelu tak, aby pripojená batéria využívala maximálny dostupný výkon zo solárneho panelu.

Úvod

POZNÁMKA: Diskutované obvody MPPT v tomto príspevku nepoužívajú konvenčné metódy riadenia, ako napríklad „Perturb and observ“, „Inkrementálna vodivosť“, „Prúdový prúd“, „Konštantné napätie“ ...... atď. ... Radšej tu sústreďte sa a skúste implementovať niekoľko základných vecí:

1. Uistite sa, že vstupný „príkon“ zo solárneho panelu je vždy rovnaký ako výstupný „príkon“ dosahujúci záťaž.
2. „Kolenné napätie“ nie je nikdy zaťažením zaťažené a zóna MPPT panelu je efektívne udržiavaná.

Čo je napätie a prúd v kolene panelu:

Zjednodušene povedané, napätie kolena je „napätie naprázdno“ úrovni panelu, zatiaľ čo kolenný prúd je „skratový prúd“ miera panelu v ktoromkoľvek danom okamihu.

Ak sa vyššie uvedené dva zachovajú, pokiaľ je to možné, dá sa predpokladať, že záťaž získava počas celej svojej činnosti výkon MPPT.

Predtým, ako sa ponoríme do navrhovaných návrhov, oboznámme sa najskôr so základnými faktami solárne nabíjanie batérie

Vieme, že výstup zo solárneho panelu je priamo úmerný stupňu dopadajúceho slnečného žiarenia a tiež teplote okolia. Keď sú slnečné lúče kolmé na solárny panel, vytvára maximálne množstvo napätia a zhoršuje sa, keď sa uhol posúva od 90 stupňov. Atmosférická teplota okolo panelu ovplyvňuje aj účinnosť panelu, ktorá klesá so zvyšovaním teploty .

Preto môžeme dospieť k záveru, že keď sú slnečné lúče takmer 90 stupňov nad panelom a keď je teplota okolo 30 stupňov, účinnosť panelu je smerom k maximu, rýchlosť klesá, keď sa dva vyššie uvedené parametre odchyľujú od ich menovitých hodnôt.

Vyššie uvedené napätie sa zvyčajne používa na nabíjanie batérie, a olovena bateria , ktorá sa zase používa na prevádzku invertora. Rovnako ako solárny panel má svoje vlastné prevádzkové kritériá , batéria tiež nie je o nič menšia a ponúka prísne podmienky na dosiahnutie optimálneho nabitia.

Podmienky sú také, že batéria musí byť na začiatku nabitá relatívne vyšším prúdom, ktorý sa musí postupne znižovať takmer na nulu, keď batéria dosiahne napätie o 15% vyššie ako jej bežné hodnoty.

Za predpokladu, že úplne vybitá 12V batéria s napätím kdekoľvek okolo 11,5V môže byť na začiatku nabitá rýchlosťou približne C / 2 (C = AH batérie), začne sa to pomerne rýchlo nabíjať a napätie sa vytiahne na okolo 13V v priebehu niekoľkých hodín.

V tomto okamihu by sa mal prúd automaticky znížiť na povedzme rýchlosť C / 5, čo opäť pomôže udržať rýchle tempo nabíjania bez poškodenia batérie a v priebehu nasledujúcej hodiny zvýšiť jeho napätie na približne 13,5 V.

Podľa vyššie uvedených krokov možno teraz prúd ďalej znížiť na rýchlosť C / 10, čo zaisťuje, že sa rýchlosť nabíjania a tempo nespomalia.

Nakoniec, keď napätie batérie dosiahne okolo 14,3 V, proces sa môže znížiť na rýchlosť C / 50, ktorá takmer zastaví proces nabíjania, ale obmedzí pokles nabíjania na nižšie úrovne.

Celý proces nabíja hlboko vybitú batériu v rozpätí 6 hodín bez ovplyvnenia životnosti batérie.

MPPT sa používa presne na zabezpečenie optimálneho extrakcie vyššie uvedeného postupu z konkrétneho solárneho panelu.

Solárny panel nemusí byť schopný poskytnúť vysoké prúdové výstupy, ale určite dokáže zabezpečiť vyššie napätie.

Trik by spočíval v prevedení vyšších úrovní napätia na vyššiu úroveň prúdu pomocou vhodnej optimalizácie výkonu solárneho panelu.

Pretože teraz je možné konverzie vyššieho napätia na vyšší prúd a naopak realizovať iba pomocou prevodníkov zosilnenia buck, inovatívnou metódou (aj keď trochu objemnou) by bolo použitie obvodu s premenlivým induktorom, v ktorom by induktor mal veľa prepínateľných odbočiek, tieto odbočky môžu byť prepínané spínacím obvodom v reakcii na meniace sa slnečné svetlo, takže výstup do záťaže zostáva vždy konštantný bez ohľadu na slnečné svetlo.

Koncept je možné pochopiť podľa nasledujúceho diagramu:

Schéma zapojenia

Používanie LM3915 ako hlavného integrovaného procesora

Hlavným procesorom na vyššie uvedenom diagrame je IC LM3915 ktorý prepína svoj výstupný pinout postupne zhora nadol v reakcii na ubúdajúce slnečné svetlo

Tieto výstupy možno vidieť nakonfigurované so spínacími výkonovými tranzistormi, ktoré sú zase spojené s rôznymi odbočkami feritovej jedinej dlhej indukčnej cievky.

Najspodnejší koniec induktora je pripojený k výkonovému tranzistoru NPN, ktorý je prepínaný na frekvenciu okolo 100 kHz z externe nakonfigurovaného obvodu oscilátora.

Výkonové tranzistory spojené s výstupmi IC prepínajú v reakcii na postupné IC výstupy a pripájajú príslušné odbočky induktora s napätím panelu a frekvenciou 100 kHz.

Tieto otáčky induktora sú primerane vypočítané tak, aby ich rôzne odbočky boli kompatibilné s napätím panela, pretože sú prepínané výstupnými stupňami IC.

Postup teda zaisťuje, že zatiaľ čo intenzita slnka a napätie klesá, je to primerane spojené s príslušným odbočením induktora, ktoré udržuje takmer konštantné napätie na všetkých uvedených odbočkách podľa ich vypočítaných hodnotení.

Poďme pochopiť fungovanie pomocou nasledujúceho scenára:

Predpokladajme, že cievka je vybraná tak, aby bola kompatibilná so solárnym panelom 30 V, preto na vrchole slnečného svitu predpokladajme, že tranzistor s najvyššou výkonnosťou je zapnutý integrovaným obvodom, ktorý osciluje celú cievku, čo umožňuje, aby bolo k dispozícii celých 30 V cez krajné konce cievky.

Teraz predpokladajme, že slnečné svetlo poklesne o 3 V a zníži jeho výkon na 27 V, čo IC rýchlo zaznamená, takže prvý tranzistor zhora sa teraz vypne a druhý tranzistor v poradí sa zapne.

Vyššie uvedená akcia vyberie druhé odbočenie (odbočka 27 V) induktora od vrchnej časti po vykonaní zodpovedajúceho odbočenia induktora na napäťovú odozvu, pričom sa zabezpečí, že cievka optimálne osciluje so zníženým napätím ... podobne, teraz, keď napätie slnečného žiarenia klesá ďalej, príslušné tranzistory „Podajte si ruku“ s príslušnými odbočkami induktora, ktoré zaisťujú dokonalé zosúladenie a efektívne prepínanie induktora zodpovedajúce dostupnému solárnemu napätiu.

Vzhľadom na vyššie uvedenú odozvu medzi solárnym panelom a spínacím buck / boost induktorom ... možno predpokladať, že odbočkové napätia v príslušných bodoch udržujú konštantné napätie po celý deň bez ohľadu na slnečné žiarenie ....

Napríklad predpokladajme, že ak je induktor navrhnutý tak, aby produkoval 30 V pri najvyššom odbočke, po ktorom bude nasledovať odbočka 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V, potom sa dá predpokladať, že všetky tieto napätia sú konštantná nad týmito kohútikmi bez ohľadu na úroveň slnečného žiarenia.

Pamätajte tiež, že tieto napätia je možné meniť podľa požiadaviek používateľa na dosiahnutie vyššieho alebo nižšieho napätia ako je napätie na paneli.

Vyššie uvedený obvod je možné nakonfigurovať aj v topografii flyback, ako je to znázornené nižšie:

V obidvoch vyššie uvedených konfiguráciách sa predpokladá, že výstup zostane konštantný a stabilný z hľadiska napätia a príkonu bez ohľadu na solárny výkon.

Použitie metódy sledovania I / V

Nasledujúca koncepcia obvodu zaisťuje, že úroveň MPPT panelu nebude nikdy drasticky narušená zaťažením.

Obvod sleduje úroveň MPPT „kolena“ panelu a zaisťuje, že zaťaženie nesmie spotrebovať nič viac, čo by mohlo spôsobiť pokles v tejto úrovni kolena panelu.

Naučme sa, ako je to možné dosiahnuť pomocou jednoduchého sledovacieho obvodu operačného zosilňovača I / V.

Upozorňujeme, že konštrukcie bez prevodníka Buck nikdy nebudú schopné optimalizovať nadmerné napätie na ekvivalentný prúd pre záťaž a môžu v tomto ohľade zlyhať, čo sa považuje za rozhodujúcu vlastnosť každého návrhu MPPT.

Veľmi jednoduché, ale efektívne zariadenie typu MPPT je možné vyrobiť pomocou IC LM338 a opampov.

V tomto mnou navrhnutom koncepte je operačný zosilňovač nakonfigurovaný tak, že zaznamenáva okamžité údaje MPP z panelu a porovnáva ich s okamžitou spotrebou záťaže. Ak zistí, že spotreba záťaže presahuje tieto uložené dáta, odreže ju ...

Stupeň IC 741 je sekciou sledovania slnečného žiarenia a tvorí srdce celého dizajnu.

Napätie solárneho panelu sa privádza na invertujúci vývod 2 IC, zatiaľ čo to isté sa aplikuje na neinvertujúci vývod 3 s poklesom okolo 2 V pomocou troch sériových diód 1N4148.

Vyššie uvedená situácia dôsledne udržuje pin3 IC o tienidlo nižšie ako pin2, čo zaisťuje nulové napätie na výstupnom pin6 IC.

V prípade neefektívneho preťaženia, ako je napríklad nesprávna batéria alebo silnoprúdová batéria, má však napätie solárneho panela tendenciu byť stiahnuté záťažou. Keď sa to stane, tiež začne klesať napätie pin2, avšak kvôli prítomnosti kondenzátora 10uF na pin3 zostáva jeho potenciál pevný a nereaguje na vyššie uvedený pokles.

Situácia okamžite prinúti pin3, aby šiel vysoko ako pin2, čo zase prepne pin6 vysoko, a zapne BJT BC547.

BC547 teraz okamžite deaktivuje odpojenie napätia LM338 od batérie, cyklus sa prepína rýchlym tempom v závislosti od menovitých otáčok integrovaného obvodu.

Vyššie uvedené činnosti zaisťujú, aby napätie solárneho panelu nikdy nekleslo alebo sa neznížilo zaťažením, čím sa po celý čas udržiava stav podobný MPPT.

Pretože sa používa lineárny IC LM338, obvod by mohol byť opäť trochu neefektívny .... opravou je nahradiť javisko LM338 buck prevodníkom ... vďaka čomu by bol dizajn mimoriadne univerzálny a porovnateľný so skutočným MPPT.

Nižšie je znázornený obvod MPPT využívajúci topológiu konvertora buck. Teraz má dizajn veľký zmysel a vyzerá oveľa bližšie k skutočnému MPPT.

Obvod MPPT 48V

Vyššie uvedené jednoduché obvody MPPT možno tiež upraviť na implementáciu vysokonapäťového nabíjania batérie, napríklad nasledujúci obvod nabíjačky MPPT na 48V batériu.

Všetky tieto nápady vyvíjam výhradne ja.