Ako vytvoriť obvod optimalizácie solárnych panelov

Navrhovaný obvod solárneho optimalizátora je možné použiť na získanie maximálneho možného výkonu z hľadiska prúdu a napätia zo solárneho panelu v reakcii na meniace sa slnečné svetlo.

V tomto príspevku je vysvetlených niekoľko jednoduchých, ale efektívnych nabíjacích obvodov solárnych panelov. Prvý je možné zostaviť pomocou niekoľkých 555 integrovaných obvodov a niekoľkých ďalších lineárnych komponentov, druhý optín je ešte jednoduchší a používa veľmi bežné integrované obvody ako LM338 a operačný zosilňovač IC 741. Poďme sa naučiť postupy.

Cieľ okruhu

Ako všetci vieme, dosiahnutie najvyššej účinnosti z akejkoľvek formy napájania je uskutočniteľné, ak postup nezahŕňa posun napájacieho napätia, čo znamená, že chceme získať konkrétnu požadovanú nižšiu úroveň napätia a maximálny prúd pre záťaž, ktorá je byť prevádzkovaný bez narušenia úrovne napätia zdroja a bez generovania tepla.

Stručne, dotknutý solárny optimalizátor by mal umožniť svoj výstup s maximálnym požadovaným prúdom, akoukoľvek nižšou úrovňou požadovaného napätia, a zároveň zabezpečiť, aby úroveň napätia na paneli zostala nedotknutá.

Jedna metóda, ktorá je tu diskutovaná, zahrnuje techniku ​​PWM, ktorú možno považovať za jednu z doteraz optimálnych metód.

Mali by sme byť vďační tomuto malému géniovi zvanému IC 555, vďaka ktorému vyzerajú všetky zložité koncepty tak ľahko.

Použitie IC 555 na konverziu PWM

Aj do tohto konceptu začleňujeme požadovanú implementáciu, ktorá vo veľkej miere závisí od niekoľkých IC 555.

Pri pohľade na danú schému zapojenia vidíme, že celá konštrukcia je v zásade rozdelená do dvoch etáp.

Horný stupeň regulátora napätia a dolný stupeň generátora PWM.

Horný stupeň pozostáva z p-kanálového mosfetu, ktorý je umiestnený ako prepínač a reaguje na aplikovanú informáciu PWM na svojej bráne.

Dolný stupeň je stupeň generátora PWM. Pre navrhované akcie je nakonfigurovaných niekoľko 555 integrovaných obvodov.

Ako obvod funguje

IC1 je zodpovedný za produkciu požadovaných štvorcových vĺn, ktoré sú spracovávané generátorom trojuholníkových vĺn s konštantným prúdom obsahujúcim T1 a príslušné komponenty.

Táto trojuholníková vlna sa aplikuje na IC2 na spracovanie na požadované PWM.

Rozstup PWM od IC2 však závisí od úrovne napätia na jeho kolíku # 5, ktoré je odvodené z odporovej siete cez panel cez rezistor 1K a predvoľbu 10K.

Napätie medzi touto sieťou je priamo úmerné meniacim sa voltám panela.

Počas špičkových napätí sa PWM zväčšujú a naopak.

Vyššie uvedené PWM sa aplikujú na bránu mosfet, ktorá vedie a dodáva požadované napätie pripojenej batérii.

Ako už bolo uvedené, počas špičkového slnečného svitu panel generuje vyššiu úroveň napätia, vyššie napätie znamená, že IC2 generuje širšie PWM, čo zase udržuje mosadz vypnutú na dlhšiu dobu alebo zapnutú na relatívne kratšiu dobu, čo zodpovedá priemernej hodnote napätia, ktorá by mohla byť okolo 14,4 V cez svorky batérie.

Keď sa slnečné žiarenie zhoršuje, PWM sa dostávajú proporcionálne do úzkych priestorov, čo umožňuje mosfetu viesť viac, takže priemerný prúd a napätie na batérii majú tendenciu zostať na optimálnych hodnotách.

Predvoľba 10K by mala byť upravená tak, aby sa na výstupných svorkách dokázalo dostať okolo 14,4 V za jasného slnka.

Výsledky môžu byť monitorované za rôznych slnečných podmienok.

Navrhovaný obvod optimalizácie solárnych panelov zaisťuje stabilné nabíjanie batérie bez ovplyvnenia alebo posunutia napätia v paneli, čo má za následok tiež nižšiu tvorbu tepla.

Poznámka: Pripojený stúpajúci panel by mal byť schopný generovať o 50% viac napätia ako pripojená batéria na najvyššom slnečnom svetle. Prúd by mal byť 1/5 hodnoty AH batérie.

Ako nastaviť obvod

1. Môže sa to vykonať nasledujúcim spôsobom:
2. Spočiatku nechajte S1 vypnutý.
3. Panel vystavte maximálnemu slnečnému žiareniu a upravte predvoľbu tak, aby ste dosiahli požadované optimálne nabíjacie napätie cez výstup odtokovej diódy mosfetu a zem.
4. Okruh je teraz nastavený.
5. Akonáhle to urobíte, zapnite S1, batéria sa začne nabíjať v čo najlepšom optimalizovanom režime.

Pridanie aktuálnej funkcie ovládania

Dôkladné preskúmanie vyššie uvedeného obvodu ukazuje, že keď sa mosfet snaží kompenzovať klesajúcu úroveň napätia panelu, umožňuje batérii odoberať z panelu viac prúdu, čo ovplyvňuje pokles napätia panelu, čo vyvoláva situáciu úniku, toto môže vážne brániť procesu optimalizácie

O tento problém sa stará funkcia riadenia prúdu, ako je znázornená na nasledujúcom diagrame, a zakazuje batérii odoberať nadmerný prúd nad stanovené hranice. To zase pomáha udržiavať nedotknuté napätie panelu.

RX, čo je rezistor obmedzujúci prúd, sa dá vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

RX = 0,6 / I, kde I je uvedený minimálny nabíjací prúd pre pripojenú batériu

Surová, ale jednoduchšia verzia vyššie vysvetleného dizajnu môže byť vytvorená tak, ako to navrhol pán Dhyaksa, pomocou detekcie prahu pin2 a pin6 IC555, celý diagram je uvedený nižšie:

Žiadna optimalizácia bez prevodníka Buck

Vyššie vysvetlený návrh pracuje so základným konceptom PWM, ktorý automaticky upravuje PWM obvodu založeného na 555 v reakcii na meniacu sa intenzitu slnka.

Aj keď výstup z tohto obvodu produkuje samonastavovaciu odozvu, aby sa na výstupe udržalo konštantné priemerné napätie, špičkové napätie sa nikdy neupravuje, takže je značne nebezpečné pre nabíjanie batérií typu Li-ion alebo Lipo.

Vyššie uvedený obvod navyše nie je vybavený na prevod nadmerného napätia z panelu na proporcionálne množstvo prúdu pre pripojené menovité zaťaženie s nízkym napätím.

Pridanie prevodníka dolárov

Pokúsil som sa tento stav napraviť pridaním fázy prevodníka buck k vyššie uvedenému návrhu a mohol som vytvoriť optimalizáciu, ktorá vyzerala veľmi podobne ako obvod MPPT.

Avšak ani pri tomto vylepšenom obvode som nemohol byť úplne presvedčený o tom, či obvod bol alebo nebol skutočne schopný produkovať konštantné napätie s orezanou špičkovou úrovňou a zosilneným prúdom v reakcii na rôzne úrovne intenzity slnka.

Aby som si bol úplne istý koncepciou a odstránil všetky nejasnosti, musel som absolvovať vyčerpávajúcu štúdiu ohľadne prevodníkov buck a súvisiaceho vzťahu medzi vstupno / výstupným napätím, prúdom a pomermi PWM (pracovný cyklus), ktorý inšpiroval vytvorím nasledujúce súvisiace články:

Ako fungujú prevádzače Buck

Výpočet napätia, prúdu v Buck induktore

Záverečné vzorce získané z vyššie uvedených dvoch článkov pomohli objasniť všetky pochybnosti a nakoniec som si mohol byť úplne istý svojím skôr navrhovaným obvodom solárneho optimalizátora pomocou obvodu meniča dolárov.

Analýza stavu pracovného cyklu PWM pre návrh

Nasleduje základný vzorec, ktorý jasne objasnil veci:

Vout = DVin

Tu V (in) je vstupné napätie prichádzajúce z panelu, Vout je požadované výstupné napätie z buck prevodníka a D je pracovný cyklus.

Z rovnice je zrejmé, že Vout je možné jednoducho prispôsobiť „buď“ riadením pracovného cyklu prevodníka buck alebo Vin .... alebo inými slovami, parametre Vin a pracovný cyklus sú priamo úmerné a navzájom sa ovplyvňujú. hodnoty lineárne.

Tieto výrazy sú v skutočnosti extrémne lineárne, čo výrazne uľahčuje dimenzovanie obvodu solárneho optimalizátora pomocou obvodu prevodníka buck.

Znamená to, že keď je Vin oveľa vyšší (@ špičkový slnečný svit) ako parametre záťaže, procesor IC 555 dokáže PWM proporcionálne zúžiť (alebo rozšíriť pre P-zariadenie) a ovplyvniť Vout tak, aby zostal na požadovanej úrovni, a naopak keď slnko ubúda, procesor môže PWM znova rozšíriť (alebo zúžiť) na PWM, aby sa zabezpečilo udržanie výstupného napätia na stanovenej konštantnej úrovni.

Hodnotenie implementácie PWM prostredníctvom praktického príkladu

Uvedené môžeme dokázať riešením daného vzorca:

Predpokladajme, že špičkové napätie panelu V (in) je 24V

a PWM pozostáva z 0,5 s času zapnutia a 0,5 s času vypnutia

Pracovný cyklus = doba zapnutia tranzistora / doba impulzu ZAPNUTÉ + VYPNUTÉ = T (zapnuté) / 0,5 + 0,5 s

Pracovný cyklus = T (zapnutý) / 1

Preto dosadením vyššie uvedeného do nižšie uvedeného vzorca dostaneme,

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

14 = 24 x T (zapnuté)

kde 14 je predpokladané požadované výstupné napätie,

preto

T (zapnuté) = 14/24 = 0,58 sekundy

To nám dáva čas zapnutia tranzistora, ktorý je potrebné nastaviť pre obvod počas špičkového slnečného svitu, aby sme na výstupe vytvorili potrebných 14 V.

Ako to funguje

Len čo je uvedené vyššie, zvyšok by mohol zostať na spracovanie IC 555 na očakávané samonastavovacie T (zapnuté) obdobia v reakcii na ubúdajúce slnečné svetlo.

Teraz, keď sa slnečné svetlo zmenšuje, vyššie uvedený čas zapnutia by sa obvodom proporcionálne predĺžil (alebo znížil pre P-zariadenie) lineárnym spôsobom na zaistenie konštantných 14 V, až kým napätie panelu skutočne neklesne na 14 V, keď by obvod mohol iba ukončiť postupy.

Dá sa tiež predpokladať, že aktuálny (amp) parameter je samočinne sa nastavujúci, ktorý sa vždy snaží dosiahnuť konštantu (VxI) produktu počas celého procesu optimalizácie. Je to preto, lebo prevodník buck má vždy prevádzať vstup vysokého napätia na proporcionálne zvýšenú úroveň prúdu na výstupe.

Ak však máte záujem o úplné potvrdenie výsledkov, príslušné vzorce nájdete v nasledujúcom článku:

Výpočet napätia, prúdu v Buck induktore

Teraz sa pozrime, ako vyzerá mnou navrhnutý konečný obvod z nasledujúcich informácií:

Ako vidíte na vyššie uvedenom diagrame, základný diagram je totožný s predchádzajúcim samooptimalizovaným solárnym nabíjacím obvodom, s výnimkou zapojenia IC4, ktorý je nakonfigurovaný ako sledovač napätia a je nahradený namiesto stupňa sledovača emitoru BC547. To sa deje s cieľom zabezpečiť lepšiu odozvu ovládacieho pinoutu IC2 pin # 5 z panelu.

Zhrnutie základných funkcií solárneho optimalizátora

Fungovanie môže byť revidované tak, ako je uvedené v nasledujúcej časti: IC1 generuje frekvenciu štvorcových vĺn okolo 10 kHz, ktorú je možné zvýšiť na 20 kHz zmenou hodnoty C1.

Táto frekvencia sa privádza na pin2 IC2 na výrobu rýchlo sa prepínajúcich trojuholníkových vĺn na pin # 7 pomocou T1 / C3.

Napätie panelu je vhodne upravené pomocou P2 a privádzané do fázy sledovača napätia IC4 na napájanie kolíka # 5 na IC2.

Tento potenciál na kolíku č. 5 IC2 z panela sa porovnáva rýchlymi trojuholníkovými vlnami č. 7 na vytvorenie zodpovedajúco dimenzovaných údajov PWM na kolíku č. 3 IC2.

Na vrchole slnečného žiarenia je P2 vhodne upravený tak, aby IC2 generoval čo najširšie PWM a keď sa slnečný svit začína zmenšovať, PWM sa úmerne zužujú.

Vyššie uvedený efekt sa privádza na základňu PNP BJT na invertovanie odozvy v pripojenom stupni prevodníka buck.

Znamená to, že na vrchole slnečného svitu nútia širšie PWM zariadenie PNP viesť skromne {znížené časové obdobie T (zapnutie)}, čo spôsobuje, že sa užšie krivky dostanú na buckový induktor ... ale keďže napätie na paneli je vysoké, úroveň vstupného napätia {V (in)} dosiahnutie buck induktora sa rovná úrovni napätia panelu.

V tejto situácii je teda buck prevodník pomocou správne vypočítaného T (on) a V (in) schopný vyprodukovať správne požadované výstupné napätie pre záťaž, ktoré môže byť oveľa nižšie ako napätie panela, ale pri proporcionálne zvýšenú úroveň prúdu (zosilňovača).

Teraz, keď klesá slnečné žiarenie, sa PWM tiež zužujú, čo umožňuje proporcionálne zvýšenie PNP T (zapnuté), čo zase pomáha buckovému induktoru kompenzovať znižujúce sa slnečné žiarenie úmerným zvýšením výstupného napätia ... prúd (amp ) faktor sa v priebehu akcie proporcionálne zníži, čím sa zaistí dokonalé udržanie výstupnej konzistencie prevodníkom buck.

T2 spolu s pridruženými komponentmi tvoria stupeň obmedzujúci prúd alebo stupeň chybového zosilňovača. Zaisťuje, aby výstupné zaťaženie nikdy nemalo spotrebovať nič nad nominálne hodnoty návrhu, takže systém nikdy nereagoval a výkon solárneho panelu sa nikdy nemohol odkloniť od zóny vysokej účinnosti.

C5 je zobrazený ako 100uF kondenzátor, pre lepší výsledok by sa to však mohlo zvýšiť na hodnotu 2200uF, pretože vyššie hodnoty zabezpečia lepšie riadenie zvlnenia prúdu a hladšie napätie pre záťaž.

P1 slúži na nastavenie / korekciu ofsetového napätia výstupu operačného zosilňovača tak, aby kolík # 5 bol schopný prijímať dokonalých nula voltov pri absencii napätia solárneho panela alebo keď je napätie solárneho panela pod špecifikáciami napätia záťaže.

Špecifikáciu L1 možno približne určiť pomocou informácií uvedených v nasledujúcom článku:

Ako vypočítať tlmivky v obvodoch SMPS

Solárny optimalizátor využívajúci operačné zosilňovače

Ďalší veľmi jednoduchý, ale efektívny solárny optimalizačný obvod je možné vyrobiť pomocou IC LM338 a niekoľkých opampov.

Poďme pochopiť navrhovaný obvod (solárny optimalizátor) pomocou nasledujúcich bodov: Obrázok zobrazuje obvod regulátora napätia LM338, ktorý má funkciu riadenia prúdu aj vo forme tranzistora BC547 pripojeného cez nastavovací a uzemňovací kolík IC.

Opampy používané ako komparátory

Dva operačné zosilňovače sú nakonfigurované ako komparátory. V skutočnosti je možné zahrnúť mnoho takýchto stupňov na zosilnenie účinkov.

V súčasnom prevedení je predvoľba č. 3 č. A1 upravená tak, že výstup A1 stúpa, keď je intenzita slnečného žiarenia nad panelom asi o 20% nižšia ako maximálna hodnota.

Podobne je stupeň A2 nastavený tak, aby jeho výkon stúpal, keď je slnečné svetlo asi o 50% nižšie ako maximálna hodnota.

Keď výstup A1 stúpne, RL # 1 spustí pripojenie R2 v súlade s obvodom, odpojenie R1.

Spočiatku na vrchole slnečného svitu, R1, ktorého hodnota je zvolená oveľa nižšia, umožňuje maximálnemu prúdu dosiahnuť batériu.

Schéma zapojenia

Pri poklese slnečného svitu klesá aj napätie panelu a teraz si nemôžeme dovoliť odoberať z panelu silný prúd, pretože by to znížilo napätie pod 12V, čo by mohlo úplne zastaviť proces nabíjania.

Výmena relé pre aktuálnu optimalizáciu

Preto, ako je vysvetlené vyššie, A1 vstupuje do činnosti a odpojuje R1 a pripája R2. R2 je zvolený na vyššiu hodnotu a umožňuje batérii prúd iba v obmedzenom množstve, aby solárne napätie nekleslo pod 15 votov, čo je úroveň, ktorá je nevyhnutne potrebná na vstupe LM338.

Keď slnečné svetlo klesne pod druhú nastavenú prahovú hodnotu, A2 aktivuje RL # 2, ktorý následne prepne R3, aby sa prúd k batérii ešte znížil, pričom sa ubezpečte, že napätie na vstupe LM338 nikdy neklesne pod 15 V, ale rýchlosť nabíjania je batéria je vždy udržiavaná na najbližších optimálnych úrovniach.

Ak sa stupne zosilňovača zvýšia s väčším počtom relé a následnými prúdovými riadiacimi akciami, možno jednotku optimalizovať s ešte lepšou účinnosťou.

Vyššie uvedený postup nabíja batériu rýchlo pri vysokom prúde počas špičkových slnečných lúčov a znižuje prúd, keď klesá intenzita slnka nad panelom, a podľa toho dodáva batérii správny menovitý prúd tak, aby sa na konci dňa úplne nabila.

Čo sa stane s batériou, ktorá nemusí byť vybitá?

Predpokladajme, že v prípade, že batéria nie je optimálne vybitá, aby mohol nasledujúci deň prejsť vyššie uvedeným procesom, môže byť situácia pre batériu smrteľná, pretože počiatočný vysoký prúd môže mať negatívny vplyv na batériu, pretože sa ešte nemusí vybiť na stanovenú hodnotu. hodnotení.

Na kontrolu vyššie uvedeného problému je predstavených niekoľko ďalších operačných zosilňovačov, A3, A4, ktoré monitorujú úroveň napätia batérie a iniciujú rovnaké činnosti ako A1, A2, aby bol prúd do batérie optimalizovaný s ohľadom na napätie alebo úroveň nabitia batérie počas tohto časového obdobia.