Kotitekoinen Solar MPPT -piiri - köyhän ihmisen suurin tehopisteen seuranta

MPPT tarkoittaa enimmäistehopisteen seurantalaitetta, joka on elektroninen järjestelmä, joka on suunniteltu optimoimaan aurinkopaneelimoduulin vaihteleva teho siten, että kytketty akku hyödyntää aurinkopaneelista saatavaa maksimitehoa.

Johdanto

HUOMAUTUS: Tässä artikkelissa käsiteltävät MPPT-piirit eivät käytä tavanomaisia ​​säätömenetelmiä, kuten 'Perturb and tarkkaile', 'Inkrementaalinen johtokyky,' Virran pyyhkäisy ',' Jatkuva jännite '... jne. Jne. ... pikemminkin täällä keskittyä ja yrittää toteuttaa muutama perusasia:

1. Sen varmistamiseksi, että aurinkopaneelin tulo '' teho '' on aina yhtä suuri kuin kuorman saavuttava lähtö '' teho ''.
2. Kuormitus ei koskaan häiritse polvijännitettä, ja paneelin MPPT-vyöhykettä ylläpidetään tehokkaasti.

Mikä on paneelin polven jännite ja virta:

Yksinkertaisesti sanottuna polven jännite on 'avoimen piirin jännite' paneelin tasolla, kun taas polven virta on 'oikosulkuvirta' paneelin mitta milloin tahansa.

Jos yllä olevat kaksi ylläpidetään niin pitkälle kuin mahdollista, kuorman voidaan olettaa saavan MPPT-tehoa koko sen toiminnan ajan.

Ennen kuin perehdymme ehdotettuihin malleihin, tutustutaan ensin joihinkin perustietoihin aurinkoakku latautuu

Tiedämme, että aurinkopaneelin lähtö on suoraan verrannollinen tulevan auringonvalon määrään ja myös ympäristön lämpötilaan. Kun aurinkosäteet ovat kohtisuorassa aurinkopaneeliin nähden, se tuottaa maksimaalisen jännitteen ja heikkenee kulman siirtyessä pois 90 astetta. Paneelin ympärillä oleva ilmakehän lämpötila vaikuttaa myös paneelin tehokkuuteen, joka putoaa lämpötilan nousun myötä .

Siksi voimme päätellä, että kun auringonsäteet ovat lähellä 90 astetta paneelin yli ja kun lämpötila on noin 30 astetta, paneelin hyötysuhde on kohti suurinta, nopeus laskee, kun edellä mainitut kaksi parametria siirtyvät pois nimellisarvoistaan.

Yllä olevaa jännitettä käytetään yleensä akun lataamiseen, a lyijyakku , jota puolestaan ​​käytetään taajuusmuuttajan käyttämiseen. Kuitenkin aivan kuten aurinkopaneelilla on omat käyttökriteerinsä , myös akku ei ole pienempi ja tarjoaa tiukkoja ehtoja optimaalisen latauksen saamiseksi.

Edellytykset ovat, että akku on ladattava alun perin suhteellisen suurella virralla, joka on vähitellen laskettava melkein nollaan, kun akku saavuttaa 15% normaaliarvoa korkeamman jännitteen.

Olettaen, että täysin tyhjentynyt 12 V: n akku, jonka jännite on noin 11,5 V, voidaan aluksi ladata noin C / 2-nopeudella (akun C = AH), tämä alkaa täyttää akkua suhteellisen nopeasti ja vetää sen jännitteen noin 13 V muutamassa tunnissa.

Tässä vaiheessa virtaa tulisi pienentää automaattisesti sanomaan C / 5-nopeus, mikä auttaa jälleen pitämään nopean latautumisvauhdin vahingoittamatta akkua ja nostamaan sen jännitteen noin 13,5 V: een seuraavan tunnin kuluessa.

Yllä olevien vaiheiden jälkeen virta voidaan nyt laskea edelleen C / 10-nopeuteen, mikä varmistaa, että latausnopeus ja vauhti eivät hidastu.

Lopuksi, kun akun jännite saavuttaa noin 14,3 V, prosessi voidaan pienentää C / 50-nopeuteen, joka melkein pysäyttää latausprosessin, mutta rajoittaa latauksen putoamista alemmalle tasolle.

Koko prosessi lataa syvästi tyhjentyneen akun 6 tunnin kuluessa vaikuttamatta akun käyttöikään.

MPPT: tä käytetään tarkalleen sen varmistamiseksi, että yllä oleva menettely saadaan optimaalisesti tietystä aurinkopaneelista.

Aurinkopaneeli ei ehkä pysty tarjoamaan suuria virtalähtöjä, mutta se pystyy ehdottomasti tarjoamaan suurempia jännitteitä.

Temppu olisi muuntaa korkeammat jännitetasot suuremmiksi virtatasoiksi optimoimalla aurinkopaneelin lähtö sopivasti.

Koska korkeamman jännitteen muuntaminen suuremmaksi virraksi ja päinvastoin voidaan toteuttaa vain buck boost -muuntimilla, innovatiivinen menetelmä (vaikkakin hieman iso) olisi käyttää vaihtelevaa induktoripiiriä, jossa induktorissa olisi monia kytkettäviä hanoja, nämä hanat voidaan vaihtaa kytkentäpiirillä vasteena vaihtelevalle auringonvalolle siten, että lähtö kuormitukseen pysyy aina vakiona auringonpaisteesta riippumatta.

Käsite voidaan ymmärtää viittaamalla seuraavaan kaavioon:

Piirikaavio

LM3915: n käyttäminen pääprosessorin IC: nä

Yllä olevan kaavion pääprosessori on IC LM3915 joka vaihtaa ulostulonsa peräkkäin ylhäältä alas vasteena vähenevälle auringonvalolle

Nämä lähdöt voidaan nähdä konfiguroituna kytkentätehotransistoreilla, jotka puolestaan ​​on kytketty ferriittikertakäyrän eri hanoihin.

Induktorin alin pää voidaan nähdä kiinnitettynä NPN-virtatransistorilla, joka kytketään noin 100 kHz: n taajuudella ulkoisesti konfiguroidusta oskillaattoripiiristä.

Tehotransistorit, jotka on kytketty IC-kytkimen lähtöihin vasteena sekvensoiville IC-lähdöille, yhdistämällä asianmukaiset induktorin hanat paneelin jännitteeseen ja 100 kHz: n taajuuteen.

Tämä induktorikierros lasketaan asianmukaisesti siten, että sen erilaiset hanat tulevat yhteensopiviksi paneelin jännitteen kanssa, kun IC-lähtöohjaimen vaiheet vaihtavat niitä.

Siten menettely varmistaa, että vaikka auringon voimakkuus ja jännite laskevat, se on asianmukaisesti kytketty induktorin asiaankuuluvaan hanaan, joka pitää melkein vakion jännitteen kaikissa annetuissa hanoissa niiden laskettujen arvojen mukaan.

Ymmärretään toimivuus seuraavan skenaarion avulla:

Oletetaan, että kela on valittu yhteensopivaksi 30 V: n aurinkopaneelin kanssa, joten oletetaan auringonpaisteessa, että IC kytkee päälle ylemmän virtatransistorin, joka altistaa koko kelan värähtelylle, mikä sallii koko 30 V: n olevan käytettävissä kelan äärimmäiset päät.

Oletetaan, että auringonvalo putoaa 3 V: lla ja vähentää sen tehon 27 V: iin, IC havaitsee tämän nopeasti siten, että ensimmäinen transistori ylhäältä kytkeytyy nyt pois päältä ja toinen transistori sekvenssissä kytkeytyy ON-asentoon.

Yllä oleva toimenpide valitsee induktorin toisen hanan (27 V: n hana) ylhäältä vastaavan induktorihanan ja jännitteen vasteen välillä varmistaen, että kela värähtelee optimaalisesti alennetun jännitteen kanssa ... vastaavasti nyt, kun auringonvalojännite laskee edelleen vastaavia transistoreita 'kättele' asiaankuuluvilla induktorihanoilla varmistamalla induktorin täydellinen sovitus ja tehokas kytkentä käytettävissä olevien aurinkojännitteiden mukaisesti.

Yllä olevan aurinkopaneelin ja kytkentäpumppu / lisäysinduktorin välisen vastaavan vastaavuuden takia ... asiaankuuluvien pisteiden yli tapahtuvien hanajännitteiden voidaan olettaa ylläpitävän vakion jännitteen koko päivän ajan auringonvalosta riippumatta ....

Oletetaan esimerkiksi, että jos induktori on suunniteltu tuottamaan 30 V ylimmässä hanassa ja sen jälkeen 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V seuraavien hanojen yli, kaikkien näiden jännitteiden voidaan olettaa olevan vakiona näiden hanojen yli auringonvalon tasosta riippumatta.

Muista myös, että näitä jännitteitä voidaan muuttaa käyttäjän määritysten mukaisesti, jotta saavutetaan korkeampi tai matalampi jännite kuin paneelin jännite.

Yllä oleva piiri voidaan konfiguroida myös flyback-topoogiassa alla esitetyllä tavalla:

Molemmissa yllä olevissa kokoonpanoissa lähdön oletetaan pysyvän vakiona ja vakaana jännitteen ja tehon suhteen aurinkoenergiasta riippumatta.

I / V-seurantamenetelmän käyttäminen

Seuraava piirikonsepti varmistaa, että kuormitus ei koskaan häiritse paneelin MPPT-tasoa.

Piiri seuraa paneelin MPPT: n polvitasoa ja varmistaa, että kuorma ei saa kuluttaa mitään muuta, mikä saattaa aiheuttaa pudotuksen paneelin polvitasolle.

Opitaan, miten tämä voidaan tehdä käyttämällä yksinkertaista yhden Opamp I / V -seurantapiiriä.

Huomaa, että mallit, jotka eivät sisällä buck-muunninta, eivät koskaan pysty optimoimaan ylijännitettä vastaavaksi virraksi kuormalle ja saattavat epäonnistua tässä suhteessa, jota pidetään minkä tahansa MPPT-suunnittelun keskeisenä piirteenä.

Hyvin yksinkertainen mutta tehokas MPPT-tyyppinen laite voidaan valmistaa käyttämällä LM338 IC: tä ja opampeita.

Tässä minun suunnittelemassani konseptissa op-vahvistin on konfiguroitu siten, että se jatkaa paneelin hetkellisen MPP-datan tallentamista ja vertaa sitä hetkelliseen kuormituksen kulutukseen. Jos se havaitsee, että kuormituksen kulutus ylittää nämä tallennetut tiedot, se katkaisee kuorman ...

IC 741 -vaihe on aurinkoseurantaosa ja muodostaa koko suunnittelun ytimen.

Aurinkopaneelin jännite syötetään mikropiirin käänteiseen tapiin2, samalla kun sama kohdistetaan ei-invertoivaan tapiin 3 noin 2 V: n pudotuksella käyttäen kolmea sarjaan kuuluvaa 1N4148-diodia.

Yllä oleva tilanne pitää johdonmukaisesti nastan 3 varjossa pienemmän kuin nastan 2 varmistaen nollajännitteen piirin ulostulotapin 6 yli.

Tehottomassa ylikuormituksessa, kuten väärin sovitettu akku tai suurivirtainen akku, aurinkopaneelin jännite pyrkii kuitenkin vetämään alas kuormasta. Kun näin tapahtuu, myös pin2-jännite alkaa laskea, mutta johtuen 10uF-kondensaattorin napasta3, sen potentiaali pysyy kiinteänä eikä reagoi yllä olevaan pudotukseen.

Tilanne pakottaa pin3: n välittömästi nousemaan korkeammaksi kuin pin2, mikä puolestaan ​​vaihtaa pin6: n korkeaksi, kytkemällä BJT BC547: n päälle.

BC547 poistaa nyt heti käytöstä LM338: n katkaisemalla akun jännitteen, jakso vaihtaa jatkuvasti nopeassa taajuusmuuttajan nimellisnopeudesta riippuen.

Edellä mainituilla toimenpiteillä varmistetaan, että aurinkopaneelin jännite ei koskaan putoa tai putoa kuorman vaikutuksesta, mikä ylläpitää MPPT-tyyppistä tilaa koko ajan.

Koska käytetään lineaarista IC LM338 -piiriä, piiri voi olla jälleen hieman tehoton ... korjaamiseksi on korvata LM338-vaihe buck-muuntimella ... mikä tekisi suunnittelusta erittäin monipuolisen ja verrattavissa todelliseen MPPT: hen.

Alla on MPPT-piiri, joka käyttää buck-muuntimen topologiaa, nyt suunnittelulla on paljon järkeä ja näyttää paljon lähempänä todellista MPPT: tä

48 V MPPT-piiri

Edellä mainittuja yksinkertaisia ​​MPPT-piirejä voidaan myös muokata suurjänniteakkujen lataamisen toteuttamiseksi, kuten seuraava 48 V: n akun MPPT-laturipiiri.

Ideat ovat kaikki yksinomaan minun kehittämäni.