Domácí solární okruh MPPT - sledovač maximálního výkonu bodu chudáka

MPPT znamená Maximum Power Point Tracker, což je elektronický systém navržený pro optimalizaci měnícího se výstupního výkonu z modulu solárního panelu tak, aby připojená baterie využívala maximální dostupný výkon ze solárního panelu.

Úvod

POZNÁMKA: Diskutované obvody MPPT v tomto příspěvku nepoužívají konvenční metody řízení, jako je 'Perturb and observ', 'Inkrementální vodivost,' Proudové zatáčky ',' Konstantní napětí '...... atd. ... Spíše zde jsme soustředit se a zkusit implementovat několik základních věcí:

1. Ujistěte se, že vstupní „příkon“ ze solárního panelu je vždy stejný jako výstupní „příkon“ dosahující zátěže.
2. „Koleno napětí“ není nikdy narušeno zátěží a zóna MPPT panelu je účinně udržována.

Co je koleno napětí a proudu v panelu:

Jednoduše řečeno, napětí kolena je 'otevřený okruh napětí' úroveň panelu, zatímco kolenní proud je 'zkratový proud' míra panelu v daném okamžiku.

Pokud jsou výše uvedené dva udržovány, pokud je to možné, dalo by se předpokládat, že zátěž získává výkon MPPT po celou dobu svého provozu.

Než se ponoříme do navrhovaných návrhů, nejprve se seznámíme s některými základními fakty nabíjení solární baterie

Víme, že výstup ze solárního panelu je přímo úměrný stupni dopadajícího slunečního záření a také okolní teplotě. Když jsou sluneční paprsky kolmé na solární panel, generuje maximální množství napětí a zhoršuje se, když se úhel odklání od 90 stupňů. Atmosférická teplota kolem panelu také ovlivňuje účinnost panelu, která klesá se zvyšováním teploty .

Můžeme tedy dojít k závěru, že když jsou sluneční paprsky nad panelem téměř 90 stupňů a když je teplota kolem 30 stupňů, je účinnost panelu směrem k maximu, rychlost se snižuje, jak se oba výše uvedené parametry odklánějí od jejich jmenovitých hodnot.

Výše uvedené napětí se obvykle používá k nabíjení baterie, a olověný akumulátor , který se zase používá k provozu střídače. Stejně jako solární panel má svá vlastní provozní kritéria „Baterie také není o nic menší a nabízí přísné podmínky pro optimální nabíjení.

Podmínky jsou takové, že baterie musí být zpočátku nabíjena relativně vyšším proudem, který musí být postupně snižován téměř na nulu, když baterie dosáhne napětí o 15% vyšší, než je její normální hodnota.

Za předpokladu, že plně vybitá 12 V baterie s napětím kdekoli kolem 11,5 V může být zpočátku nabitá rychlostí přibližně C / 2 (C = AH baterie), začne se baterie plnit relativně rychle a napětí se vytáhne kolem 13V během několika hodin.

V tomto okamžiku by měl být proud automaticky snížen na hodnotu C / 5, což opět pomůže udržet rychlé tempo nabíjení, aniž by došlo k poškození baterie, a během následující 1 hodiny zvýšit její napětí na přibližně 13,5 V.

Podle výše uvedených kroků lze nyní proud dále snížit na rychlost C / 10, což zajišťuje, že rychlost nabíjení a tempo se nezpomalí.

Nakonec, když napětí baterie dosáhne přibližně 14,3 V, může být proces snížen na rychlost C / 50, která téměř zastaví proces nabíjení, ale omezuje pokles nabíjení na nižší úrovně.

Celý proces nabíjí hluboce vybitou baterii v rozpětí 6 hodin bez ovlivnění životnosti baterie.

MPPT se používá přesně pro zajištění optimálního extrakce výše uvedeného postupu z konkrétního solárního panelu.

Solární panel nemusí být schopen poskytovat vysoké proudové výstupy, ale rozhodně je schopen zajistit vyšší napětí.

Trik by spočíval v převodu vyšších úrovní napětí na vyšší úrovně proudu prostřednictvím vhodné optimalizace výkonu solárního panelu.

Nyní, protože převody vyššího napětí na vyšší proud a naopak lze realizovat pouze pomocí převaděčů buck boost, inovativní metodou (i když trochu objemnou) by bylo použití obvodu s proměnlivým induktorem, kde by induktor měl mnoho přepínatelných odboček, tyto odbočky mohou být přepínány spínacím obvodem v reakci na měnící se sluneční světlo, takže výstup do zátěže zůstává vždy konstantní bez ohledu na sluneční světlo.

Koncept lze chápat odkazem na následující diagram:

Kruhový diagram

Používání LM3915 jako hlavního IC procesoru

Hlavním procesorem ve výše uvedeném diagramu je IC LM3915 který v reakci na ubývající sluneční světlo přepíná svůj výstupní pinout postupně shora dolů

Tyto výstupy lze vidět konfigurované se spínacími výkonovými tranzistory, které jsou zase spojeny s různými odbočkami feritové jediné dlouhé indukční cívky.

Nejspodnější konec induktoru lze vidět připojený k výkonovému tranzistoru NPN, který je přepínán na frekvenci kolem 100 kHz z externě konfigurovaného obvodu oscilátoru.

Výkonové tranzistory spojené s výstupy IC přepínače v reakci na sekvenční IC výstupy, připojení příslušných odboček induktoru s napětím panelu a frekvencí 100kHz.

Tyto otáčky induktoru jsou vhodně vypočítány tak, aby se jeho různé odbočky staly kompatibilní s napětím panelu, protože jsou přepínány fázemi výstupního ovladače IC.

Řízení tedy zajišťuje, že zatímco intenzita slunce a napětí klesá, je vhodně spojeno s příslušným odbočkem induktoru udržujícím téměř konstantní napětí na všech daných odbočkách podle jejich vypočtených jmen.

Pojďme pochopit fungování pomocí následujícího scénáře:

Předpokládejme, že cívka je zvolena tak, aby byla kompatibilní se solárním panelem 30 V, proto na špičce slunečního svitu předpokládejme, že tranzistor s nejvyšší energií je zapnut IC, který vystaví celou cívku oscilaci, což umožňuje, aby bylo k dispozici celých 30 V napříč krajní konce cívky.

Nyní předpokládejme, že sluneční světlo poklesne o 3 V a sníží jeho výkon na 27 V, což IC rychle vycítí, takže první tranzistor shora se nyní vypne a druhý tranzistor v sekvenci se zapne.

Výše uvedená akce vybírá druhý odbočka (odbočka 27 V) induktoru od horní části, která provádí odpovídající odbočku induktoru, na odezvu napětí a zajišťuje, aby cívka optimálně oscilovala se sníženým napětím ... podobně, nyní, když napětí slunečního světla dále klesá, příslušné tranzistory „potřást si rukou“ s příslušnými indukčními odbočkami zajišťujícími dokonalé přizpůsobení a efektivní spínání induktoru odpovídající dostupným solárním napětím.

Vzhledem k výše uvedené shodné odezvě mezi solárním panelem a spínacím buck / boost induktorem ... lze předpokládat, že odbočkové napětí v příslušných bodech udržuje konstantní napětí po celý den bez ohledu na situaci slunečního světla ....

Předpokládejme například, že pokud je induktor navržen tak, aby produkoval 30 V v nejvyšším odbočce, následovaném 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V v následujících odbočkách, lze předpokládat, že všechna tato napětí jsou konstantní nad těmito kohoutky bez ohledu na úroveň slunečního světla.

Pamatujte také, že tato napětí lze změnit podle specifikací uživatele pro dosažení vyšších nebo nižších napětí, než je napětí panelu.

Výše uvedený obvod lze také nakonfigurovat v topoogii flyback, jak je znázorněno níže:

V obou výše uvedených konfiguracích se předpokládá, že výstup zůstane konstantní a stabilní z hlediska napětí a příkonu bez ohledu na solární výkon.

Použití metody sledování I / V

Následující koncepce obvodu zajišťuje, že úroveň MPPT panelu nebude nikdy drasticky narušena zátěží.

Obvod sleduje úroveň MPPT „kolena“ panelu a zajišťuje, aby zátěž nesměla spotřebovávat nic víc, co by mohlo způsobit pokles v této úrovni kolena panelu.

Naučme se, jak to lze udělat pomocí jednoduchého sledovacího obvodu I / V s jedním operačním zesilovačem.

Vezměte prosím na vědomí, že konstrukce, které jsou bez převodníku buck, nikdy nebudou schopny optimalizovat přepětí na ekvivalentní proud pro zátěž a mohou v tomto ohledu selhat, což je považováno za zásadní vlastnost každého návrhu MPPT.

Velmi jednoduché, ale efektivní zařízení typu MPPT lze vyrobit použitím IC LM338 a opamps.

V tomto konceptu, který navrhuji já, je operační zesilovač nakonfigurován takovým způsobem, že neustále zaznamenává okamžitá data MPP panelu a porovnává je s okamžitou spotřebou zátěže. Pokud zjistí, že spotřeba zátěže přesahuje tato uložená data, odřízne zátěž ...

Fáze IC 741 je solární sledovač a tvoří srdce celého designu.

Napětí solárního panelu se přivádí na invertující kolík 2 integrovaného obvodu, zatímco stejné se aplikuje na neinvertující kolík 3 s poklesem kolem 2 V pomocí tří diod 1N4148 v sérii.

Výše uvedená situace důsledně udržuje pin3 IC o odstín nižší než pin2, což zajišťuje nulové napětí přes výstupní pin6 IC.

V případě neefektivního přetížení, jako je například neodpovídající baterie nebo silnoproudá baterie, má napětí solárního panelu tendenci být strženo zátěží. Když k tomu dojde, napětí pin2 také začne klesat, avšak kvůli přítomnosti kondenzátoru 10uF na pin3 zůstává jeho potenciál pevný a nereaguje na výše uvedený pokles.

Situace okamžitě donutí pin3 jít vysoko než pin2, což zase přepne pin6 vysoko a zapne BJT BC547.

BC547 nyní okamžitě deaktivuje odpojení napětí LM338 na baterii, cyklus se přepíná rychlým tempem v závislosti na jmenovité rychlosti IC.

Výše uvedené operace zajišťují, že napětí solárního panelu nikdy neklesne nebo nebude strženo zátěží, přičemž se po celou dobu udržuje stav podobný MPPT.

Vzhledem k tomu, že se používá lineární IC LM338, obvod může být opět trochu neefektivní .... nápravou je nahradit fázi LM338 převodníkem buck ... což by způsobilo, že design bude extrémně univerzální a srovnatelný se skutečným MPPT.

Níže je zobrazen obvod MPPT využívající topologii převaděče buck, nyní má design velký smysl a vypadá mnohem blíže skutečnému MPPT

48V obvod MPPT

Výše uvedené jednoduché obvody MPPT lze také upravit pro implementaci vysokonapěťového nabíjení baterie, například následující obvod nabíječky MPPT 48V baterie.

Všechny tyto nápady vyvíjím výhradně já.