Jak vytvořit obvod optimalizace solárních panelů

Navrhovaný solární optimalizační obvod lze použít k získání maximálního možného výkonu, pokud jde o proud a napětí ze solárního panelu, v reakci na měnící se podmínky slunečního světla.

V tomto příspěvku je vysvětleno několik jednoduchých, ale účinných obvodů nabíječky optimalizace solárních panelů. První lze sestavit pomocí několika 555 integrovaných obvodů a několika dalších lineárních komponent, druhý optin je ještě jednodušší a používá velmi běžné integrované obvody, jako jsou LM338 a operační zesilovač IC 741. Naučme se postupy.

Cíl okruhu

Jak všichni víme, získání nejvyšší účinnosti z jakékoli formy napájecího zdroje je možné, pokud postup nezahrnuje posunutí napájecího napětí, což znamená, že chceme získat konkrétní požadovanou nižší úroveň napětí a maximální proud pro zátěž, která je provozován bez narušení úrovně napětí zdroje a bez generování tepla.

Stručně řečeno, dotyčný solární optimalizátor by měl umožnit svůj výstup s maximálním požadovaným proudem, jakoukoli nižší úrovní požadovaného napětí a přitom zajistit, aby úroveň napětí na panelu zůstala nedotčena.

Jedna metoda, která je zde diskutována, zahrnuje techniku ​​PWM, kterou lze považovat za jednu z dosud optimálních metod.

Měli bychom být vděční tomuto malému géniovi zvanému IC 555, díky kterému vypadají všechny obtížné koncepty tak snadno.

Použití IC 555 pro převod PWM

I v tomto konceptu začleňujeme požadovanou implementaci a silně závisí na několika IC 555.

Při pohledu na dané schéma zapojení vidíme, že celý design je v zásadě rozdělen do dvou fází.

Horní stupeň regulátoru napětí a spodní stupeň generátoru PWM.

Horní stupeň se skládá z p-kanálového mosfetu, který je umístěn jako přepínač a reaguje na aplikované informace PWM na jeho bráně.

Dolní stupeň je stupeň generátoru PWM. Pro navrhované akce je nakonfigurováno několik 555 integrovaných obvodů.

Jak obvod funguje

IC1 je zodpovědný za produkci požadovaných čtvercových vln, které jsou zpracovávány generátorem trojúhelníkových vln s konstantním proudem, který obsahuje T1 a přidružené komponenty.

Tato trojúhelníková vlna se aplikuje na IC2 pro zpracování do požadovaných PWM.

Rozteč PWM od IC2 však závisí na úrovni napětí na jeho pinu # 5, který je odvozen z odporové sítě přes panel přes 1K rezistor a 10K předvolbu.

Napětí mezi touto sítí je přímo úměrné různým voltům panelu.

Během špičkových napětí se PWM rozšiřují a naopak.

Výše uvedené PWM se aplikují na bránu MOSFET, která vede a dodává požadované napětí připojené baterii.

Jak již bylo zmíněno dříve, během špičkového slunečního svitu panel generuje vyšší úroveň napětí, vyšší napětí znamená, že IC2 generuje širší PWM, což zase udržuje mosfe vypnutou po delší dobu nebo zapnutou po relativně kratší dobu, což odpovídá průměrné hodnotě napětí, která by mohla být jen asi 14,4 V přes svorky baterie.

Když se sluneční světlo zhoršuje, PWM se dostávají úměrně úzce rozmístěné, což umožňuje mosfetu vést více, takže průměrný proud a napětí na baterii mají tendenci zůstat na optimálních hodnotách.

Předvolba 10K by měla být upravena tak, aby se na výstupních svorkách pod jasným slunečním zářením dostalo přibližně 14,4 V.

Výsledky lze sledovat za různých podmínek slunečního světla.

Navrhovaný optimalizační obvod solárního panelu zajišťuje stabilní nabíjení baterie, aniž by to ovlivnilo nebo posunulo napětí panelu, což má za následek nižší tvorbu tepla.

Poznámka: Připojený stoupající panel by měl být schopen generovat o 50% více napětí než připojená baterie při špičkovém slunečním světle. Proud by měl být 1/5 hodnoty AH baterie.

Jak nastavit obvod

1. Lze to provést následujícím způsobem:
2. Zpočátku nechte S1 vypnutý.
3. Vystavte panel špičkovému slunečnímu svitu a upravte přednastavení tak, abyste dosáhli požadovaného optimálního nabíjecího napětí napříč výstupem diody mosfetu a zemí.
4. Okruh je nyní nastaven.
5. Jakmile to uděláte, zapněte S1, baterie se začne nabíjet v nejlepším možném optimalizovaném režimu.

Přidání aktuální funkce ovládání

Pečlivé prozkoumání výše uvedeného obvodu ukazuje, že když se mosfet pokouší kompenzovat klesající úroveň napětí panelu, umožňuje baterii odebírat z panelu více proudu, což ovlivňuje pokles napětí panelu, což vyvolává situaci úniku, toto může vážně bránit procesu optimalizace

O tento problém se stará funkce řízení proudu, jak je znázorněno na následujícím schématu, a zakazuje baterii odebírat nadměrný proud nad stanovené limity. To zase pomáhá udržovat nedotčené napětí panelu.

RX, což je odpor omezující proud, lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

RX = 0,6 / I, kde I je specifikovaný minimální nabíjecí proud pro připojenou baterii

Hrubá, ale jednodušší verze výše vysvětleného designu může být vytvořena, jak navrhl pan Dhyaksa, pomocí detekce prahové hodnoty pin2 a pin6 IC555, celý diagram může být uveden níže:

Žádná optimalizace bez převaděče Buck

Výše vysvětlený design funguje pomocí základního konceptu PWM, který automaticky upravil PWM obvodu založeného na 555 v reakci na měnící se intenzitu slunce.

Přestože výstup z tohoto obvodu produkuje samočinnou odezvu, aby se udrželo konstantní průměrné napětí na výstupu, špičkové napětí se nikdy neupravuje, takže je značně nebezpečné pro nabíjení lithium-iontových nebo lipo-baterií.

Výše uvedený obvod navíc není vybaven pro převod přebytečného napětí z panelu na proporcionální množství proudu pro připojené jmenovité zatížení s nízkým napětím.

Přidání převaděče Buck

Snažil jsem se tento stav napravit přidáním stupně převaděče do výše uvedeného návrhu a mohl jsem vytvořit optimalizaci, která vypadala velmi podobně jako obvod MPPT.

I přes tento vylepšený obvod jsem však nemohl být zcela přesvědčen o tom, zda obvod byl nebo nebyl skutečně schopen produkovat konstantní napětí se sníženou špičkovou úrovní a zesíleným proudem v reakci na různé úrovně intenzity slunce.

Abych si byl naprosto jistý, co se týče konceptu, a eliminoval všechny zmatky, musel jsem projít vyčerpávající studií týkající se převaděčů bucků a souvisejícího vztahu mezi vstupními / výstupními napětími, proudem a poměry PWM (pracovní cyklus), který inspiroval já vytvořit následující související články:

Jak převaděče Buck fungují

Výpočet napětí, proudu v Buck induktoru

Závěrečné vzorce získané z výše uvedených dvou článků pomohly objasnit všechny pochybnosti a nakonec jsem si mohl být naprosto jistý svým dříve navrženým obvodem solárního optimalizátoru pomocí obvodu měniče buck.

Analýza stavu pracovního cyklu PWM pro návrh

Níže je uveden základní vzorec, který věci jasně vyjasnil:

Vout = DVin

Zde V (in) je vstupní napětí, které vychází z panelu, Vout je požadované výstupní napětí z převodníku Buck a D je pracovní cyklus.

Z rovnice je zřejmé, že Vout lze jednoduše přizpůsobit „buď“ řízením pracovního cyklu převaděče buck nebo Vin .... nebo jinými slovy jsou parametry Vin a pracovního cyklu přímo úměrné a navzájem se ovlivňují hodnoty lineárně.

Ve skutečnosti jsou tyto výrazy extrémně lineární, díky čemuž je dimenzování obvodu solárního optimalizátoru mnohem jednodušší pomocí obvodu měniče buck.

Znamená to, že když je Vin mnohem vyšší (@ peak sunshine) než specifikace zátěže, procesor IC 555 může PWM proporcionálně zúžit (nebo rozšířit pro P-zařízení) a ovlivnit Vout tak, aby zůstal na požadované úrovni, a naopak jako když slunce ubývá, procesor může PWM znovu rozšířit (nebo zúžit) pro PWM, aby zajistil udržení výstupního napětí na stanovené konstantní úrovni.

Vyhodnocení implementace PWM prostřednictvím praktického příkladu

Výše uvedené můžeme dokázat řešením daného vzorce:

Předpokládejme, že špičkové napětí panelu V (in) je 24V

a PWM sestává z 0,5 s času zapnutí a 0,5 s času vypnutí

Pracovní cyklus = doba zapnutí tranzistoru / doba zapnutí impulzu + doba vypnutí = T (zapnuto) / 0,5 + 0,5 s

Pracovní cyklus = T (zapnuto) / 1

Dosazením výše uvedeného do níže uvedeného vzorce dostaneme,

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

14 = 24 x T (zapnuto)

kde 14 je předpokládané požadované výstupní napětí,

proto,

T (zapnuto) = 14/24 = 0,58 sekundy

To nám dává čas zapnutí tranzistoru, který je třeba nastavit pro obvod během špičkového slunečního svitu pro výrobu požadovaných 14v na výstupu.

Jak to funguje

Jakmile je nastaveno výše, zbytek by mohl být ponechán na zpracování IC 555 pro očekávané samočinně se nastavující T (zapnuté) období v reakci na ubývající sluneční svit.

Nyní, když se sluneční svit zmenšuje, výše uvedená doba zapnutí by se proporcionálně zvýšila (nebo snížila pro P-zařízení) obvodem lineárním způsobem pro zajištění konstantních 14V, dokud napětí v panelu skutečně neklesne na 14V, když obvod mohl jen ukončete postupy.

Současný parametr (amp) lze také považovat za samočinně se nastavující, který se vždy snaží dosáhnout konstanty (VxI) produktu v celém procesu optimalizace. Je to proto, že převaděč buck má vždy převádět vstup vysokého napětí na proporcionálně zvýšenou úroveň proudu na výstupu.

Přesto, pokud máte zájem o úplné potvrzení výsledků, můžete si v následujícím článku přečíst příslušné vzorce:

Výpočet napětí, proudu v Buck induktoru

Nyní se podívejme, jak vypadá mnou navržený finální obvod, z následujících informací:

Jak vidíte na výše uvedeném schématu, základní schéma je identické s dřívějším samooptimalizovaným solárním nabíjecím obvodem, kromě zahrnutí IC4, který je nakonfigurován jako sledovač napětí a je nahrazen místo stupně sledovače emitoru BC547. To se provádí za účelem zajištění lepší odezvy pro ovládací pinout IC2 pin # 5 z panelu.

Shrnutí základních funkcí solárního optimalizátoru

Fungování může být revidováno, jak je uvedeno pod: IC1 generuje frekvenci čtvercových vln na přibližně 10kHz, kterou lze zvýšit na 20kHz změnou hodnoty C1.

Tato frekvence je přiváděna na pin2 IC2 pro výrobu rychle se měnících trojúhelníkových vln na pin # 7 pomocí T1 / C3.

Napětí panelu je vhodně upraveno pomocí P2 a přiváděno do fáze sledovače napětí IC4 pro napájení kolíku # 5 IC2.

Tento potenciál na pinu č. 5 IC2 z panelu je porovnáván rychlými trojúhelníkovými vlnami pinu č. 7 pro vytvoření odpovídajících dimenzovaných dat PWM na pinu č. 3 IC2.

Na vrcholu slunečního svitu je P2 vhodně upraven tak, aby IC2 generoval co nejširší PWM a jak se sluneční svit začíná zmenšovat, PWM se úměrně zužují.

Výše uvedený efekt se přivádí na základnu PNP BJT pro invertování odezvy přes připojený převodník stupně buck.

Z toho vyplývá, že při špičkovém slunečním světle širší PWM přinutí zařízení PNP chovat se skromně {snížené časové období T (zapnuto)}, což způsobí, že užší průběhy dosáhnou buck induktoru ... ale protože napětí na panelu je vysoké, úroveň vstupního napětí {V (in)} dosažení buck induktoru se rovná úrovni napětí panelu.

V této situaci je tedy buck převodník pomocí správně vypočítaného T (on) a V (in) schopen produkovat správné požadované výstupní napětí pro zátěž, které může být mnohem nižší než napětí panelu, ale při proporcionálně zesílená úroveň proudu (zesilovače).

Nyní, když sluneční světlo klesá, se PWM také zužují, což umožňuje proporcionálně zvýšit PNP T (on), což zase pomáhá buck induktoru kompenzovat snižující se sluneční svit tím, že úměrně zvyšuje výstupní napětí ... proud (zesilovač ) faktor se nyní v průběhu akce úměrně sníží, čímž se zajistí, že výstupní konzistence bude perfektně udržována převaděčem buck.

T2 spolu s přidruženými součástmi tvoří stupeň omezující proud nebo stupeň chybového zesilovače. Zajišťuje, že výstupní zátěž nikdy nesmí spotřebovávat nic nad jmenovité technické parametry konstrukce, takže systém nikdy nerachotí a výkon solárního panelu se nikdy nesmí odklonit od zóny s vysokou účinností.

C5 je zobrazen jako kondenzátor 100uF, ale pro lepší výsledek by to mohlo být zvýšeno na hodnotu 2200uF, protože vyšší hodnoty zajistí lepší řízení zvlnění proudu a hladší napětí zátěže.

P1 slouží k úpravě / korekci offsetového napětí výstupu operační zesilovače, takže pin # 5 je schopen přijímat perfektní nulové volty při absenci napětí solárního panelu nebo pokud je napětí solárního panelu pod specifikací zátěžového napětí.

Specifikaci L1 lze přibližně určit pomocí informací uvedených v následujícím článku:

Jak vypočítat induktory v obvodech SMPS

Solární optimalizátor využívající operační zesilovače

Další velmi jednoduchý, ale efektivní obvod solárního optimalizátoru lze vyrobit použitím IC LM338 a několika opamps.

Pojďme pochopit navrhovaný obvod (solární optimalizátor) pomocí následujících bodů: Obrázek ukazuje obvod regulátoru napětí LM338, který má funkci řízení proudu také ve formě tranzistoru BC547 připojeného přes nastavovací a zemnící kolík IC.

Opampy používané jako komparátory

Dva operační zesilovače jsou konfigurovány jako komparátory. Ve skutečnosti může být začleněno mnoho takových fází pro zesílení účinků.

V současném designu je předvolba pinu č. 3 nastavena tak, že výstup A1 jde vysoko, když je intenzita slunečního svitu na panelu asi o 20% nižší než maximální hodnota.

Podobně je stupeň A2 upraven tak, že jeho výstup stoupá, když je sluneční světlo o 50% menší než maximální hodnota.

Když je výstup A1 vysoký, RL # 1 spustí připojení R2 v souladu s obvodem a odpojení R1.

Zpočátku na vrcholu slunečního svitu, R1, jehož hodnota je zvolena mnohem nižší, umožňuje maximálnímu proudu dosáhnout baterie.

Kruhový diagram

Když sluneční svit klesá, napětí na panelu také klesá a nyní si nemůžeme dovolit odebírat silný proud z panelu, protože by to snížilo napětí pod 12V, což by mohlo zcela zastavit proces nabíjení.

Přepnutí relé pro aktuální optimalizaci

Proto, jak je vysvětleno výše, A1 vstoupí do činnosti a odpojí R1 a připojí R2. R2 je vybráno na vyšší hodnotě a umožňuje pouze omezené množství proudu do baterie, aby solární napětí nekleslo pod 15 votů, což je úroveň, která je bezpodmínečně nutná na vstupu LM338.

Když sluneční svit klesne pod druhou nastavenou prahovou hodnotu, A2 aktivuje RL # 2, který zase přepne R3, aby se proud do baterie ještě snížil, přičemž se ujistěte, že napětí na vstupu LM338 nikdy neklesne pod 15 V, přesto nabíjecí rychlost na baterie je vždy udržována na nejbližší optimální úroveň.

Pokud se stupně zesilovače zvýší s větším počtem relé a následnými aktuálními akcemi řízení, lze jednotku optimalizovat s ještě lepší účinností.

Výše uvedený postup rychle nabíjí baterii vysokým proudem během špičkových slunečních paprsků a snižuje proud, když intenzita slunce přes panel klesá, a odpovídajícím způsobem dodává baterii správný jmenovitý proud tak, aby se na konci dne plně nabila.

Co se stane s baterií, která nemusí být vybitá?

Předpokládejme, že v případě, že baterie není optimálně vybitá, aby mohl následující den projít výše uvedeným procesem, může být situace pro baterii fatální, protože počáteční vysoký proud může mít negativní vliv na baterii, protože ještě není vybitý na specifikovanou hodnocení.

Ke kontrole výše uvedeného problému je představeno několik dalších operačních zesilovačů, A3, A4, které monitorují úroveň napětí baterie a iniciují stejné akce jako u A1, A2, takže proud do baterie je optimalizován s ohledem na napětí nebo úroveň nabití baterie během této doby.