Самодельная солнечная схема MPPT - трекер максимальной мощности для бедняков

MPPT означает трекер максимальной мощности, который представляет собой электронную систему, предназначенную для оптимизации изменяющейся выходной мощности модуля солнечной панели, чтобы подключенная батарея использовала максимальную доступную мощность от солнечной панели.

Вступление

ПРИМЕЧАНИЕ. Обсуждаемые в этом посте схемы MPPT не используют обычные методы управления, такие как «Возмущение и наблюдение», «Инкрементная проводимость», «Развертка по току», «Постоянное напряжение» ... и т. Д. И т. Д. сконцентрируйтесь и попробуйте реализовать пару основных вещей:

1. Чтобы гарантировать, что входная «мощность» от солнечной панели всегда равна выходной «мощности», достигающей нагрузки.
2. «Напряжение колена» никогда не нарушается нагрузкой, и зона MPPT панели эффективно поддерживается.

Что такое напряжение в колене и ток панели:

Проще говоря, напряжение в колене - это 'холостое напряжение' уровень панели, а ток колена - 'ток короткого замыкания' измерение панели в любой момент.

Если указанные выше два поддерживаются в максимально возможной степени, можно предположить, что нагрузка получает мощность MPPT на протяжении всей своей работы.

Прежде чем мы углубимся в предлагаемые конструкции, давайте сначала познакомимся с некоторыми основными фактами, касающимися зарядка солнечной батареи

Мы знаем, что мощность солнечной панели прямо пропорциональна степени падающего солнечного света, а также температуре окружающей среды. Когда солнечные лучи перпендикулярны солнечной панели, она генерирует максимальное количество напряжения и ухудшается при изменении угла от 90 градусов. Температура воздуха вокруг панели также влияет на эффективность панели, которая падает с повышением температуры. .

Таким образом, мы можем сделать вывод, что когда солнечные лучи проходят около 90 градусов над панелью и когда температура составляет около 30 градусов, эффективность панели приближается к максимуму, скорость уменьшается по мере отклонения двух вышеуказанных параметров от своих номинальных значений.

Вышеуказанное напряжение обычно используется для зарядки аккумуляторной батареи. свинцово-кислотная батарея , который, в свою очередь, используется для работы инвертора. Однако, как и солнечная панель имеет свои критерии работы Аккумулятор тоже не меньше и предлагает некоторые строгие условия для оптимальной зарядки.

Условия заключаются в том, что аккумулятор сначала должен заряжаться относительно более высоким током, который необходимо постепенно снижать почти до нуля, когда аккумулятор достигает напряжения на 15% выше, чем его нормальный номинал.

Если предположить, что полностью разряженная батарея 12 В с напряжением около 11,5 В может быть заряжена на начальном этапе со скоростью около C / 2 (C = AH батареи), это начнет заполнять батарею относительно быстро и снизит ее напряжение до около 13В в течение пары часов.

На этом этапе ток должен быть автоматически уменьшен до уровня C / 5, это снова поможет сохранить быстрый темп зарядки, не повредив аккумулятор, и повысит его напряжение примерно до 13,5 В в течение следующего часа.

Следуя вышеуказанным шагам, теперь ток может быть дополнительно снижен до скорости C / 10, что гарантирует, что скорость зарядки и темп не замедлятся.

Наконец, когда напряжение батареи достигает около 14,3 В, процесс может быть снижен до скорости C / 50, которая почти останавливает процесс зарядки, но ограничивает падение заряда до более низких уровней.

Весь процесс заряжает глубоко разряженный аккумулятор в течение 6 часов не влияя на срок службы батареи.

MPPT используется именно для обеспечения оптимального извлечения вышеуказанной процедуры из конкретной солнечной панели.

Солнечная панель может быть не в состоянии обеспечить выходы высокого тока, но определенно способна обеспечить более высокое напряжение.

Хитрость заключается в том, чтобы преобразовать более высокие уровни напряжения в более высокие уровни тока посредством соответствующей оптимизации выходной мощности солнечной панели.

Теперь, поскольку преобразование более высокого напряжения в более высокий ток и наоборот может быть реализовано только с помощью повышающих понижающих преобразователей, инновационный метод (хотя и немного громоздкий) будет заключаться в использовании схемы переменного индуктора, в которой индуктор будет иметь много переключаемых отводов, эти ответвления могут переключаться с помощью схемы переключения в ответ на изменяющийся солнечный свет, так что мощность на нагрузке всегда остается постоянной, независимо от солнечного света.

Концепцию можно понять, обратившись к следующей диаграмме:

Принципиальная электрическая схема

Использование LM3915 в качестве ИС главного процессора

Основным процессором на приведенной выше схеме является Микросхема LM3915 который переключает свою выходную распиновку последовательно сверху вниз в ответ на убывающий солнечный свет

Можно увидеть, что эти выходы сконфигурированы с импульсными силовыми транзисторами, которые, в свою очередь, подключены к различным ответвлениям ферритовой одиночной длинной катушки индуктивности.

Самый нижний конец катушки индуктивности можно увидеть прикрепленным к силовому транзистору NPN, который переключается на частоте около 100 кГц от внешне настроенной схемы генератора.

Силовые транзисторы, подключенные к выходам ИС, переключаются в ответ на последовательность выходов ИС, соединяя соответствующие отводы катушки индуктивности с напряжением панели и частотой 100 кГц.

Эти витки катушки индуктивности рассчитываются соответствующим образом, так что ее различные отводы становятся совместимыми с напряжением панели, поскольку они переключаются каскадами выходного драйвера IC.

Таким образом, процедура гарантирует, что, хотя интенсивность солнечного света и напряжение падают, оно должным образом связано с соответствующим ответвлением индуктора, поддерживающим почти постоянное напряжение на всех данных ответвлениях в соответствии с их расчетными параметрами.

Давайте разберемся в функционировании с помощью следующего сценария:

Предположим, что катушка выбрана для совместимости с солнечной панелью 30 В, поэтому при пиковом солнечном свете предположим, что самый верхний силовой транзистор включается микросхемой, которая вызывает колебания всей катушки, это позволяет всем 30 В быть доступным через крайние концы катушки.

Теперь предположим, что солнечный свет падает на 3 В и снижает выходную мощность до 27 В, это быстро обнаруживается ИС, так что первый транзистор сверху теперь выключается, а второй транзистор в последовательности включается.

Вышеупомянутое действие выбирает второй отвод (отвод 27 В) индуктора сверху, выполняя согласование отвода индуктора с ответом по напряжению, гарантируя, что катушка оптимально колеблется с пониженным напряжением ... аналогично, теперь, когда напряжение солнечного света падает дальше, соответствующие транзисторы «пожмите руку» с соответствующими ответвлениями индуктора, чтобы обеспечить идеальное согласование и эффективное переключение индуктора в соответствии с доступным солнечным напряжением.

Из-за вышеупомянутого согласованного отклика между солнечной панелью и переключающим понижающим / повышающим индуктором ... можно предположить, что напряжения отводов в соответствующих точках будут поддерживать постоянное напряжение в течение всего дня, независимо от ситуации солнечного света ...

Например, предположим, что если индуктор спроектирован так, чтобы вырабатывать 30 В на самом верхнем отводе, за которым следуют 27 В, 24 В, 21 В, 18 В, 15 В, 12 В, 9 В, 6 В, 3 В, 0 В на последующих отводах, то все эти напряжения можно считать равными постоянная над этими кранами независимо от уровня солнечного света.

Также помните, что это напряжение может быть изменено в соответствии с требованиями пользователя для достижения более высокого или более низкого напряжения, чем напряжение панели.

Вышеупомянутая схема также может быть настроена в схеме обратного хода, как показано ниже:

В обеих вышеупомянутых конфигурациях выходная мощность должна оставаться постоянной и стабильной с точки зрения напряжения и мощности независимо от солнечной мощности.

Использование метода отслеживания I / V

Следующая схема цепи гарантирует, что уровень MPPT панели никогда не будет существенно нарушен нагрузкой.

Схема отслеживает уровень колена MPPT панели и следит за тем, чтобы нагрузка не потребляла больше, что могло бы вызвать падение этого уровня колена панели.

Давайте узнаем, как это можно сделать, используя простую схему отслеживания I / V на одном операционном усилителе.

Обратите внимание, что конструкции без понижающего преобразователя никогда не смогут оптимизировать избыточное напряжение в эквивалентный ток для нагрузки и могут выйти из строя в этом отношении, что считается важной особенностью любой конструкции MPPT.

Очень простое, но эффективное устройство типа MPPT можно сделать, используя микросхему LM338 и операционные усилители.

В этой концепции, разработанной мной, операционный усилитель сконфигурирован таким образом, что он продолжает записывать мгновенные данные MPP панели и сравнивает их с мгновенным потреблением нагрузки. Если он обнаруживает, что потребление нагрузки превышает эти сохраненные данные, он отключает нагрузку ...

Этап IC 741 представляет собой секцию солнечного трекера и составляет основу всей конструкции.

Напряжение солнечной панели подается на инвертирующий вывод 2 ИС, в то время как то же самое подается на неинвертирующий вывод 3 с падением примерно на 2 В с использованием трех последовательно соединенных диодов 1N4148.

Вышеупомянутая ситуация постоянно поддерживает вывод 3 микросхемы в тени ниже, чем вывод 2, обеспечивая нулевое напряжение на выходном выводе 6 микросхемы.

Однако в случае неэффективной перегрузки, такой как несовместимая батарея или сильноточная батарея, напряжение солнечной панели имеет тенденцию снижаться из-за нагрузки. Когда это происходит, напряжение на выводе 2 также начинает падать, однако из-за наличия конденсатора 10 мкФ на выводе 3 его потенциал остается твердым и не реагирует на вышеуказанное падение.

Ситуация мгновенно вынуждает pin3 перейти на более высокий уровень, чем pin2, который, в свою очередь, переключает pin6 на высокий уровень, включая BJT BC547.

BC547 теперь немедленно отключает LM338, отключая напряжение на батарее, цикл продолжает переключаться в быстром темпе в зависимости от номинальной скорости IC.

Вышеупомянутые операции гарантируют, что напряжение солнечной панели никогда не упадет и не будет понижено нагрузкой, поддерживая состояние, подобное MPPT на всем протяжении.

Поскольку используется линейная микросхема LM338, схема может быть снова немного неэффективной ... выход - заменить каскад LM338 понижающим преобразователем ... что сделало бы конструкцию чрезвычайно универсальной и сопоставимой с настоящим MPPT.

Ниже показана схема MPPT, использующая топологию понижающего преобразователя, теперь конструкция имеет большой смысл и выглядит намного ближе к истинному MPPT.

Цепь 48V MPPT

Вышеупомянутые простые схемы MPPT также могут быть модифицированы для реализации зарядки высоковольтной батареи, например, следующая схема зарядного устройства MPPT батареи 48 В.

Все идеи разработаны мной.