Как сделать схему оптимизатора солнечной панели

Предложенная схема солнечного оптимизатора может использоваться для получения максимально возможной выходной мощности с точки зрения тока и напряжения от солнечной панели в ответ на меняющиеся условия солнечного света.

В этом посте объясняется пара простых, но эффективных схем зарядного устройства оптимизатора солнечных панелей. Первый может быть построен с использованием пары микросхем 555 и нескольких других линейных компонентов, второй вариант еще проще и использует очень обычные микросхемы, такие как LM338 и операционный усилитель IC 741. Давайте изучим процедуры.

Цепь Цель

Как мы все знаем, получение максимальной эффективности от любого источника питания становится возможным, если процедура не включает шунтирование напряжения источника питания, что означает, что мы хотим получить конкретный требуемый более низкий уровень напряжения и максимальный ток для нагрузки, которая работать без нарушения уровня напряжения источника и без выделения тепла.

Вкратце, соответствующий оптимизатор солнечной энергии должен обеспечивать выход с максимальным требуемым током, любым более низким уровнем требуемого напряжения, но при этом следить за тем, чтобы уровень напряжения на панели оставался неизменным.

Один из обсуждаемых здесь методов включает метод ШИМ, который можно считать одним из оптимальных на сегодняшний день.

Мы должны быть благодарны этому маленькому гению по имени IC 555, благодаря которому все сложные концепции выглядят такими простыми.

Использование IC 555 для преобразования ШИМ

В эту концепцию мы также включаем и сильно зависим от пары IC 555 для требуемой реализации.

Глядя на данную принципиальную схему, мы видим, что вся конструкция в основном разделена на два этапа.

Верхняя ступень регулятора напряжения и нижняя ступень генератора ШИМ.

Верхний каскад состоит из МОП-транзистора с p-каналом, который позиционируется как переключатель и реагирует на применяемую информацию ШИМ на своем затворе.

Нижняя ступень - это ступень генератора ШИМ. На предложенные действия настроена пара из 555 ИС.

Как работает схема

IC1 отвечает за создание необходимых прямоугольных сигналов, которые обрабатываются генератором треугольных волн постоянного тока, состоящим из T1 и связанных компонентов.

Эта треугольная волна подается на IC2 для обработки в требуемых ШИМ.

Однако интервал PWM от IC2 зависит от уровня напряжения на его выводе №5, который получается из резистивной цепи на панели через резистор 1 кОм и предустановку 10 кОм.

Напряжение между этой сетью прямо пропорционально изменению напряжения панели.

Во время пикового напряжения ШИМ становятся шире и наоборот.

Вышеупомянутые ШИМ применяются к затвору МОП-транзистора, который проводит и подает необходимое напряжение на подключенную батарею.

Как обсуждалось ранее, во время пикового солнечного света панель генерирует более высокий уровень напряжения, более высокое напряжение означает, что IC2 генерирует более широкие ШИМ, что, в свою очередь, удерживает Mosfe выключенным на более длительные периоды или включенным на относительно более короткие периоды, что соответствует среднему значению напряжения, которое может напряжение на клеммах аккумулятора должно быть около 14,4 В.

Когда солнечный свет ухудшается, ШИМ становятся пропорционально узкими, позволяя МОП-транзистору проводить больше, так что средний ток и напряжение на батарее имеют тенденцию оставаться на оптимальных значениях.

Предварительная установка 10K должна быть отрегулирована так, чтобы на выходных клеммах было около 14,4 В при ярком солнечном свете.

Результаты можно отслеживать при различных условиях солнечного света.

Предлагаемая схема оптимизатора солнечной панели обеспечивает стабильную зарядку аккумулятора, не влияя на напряжение панели и не шунтируя его, что также приводит к снижению тепловыделения.

Примечание. Подключенная парящая панель должна генерировать на 50% больше напряжения, чем подключенная батарея при пиковом солнечном свете. Сила тока должна составлять 1/5 от номинальной емкости батареи.

Как настроить схему

1. Это можно сделать следующим образом:
2. Первоначально оставьте S1 выключенным.
3. Подвергните панель солнечному свету и отрегулируйте предварительную настройку, чтобы получить необходимое оптимальное напряжение зарядки на выходе и земле сточного диода mosfet.
4. Схема готова.
5. Как только это будет сделано, включите S1, аккумулятор начнет заряжаться в максимально оптимизированном режиме.

Добавление текущего элемента управления

Тщательное исследование приведенной выше схемы показывает, что, поскольку МОП-транзистор пытается компенсировать падение уровня напряжения на панели, он позволяет батарее потреблять больше тока от панели, что влияет на напряжение панели, снижая его еще больше, вызывая ситуацию разгона, это может серьезно помешать процессу оптимизации

Функция управления током, показанная на следующей диаграмме, решает эту проблему и запрещает батарее потреблять чрезмерный ток, превышающий указанные пределы. Это, в свою очередь, помогает сохранить напряжение на панели.

RX, который является токоограничивающим резистором, можно рассчитать по следующей формуле:

RX = 0,6 / I, где I - указанный минимальный зарядный ток для подключенного аккумулятора.

Грубая, но более простая версия описанной выше конструкции может быть построена, как предложил г-н Дхьякса, с использованием обнаружения пороговых значений pin2 и pin6 микросхемы IC555, вся диаграмма может быть показана ниже:

Никакой оптимизации без понижающего конвертера

Вышеупомянутая конструкция работает с использованием базовой концепции ШИМ, которая автоматически регулирует ШИМ схемы на основе 555 в ответ на изменение интенсивности солнца.

Хотя выходной сигнал этой схемы дает саморегулирующуюся реакцию, чтобы поддерживать постоянное среднее напряжение на выходе, пиковое напряжение никогда не регулируется, что значительно опасно для зарядки литий-ионных или липоаккумулирующих батарей.

Более того, вышеуказанная схема не оборудована для преобразования избыточного напряжения от панели в пропорциональную величину тока для подключенной номинальной нагрузки с более низким напряжением.

Добавление понижающего преобразователя

Я попытался исправить это состояние, добавив каскад понижающего преобразователя к вышеупомянутой конструкции, и смог произвести оптимизацию, которая выглядела очень похожей на схему MPPT.

Однако даже с этой улучшенной схемой я не мог быть полностью уверен в том, действительно ли схема способна выдавать постоянное напряжение с пониженным пиковым уровнем и повышенным током в ответ на различные уровни интенсивности солнечного света.

Чтобы быть полностью уверенным в концепции и устранить все недоразумения, мне пришлось провести исчерпывающее исследование понижающих преобразователей и взаимосвязи между входными / выходными напряжениями, током и коэффициентами ШИМ (рабочий цикл), что вдохновило меня. мне создать следующие статьи по теме:

Как работают понижающие преобразователи

Расчет напряжения, тока в понижающем индукторе

Заключительные формулы, полученные из двух вышеупомянутых статей, помогли прояснить все сомнения, и, наконец, я мог быть полностью уверен в своей ранее предложенной схеме солнечного оптимизатора, использующей схему понижающего преобразователя.

Анализ условий рабочего цикла ШИМ для проекта

Основную формулу, которая проясняет ситуацию, можно увидеть ниже:

Vout = DVin

Здесь V (in) - это входное напряжение, поступающее с панели, Vout - желаемое выходное напряжение понижающего преобразователя, а D - рабочий цикл.

Из уравнения становится очевидным, что Vout можно просто настроить, управляя либо рабочим циклом понижающего преобразователя, либо Vin ... или, другими словами, Vin и параметры рабочего цикла прямо пропорциональны и влияют друг на друга. значения линейно.

Фактически, члены очень линейны, что значительно упрощает определение параметров схемы солнечного оптимизатора с использованием схемы понижающего преобразователя.

Это означает, что когда Vin намного выше (@ пиковое солнечное сияние), чем характеристики нагрузки, процессор IC 555 может сделать ШИМ пропорционально уже (или шире для P-устройства) и влиять на Vout, чтобы он оставался на желаемом уровне, и наоборот, как Солнце уменьшается, процессор может снова расширить (или сузить для P-устройства) ШИМ, чтобы обеспечить поддержание выходного напряжения на заданном постоянном уровне.

Оценка реализации ШИМ на практическом примере

Мы можем доказать сказанное выше, решив данную формулу:

Предположим, что пиковое напряжение панели V (дюйм) составляет 24 В.

и ШИМ должен состоять из 0,5 с время включения и 0,5 с время отключения

Рабочий цикл = время включения транзистора / время включения + выключения = T (включено) / 0,5 + 0,5 с

Рабочий цикл = T (вкл) / 1

Таким образом, подставляя вышеуказанное в приведенную ниже формулу, мы получаем,

V (выход) = V (вход) x T (вкл.)

14 = 24 х Т (вкл.)

где 14 - предполагаемое требуемое выходное напряжение,

следовательно,

T (вкл.) = 14/24 = 0,58 секунды

Это дает нам время включения транзистора, которое необходимо установить для схемы во время пикового солнечного света для получения необходимых 14 В на выходе.

Как это устроено

После того, как вышеуказанное установлено, остальное можно оставить для обработки IC 555 в течение ожидаемых периодов самонастройки T (on) в ответ на убывающее солнце.

Теперь, когда солнечный свет уменьшается, указанное выше время включения будет увеличиваться (или уменьшаться для P-устройства) пропорционально схемой линейным образом для обеспечения постоянного 14 В, пока напряжение на панели действительно не упадет до 14 В, когда схема могла бы просто закройте процедуры.

Можно также предположить, что параметр тока (amp) является саморегулирующимся, т.е. всегда пытается достичь константы произведения (VxI) на протяжении всего процесса оптимизации. Это связано с тем, что понижающий преобразователь всегда должен преобразовывать входное высокое напряжение в пропорционально увеличенный уровень тока на выходе.

Тем не менее, если вы хотите получить полное подтверждение относительно результатов, вы можете обратиться к следующей статье для получения соответствующих формул:

Расчет напряжения, тока в понижающем индукторе

Теперь давайте посмотрим, как выглядит последняя схема, разработанная мной, из следующей информации:

Как вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, основная схема идентична более ранней схеме самооптимизирующегося солнечного зарядного устройства, за исключением включения IC4, который настроен как повторитель напряжения и заменен вместо каскада эмиттерного повторителя BC547. Это сделано для того, чтобы обеспечить лучший отклик для распиновки управления выводом № 5 IC2 с панели.

Обобщение основных функций Solar Optimizer

Функционирование может быть изменено, как указано ниже: IC1 генерирует прямоугольную волну с частотой около 10 кГц, которую можно увеличить до 20 кГц, изменив значение C1.

Эта частота подается на вывод 2 микросхемы IC2 для создания треугольных волн быстрого переключения на выводе №7 с помощью T1 / C3.

Напряжение панели соответствующим образом регулируется P2 и подается на каскад повторителя напряжения IC4 для питания контакта №5 IC2.

Этот потенциал на выводе №5 IC2 панели сравнивается быстрыми треугольными волнами на выводе №7 для создания данных ШИМ соответствующего размера на выводе №3 IC2.

На пике солнечного сияния P2 соответствующим образом регулируется, так что IC2 генерирует максимально широкие ШИМ, а когда солнечный свет начинает уменьшаться, ШИМ пропорционально сужаются.

Вышеупомянутый эффект подается на базу PNP BJT для инвертирования отклика на присоединенном каскаде понижающего преобразователя.

Подразумевается, что при пиковом солнечном свете более широкие ШИМ заставляют устройство PNP проводить скудный {уменьшенный период времени T (on)}, в результате чего более узкие формы волны достигают понижающей индуктивности ... но поскольку напряжение панели высокое, уровень входного напряжения {V (in)}, достигающее понижающей индуктивности, равно уровню напряжения панели.

Таким образом, в этой ситуации понижающий преобразователь с помощью правильно рассчитанных T (on) и V (in) способен выдавать правильное требуемое выходное напряжение для нагрузки, которое может быть намного ниже, чем напряжение панели, но при пропорционально увеличенный уровень тока (ампер).

Теперь, когда солнце падает, ШИМ также становятся более узкими, позволяя пропорционально увеличивать PNP T (on), что, в свою очередь, помогает понижающей катушке индуктивности компенсировать уменьшение солнечного света, пропорционально увеличивая выходное напряжение ... ток (ампер ) коэффициент теперь пропорционально уменьшается в процессе действия, гарантируя идеальное поддержание согласованности выходного сигнала с помощью понижающего преобразователя.

T2 вместе с соответствующими компонентами образуют каскад ограничения тока или каскад усилителя ошибки. Он гарантирует, что выходная нагрузка никогда не будет потреблять что-либо, превышающее номинальные характеристики конструкции, чтобы система никогда не дребезжала, а производительность солнечной панели никогда не отклонялась от ее зоны высокой эффективности.

C5 показан как конденсатор емкостью 100 мкФ, однако для улучшения результата его можно увеличить до значения 2200 мкФ, поскольку более высокие значения обеспечат лучший контроль тока пульсаций и более плавное напряжение для нагрузки.

P1 предназначен для регулировки / коррекции напряжения смещения на выходе операционного усилителя, чтобы контакт № 5 мог получать идеальное нулевое напряжение при отсутствии напряжения солнечной панели или когда напряжение солнечной панели ниже спецификаций напряжения нагрузки.

Спецификацию L1 можно приблизительно определить с помощью информации, представленной в следующей статье:

Как рассчитать индуктивности в схемах SMPS

Solar Optimizer с использованием операционных усилителей

Еще одна очень простая, но эффективная схема оптимизатора солнечной энергии может быть создана с использованием микросхемы LM338 и нескольких операционных усилителей.

Давайте разберемся в предлагаемой схеме (солнечном оптимизаторе) с помощью следующих пунктов: На рисунке показана схема регулятора напряжения LM338, которая также имеет функцию управления током в виде транзистора BC547, подключенного между регулировочным и заземляющим контактами IC.

Операционные усилители, используемые в качестве компараторов

Два операционных усилителя настроены как компараторы. Фактически, многие такие стадии могут быть включены для усиления эффектов.

В данной конструкции предварительная установка контакта № 3 A1 настроена так, что выходной сигнал A1 становится высоким, когда интенсивность солнечного света над панелью примерно на 20% меньше пикового значения.

Точно так же каскад A2 настраивается так, что его выходная мощность становится высокой, когда солнечный свет примерно на 50% меньше пикового значения.

Когда выход A1 становится высоким, RL # 1 запускает подключение R2 в линию со схемой, отключая R1.

Первоначально при пиковом солнечном свете R1, значение которого выбрано намного ниже, позволяет максимальному току достигать батареи.

Принципиальная электрическая схема

Когда падает солнечный свет, напряжение панели также падает, и теперь мы не можем позволить себе потреблять сильный ток от панели, потому что это снизит напряжение ниже 12 В, что может полностью остановить процесс зарядки.

Релейное переключение для оптимизации тока

Следовательно, как объяснено выше, A1 вступает в действие и отключает R1 и подключает R2. R2 выбирается с более высоким значением и пропускает только ограниченный ток к батарее, чтобы солнечное напряжение не упало ниже 15 вольт, уровня, который обязательно требуется на входе LM338.

Когда уровень солнечного света опускается ниже второго установленного порога, A2 активирует RL # 2, который, в свою очередь, переключает R3, чтобы сделать ток на батарее еще ниже, убедившись, что напряжение на входе LM338 никогда не падает ниже 15 В, но скорость зарядки составляет батарея всегда поддерживается на ближайшем оптимальном уровне.

Если каскады операционного усилителя увеличиваются за счет большего количества реле и последующих действий по управлению током, устройство можно оптимизировать с еще большей эффективностью.

Вышеупомянутая процедура быстро заряжает аккумулятор большим током во время пикового солнечного света и снижает ток, когда интенсивность солнечного света над панелью падает, и, соответственно, обеспечивает аккумулятор правильным номинальным током, чтобы он полностью заряжался в конце дня.

Что происходит с аккумулятором, который может не разряжаться?

Предположим, что в случае, если аккумулятор не разряжен оптимально для того, чтобы на следующее утро пройти через описанный выше процесс, ситуация может быть фатальной для аккумулятора, потому что начальный высокий ток может оказать негативное влияние на аккумулятор, поскольку он еще не разряжен до указанного рейтинги.

Чтобы проверить указанную выше проблему, вводится еще пара операционных усилителей A3, A4, которые контролируют уровень напряжения батареи и инициируют те же действия, что и A1, A2, так что ток в батарее оптимизирован по отношению к напряжение или уровень заряда аккумулятора в течение этого периода времени.