Homemade Solar MPPT Circuit - Μέγιστο Power Point Tracker Poor Man

Το MPPT σημαίνει μέγιστο power point tracker, το οποίο είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα σχεδιασμένο για τη βελτιστοποίηση της ποικίλης ισχύος εξόδου από μια μονάδα ηλιακού πλαισίου έτσι ώστε η συνδεδεμένη μπαταρία να εκμεταλλεύεται τη μέγιστη διαθέσιμη ισχύ από τον ηλιακό πίνακα.

Εισαγωγή

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Τα κυκλώματα MPPT που συζητήθηκαν σε αυτήν την ανάρτηση δεν χρησιμοποιούν τις συμβατικές μεθόδους ελέγχου όπως «Perturb and observ», «Αυξημένη αγωγιμότητα,« Τρέχουσα σάρωση »,« Σταθερή τάση »...... κ.λπ. κλπ ... Μάλλον εδώ εμείς συγκεντρωθείτε και δοκιμάστε να εφαρμόσετε μερικά βασικά πράγματα:

1. Για να βεβαιωθείτε ότι η είσοδος «wattage» από το ηλιακό πάνελ είναι πάντα ίση με την έξοδο «wattage» που φθάνει στο φορτίο.
2. Η «τάση γονάτου» δεν διαταράσσεται ποτέ από το φορτίο και η ζώνη MPPT του πίνακα διατηρείται αποτελεσματικά.

Τι είναι η τάση του γόνατος και το ρεύμα ενός πίνακα:

Με απλά λόγια, η τάση του γονάτου είναι η «τάση ανοιχτού κυκλώματος» επίπεδο του πίνακα, ενώ το ρεύμα γονάτου είναι το 'ρεύμα βραχυκύκλωσης' μέτρο του πίνακα σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή.

Εάν τα παραπάνω δύο διατηρηθούν όσο το δυνατόν περισσότερο, το φορτίο θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι λαμβάνει την ισχύ MPPT καθ 'όλη τη λειτουργία του.

Πριν εξερευνήσουμε τα προτεινόμενα σχέδια, ας μάθουμε πρώτα με μερικά από τα βασικά γεγονότα σχετικά φόρτιση ηλιακής μπαταρίας

Γνωρίζουμε ότι η έξοδος από ένα ηλιακό πάνελ είναι άμεσα ανάλογη με τον βαθμό του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός, καθώς και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Όταν οι ακτίνες του ήλιου είναι κάθετες στο ηλιακό πάνελ, παράγει τη μέγιστη ποσότητα τάσης και επιδεινώνεται καθώς η γωνία μετατοπίζεται από 90 μοίρες. Η ατμοσφαιρική θερμοκρασία γύρω από τον πίνακα επηρεάζει επίσης την απόδοση του πίνακα, η οποία πέφτει με την αύξηση της θερμοκρασίας .

Επομένως, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι όταν οι ακτίνες του ήλιου είναι κοντά στους 90 μοίρες πάνω από το πλαίσιο και όταν η θερμοκρασία είναι περίπου 30 μοίρες, η απόδοση του πίνακα είναι προς τη μέγιστη, ο ρυθμός μειώνεται καθώς οι παραπάνω δύο παράμετροι απομακρύνονται από τις ονομαστικές τιμές τους.

Η παραπάνω τάση χρησιμοποιείται γενικά για τη φόρτιση μιας μπαταρίας, α μπαταρία μολύβδου οξέος , το οποίο με τη σειρά του χρησιμοποιείται για τη λειτουργία ενός μετατροπέα. Ωστόσο, όπως το Το ηλιακό πάνελ έχει τα δικά του κριτήρια λειτουργίας , η μπαταρία επίσης δεν είναι λιγότερο και προσφέρει ορισμένες αυστηρές προϋποθέσεις για τη βέλτιστη φόρτιση.

Οι συνθήκες είναι, ότι η μπαταρία πρέπει να φορτιστεί αρχικά σε σχετικά υψηλότερο ρεύμα, το οποίο πρέπει σταδιακά να μειωθεί σε σχεδόν μηδέν όταν η μπαταρία επιτύχει τάση 15% υψηλότερη από την κανονική της βαθμολογία.

Υποθέτοντας ότι μια πλήρως αποφορτισμένη μπαταρία 12V, με τάση οπουδήποτε περίπου 11,5V, μπορεί να φορτιστεί αρχικά με ρυθμό C / 2 περίπου (C = AH της μπαταρίας), αυτό θα αρχίσει να γεμίζει την μπαταρία σχετικά γρήγορα και θα τραβήξει την τάση που μπορεί να είναι περίπου 13V μέσα σε μερικές ώρες.

Σε αυτό το σημείο, το ρεύμα θα πρέπει να μειωθεί αυτόματα για να πούμε ρυθμό C / 5, αυτό θα βοηθήσει και πάλι να διατηρήσει τον γρήγορο ρυθμό φόρτισης χωρίς να καταστρέψει την μπαταρία και να αυξήσει την τάση της σε περίπου 13,5V μέσα στην επόμενη 1 ώρα.

Ακολουθώντας τα παραπάνω βήματα, τώρα το ρεύμα μπορεί να μειωθεί περαιτέρω σε ρυθμό C / 10 που διασφαλίζει ότι ο ρυθμός φόρτισης και ο ρυθμός δεν επιβραδύνονται.

Τέλος, όταν η τάση της μπαταρίας φτάσει περίπου τα 14,3V, η διαδικασία μπορεί να μειωθεί σε ρυθμό C / 50, ο οποίος σχεδόν σταματά τη διαδικασία φόρτισης, αλλά περιορίζει τη φόρτιση από πτώση σε χαμηλότερα επίπεδα.

Η όλη διαδικασία φορτίζει μια βαθιά αποφορτισμένη μπαταρία μέσα σε διάστημα 6 ωρών χωρίς να επηρεάζεται η διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Ένα MPPT χρησιμοποιείται ακριβώς για να διασφαλίσει ότι η παραπάνω διαδικασία εξάγεται βέλτιστα από ένα συγκεκριμένο ηλιακό πάνελ.

Ένα ηλιακό πάνελ μπορεί να μην είναι σε θέση να παρέχει υψηλές εξόδους ρεύματος, αλλά σίγουρα είναι σε θέση να παρέχει υψηλότερες τάσεις.

Το κόλπο θα ήταν να μετατρέψετε τα υψηλότερα επίπεδα τάσης σε υψηλότερα επίπεδα ρεύματος μέσω της κατάλληλης βελτιστοποίησης της εξόδου του ηλιακού συλλέκτη.

Τώρα, καθώς οι μετατροπές μιας υψηλότερης τάσης σε υψηλότερο ρεύμα και το αντίστροφο μπορούν να εφαρμοστούν μόνο μέσω μετατροπέων ενίσχυσης buck, μια καινοτόμος μέθοδος (αν και λίγο ογκώδης) θα ήταν να χρησιμοποιήσετε ένα κύκλωμα μεταβλητού επαγωγέα όπου ο επαγωγέας θα έχει πολλές εναλλασσόμενες βρύσες, αυτές Οι βρύσες μπορεί να εναλλάσσονται από ένα κύκλωμα μεταγωγής σε απόκριση στο ποικίλο φως του ήλιου, έτσι ώστε η έξοδος στο φορτίο να παραμένει πάντα σταθερή ανεξάρτητα από τον ήλιο του ήλιου.

Η έννοια μπορεί να γίνει κατανοητή με αναφορά στο ακόλουθο διάγραμμα:

Διάγραμμα κυκλώματος

Χρησιμοποιώντας το LM3915 ως τον κύριο επεξεργαστή IC

Ο κύριος επεξεργαστής στο παραπάνω διάγραμμα είναι το IC LM3915 το οποίο αλλάζει την έξοδο του διαδοχικά από την κορυφή προς τα κάτω ως απόκριση στο ηλιακό φως που μειώνεται

Αυτές οι έξοδοι είναι ορατές διαμορφωμένες με τρανζίστορ μεταγωγής ισχύος, τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται με τις διάφορες βρύσες ενός μονόκλινο πηνίο φερρίτη.

Το κάτω άκρο του επαγωγέα μπορεί να φανεί συνδεδεμένο με ένα τρανζίστορ ισχύος NPN το οποίο αλλάζει σε συχνότητα περίπου 100kHz από ένα κύκλωμα ταλαντωτή που έχει διαμορφωθεί εξωτερικά.

Τα τρανζίστορ ισχύος που συνδέονται με τις εξόδους του διακόπτη IC σε απόκριση στις εξόδους IC αλληλουχίας, συνδέουν τις κατάλληλες βρύσες του επαγωγέα με την τάση του πίνακα και τη συχνότητα 100kHz.

Αυτές οι στροφές επαγωγέα υπολογίζονται κατάλληλα έτσι ώστε οι διάφορες βρύσες να καταστούν συμβατές με την τάση του πίνακα καθώς αυτές αλλάζουν από τα στάδια του οδηγού εξόδου IC.

Έτσι, οι διαδικασίες διασφαλίζουν ότι ενώ η ένταση του ήλιου και η τάση πέφτουν, συνδέεται κατάλληλα με τη σχετική βρύση του επαγωγέα διατηρώντας σχεδόν μια σταθερή τάση σε όλες τις δεδομένες βρύσες, σύμφωνα με την υπολογισμένη βαθμολογία τους.

Ας κατανοήσουμε τη λειτουργία με τη βοήθεια του παρακάτω σεναρίου:

Ας υποθέσουμε ότι το πηνίο έχει επιλεγεί για να είναι συμβατό με ηλιακό πάνελ 30V, επομένως στην κορυφή του ήλιου ας υποθέσουμε ότι το άνω τρανζίστορ με την μεγαλύτερη ισχύ ενεργοποιείται από το IC που υποβάλλει ολόκληρο το πηνίο σε ταλάντωση, αυτό επιτρέπει σε ολόκληρο το 30V να είναι διαθέσιμο σε όλη την ακραία άκρα του πηνίου.

Ας υποθέσουμε τώρα ότι το φως του ήλιου πέφτει κατά 3V και μειώνει την έξοδο του στα 27V, αυτό γίνεται γρήγορα αισθητό από το IC έτσι ώστε το πρώτο τρανζίστορ από την κορυφή να απενεργοποιείται τώρα και το δεύτερο τρανζίστορ στη σειρά να ανάβει.

Η παραπάνω ενέργεια επιλέγει τη δεύτερη βρύση (βρύση 27V) του επαγωγέα από την κορυφή εκτελώντας μια αντίστοιχη βρύση επαγωγέα με απόκριση τάσης, διασφαλίζοντας ότι το πηνίο ταλαντεύεται βέλτιστα με τη μειωμένη τάση ... παρόμοια, τώρα καθώς η τάση του ηλιακού φωτός πέφτει περαιτέρω τα αντίστοιχα τρανζίστορ «χειραψία» με τις σχετικές βρύσες επαγωγέα εξασφαλίζοντας τέλειο ταίριασμα και αποτελεσματική εναλλαγή του επαγωγέα, που αντιστοιχεί στις διαθέσιμες ηλιακές τάσεις.

Λόγω της παραπάνω αντιστοιχίας μεταξύ του ηλιακού πλαισίου και του διακόπτη ενεργοποίησης / ώθησης ... οι τάσεις της βρύσης πάνω από τα σχετικά σημεία μπορούν να θεωρηθούν ότι διατηρούν μια σταθερή τάση καθ 'όλη τη διάρκεια της ημέρας ανεξάρτητα από την κατάσταση του ηλιακού φωτός ....

Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι εάν ο επαγωγέας έχει σχεδιαστεί για να παράγει 30V στο επάνω μέρος της βρύσης ακολουθούμενο από 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V στις επόμενες βρύσες, τότε όλες αυτές οι τάσεις θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως σταθερή σε αυτές τις βρύσες ανεξάρτητα από τα επίπεδα του ηλιακού φωτός.

Επίσης, θυμηθείτε ότι αυτές οι τάσεις μπορούν να αλλάξουν σύμφωνα με τις προδιαγραφές του χρήστη για την επίτευξη υψηλότερων ή χαμηλότερων τάσεων από την τάση του πίνακα.

Το παραπάνω κύκλωμα μπορεί επίσης να διαμορφωθεί στην τοπολογία flyback όπως φαίνεται παρακάτω:

Και στις δύο παραπάνω διαμορφώσεις, η έξοδος υποτίθεται ότι θα παραμείνει σταθερή και σταθερή από την άποψη της τάσης και της ισχύος, ανεξάρτητα από την ηλιακή έξοδο.

Χρήση μεθόδου παρακολούθησης I / V

Η ακόλουθη ιδέα κυκλώματος διασφαλίζει ότι το επίπεδο MPPT του πίνακα δεν διαταράσσεται ποτέ δραστικά από το φορτίο.

Το κύκλωμα παρακολουθεί το επίπεδο του γόνατος MPPT του πίνακα και διασφαλίζει ότι το φορτίο δεν επιτρέπεται να καταναλώνει οτιδήποτε άλλο που θα μπορούσε να προκαλέσει πτώση σε αυτό το επίπεδο γόνατος του πίνακα.

Ας μάθουμε πώς μπορεί να γίνει αυτό χρησιμοποιώντας ένα απλό κύκλωμα παρακολούθησης I / V ενιαίου opamp.

Λάβετε υπόψη ότι τα σχέδια που δεν διαθέτουν μετατροπέα buck δεν θα μπορέσουν ποτέ να βελτιστοποιήσουν την υπερβολική τάση σε ισοδύναμο ρεύμα για το φορτίο, και ενδέχεται να αποτύχουν εν προκειμένω, το οποίο θεωρείται ως το κρίσιμο χαρακτηριστικό κάθε σχεδίασης MPPT.

Μια πολύ απλή αλλά αποτελεσματική συσκευή τύπου MPPT μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ένα LM338 IC και ένα opamps.

Σε αυτήν την ιδέα που σχεδιάστηκε από εμένα, το op amp έχει διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να συνεχίζει να καταγράφει τα στιγμιαία δεδομένα MPP του πίνακα και να τα συγκρίνει με τη στιγμιαία κατανάλωση φορτίου. Εάν διαπιστώσει ότι η κατανάλωση φορτίου υπερβαίνει αυτά τα αποθηκευμένα δεδομένα, διακόπτει το φορτίο ...

Το στάδιο IC 741 είναι το τμήμα του ηλιακού ανιχνευτή και αποτελεί την καρδιά ολόκληρου του σχεδιασμού.

Η τάση του ηλιακού πλαισίου τροφοδοτείται στον αντιστρεφόμενο πείρο 2 του IC, ενώ το ίδιο ισχύει και για τον μη αναστρέψιμο πείρο 3 με πτώση περίπου 2 V χρησιμοποιώντας τρεις σειρές 1N4148 σε σειρά.

Η παραπάνω κατάσταση διατηρεί σταθερά τον ακροδέκτη 3 του IC μια σκιά χαμηλότερη από την ακίδα 2 εξασφαλίζοντας μηδενική τάση στον πείρο εξόδου6 του IC.

Ωστόσο, σε περίπτωση ανεπαρκούς υπερφόρτωσης, όπως μια αναντιστοιχία μπαταρίας ή μια μπαταρία υψηλού ρεύματος, η τάση του ηλιακού πλαισίου τείνει να μειώνεται από το φορτίο. Όταν συμβαίνει αυτό, η τάση pin2 αρχίζει επίσης να πέφτει, ωστόσο λόγω της παρουσίας του πυκνωτή 10uF στον ακροδέκτη 3, το δυναμικό του παραμένει σταθερό και δεν αποκρίνεται στην παραπάνω πτώση.

Η κατάσταση αναγκάζει αμέσως το pin3 να πάει ψηλά από το pin2, το οποίο με τη σειρά του εναλλάσσει το pin6 ψηλά, ενεργοποιώντας το BJT BC547.

Το BC547 απενεργοποιεί τώρα αμέσως το LM338 διακόπτοντας την τάση της μπαταρίας, ο κύκλος συνεχίζει με γρήγορο ρυθμό ανάλογα με την ονομαστική ταχύτητα του IC.

Οι παραπάνω λειτουργίες διασφαλίζουν ότι η τάση του ηλιακού συλλέκτη δεν μειώνεται ποτέ ή δεν μειώνεται από το φορτίο, διατηρώντας μια κατάσταση παρόμοια με MPPT.

Δεδομένου ότι χρησιμοποιείται ένα γραμμικό IC LM338, το κύκλωμα θα μπορούσε να είναι και πάλι λίγο αναποτελεσματικό .... η λύση είναι να αντικαταστήσετε το στάδιο LM338 με έναν μετατροπέα buck ... που θα έκανε τον σχεδιασμό εξαιρετικά ευέλικτο και συγκρίσιμο με ένα πραγματικό MPPT.

Παρακάτω φαίνεται ένα κύκλωμα MPPT που χρησιμοποιεί τοπολογία μετατροπέα buck, τώρα ο σχεδιασμός έχει πολύ νόημα και μοιάζει πολύ πιο κοντά σε ένα πραγματικό MPPT

Κύκλωμα 48V MPPT

Τα παραπάνω απλά κυκλώματα MPPT μπορούν επίσης να τροποποιηθούν για την εφαρμογή φόρτισης μπαταρίας υψηλής τάσης, όπως το ακόλουθο κύκλωμα φορτιστή MPPT 48V μπαταρίας.

Όλες οι ιδέες αναπτύχθηκαν αποκλειστικά από εμένα.