Hogyan készítsünk napelem optimalizáló áramkört

A javasolt szolároptimalizáló áramkör arra használható, hogy a változó napfényviszonyokra reagálva a napelemről a lehető legnagyobb teljesítményt nyújtsa az áram és a feszültség szempontjából.

Néhány egyszerű, de mégis hatékony napelem optimalizáló töltő áramkört magyarázunk ebben a bejegyzésben. Az első néhány 555 IC és néhány más lineáris komponens felhasználásával építhető fel, a második optin még egyszerűbb, és nagyon hétköznapi IC-ket használ, például LM338 és op amp IC 741. Tanuljuk meg az eljárásokat.

Áramkör célja

Mint mindannyian tudjuk, a legmagasabb hatékonyság megszerzése bármilyen típusú áramellátásból akkor válik megvalósíthatóvá, ha az eljárás nem vonja maga után az áramellátás feszültségének eltolását, ami azt jelenti, hogy szeretnénk megszerezni a szükséges alacsonyabb feszültségszintet és a terhelés maximális áramát a forrásfeszültség szintjének megzavarása és hőtermelés nélkül működtethető.

Röviden: egy érintett szolároptimalizálónak lehetővé kell tennie a kimenetét a maximálisan szükséges árammal, a szükséges feszültség bármely alacsonyabb szintjével, biztosítva ugyanakkor, hogy a panelen lévő feszültségszint ne változzon.

Az egyik itt tárgyalt módszer magában foglalja a PWM technikát, amelyet a mai napig az egyik optimális módszernek tekinthetünk.

Hálásak kell lennünk ennek az IC 555 nevű kis géniusznak, amely minden nehéz fogalmat olyan könnyűvé tesz.

IC 555 használata a PWM átalakításhoz

Ebben a koncepcióban is beépítjük, és nagyban függünk néhány IC 555-től a szükséges megvalósításhoz.

Az adott kapcsolási rajzot nézve azt látjuk, hogy a teljes tervezés alapvetően két szakaszra oszlik.

A felső feszültségszabályozó fokozat és az alsó PWM generátor fokozat.

A felső szakasz egy p-csatornás mosfetből áll, amely kapcsolóként van elhelyezve, és válaszol a kapujában alkalmazott PWM információkra.

Az alsó fokozat egy PWM generátor szakasz. A javasolt műveletekhez pár 555 IC van konfigurálva.

Hogyan működik az áramkör

Az IC1 felelős a szükséges négyzethullámok előállításáért, amelyeket a T1-et és a hozzá tartozó komponenseket tartalmazó állandó áramú háromszög hullámgenerátor dolgoz fel.

Ezt a háromszög alakú hullámot alkalmazzák az IC2-re a szükséges PWM-ekké történő feldolgozáshoz.

Az IC2-től érkező PWM-távolság azonban az # 5-ös érintkező feszültségszintjétől függ, amely az 1K ellenálláson és a 10K preseten keresztül a panelen keresztüli rezisztív hálózatból származik.

A hálózat közötti feszültség egyenesen arányos a változó panelfeszültségekkel.

A csúcsfeszültségek alatt a PWM-ek szélesebbek és fordítva.

A fenti PWM-eket a mosfet kapura alkalmazzák, amely a csatlakoztatott akkumulátor számára biztosítja a szükséges feszültséget és biztosítja a szükséges feszültséget.

Amint arról korábban szó esett, a csúcsfényes napsütésben a panel magasabb feszültséget generál, a magasabb feszültség azt jelenti, hogy az IC2 szélesebb PWM-eket generál, ami viszont hosszabb ideig kikapcsolva vagy viszonylag rövidebb ideig kapcsolja be a mosfe-t, ami megfelel egy átlagos feszültségértéknek csak kb. 14,4 V legyen az akkumulátor kivezetésein.

Amikor a napsütés romlik, a PWM-ek arányosan szűken helyezkednek el, így a mosfet jobban képes vezetni, így az akkumulátor átlagos áramának és feszültségének az optimális értéke marad.

A 10K előbeállítást úgy kell beállítani, hogy erős napsütés alatt 14,4 V körül kerüljön a kimeneti terminálokon.

Az eredményeket különböző napfényviszonyok között lehet ellenőrizni.

A javasolt napelem optimalizáló áramkör biztosítja az akkumulátor stabil töltését, anélkül, hogy befolyásolná vagy eltolná a panel feszültségét, ami szintén alacsonyabb hőtermelést eredményez.

Megjegyzés: A csatlakoztatott szárnypanelnek 50% -kal nagyobb feszültséget kell képes előállítania, mint a csatlakoztatott akkumulátor csúcs napsütésben. Az áramnak az akkumulátor AH-értékének 1/5-ének kell lennie.

Az áramkör beállítása

1. Megtehető a következő módon:
2. Kezdetben tartsa az S1-et kikapcsolt állapotban.
3. Tegye ki a panelt a napsütés csúcsáig, és állítsa be az előre beállított értéket a kívánt optimális töltési feszültség eléréséhez a mosfet lefolyó dióda kimenetén és a földön.
4. Az áramkör most be van állítva.
5. Ha ez megtörtént, kapcsolja be az S1 kapcsolót, az akkumulátor a lehető legjobb optimalizált üzemmódban kezd töltődni.

Jelenlegi vezérlő szolgáltatás hozzáadása

A fenti áramkör körültekintő vizsgálata azt mutatja, hogy mivel a mosfet megpróbálja kompenzálni az eső panel feszültségszintjét, lehetővé teszi az akkumulátor számára, hogy több áramot vonjon le a panelről, ami befolyásolja a panel feszültségét, és tovább csökkenti a lefutási helyzetet, ez pedig komolyan akadályozhatja az optimalizálási folyamatot

A következő ábrán bemutatott áramszabályozási funkció gondoskodik erről a problémáról, és megakadályozza, hogy az akkumulátor túlzott áramot vonjon be a megadott határokon túl. Ez viszont segít megőrizni a panel feszültségét.

Az RX, amely az áramkorlátozó ellenállás, a következő képlet segítségével számítható ki:

RX = 0,6 / I, ahol I a csatlakoztatott akkumulátor meghatározott minimális töltőárama

A fenti magyarázat durva, de egyszerűbb verziója elkészíthető Dhyaksa úr javaslatára, az IC555 pin2 és pin6 küszöbértékének detektálásával, a teljes diagram az alábbiakban látható:

Nincs optimalizálás Buck Converter nélkül

A fent ismertetett tervezés egy alapvető PWM koncepció alkalmazásával működik, amely automatikusan beállítja az 555 alapú áramkör PWM-jét a változó napintenzitásnak megfelelően.

Annak ellenére, hogy ennek az áramkörnek a kimenete önbeállító választ ad az állandó átlagos feszültség fenntartása érdekében a kimeneten, a csúcsfeszültséget soha nem állítják be, ami jelentősen veszélyes lenne Li-ion vagy Lipo típusú akkumulátorok töltésére.

Ezenkívül a fenti áramkör nincs felszerelve arra, hogy a panel felesleges feszültségét arányos árammá alakítsa át a csatlakoztatott alacsonyabb feszültségű névleges terheléshez.

Buck Converter hozzáadása

Megpróbáltam ezt a feltételt orvosolni egy buck konverter szakasz hozzáadásával a fenti tervhez, és olyan optimalizálást tudtam létrehozni, amely nagyon hasonlított egy MPPT áramkörhöz.

Azonban még ezzel a továbbfejlesztett áramkörrel sem tudtam teljesen meggyőződni arról, hogy az áramkör valóban képes-e állandó feszültséget produkálni a levágott csúcsszint és a megemelt áram hatására, válaszul a különböző napintenzitási szintekre.

Annak érdekében, hogy teljes mértékben magabiztos legyek a koncepcióval kapcsolatban és kiküszöbölhessem az összes zavart, átfogó tanulmányt kellett elvégeznem a buck konverterekről, valamint a bemeneti / kimeneti feszültség, az áram és a PWM arányok (munkaciklus) közötti összefüggésről, amely inspirálta a következő kapcsolódó cikkek létrehozására:

Hogyan működnek a Buck konverterek

Feszültség, áram kiszámítása egy Buck induktivitásnál

A fenti két cikkből kapott befejező képletek segítettek tisztázni az összes kétséget, és végül tökéletesen magabiztos lehettem a korábban javasolt szolároptimalizáló áramkörömben, egy bak konverter áramkört használva.

A PWM Duty Cycle feltételének elemzése a tervezéshez

Az alábbiakban látható az az alapvető képlet, amely egyértelműen világossá tette a dolgokat:

Vout = DVin

Itt V (in) a panelről érkező bemeneti feszültség, Vout a kívánt kimeneti feszültség a buck konverterből, D pedig a munkaciklus.

Az egyenletből nyilvánvalóvá válik, hogy a Vout egyszerűen testreszabható úgy, hogy „vagy” vezérli a buck konverter vagy a Vin munkaciklusát, vagy más szavakkal a Vin és a munkaciklus paraméterei közvetlenül arányosak és befolyásolják egymást értékek lineárisan.

Valójában a kifejezések rendkívül lineárisak, ami sokkal könnyebbé teszi a szolároptimalizáló áramkör méretezését egy bak átalakító áramkör használatával.

Ez azt jelenti, hogy amikor a Vin sokkal nagyobb (@ csúcsfényes napsütés), mint a terhelés specifikációi, az IC 555 processzor képes arányosan szűkíteni a PWM-eket (vagy szélesebb a P-eszközök esetében), és befolyásolhatja a Vout-t, hogy a kívánt szinten maradjon, és fordítva csökken a nap, a processzor újból kiszélesítheti (vagy szűkítheti P-eszköz esetén) a PWM-eket annak érdekében, hogy a kimeneti feszültség a megadott állandó szinten maradjon.

A PWM megvalósításának értékelése gyakorlati példán keresztül

A fentieket a megadott képlet megoldásával bizonyíthatjuk:

Tegyük fel, hogy a panel (V) in csúcsfeszültsége 24 V

és a PWM-nek 0,5 másodperces BE és 0,5 másodperces kikapcsolási időt kell tartalmaznia

Üzemi ciklus = Tranzisztor bekapcsolási ideje / impulzus BE + KI ideje = T (be) / 0,5 + 0,5 mp

Üzemi ciklus = T (be) / 1

Ezért a fentieket az alább megadott képlettel helyettesítve kapjuk meg,

V (ki) = V (be) x T (be)

14 = 24 x T (be)

ahol 14 a feltételezett szükséges kimeneti feszültség,

ezért,

T (be) = 14/24 = 0,58 másodperc

Ez megadja nekünk a tranzisztor BE idejét, amelyet be kell állítani az áramkör csúcsfényes napsütésében, hogy a kimeneten előállítsuk a szükséges 14 V-ot.

Hogyan működik

Miután a fentieket beállítottuk, a maradékot az IC 555-nek hagyhatta, hogy a csökkenő napsütésre reagálva feldolgozza a várható önbeállító T (be) periódusokat.

Most, amikor csökken a napsütés, a fenti ON időt az áramkör arányosan megnöveli (vagy lecsökkenti a P-eszköz esetében), lineáris módon, az állandó 14 V biztosítása érdekében, amíg a panel feszültsége valóban le nem csökken 14 V-ra, amikor az áramkör éppen állítsa le az eljárásokat.

Feltételezhető, hogy az aktuális (amp) paraméter önszabályozó, amely mindig az optimalizálási folyamat során próbálja elérni a (VxI) termékállandót. Ennek az az oka, hogy a buck konverterről feltételezik, hogy a nagyfeszültségű bemenetet a kimeneten arányosan megnövelt áramszintre alakítja át.

Mégis, ha érdekli, hogy teljes mértékben megerősítést nyerjen az eredményekről, a megfelelő képletekről olvassa el az alábbi cikket:

Feszültség, áram kiszámítása egy Buck induktivitásnál

Most nézzük meg, hogy néz ki az általam tervezett utolsó áramkör a következő információkból:

Amint a fenti ábrán látható, az alapdiagram megegyezik a korábbi önoptimalizáló szolár töltő áramkörrel, kivéve az IC4 beiktatását, amely feszültségkövetőként van konfigurálva, és a BC547 emitterkövető fokozat helyett kicserélődik. Ez annak érdekében történik, hogy jobb reagálást nyújtson a panelről az IC2 # 5 tűs vezérlő tüskére.

Összefoglalva a Napoptimalizáló alapvető működését

A működés felülvizsgálható az alábbiak szerint: Az IC1 négyzethullám-frekvenciát generál körülbelül 10 kHz-en, amelyet a C1 értékének megváltoztatásával 20 kHz-re lehet növelni.

Ezt a frekvenciát táplálják az IC2 érintkezőjéhez, hogy a T1 / C3 segítségével gyorsan kapcsolható háromszög hullámokat hozzanak létre a # 7-es érintkezőnél.

A panel feszültségét P2 megfelelően beállítja, és az IC4 feszültségkövető fokozatba táplálja az IC2 # 5-ös tűjének táplálásához.

Ezt a potenciált a panelről az IC2 # 5 tűjében összehasonlítjuk a # 7 tűs gyors háromszög hullámokkal, hogy létrehozzuk a megfelelő méretezésű PWM adatokat az IC2 # 3 érintkezőjén.

Csúcskor a napsütés a P2-t úgy állítja be, hogy az IC2 a lehető legszélesebb PWM-eket hozza létre, és amint a napsütés csökkenni kezd, a PWM arányosan szűkül.

A fenti hatást a PNP BJT alapjához tápláljuk, hogy a választ a mellékelt buck konverter fokozaton invertáljuk.

Azt sugallja, hogy csúcsfényes napsütésben a szélesebb PWM-ek arra kényszerítik a PNP-eszközt, hogy kevés {csökkentett T (be) időtartamot} folytasson, ami miatt a keskenyebb hullámformák elérik a bak induktort ... de mivel a panel feszültsége magas, a bemeneti feszültség A B induktivitás elérése {V (in)} megegyezik a panel feszültségszintjével.

Így ebben a helyzetben a buck konverter a helyesen kiszámított T (be) és a V (in) segítségével képes a terheléshez megfelelő kimeneti feszültséget előállítani, amely jóval alacsonyabb lehet, mint a panel feszültsége, de arányosan megemelt áram (erősítő) szint.

Most, ahogy a nap süt, a PWM-ek is keskenyebbé válnak, lehetővé téve a PNP T (be) arányos növekedését, ami viszont segít a bak induktornak a kimenő feszültség arányos emelésével ... az áram (amp ) tényező mostantól arányosan csökken a művelet során, biztosítva, hogy a kimenet konzisztenciáját tökéletesen fenntartsa a buck konverter.

A T2 a hozzá tartozó komponensekkel együtt alkotja az áramkorlátozó fokozatot vagy a hibaerősítő fokozatot. Biztosítja, hogy a kimeneti terhelés soha ne fogyasszon semmit a tervezés névleges specifikációin felül, így a rendszer soha nem zörög, és a napelem teljesítménye soha nem térhet el a nagy hatásfokú zónától.

A C5 100uF kondenzátorként jelenik meg, azonban a jobb eredmény elérése érdekében ez 2200uF értékre nőhet, mert a magasabb értékek jobb hullámáram-szabályozást és simább feszültséget biztosítanak a terhelés számára.

A P1 az opamp kimenet offset feszültségének beállítására / korrekciójára szolgál, oly módon, hogy az # 5 tű tökéletes napfeszültséget tudjon fogadni napelemfeszültség hiányában, vagy amikor a napelemfeszültség a terhelési feszültség specifikációja alatt van.

Az L1 specifikáció hozzávetőlegesen meghatározható a következő cikkben található információk segítségével:

Az SMPS áramkörök induktorainak kiszámítása

Solar Optimizer az Op Amps segítségével

Egy másik nagyon egyszerű, de hatékony szolároptimalizáló áramkör elkészíthető LM338 IC és néhány opamp alkalmazásával.

Értsük meg a javasolt áramkört (szolároptimalizálót) a következő pontok segítségével: Az ábra egy LM338 feszültségszabályozó áramkört mutat, amelynek áramszabályozási jellemzője van a BC547 tranzisztor formájában is, amely az IC állító- és földelőcsapján keresztül csatlakozik.

Összehasonlítóként használt opampok

A két opamp összehasonlítóként van konfigurálva. Valójában számos ilyen szakasz beépíthető a hatások fokozására.

A jelen kiviteli alakban az A1 3. számú előre beállított beállítása úgy van beállítva, hogy az A1 kimenete magas legyen, ha a napsütés intenzitása a panel felett körülbelül 20% -kal kisebb, mint a csúcsérték.

Hasonlóképpen, az A2 fokozatot úgy állítják be, hogy annak kimenete magas legyen, ha a napsütés körülbelül 50% -kal kevesebb, mint a csúcsérték.

Amikor az A1 kimenet magasra megy, az RL # 1 kiváltja az R2 összekapcsolását az áramkörrel, és leválasztja az R1-et.

Kezdetben a napsütés csúcsán az R1, amelynek értékét sokkal alacsonyabban választják, lehetővé teszi, hogy a maximális áram elérje az akkumulátort.

Kördiagramm

Amikor csökken a napsütés, a panel feszültsége is csökken, és most nem engedhetjük meg magunknak, hogy erős áramot vonjunk le a panelről, mert ez 12 V alá csökkenti a feszültséget, ami teljesen leállíthatja a töltési folyamatot.

Relé váltás az aktuális optimalizáláshoz

Ezért, amint azt a fentiekben kifejtettük, az A1 működésbe lép, és leválasztja az R1-et és összeköti az R2-t. Az R2-t magasabb értéken választják, és csak korlátozott mennyiségű áramot enged az akkumulátorhoz, így a napfeszültség nem ütközik 15 vot alatt, amely szintre feltétlenül szükség van az LM338 bemeneténél.

Amikor a napsütés a második beállított küszöb alá esik, az A2 aktiválja az RL # 2 értéket, ami viszont az R3 kapcsolót úgy kapcsolja, hogy az akkumulátor áramát még alacsonyabbá tegye, ügyelve arra, hogy az LM338 bemenetén a feszültség soha ne csökkenjen 15 V alá, de a az akkumulátort mindig a legközelebbi optimális szintig tartják.

Ha az opamp fokozatokat nagyobb számú relével és az azt követő áramszabályozási műveletekkel növelik, az egység még jobb hatékonysággal optimalizálható.

A fenti eljárás az akkumulátort csúcsfényes napsütés alatt, nagy áram mellett gyorsan tölti, és lecsökkenti az áramot, amikor a panel intenzitása csökken, és ennek megfelelően biztosítja az akkumulátort a megfelelő névleges árammal, hogy a nap végén teljesen feltöltődjön.

Mi történik olyan akkumulátorral, amely esetleg nem merül ki?

Tegyük fel, hogy abban az esetben, ha az akkumulátor nincs optimálisan lemerülve, hogy másnap reggel végigmenjen a fenti folyamaton, a helyzet végzetes lehet az akkumulátor számára, mert a kezdeti nagy áram negatív hatással lehet az akkumulátorra, mert még nem merült le a megadottra értékelések.

A fenti probléma ellenőrzéséhez még néhány opampot (A3, A4) vezetünk be, amelyek figyelik az akkumulátor feszültségszintjét, és ugyanazokat a műveleteket kezdeményezik, mint az A1, A2, így az akkumulátor áramát optimalizálják az akkumulátorral az adott időszakban fennálló feszültség vagy töltöttségi szint.