Selbstgemachte Solar-MPPT-Schaltung - Maximum Power Point Tracker für arme Männer

MPPT steht für Maximum Power Point Tracker. Hierbei handelt es sich um ein elektronisches System, mit dem die unterschiedliche Leistung eines Solarmoduls so optimiert werden kann, dass die angeschlossene Batterie die maximal verfügbare Leistung des Solarmoduls nutzt.

Einführung

HINWEIS: Die in diesem Beitrag beschriebenen MPPT-Schaltungen verwenden nicht die herkömmlichen Steuermethoden wie 'Störung und Beobachtung', 'Inkrementelle Leitfähigkeit', 'Stromdurchlauf', 'Konstante Spannung' ...... etc etc ... Eher hier wir Konzentrieren Sie sich und versuchen Sie, einige grundlegende Dinge umzusetzen:

1. Um sicherzustellen, dass die Eingangsleistung des Solarmoduls immer der Ausgangsleistung entspricht, die die Last erreicht.
2. Die Kniespannung wird niemals durch die Last gestört und die MPPT-Zone des Panels wird effizient aufrechterhalten.

Was ist die Kniespannung und der Kniestrom eines Panels?

Einfach ausgedrückt ist die Kniespannung die Leerlaufspannung Niveau des Panels, während der Kniestrom der ist 'Kurzschlussspannung' Maß der Platte zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Wenn die beiden oben genannten Punkte so weit wie möglich beibehalten werden, kann davon ausgegangen werden, dass die Last während des gesamten Betriebs die MPPT-Leistung erhält.

Bevor wir uns mit den vorgeschlagenen Entwürfen befassen, wollen wir uns zunächst mit einigen grundlegenden Fakten vertraut machen Aufladen der Solarbatterie

Wir wissen, dass die Leistung eines Solarmoduls direkt proportional zum Grad des einfallenden Sonnenlichts und auch zur Umgebungstemperatur ist. Wenn die Sonnenstrahlen senkrecht zum Solarpanel stehen, wird die maximale Spannung erzeugt und verschlechtert sich, wenn sich der Winkel von 90 Grad weg verschiebt. Die atmosphärische Temperatur um das Panel herum beeinflusst auch den Wirkungsgrad des Panels, der mit steigender Temperatur abnimmt .

Daher können wir schließen, dass, wenn die Sonnenstrahlen nahe über 90 Grad über dem Panel liegen und wenn die Temperatur um 30 Grad liegt, der Wirkungsgrad des Panels in Richtung Maximum ist, die Rate abnimmt, wenn die beiden oben genannten Parameter von ihren Nennwerten abweichen.

Die obige Spannung wird im Allgemeinen zum Laden einer Batterie verwendet, a Blei-Säure-Batterie , die wiederum zum Betrieb eines Wechselrichters verwendet wird. Jedoch genauso wie die Solarpanel hat seine eigenen Betriebskriterien Auch der Akku ist nicht weniger und bietet einige strenge Bedingungen für eine optimale Aufladung.

Die Bedingungen sind, dass die Batterie anfänglich mit einem relativ höheren Strom geladen werden muss, der allmählich auf fast Null gesenkt werden muss, wenn die Batterie eine Spannung erreicht, die 15% über ihrer normalen Nennleistung liegt.

Unter der Annahme, dass eine vollständig entladene 12-V-Batterie mit einer Spannung von etwa 11,5 V anfänglich mit einer C / 2-Rate (C = AH der Batterie) aufgeladen werden kann, füllt sich die Batterie relativ schnell und zieht ihre Spannung möglicherweise auf innerhalb weniger Stunden um 13V.

Zu diesem Zeitpunkt sollte der Strom automatisch auf die C / 5-Rate reduziert werden. Dies hilft wiederum dabei, das schnelle Ladetempo beizubehalten, ohne den Akku zu beschädigen, und die Spannung innerhalb der nächsten 1 Stunde auf etwa 13,5 V zu erhöhen.

Nach den obigen Schritten kann der Strom nun weiter auf die C / 10-Rate reduziert werden, wodurch sichergestellt wird, dass sich die Laderate und das Tempo nicht verlangsamen.

Wenn schließlich die Batteriespannung etwa 14,3 V erreicht, kann der Prozess auf eine C / 50-Rate reduziert werden, die den Ladevorgang fast stoppt, die Ladung jedoch daran hindert, auf niedrigere Werte zu fallen.

Der gesamte Vorgang lädt eine tiefentladene Batterie auf innerhalb von 6 Stunden ohne die Lebensdauer der Batterie zu beeinträchtigen.

Ein MPPT wird genau verwendet, um sicherzustellen, dass das obige Verfahren optimal aus einem bestimmten Solarpanel extrahiert wird.

Ein Solarpanel kann möglicherweise keine hohen Stromausgänge liefern, aber es kann definitiv höhere Spannungen liefern.

Der Trick wäre, die höheren Spannungspegel durch geeignete Optimierung der Solarpanel-Leistung in höhere Strompegel umzuwandeln.

Da nun die Umwandlung einer höheren Spannung in einen höheren Strom und umgekehrt nur durch Buck-Boost-Wandler implementiert werden kann, wäre ein innovatives Verfahren (obwohl etwas sperrig) die Verwendung einer variablen Induktivitätsschaltung, bei der die Induktivität viele schaltbare Abgriffe aufweisen würde Abgriffe können durch einen Schaltkreis als Reaktion auf das wechselnde Sonnenlicht umgeschaltet werden, so dass die Leistung an die Last unabhängig vom Sonnenschein immer konstant bleibt.

Das Konzept kann unter Bezugnahme auf das folgende Diagramm verstanden werden:

Schaltplan

Verwendung von LM3915 als Hauptprozessor-IC

Der Hauptprozessor im obigen Diagramm ist der IC LM3915 Dadurch wird die Pinbelegung des Ausgangs nacheinander von oben nach unten umgeschaltet, wenn das Sonnenlicht nachlässt

Diese Ausgänge sind mit Schaltleistungstransistoren konfiguriert, die wiederum mit den verschiedenen Abgriffen einer einzelnen Ferritspule mit langer Induktivität verbunden sind.

Das unterste Ende des Induktors ist mit einem NPN-Leistungstransistor verbunden, der von einer extern konfigurierten Oszillatorschaltung mit einer Frequenz von etwa 100 kHz geschaltet wird.

Die Leistungstransistoren, die mit den Ausgängen des IC verbunden sind, schalten als Reaktion auf die Sequenzierungs-IC-Ausgänge und verbinden die entsprechenden Abgriffe des Induktors mit der Panel-Spannung und der 100-kHz-Frequenz.

Diese Induktorwindungen werden in geeigneter Weise so berechnet, dass ihre verschiedenen Abgriffe mit der Panel-Spannung kompatibel werden, da diese von den IC-Ausgangstreiberstufen geschaltet werden.

Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Sonnenintensität und die Spannung zwar abfallen, jedoch in geeigneter Weise mit dem entsprechenden Abgriff des Induktors verknüpft sind, wobei die Spannung über alle gegebenen Abgriffe gemäß den berechneten Nennwerten nahezu konstant bleibt.

Lassen Sie uns die Funktionsweise anhand des folgenden Szenarios verstehen:

Angenommen, die Spule ist so ausgewählt, dass sie mit einem 30-V-Solarpanel kompatibel ist. Nehmen wir daher bei Sonnenschein an, dass der oberste Leistungstransistor vom IC eingeschaltet wird, wodurch die gesamte Spule in Schwingung versetzt wird. Dadurch können die gesamten 30 V über das Solarpanel verfügbar sein extreme Enden der Spule.

Angenommen, das Sonnenlicht fällt um 3 V ab und reduziert seinen Ausgang auf 27 V. Dies wird vom IC schnell erfasst, sodass der erste Transistor von oben jetzt AUS und der zweite Transistor in der Sequenz EIN schaltet.

Die obige Aktion wählt den zweiten Abgriff (27-V-Abgriff) des Induktors von oben aus und führt einen passenden Induktorabgriff zum Spannungsverhalten aus, um sicherzustellen, dass die Spule optimal mit der reduzierten Spannung schwingt ... ähnlich wie jetzt, wenn die Sonnenlichtspannung weiter abfällt, die jeweiligen Transistoren 'Händeschütteln' mit den entsprechenden Induktivitätsabgriffen, um eine perfekte Anpassung und effiziente Schaltung des Induktors zu gewährleisten, die den verfügbaren Solarspannungen entspricht.

Aufgrund der oben angepassten Reaktion zwischen dem Solarpanel und dem Schalt-Buck / Boost-Induktor ... kann davon ausgegangen werden, dass die Abgriffsspannungen über den relevanten Punkten unabhängig von der Sonnenlichtsituation den ganzen Tag über eine konstante Spannung aufrechterhalten.

Angenommen, der Induktor ist so ausgelegt, dass er am obersten Abgriff 30 V erzeugt, gefolgt von 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V über die nachfolgenden Abgriffe, dann könnten alle diese Spannungen angenommen werden konstant über diese Wasserhähne unabhängig von der Sonneneinstrahlung.

Denken Sie auch daran, dass diese Spannung gemäß den Benutzerspezifikationen geändert werden kann, um höhere oder niedrigere Spannungen als die Panel-Spannung zu erzielen.

Die obige Schaltung kann auch in der Flyback-Topoogie wie unten gezeigt konfiguriert werden:

In beiden obigen Konfigurationen soll die Leistung unabhängig von der Solarleistung in Bezug auf Spannung und Leistung konstant und stabil bleiben.

Verwenden der I / V-Verfolgungsmethode

Das folgende Schaltungskonzept stellt sicher, dass der MPPT-Pegel des Panels niemals durch die Last drastisch gestört wird.

Die Schaltung verfolgt den MPPT-Kniepegel des Panels und stellt sicher, dass die Last nichts mehr verbrauchen darf, was zu einem Absinken dieses Kniepegels des Panels führen könnte.

Lassen Sie uns lernen, wie dies mit einer einfachen I / V-Verfolgungsschaltung mit einem einzelnen Operationsverstärker erreicht werden kann.

Bitte beachten Sie, dass Konstruktionen ohne Tiefsetzsteller niemals in der Lage sind, die Überspannung in äquivalenten Strom für die Last zu optimieren, und diesbezüglich möglicherweise versagen, was als das entscheidende Merkmal jeder MPPT-Konstruktion angesehen wird.

Ein sehr einfaches und dennoch effektives MPPT-Gerät kann unter Verwendung eines LM338-IC und eines Operationsverstärkers hergestellt werden.

In diesem von mir entworfenen Konzept ist der Operationsverstärker so konfiguriert, dass er die momentanen MPP-Daten des Panels aufzeichnet und mit dem momentanen Lastverbrauch vergleicht. Wenn der Lastverbrauch diese gespeicherten Daten überschreitet, wird die Last abgeschaltet ...

Die IC 741-Stufe ist der Solar-Tracker-Bereich und bildet das Herzstück des gesamten Designs.

Die Solarmodulspannung wird dem invertierenden Pin2 des IC zugeführt, während dieselbe mit einem Abfall von etwa 2 V unter Verwendung von drei in Reihe geschalteten 1N4148-Dioden an den nichtinvertierenden Pin3 angelegt wird.

Die obige Situation hält den Pin3 des IC konsistent einen Schatten niedriger als Pin2 und stellt eine Spannung von Null über dem Ausgangspin6 des IC sicher.

Im Falle einer ineffizienten Überlastung, wie z. B. einer nicht übereinstimmenden Batterie oder einer Hochstrombatterie, wird die Solarpanel-Spannung jedoch tendenziell von der Last heruntergezogen. Wenn dies geschieht, beginnt auch die Spannung von Pin2 abzufallen. Aufgrund des Vorhandenseins des 10uF-Kondensators an Pin3 bleibt sein Potential jedoch stabil und reagiert nicht auf den obigen Abfall.

Die Situation zwingt Pin3 sofort dazu, hoch zu gehen als Pin2, was wiederum Pin6 hoch schaltet und den BJT BC547 einschaltet.

BC547 deaktiviert jetzt sofort das Abschalten der Spannung an der Batterie durch LM338. Der Zyklus schaltet abhängig von der Nenndrehzahl des ICs schnell weiter.

Die oben genannten Vorgänge stellen sicher, dass die Spannung des Solarpanels niemals abfällt oder von der Last heruntergezogen wird, wodurch ein MPPT-ähnlicher Zustand erhalten bleibt.

Da ein linearer IC LM338 verwendet wird, könnte die Schaltung erneut etwas ineffizient sein. Die Abhilfe besteht darin, die LM338-Stufe durch einen Abwärtswandler zu ersetzen. Dies würde das Design äußerst vielseitig und mit einem echten MPPT vergleichbar machen.

Unten ist eine MPPT-Schaltung gezeigt, die eine Abwärtswandler-Topologie verwendet. Jetzt ist das Design sehr sinnvoll und kommt einem echten MPPT viel näher

48V MPPT-Schaltung

Die obigen einfachen MPPT-Schaltungen können auch zum Implementieren des Hochspannungs-Batterieladens modifiziert werden, wie beispielsweise die folgende 48-V-Batterie-MPPT-Ladeschaltung.

Die Ideen werden alle exklusiv von mir entwickelt.