Как да направим схема на оптимизатора на слънчеви панели

Предложената схема за слънчев оптимизатор може да се използва за получаване на максимално възможната мощност по отношение на ток и напрежение от слънчев панел, в отговор на променящите се условия на слънчева светлина.

Няколко прости, но ефективни схеми за зарядно устройство за оптимизиране на слънчеви панели са обяснени в тази публикация. Първият може да бъде изграден с помощта на няколко 555 интегрални схеми и няколко други линейни компонента, вторият optin е още по-опростен и използва съвсем обикновени интегрални схеми като LM338 и op amp IC 741. Нека научим процедурите.

Цел на веригата

Както всички знаем, придобиването на най-висока ефективност от която и да е форма на захранване става осъществимо, ако процедурата не включва шунтиране на захранващото напрежение, което означава, че искаме да придобием необходимото по-ниско ниво на напрежение и максимален ток за товара, който е работи без да се нарушава нивото на напрежението на източника и без да се генерира топлина.

Накратко, засегнатият слънчев оптимизатор трябва да позволи изхода си с максимално необходимия ток, всяко по-ниско ниво на необходимо напрежение, като същевременно се увери, че нивото на напрежение в панела остава незасегнато.

Един метод, който е разгледан тук, включва ШИМ техника, която може да се счита за един от оптималните методи до момента.

Трябва да сме благодарни на този малък гений, наречен IC 555, който прави всички трудни концепции толкова лесни.

Използване на IC 555 за преобразуване на ШИМ

И в тази концепция ние включваме и силно зависим от няколко IC 555s за необходимото изпълнение.

Разглеждайки дадената електрическа схема, виждаме, че цялостният дизайн е разделен на два етапа.

Горната степен на регулатора на напрежението и долната степен на генератора на ШИМ.

Горният етап се състои от p-канален MOSFET, който е позициониран като превключвател и отговаря на приложената PWM информация на своя портал.

Долният етап е PWM генератор. Няколко 555 IC са конфигурирани за предложените действия.

Как функционира веригата

IC1 е отговорен за производството на необходимите квадратни вълни, които се обработват от генератора на вълни с постоянен ток, съдържащ T1 и свързаните с него компоненти.

Тази триъгълна вълна се прилага към IC2 за обработка в необходимите ШИМ.

Въпреки това PWM разстоянието от IC2 зависи от нивото на напрежение на неговия пин # 5, което се получава от резистивна мрежа през панела чрез 1K резистор и 10K предварително зададена.

Напрежението между тази мрежа е право пропорционално на променливите волта на панела.

По време на пикови напрежения ШИМ стават по-широки и обратно.

Горните ШИМ се прилагат към портата на MOSFET, който провежда и осигурява необходимото напрежение към свързаната батерия.

Както беше обсъдено по-рано, по време на пиково слънчево греене панелът генерира по-високо ниво на напрежение, по-високо напрежение означава, че IC2 генерира по-широки ШИМ, което от своя страна държи MOSF изключен за по-дълги периоди или включен за относително по-кратки периоди, съответстващи на средна стойност на напрежението, която може да трябва да бъде само около 14.4V през клемите на батерията.

Когато блясъкът на слънцето се влоши, ШИМ се разпределят пропорционално на тясно разстояние, позволявайки на MOSFET да провежда повече, така че средният ток и напрежение в батерията да остане на оптималните стойности.

Предварителната настройка 10K трябва да бъде настроена за преминаване около 14.4V през изходните клеми при ярко слънце.

Резултатите могат да се наблюдават при различни условия на слънчева светлина.

Предложената схема за оптимизация на соларните панели осигурява стабилно зареждане на батерията, без да се влияе или шунтира напрежението на панела, което също води до по-ниско производство на топлина.

Забележка: Свързаният парен панел трябва да може да генерира 50% повече напрежение от свързаната батерия при пиково слънце. Токът трябва да бъде 1/5 от рейтинга на батерията AH.

Как да настроите веригата

1. Това може да се направи по следния начин:
2. Първоначално оставете S1 изключен.
3. Изложете панела на пиково слънчево греене и коригирайте предварително зададената, за да получите необходимото оптимално напрежение за зареждане през изхода на изпускателния диод на MOSFET и земята.
4. Веригата е настроена сега.
5. След като това стане, включете S1, батерията ще започне да се зарежда във възможно най-добрия оптимизиран режим.

Добавяне на функция за текущ контрол

Внимателното разследване на горната схема показва, че тъй като MOSFET се опитва да компенсира падащото ниво на напрежение на панела, той позволява на батерията да изтегли повече ток от панела, което влияе върху напрежението на панела, като го намалява още повече, предизвиквайки ситуация на изтичане, това може сериозно да попречи на процеса на оптимизиране

Функция за управление на тока, както е показано на следващата схема, се грижи за този проблем и забранява на батерията да изтегля прекомерен ток над определените граници. Това от своя страна помага да се запази напрежението на панела незасегнато.

RX, който е резистор за ограничаване на тока, може да бъде изчислен с помощта на следната формула:

RX = 0,6 / I, където I е посоченият минимален ток на зареждане за свързаната батерия

Може да се създаде груба, но по-опростена версия на обяснения по-горе дизайн, както е предложено от г-н Dhyaksa, като се използва pin2 и pin6 праг за откриване на IC555, като цялата диаграма може да бъде видяна по-долу:

Без оптимизация без Buck Converter

Обясненият по-горе дизайн работи с използване на основна концепция за ШИМ, която автоматично регулира ШИМ на 555 базирана верига в отговор на променящата се интензивност на слънцето.

Въпреки че изходът от тази схема произвежда саморегулиращ се отговор, за да се поддържа постоянно средно напрежение на изхода, пиковото напрежение никога не се регулира, което го прави значително опасно за зареждане на Li-ion или Lipo батерии.

Освен това горната схема не е оборудвана за преобразуване на излишното напрежение от панела в пропорционално количество ток за свързания номинален товар с по-ниско напрежение.

Добавяне на Buck Converter

Опитах се да поправя това условие, като добавих етап на конвертор на долари към горния дизайн и можех да произведа оптимизация, която изглеждаше много подобна на MPPT схема.

Въпреки това дори с тази подобрена верига не можех да бъда напълно убеден дали веригата наистина е способна да произвежда постоянно напрежение с подрязано пиково ниво и усилен ток в отговор на различните нива на интензивност на слънцето.

За да бъда напълно уверен по отношение на концепцията и да елиминирам всички обърквания, трябваше да премина през изчерпателно проучване по отношение на преобразувателите на грешки и свързаната връзка между входните / изходните напрежения, тока и отношенията на ШИМ (работен цикъл), което вдъхнови аз да създам следните свързани статии:

Как работят конверторите Buck

Изчисляване на напрежение, ток в индуктор

Заключителните формули, получени от горните две статии, помогнаха да се изяснят всички съмнения и накрая можех да бъда напълно уверен в предложената от мен по-рано схема за слънчев оптимизатор, използваща верига за конвертор на долари.

Анализиране на състоянието на работния цикъл на ШИМ за дизайна

Основната формула, която направи нещата ясно ясни, може да се види по-долу:

Vout = DVin

Тук V (in) е входното напрежение, което идва от панела, Vout е желаното изходно напрежение от преобразувателя, а D е работният цикъл.

От уравнението става очевидно, че Vout може просто да се приспособи чрез „или“ контролиране на работния цикъл на конвертора на долари или Vin .... или с други думи параметрите Vin и работния цикъл са пряко пропорционални и си влияят взаимно стойности линейно.

Всъщност термините са изключително линейни, което прави оразмеряването на веригата на слънчевия оптимизатор много по-лесно, използвайки верига на преобразувател.

Това предполага, че когато Vin е много по-висок (@ пикова слънчева светлина) от спецификациите на натоварване, процесорът IC 555 може да направи ШИМ пропорционално по-тесни (или по-широки за P-устройство) и да повлияе на Vout да остане на желаното ниво и обратно като слънцето намалява, процесорът може да разшири (или да стесни за P-устройство) ШИМ отново, за да гарантира, че изходното напрежение се поддържа на определеното постоянно ниво.

Оценка на изпълнението на ШИМ чрез практически пример

Можем да докажем горното, като решим дадената формула:

Да приемем, че пиковото напрежение на панела V (in) е 24V

и ШИМ да се състои от 0,5 сек време за включване и 0,5 секунди време за изключване

Работен цикъл = Време за включване на транзистора / Включване на импулса + Време за изключване = T (включено) / 0,5 + 0,5 сек

Работен цикъл = T (включен) / 1

Следователно, замествайки горното в дадената по-долу формула, получаваме,

V (out) = V (in) x T (on)

14 = 24 x T (включено)

където 14 е предполагаемото необходимо изходно напрежение,

Следователно,

T (включено) = 14/24 = 0,58 секунди

Това ни дава време за включване на транзистора, което трябва да бъде настроено за веригата по време на пиково слънчево греене за получаване на необходимите 14v на изхода.

Как работи

След като се настрои горното, останалото може да се остави на IC 555 да обработва очакваните саморегулиращи се T (включени) периоди в отговор на намаляващото слънчево греене.

Сега, когато слънчевата светлина намалява, горепосоченото време за включване ще бъде увеличено (или намалено за P-устройство) пропорционално от веригата по линеен начин за осигуряване на постоянни 14V, докато напрежението на панела наистина падне до 14V, когато веригата може просто изключете процедурите.

Параметърът на тока (усилвател) също може да се приеме, че се саморегулира, което винаги се опитва да постигне константата на продукта (VxI) през целия процес на оптимизация. Това е така, защото конверторът винаги трябва да преобразува входа за високо напрежение в пропорционално увеличено ниво на тока на изхода.

И все пак, ако се интересувате да бъдете напълно потвърдени относно резултатите, можете да се обърнете към следната статия за съответните формули:

Изчисляване на напрежение, ток в индуктор

Сега нека видим как изглежда финалната схема, проектирана от мен, от следната информация:

Както можете да видите в горната схема, основната диаграма е идентична с по-ранната схема за самооптимизиране на слънчевото зарядно устройство, с изключение на включването на IC4, който е конфигуриран като последовател на напрежението и е заменен на мястото на етапа на последовател на излъчвателя BC547. Това се прави, за да се осигури по-добра реакция за контролния щифт IC2 на пин # 5 от панела.

Обобщаване на основните функции на слънчевия оптимизатор

Функционирането може да бъде преразгледано, както е дадено в: IC1 генерира честота на квадратни вълни при около 10kHz, която може да бъде увеличена до 20kHz чрез промяна на стойността на C1.

Тази честота се подава към pin2 на IC2 за производство на бързо превключващи триъгълни вълни на pin # 7 с помощта на T1 / C3.

Напрежението на панела се регулира подходящо от P2 и се подава към степента на последовател на напрежение IC4 за захранване на щифта # 5 на IC2.

Този потенциал на пин # 5 на IC2 от панела се сравнява с пин # 7 бързи триъгълни вълни за създаване на съответно оразмерени PWM данни на пин # 3 на IC2.

В пиковия слънчев блясък P2 е подходящо регулиран така, че IC2 генерира възможно най-широките ШИМ и когато слънчевият блясък започне да намалява, ШИМ пропорционално се стеснява.

Горният ефект се подава към основата на PNP BJT за инвертиране на отговора през прикрепения каскаден конвертор.

Подсказва, че при пиково слънчево греене, по-широките ШИМ принуждават PNP устройството да провежда оскъдно {намален T (период на включване)}, причинявайки по-тесни форми на вълната да достигнат индуктор на ниско ниво ... но тъй като напрежението на панела е високо, нивото на входното напрежение {V (in)} достигането на индуктор на бокса е равно на нивото на напрежението на панела.

По този начин в тази ситуация конверторът с помощта на правилно изчислените T (on) и V (in) е в състояние да произведе правилното необходимо изходно напрежение за товара, което може да бъде много по-ниско от напрежението на панела, но при пропорционално усилено ниво на тока (усилвателя).

Сега, когато слънчевият блясък пада, ШИМ също се стесняват, позволявайки на пропорционално да се увеличи PNP T (включено), което от своя страна помага на индуктора да компенсира намаляващото слънчево греене чрез повишаване на изходното напрежение пропорционално ... тока (усилвател) ) коефициентът сега се намалява пропорционално в хода на действието, като се уверява, че изходната консистенция е перфектно поддържана от конвертора на долари.

T2 заедно със свързаните компоненти формират текущия ограничаващ етап или етап на усилвателя на грешки. Той гарантира, че изходното натоварване никога не е разрешено да консумира нещо над номиналните спецификации на дизайна, така че системата никога да не се разклаща и производителността на слънчевия панел никога да не се отклонява от зоната с висока ефективност.

C5 е показан като 100uF кондензатор, но за подобрен резултат това може да бъде увеличено до 2200uF стойност, тъй като по-високите стойности ще осигурят по-добър контрол на пулсациите и по-гладко напрежение за товара.

P1 е за регулиране / коригиране на компенсираното напрежение на изхода на операционния усилвател, така че щифт # 5 е в състояние да получи перфектни нулеви волта при липса на напрежение на слънчевия панел или когато напрежението на слънчевия панел е под характеристиките на напрежението на товара.

Спецификацията L1 може да бъде приблизително определена с помощта на информацията, предоставена в следната статия:

Как да изчислим индуктори в SMPS вериги

Слънчев оптимизатор, използващ Op Amps

Друга много проста, но ефективна схема на слънчевия оптимизатор може да бъде направена чрез използване на LM338 IC и няколко opamps.

Нека разберем предложената схема (слънчев оптимизатор) с помощта на следните точки: Фигурата показва схема на регулатор на напрежение LM338, която има функция за управление на тока също под формата на транзистор BC547, свързан през регулиращ и заземен щифт на IC.

Opamps Използвани като компаратори

Двата opamps са конфигурирани като сравнителни. Всъщност много такива етапи могат да бъдат включени за засилване на ефектите.

В настоящия дизайн предварително зададената настройка на щифт № 3 на А1 се регулира така, че изходът на А1 да се повиши, когато интензивността на слънчевия блясък над панела е с около 20% по-малка от пиковата стойност.

По същия начин, етапът А2 се настройва така, че изходът му да се повиши, когато слънчевото греене е с около 50% по-малко от пиковата стойност.

Когато изходът A1 се повиши, RL # 1 задейства свързването на R2 в съответствие с веригата, като прекъсва R1.

Първоначално при пиков слънчев блясък R1, чиято стойност е избрана много по-ниска, позволява максимален ток да достигне до батерията.

Електрическа схема

Когато слънчевата светлина падне, напрежението на панела също спада и сега не можем да си позволим да изтегляме тежък ток от панела, защото това би свалило напрежението под 12V, което може изцяло да спре процеса на зареждане.

Превключване на реле за текуща оптимизация

Следователно, както е обяснено по-горе, A1 влиза в действие и прекъсва R1 и свързва R2. R2 е избран на по-висока стойност и позволява само ограничено количество ток към батерията, така че слънчевото напрежение да не падне под 15 вота, ниво, което е задължително необходимо на входа на LM338.

Когато слънчевото греене падне под втория зададен праг, A2 активира RL # 2, който от своя страна превключва R3, за да направи тока към батерията още по-нисък, като се увери, че напрежението на входа на LM338 никога не пада под 15V, но скоростта на зареждане до батерията винаги се поддържа до най-близките оптимални нива.

Ако етапите на операционния усилвател се увеличат с по-голям брой релета и последващи действия по управление на тока, устройството може да бъде оптимизирано с още по-добра ефективност.

Горната процедура зарежда батерията бързо при силен ток по време на пикови слънчеви лъчи и намалява тока, когато интензивността на слънцето над панела пада, и съответно доставя батерията с правилния номинален ток, така че да се зареди напълно в края на деня.

Какво се случва с батерия, която може да не е разредена?

Да предположим, че в случай, че батерията не е разредена оптимално, за да премине през горния процес на следващата сутрин, ситуацията може да бъде фатална за батерията, тъй като първоначалният висок ток може да има отрицателни ефекти върху батерията, тъй като тя все още не е разредена до определеното рейтинги.

За да се провери горният проблем, се въвеждат още няколко opamps, A3, A4, които следят нивото на напрежението на батерията и инициират същите действия, както направени от A1, A2, така че токът към батерията да бъде оптимизиран по отношение на напрежението или нивото на заряд, присъстващи в батерията през този период от време.