Hoe maak je een zonnepaneel optimalisatie circuit

Het voorgestelde zonne-optimalisatieschakeling kan worden gebruikt om de maximaal mogelijke output in termen van stroom en spanning van een zonnepaneel te krijgen, in reactie op de variërende zonlichtomstandigheden.

Een paar eenvoudige maar effectieve laadcircuits voor zonnepaneeloptimalisatie worden in dit bericht uitgelegd. De eerste kan worden gebouwd met een paar 555 IC's en een paar andere lineaire componenten, de tweede optin is nog eenvoudiger en gebruikt heel gewone IC's zoals LM338 en opamp IC 741. Laten we de procedures leren.

Circuit doelstelling

Zoals we allemaal weten, wordt het verkrijgen van de hoogste efficiëntie van elke vorm van voeding haalbaar als de procedure geen shunting van de voedingsspanning inhoudt, wat betekent dat we het specifieke vereiste lagere spanningsniveau en maximale stroom willen verkrijgen voor de belasting die is worden gebruikt zonder het bronspanningsniveau te verstoren en zonder warmte te genereren.

In het kort, een betrokken zonne-optimalisator moet zijn output toelaten met de maximale vereiste stroom, elk lager niveau van de vereiste spanning, maar ervoor zorgen dat het spanningsniveau over het paneel onaangetast blijft.

Een methode die hier wordt besproken, betreft de PWM-techniek die tot nu toe als een van de optimale methoden kan worden beschouwd.

We zouden dit kleine genie, de IC 555, dankbaar moeten zijn, waardoor alle moeilijke concepten er zo gemakkelijk uitzien.

IC 555 gebruiken voor de PWM-conversie

Ook in dit concept integreren we, en zijn we sterk afhankelijk van, een aantal IC 555's voor de vereiste implementatie.

Als we naar het gegeven schakelschema kijken, zien we dat het hele ontwerp in feite in twee fasen is verdeeld.

De bovenste spanningsregelaarstrap en de onderste PWM-generatortrap.

De bovenste trap bestaat uit een p-kanaal mosfet die als schakelaar is gepositioneerd en reageert op de toegepaste PWM-info aan de poort.

De onderste trap is een PWM-generatortrap. Een paar 555 IC's zijn geconfigureerd voor de voorgestelde acties.

Hoe het circuit functioneert

IC1 is verantwoordelijk voor het produceren van de vereiste blokgolven die worden verwerkt door de constante stroom driehoeksgolfgenerator die T1 en de bijbehorende componenten omvat.

Deze driehoekige golf wordt toegepast op IC2 voor verwerking tot de vereiste PWM's.

De afstand tussen de PWM en IC2 is echter afhankelijk van het spanningsniveau op pin # 5, dat is afgeleid van een resistief netwerk over het paneel via de 1K-weerstand en de 10K-preset.

De spanning tussen dit netwerk is recht evenredig met de variërende paneelvoltage.

Tijdens piekspanningen worden de PWM's breder en vice versa.

De bovenstaande PWM's worden toegepast op de mosfet-poort die geleidt en de vereiste spanning levert aan de aangesloten batterij.

Zoals eerder besproken, genereert het paneel tijdens piekzonneschijn een hoger spanningsniveau, hogere spanningsmiddelen IC2 die bredere PWM's genereren, waardoor de mosfe op zijn beurt voor langere perioden uitgeschakeld of relatief korter ingeschakeld blijft, wat overeenkomt met een gemiddelde spanningswaarde die zou kunnen ongeveer 14,4 V zijn over de accupolen.

Wanneer de zon verslechtert, worden de PWM's proportioneel nauw uit elkaar geplaatst, waardoor de mosfet meer kan geleiden, zodat de gemiddelde stroom en spanning over de batterij de neiging hebben om op de optimale waarden te blijven.

De 10K-preset moet worden aangepast om bij fel zonlicht rond de 14,4V over de uitgangsaansluitingen te komen.

De resultaten kunnen worden gecontroleerd onder verschillende zonlichtomstandigheden.

Het voorgestelde optimalisatieschakeling voor zonnepanelen zorgt voor een stabiel opladen van de batterij, zonder de paneelspanning te beïnvloeden of te shunten, wat ook resulteert in een lagere warmteontwikkeling.

Opmerking: het aangesloten zweefpaneel zou bij piekuren 50% meer spanning moeten kunnen genereren dan de aangesloten accu. De stroom moet 1/5 zijn van de AH-classificatie van de batterij.

Hoe het circuit te installeren

1. Het kan op de volgende manier worden gedaan:
2. Houd S1 in eerste instantie uitgeschakeld.
3. Stel het paneel bloot aan piekzonlicht en pas de preset aan om de vereiste optimale laadspanning over de uitgang van de mosfet-afvoerdiode en aarde te krijgen.
4. Het circuit is nu helemaal klaar.
5. Zodra dit is gebeurd, schakelt u S1 in, de batterij wordt opgeladen in de best mogelijke geoptimaliseerde modus.

Een huidige besturingsfunctie toevoegen

Een zorgvuldig onderzoek van het bovenstaande circuit toont aan dat wanneer de mosfet het dalende paneelspanningsniveau probeert te compenseren, de batterij meer stroom van het paneel kan trekken, wat van invloed is op de paneelspanning die verder naar beneden daalt en een uitloopsituatie induceert. kan het optimalisatieproces ernstig belemmeren

Een stroomregelingsfunctie zoals weergegeven in het volgende diagram lost dit probleem op en verhindert dat de batterij overmatige stroom trekt buiten de gespecificeerde limieten. Dit helpt op zijn beurt om de paneelspanning onaangetast te houden.

RX, de huidige beperkende weerstand, kan worden berekend met behulp van de volgende formule:

RX = 0,6 / I, waarbij I de gespecificeerde minimale laadstroom is voor de aangesloten accu

Een ruwe maar eenvoudigere versie van het hierboven toegelichte ontwerp kan worden gebouwd zoals voorgesteld door de heer Dhyaksa met behulp van pin2 en pin6 drempeldetectie van de IC555, het volledige diagram kan hieronder worden bekeken:

Geen optimalisatie zonder een Buck Converter

Het hierboven uiteengezette ontwerp werkt met een basis PWM-concept dat automatisch de PWM van een 555-gebaseerd circuit aanpast in reactie op de veranderende zonintensiteit.

Hoewel de output van dit circuit een zelfregulerende respons produceert om een ​​constante gemiddelde spanning aan de uitgang te behouden, wordt de piekspanning nooit aangepast, waardoor het aanzienlijk gevaarlijk is om Li-ion- of Lipo-batterijen op te laden.

Bovendien is het bovenstaande circuit niet uitgerust om de overtollige spanning van het paneel om te zetten in een evenredige hoeveelheid stroom voor de aangesloten nominale belasting met lagere spanning.

Een Buck-converter toevoegen

Ik heb geprobeerd deze toestand recht te zetten door een buck-convertertrap toe te voegen aan het bovenstaande ontwerp, en kon een optimalisatie produceren die erg leek op een MPPT-circuit.

Maar zelfs met dit verbeterde circuit kon ik niet helemaal overtuigd zijn of het circuit echt in staat was om een ​​constante spanning te produceren met een verlaagd piekniveau en een verhoogde stroom als reactie op de verschillende intensiteitsniveaus van de zon.

Om volledig zeker te zijn van het concept en om alle verwarring weg te nemen, moest ik een uitgebreide studie doorlopen met betrekking tot buck-converters en de betrokken relatie tussen de ingangs- / uitgangsspanningen, stroom en de PWM-verhoudingen (duty cycle), die inspireerde mij om de volgende gerelateerde artikelen te maken:

Hoe Buck Converters werken

Het berekenen van spanning, stroom in een buck-inductor

De afsluitende formules verkregen uit de bovenstaande twee artikelen hielpen om alle twijfels weg te nemen en uiteindelijk kon ik volkomen zeker zijn van mijn eerder voorgestelde zonne-optimalisatieschakeling met behulp van een buck-convertercircuit.

Analyse van PWM Duty Cycle Condition voor het ontwerp

De fundamentele formule die de zaken duidelijk duidelijk maakte, is hieronder te zien:

Vout = DVin

Hier is V (in) de ingangsspanning die van het paneel komt, Vout is de gewenste uitgangsspanning van de buck-converter en D is de duty-cycle.

Uit de vergelijking wordt duidelijk dat de Vout eenvoudig kan worden aangepast door 'ofwel' de duty-cycle van de buck-converter of de Vin te regelen ... of met andere woorden, de Vin- en de duty-cycle-parameters zijn direct evenredig en beïnvloeden elkaar waarden lineair.

In feite zijn de termen extreem lineair, wat de dimensionering van een zonne-optimalisatieschakeling veel eenvoudiger maakt met behulp van een buck-convertercircuit.

Het impliceert dat wanneer Vin veel hoger is (@ piekzon) dan de belastingsspecificaties, de IC 555-processor de PWM's proportioneel smaller kan maken (of breder voor P-apparaat) en de Vout kan beïnvloeden om op het gewenste niveau te blijven, en omgekeerd de zon zakt, kan de processor de PWM's weer verbreden (of versmallen voor P-device) om ervoor te zorgen dat de uitgangsspanning op het gespecificeerde constante niveau wordt gehouden.

Evaluatie van de PWM-implementatie aan de hand van een praktijkvoorbeeld

We kunnen het bovenstaande bewijzen door de gegeven formule op te lossen:

Laten we aannemen dat de piekpaneelspanning V (in) 24 V is

en de PWM bestaat uit een AAN-tijd van 0,5 sec en een UIT-tijd van 0,5 sec

Inschakelduur = Transistor AAN tijd / Puls AAN + UIT tijd = T (aan) / 0,5 + 0,5 sec

Inschakelduur = T (aan) / 1

Daarom vervangen we het bovenstaande in de onderstaande formule die we krijgen,

V (uit) = V (in) x T (aan)

14 = 24 x T (aan)

waarbij 14 de veronderstelde vereiste uitgangsspanning is,

daarom

T (aan) = 14/24 = 0,58 seconden

Dit geeft ons de transistor AAN-tijd die moet worden ingesteld voor het circuit tijdens piekzon voor het produceren van de vereiste 14v aan de uitgang.

Hoe het werkt

Zodra het bovenstaande is ingesteld, kan de rest worden overgelaten aan de IC 555 om deze te verwerken voor de verwachte zelfinstellende T (aan) -perioden in reactie op de afnemende zonneschijn.

Nu de zonneschijn afneemt, zou de bovenstaande AAN-tijd proportioneel worden verlengd (of verkort voor P-apparaat) door het circuit op een lineaire manier om een ​​constante 14V te garanderen, totdat de paneelspanning echt daalt tot 14V, terwijl het circuit net zou kunnen sluit de procedures af.

Aangenomen kan worden dat de huidige (amp) parameter zichzelf aanpast, dat wil zeggen altijd proberen de (VxI) productconstante te bereiken tijdens het optimalisatieproces. Dit komt omdat een buck-converter altijd de hoogspanningsingang moet omzetten in een proportioneel verhoogd stroomniveau aan de uitgang.

Als u echter geïnteresseerd bent om volledig bevestigd te worden met betrekking tot de resultaten, kunt u het volgende artikel raadplegen voor de relevante formules:

Het berekenen van spanning, stroom in een buck-inductor

Laten we nu eens kijken hoe het laatste circuit dat door mij is ontworpen eruit ziet, aan de hand van de volgende informatie:

Zoals u in het bovenstaande diagram kunt zien, is het basisschema identiek aan het eerdere zelfoptimaliserende zonnelaadcircuit, behalve de opname van IC4 die is geconfigureerd als een spanningsvolger en wordt vervangen in plaats van de BC547-emittervolger. Dit wordt gedaan om een ​​betere respons te geven voor de IC2 pin # 5 controle pinout van het paneel.

Een samenvatting van de basiswerking van de Solar Optimizer

De werking kan worden herzien zoals aangegeven onder: IC1 genereert een blokgolffrequentie van ongeveer 10 kHz die kan worden verhoogd tot 20 kHz door de waarde van C1 te wijzigen.

Deze frequentie wordt toegevoerd aan pin2 van IC2 voor het produceren van snel schakelende driehoeksgolven op pin # 7 met behulp van T1 / C3.

De paneelspanning wordt op geschikte wijze aangepast door P2 en toegevoerd aan de IC4-spanningsvolger-trap voor het voeden van pin # 5 van de IC2.

Dit potentieel op pin # 5 van IC2 van het paneel wordt vergeleken door pin # 7 snelle driehoeksgolven voor het creëren van de overeenkomstig gedimensioneerde PWM-gegevens op pin # 3 van IC2.

Bij de hoogste zonneschijn wordt P2 op de juiste manier aangepast, zodat IC2 de breedst mogelijke PWM's genereert en naarmate de zonneschijn afneemt, worden de PWM's proportioneel smaller.

Het bovenstaande effect wordt naar de basis van een PNP BJT gevoerd voor het omkeren van de respons over de aangesloten buck-convertertrap.

Houdt in dat bij piekzon de bredere PWM's het PNP-apparaat dwingen om schaars {gereduceerde T (aan) tijdsperiode} te geleiden, waardoor smallere golfvormen de buck-inductor bereiken ... maar aangezien de paneelspanning hoog is, is het ingangsspanningsniveau {V (in)} die de buck-inductor bereikt, is gelijk aan het spanningsniveau van het paneel.

Dus in deze situatie kan de buck-converter met behulp van de correct berekende T (aan) en de V (in) de juiste uitgangsspanning voor de belasting produceren, die veel lager kan zijn dan de paneelspanning, maar op een proportioneel verhoogd stroomniveau (ampère).

Nu de zon zakt, worden de PWM's ook smaller, waardoor de PNP T (aan) proportioneel toeneemt, wat op zijn beurt de buck-inductor helpt om het afnemende zonlicht te compenseren door de uitgangsspanning proportioneel te verhogen ... de stroom (amp. ) factor wordt nu proportioneel verminderd in de loop van de actie, en zorgt ervoor dat de outputconsistentie perfect behouden blijft, door de buck-converter.

T2 vormt samen met de bijbehorende componenten de stroombegrenzingstrap of de foutversterkertrap. Het zorgt ervoor dat de outputbelasting nooit iets mag verbruiken dat hoger is dan de nominale specificaties van het ontwerp, zodat het systeem nooit rammelt en de prestaties van het zonnepaneel nooit afwijken van de hoge efficiëntiezone.

C5 wordt weergegeven als een condensator van 100uF, maar voor een beter resultaat kan dit worden verhoogd tot een waarde van 2200uF, omdat hogere waarden zorgen voor een betere regeling van de rimpelstroom en een soepelere spanning voor de belasting.

P1 is voor het aanpassen / corrigeren van de offsetspanning van de opamp-uitgang, zodat pin # 5 een perfecte nul volt kan ontvangen in afwezigheid van een zonnepaneelspanning of wanneer de zonnepaneelspanning onder de belastingspanningsspecificaties ligt.

De L1-specificatie kan bij benadering worden bepaald met behulp van de informatie in het volgende artikel:

Hoe inductoren in SMPS-circuits te berekenen

Solar Optimizer met Op Amps

Een ander zeer eenvoudig maar effectief circuit voor het optimaliseren van de zon kan worden gemaakt door een LM338 IC en een paar opamps te gebruiken.

Laten we het voorgestelde circuit (zonne-optimizer) begrijpen met behulp van de volgende punten: De afbeelding toont een LM338-spanningsregelaarcircuit dat een stroomregelingsfunctie heeft, ook in de vorm van de transistor BC547 die is aangesloten over de afstelling en de aardingspin van de IC.

Opamps gebruikt als vergelijkers

De twee opamps zijn geconfigureerd als comparators. In feite kunnen veel van dergelijke stadia worden opgenomen om de effecten te versterken.

In het huidige ontwerp is de voorinstelling van A1 op pin # 3 zodanig aangepast dat de output van A1 hoog wordt wanneer de intensiteit van de zonneschijn over het paneel ongeveer 20% minder is dan de piekwaarde.

Evenzo wordt de A2-trap zo aangepast dat de output hoog wordt wanneer de zonneschijn ongeveer 50% minder is dan de piekwaarde.

Wanneer A1-uitgang hoog wordt, triggert RL # 1 het verbinden van R2 in lijn met het circuit, waardoor R1 wordt losgekoppeld.

Aanvankelijk bij piekzon, laat R1, waarvan de waarde een stuk lager is gekozen, maximale stroom naar de batterij.

Schakelschema

Als de zonneschijn daalt, daalt ook de spanning van het paneel en nu kunnen we het ons niet veroorloven om zware stroom uit het paneel te halen, omdat dat de spanning onder de 12V zou verlagen, wat het laadproces volledig zou kunnen stoppen.

Relay-omschakeling voor huidige optimalisatie

Daarom, zoals hierboven uitgelegd, treedt A1 in werking en verbreekt R1 en verbindt R2. R2 is geselecteerd op een hogere waarde en laat slechts een beperkte hoeveelheid stroom naar de batterij toe, zodat de zonnespanning niet onder de 15 vots crasht, een niveau dat absoluut vereist is aan de ingang van LM338.

Wanneer de zonneschijn onder de tweede ingestelde drempel valt, activeert A2 RL # 2 die op zijn beurt R3 schakelt om de stroom naar de batterij nog lager te maken en ervoor te zorgen dat de spanning aan de ingang van de LM338 nooit onder de 15V komt, maar de laadsnelheid naar de batterij wordt altijd onderhouden tot het dichtstbijzijnde optimale niveau.

Als de opamp-trappen worden verhoogd met een groter aantal relais en daaropvolgende stroombesturingsacties, kan de eenheid worden geoptimaliseerd met een nog betere efficiëntie.

De bovenstaande procedure laadt de batterij snel op met hoge stroom tijdens piekzonneschijn en verlaagt de stroom wanneer de intensiteit van de zon over het paneel daalt, en levert dienovereenkomstig de batterij met de juiste nominale stroom zodat deze aan het einde van de dag volledig wordt opgeladen.

Wat gebeurt er met een batterij die niet mag worden ontladen?

Stel dat in het geval dat de batterij niet optimaal wordt ontladen om de volgende ochtend het bovenstaande proces te doorlopen, de situatie fataal kan zijn voor de batterij, omdat de aanvankelijke hoge stroom een ​​negatieve invloed kan hebben op de batterij omdat deze nog moet worden ontladen tot het gespecificeerde waarderingen.

Om het bovenstaande probleem te controleren, zijn er nog een paar opamps geïntroduceerd, A3, A4, die het spanningsniveau van de batterij bewaken en dezelfde acties ondernemen als gedaan door A1, A2, zodat de stroom naar de batterij wordt geoptimaliseerd met betrekking tot het voltage of het laadniveau dat tijdens die periode met de batterij aanwezig is.