Hur man skapar en solpaneloptimeringskrets

Den föreslagna soloptimeringskretsen kan användas för att få maximal möjlig uteffekt när det gäller ström och spänning från en solpanel, som svar på de olika solljusförhållandena.

Ett par enkla men ändå effektiva laddarkretsar för solpaneler optimeras förklaras i det här inlägget. Den första kan byggas med hjälp av ett par 555 IC och några andra linjära komponenter, den andra optin är ännu enklare och använder mycket vanliga IC som LM338 och op amp IC 741. Låt oss lära oss procedurerna.

Kretsmål

Som vi alla vet blir det möjligt att skaffa högsta effektivitet från någon form av strömförsörjning om proceduren inte involverar växling av strömförsörjningsspänningen, vilket innebär att vi vill erhålla den specifika nödvändiga lägre spänningsnivån och maximal ström för den belastning som är manövreras utan att källspänningsnivån störs och utan att generera värme.

Kort sagt bör en berörd soloptimeringsapparat tillåta sin uteffekt med maximal erforderlig ström, vilken lägre nivå som krävs av spänningen men ändå se till att spänningsnivån över panelen förblir opåverkad.

En metod som diskuteras här involverar PWM-teknik som kan betraktas som en av de optimala metoderna hittills.

Vi bör vara tacksamma mot detta lilla geni som kallas IC 555, vilket gör att alla svåra begrepp ser så lätta ut.

Använda IC 555 för PWM-konvertering

Även i detta koncept införlivar vi och är starkt beroende av ett par IC 555s för den nödvändiga implementeringen.

När vi tittar på det angivna kretsschemat ser vi att hela designen i grunden är uppdelad i två steg.

Det övre spänningsregulatorsteget och det nedre PWM-generatorsteget.

Det övre steget består av en p-kanal mosfet som är placerad som en omkopplare och svarar på den applicerade PWM-informationen vid dess grind.

Det nedre steget är ett PWM-generatorsteg. Ett par 555 IC: er är konfigurerade för de föreslagna åtgärderna.

Hur kretsfunktionerna fungerar

IC1 är ansvarig för att producera de erforderliga fyrkantiga vågorna som bearbetas av den konstantströmiga triangelvåggeneratorn innefattande T1 och tillhörande komponenter.

Denna triangulära våg appliceras på IC2 för bearbetning till de nödvändiga PWM: erna.

PWM-avståndet från IC2 beror dock på spänningsnivån vid dess stift nr 5, som härleds från ett resistivt nätverk över panelen via 1K-motståndet och 10K-förinställningen.

Spänningen mellan detta nätverk är direkt proportionell mot de olika panelvoltema.

Under toppspänningar blir PWM bredare och vice versa.

Ovanstående PWM: er appliceras på mosfet gate som leder och tillhandahåller den erforderliga spänningen till det anslutna batteriet.

Som diskuterats tidigare, genererar panelen högre spänningsnivå under högre solsken, högre spänning betyder IC2 som genererar bredare PWM, vilket i sin tur håller MOSFE avstängd under längre perioder eller PÅ under relativt kortare perioder, vilket motsvarar ett genomsnittligt spänningsvärde som kan vara runt 14,4 V över batteripolerna.

När solen skiner försämras, blir PWM: erna proportionellt smalt placerade så att mosfet kan leda mer så att den genomsnittliga strömmen och spänningen över batteriet tenderar att förbli vid de optimala värdena.

10K-förinställningen bör justeras för att komma runt 14,4V över utgångarna under starkt solsken.

Resultaten kan övervakas under olika solljusförhållanden.

Den föreslagna solpaneloptimeringskretsen säkerställer en stabil laddning av batteriet utan att påverka eller spänna panelspänningen vilket också resulterar i lägre värmeproduktion.

Obs! Den anslutna svävpanelen ska kunna generera 50% mer spänning än det anslutna batteriet vid högsta solsken. Strömmen bör vara 1/5 av batteriets AH-värde.

Hur man ställer in kretsen

1. Det kan göras på följande sätt:
2. Först hålla S1 avstängd.
3. Exponera panelen för maximalt solsken och justera förinställningen för att få den erforderliga optimala laddningsspänningen över mosfets avloppsdiodutgång och mark.
4. Kretsen är klar nu.
5. När detta är gjort, slå PÅ S1, batteriet börjar laddas i bästa möjliga optimerade läge.

Lägga till en aktuell kontrollfunktion

En noggrann undersökning av ovanstående krets visar att när mosfet försöker kompensera den fallande panelens spänningsnivå, låter det batteriet dra mer ström från panelen, vilket påverkar panelspänningen och tappar det längre ner och inducerar en run-away situation, detta kan allvarligt hindra optimeringsprocessen

En strömstyrningsfunktion som visas i följande diagram tar hand om detta problem och förbjuder batteriet att dra överström över de angivna gränserna. Detta i sin tur hjälper till att hålla panelspänningen opåverkad.

RX som är strömbegränsningsmotståndet kan beräknas med hjälp av följande formel:

RX = 0,6 / I, där I är den angivna minimiladdningsströmmen för det anslutna batteriet

En rå men enklare version av den ovan förklarade designen kan byggas som föreslagits av Mr. Dhyaksa med användning av pin2 och pin6 tröskeldetektering av IC555, hela diagrammet kan bevittnas nedan:

Ingen optimering utan en Buck Converter

Ovanstående förklarade design fungerar med ett grundläggande PWM-koncept som automatiskt justerade PWM för en 555-baserad krets som svar på den förändrade solintensiteten.

Även om utgången från denna krets ger ett självjusterande svar för att bibehålla en konstant medelspänning vid utgången, justeras toppspänningen aldrig vilket gör det avsevärt farligt för laddning av Li-ion- eller Lipo-batterier.

Dessutom är ovanstående krets inte utrustad för att omvandla överskottsspänningen från panelen till en proportionell ström för den anslutna lägre spänningsbelastningen.

Lägga till en Buck Converter

Jag försökte rätta till detta tillstånd genom att lägga till ett buck-omvandlarsteg till ovanstående design och kunde producera en optimering som såg mycket ut som en MPPT-krets.

Men även med den här förbättrade kretsen kunde jag inte vara helt övertygad om huruvida kretsen verkligen kunde producera en konstant spänning med nedklippt toppnivå och en förstärkt ström som svar på de olika solintensitetsnivåerna.

För att vara helt säker på konceptet och för att eliminera alla förvirringar var jag tvungen att gå igenom en uttömmande studie om buck-omvandlare och det involverade förhållandet mellan ingångs- / utgångsspänningar, ström och PWM-förhållanden (arbetscykel), vilket inspirerade mig att skapa följande relaterade artiklar:

Hur Buck Converters fungerar

Beräkning av spänning, ström i en spindel

De avslutande formlerna som erhållits från ovanstående två artiklar hjälpte till att klargöra alla tvivel och slutligen kunde jag vara helt säker på min tidigare föreslagna soloptimeringskrets med hjälp av en buck-omvandlare-krets.

Analys av PWM-arbetscykelvillkor för designen

Den grundläggande formeln som gjorde saker tydligt tydliga kan ses nedan:

Vout = DVin

Här är V (in) ingångsspänningen som kommer från panelen, Vout är den önskade utspänningen från buck-omvandlaren och D är arbetscykeln.

Från ekvationen blir det uppenbart att Vout helt enkelt kan skräddarsys genom att 'antingen' styra arbetscykeln för buckomvandlaren eller Vin ... eller med andra ord är Vin- och arbetscykelparametrarna direkt proportionerliga och påverkar varandra värden linjärt.

I själva verket är termerna extremt linjära vilket gör dimensioneringen av en soloptimeringskrets mycket enklare med hjälp av en buck-omvandlingskrets.

Det innebär att när Vin är mycket högre (@ peak sunshine) än belastningsspecifikationerna, kan IC 555-processorn göra PWM: erna proportionellt smalare (eller bredare för P-enhet) och påverka Vout att förbli på önskad nivå, och omvänt som solen minskar kan processorn utvidga (eller begränsa P-enheten) PWM: erna igen för att säkerställa att utspänningen bibehålls vid den angivna konstanta nivån.

Utvärdering av PWM-implementeringen genom ett praktiskt exempel

Vi kan bevisa ovanstående genom att lösa den givna formeln:

Låt oss anta att topppanelspänningen V (in) är 24V

och PWM ska bestå av 0,5 sek ON-tid och 0,5 sec OFF-tid

Driftscykel = Transistor På tid / Puls PÅ + AV tid = T (på) / 0,5 + 0,5 sek

Driftscykel = T (på) / 1

Därför ersätter vi ovanstående i nedanstående formel får vi,

V (ut) = V (in) x T (på)

14 = 24 x T (på)

där 14 är den antagna erforderliga utspänningen,

därför,

T (på) = 14/24 = 0,58 sekunder

Detta ger oss PÅ-tiden för transistorn som måste ställas in för kretsen under topp solsken för att producera erforderlig 14v vid utgången.

Hur det fungerar

När ovanstående har ställts in kan resten lämnas åt IC 555 att bearbeta de förväntade självjusterande T (på) -perioderna som svar på det minskande solskenet.

Nu när solskenet minskar skulle ovanstående PÅ-tid ökas (eller minskas för P-enhet) proportionellt av kretsen på ett linjärt sätt för att säkerställa en konstant 14V, tills panelspänningen verkligen faller ner till 14V, när kretsen bara kunde stänga av procedurerna.

Den aktuella (amp) -parametern kan också antas vara självjusterande, vilket alltid försöker uppnå (VxI) produktkonstant under hela optimeringsprocessen. Detta beror på att en buck-omvandlare alltid ska konvertera högspänningsingången till en proportionellt ökad strömnivå vid utgången.

Fortfarande om du är intresserad av att bli helt bekräftad angående resultaten kan du hänvisa till följande artikel för relevanta formler:

Beräkning av spänning, ström i en spindel

Låt oss nu se hur den slutliga kretsen designad av mig ser ut, från följande info:

Som du kan se i ovanstående diagram är grunddiagrammet identiskt med den tidigare självoptimerande solcellsladdarkretsen, förutom inkluderingen av IC4 som är konfigurerad som en spänningsföljare och ersätts i stället för BC547-emitterföljningssteget. Detta görs för att ge ett bättre svar för IC2-stift nr 5-styrutgången från panelen.

Sammanfattar solfunktionens grundläggande funktion

Funktionen kan ses över enligt: ​​IC1 genererar en fyrkantvågsfrekvens vid cirka 10 kHz som kan ökas till 20 kHz genom att ändra värdet på C1.

Denna frekvens matas till pin2 i IC2 för tillverkning av snabbväxlande triangelvågor vid stift nr 7 med hjälp av T1 / C3.

Panelspänningen justeras lämpligen av P2 och matas till IC4-spänningsföljningssteget för matning av stift nr 5 på IC2.

Denna potential vid stift nr 5 i IC2 från panelen jämförs med stift nr 7 snabba triangelvågor för att skapa motsvarande dimensionerade PWM-data vid stift nr 3 i IC2.

Vid högsta solsken lyser P2 på lämpligt sätt så att IC2 genererar så breda PWM som möjligt och när solskenet minskar blir PWM proportionellt smalare.

Ovanstående effekt matas till basen av en PNP BJT för att invertera svaret över det bifogade buckomvandlarsteget.

Implicerar att vid bredare solsken tvingar de bredare PWM: erna PNP-enheten att leda lite {reducerad T (på) tidsperiod}, vilket får smalare vågformer att nå induktorn ... men eftersom panelspänningen är hög, är ingångsspänningsnivån {V (in)} att nå buckinduktorn är lika med panelens spänningsnivå.

I denna situation kan därför bockomvandlaren med hjälp av korrekt beräknade T (på) och V (in) producera rätt erforderlig utspänning för lasten, som kan vara mycket lägre än panelspänningen, men vid en proportionellt förhöjd strömnivå (amp).

Nu när solen skiner sjunker, blir PWM: erna också smalare, vilket gör att PNP T (på) kan öka proportionellt, vilket i sin tur hjälper buckinduktorn att kompensera för det minskande solskenet genom att höja utspänningen proportionellt ... strömmen (amp ) -faktorn minskas nu proportionellt under åtgärdens gång och ser till att utmatningskonsistensen bibehålls perfekt av buck-omvandlaren.

T2 tillsammans med tillhörande komponenter bildar det aktuella begränsningssteget eller felförstärkarsteget. Det ser till att uteffekten aldrig får konsumera någonting över konstruktionens nominella specifikationer, så att systemet aldrig skramlas och solpanelens prestanda aldrig får avledas från sin högeffektiva zon.

C5 visas som en 100uF kondensator, men för ett förbättrat resultat kan detta ökas till 2200uF-värde, eftersom högre värden kommer att säkerställa bättre krusningsströmstyrning och jämnare spänning för lasten.

P1 är för att justera / korrigera förskjutningsspänningen för opamputgången, så att stift nr 5 kan ta emot perfekta noll volt i frånvaro av en solpanelspänning eller när solpanelens spänning ligger under belastningsspecifikationerna.

L1-specifikationen kan bestämmas ungefär med hjälp av informationen i följande artikel:

Hur man beräknar induktorer i SMPS-kretsar

Solar Optimizer med Op-förstärkare

En annan mycket enkel men ändå effektiv soloptimeringskrets kan göras genom att använda en LM338 IC och några opamper.

Låt oss förstå den föreslagna kretsen (soloptimeringsapparat) med hjälp av följande punkter: Figuren visar en LM338-spänningsregulatorkrets som har en strömstyrningsfunktion också i form av transistorn BC547 ansluten över IC och jordstift.

Opamps används som komparatorer

De två opamperna är konfigurerade som komparatorer. I själva verket kan många sådana steg införlivas för att förbättra effekterna.

I den nuvarande konstruktionen justeras A1: s förinställning av stift nr 3 så att utmatningen från A1 blir hög när solens intensitet över panelen är cirka 20% mindre än toppvärdet.

På samma sätt justeras A2-steget så att dess effekt blir hög när solskenet är cirka 50% mindre än toppvärdet.

När A1-utgången blir hög utlöser RL # 1 anslutning av R2 i linje med kretsen och kopplar bort R1.

Ursprungligen vid högsta solsken, R1 vars värde väljs mycket lägre, tillåter maximal ström att nå batteriet.

Kretsschema

När solskenet sjunker sjunker också panelens spänning och nu har vi inte råd att dra kraftig ström från panelen eftersom det skulle sänka spänningen under 12V vilket helt kan stoppa laddningsprocessen.

Reläbyte för aktuell optimering

Så som förklaras ovan kommer A1 till handling och kopplar bort R1 och ansluter R2. R2 väljs till ett högre värde och tillåter endast en begränsad mängd ström till batteriet så att solspänningen inte kraschar under 15 röster, en nivå som absolut krävs vid ingången till LM338.

När solskenet faller under det andra inställda tröskelvärdet aktiverar A2 RL # 2 som i sin tur byter R3 för att göra strömmen till batteriet ännu lägre och se till att spänningen vid ingången till LM338 aldrig sjunker under 15V, men ändå laddningshastigheten till batteriet hålls alltid på bästa möjliga nivå.

Om opampstegen utökas med fler reläer och efterföljande strömstyrning kan enheten optimeras med ännu bättre effektivitet.

Ovanstående procedur laddar batteriet snabbt vid hög ström under höga solsken och sänker strömmen när solintensiteten över panelen sjunker och förser motsvarande batteriet med rätt märkström så att det blir fulladdat i slutet av dagen.

Vad händer med ett batteri som kanske inte laddas ur?

Antag att om batteriet inte laddas ur optimalt för att gå igenom ovanstående process nästa morgon, kan situationen vara dödlig för batteriet, eftersom den initiala höga strömmen kan ha negativa effekter på batteriet eftersom det ännu inte laddats ur till det angivna betyg.

För att kontrollera ovanstående problem introduceras ett par fler opamps, A3, A4, som övervakar batteriets spänningsnivå och initierar samma åtgärder som gjorda av A1, A2, så att strömmen till batteriet optimeras med avseende på spänningen eller laddningsnivån som finns i batteriet under den tiden.