Kako narediti vezje za optimizacijo sončne celice

Predlagano vezje solarnega optimizatorja lahko uporabimo za doseganje največje možne izhodne moči glede na tok in napetost iz sončne celice, kot odziv na različne sončne svetlobne pogoje.

V tej objavi je razloženo nekaj preprostih, a učinkovitih polnilnih vezij za optimizacijo sončne celice. Prvega je mogoče izdelati z uporabo 555 IC-jev in nekaj drugih linearnih komponent, drugi optin pa je še bolj preprost in uporablja zelo običajne IC-je, kot sta LM338 in op amp IC 741. Naučimo se postopkov.

Cilj vezja

Kot vsi vemo, je doseganje najvišje učinkovitosti iz katere koli oblike napajanja izvedljivo, če postopek ne vključuje ranžiranja napajalne napetosti, kar pomeni, da želimo doseči posebno zahtevano nižjo raven napetosti in največji tok za obremenitev, ki je obratovanje brez motenja napetosti vira in brez ustvarjanja toplote.

Na kratko bi moral zadevni solarni optimizator omogočiti izhod z največjim zahtevanim tokom, vse nižje stopnje zahtevane napetosti pa vseeno zagotoviti, da napetost na plošči ostane nespremenjena.

Ena od metod, ki je tukaj obravnavana, vključuje tehniko PWM, ki jo lahko štejemo za eno najboljših metod do danes.

Hvaležni bi morali biti temu malemu geniju, imenovanemu IC 555, zaradi katerega so vsi težji koncepti videti tako enostavno.

Uporaba IC 555 za pretvorbo PWM

Tudi v ta koncept smo vključeni in smo pri zahtevani izvedbi močno odvisni od nekaj IC 555.

Če pogledamo dani diagram vezja, vidimo, da je celotna zasnova v osnovi razdeljena na dve stopnji.

Zgornja stopnja regulatorja napetosti in spodnja stopnja generatorja PWM.

Zgornjo stopnjo sestavlja p-kanalni MOSFET, ki je nameščen kot stikalo in se odziva na uporabljene informacije PWM na svojih vratih.

Spodnja stopnja je stopnja generatorja PWM. Za predlagane ukrepe je konfiguriranih nekaj 555 IC-jev.

Kako deluje vezje

IC1 je odgovoren za izdelavo zahtevanih kvadratnih valov, ki jih obdeluje generator konstantnega tokovnega trikotnika, ki vsebuje T1 in pripadajoče komponente.

Ta trikotni val se uporabi na IC2 za obdelavo v zahtevane PWM.

Vendar je razmik PWM od IC2 odvisen od ravni napetosti na njegovem zatiču št. 5, ki izhaja iz uporovnega omrežja na plošči prek upora 1K in prednastavitve 10K.

Napetost med tem omrežjem je neposredno sorazmerna z različnimi volti plošče.

Med največjimi napetostmi se PWM širijo in obratno.

Zgornji PWM se nanašajo na mosfet vrata, ki vodijo in zagotavljajo potrebno napetost priključeni bateriji.

Kot smo že omenili, v času največje sončne svetlobe plošča generira višjo napetost, višja napetost pomeni, da IC2 generira širše PWM-je, kar posledično ohranja mosfe izklopljen dlje časa ali vklopljen za relativno krajša obdobja, kar ustreza povprečni vrednosti napetosti, ki bi lahko mora biti približno 14,4V na terminalih akumulatorja.

Ko se sončni posvet poslabša, se PWM sorazmerno ozko razmaknejo, kar omogoča, da MOSFET vodi več, tako da povprečni tok in napetost na bateriji ostaneta na optimalnih vrednostih.

Prednastavitev 10K je treba prilagoditi tako, da preide približno 14,4V prek izhodnih terminalov pod močnim soncem.

Rezultati se lahko spremljajo v različnih pogojih sončne svetlobe.

Predlagano vezje za optimizacijo sončne celice zagotavlja stabilno polnjenje akumulatorja, ne da bi to vplivalo ali ranžiralo napetost plošče, kar ima za posledico tudi nižjo proizvodnjo toplote.

Opomba: Priklopljena letalna plošča bi morala pri največji sončni svetlobi ustvariti 50% več napetosti kot priključena baterija. Tok mora biti 1/5 ocene akumulatorja AH.

Kako nastaviti vezje

1. To lahko storite na naslednji način:
2. Sprva naj bo S1 izklopljen.
3. Izpostavite ploščo največji sončni svetlobi in prilagodite prednastavitev, da dobite zahtevano optimalno polnilno napetost na izhodu in ozemljitvi odtočne diode MOSFET.
4. Vezje je zdaj nastavljeno.
5. Ko je to končano, vklopite S1, baterija se bo začela polniti v najboljšem možnem optimiziranem načinu.

Dodajanje funkcije trenutnega nadzora

Natančna preiskava zgornjega vezja kaže, da ko mosfet poskuša kompenzirati padajočo raven napetosti plošče, omogoča, da baterija črpa več toka iz plošče, kar vpliva na napetost plošče, ki jo spušča še navzdol, kar povzroča beg, lahko resno ovira postopek optimizacije

Funkcija za nadzor toka, kot je prikazano na spodnjem diagramu, skrbi za to težavo in akumulatorju prepoveduje, da bi prekomerni tok vlekel preko določenih meja. To pa pomaga, da napetost plošče ostane nespremenjena.

RX, ki je trenutno omejevalni upor, lahko izračunamo s pomočjo naslednje formule:

RX = 0,6 / I, kjer je I določeni najmanjši polnilni tok za priključeno baterijo

Surovo, a enostavnejšo različico zgoraj razložene zasnove lahko zgradimo, kot je predlagal g. Dhyaksa, z uporabo zaznavanja pragov pin2 in pin6 IC555, celotnemu diagramu pa lahko spodaj:

Brez optimizacije brez pretvornika Buck

Zgoraj pojasnjeno načrtovanje deluje z uporabo osnovnega koncepta PWM, ki samodejno prilagodi PWM 555 vezja kot odziv na spreminjajočo se intenzivnost sonca.

Čeprav izhod iz tega vezja proizvaja samonastavljiv odziv, da se ohrani konstantna povprečna napetost na izhodu, se najvišja napetost nikoli ne prilagodi, kar je precej nevarno za polnjenje baterij tipa Li-ion ali Lipo.

Poleg tega zgornje vezje ni opremljeno za pretvorbo odvečne napetosti s plošče v sorazmerno količino toka za priključeno nižjo napetost nazivne obremenitve.

Dodajanje pretvornika Buck

Ta pogoj sem poskušal popraviti z dodajanjem stopnje pretvornika dolarjev v zgornjo zasnovo in lahko bi ustvaril optimizacijo, ki je bila zelo podobna vezju MPPT.

Vendar tudi s tem izboljšanim vezjem nisem mogel biti popolnoma prepričan o tem, ali je vezje resnično lahko proizvajalo konstantno napetost z zmanjšano najvišjo stopnjo in ojačanim tokom kot odziv na različne stopnje intenzivnosti sonca.

Da bi bil popolnoma samozavesten glede koncepta in odpravil vse zmede, sem moral skozi izčrpno študijo o pretvornikih pretvornikov in povezanem razmerju med vhodno / izhodno napetostjo, tokom in razmerjem PWM (delovni cikel), ki je navdihnil me, da ustvarim naslednje povezane članke:

Kako delujejo pretvorniki Buck

Izračun napetosti, toka v Buck induktorju

Sklepne formule, pridobljene iz zgornjih dveh člankov, so pomagale razjasniti vse dvome in končno sem bil popolnoma prepričan s svojim predlaganim vezjem solarnega optimizatorja z vezjem pretvornika dolarjev.

Analiza pogoja delovnega cikla PWM za zasnovo

Temeljna formula, ki je stvari jasno pokazala, si lahko ogledate spodaj:

Vout = DVin

Tu je V (in) vhodna napetost, ki prihaja s plošče, Vout je želena izhodna napetost pretvornika, D pa delovni cikel.

Iz enačbe je razvidno, da je mogoče Vout preprosto prilagoditi z 'bodisi' nadzorom delovnega cikla pretvornika ali Vin .... ali z drugimi besedami so parametri Vin in delovni cikel neposredno sorazmerni in vplivajo drug na drugega vrednosti linearno.

V resnici so izrazi izredno linearni, kar olajša dimenzioniranje vezja solarnega optimizatorja z vezjem pretvornika dolarjev.

To pomeni, da lahko procesor IC 555, kadar je Vin veliko višji (@ vrha sonca) od specifikacij za obremenitev, sorazmerno oži PWM (ali širši za P-napravo) in vpliva, da Vout ostane na želeni ravni in obratno kot sonce se zmanjša, lahko procesor znova razširi (ali zoži za P-napravo) PWM, da zagotovi, da se izhodna napetost vzdržuje na določeni konstantni ravni.

Vrednotenje izvajanja PWM na praktičnem primeru

Zgoraj lahko dokažemo z reševanjem dane formule:

Predpostavimo, da je najvišja napetost plošče V (in) 24V

in PWM naj bo sestavljen iz 0,5 sekunde časa vklopa in 0,5 sekunde časa izklopa

Delovni cikel = čas vklopa tranzistorja / čas vklopa + izklop = T (vklop) / 0,5 + 0,5 sek

Delovni cikel = T (vklop) / 1

Z nadomestitvijo zgoraj navedenega v spodnji formuli dobimo,

V (izhod) = V (vhod) x T (vklop)

14 = 24 x T (vklopljeno)

kjer je 14 predpostavljena zahtevana izhodna napetost,

torej,

T (vklopljeno) = 14/24 = 0,58 sekunde

To nam omogoča čas vklopa tranzistorja, ki ga je treba nastaviti za vezje med največjim sončnim žarkom za izdelavo potrebnih 14v na izhodu.

Kako deluje

Ko je zgornje nastavljeno, lahko ostalo ostane IC 555 za obdelavo v pričakovanih obdobjih samodejnega nastavljanja T (vklopa) kot odziv na vse manj sonca.

Zdaj, ko se sončna svetloba zmanjšuje, bi se zgornji čas vklopa linearno povečeval (ali zmanjšal za P-napravo) za vezje, da bi zagotovili konstantno 14V, dokler napetost plošče resnično ne pade na 14V, ko bi vezje lahko samo ustaviti postopke.

Za trenutni (amp) parameter se lahko domneva tudi, da se sam prilagaja, kar poskuša skozi proces optimizacije vedno doseči konstanto izdelka (VxI). To je zato, ker naj bi pretvornik dolarja vedno pretvoril visokonapetostni vhod v sorazmerno povečan trenutni nivo na izhodu.

Če pa želite biti v celoti potrjeni glede rezultatov, si lahko ustrezne formule ogledate v naslednjem članku:

Izračun napetosti, toka v Buck induktorju

Zdaj pa poglejmo, kako izgleda končno vezje, ki sem ga zasnoval, iz naslednjih informacij:

Kot lahko vidite na zgornjem diagramu, je osnovni diagram enak prejšnjemu samodejno optimizirajočemu vezju sončnega polnilca, razen vključitve IC4, ki je konfiguriran kot sledilnik napetosti in je nadomeščen namesto stopnje sledilnika BC547. To se naredi, da se zagotovi boljši odziv krmilnega izhoda IC2 pin 5 s plošče.

Povzetek osnovnega delovanja solarnega optimizatorja

Delovanje je mogoče revidirati, kot je navedeno pod: IC1 generira kvadratno valovno frekvenco pri približno 10kHz, ki bi jo lahko spremenili na 20kHz s spreminjanjem vrednosti C1.

Ta frekvenca se napaja na pin2 IC2 za izdelavo hitrih preklopnih trikotnih valov na pinu 7 s pomočjo T1 / C3.

Napetost plošče ustrezno nastavi P2 in jo dovede na stopnjo sledilnika napetosti IC4 za napajanje zatiča št. 5 IC2.

Ta potencial na nožici št. 5 IC2 s plošče se primerja s hitrimi trikotnimi valovi nožice 7 za ustvarjanje ustrezno dimenzioniranih podatkov PWM na nožki št. 3 IC2.

V času največjega sončnega sijaja je P2 ustrezno nastavljen tako, da IC2 ustvari najširši možni PWM, in ko se sončni sij začne zmanjševati, se PWM sorazmerno oži.

Zgornji učinek se napaja na dnu PNP BJT za obračanje odziva preko pritrjene stopnje pretvornika.

Nakazuje, da ob največji sončni svetlobi širši PWM prisilijo napravo PNP, da vodi skromno {zmanjšano T (vklopljeno) časovno obdobje}, zaradi česar ožje valovne oblike dosežejo dovodni induktor ... toda ker je napetost plošče visoka, je raven vhodne napetosti {V (in)}, ki doseže dovodni tuljav, je enako ravni napetosti plošče.

Tako lahko v tej situaciji pretvornik s pomočjo pravilno izračunanih T (vklop) in V (v) ustvari pravilno zahtevano izhodno napetost za obremenitev, ki bi lahko bila precej nižja od napetosti plošče, vendar pri sorazmerno povečan nivo toka (amp).

Zdaj, ko sončni posvet pada, se PWM tudi ožijo, kar omogoča, da se PNP T (vklop) sorazmerno poveča, kar nato pomaga induktorju, da kompenzira zmanjševanje sonca z sorazmernim zvišanjem izhodne napetosti ... tok (amp ) se faktor med postopkom zdaj sorazmerno zmanjša, pri čemer se prepriča, da pretvornik dolarjev popolnoma ohranja izhodno skladnost.

T2 skupaj s pripadajočimi komponentami tvori trenutno stopnjo omejevanja ali stopnjo ojačevalnika napak. Zagotavlja, da izhodna obremenitev nikoli ne sme porabiti ničesar, kar je višje od ocenjenih specifikacij zasnove, tako da sistem nikoli ne zaskoči in zmogljivost sončne celice nikoli ne sme preusmeriti s svojega območja visoke učinkovitosti.

C5 je prikazan kot kondenzator 100uF, vendar se lahko za izboljšan rezultat poveča na 2200uF, ker bodo višje vrednosti zagotovile boljši nadzor valovitega toka in bolj gladko napetost bremena.

P1 je namenjen prilagajanju / popravljanju odmične napetosti izhoda opampa, tako da lahko pin # 5 sprejme popolno ničelno napetost v odsotnosti napetosti sončne celice ali kadar je napetost sončne celice pod specifikacijami napetosti obremenitve.

Specifikacijo L1 je mogoče približno določiti s pomočjo informacij v naslednjem članku:

Kako izračunati induktorje v vezjih SMPS

Solar Optimizer z uporabo opcijskih ojačevalnikov

Z uporabo LM338 IC in nekaj opampov je mogoče izdelati še eno zelo preprosto, a učinkovito vezje za optimizacijo sonca.

Razumejmo predlagano vezje (solarni optimizator) s pomočjo naslednjih točk: Slika prikazuje vezje regulatorja napetosti LM338, ki ima funkcijo krmiljenja toka tudi v obliki tranzistorja BC547, priključenega preko nastavitvenega in ozemljitvenega zatiča IC.

Opampi, ki se uporabljajo kot primerjalniki

Oba opampa sta konfigurirana kot primerjalnika. Pravzaprav je za povečanje učinkov mogoče vključiti veliko takšnih stopenj.

V sedanji izvedbi je prednastavitev zatiča št. 3 A1 nastavljena tako, da je izhod A1 velik, ko je intenzivnost sončnega sija nad ploščo približno 20% manjša od najvišje vrednosti.

Podobno se stopnja A2 prilagodi tako, da je njen izhod visok, ko je sonca približno 50% manjša od najvišje vrednosti.

Ko gre izhod A1 visok, RL # 1 sproži povezavo R2 v liniji z vezjem in odklopi R1.

Sprva ob vrhuncu sonca R1, katerega vrednost je izbrana precej nižje, omogoča, da akumulator doseže največji tok.

Shema vezja

Ko sonce pade, tudi napetost plošče pade in zdaj si ne moremo privoščiti črpanja močnega toka s plošče, ker bi to zmanjšalo napetost pod 12V, kar bi lahko v celoti ustavilo postopek polnjenja.

Preklop releja za trenutno optimizacijo

Kot je razloženo zgoraj, A1 začne delovati in odklopi R1 ter poveže R2. R2 je izbran pri višji vrednosti in omogoča le omejeno količino toka na baterijo, tako da sončna napetost ne pade pod 15 votov, kar je nujno potrebno na vhodu LM338.

Ko sonce pade pod drugi nastavljeni prag, A2 aktivira RL # 2, ki nato preklopi R3, tako da tok akumulatorja postane še nižji, pri čemer se prepriča, da napetost na vhodu LM338 nikoli ne pade pod 15V, vendar hitrost polnjenja na baterija je vedno na najbližji optimalni ravni.

Če se stopnje opampa povečajo z večjim številom relejev in poznejšimi trenutnimi nadzornimi dejanji, lahko enoto optimizirate s še boljšo učinkovitostjo.

Zgornji postopek akumulator napolni hitro pri močnem toku med največjimi sončnimi žarki in zniža tok, ko intenzivnost sonca nad ploščo pade, in temu primerno dobavi baterijo s pravilnim nazivnim tokom, da se ob koncu dneva popolnoma napolni.

Kaj se zgodi z baterijo, ki se morda ne izprazni?

Recimo, da v primeru, da se baterija ne izprazni optimalno, da bi lahko naslednje jutro šla skozi zgornji postopek, je lahko stanje akumulatorja usodno, ker ima lahko začetni močan tok negativen vpliv na akumulator, ker še ni izpraznjen na določeno ocene.

Da bi preverili zgornjo težavo, je predstavljenih še nekaj opampov, A3, A4, ki nadzirajo napetostni nivo baterije in sprožijo enaka dejanja kot A1, A2, tako da je tok na baterijo optimiziran glede na napetost ali raven napolnjenosti, prisotne v bateriji v tem obdobju.