Homemade Solar MPPT Circuit - Poor Man's Maximum Power Point Tracker

MPPT staat voor maximum power point tracker, een elektronisch systeem dat is ontworpen om het variërende vermogen van een zonnepaneelmodule te optimaliseren, zodat de aangesloten batterij het maximaal beschikbare vermogen van het zonnepaneel benut.

Invoering

OPMERKING: de besproken MPPT-circuits in dit bericht maken geen gebruik van de conventionele besturingsmethoden zoals 'verstoren en observeren', 'incrementele geleiding,' stroomsterkte ',' constante spanning '... enz. Enz ... concentreer u en probeer een paar basiszaken te implementeren:

1. Om ervoor te zorgen dat het input 'wattage' van het zonnepaneel altijd gelijk is aan het output 'wattage' dat de belasting bereikt.
2. De 'kniespanning' wordt nooit verstoord door de belasting en de MPPT-zone van het paneel wordt efficiënt gehandhaafd.

Wat is kniespanning en stroom van een paneel:

Simpel gezegd, de kniespanning is de 'nullastspanning' niveau van het paneel, terwijl de kniestroom de 'kortsluitstroom' maat van het paneel op een bepaald moment.

Als de bovenstaande twee zoveel mogelijk worden gehandhaafd, kan worden aangenomen dat de belasting tijdens de hele werking het MPPT-vermogen krijgt.

Voordat we ingaan op de voorgestelde ontwerpen, laten we eerst kennismaken met enkele basisfeiten met betrekking tot zonne-batterij opladen

We weten dat de output van een zonnepaneel recht evenredig is met de mate van invallend zonlicht, en ook met de omgevingstemperatuur. Wanneer de zonnestralen loodrecht op het zonnepaneel staan, genereert dit de maximale hoeveelheid spanning, en verslechtert naarmate de hoek van 90 graden wegschuift. De atmosferische temperatuur rond het paneel heeft ook invloed op de efficiëntie van het paneel, die daalt naarmate de temperatuur toeneemt .

Daarom kunnen we concluderen dat wanneer de zonnestralen bijna 90 graden boven het paneel zijn en wanneer de temperatuur rond de 30 graden is, de efficiëntie van het paneel in de richting van het maximum is, de snelheid afneemt naarmate de bovenstaande twee parameters afdrijven van hun nominale waarden.

De bovenstaande spanning wordt meestal gebruikt voor het opladen van een batterij, a lood zuur batterij , die op zijn beurt wordt gebruikt voor het bedienen van een omvormer. Maar net als de zonnepaneel heeft zijn eigen operationele criteria , de batterij is er ook niet minder om en biedt enkele strikte voorwaarden om optimaal opgeladen te worden.

De voorwaarden zijn dat de batterij aanvankelijk met een relatief hogere stroom moet worden opgeladen, die geleidelijk moet worden verlaagd tot bijna nul wanneer de batterij een spanning bereikt die 15% hoger is dan zijn normale vermogen.

Ervan uitgaande dat een volledig ontladen 12V-batterij, met een spanning ergens rond de 11,5V, aanvankelijk kan worden opgeladen met een snelheid van ongeveer C / 2 (C = AH van de batterij), zal dit de batterij relatief snel gaan vullen en de spanning naar rond 13V binnen een paar uur.

Op dit punt zou de stroom automatisch moeten worden verlaagd tot bijvoorbeeld C / 5-snelheid, dit zal opnieuw helpen om het snelle oplaadtempo vast te houden zonder de batterij te beschadigen en de spanning binnen een uur te verhogen tot ongeveer 13,5V.

Door de bovenstaande stappen te volgen, kan de stroom nu verder worden verlaagd tot C / 10-snelheid, wat ervoor zorgt dat de oplaadsnelheid en het tempo niet vertragen.

Als de accuspanning ten slotte ongeveer 14,3 V bereikt, kan het proces worden teruggebracht tot een C / 50-snelheid, waardoor het laadproces bijna stopt, maar de lading beperkt tot lagere niveaus.

Het hele proces laadt een diep ontladen batterij op binnen een tijdsbestek van 6 uur zonder de levensduur van de batterij te beïnvloeden.

Een MPPT wordt precies gebruikt om ervoor te zorgen dat bovenstaande procedure optimaal uit een bepaald zonnepaneel wordt gehaald.

Een zonnepaneel kan misschien geen hoge stroomuitgangen leveren, maar het kan zeker hogere spanningen leveren.

De truc zou zijn om de hogere spanningsniveaus om te zetten naar hogere stroomniveaus door middel van een passende optimalisatie van de output van het zonnepaneel.

Omdat de omzettingen van een hogere spanning naar een hogere stroom en vice versa alleen kunnen worden geïmplementeerd via buck boost-converters, zou een innovatieve methode (hoewel een beetje omvangrijk) zijn om een ​​variabel inductorcircuit te gebruiken waarin de inductor veel schakelbare taps zou hebben, deze tikken kunnen worden omgeschakeld door een schakelcircuit in reactie op het variërende zonlicht, zodat de output naar de belasting altijd constant blijft, ongeacht de zon.

Het concept kan worden begrepen door te verwijzen naar het volgende diagram:

Schakelschema

Met behulp van LM3915 als de hoofdprocessor-IC

De belangrijkste processor in het bovenstaande diagram is de IC LM3915 die zijn output pin-out sequentieel van boven naar beneden schakelt als reactie op het afnemende zonlicht

Deze uitgangen zijn geconfigureerd met schakelende vermogenstransistors die op hun beurt zijn verbonden met de verschillende aftakkingen van een enkele lange inductorspoel van ferriet.

Het onderste uiteinde van de inductor kan worden gezien bevestigd met een NPN-vermogenstransistor die wordt geschakeld op een frequentie van ongeveer 100 kHz vanuit een extern geconfigureerd oscillatorcircuit.

De vermogenstransistors die zijn verbonden met de uitgangen van de IC schakelen in reactie op de sequentie-IC-uitgangen, waarbij de juiste aftakkingen van de inductor worden verbonden met de paneelspanning en de 100 kHz-frequentie.

Deze spoelwindingen worden op de juiste wijze berekend zodat de verschillende aftakkingen compatibel worden met de paneelspanning, aangezien deze worden geschakeld door de IC-uitgangsaanstuurtrappen.

De procedure zorgt er dus voor dat terwijl de intensiteit van de zon en de spanning daalt, deze op de juiste manier is gekoppeld aan de relevante aftakking van de inductor die een bijna constante spanning handhaaft over alle gegeven aftakkingen, volgens hun berekende beoordelingen.

Laten we de werking begrijpen met behulp van het volgende scenario:

Stel dat de spoel is geselecteerd om compatibel te zijn met een 30V zonnepaneel, dus laten we bij piekzonneschijn aannemen dat de bovenste vermogenstransistor wordt ingeschakeld door de IC die de hele spoel onderwerpt aan oscillatie, hierdoor kan de volledige 30V beschikbaar zijn over de extreme uiteinden van de spoel.

Stel nu dat het zonlicht met 3V daalt en zijn output verlaagt tot 27V, dan wordt dit snel door het IC waargenomen, zodat de eerste transistor van boven nu UIT wordt geschakeld en de tweede transistor in de reeks AAN.

De bovenstaande actie selecteert de tweede aftakking (27V-aftakking) van de inductor van boven en voert een bijpassende inductoraftakking uit op de spanningsrespons en zorgt ervoor dat de spoel optimaal oscilleert met de verminderde spanning ... op dezelfde manier, nu de zonlichtspanning verder daalt, de respectieve transistors 'handschudden' met de relevante inductorkranen die zorgen voor een perfecte afstemming en efficiënte schakeling van de inductor, overeenkomstig de beschikbare zonnespanningen.

Vanwege de bovenstaande afgestemde respons tussen het zonnepaneel en de schakelende buck / boost-inductor ... kan worden aangenomen dat de aftapspanningen over de relevante punten de hele dag een constante spanning behouden, ongeacht de zonlichtsituatie ...

Stel dat als de inductor is ontworpen om 30 V te produceren bij de bovenste aftakking, gevolgd door 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V over de volgende aftakkingen, dan kan worden aangenomen dat al deze spanningen constant over deze kranen, ongeacht het zonlichtniveau.

Onthoud ook dat deze spanning kan worden gewijzigd volgens de gebruikersspecificaties om hogere of lagere spanningen te bereiken dan de paneelspanning.

Het bovenstaande circuit kan ook worden geconfigureerd in de flyback topoogy zoals hieronder weergegeven:

In beide bovenstaande configuraties wordt verondersteld dat de output constant en stabiel blijft in termen van spanning en wattage, ongeacht de output van de zon.

Met behulp van I / V Tracking-methode

Het volgende circuitconcept zorgt ervoor dat het MPPT-niveau van het paneel nooit drastisch wordt verstoord door de belasting.

Het circuit volgt het MPPT 'knie'-niveau van het paneel en zorgt ervoor dat de belasting niets meer mag verbruiken dat kan leiden tot een val in dit knieniveau van het paneel.

Laten we leren hoe dit kan worden gedaan met behulp van een eenvoudig I / V-volgcircuit met één opamp.

Houd er rekening mee dat de ontwerpen zonder buck-converter nooit in staat zullen zijn om de overtollige spanning te optimaliseren in een equivalente stroom voor de belasting, en in dit opzicht kunnen mislukken, wat wordt beschouwd als het cruciale kenmerk van elk MPPT-ontwerp.

Een zeer eenvoudig maar effectief MPPT-type apparaat kan worden gemaakt door een LM338-IC en een opamp te gebruiken.

In dit door mij ontworpen concept is de opamp zo geconfigureerd dat hij de instantane MPP-gegevens van het paneel blijft opnemen en deze vergelijkt met het momentane belastingverbruik. Als het vindt dat het belastingverbruik deze opgeslagen gegevens overschrijdt, wordt de belasting afgesneden ...

De IC 741-trap is het solar tracker-gedeelte en vormt het hart van het hele ontwerp.

De spanning van het zonnepaneel wordt toegevoerd aan de inverterende pin2 van het IC, terwijl hetzelfde wordt toegepast op de niet-inverterende pin3 met een daling van ongeveer 2 V met behulp van drie 1N4148-diodes in serie.

De bovenstaande situatie houdt de pin3 van het IC consequent een tint lager dan pin2 en zorgt voor een nulspanning over de outputpin6 van het IC.

In het geval van een inefficiënte overbelasting, zoals een niet-overeenkomende batterij of een batterij met hoge stroomsterkte, heeft de spanning van het zonnepaneel de neiging om door de belasting naar beneden te worden getrokken. Wanneer dit gebeurt, begint de pin2-spanning ook te dalen, maar door de aanwezigheid van de 10uF-condensator op pin3 blijft zijn potentiaal solide en reageert niet op de bovenstaande daling.

De situatie dwingt pin3 onmiddellijk om hoog te gaan dan pin2, waardoor pin6 op zijn beurt hoog wordt en de BJT BC547 wordt ingeschakeld.

BC547 schakelt LM338 nu onmiddellijk uit door de spanning naar de batterij af te sluiten, de cyclus blijft in hoog tempo schakelen, afhankelijk van de nominale snelheid van de IC.

De bovenstaande handelingen zorgen ervoor dat de spanning van het zonnepaneel nooit daalt of naar beneden wordt getrokken door de belasting, waardoor een MPPT-achtige toestand gehandhaafd blijft.

Aangezien een lineaire IC LM338 wordt gebruikt, zou het circuit toch weer een beetje inefficiënt kunnen zijn ... de remedie is om de LM338-trap te vervangen door een buck-converter ... dat zou het ontwerp extreem veelzijdig en vergelijkbaar maken met een echte MPPT.

Hieronder wordt een MPPT-circuit weergegeven met een buck-convertertopologie, nu is het ontwerp logisch en lijkt het veel dichter bij een echte MPPT

48V MPPT-circuit

De bovenstaande eenvoudige MPPT-circuits kunnen ook worden aangepast voor het implementeren van het opladen van hoogspanningsaccu's, zoals het volgende MPPT-laadcircuit voor 48V-accu's.

De ideeën zijn allemaal exclusief door mij ontwikkeld.