Com fer un circuit d’optimització de panells solars

El circuit d’optimitzador solar proposat es pot utilitzar per obtenir la màxima sortida possible en termes de corrent i tensió d’un panell solar, en resposta a les diferents condicions de llum solar.

Un parell de circuits de carregador d’optimitzadors de panells solars senzills però eficaços s’expliquen en aquest post. El primer es pot construir utilitzant un parell de 555 circuits integrats i uns quants components lineals, el segon optin és encara més senzill i utilitza circuits integrats molt normals com LM338 i op ampl IC 741. Aprenem els procediments.

Objectiu del circuit

Com tots sabem, adquirir la màxima eficiència de qualsevol forma de subministrament d’alimentació es fa factible si el procediment no implica derivar la tensió d’alimentació, és a dir, volem adquirir el nivell de tensió inferior i el corrent màxim requerits per a la càrrega que és funcionant sense molestar el nivell de tensió de la font i sense generar calor.

Breument, un optimitzador solar en qüestió hauria de permetre la seva sortida amb el màxim de corrent necessari, qualsevol nivell de tensió requerit inferior, tot i assegurar-se que el nivell de tensió del panell no quedi afectat.

Un dels mètodes que es discuteix aquí inclou la tècnica PWM que fins ara es pot considerar un dels mètodes òptims.

Hauríem d’estar agraïts a aquest petit geni anomenat IC 555 que fa que tots els conceptes difícils semblin tan fàcils.

Utilitzant IC 555 per a la conversió PWM

En aquest concepte també incorporem i depenem en gran mesura d’un parell d’IC 555 per a la implementació necessària.

Observant el diagrama de circuits donat, veiem que tot el disseny es divideix bàsicament en dues etapes.

L’etapa del regulador de tensió superior i l’etapa del generador PWM inferior.

L'etapa superior consisteix en un mosfet de canal p que es col·loca com a commutador i respon a la informació de PWM aplicada a la porta.

L’etapa inferior és una generadora de PWM. Es configuren un parell de 555 IC per a les accions proposades.

Com funciona el circuit

IC1 és responsable de produir les ones quadrades necessàries que són processades pel generador d’ones de triangle de corrent constant que comprèn T1 i els components associats.

Aquesta ona triangular s'aplica a IC2 per processar-la als PWM necessaris.

Tanmateix, l’espaiat PWM d’IC2 depèn del nivell de tensió del pin # 5, que es deriva d’una xarxa resistiva a través del panell mitjançant la resistència 1K i la configuració predeterminada de 10K.

La tensió entre aquesta xarxa és directament proporcional als diferents volts del panell.

Durant les tensions màximes, els PWM s’amplien i viceversa.

Els PWM anteriors s’apliquen a la porta del mosfet que condueix i proporciona la tensió necessària a la bateria connectada.

Com s’ha comentat anteriorment, durant la màxima insolació, el panell genera un nivell més alt de tensió, una tensió més alta significa que IC2 genera PWM més amples, que al seu torn manté el mosfe apagat durant períodes més llargs o encès durant períodes relativament més curts, corresponent a un valor mitjà de voltatge tingueu uns 14,4 V a través dels terminals de la bateria.

Quan la brillantor del sol es deteriora, els PWM es proporcionen espaiats proporcionalment reduïts, cosa que permet que el mosfet condueixi de manera que el corrent i el voltatge mitjans de la bateria tendeixin a mantenir-se als valors òptims.

La configuració predeterminada de 10 K s'ha d'ajustar per obtenir uns 14,4 V a través dels terminals de sortida sota un sol brillant.

Els resultats es poden controlar sota diferents condicions de llum solar.

El circuit d’optimització del panell solar proposat garanteix una càrrega estable de la bateria, sense afectar ni derivar la tensió del panell, cosa que també genera una menor generació de calor.

Nota: el tauler elevat connectat hauria de ser capaç de generar un 50% més de tensió que la bateria connectada a la màxima llum del sol. El corrent ha de ser 1/5 de la classificació AH de la bateria.

Com configurar el circuit

1. Es pot fer de la manera següent:
2. Mantingueu S1 desactivat inicialment.
3. Exposeu el panell a la màxima llum del sol i ajusteu el valor predeterminat per obtenir la tensió de càrrega òptima necessària a la sortida i a la terra del díode de drenatge del mosfet.
4. El circuit ja està a punt.
5. Un cop fet això, activeu S1, la bateria començarà a carregar-se en el millor mode optimitzat possible.

Afegir una funció de control actual

Una investigació acurada del circuit anterior mostra que, a mesura que el mosfet intenta compensar la caiguda del nivell de tensió del panell, permet a la bateria treure més corrent del panell, cosa que afecta la tensió del panell caient-la més avall induint una situació de fugida, pot dificultar greument el procés d’optimització

Una característica de control de corrent, tal com es mostra al diagrama següent, soluciona aquest problema i prohibeix a la bateria treure corrent excessiu més enllà dels límits especificats. Al seu torn, això ajuda a mantenir sense afectar la tensió del panell.

RX, que és la resistència limitant de corrent, es pot calcular amb l'ajut de la fórmula següent:

RX = 0,6 / I, on I és el corrent de càrrega mínim especificat per a la bateria connectada

Es pot construir una versió crua però més senzilla del disseny explicat anteriorment, tal com suggereix el senyor Dhyaksa mitjançant la detecció de llindars pin2 i pin6 de l'IC555, tot el diagrama es pot veure a continuació:

Sense optimització sense un convertidor Buck

El disseny explicat anteriorment funciona mitjançant un concepte bàsic de PWM que ajusta automàticament el PWM d’un circuit basat en 555 en resposta a la intensitat del sol canviant.

Tot i que la sortida d’aquest circuit produeix una resposta d’autoajustament per mantenir una tensió mitjana constant a la sortida, la tensió màxima no s’ajusta mai, cosa que fa que sigui considerablement perillós per carregar bateries de tipus Li-ion o Lipo.

A més, el circuit anterior no està equipat per convertir l'excés de tensió del panell en una quantitat proporcional de corrent per a la càrrega nominal de baixa tensió connectada.

Addició d’un convertidor Buck

Vaig intentar corregir aquesta condició afegint una etapa de conversió de dòlars al disseny anterior i vaig poder produir una optimització que semblava molt similar a un circuit MPPT.

Tanmateix, fins i tot amb aquest circuit millorat, no podia estar del tot convençut de si el circuit era realment capaç de produir una tensió constant amb un nivell de pic baix reduït i un corrent augmentat en resposta als diversos nivells d’intensitat del sol.

Per tenir tota la confiança pel que fa al concepte i eliminar totes les confusions, vaig haver de fer un estudi exhaustiu sobre els convertidors Buck i la relació implicada entre les tensions d’entrada / sortida, el corrent i les relacions PWM (cicle de treball), que van inspirar per crear els següents articles relacionats:

Com funcionen els convertidors Buck

Càlcul de tensió, corrent en un inductor de Buck

Les fórmules finals obtingudes dels dos articles anteriors van ajudar a aclarir tots els dubtes i, finalment, podia confiar perfectament en el meu circuit d’optimitzador solar proposat anteriorment mitjançant un circuit convertidor de dòlars.

Analitzant les condicions del cicle de treball PWM per al disseny

A continuació es pot veure la fórmula fonamental que va deixar clarament clar les coses:

Vout = DVin

Aquí V (in) és la tensió d'entrada que prové del panell, Vout és la tensió de sortida desitjada del convertidor de dòlars i D és el cicle de treball.

A partir de l’equació es fa evident que el Vout es pot adaptar simplement controlant el cicle de treball del convertidor de buck o el Vin .... o dit d’una altra manera, els paràmetres de Vin i el cicle de treball són directament proporcionals i s’influencien els uns als altres valors linealment.

De fet, els termes són extremadament lineals, cosa que facilita molt el dimensionament d’un circuit d’optimitzador solar mitjançant un circuit convertidor.

Implica que quan el Vin és molt més alt (@ pic de sol) que les especificacions de càrrega, el processador IC 555 pot fer que els PWM siguin proporcionalment més estrets (o més amplis per al dispositiu P) i influir en que el Vout es mantingui al nivell desitjat i, al contrari, com si el sol disminueix, el processador pot eixamplar (o reduir el dispositiu P) els PWM de nou per garantir que el voltatge de sortida es mantingui al nivell constant especificat.

Avaluació de la implementació de PWM mitjançant un exemple pràctic

Podem demostrar l'anterior resolent la fórmula donada:

Suposem que la tensió màxima del panell V (in) és de 24 V.

i el PWM consisteix en un temps d’ACTIVACIÓ de 0,5 segons i un temps d’APAGAT de 0,5 segons

Cicle de treball = Temps d’encesa del transistor / Temps d’impulsió ON + OFF = T (activat) / 0,5 + 0,5 seg

Cicle de treball = T (activat) / 1

Per tant, substituint l'anterior en la fórmula donada a continuació obtenim,

V (fora) = V (entrada) x T (activada)

14 = 24 x T (activada)

on 14 és la tensió de sortida necessària suposada,

per tant,

T (activada) = 14/24 = 0,58 segons

Això ens proporciona el temps d’encesa del transistor que cal configurar per al circuit durant la màxima insolació per produir els 14v necessaris a la sortida.

Com funciona

Un cop establert l’anterior, es pot deixar la resta perquè l’IC 555 processi els períodes T (on) d’autoajustament previstos en resposta a la disminució del sol.

Ara, a mesura que disminueix la llum del sol, el temps d’encès anterior augmentaria (o disminuiria per al dispositiu P) proporcionalment pel circuit de manera lineal per garantir una constant de 14 V, fins que la tensió del panell caigui realment a 14 V, quan el circuit només podria tancar els procediments.

També es pot suposar que el paràmetre actual (amp) s’ajusta automàticament, sempre intentant aconseguir la constant de producte (VxI) durant tot el procés d’optimització. Això es deu al fet que sempre es suposa que un convertidor Buck converteix l'entrada d'alt voltatge en un nivell de corrent augmentat proporcionalment a la sortida.

Tot i així, si esteu interessats a confirmar-vos completament els resultats, podeu consultar l'article següent per obtenir les fórmules pertinents:

Càlcul de tensió, corrent en un inductor de Buck

Ara vegem com és el circuit final dissenyat per mi, a partir de la informació següent:

Com podeu veure al diagrama anterior, el diagrama bàsic és idèntic al circuit de carregador solar auto-optimitzador anterior, excepte la inclusió d’IC4 que es configura com a seguidor de tensió i que es substitueix en lloc de l’etapa de seguiment de l’emissor BC547. Això es fa per proporcionar una millor resposta per al pinout de control IC2 pin # 5 del tauler.

Resum del funcionament bàsic de l'Optimitzador solar

El funcionament es pot revisar tal com s'indica a continuació: IC1 genera una freqüència d'ona quadrada a uns 10 kHz que es pot augmentar a 20 kHz modificant el valor de C1.

Aquesta freqüència s’alimenta al pin2 d’IC2 per fabricar ones triangulars de commutació ràpida al pin # 7 amb l’ajut de T1 / C3.

El voltatge del panell s’adapta adequadament mitjançant P2 i s’alimenta a l’etapa de seguiment de voltatge IC4 per alimentar el pin núm. 5 de l’IC2.

Aquest potencial al pin número 5 d’IC2 del panell es compara amb les ones triangulars ràpides del pin número 7 per crear les dades PWM dimensionades corresponent al pin número 3 d’IC2.

A la màxima brillantor del sol, P2 s’ajusta adequadament de manera que IC2 generi els PWM més amplis possibles i, a mesura que la brillantor del sol comença a disminuir, els PWM s’estrenyen proporcionalment.

L'efecte anterior s'alimenta a la base d'un PNP BJT per invertir la resposta a través de l'etapa de conversió de buck adjunta.

Implica que, amb la màxima insolació, els PWM més amplis obliguen el dispositiu PNP a conduir escassament {període de temps de T (activat) reduït, cosa que provoca que formes d’ona més estretes arribin a l’inductor de buck ... {V (in)} que arriba a l’inductor buck és igual al nivell de tensió del panell.

Així, en aquesta situació, el convertidor de buck amb l'ajut del calculat correctament T (activat) i V (in) és capaç de produir la tensió de sortida necessària correcta per a la càrrega, que podria ser molt inferior a la tensió del panell, però a un nivell de corrent (amplificador) augmentat proporcionalment.

Ara, a mesura que el sol brilla, els PWM també es fan més estrets, cosa que permet que el PNP T (activat) augmenti proporcionalment, cosa que al seu torn ajuda l’inductor del dòlar a compensar la disminució del sol augmentant el voltatge de sortida proporcionalment ... ) el factor ara es redueix proporcionalment en el transcurs de l'acció, assegurant-se que la consistència de sortida es manté perfectament, mitjançant el convertidor de buck.

T2 juntament amb els components associats formen l’etapa de limitació actual o l’etapa de l’amplificador d’errors. S'assegura que la càrrega de sortida no es permeti consumir res superior a les especificacions nominals del disseny, de manera que el sistema mai no trencarà i el rendiment del panell solar no es podrà desviar mai de la seva zona d'alta eficiència.

C5 es mostra com un condensador de 100uF, però, per obtenir un resultat millorat, es pot augmentar fins a un valor de 2200uF, perquè valors més alts asseguraran un millor control de corrent d’ondulació i una tensió més suau per a la càrrega.

P1 serveix per ajustar / corregir la tensió de desplaçament de la sortida opamp, de manera que el pin núm. 5 pugui rebre un zero de volts perfecte en absència de tensió del panell solar o quan el voltatge del panell solar sigui inferior a les especificacions de tensió de càrrega.

L'especificació L1 es pot determinar aproximadament amb l'ajut de la informació proporcionada a l'article següent:

Com es calculen els inductors en circuits SMPS

Solar Optimizer amb Op Amps

Un altre circuit d’optimitzador solar molt senzill però eficaç es pot fer utilitzant un IC LM338 i uns quants opamps.

Comprenem el circuit proposat (optimitzador solar) amb l'ajut dels punts següents: La figura mostra un circuit regulador de voltatge LM338 que té una característica de control de corrent també en forma de transistor BC547 connectat a través de l'ajust i el pin de terra de l'IC.

Opamps s'utilitzen com a comparadors

Els dos opamps es configuren com a comparadors. De fet, es poden incorporar moltes d'aquestes etapes per millorar els efectes.

En el disseny actual, el pin predeterminat número 3 d'A1 s'ajusta de manera que la sortida d'A1 augmenta quan la intensitat del sol sobre el tauler és aproximadament un 20% inferior al valor màxim.

De la mateixa manera, l’etapa A2 s’ajusta de manera que la seva producció augmenta quan la llum del sol és aproximadament un 50% inferior al valor màxim.

Quan la sortida A1 augmenta, RL # 1 dispara la connexió R2 en línia amb el circuit, desconnectant R1.

Inicialment, a la màxima brillantor del sol, R1, el valor del qual es selecciona molt més baix, permet que el màxim corrent arribi a la bateria.

Esquema de connexions

Quan cau la llum del sol, també baixa la tensió del panell i ara no ens podem permetre treure intensitat del panell perquè això reduiria la tensió per sota de 12V, cosa que podria aturar completament el procés de càrrega.

Canvi de relés per a l'optimització actual

Per tant, tal com s'ha explicat anteriorment, A1 entra en acció i desconnecta R1 i connecta R2. R2 es selecciona a un valor més alt i només permet una quantitat limitada de corrent a la bateria de manera que la tensió solar no caigui per sota dels 15 vots, un nivell que es requereix imperativament a l'entrada de LM338.

Quan la llum del sol cau per sota del segon llindar establert, A2 activa RL # 2 que al seu torn commuta R3 per fer que el corrent a la bateria sigui encara més baix assegurant-se que la tensió a l’entrada del LM338 mai baixi de 15 V, però la taxa de càrrega a la bateria es manté sempre als nivells òptims més propers.

Si les fases opamp augmenten amb més nombre de relés i les següents accions de control actuals, la unitat es pot optimitzar amb una eficiència encara millor.

El procediment anterior carrega ràpidament la bateria a gran intensitat durant les màximes insolacions i redueix el corrent a mesura que baixa la intensitat del sol sobre el panell i, en conseqüència, subministra la bateria amb el corrent nominal correcte de manera que es carregui completament al final del dia.

Què passa amb una bateria que potser no es descarrega?

Suposem que en el cas que la bateria no es descarregui de manera òptima per passar el procés anterior al matí següent, la situació pot ser fatal per a la bateria, perquè el corrent elevat inicial pot afectar negativament la bateria perquè encara no s’ha descarregat a l’especificat. valoracions.

Per comprovar el problema anterior, s’introdueixen un parell d’opamps més, A3, A4, que monitoritzen el nivell de voltatge de la bateria i inicien les mateixes accions que les de A1, A2, de manera que s’optimitzi el corrent de la bateria respecte a el voltatge o el nivell de càrrega present amb la bateria durant aquest període de temps.