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

MPPT står för maximal power point tracker, vilket är ett elektroniskt system utformat för att optimera den varierande effekten från en solpanelmodul så att det anslutna batteriet utnyttjar den maximala tillgängliga effekten från solpanelen.

Introduktion

OBS: De diskuterade MPPT-kretsarna i det här inlägget använder inte de konventionella styrmetoderna som 'Stör och observer', 'Inkrementell konduktans,' Strömsvep ',' Konstant spänning '...... etc etc ... Snarare här vi koncentrera dig och försök implementera ett par grundläggande saker:

1. För att säkerställa att ingången '' watt '' från solpanelen alltid är lika med att utgången '' watt '' når belastningen.
2. Knäspänningen störs aldrig av belastningen och panelens MPPT-zon upprätthålls effektivt.

Vad är knäspänning och ström hos en panel:

Enkelt uttryckt är knäspänningen den 'öppen kretsspänning' panelen, medan knäströmmen är 'kortslutning ström' mått på panelen vid varje givet ögonblick.

Om ovanstående två upprätthålls så långt som möjligt, kan belastningen antas få MPPT-effekten under hela sin drift.

Innan vi fördjupar oss i de föreslagna designerna, låt oss först bekanta oss med några av de grundläggande fakta angående solbatteriladdning

Vi vet att produktionen från en solpanel är direkt proportionell mot graden av det infallande solljuset och även omgivningstemperaturen. När solstrålarna är vinkelräta mot solpanelen genererar den maximal spänning och försämras när vinkeln förskjuts från 90 grader. Atmosfärstemperaturen runt panelen påverkar också panelens effektivitet, vilket faller med temperaturökningen. .

Därför kan vi dra slutsatsen att när solstrålarna är nära 90 grader över panelen och när temperaturen är cirka 30 grader, är panelens effektivitet mot maximalt, minskar hastigheten när ovanstående två parametrar glider bort från deras nominella värden.

Ovanstående spänning används vanligtvis för laddning av ett batteri, a blybatteri , som i sin tur används för att driva en växelriktare. Men precis som solpanelen har sina egna driftskriterier är också batteriet inte mindre och erbjuder några strikta villkor för att bli optimalt laddade.

Förhållandena är att batteriet måste laddas med relativt högre ström initialt som gradvis måste sänkas till nästan noll när batteriet når en spänning 15% högre än dess normala betyg.

Förutsatt att ett helt urladdat 12V-batteri, med en spänning var som helst runt 11,5V, kan laddas med cirka C / 2-hastighet initialt (C = AH för batteriet), kommer detta att börja fylla batteriet relativt snabbt och drar dess spänning till kan vara runt 13V inom ett par timmar.

Vid denna tidpunkt bör strömmen automatiskt reduceras till att säga C / 5-hastighet, detta kommer återigen att hjälpa till att hålla den snabba laddningshastigheten utan att skada batteriet och höja spänningen till cirka 13,5 V inom den närmaste 1 timmen.

Efter ovanstående steg kan nu strömmen minskas ytterligare till C / 10-hastighet vilket säkerställer att laddningshastigheten och takten inte saktar ner.

Slutligen när batterispänningen når cirka 14,3 V kan processen reduceras till en C / 50-hastighet som nästan stoppar laddningsprocessen men ändå begränsar laddningen från att falla till lägre nivåer.

Hela processen laddar ett djupt urladdat batteri inom 6 timmar utan att det påverkar batteriets livslängd.

En MPPT används exakt för att säkerställa att proceduren ovan extraheras optimalt från en viss solpanel.

En solpanel kanske inte kan ge höga strömutgångar men den kan definitivt försörja högre spänningar.

Tricket skulle vara att konvertera de högre spänningsnivåerna till högre strömnivåer genom lämplig optimering av solpanelens utgång.

Eftersom omvandlingen av en högre spänning till högre ström och vice versa endast kan implementeras genom buck boost-omvandlare, skulle en innovativ metod (även om det är lite skrymmande) vara att använda en variabel induktorkrets där induktorn skulle ha många omkopplingsbara kranar, dessa kranar kan växlas av en omkopplingskrets som svar på det varierande solljuset så att utsignalen till lasten alltid förblir konstant oavsett solskenet.

Konceptet kan förstås genom att hänvisa till följande diagram:

Kretsschema

Använder LM3915 som huvudprocessor IC

Huvudprocessorn i ovanstående diagram är IC LM3915 som växlar utgången pinout sekventiellt från topp till botten som svar på det avtagande solljuset

Dessa utgångar kan ses konfigurerade med växlingstransistorer som i sin tur är anslutna till de olika kranarna på en enda ferrit-induktorspole.

Induktans nedre ände kan ses ansluten med en NPN-effekttransistor som omkopplas med cirka 100 kHz frekvens från en externt konfigurerad oscillatorkrets.

Krafttransistorerna anslutna till utgångarna på IC-omkopplaren som svar på sekvenserings-IC-utgångarna, som ansluter induktans kranar med panelspänningen och 100 kHz-frekvensen.

Denna induktansvarv beräknas på lämpligt sätt så att dess olika kranar blir kompatibla med panelspänningen eftersom dessa omkopplas av IC-utgångsdrivstegen.

Således ser förfarandena till att medan solintensiteten och spänningen sjunker är den lämpligt kopplad till den relevanta kranen på induktorn och upprätthåller nästan en konstant spänning över alla givna kranar, enligt deras beräknade betyg.

Låt oss förstå funktionen med hjälp av följande scenario:

Antag att spolen är vald för att vara kompatibel med en 30V solpanel, låt oss därför vid topp solsken anta att den övre mest kraftiga transistorn är PÅ av IC som utsätter hela spolen för att svänga, detta gör att hela 30V kan vara tillgänglig över hela extrema ändar av spolen.

Antag nu att solljuset sjunker med 3V och minskar dess uteffekt till 27V, detta känns snabbt av IC så att den första transistorn från toppen nu stängs av och den andra transistorn i sekvensen slås PÅ.

Ovanstående åtgärd väljer den andra kranen (27V-kranen) på induktorn uppifrån och utför en matchande induktorkran till spänningsrespons och ser till att spolen svänger optimalt med den reducerade spänningen ... på samma sätt nu när solljusspänningen sjunker ytterligare respektive transistorer 'skaka hand' med relevanta induktorskranar som säkerställer en perfekt matchning och effektiv omkoppling av induktorn, motsvarande de tillgängliga solspänningarna.

På grund av det ovan matchade svaret mellan solpanelen och kopplingsspaken / boost-induktorn ... kan kranens spänningar över relevanta punkter antas bibehålla en konstant spänning hela dagen oavsett solljusläget ....

Antag till exempel att om induktorn är konstruerad för att producera 30V vid den översta kranen följt av 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V över de efterföljande kranarna, kan alla dessa spänningar antas vara konstant över dessa kranar oavsett solljusnivåer.

Kom också ihåg att dessa spänningar kan ändras enligt användarens specifikationer för att uppnå högre eller lägre spänningar än panelspänningen.

Ovanstående krets kan också konfigureras i flyback topoogy som visas nedan:

I båda ovanstående konfigurationerna ska utgången förbli konstant och stabil när det gäller spänning och watt, oavsett solutgång.

Använda I / V-spårningsmetod

Följande kretskoncept säkerställer att MPPT-nivån på panelen aldrig störs drastiskt av belastningen.

Kretsen spårar MPPT-knänivån på panelen och ser till att lasten inte får konsumera något mer som kan orsaka en sänkning av denna knänivå på panelen.

Låt oss lära oss hur detta kan göras med hjälp av en enkel enstaka I / V-spårningskrets.

Observera att designen som inte har en buck-omvandlare aldrig kommer att kunna optimera överspänningen till ekvivalent ström för belastningen, och kan misslyckas i detta avseende, vilket anses vara det avgörande inslaget i någon MPPT-design.

En mycket enkel men ändå effektiv MPPT-typ kan göras genom att använda en LM338 IC och en opamps.

I det här konceptet som är designat av mig är op-förstärkaren konfigurerad på ett sådant sätt att den fortsätter att spela in de ögonblickliga MPP-uppgifterna på panelen och jämför den med den momentana lastförbrukningen. Om den upptäcker att lastförbrukningen överstiger denna lagrade data, avbryter den lasten ...

IC 741-scenen är solspårningssektionen och utgör hjärtat i hela designen.

Solpanelspänningen matas till IC: s inverterande stift2, medan densamma appliceras på den icke-inverterande stift3 med en droppe på cirka 2 V med tre 1N4148-dioder i serie.

Ovanstående situation håller konsekvent IC-stiftet en lägre skugga än pin2, vilket säkerställer en nollspänning över IC: ns utgångsstift 6.

Men i händelse av ineffektiv överbelastning, såsom ett felaktigt batteri eller ett högströmsbatteri, tenderar solpanelens spänning att dras ner av lasten. När detta händer börjar pin2-spänning också att sjunka, men på grund av närvaron av 10uF-kondensatorn vid pin3, förblir dess potential solid och svarar inte på ovanstående droppe.

Situationen tvingar omedelbart pin3 att gå högt än pin2, som i sin tur växlar pin6 högt och slår på BJT BC547.

BC547 inaktiverar nu omedelbart LM338 avstängning av spänningen till batteriet, cykeln fortsätter att växla i snabb takt beroende på IC: s nominella hastighet.

Ovanstående operationer ser till att solpanelens spänning aldrig sjunker eller dras ner av lasten och bibehåller ett MPPT-liknande tillstånd hela tiden.

Eftersom en linjär IC LM338 används kan kretsen än en gång vara lite ineffektiv .... botemedlet är att ersätta LM338-steget med en buck-omvandlare ... som skulle göra designen extremt mångsidig och jämförbar med en riktig MPPT.

Nedan visas en MPPT-krets som använder en buck-omvandlare topologi, nu är designen mycket vettig och ser mycket närmare en riktig MPPT

48V MPPT-krets

Ovanstående enkla MPPT-kretsar kan också modifieras för implementering av högspänningsbatteriladdning, till exempel följande 48V MPPT-laddarkrets.

Idéerna är alla uteslutande utvecklade av mig.