Come realizzare un circuito per l'ottimizzazione del pannello solare

Il circuito di ottimizzazione solare proposto può essere utilizzato per ottenere la massima potenza possibile in termini di corrente e tensione da un pannello solare, in risposta alle diverse condizioni di luce solare.

In questo post vengono spiegati un paio di circuiti caricatori per l'ottimizzazione del pannello solare semplici ma efficaci. Il primo può essere costruito utilizzando un paio di 555 IC e pochi altri componenti lineari, il secondo optin è ancora più semplice e utilizza circuiti integrati molto ordinari come LM338 e amplificatore operazionale IC 741. Impariamo le procedure.

Obiettivo del circuito

Come tutti sappiamo, l'acquisizione della massima efficienza da qualsiasi forma di alimentazione diventa fattibile se la procedura non prevede lo smistamento della tensione di alimentazione, il che significa che vogliamo acquisire il particolare livello di tensione inferiore richiesto e la corrente massima per il carico che è funzionare senza disturbare il livello di tensione della sorgente e senza generare calore.

In breve, un ottimizzatore solare interessato dovrebbe consentire la sua uscita con la corrente massima richiesta, qualsiasi livello inferiore di tensione richiesta, assicurandosi che il livello di tensione attraverso il pannello rimanga inalterato.

Un metodo discusso qui coinvolge la tecnica PWM che può essere considerata uno dei metodi ottimali fino ad oggi.

Dovremmo essere grati a questo piccolo genio chiamato IC 555 che fa sembrare tutti i concetti difficili così facili.

Utilizzo di IC 555 per la conversione PWM

Anche in questo concetto incorporiamo e dipendiamo fortemente da un paio di IC 555 per l'implementazione richiesta.

Guardando lo schema del circuito dato, vediamo che l'intero progetto è fondamentalmente diviso in due fasi.

Lo stadio del regolatore di tensione superiore e lo stadio del generatore PWM inferiore.

Lo stadio superiore è costituito da un mosfet a canale p che è posizionato come un interruttore e risponde alle informazioni PWM applicate al suo gate.

Lo stadio inferiore è uno stadio generatore PWM. Un paio di 555 CI sono configurati per le azioni proposte.

Come funziona il circuito

IC1 è responsabile della produzione delle onde quadre richieste che vengono elaborate dal generatore di onde triangolari a corrente costante comprendente T1 e i componenti associati.

Questa onda triangolare viene applicata a IC2 per l'elaborazione nei PWM richiesti.

Tuttavia la spaziatura PWM da IC2 dipende dal livello di tensione al suo pin n. 5, che è derivato da una rete resistiva attraverso il pannello tramite il resistore da 1K e il preset 10K.

La tensione tra questa rete è direttamente proporzionale alla variazione dei volt del pannello.

Durante le tensioni di picco i PWM si allargano e viceversa.

I PWM di cui sopra sono applicati al gate mosfet che conduce e fornisce la tensione richiesta alla batteria collegata.

Come discusso in precedenza, durante il picco di irraggiamento solare il pannello genera un livello di tensione più elevato, maggiore tensione significa che IC2 genera PWM più ampi, che a sua volta mantiene il mosfe spento per periodi più lunghi o acceso per periodi relativamente più brevi, corrispondente a un valore di tensione medio che potrebbe essere solo circa 14,4 V tra i terminali della batteria.

Quando la luminosità del sole si deteriora, i PWM vengono spaziati in modo proporzionalmente stretto consentendo al mosfet di condurre di più in modo che la corrente e la tensione media attraverso la batteria tendano a rimanere ai valori ottimali.

Il preset 10K deve essere regolato per ottenere circa 14,4 V attraverso i terminali di uscita sotto la luce del sole.

I risultati possono essere monitorati in diverse condizioni di luce solare.

Il circuito di ottimizzazione del pannello solare proposto garantisce una carica stabile della batteria, senza influenzare o deviare la tensione del pannello che si traduce anche in una minore generazione di calore.

Nota: il pannello Soar collegato dovrebbe essere in grado di generare il 50% di tensione in più rispetto alla batteria collegata al massimo del sole. La corrente dovrebbe essere 1/5 della valutazione AH della batteria.

Come impostare il circuito

1. Può essere fatto nel modo seguente:
2. Inizialmente tenere S1 spento.
3. Esporre il pannello al picco di luce solare e regolare la preimpostazione per ottenere la tensione di carica ottimale richiesta attraverso l'uscita del diodo di drenaggio mosfet e la terra.
4. Adesso il circuito è pronto.
5. Fatto ciò, accendi S1, la batteria inizierà a caricarsi nella migliore modalità ottimizzata possibile.

Aggiunta di una funzione di controllo corrente

Un'attenta indagine del circuito di cui sopra mostra che, poiché il mosfet cerca di compensare il calo del livello di tensione del pannello, consente alla batteria di assorbire più corrente dal pannello, il che influisce sulla tensione del pannello abbassandola ulteriormente inducendo una situazione di fuga, questo può ostacolare seriamente il processo di ottimizzazione

Una funzione di controllo della corrente come mostrato nel diagramma seguente si prende cura di questo problema e impedisce alla batteria di assorbire una corrente eccessiva oltre i limiti specificati. Questo a sua volta aiuta a mantenere inalterata la tensione del pannello.

RX, che è la resistenza di limitazione della corrente, può essere calcolato con l'aiuto della seguente formula:

RX = 0,6 / I, dove I è la corrente di carica minima specificata per la batteria collegata

Una versione grezza ma più semplice del progetto sopra spiegato può essere costruita come suggerito dal signor Dhyaksa usando il rilevamento della soglia pin2 e pin6 dell'IC555, l'intero diagramma può essere visto di seguito:

Nessuna ottimizzazione senza un convertitore buck

Il design sopra spiegato funziona utilizzando un concetto PWM di base che regola automaticamente il PWM di un circuito basato su 555 in risposta alla variazione dell'intensità del sole.

Sebbene l'uscita da questo circuito produca una risposta autoregolante in modo da mantenere una tensione media costante in uscita, la tensione di picco non viene mai regolata, il che rende notevolmente pericoloso caricare batterie di tipo Li-ion o Lipo.

Inoltre il circuito di cui sopra non è attrezzato per convertire la tensione in eccesso dal pannello in una quantità di corrente proporzionale per il carico nominale di tensione inferiore collegato.

Aggiunta di un convertitore buck

Ho provato a correggere questa condizione aggiungendo uno stadio di convertitore buck al progetto di cui sopra e ho potuto produrre un'ottimizzazione che sembrava molto simile a un circuito MPPT.

Tuttavia, anche con questo circuito migliorato, non potevo essere del tutto convinto se il circuito fosse veramente in grado di produrre una tensione costante con un livello di picco ridotto e una corrente potenziata in risposta ai vari livelli di intensità del sole.

Per essere completamente fiducioso riguardo al concetto ed eliminare tutte le confusioni ho dovuto passare attraverso uno studio esauriente sui convertitori buck e la relazione coinvolta tra le tensioni di ingresso / uscita, la corrente e i rapporti PWM (duty cycle), che ha ispirato me per creare i seguenti articoli correlati:

Come funzionano i convertitori buck

Calcolo di tensione, corrente in un induttore buck

Le formule conclusive ottenute dai due articoli precedenti hanno aiutato a chiarire tutti i dubbi e finalmente ho potuto essere perfettamente fiducioso con il mio circuito ottimizzatore solare precedentemente proposto utilizzando un circuito convertitore buck.

Analisi delle condizioni del ciclo di lavoro PWM per il progetto

La formula fondamentale che ha reso le cose chiaramente chiare può essere vista di seguito:

Vout = DVin

Qui V (in) è la tensione di ingresso che proviene dal pannello, Vout è la tensione di uscita desiderata dal convertitore buck e D è il duty cycle.

Dall'equazione diventa evidente che il Vout può essere semplicemente adattato 'o' controllando il duty cycle del convertitore buck o Vin ... o in altre parole i parametri Vin e duty cycle sono direttamente proporzionati e si influenzano a vicenda valori linearmente.

Infatti i termini sono estremamente lineari, il che rende molto più semplice il dimensionamento di un circuito ottimizzatore solare utilizzando un circuito convertitore buck.

Ciò implica che quando Vin è molto più alto (@ peak sunshine) rispetto alle specifiche di carico, il processore IC 555 può rendere i PWM proporzionalmente più stretti (o più ampi per il dispositivo P) e influenzare il Vout affinché rimanga al livello desiderato, e viceversa come quando il sole diminuisce, il processore può allargare (o restringere per il dispositivo P) nuovamente i PWM per garantire che la tensione di uscita sia mantenuta al livello costante specificato.

Valutazione dell'implementazione PWM attraverso un esempio pratico

Possiamo provare quanto sopra risolvendo la formula data:

Supponiamo che la tensione di picco del pannello V (in) sia 24V

e il PWM deve essere costituito da un tempo ON di 0,5 sec e un tempo OFF di 0,5 sec

Duty cycle = Transistor On time / Impulso ON + OFF time = T (on) / 0,5 + 0,5 sec

Ciclo di lavoro = T (acceso) / 1

Pertanto, sostituendo quanto sopra nella formula sotto riportata otteniamo,

V (uscita) = V (entrata) x T (attiva)

14 = 24 x T (attivo)

dove 14 è la tensione di uscita richiesta presunta,

perciò,

T (acceso) = 14/24 = 0,58 secondi

Questo ci dà il tempo di attivazione del transistor che deve essere impostato per il circuito durante il picco di luce solare per produrre i 14v richiesti in uscita.

Come funziona

Una volta impostato quanto sopra, il resto potrebbe essere lasciato all'IC 555 per l'elaborazione per i periodi T (on) di autoregolazione previsti in risposta alla diminuzione della luce solare.

Ora, quando la luce solare diminuisce, il tempo di accensione di cui sopra sarebbe aumentato (o diminuito per il dispositivo P) proporzionalmente dal circuito in modo lineare per garantire una tensione costante di 14 V, fino a quando la tensione del pannello non scende veramente a 14 V, quando il circuito potrebbe semplicemente interrompere le procedure.

Si può anche presumere che il parametro corrente (amp) sia autoregolante, che cerca sempre di raggiungere la costante di prodotto (VxI) durante tutto il processo di ottimizzazione. Questo perché un convertitore buck dovrebbe sempre convertire l'ingresso ad alta tensione in un livello di corrente proporzionalmente aumentato in uscita.

Tuttavia, se sei interessato ad essere completamente confermato sui risultati, puoi fare riferimento al seguente articolo per le formule pertinenti:

Calcolo di tensione, corrente in un induttore buck

Vediamo ora come appare il circuito finale da me progettato, dalle seguenti informazioni:

Come puoi vedere nel diagramma sopra, lo schema di base è identico al precedente circuito del caricatore solare auto-ottimizzante, tranne l'inclusione di IC4 che è configurato come un inseguitore di tensione e viene sostituito al posto dello stadio inseguitore di emettitore BC547. Questo viene fatto per fornire una migliore risposta per il pinout di controllo del pin # 5 IC2 dal pannello.

Riassumendo il funzionamento di base del Solar Optimizer

Il funzionamento può essere modificato come sotto: IC1 genera una frequenza ad onda quadra a circa 10kHz che potrebbe essere aumentata a 20kHz alterando il valore di C1.

Questa frequenza viene inviata al pin2 di IC2 per la produzione di onde triangolari a commutazione rapida al pin # 7 con l'aiuto di T1 / C3.

La tensione di pannello viene opportunamente regolata da P2 e alimentata allo stadio inseguitore di tensione IC4 per alimentare il pin # 5 di IC2.

Questo potenziale al pin # 5 di IC2 dal pannello viene confrontato dalle onde triangolari veloci del pin # 7 per creare i dati PWM di dimensioni corrispondenti al pin # 3 di IC2.

Al picco della luminosità del sole, P2 viene opportunamente regolato in modo tale che IC2 generi PWM più ampi possibili e quando la luminosità del sole inizia a diminuire, i PWM si restringono proporzionalmente.

L'effetto di cui sopra viene inviato alla base di un BJT PNP per invertire la risposta attraverso lo stadio del convertitore buck collegato.

Ciò implica che, al picco della luce solare, i PWM più ampi costringono il dispositivo PNP a condurre scarsamente {periodo di tempo T (on) ridotto}, facendo sì che forme d'onda più strette raggiungano l'induttore buck ... ma poiché la tensione del pannello è alta, il livello della tensione di ingresso {V (in)} che raggiunge l'induttore buck è uguale al livello di tensione del pannello.

Pertanto, in questa situazione, il convertitore buck con l'aiuto della T (on) e della V (in) correttamente calcolate è in grado di produrre la corretta tensione di uscita richiesta per il carico, che potrebbe essere molto inferiore alla tensione del pannello, ma a un livello di corrente (amplificatore) proporzionalmente aumentato.

Ora quando il sole scende, anche i PWM si restringono, consentendo al PNP T (acceso) di aumentare proporzionalmente, il che a sua volta aiuta l'induttore buck a compensare la diminuzione della luce solare aumentando la tensione di uscita proporzionalmente ... la corrente (amp ) ora viene ridotto proporzionalmente nel corso dell'azione, assicurandosi che la consistenza in uscita sia perfettamente mantenuta dal convertitore buck.

T2 insieme ai componenti associati formano lo stadio limitatore di corrente o lo stadio amplificatore di errore. Assicura che il carico in uscita non possa mai consumare qualcosa al di sopra delle specifiche nominali del progetto, in modo che il sistema non sia mai scosso e le prestazioni del pannello solare non possano mai deviare dalla sua zona ad alta efficienza.

C5 è mostrato come un condensatore da 100uF, tuttavia per un risultato migliore questo potrebbe essere aumentato a un valore di 2200uF, perché valori più alti garantiranno un migliore controllo della corrente di ripple e una tensione più uniforme per il carico.

P1 serve per regolare / correggere la tensione di offset dell'uscita opamp, in modo tale che il pin # 5 sia in grado di ricevere uno zero volt perfetto in assenza di una tensione del pannello solare o quando la tensione del pannello solare è inferiore alle specifiche della tensione di carico.

La specifica L1 può essere determinata approssimativamente con l'aiuto delle informazioni fornite nel seguente articolo:

Come calcolare gli induttori nei circuiti SMPS

Solar Optimizer utilizzando amplificatori operazionali

Un altro circuito ottimizzatore solare molto semplice ma efficace può essere realizzato utilizzando un CI LM338 e alcuni amplificatori operazionali.

Comprendiamo il circuito proposto (ottimizzatore solare) con l'aiuto dei seguenti punti: La figura mostra un circuito regolatore di tensione LM338 che ha una funzione di controllo della corrente anche sotto forma del transistor BC547 collegato attraverso la regolazione e il pin di terra dell'IC.

Opamp utilizzati come comparatori

I due operazionali sono configurati come comparatori. In effetti, molti di questi stadi possono essere incorporati per migliorare gli effetti.

Nel progetto attuale, la preimpostazione del pin n. 3 di A1 è regolata in modo tale che l'uscita di A1 aumenti quando l'intensità del sole sul pannello è di circa il 20% inferiore al valore di picco.

Allo stesso modo, lo stadio A2 viene regolato in modo tale che la sua uscita aumenti quando la luce solare è inferiore di circa il 50% rispetto al valore di picco.

Quando l'uscita A1 diventa alta, RL # 1 attiva il collegamento di R2 in linea con il circuito, scollegando R1.

Inizialmente al picco del sole, R1 il cui valore è selezionato molto più basso, consente alla massima corrente di raggiungere la batteria.

Schema elettrico

Quando la luce solare cala, anche la tensione del pannello diminuisce e ora non possiamo permetterci di assorbire una forte corrente dal pannello perché ciò abbasserebbe la tensione al di sotto di 12V che potrebbe interrompere completamente il processo di ricarica.

Commutazione del relè per l'ottimizzazione della corrente

Pertanto, come spiegato sopra, A1 entra in azione e disconnette R1 e collega R2. R2 è selezionato a un valore più alto e consente solo una quantità limitata di corrente alla batteria in modo tale che la tensione solare non scenda al di sotto di 15 volt, un livello che è imperativamente richiesto all'ingresso di LM338.

Quando la luce solare scende al di sotto della seconda soglia impostata, A2 attiva RL # 2 che a sua volta commuta R3 per rendere la corrente alla batteria ancora più bassa assicurandosi che la tensione all'ingresso dell'LM338 non scenda mai sotto i 15V, ma la velocità di carica a la batteria viene sempre mantenuta ai livelli ottimali più vicini.

Se gli stadi opamp vengono aumentati con un numero maggiore di relè e successive azioni di controllo della corrente, l'unità può essere ottimizzata con un'efficienza ancora migliore.

La procedura di cui sopra carica la batteria rapidamente ad alta corrente durante i picchi di sole e abbassa la corrente quando l'intensità del sole sul pannello diminuisce, e corrispondentemente fornisce alla batteria la corrente nominale corretta in modo che si carichi completamente alla fine della giornata.

Cosa succede con una batteria che potrebbe non essere scaricata?

Supponiamo che nel caso in cui la batteria non sia scarica in modo ottimale per eseguire il processo di cui sopra la mattina successiva, la situazione potrebbe essere fatale per la batteria, perché l'alta corrente iniziale potrebbe avere effetti negativi sulla batteria perché deve ancora essere scaricata al specificato giudizi.

Per verificare il problema di cui sopra, vengono introdotti un paio di più opamp, A3, A4, che monitorano il livello di tensione della batteria e avviano le stesse azioni di A1, A2, in modo che la corrente alla batteria sia ottimizzata rispetto a la tensione o il livello di carica presente con la batteria durante quel periodo di tempo.