Kaip sukurti saulės kolektorių optimizavimo grandinę

Siūloma saulės optimizavimo grandinė gali būti naudojama norint gauti maksimalią galimą saulės kolektoriaus srovę ir įtampą, atsižvelgiant į įvairias saulės šviesos sąlygas.

Šiame įraše paaiškinta pora paprastų, bet efektyvių saulės kolektorių optimizatoriaus įkroviklio grandinių. Pirmasis gali būti pastatytas naudojant porą 555 IC ir keletą kitų linijinių komponentų, antrasis pasirinkimas yra dar paprastesnis ir naudoja labai įprastus IC, tokius kaip LM338 ir op amp IC 741. Išmokime procedūras.

Grandinės tikslas

Kaip mes visi žinome, gauti didžiausią efektyvumą iš bet kokio maitinimo šaltinio tampa įmanoma, jei procedūra nereiškia, kad reikia pakeisti maitinimo įtampą, o tai reiškia, kad mes norime įgyti tam reikalingą žemesnį įtampos lygį ir didžiausią apkrovos srovę. veikia netrikdant šaltinio įtampos lygio ir negaminant šilumos.

Trumpai tariant, susirūpinęs saulės optimizavimo įrenginys turėtų leisti jo išėjimą esant maksimaliai reikalingai srovei, esant bet kokiam žemesniam reikiamos įtampos lygiui, tačiau užtikrinant, kad įtampos lygis visame skydelyje nepakistų.

Vienas iš čia aptartų metodų yra PWM technika, kuri gali būti laikoma vienu iš optimaliausių metodų iki šiol.

Turėtume būti dėkingi šiam mažam genijui, vadinamam IC 555, dėl kurio visos sudėtingos sąvokos atrodo taip lengvai.

IC 555 naudojimas PWM konversijai

Į šią koncepciją taip pat įtraukiame ir labai priklausome nuo poros IC 555, kad būtų galima įgyvendinti.

Žvelgdami į pateiktą schemą matome, kad visas dizainas iš esmės yra padalintas į du etapus.

Viršutinė įtampos reguliatoriaus pakopa ir apatinė PWM generatoriaus pakopa.

Viršutinė pakopa susideda iš p-kanalo „mosfet“, kuris yra kaip jungiklis ir reaguoja į taikomą PWM informaciją prie jo vartų.

Apatinė pakopa yra PWM generatoriaus pakopa. Siūlomiems veiksmams sukonfigūruota pora 555 IC.

Kaip veikia grandinė

IC1 yra atsakingas už reikiamų kvadratinių bangų, kurias apdoroja pastovios srovės trikampio bangų generatorius, apimantis T1 ir susijusius komponentus, susidarymą.

Ši trikampė banga taikoma IC2 apdorojant į reikalingus PWM.

Tačiau PWM atstumas nuo IC2 priklauso nuo įtampos lygio jo kaištyje Nr. 5, kuris gaunamas iš varžinio tinklo per skydą per 1K rezistorių ir iš anksto nustatytą 10K.

Įtampa tarp šio tinklo yra tiesiogiai proporcinga kintantiems skydo voltams.

Didžiausios įtampos metu PWM tampa platesni ir atvirkščiai.

Pirmiau minėti PWM taikomi ant „mosfet“ vartų, kurie praleidžia ir suteikia reikiamą įtampą prijungtai baterijai.

Kaip jau buvo aptarta anksčiau, piko metu skydelis generuoja aukštesnį įtampos lygį, o aukštesnė įtampa reiškia, kad IC2 generuoja platesnius PWM, o tai savo ruožtu išlaiko „mosfe“ išjungtą ilgesniam laikui arba įjungtą santykinai trumpesniam laikui, atitinkantį vidutinę įtampos vertę akumuliatoriaus gnybtuose turi būti apie 14,4 V.

Kai saulė pašviesėja, PWM proporcingai siaurai išdėstomi, todėl „mosfet“ gali veikti daugiau, kad vidutinė akumuliatoriaus srovė ir įtampa liktų optimalios vertės.

10K išankstinis nustatymas turėtų būti sureguliuotas, kad esant ryškiai saulei, išvesties gnybtų galia būtų apie 14,4 V.

Rezultatai gali būti stebimi esant skirtingoms saulės šviesos sąlygoms.

Siūloma saulės kolektorių optimizavimo grandinė užtikrina stabilų akumuliatoriaus įkrovimą, nepaveikdama skydo įtampos ir jos nepajudindama, o tai taip pat lemia mažesnę šilumos gamybą.

Pastaba: Prijungtas sklendžių skydelis turėtų sugeneruoti 50% daugiau įtampos nei prijungtas akumuliatorius esant didžiausiai saulės šviesai. Srovė turėtų būti 1/5 akumuliatoriaus AH reitingo.

Kaip nustatyti grandinę

1. Tai gali būti padaryta tokiu būdu:
2. Iš pradžių laikykite S1 išjungtą.
3. Apsaugokite skydą nuo didžiausios saulės šviesos ir sureguliuokite iš anksto nustatytą parametrą, kad gautumėte reikiamą optimalią įkrovimo įtampą per „Mosfet“ nutekėjimo diodo išėjimą ir įžeminimą.
4. Grandinė jau nustatyta.
5. Kai tai bus padaryta, įjunkite S1, akumuliatorius pradės krautis geriausiu įmanomu optimizuotu režimu.

Dabartinės valdymo funkcijos pridėjimas

Kruopštus pirmiau minėtos grandinės tyrimas rodo, kad kai „mosfet“ bando kompensuoti krintantį skydo įtampos lygį, tai leidžia baterijai iš plokštės pasisemti daugiau srovės, o tai daro įtaką skydo įtampai, dar labiau ją nuleidžiant, sukeldama bėgimo situaciją. gali rimtai trukdyti optimizavimo procesui

Dabartinė valdymo funkcija, kaip parodyta šioje diagramoje, rūpinasi šia problema ir draudžia akumuliatoriui traukti per didelę srovę už nurodytų ribų. Tai savo ruožtu padeda nepakenkti skydo įtampai.

RX, kuris yra srovės ribotuvas, gali būti apskaičiuojamas pagal šią formulę:

RX = 0,6 / I, kur I yra nurodyta minimali prijungto akumuliatoriaus įkrovimo srovė

Neapdorota, bet paprastesnė aukščiau paaiškinto projekto versija gali būti sukurta, kaip pasiūlė p. Dhyaksa, naudodamas „IC225“ PIN2 ir PIN6 slenksčio aptikimą. Visa schema gali būti parodyta žemiau:

Nėra optimizavimo be „Buck Converter“

Pirmiau paaiškinti projektavimo darbai atliekami naudojant pagrindinę PWM koncepciją, kuri automatiškai sureguliuoja 555 pagrindu sukurtos grandinės PWM, atsižvelgdama į besikeičiantį saulės intensyvumą.

Nors iš šios grandinės išvesties gaunamas savaiminis atsakas, siekiant išlaikyti pastovią vidutinę įtampą išėjime, didžiausia įtampa niekada nereguliuojama, todėl ji yra labai pavojinga įkraunant ličio jonų arba „Lipo“ tipo baterijas.

Be to, pirmiau minėta grandinė nėra pritaikyta perteklinei skydo įtampai paversti proporcingu prijungtos žemesnės įtampos vardinės apkrovos srovės dydžiu.

„Buck Converter“ pridėjimas

Aš bandžiau ištaisyti šią sąlygą pridėdamas „buck“ konverterio etapą į pirmiau pateiktą dizainą ir galėjau sukurti optimizavimą, kuris atrodė labai panašus į MPPT grandinę.

Tačiau net ir naudodamas šią patobulintą grandinę, negalėjau būti visiškai įsitikinęs, ar grandinė iš tikrųjų buvo pajėgi sukurti pastovią įtampą, sutrumpintą piko lygį ir padidintą srovę, reaguodama į įvairius saulės intensyvumo lygius.

Norėdamas visiškai įsitikinti koncepcija ir pašalinti visas painiavas, turėjau atlikti išsamų tyrimą, susijusį su keitiklių keitikliais ir susijusiu įėjimo / išėjimo įtampos, srovės ir PWM santykio (darbo ciklo) ryšiu, kuris įkvėpė sukurti šiuos susijusius straipsnius:

Kaip veikia „Buck“ keitikliai

Apskaičiuojant įtampą, srovę Buck induktoriuje

Iš abiejų aukščiau pateiktų straipsnių gautos baigiamosios formulės padėjo išsiaiškinti visas abejones ir galiausiai aš galėjau būti visiškai įsitikinęs savo anksčiau pasiūlyta saulės optimizavimo grandine, naudojančia „buck“ keitiklio grandinę.

Analizuojant PWM darbo ciklo sąlygą projektui

Pagrindinė formulė, kuri aiškiai išaiškino dalykus, matoma žemiau:

Vout = DVin

Čia V (in) yra įvesties įtampa, gaunama iš skydo, Vout yra norima išėjimo įtampa iš „buck“ keitiklio, o D yra darbo ciklas.

Iš lygties tampa akivaizdu, kad „Vout“ gali būti tiesiog pritaikytas „kontroliuojant“ „buck“ keitiklio ar „Vin“ darbo ciklą .... arba, kitaip tariant, „Vin“ ir darbo ciklo parametrai yra tiesiogiai proporcingi ir daro įtaką vienas kitam. reikšmes tiesiškai.

Tiesą sakant, šie terminai yra labai tiesiniai, todėl naudojant „Buck“ keitiklio grandinę daug lengviau supaprastinti saulės energijos optimizavimo grandinės matmenis.

Tai reiškia, kad kai Vin yra daug didesnis (@ didžiausias saulės spindulys) nei apkrovos specifikacijos, IC 555 procesorius gali padaryti PWM proporcingai siauresnį (arba platesnį P įrenginiui) ir paveikti „Vout“, kad jis išliktų norimu lygiu, ir atvirkščiai saulė mažėja, procesorius gali vėl išplėsti (arba susiaurinti P įrenginį) PWM, kad užtikrintų, jog išėjimo įtampa būtų palaikoma nurodytu pastoviu lygiu.

PWM įgyvendinimo įvertinimas naudojant praktinį pavyzdį

Tai galime įrodyti išsprendę pateiktą formulę:

Tarkime, kad piko piko įtampa V (in) yra 24V

o PWM turi būti 0,5 sek. įjungimo laikas ir 0,5 sek. išjungimo laikas

Veikimo ciklas = tranzistoriaus įjungimo laikas / impulso įjungimo + išjungimo laikas = T (įjungta) / 0,5 + 0,5 sek

Veikimo ciklas = T (įjungta) / 1

Todėl pakeisdami aukščiau pateiktą formulę, gausime,

V (iš) = V (į) x T (įjungtas)

14 = 24 x T (įjungta)

kur 14 yra tariama reikalinga išėjimo įtampa,

todėl,

T (įjungta) = 14/24 = 0,58 sekundės

Tai suteikia mums tranzistoriaus įjungimo laiką, kurį reikia nustatyti grandinei per didžiausią saulės spindulį, kad išėjime gautų reikiamą 14 V įtampą.

Kaip tai veikia

Nustačius tai, kas išdėstyta pirmiau, likusią dalį galima palikti IC 555 apdoroti laukiamiems savireguliacijos T (įjungimo) periodams, reaguojant į mažėjantį saulės spindulį.

Mažėjant saulės spinduliams, grandinė linijiniu būdu proporcingai padidins (arba sutrumpins P įrenginį) įjungimo laiką, užtikrindama pastovų 14 V įtampą, kol skydo įtampa tikrai nukris iki 14 V, kai grandinė galėtų tiesiog uždaryti procedūras.

Taip pat galima manyti, kad dabartinis (stiprintuvo) parametras yra savaime prisitaikantis, kuris visada bando pasiekti (VxI) produkto konstantą viso optimizavimo proceso metu. Taip yra todėl, kad „buck“ keitiklis visada turėtų paversti aukštos įtampos įvestį į proporcingai padidintą srovės lygį išėjime.

Vis dėlto, jei norite, kad jus visiškai patvirtintų rezultatai, galite kreiptis į šį straipsnį apie atitinkamas formules:

Apskaičiuojant įtampą, srovę Buck induktoriuje

Dabar pažiūrėkime, kaip atrodo mano sukurta galutinė grandinė iš šios informacijos:

Kaip matote aukščiau pateiktoje diagramoje, pagrindinė diagrama yra identiška ankstesnei savaime optimizuojančiai saulės įkroviklio grandinei, išskyrus įtraukimą IC4, kuris yra sukonfigūruotas kaip įtampos sekėjas ir pakeičiamas vietoje BC547 emiterio sekėjo pakopos. Tai daroma siekiant geriau reaguoti į IC2 kaiščio Nr. 5 valdymo pultą iš skydelio.

Apibendrinant pagrindinį Saulės optimizatoriaus veikimą

Veikimas gali būti peržiūrėtas taip, kaip nurodyta: IC1 sukuria maždaug 10 kHz kvadratinių bangų dažnį, kurį būtų galima padidinti iki 20 kHz pakeitus C1 vertę.

Šis dažnis tiekiamas į IC2 kaištį 2, kad T1 / C3 pagalba būtų galima greitai persijungti trikampio bangas ties kaiščiu Nr. 7.

Skydo įtampa tinkamai sureguliuojama P2 ir paduodama į IC4 įtampos sekimo pakopą, kad būtų tiekiamas IC2 kaištis Nr. 5.

Šis skydo IC2 kaištyje Nr. 5 esantis potencialas lyginamas su kaiščių Nr. 7 greitomis trikampio bangomis, kad būtų sukurti atitinkamai išmatuojami PWM duomenys IC2 kaištyje Nr. 3.

Didžiausiu saulės spindesiu P2 yra tinkamai sureguliuotas taip, kad IC2 sukurtų kuo platesnį PWM ir, kai saulės spindesys pradeda mažėti, PWM proporcingai siaurėja.

Aukščiau pateiktas efektas tiekiamas į PNP BJT pagrindą, kad atsakas būtų invertuotas per pritvirtintą „buck konverterio“ pakopą.

Reiškia, kad esant didžiausiam saulės spinduliui, platesni PWM priverčia PNP įrenginį veikti nedaug {sutrumpėjusiu T (įjungimo) laikotarpiu}, todėl siauresnės bangos formos pasiekia indukto induktorių ... bet kadangi skydo įtampa yra aukšta, įėjimo įtampos lygis {V (in)} pasiekti indukto induktorių yra lygus skydo įtampos lygiui.

Taigi šioje situacijoje „buck“ keitiklis, naudodamas teisingai apskaičiuotą T (įjungtą) ir V (įjungtą), gali sukurti teisingą reikiamą išėjimo įtampą apkrovai, kuri gali būti daug mažesnė nei skydo įtampa, tačiau esant proporcingai padidintas srovės (stiprintuvo) lygis.

Dabar, kai krinta saulė, PWM taip pat tampa siauresni, leidžiant PNP T (įjungti) proporcingai didėti, o tai savo ruožtu padeda „buck“ induktoriui kompensuoti mažėjantį saulės spindulį proporcingai padidinant išėjimo įtampą ... srovė (amp ) veiksnys dabar proporcingai mažėja veiksmo metu, užtikrinant, kad išvesties nuoseklumas būtų išlaikytas „Buck Converter“.

T2 kartu su susijusiais komponentais sudaro srovės ribojimo pakopą arba klaidų stiprintuvo pakopą. Tai užtikrina, kad išėjimo apkrovai niekada nebūtų leidžiama sunaudoti nieko, viršijančio nominalias konstrukcijos specifikacijas, kad sistema niekada nebūtų barška ir saulės kolektorių veikimas niekada nebūtų nukreiptas iš didelio efektyvumo zonos.

C5 rodomas kaip 100uF kondensatorius, tačiau norint pagerinti rezultatą, tai gali būti padidinta iki 2200uF vertės, nes aukštesnės vertės užtikrins geresnį srovės bangų valdymą ir sklandesnę apkrovos įtampą.

P1 skirtas reguliuoti / koreguoti opampo išėjimo poslinkio įtampą taip, kad kaištis Nr. 5 galėtų priimti tobulą nulį voltų, jei nėra saulės kolektoriaus įtampos arba kai saulės kolektoriaus įtampa yra žemesnė už apkrovos įtampos specifikacijas.

L1 specifikaciją galima apytiksliai nustatyti naudojant šiame straipsnyje pateiktą informaciją:

Kaip apskaičiuoti induktorius SMPS grandinėse

„Solar Optimizer“ naudojant „Op Amps“

Dar vieną labai paprastą, bet veiksmingą saulės optimizavimo grandinę galima sukurti naudojant LM338 IC ir keletą opampų.

Supraskime siūlomą grandinę (saulės optimizavimo priemonę) naudodamiesi šiais punktais: Paveikslėlyje parodyta LM338 įtampos reguliatoriaus grandinė, turinti srovės valdymo funkciją, taip pat tranzistoriaus BC547 pavidalu, sujungtą per IC reguliavimo ir įžeminimo kaištį.

„Opamps“ naudojami kaip palyginamieji

Du opampai yra sukonfigūruoti kaip lygintuvai. Iš tikrųjų, siekiant sustiprinti poveikį, gali būti įtraukta daug tokių stadijų.

Pagal šį projektą A1 kaiščio Nr. 3 išankstinis nustatymas yra sureguliuotas taip, kad A1 išėjimo galia būtų didelė, kai saulės spindulių intensyvumas per skydą yra apie 20% mažesnis už smailės vertę.

Panašiai A2 pakopa yra sureguliuojama taip, kad jos išeitis būtų didelė, kai saulės spinduliai yra apie 50% mažesni už didžiausią vertę.

Kai A1 išėjimas eina aukštai, RL # 1 paleidžia R2 jungimą pagal grandinę ir atjungia R1.

Iš pradžių, kai šviečia saulė, R1, kurio vertė yra parinkta daug mažesnė, leidžia maksimaliai srovei pasiekti bateriją.

Grandinės schema

Kai krenta saulė, skydo įtampa taip pat krenta, ir dabar mes negalime sau leisti iš skydo pritraukti sunkios srovės, nes tai sumažintų įtampą žemiau 12 V, o tai gali visiškai sustabdyti įkrovimo procesą.

Relės perjungimas dabartiniam optimizavimui

Todėl, kaip paaiškinta aukščiau, A1 veikia ir atjungia R1 bei sujungia R2. R2 yra pasirinktas didesne verte ir į akumuliatorių įleidžia tik ribotą srovės kiekį, kad saulės įtampa nenutrūktų žemiau 15 balų - tokio lygio būtinai reikia LM338 įėjime.

Saulei krentant žemiau antrojo nustatyto slenksčio, A2 įjungia RL # 2, kuris savo ruožtu perjungia R3, kad baterijos srovė būtų dar mažesnė, užtikrinant, kad įtampa LM338 įėjime niekada nenukristų žemiau 15 V, tačiau įkrovimo greitis iki baterija visada palaikoma iki artimiausio optimalaus lygio.

Jei padidėja opampo pakopos su didesniu relių skaičiumi ir paskesniais dabartiniais valdymo veiksmais, įrenginį galima optimizuoti dar geriau.

Pirmiau aprašyta procedūra akumuliatorių greitai įkrauna esant didelei srovei esant didžiausioms saulės spinduliams ir sumažina srovę, kai saulės intensyvumas per skydą krinta, ir atitinkamai tiekia akumuliatoriui teisingą vardinę srovę, kad dienos pabaigoje ji būtų visiškai įkrauta.

Kas nutinka naudojant akumuliatorių, kuris negali būti išsikrovęs?

Tarkime, jei baterija nėra optimaliai išsikrovusi, kad kitą rytą vyktų aukščiau aprašytas procesas, situacija gali būti lemtinga akumuliatoriui, nes pradinė didelė srovė gali neigiamai paveikti akumuliatorių, nes jis dar neišeikvotas iki nurodyto reitingai.

Norėdami patikrinti pirmiau pateiktą problemą, pateikiama dar keletas opampų, A3, A4, kurie stebi akumuliatoriaus įtampos lygį ir inicijuoja tuos pačius veiksmus, kuriuos atliko A1, A2, kad akumuliatoriaus srovė būtų optimizuota atsižvelgiant į įtampa arba įkrovos lygis, esantis su akumuliatoriumi tuo laikotarpiu.