כיצד ליצור מעגל לייעול פאנלים סולאריים

ניתן להשתמש במעגל האופטימיזציה הסולארי המוצע לקבלת התפוקה המרבית האפשרית מבחינת זרם ומתח מפאנל סולארי, בתגובה לתנאי אור השמש המשתנים.

מוסבר כמה מעגלי מטענים פשוטים אך יעילים למטב ייעול פאנלים סולאריים. את הראשון ניתן לבנות באמצעות כמה 555 ICs וכמה רכיבים ליניאריים אחרים, ה- optin השני פשוט אפילו יותר ומשתמש ב- IC רגילים מאוד כמו LM338 ו- amp amp IC 741. בואו ללמוד את ההליכים.

מטרת המעגל

כידוע לכולנו, השגת היעילות הגבוהה ביותר מכל סוג של ספק כוח הופכת ליתכנה אם ההליך אינו כרוך בהסבת מתח אספקת החשמל, כלומר אנו רוצים לרכוש את רמת המתח הנמוכה המסוימת הנדרשת, ואת הזרם המרבי עבור העומס שהוא מופעלת מבלי להפריע לרמת מתח המקור, ומבלי לייצר חום.

בקצרה, אופטימיזציה סולארית מודאגת אמורה לאפשר את תפוקתו עם זרם מקסימלי נדרש, כל רמה נמוכה יותר של מתח נדרש ועם זאת לוודא שרמת המתח על פני הפנל לא מושפעת.

שיטה אחת שנדונה כאן כוללת טכניקת PWM אשר עשויה להיחשב לאחת השיטות האופטימליות עד כה.

עלינו להיות אסירי תודה לגאון הקטן הזה שנקרא IC 555 שגורם לכל המושגים הקשים להיראות כל כך קלים.

שימוש ב- IC 555 להמרת PWM

גם ברעיון זה אנו משלבים, ותלויים במידה רבה בכמה מערכות IC 555 לצורך היישום הנדרש.

בהתבוננות בתרשים המעגלים הנתון אנו רואים כי התכנון כולו מחולק בעצם לשני שלבים.

שלב ויסות המתח העליון ושלב גנרטור ה- PWM התחתון.

השלב העליון מורכב ממוספ ערוץ p הממוקם כמתג ומגיב למידע ה- PWM המיושם בשערו.

השלב התחתון הוא שלב מחולל PWM. כמה 555 ICs מוגדרים לפעולות המוצעות.

איך המעגל מתפקד

IC1 אחראי על הפקת הגלים המרובעים הנדרשים אשר מעובדים על ידי מחולל הגלים המשולש הנוכחי הקבוע הכולל T1 והרכיבים הנלווים.

גל משולש זה מוחל על IC2 לצורך עיבוד ל- PWMs הנדרשים.

עם זאת, ריווח ה- PWM מ- IC2 תלוי ברמת המתח בסיכה מספר 5 שלו, הנגזרת מרשת התנגדותית על פני הפאנל באמצעות הנגד 1K וההגדרה המוקדמת 10K.

המתח בין רשת זו הוא ביחס ישר למתח הפאנל המשתנה.

במהלך מתח שיא ה- PWM הופכים רחבים יותר ולהיפך.

ה- PWM לעיל מוחל על שער המוספט שמוליך ומספק את המתח הנדרש לסוללה המחוברת.

כפי שנאמר קודם לכן, במהלך שיא השמש הפאנל מייצר רמה גבוהה יותר של מתח, מתח גבוה יותר פירושו IC2 המייצר PWM רחבים יותר, אשר בתורו שומר על כיבוי המוסף לתקופות ארוכות יותר או מופעל לתקופות קצרות יחסית, המקביל לערך מתח ממוצע שעשוי להיות להיות בסביבות 14.4 וולט על מסופי הסוללה.

כאשר השמש זורחת מתדרדרת, ה- PWM מקבלים מרווח צר באופן יחסי ומאפשר למוספט להתנהל יותר כך שהזרם והמתח הממוצעים ברחבי הסוללה נוטים להישאר בערכים האופטימליים.

יש להתאים את ההגדרה הקבועה מראש של 10K כך שתסובב סביב 14.4 וולט על מסופי הפלט תחת שמש בהירה.

ניתן לעקוב אחר התוצאות בתנאי אור שמש שונים.

מעגל האופטימיזציה של הפאנל הסולרי המוצע מבטיח טעינה יציבה של הסוללה, מבלי להשפיע או להחליף את מתח הפאנל, מה שגורם גם לייצור חום נמוך יותר.

הערה: הפאנל הממריץ המחובר אמור להיות מסוגל לייצר 50% יותר מתח מהסוללה המחוברת בשיא השמש. הזרם צריך להיות 1/5 מדירוג AH הסוללה.

כיצד להגדיר את המעגל

1. ניתן לעשות זאת באופן הבא:
2. תחילה שמור על S1 כבוי.
3. חשוף את הפאנל לשיא השמש, והתאם את ההגדרה הקבועה מראש כדי לקבל את מתח הטעינה האופטימלי הנדרש על פני תפוקת דיודות הניקוז של הקרקע.
4. המעגל מוכן כעת.
5. לאחר שהדבר נעשה, הפעל את S1, הסוללה תתחיל להיטען במצב מיטבי ומיטבי.

הוספת תכונת בקרה נוכחית

חקירה מדוקדקת של המעגל הנ'ל מראה שככל שהמוספט מנסה לפצות את רמת מתח הלוח היורדת, הוא מאפשר לסוללה לשאוב יותר זרם מהלוח, מה שמשפיע על מתח הלוח שמוריד אותה למטה וגורם למצב בריחה, זה עשוי לעכב ברצינות את תהליך האופטימיזציה

תכונת בקרה נוכחית כפי שמוצג בתרשים הבא מטפלת בבעיה זו ואוסרת על הסוללה למשוך זרם יתר מעבר לגבולות שצוינו. זה בתורו עוזר לשמור על מתח הפאנל ללא השפעה.

ניתן לחשב את RX שהוא הנגד המגביל הנוכחי בעזרת הנוסחה הבאה:

RX = 0.6 / I, כאשר אני הוא זרם הטעינה המינימלי שצוין עבור הסוללה המחוברת

גרסה גסה אך פשוטה יותר של העיצוב המוסבר לעיל עשויה להיבנות כפי שהוצע על ידי מר דיאקסה תוך שימוש בזיהוי סף pin2 ו- pin6 של IC555, ניתן לראות את התרשים כולו להלן:

ללא אופטימיזציה ללא ממיר באק

התכנון המוסבר לעיל פועל באמצעות תפיסת PWM בסיסית אשר התאימה אוטומטית את ה- PWM של מעגל מבוסס 555 בתגובה לעוצמת השמש המשתנה.

למרות שהפלט ממעגל זה מייצר תגובה מכווננת עצמית על מנת לשמור על מתח ממוצע קבוע ביציאה, מתח השיא לעולם אינו מותאם והופך אותו למסוכן במידה ניכרת לטעינת סוללות מסוג Li-ion או Lipo.

יתר על כן המעגל הנ'ל אינו מצויד להמיר את המתח העודף מהלוח לכמות זרם פרופורציונאלית עבור העומס הנקוב המתח המחובר.

הוספת ממיר באק

ניסיתי לתקן את המצב הזה על ידי הוספת שלב ממיר באק לתכנון שלעיל, ויכולתי לייצר אופטימיזציה שנראתה דומה מאוד למעגל MPPT.

עם זאת, גם עם המעגל המשופר הזה לא יכולתי להיות משוכנע לחלוטין אם המעגל באמת מסוגל לייצר מתח קבוע עם רמת שיא מקוצרת וזרם מוגבר בתגובה לרמות עוצמת השמש השונות.

כדי להיות בטוח לחלוטין בקונספט ולבטל את כל הבלבולים נאלצתי לעבור מחקר ממצה לגבי ממירי באק והקשר המעורב בין מתח כניסה / יציאה, זרם ויחסי PWM (מחזור חובה), אשר נתן השראה לי ליצור את המאמרים הבאים בנושא:

איך עובדים ממירי באק

חישוב מתח, זרם במשרן באק

הנוסחאות המסכמות שהתקבלו משני המאמרים לעיל סייעו להבהיר את כל הספקות ולבסוף יכולתי להיות בטוחה לחלוטין במעגל האופטימיזציה הסולארית שהוצעתי בעבר באמצעות מעגל ממיר באק.

ניתוח תנאי מחזור חובה של PWM לעיצוב

ניתן לראות את הנוסחה הבסיסית שהבהירה את הדברים בצורה ברורה:

Vout = DVin

כאן V (in) הוא מתח הכניסה שמגיע מהלוח, Vout הוא מתח המוצא הרצוי מממיר ה- buck ו- D הוא מחזור החובה.

מהמשוואה מתברר כי ניתן להתאים את ה- Vout פשוט על ידי שליטה 'או' על מחזור החובה של ממיר ה- buck או ה- Vin .... או במילים אחרות הפרמטרים של Vin ומחזור החובה הם מידתיים באופן ישיר ומשפיעים זה על זה. ערכים באופן ליניארי.

למעשה המונחים הם מאוד ליניאריים מה שהופך את המימד של מעגל ייעול סולארי להרבה יותר קל באמצעות מעגל ממיר באק.

זה מרמז שכאשר Vin גבוה בהרבה (@ שיא השמש) ממפרט העומס, מעבד IC 555 יכול להפוך את ה- PWM לצר יותר באופן יחסי (או רחב יותר עבור מכשיר P) ולהשפיע על ה- Vout להישאר ברמה הרצויה, ולהפך כמו כאשר השמש פוחתת, המעבד יכול להרחיב (או לצמצם עבור מכשיר P) את ה- PWM שוב כדי להבטיח שמתח המוצא נשמר ברמה הקבועה שצוינה.

הערכת יישום ה- PWM באמצעות דוגמה מעשית

אנו יכולים להוכיח את האמור לעיל על ידי פתרון הנוסחה הנתונה:

נניח שמתח הפאנל השיא V (in) יהיה 24V

ו- PWM להיות מורכב זמן 0.5 שניות ON, וזמן OFF OFF 0.5 שניות

מחזור עבודה = טרנזיסטור בזמן / דופק פועל + זמן OFF = T (מופעל) / 0.5 + 0.5 שניות

מחזור חובה = T (מופעל) / 1

לכן החלפת האמור לעיל בנוסחה שלהלן נקבל,

V (out) = V (in) x T (on)

14 = 24 x T (מופעל)

כאשר 14 הוא מתח המוצא הנדרש,

לָכֵן,

T (מופעל) = 14/24 = 0.58 שניות

זה נותן לנו את זמן הטרנזיסטור ON אשר צריך להיות מוגדר למעגל בזמן שיא השמש לייצור 14V הנדרש ביציאה.

איך זה עובד

לאחר הגדרת האמור לעיל, ניתן להשאיר את השאר ל- IC 555 לעיבוד תקופות T (פועלות) עם התאמה עצמית בתגובה לאור השמש המצטמצם.

כעת, כאשר אור השמש פוחת, זמן ההפעלה הנ'ל יוגדל (או יוקטן עבור מכשיר P) באופן יחסי על ידי המעגל בצורה ליניארית להבטחת 14 וולט קבועים, עד שמתח הפאנל באמת יירד ל 14 וולט, כאשר המעגל יכול פשוט לסגור את הנהלים.

ניתן להניח כי הפרמטר הנוכחי (מגבר) הוא מכוון את עצמו, שמנסה תמיד להשיג את קבוע המוצר (VxI) לאורך כל תהליך האופטימיזציה. הסיבה לכך היא שממיר באק אמור תמיד להמיר את קלט המתח הגבוה לרמת זרם מוגברת באופן יחסי בפלט.

ובכל זאת אם אתה מעוניין לקבל אישור מלא לגבי התוצאות, תוכל לעיין במאמר הבא לקבלת הנוסחאות הרלוונטיות:

חישוב מתח, זרם במשרן באק

בואו נראה כיצד נראה המעגל הסופי שתוכנן על ידי, מהמידע הבא:

כפי שניתן לראות בתרשים שלעיל, התרשים הבסיסי זהה למעגל המטען הסולארי הקודם המייעל את עצמו, למעט הכללת ה- IC4 שמוגדרת כעוקב מתח ומוחלפת במקום שלב עוקב הפולט BC547. זה נעשה על מנת לספק מענה טוב יותר עבור פינת ה- IC2 של בקרת סיכה מס '5 מהלוח.

סיכום התפקוד הבסיסי של מיטוב השמש

ניתן לתקן את התפקוד כמפורט תחת: IC1 מייצר תדר גל מרובע בכ -10 קילו-הרץ אשר ניתן להגדילו ל -20 קילו-הרץ על ידי שינוי ערך C1.

תדר זה מוזן לסיכה 2 של IC2 לייצור גלי משולש מיתוג מהיר בסיכה 7 בעזרת T1 / C3.

מתח הלוח מותאם כראוי על ידי P2 ומועבר לשלב עוקב המתח IC4 להזנת הפין מספר 5 של ה- IC2.

פוטנציאל זה בסיכה מס '5 של IC2 מהלוח מושווה על ידי גלי משולש מהירים מס' 7 ליצירת נתוני PWM בממדים המתאימים בסיכה מס '3 של IC2.

בשיא השמש של השיא P2 מותאם כראוי כך ש- IC2 יוצר PWMs רחבים ככל האפשר וככל שזוהר השמש מתחיל להצטמצם, ה- PWMs נעשים צרים יותר באופן יחסי.

ההשפעה שלעיל מוזנת לבסיס של PNP BJT לצורך היפוך התגובה על פני שלב ממיר הכסף המצורף.

רומז שבשימש של אור שמש, ה- PWM הרחבים יותר מכריחים את מכשיר ה- PNP להתנהל בקצרה {פרק זמן T (מופחת)}, מה שגורם לצורות גל צרות יותר להגיע למשרן ה- buck ... אך מכיוון שמתח הפאנל גבוה, מתח מתח הכניסה {V (in)} הגעה למשרן באק שווה לרמת מתח הפאנל.

כך שבמצב זה, ממיר ה- buck בעזרת T (on) ומחושב נכון (V) הוא מסוגל לייצר את מתח המוצא הנדרש הנדרש עבור העומס, שיכול להיות נמוך בהרבה ממתח הפאנל, אך ב רמת זרם (אמפר) מוגברת באופן יחסי.

עכשיו, כאשר השמש זורחת טיפות, ה- PWMs גם הופכים צרים יותר, ומאפשרים ל- PNP T (דולק) לעלות באופן פרופורציונלי, מה שבתורו מסייע למשרן הכסף לפצות על אור השמש המצטמצם על ידי העלאת מתח המוצא באופן פרופורציונלי ... הזרם (אמפר) גורם זה מופחת באופן יחסי במהלך הפעולה, ומוודא כי עקביות הפלט נשמרת בצורה מושלמת על ידי ממיר ה- Buck.

T2 יחד עם הרכיבים המשויכים יוצרים את השלב המגביל הנוכחי או את שלב מגבר השגיאה. זה מוודא שמעומס הפלט לעולם אינו מורשה לצרוך שום דבר מעל למפרט המדורג של התכנון, כך שהמערכת לעולם אינה משקשקת וביצועי הפאנל הסולארי לעולם אינם מורשים להסיט את אזור היעילות הגבוהה שלה.

C5 מוצג כקבל של 100uF, אולם לתוצאה משופרת זה עשוי להיות מוגבר לערך 2200uF, מכיוון שערכים גבוהים יותר יבטיחו שליטה טובה יותר בזרם אדווה ומתח חלק יותר עבור העומס.

P1 מיועד לכוונון / תיקון המתח המקוזז של פלט ה- opamp, כך שסיכה מס '5 מסוגלת לקבל אפס וולט מושלם בהעדר מתח של פנל סולארי או כאשר מתח הפאנל הסולארי נמוך ממפרט מתח העומס.

מפרט ה- L1 עשוי להיקבע בקירוב בעזרת המידע המסופק במאמר הבא:

כיצד לחשב משרנים במעגלי SMPS

מיטוב סולארי באמצעות מגברי אופ

ניתן ליצור מעגל אופטימיזציה סולארית פשוט אך יעיל מאוד על ידי שימוש ב- IC LM338 וכמה אופמים.

בואו ונבין את המעגל המוצע (אופטימיזציה סולארית) בעזרת הנקודות הבאות: האיור מראה מעגל מווסת מתח LM338 בעל תכונת בקרת זרם גם בצורה של הטרנזיסטור BC547 המחובר על פני כוונון וסיכה קרקעית של ה- IC.

Opamps המשמשים כמשווים

שתי האופציות מוגדרות כמשוואות. למעשה ניתן לשלב שלבים רבים כאלה לשיפור ההשפעות.

בתכנון הנוכחי מוגדרת מראש מספר 3 של סיכה מס '3 כך שתפוקת A1 תהיה גבוהה כאשר עוצמת הזוהר של השמש מעל הפאנל נמוכה בכ -20% מערך השיא.

באופן דומה, שלב A2 מותאם כך שתפוקתו תגיע גבוה כאשר השמש נמוכה בכ- 50% מערך השיא.

כאשר פלט A1 עולה גבוה, RL # 1 מפעיל את חיבור R2 בקו אחד עם המעגל, ומנתק את R1.

בתחילה בשיא השמש, R1 שערכו נבחר נמוך בהרבה, מאפשר זרם מקסימאלי להגיע לסוללה.

תרשים מעגלים

כאשר אור השמש יורד, מתח הלוח יורד וכעת איננו יכולים להרשות לעצמנו לשאוב זרם כבד מהלוח מכיוון שהדבר יביא להורדת המתח מתחת ל 12 וולט אשר עשוי לעצור לחלוטין את תהליך הטעינה.

מעבר ממסר לאופטימיזציה נוכחית

לכן כפי שהוסבר לעיל A1 נכנס לפעולה ומנתק את R1 ומחבר את R2. R2 נבחר בערך גבוה יותר ומאפשר זרם מוגבל בלבד לסוללה כך שהמתח הסולארי לא יקרוס מתחת ל -15 וואטים, רמה הנדרשת באופן חובה בכניסה של LM338.

כאשר השמש יורדת מתחת לסף הקבוע השני, A2 מפעיל את ה- RL # 2 אשר בתורו ממתג את R3 כדי שהזרם לסוללה יהיה נמוך עוד יותר ומוודא שהמתח בכניסה של ה- LM338 לעולם לא יורד מתחת ל -15 וולט, ובכל זאת קצב הטעינה ל הסוללה תמיד נשמרת לרמות האופטימליות הקרובות ביותר.

אם מגדילים את שלבי ה- opamp עם מספר רב יותר של ממסרים ופעולות הבקרה הנוכחיות הבאות, ניתן לייעל את היחידה ביעילות טובה עוד יותר.

ההליך שלעיל מטעין את הסוללה במהירות בזרם גבוה בזמן שיאי שמש ומוריד את הזרם כאשר עוצמת השמש מעל הלוח צונחת, ובמקביל מספק לסוללה את הזרם המדויק הנכון כך שהיא נטענת במלואה בסוף היום.

מה קורה עם סוללה שייתכן שלא ניתן לפרוק אותה?

נניח שבמקרה שהסוללה לא תתרוקן בצורה אופטימלית על מנת לעבור את התהליך הנ'ל למחרת בבוקר, המצב עלול להיות קטלני לסוללה, מכיוון שהזרם הגבוה הראשוני עלול להשפיע לרעה על הסוללה מכיוון שהיא עדיין נשמרה למפורט דירוגים.

כדי לבדוק את הנושא לעיל, מוצגות עוד כמה אופמות, A3, A4, שעוקבות אחר רמת המתח של הסוללה ויוזמות את אותן פעולות כמו שנעשו על ידי A1, A2, כך שהזרם לסוללה מותאם ביחס המתח או רמת הטעינה הקיימת בסוללה במהלך פרק זמן זה.