Circuito MPPT solar casero: rastreador del punto de máxima potencia del pobre hombre

Circuito MPPT solar casero: rastreador del punto de máxima potencia del pobre hombre

MPPT significa rastreador de punto de máxima potencia, que es un sistema electrónico diseñado para optimizar la salida de potencia variable de un módulo de panel solar de modo que la batería conectada explote la potencia máxima disponible del panel solar.

Introducción

NOTA: Los circuitos MPPT discutidos en esta publicación no emplean los métodos de control convencionales como 'Perturbar y observar', 'Conductancia incremental,' Barrido de corriente ',' Voltaje constante '... etc, etc ... Más bien aquí concéntrese e intente implementar un par de cosas básicas:



  1. Para asegurarse de que la 'potencia' de entrada del panel solar sea siempre igual a la 'potencia' de salida que llega a la carga.
  2. El 'voltaje de rodilla' nunca es perturbado por la carga y la zona MPPT del panel se mantiene de manera eficiente.

¿Qué es el voltaje de rodilla y la corriente de un panel?

En pocas palabras, el voltaje de la rodilla es el 'Abra el circuito de voltaje' nivel del panel, mientras que la corriente de rodilla es el 'corriente de cortocircuito' medida del panel en un instante dado.



Si los dos anteriores se mantienen en la medida de lo posible, se podría suponer que la carga recibe energía del MPPT durante todo su funcionamiento.

Antes de profundizar en los diseños propuestos, primero conozcamos algunos de los hechos básicos relacionados con carga de batería solar



Sabemos que la salida de un panel solar es directamente proporcional al grado de luz solar incidente y también a la temperatura ambiente. Cuando los rayos del sol son perpendiculares al panel solar, genera la máxima cantidad de voltaje y se deteriora a medida que el ángulo se aleja de los 90 grados La temperatura atmosférica alrededor del panel también afecta la eficiencia del panel, que disminuye con el aumento de temperatura. .

Por lo tanto, podemos concluir que cuando los rayos del sol están cerca de los 90 grados sobre el panel y cuando la temperatura es de alrededor de 30 grados, la eficiencia del panel se acerca al máximo, la tasa disminuye a medida que los dos parámetros anteriores se alejan de sus valores nominales.

El voltaje anterior se usa generalmente para cargar una batería, un Batería de ácido sólido , que a su vez se utiliza para operar un inversor. Sin embargo, al igual que el El panel solar tiene sus propios criterios de funcionamiento. , la batería tampoco es menos y ofrece algunas condiciones estrictas para una carga óptima.



Las condiciones son, la batería debe cargarse inicialmente a una corriente relativamente más alta que debe reducirse gradualmente hasta casi cero cuando la batería alcanza un voltaje un 15% más alto que su valor nominal normal.

Suponiendo que una batería de 12 V completamente descargada, con un voltaje en cualquier lugar alrededor de 11,5 V, se puede cargar inicialmente a una velocidad de alrededor de C / 2 (C = AH de la batería), esto comenzará a llenar la batería de manera relativamente rápida y hará que su voltaje sea mayor alrededor de 13 V en un par de horas.

En este punto, la corriente debe reducirse automáticamente a una tasa de C / 5, esto ayudará nuevamente a mantener el ritmo de carga rápido sin dañar la batería y elevará su voltaje a alrededor de 13.5V en la próxima 1 hora.

Siguiendo los pasos anteriores, ahora la corriente puede reducirse aún más a una tasa C / 10, lo que asegura que la tasa de carga y el ritmo no disminuyan.

Finalmente, cuando el voltaje de la batería alcanza alrededor de 14.3V, el proceso puede reducirse a una tasa C / 50 que casi detiene el proceso de carga, pero restringe la carga para que no caiga a niveles más bajos.

Todo el proceso carga una batería completamente descargada en un lapso de 6 horas sin afectar la vida útil de la batería.

Un MPPT se emplea exactamente para garantizar que el procedimiento anterior se extraiga de manera óptima de un panel solar en particular.

Es posible que un panel solar no pueda proporcionar salidas de alta corriente, pero definitivamente puede proporcionar voltajes más altos.

El truco sería convertir los niveles de voltaje más altos en niveles de corriente más altos a través de la optimización adecuada de la salida del panel solar.

Ahora, dado que las conversiones de un voltaje más alto a una corriente más alta y viceversa se pueden implementar solo a través de convertidores de refuerzo reductor, un método innovador (aunque un poco voluminoso) sería utilizar un circuito de inductor variable en el que el inductor tendría muchas tomas conmutables, estos Los grifos pueden alternarse mediante un circuito de conmutación en respuesta a la luz solar variable, de modo que la salida a la carga siempre permanece constante independientemente de la luz solar.

El concepto puede entenderse consultando el siguiente diagrama:

Diagrama de circuito

Circuito MPPT casero con transformador roscado.

Usando LM3915 como el procesador principal IC

El procesador principal en el diagrama anterior es el IC LM3915 que cambia su pinout de salida secuencialmente de arriba a abajo en respuesta a la disminución de la luz solar

Estas salidas se pueden ver configuradas con transistores de potencia de conmutación que a su vez están conectados con las diversas tomas de una bobina inductora larga de ferrita.

El extremo más bajo del inductor se puede ver conectado con un transistor de potencia NPN que se conmuta a una frecuencia de alrededor de 100 kHz desde un circuito oscilador configurado externamente.

Los transistores de potencia conectados con las salidas del interruptor IC en respuesta a las salidas de secuencia IC, conectan las tomas apropiadas del inductor con el voltaje del panel y la frecuencia de 100 kHz.

Las vueltas de este inductor se calculan apropiadamente de modo que sus diversas derivaciones sean compatibles con el voltaje del panel, ya que estas son conmutadas por las etapas del controlador de salida del IC.

Por lo tanto, los procedimientos se aseguran de que, si bien la intensidad del sol y el voltaje caen, se vincula adecuadamente con la toma correspondiente del inductor manteniendo casi un voltaje constante en todas las tomas dadas, según sus clasificaciones calculadas.

Entendamos el funcionamiento con la ayuda del siguiente escenario:

Suponga que la bobina se selecciona para que sea compatible con un panel solar de 30 V, por lo tanto, en la luz del sol máxima, supongamos que el transistor de potencia superior está encendido por el IC que somete a toda la bobina a oscilar, esto permite que los 30 V completos estén disponibles a través del extremos extremos de la bobina.

Ahora suponga que la luz del sol cae 3V y reduce su salida a 27V, esto es detectado rápidamente por el IC de manera que el primer transistor de la parte superior ahora se apaga y el segundo transistor en la secuencia se enciende.

La acción anterior selecciona la segunda derivación (derivación de 27V) del inductor desde la parte superior ejecutando una derivación del inductor correspondiente a la respuesta de voltaje, asegurándose de que la bobina oscile de manera óptima con el voltaje reducido ... de manera similar, ahora que el voltaje de la luz solar cae aún más en los transistores respectivos 'estrechar la mano' con las correspondientes tomas inductoras asegurando una combinación perfecta y una conmutación eficiente de la inductancia, correspondiente a las tensiones solares disponibles.

Debido a la respuesta combinada anterior entre el panel solar y el inductor reductor / elevador de conmutación ... se puede suponer que los voltajes de derivación sobre los puntos relevantes mantienen un voltaje constante durante todo el día independientemente de la situación de la luz solar ...

Por ejemplo, suponga que si el inductor está diseñado para producir 30 V en la toma superior seguida de 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V en las tomas posteriores, entonces se podría suponer que todos estos voltajes son constante sobre estos grifos independientemente de los niveles de luz solar.

También recuerde que estos voltajes se pueden modificar según las especificaciones del usuario para lograr voltajes más altos o más bajos que el voltaje del panel.

El circuito anterior también se puede configurar en la topoogía flyback como se muestra a continuación:

diseño MPPT flyback simple

En ambas configuraciones anteriores, se supone que la salida permanece constante y estable en términos de voltaje y potencia independientemente de la salida solar.

Uso del método de seguimiento I / V

El siguiente concepto de circuito asegura que el nivel de MPPT del panel nunca sea perturbado drásticamente por la carga.

El circuito rastrea el nivel de 'rodilla' del MPPT del panel y se asegura de que la carga no consuma nada más que pueda causar una caída en este nivel de rodilla del panel.

Aprendamos cómo se puede hacer esto usando un simple circuito de seguimiento de I / V opamp.

Tenga en cuenta que los diseños que no tienen un convertidor reductor nunca podrán optimizar el exceso de voltaje en corriente equivalente para la carga y pueden fallar en este sentido, que se considera la característica crucial de cualquier diseño MPPT.

Se puede hacer un dispositivo de tipo MPPT muy simple pero efectivo empleando un IC LM338 y un amplificador operacional.

En este concepto diseñado por mí, el amplificador operacional está configurado de tal manera que sigue registrando los datos MPP instantáneos del panel y los compara con el consumo instantáneo de carga. Si encuentra que el consumo de carga excede estos datos almacenados, corta la carga ...

Rastreador simple de voltaje de rodilla MPPT y autoajuste


El escenario IC 741 es la sección del seguidor solar y constituye el corazón de todo el diseño.

El voltaje del panel solar se alimenta al pin2 inversor del IC, mientras que el mismo se aplica al pin3 no inversor con una caída de alrededor de 2 V utilizando tres diodos 1N4148 en serie.

La situación anterior mantiene consistentemente el pin3 del IC un tono más bajo que el pin2, lo que garantiza un voltaje cero en el pin de salida 6 del IC.

Sin embargo, en caso de una sobrecarga ineficiente, como una batería que no coincida o una batería de alta corriente, el voltaje del panel solar tiende a bajar por la carga. Cuando esto sucede, el voltaje del pin2 también comienza a caer; sin embargo, debido a la presencia del condensador de 10uF en el pin3, su potencial permanece sólido y no responde a la caída anterior.

La situación obliga instantáneamente al pin3 a ir más alto que al pin2, que a su vez cambia el pin6 a alto, encendiendo el BJT BC547.

BC547 ahora deshabilita inmediatamente LM338 cortando el voltaje a la batería, el ciclo sigue cambiando a un ritmo rápido dependiendo de la velocidad nominal del IC.

Las operaciones anteriores aseguran que el voltaje del panel solar nunca caiga o sea arrastrado por la carga, manteniendo una condición similar a MPPT en todo momento.

Dado que se usa un IC lineal LM338, el circuito podría volver a ser un poco ineficiente ... el remedio es reemplazar la etapa LM338 con un convertidor reductor ... que haría que el diseño sea extremadamente versátil y comparable a un verdadero MPPT.

A continuación se muestra un circuito MPPT que utiliza una topología de convertidor reductor, ahora el diseño tiene mucho sentido y parece mucho más parecido a un verdadero MPPT.

MPPT con rastreador y fuente de alimentación buck autooptimizable

Circuito MPPT de 48 V

Los circuitos MPPT simples anteriores también se pueden modificar para implementar la carga de batería de alto voltaje, como el siguiente circuito de cargador MPPT de batería de 48V.

Diseño de rastreador MPPT de 60 V a 24 V

Las ideas son todas desarrolladas exclusivamente por mí.




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