Convertitore boost con regolatore di carica MPPT per pannelli solari. Il pannello solare alimenta la “lampada da giorno” e il ricevitore VHF. Parametri per la scelta di un inverter a batteria solare

Poonam Deshpande

Progettazione elettronica

Una semplice combinazione di una batteria solare, diversi LED e un piccolo regolatore DC/DC ti consentirà di illuminare gli angoli bui della stanza durante il giorno e allo stesso tempo fornire energia stabilizzata ai carichi a bassa potenza

Una lampada ad energia solare che funziona solo durante il giorno può sembrare praticamente inutile, ma ci sono molte aree delle case e degli uffici che rimangono relativamente buie anche durante il giorno. Questa "luce diurna" si illumina da un pannello solare vicino e inoltre dispone di un'ulteriore sorgente stabilizzata da 0,5 W in grado di alimentare piccoli carichi come un ricevitore VHF.

Per alimentare la lampada fluorescente viene utilizzato un pannello fotovoltaico della potenza nominale di 10 W (Figura 1). La sua tensione, nel punto di massima potenza pari a 17,3 V, alimenta due catene di LED identiche (LED1... LED5 e LED6... LED10). Ogni catena è composta da cinque LED bianchi con una potenza di 1 W ciascuno. I resistori in serie R1 e R2 con una resistenza di 22 Ohm con una potenza di dissipazione consentita di 2 W impostano le correnti dei circuiti.

L'uscita del pannello fotovoltaico è collegata tramite un interruttore all'ingresso di uno stabilizzatore di tensione commutabile (PVS) (Figura 2). Il condensatore all'ingresso del chip del convertitore riduce la dipendenza della luminosità dei LED dalle variazioni della corrente di carico, che dipende dal livello del segnale audio all'uscita del ricevitore VHF.

Esistono numerosi circuiti integrati convertitori di tensione di commutazione economici che si adattano bene a questa applicazione e tre di essi sono molto simili per prevalenza, frequenza di commutazione, tensione di uscita, valori L e C e resistenza di carico. Questi sono LM3524, MC34063 e LM2575. A parità di condizioni, un convertitore basato su IC perde meno tensione della batteria a causa del minore consumo di corrente e della minore tensione di saturazione dell'interruttore di alimentazione. È chiaro che questo particolare microcircuito è stato scelto come fonte di alimentazione.

La tensione di alimentazione in ingresso (V IN) viene fornita al pin 6 del convertitore CC/CC MC34063 tramite l'interruttore SW (Figura 3). Un condensatore di livellamento C1 da 2200 µF, situato dopo l'interruttore, è progettato per ridurre al minimo le fluttuazioni di tensione causate dai cambiamenti nell'intensità della luce. Il condensatore C2 con una capacità di 100 pF sul pin 5 imposta la frequenza di commutazione del convertitore su 33 kHz.

La tensione di uscita è filtrata dagli elementi L1 e C3. L'induttanza di 220 μH è realizzata autonomamente avvolgendo 48 spire di filo su un nucleo toroidale, per il quale è del tutto possibile utilizzare un nucleo con un diametro di 10 mm e un'altezza di 20 mm, estratto da un vecchio cavo di computer. Le resistenze dei resistori R1 e R2 sono selezionate in modo che la tensione di uscita sia 5 V. Se l'uscita dovesse avere una tensione diversa, la resistenza del resistore R1 dovrebbe essere modificata. Ad esempio, per una tensione di uscita di 6 V, la resistenza di R1 dovrebbe essere 27 kOhm e per 4,5 V - circa 39 kOhm. Il circuito assemblato è mostrato nella Figura 4 e il sistema completo è mostrato nella Figura 5.

Per ottenere più luce, puoi realizzare una lampada da giorno con due pannelli solari collegati in serie (Figura 6). Tuttavia, in questo caso, la tensione massima in uscita dalla sorgente fotovoltaica può superare i 40 V, che è il valore limite fissato per il chip MC34063. Per risolvere questo problema, il convertitore DC/DC non è collegato direttamente all'uscita del pannello solare, ma a una delle due stringhe di LED. Ogni catena è composta da dieci LED con una tensione diretta massima di 3,5 V. Pertanto, la tensione sulla catena non supera i 35 V.

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Il dispositivo è un semplice convertitore boost e limitatore di tensione che carica batterie da 12 V da un pannello solare da 6 V. Il dispositivo dispone anche della funzione MPPT (Maximum Power Point Tracking). Quando pensiamo all'MPPT, di solito pensiamo ai microcontrollori e ai complessi algoritmi di calcolo della potenza. Tuttavia, tali algoritmi non sono realmente necessari.

L’articolo presenta due soluzioni schematiche. Il primo circuito illustra semplicemente un convertitore di commutazione boost, mentre il secondo mostra un circuito di lavoro fatto in casa del dispositivo. È consigliato agli sperimentatori più esperti che hanno a disposizione un oscilloscopio. Il circuito può interessare anche gli studenti e coloro che vogliono semplicemente ampliare le proprie conoscenze nel campo dell'elettronica.

Aumenta i diagrammi della topologia del convertitore e lo schema del circuito del convertitore solare fatto in casa

TeoricointelligenzaOcrescenteconvertitore

Nel diagramma della topologia del convertitore boost, la bobina L1 viene caricata quando il transistor Q1 è acceso. Quando il transistor Q1 è spento, la bobina L1 si scarica sulla batteria attraverso il diodo zener D1. L'esecuzione di questa operazione diverse migliaia di volte al secondo comporterà una corrente di uscita significativa. Questo processo è anche chiamato scarica induttiva. Perché funzioni, la tensione di ingresso deve essere inferiore alla tensione di uscita. Inoltre, se si dispone di un pannello solare, è necessario utilizzare un elemento di accumulo dell'energia: un condensatore (C1), che consentirà al pannello solare di emettere continuamente corrente tra un ciclo e l'altro.

Descrizione dello schema elettrico del convertitore boost

Il circuito è costituito da tre blocchi principali, tra cui un generatore di gate MOS 555, un modulatore PWM 555 e un amplificatore operazionale con limitatore di tensione. La serie 555 con uscita in cascata può fornire una corrente di circa 200 mA e costituisce un eccellente generatore di impulsi a bassa potenza. Il modulatore PWM 555 è un classico circuito oscillatore basato sulla serie 555. Per regolare il tempo di scarica del condensatore C3 (tempo di carica della bobina), al pin 5 viene applicata una tensione di 5 V.

Limitazionevoltaggio

L'amplificatore operazionale U1A calcola il segnale di tensione della batteria quando il setpoint di tensione diviso viene confrontato con la tensione di riferimento di 5 V. Quando la tensione supera il valore impostato, l'uscita commuta nella direzione negativa, riducendo così la frequenza degli impulsi PWM del generatore e limitando eventuali cariche successive. Ciò impedisce efficacemente il sovraccarico.

Alimentazione del circuito da un pannello solare

Per evitare un inutile consumo della batteria quando non splende il sole, tutti i circuiti sono alimentati tramite il pannello solare, ad eccezione del partitore di tensione a circuito chiuso, che assorbe circa 280uA.

Logica MOSFETlivello

Poiché il circuito deve funzionare a bassi livelli di tensione (questo circuito funziona con una tensione di ingresso di almeno 4 V), è necessario installare un MOSFET a livello logico. Si aprirà con una tensione di 4,5 V. A questo scopo ho utilizzato un transistor MOSFET di potenza MTP3055.

Bloccaggio della tensione tramite diodo zenerD2

In questo circuito NON SCOLLEGARE la batteria, altrimenti il ​​transistor MOSFET si brucerà. Pertanto, per proteggerlo, ho installato un diodo zener D2 da 24 V. Senza questo diodo Zener, io stesso ho bruciato molti transistor MOS.

Funzione MPPT

Quando la tensione/corrente del pannello solare aumenta, il generatore PWM aumenta la frequenza degli impulsi, che a sua volta fa aumentare la corrente di uscita. Allo stesso tempo, alla bobina viene applicata una tensione aggiuntiva, aumentandone così la corrente di carica. Il risultato è che il convertitore boost in realtà "diventa duro" quando la tensione aumenta, o "diventa duro" quando la tensione diminuisce. Per massimizzare il trasferimento di energia in pieno sole, il potenziometro R8 è regolato in modo che la corrente di carica della batteria sia massima: questo sarà il punto di massima potenza. Se il circuito funziona correttamente, si noterà un picco molto piatto quando si ruota R2. Il diodo D3 esegue la regolazione MPPT automatica in modo più accurato sottraendo una tensione fissa dalla differenza di tensione tra la batteria e la tensione media attraverso il condensatore C3. In condizioni di scarsa illuminazione scoprirete che il resistore R3 non è ottimale, tuttavia non verrà completamente rimosso dalla catena. Tieni presente che i controller MPPT intelligenti possono anche funzionare meglio a piena portata, ma questo miglioramento è estremamente inefficace.

Valutazioni dei componenti

Il circuito è configurato per una tensione di 9V, il pannello solare per una potenza di 3W. I convertitori boost sono piuttosto complicati e non funzionano in un'ampia gamma di condizioni: se il tuo sistema utilizza limiti di potenza nominale diversi per il pannello solare, aspettati un problema. Gli unici componenti che necessitano di regolazione sono la bobina L1 e il condensatore C3. Sono rimasto sorpreso dal fatto che il tasso di ripetizione fosse molto basso (circa 2kHz). Ho iniziato con una bobina da 100μH, ma il circuito funziona meglio a 390μH: inizialmente volevo circa 20kHz. Per prestazioni ottimali, caricare la bobina da 5 a 10 volte la corrente del pannello solare, quindi attendere un lungo periodo di tempo (3 volte) per consentire alla bobina di scaricarsi completamente. Ciò garantirà un funzionamento accettabile quando la tensione di alimentazione è vicina alla tensione della batteria. Si noti che le bobine a bassa impedenza forniscono la migliore efficienza. La perdita maggiore si verifica realmente in un diodo Schottky e la perdita minore è lo scopo per cui sono progettati questi diodi.

Di solito è preferibile il funzionamento ad alta frequenza. Ciò ridurrà al minimo le dimensioni della bobina. Tuttavia, per la sperimentazione, utilizzare la bobina che funzionerà meglio.

I componenti proposti sono indicati nello schema. Naturalmente il caricabatterie può essere adattato alle vostre esigenze.

Oscillogrammi

Elenco dei radioelementi

A volte su mySKU compaiono recensioni di pannelli solari. Anch'io ho deciso di unirmi all'energia “verde”. Ho riletto una pila di materiali diversi su pannelli solari e controller. Non sono diventato un esperto, ma ho acquisito un piccolo bagaglio di conoscenze. Oggi condividerò con voi un pezzo di conoscenza.

Per implementare l'illuminazione autonoma in uno stabilimento balneare della dacia e fare conoscenza, ho scelto un piccolo pannello con una potenza di uscita nominale di 30 W e una tensione di 12 V e un semplice controller popolare per caricare una batteria al piombo.

Schema di collegamento previsto:

Un pannello solare

Il pannello solare è arrivato inaspettatamente in tempi rapidi. Il corriere ha chiamato, cosa che non mi aspettavo. A causa del peso elevato, il negozio Banggood ha inviato il pannello tramite EMS, ma il controller ha impiegato tre settimane e mezzo standard tramite posta ordinaria.

Il pannello era ben imballato, ma il punto più vulnerabile erano gli angoli del profilo in alluminio. Va bene, ma in futuro dovrai chiedere al venditore di proteggere ulteriormente gli angoli della confezione.




Il pannello è abbastanza grande. Dimensioni reali 650x350x25 mm, peso 2,5 kg.


Le fotocellule sono inserite tra uno spesso foglio di plastica trasparente e un sottile foglio di plastica bianca. Il sandwich viene inserito in un profilo di alluminio e trattato con sigillante. Il profilo in alluminio è coperto con pellicola di trasporto. Il grado di protezione non è indicato da nessuna parte. La plastica anteriore sembra resistente. Come resisterà alla grandine, non lo so.

Sul retro del pannello è presente un involucro protettivo/scatola di connessione. Ne esce un filo.


Il filo è lungo: 4,5 metri, 2 x 0,75 mm.


Ci sono dei coccodrilli alle estremità del filo. Naturalmente durante l'installazione finale bisognerà tagliare i coccodrilli e gran parte del filo, ma saranno utili per la prova.

All'interno della scatola è presente un diodo shunt. Serve solo per il collegamento sequenziale di più pannelli (in modo che quando uno dei pannelli va in ombra, l'intero sistema continua a funzionare per un pannello non ha alcun ruolo);

Adesivo delle specifiche:


Produttore non specificato. Specifiche:

Come potete vedere, il pannello solare produce una tensione massima di 21 V senza carico (in realtà, secondo le misurazioni, 22 V), e non 12 V, come affermato. Non c'è bisogno di avere paura. Questo è normale, solitamente viene indicata la tensione di funzionamento dell'impianto a cui è destinato il pannello solare, che è di 12 V (in realtà questa è una formalità, in realtà dipende tutto dal regolatore di carica). Ad esempio, i pannelli solari per sistemi a 24 V possono avere tensioni fino a 45 V.

Per rendere più chiari i parametri del pannello guardate il grafico (si riferisce ad un pannello da 230 W, 24 V):


L'asse orizzontale è la tensione, gli assi verticali sono la corrente e la potenza. Guarda come cambia la corrente del pannello (grafico rosso). All'aumentare della corrente, la tensione del pannello diminuisce. Ora guarda il grafico della potenza (blu, IxU). Come puoi vedere, ad un certo punto viene raggiunta la massima potenza. Questo punto è chiamato punto di massima potenza del pannello, caratterizzato dai valori Vmp e Imp. Durante il funzionamento, principalmente a causa delle variazioni di temperatura delle fotocellule, questo punto potrebbe spostarsi.

Il pannello in recensione ha Vmp = 18 V e Imp = 1,67 A. È a questo punto che si raggiunge la potenza di 30 W (nelle condizioni più ideali). Se si carica maggiormente il pannello, la corrente aumenterà leggermente e la tensione e la potenza in uscita diminuiranno. Se si carica meno il pannello, la corrente diminuirà, la tensione aumenterà e la potenza diminuirà nuovamente. Quelli. L'efficienza del pannello diminuisce man mano che ci si allontana dal punto di massima potenza. Un po' più tardi tornerò al punto di massima potenza.

Controllore

Il controller CMTP02 viene fornito in una piccola scatola.


All'interno c'è il controller stesso e brevi istruzioni.

Il controller è progettato per correnti fino a 15 A. Cioè. fornisce una corrente fino a 15 A alla batteria e al carico. Questo è il "cinese" 15 A. In realtà, ovviamente, è inferiore. Ho un pannello con una corrente massima di 1,75 A, non devi preoccuparti affatto. Il controller può funzionare con batterie da 12 V e 24 V.

Svitare le 4 viti e rimuovere il coperchio metallico. Sul lato inferiore della scheda ci sono tre transistor MOSFET con segni cancellati. I transistor sono isolati. Forse svolge il ruolo di substrato termico per rimuovere il calore dalla copertura metallica, ma il materiale è duro e solo un transistor si adatta perfettamente alla copertura. Se si prevede di utilizzare un controller con una corrente superiore a 5 A, è meglio sostituire questo isolamento con un substrato termico in silicone (100x100x3 mm costa un paio di dollari).

Sul lato opposto della scheda sono presenti un amplificatore operazionale e un controller, oltre a molti componenti SMD nel cablaggio.


Esistono molte varietà di tali controller sul mercato con funzionalità aggiuntive. La scheda dispone di spazio per il cablaggio dell'uscita USB (5 V), tensione stabilizzata 12 V, ecc.

Questo controller PWM/PWM è il più semplice, senza possibilità di alcuna configurazione. Devi solo collegare la batteria, il pannello solare e il carico. È importante seguire la sequenza di connessione. Batteria > pannello solare > carico. Spegnimento in ordine inverso. Senza batteria, il controller non funziona.

Anche se le istruzioni indicano che il controller può funzionare con batterie GEL, è meglio non farlo, perché... Questo particolare controller non consente di scegliere il tipo di batteria, il che significa che la tensione è la stessa per tutti i tipi di batterie. Per GEL normalmente dovrebbe essere inferiore.

Il mercato dei controller di carica dei pannelli solari può essere formalmente suddiviso in due tipologie. MPPT e non MPPT (a volte vengono anche chiamati PWM/PWM). MPPT - tracciamento del punto di massima potenza, tracciamento del punto di massima potenza. Ricordi quando ho scritto del punto di massima potenza? Quindi, il controller MPPT monitora (esistono diversi algoritmi) il punto di massima potenza e cerca di mantenere la tensione in ingresso ad un livello che corrisponde a questo punto fino alla misurazione successiva. Molti controller MTTP possono funzionare senza problemi con l'alta tensione (ad esempio, pannelli collegati in serie con una tensione di 90 V per basse perdite dovute alla resistenza del cavo) e caricare batterie convenzionali da 12 V in uscita.

Il controller PWM non monitora il punto di potenza massima. Ad esempio, nella fase di carica principale (CC - corrente costante), la tensione del pannello solare viene equalizzata con la tensione della batteria e in questa fase aumenta costantemente. Diamo un'occhiata a un altro grafico.


Prestare attenzione all'area grigia e al grafico nero della potenza in uscita del pannello solare: questa è la potenza in uscita quando si utilizza un controller PWM e il punto Pmpp è la potenza in uscita quando si utilizza un controller MTTP.

I controller MPPT sono più costosi e più efficienti. Ma guadagni significativi si ottengono solo utilizzando pannelli potenti. Devi anche sapere che molti controller cinesi economici che dicono MPPT non sono in realtà MPPT.

Torniamo al CMTP02. Per il suo test iniziale utilizzerò: batteria AGM, tester EBD-USB per creare un carico, un semplice tester USB con supporto alta tensione


L'indicatore Solare si accende quando arriva l'alimentazione dal pannello solare. Lampeggia quando la tensione supera la norma per questo controller (più di 45 V). Il controller è dotato di protezione dalla corrente inversa dalla batteria al pannello solare.

L'indicatore di carico è acceso quando non ci sono problemi. Non si accende se la tensione della batteria è inferiore a 11,2 V - in questo caso al carico non scorre corrente. Lampeggia velocemente in caso di cortocircuito.

Finché il pannello solare riceve energia sufficiente per alimentare il carico, la batteria viene caricata. Quelli. La corrente scorre sia verso la batteria che verso il carico. Non appena la potenza di carico inizia a superare la potenza di uscita del pannello solare, la ricarica della batteria si interrompe e la mancanza di corrente viene compensata dalla batteria. L'intero processo funziona come un orologio. Non appena il pannello solare smette di produrre energia (ad esempio, la giornata di sole è finita), il carico viene alimentato solo dalla batteria.

Come ho già scritto, il controller è il più semplice, ma fa il suo lavoro. Esistono molti modelli di controller sul mercato per qualsiasi compito, potenza e budget.

Se il tuo compito è semplice, ad esempio vuoi una fontana nella tua casa di campagna che funzioni solo di giorno, niente di più semplice. Sono disponibili sul mercato i seguenti interessanti convertitori con regolazione manuale della tensione massima di potenza:


Tali dispositivi costano da $ 6. Non è necessaria alcuna batteria, basta collegare il convertitore direttamente al pannello solare e alla pompa. Utilizzando il potenziometro MPP, si imposta la tensione di ingresso sulla potenza massima e inoltre si imposta la tensione di uscita per la pompa. Semplice ed efficace.

Test sui pannelli solari

Per sapere chiaramente quanta energia produrrà il pannello al giorno, costruire grafici giornalieri, ecc., ci sono diverse opzioni. Il modo più semplice e privato è collegare il tester tra il controller e la batteria scarica. L'universale consiste nell'utilizzare un carico che supporti la modalità a tensione costante. L'essenza di questo carico è la seguente: si imposta la tensione e il carico inizia ad aumentare la corrente finché la tensione non si stabilizza al valore specificato. Non appena la tensione inizia a diminuire o aumentare, il carico riduce o aumenta istantaneamente il consumo di corrente. Pertanto, la fonte di energia, il pannello solare, produce tutto ciò che può in un determinato momento e ad una determinata tensione.

Ho deciso di utilizzare un carico con modalità CV, che sarà collegato direttamente al pannello.

Il problema è che questa modalità è richiesta molto raramente; non è sempre disponibile nei carichi elettronici. Ho chiesto ai miei amici, ma nessuno ne aveva uno. Ho iniziato a studiare i diagrammi su Internet. . Non sarebbe potuto succedere senza l'aiuto di un amico. Ma tutto ha funzionato.


Il circuito utilizza un amplificatore operazionale LM358 (U1) e un transistor ad effetto di campo (canale N, Q1). Era disponibile un altro amplificatore operazionale, per il quale è stato necessario aggiungere un altro stabilizzatore al circuito. Il prodotto finito non ha un aspetto molto presentabile, ma la cosa principale è che contiene nastro isolante blu ed è completamente adatto all'uso.




Il potenziometro può essere utilizzato per regolare la tensione di carico. Perché Poiché il carico è costituito da componenti improvvisati, si verifica una certa caduta di tensione quando la corrente cambia. Il banco prova si presenta così:


Perché La corrente è bassa sul mio pannello, quindi puoi usare fili corti e sottili. Per le misurazioni utilizzerò un tester EBD-USB in modalità monitoraggio. Il carico è collegato al pannello solare tramite EBD-USB, che a sua volta è collegato al computer. La prima revisione di EBD-USB supporta la misurazione della tensione fino a 13,65 V (funzionamento fino a 20 V). Questo va a mio vantaggio perché... con la batteria collegata, il range di tensione sarà 11,2 - 14,6 V. Utilizzando il potenziometro sul carico, imposterò la tensione a poco più di 12 V.

27 marzo, fascia oraria 9.00 - 9.05, tempo sereno.

Scoppi - Stavo coprendo il pannello solare, osservando il cambiamento nel grafico. In 5 minuti di funzionamento il pannello solare ha prodotto 1,5 Wh. La potenza in uscita era di 19 W. Quando la tensione era impostata su circa 18 V, il punto di massima potenza (l'ho già esaminato sostituendo l'EBD-USB con un normale tester USB con supporto per l'alta tensione), la potenza era di 21 W. E questa è solo una mattina di fine marzo. In estate, quando il sole è allo zenit, il pannello può facilmente produrre i 30 W dichiarati. Ma ci concentreremo sui dati disponibili. Se stimo approssimativamente che il sole splenderà per 5 ore al giorno, otterrò 1,5 x 12 x 5 = 90 Wh al giorno. Le ore diurne estive sono più lunghe, il coefficiente estate/primavera nella regione centrale è 1,5. Quelli. in estate sarà 135 Wh. L'efficienza di una batteria al piombo è del 75%. L'energia immagazzinata al giorno sarà di 100 Wh. La batteria (14,5 Ah) sarà completamente carica in 2 giorni luce. Nel fienile e nello stabilimento balneare posso appendere 4 lampade da 7 W ciascuna (con un flusso luminoso di 500 Lm, pari a 55 W). E ogni giorno/sera posso usarli fino a 3 ore alla volta. Mi sta bene.

Naturalmente si tratta di una stima approssimativa basata su test a breve termine. Condurrò test dettagliati con misurazioni e grafici per l'intera giornata di maggio già presso la sede del pannello.

Mentre stavo sperimentando il pannello, il radiatore di carico è diventato molto caldo - dopo tutto dissipava 20 W. È abbastanza per misurare il mio pannello, ma se è più potente dovrai installare un radiatore più grande e un raffreddamento attivo.

Ecco un altro congelamento. 31 marzo, fascia oraria 9.00 - 9.05. Il tempo è nuvoloso, c'è foschia e nuvole nel cielo. Il sole esce e scompare.


La potenza in uscita variava da 3 W a 17 W. In 5 minuti di funzionamento il pannello solare ha prodotto 1 Wh. Il pannello resiste bene a questo clima.

Mi sono piaciuti gli esperimenti con il pannello solare, li continuerò. Se qualcuno ha consigli pratici e utili non esitate a condividerli nei commenti. Penso che molti saranno interessati.

Anche il bandito dai capelli rossi carica dal sole:

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