Comment faire un circuit d'optimisation de panneau solaire

Le circuit d'optimisation solaire proposé peut être utilisé pour obtenir la sortie maximale possible en termes de courant et de tension d'un panneau solaire, en réponse aux variations des conditions de lumière du soleil.

Un couple de circuits de chargeur d'optimiseur de panneau solaire simples mais efficaces est expliqué dans cet article. Le premier peut être construit en utilisant un couple de 555 circuits intégrés et quelques autres composants linéaires, le second optin est encore plus simple et utilise des circuits intégrés très ordinaires comme LM338 et ampli opérationnel IC 741. Apprenons les procédures.

Objectif du circuit

Comme nous le savons tous, acquérir le plus haut rendement de toute forme d'alimentation devient possible si la procédure n'implique pas de dériver la tension d'alimentation, ce qui signifie que nous voulons acquérir le niveau de tension inférieur requis et le courant maximum pour la charge qui est fonctionnant sans perturber le niveau de tension de la source et sans générer de chaleur.

En bref, un optimiseur solaire concerné doit permettre sa sortie avec le courant maximum requis, tout niveau inférieur de tension requise tout en s'assurant que le niveau de tension à travers le panneau reste inchangé.

Une méthode qui est discutée ici implique la technique PWM qui peut être considérée comme l'une des méthodes optimales à ce jour.

Nous devrions être reconnaissants à ce petit génie appelé IC 555 qui rend tous les concepts difficiles si faciles.

Utilisation de l'IC 555 pour la conversion PWM

Dans ce concept aussi, nous intégrons et dépendons fortement de quelques IC 555 pour l'implémentation requise.

En regardant le schéma de circuit donné, nous voyons que la conception entière est fondamentalement divisée en deux étapes.

L'étage supérieur du régulateur de tension et l'étage inférieur du générateur PWM.

L'étage supérieur se compose d'un mosfet à canal p qui est positionné comme un interrupteur et répond aux informations PWM appliquées à sa porte.

L'étage inférieur est un étage générateur PWM. Quelques 555 CI sont configurés pour les actions proposées.

Comment fonctionne le circuit

IC1 est responsable de la production des ondes carrées requises qui sont traitées par le générateur d'ondes triangulaires à courant constant comprenant T1 et les composants associés.

Cette onde triangulaire est appliquée à IC2 pour être traitée dans les PWM requis.

Cependant, l'espacement PWM de IC2 dépend du niveau de tension à sa broche n ° 5, qui est dérivé d'un réseau résistif à travers le panneau via la résistance 1K et le préréglage 10K.

La tension entre ce réseau est directement proportionnelle aux volts variables du panneau.

Pendant les pics de tension, les PWM deviennent plus larges et vice versa.

Les PWM ci-dessus sont appliqués à la porte mosfet qui conduit et fournit la tension requise à la batterie connectée.

Comme discuté précédemment, pendant l'ensoleillement maximal, le panneau génère un niveau de tension plus élevé, une tension plus élevée signifie IC2 générant des PWM plus larges, ce qui à son tour maintient le mosfe éteint pendant de plus longues périodes ou allumé pendant des périodes relativement plus courtes, correspondant à une valeur de tension moyenne qui pourrait être juste autour de 14,4 V sur les bornes de la batterie.

Lorsque la luminosité du soleil se détériore, les PWM sont proportionnellement étroitement espacés, ce qui permet au mosfet de conduire davantage de sorte que le courant et la tension moyens à travers la batterie ont tendance à rester aux valeurs optimales.

Le préréglage 10K doit être ajusté pour obtenir environ 14,4 V entre les bornes de sortie sous un soleil radieux.

Les résultats peuvent être surveillés dans différentes conditions de lumière solaire.

Le circuit d'optimisation de panneau solaire proposé assure une charge stable de la batterie, sans affecter ou dériver la tension du panneau, ce qui entraîne également une production de chaleur plus faible.

Remarque: le panneau Soar connecté doit être capable de générer 50% de tension de plus que la batterie connectée en cas d'ensoleillement maximal. Le courant doit être 1 / 5ème de la cote AH de la batterie.

Comment configurer le circuit

1. Cela peut être fait de la manière suivante:
2. Initialement, gardez S1 éteint.
3. Exposez le panneau à l'ensoleillement maximal et ajustez le préréglage pour obtenir la tension de charge optimale requise sur la sortie et la terre de la diode de drain mosfet.
4. Le circuit est prêt maintenant.
5. Une fois cela fait, allumez S1, la batterie commencera à se charger dans le meilleur mode optimisé possible.

Ajout d'une fonction de contrôle actuelle

Une étude minutieuse du circuit ci-dessus montre que lorsque le mosfet essaie de compenser la baisse du niveau de tension du panneau, il permet à la batterie de tirer plus de courant du panneau, ce qui affecte la tension du panneau en le faisant baisser davantage, ce qui induit une situation de fuite. peut sérieusement entraver le processus d'optimisation

Une fonction de contrôle de courant comme indiqué dans le diagramme suivant prend en charge ce problème et empêche la batterie de tirer un courant excessif au-delà des limites spécifiées. Cela permet à son tour de maintenir la tension du panneau inchangée.

RX qui est la résistance de limitation de courant peut être calculé à l'aide de la formule suivante:

RX = 0,6 / I, où I est le courant de charge minimum spécifié pour la batterie connectée

Une version brute mais plus simple de la conception expliquée ci-dessus peut être construite comme suggéré par M. Dhyaksa en utilisant la détection de seuil pin2 et pin6 de l'IC555, le diagramme entier peut être vu ci-dessous:

Pas d'optimisation sans convertisseur Buck

La conception expliquée ci-dessus fonctionne en utilisant un concept PWM de base qui ajuste automatiquement le PWM d'un circuit basé sur 555 en réponse à l'intensité changeante du soleil.

Bien que la sortie de ce circuit produise une réponse auto-ajustable afin de maintenir une tension moyenne constante à la sortie, la tension de crête n'est jamais ajustée, ce qui rend considérablement dangereux pour charger des batteries de type Li-ion ou Lipo.

De plus, le circuit ci-dessus n'est pas équipé pour convertir la tension excessive du panneau en une quantité proportionnelle de courant pour la charge nominale de tension inférieure connectée.

Ajout d'un convertisseur Buck

J'ai essayé de rectifier cette condition en ajoutant un étage de convertisseur abaisseur à la conception ci-dessus et j'ai pu produire une optimisation qui ressemblait beaucoup à un circuit MPPT.

Cependant, même avec ce circuit amélioré, je ne pouvais pas être entièrement convaincu de savoir si le circuit était vraiment capable de produire une tension constante avec un niveau de crête réduit et un courant amplifié en réponse aux différents niveaux d'intensité du soleil.

Afin d'être entièrement confiant sur le concept et d'éliminer toutes les confusions, j'ai dû passer par une étude exhaustive concernant les convertisseurs abaisseur et la relation impliquée entre les tensions d'entrée / sortie, le courant et les rapports PWM (duty cycle), qui ont inspiré moi pour créer les articles connexes suivants:

Comment fonctionnent les convertisseurs Buck

Calcul de la tension et du courant dans un inducteur Buck

Les formules de conclusion obtenues à partir des deux articles ci-dessus ont aidé à clarifier tous les doutes et finalement je pouvais être parfaitement confiant avec mon circuit d'optimisation solaire précédemment proposé utilisant un circuit convertisseur abaisseur.

Analyse de la condition du cycle de service PWM pour la conception

La formule fondamentale qui a rendu les choses clairement claires peut être vue ci-dessous:

Vout = DVin

Ici, V (in) est la tension d'entrée qui provient du panneau, Vout est la tension de sortie souhaitée du convertisseur abaisseur et D est le rapport cyclique.

À partir de l'équation, il devient évident que le Vout peut être simplement adapté en contrôlant `` soit '' le cycle de service du convertisseur abaisseur ou du Vin ... ou en d'autres termes, le Vin et les paramètres du cycle de service sont directement proportionnés et s'influencent mutuellement. valeurs linéairement.

En fait, les termes sont extrêmement linéaires ce qui rend le dimensionnement d'un circuit optimiseur solaire beaucoup plus facile à l'aide d'un circuit convertisseur abaisseur.

Cela implique que lorsque Vin est beaucoup plus élevé (@ pic d'ensoleillement) que les spécifications de charge, le processeur IC 555 peut rendre les PWM proportionnellement plus étroits (ou plus larges pour le périphérique P) et influencer le Vout pour qu'il reste au niveau souhaité, et inversement comme le soleil diminue, le processeur peut à nouveau élargir (ou rétrécir pour le dispositif P) les PWM pour garantir que la tension de sortie est maintenue au niveau constant spécifié.

Évaluation de la mise en œuvre du PWM à travers un exemple pratique

Nous pouvons prouver ce qui précède en résolvant la formule donnée:

Supposons que la tension de crête du panneau V (in) soit de 24 V

et le PWM doit être constitué d'un temps de marche de 0,5 s et de temps d'arrêt de 0,5 s

Facteur de marche = Temps d'activation du transistor / Temps d'impulsion ON + OFF = T (activé) / 0,5 + 0,5 sec

Cycle de service = T (activé) / 1

Par conséquent, en remplaçant ce qui précède dans la formule ci-dessous, nous obtenons,

V (sortie) = V (entrée) x T (marche)

14 = 24 x T (activé)

où 14 est la tension de sortie requise supposée,

donc,

T (activé) = 14/24 = 0,58 seconde

Cela nous donne le temps d'activation du transistor qui doit être réglé pour le circuit pendant l'ensoleillement maximal pour produire le 14v requis à la sortie.

Comment ça fonctionne

Une fois que ce qui précède est réglé, le reste pourrait être laissé à l'IC 555 pour traiter les périodes T (marche) auto-ajustables attendues en réponse à la diminution de l'ensoleillement.

Maintenant que l'ensoleillement diminue, le temps de marche ci-dessus serait augmenté (ou diminué pour le dispositif P) proportionnellement par le circuit de manière linéaire pour assurer une constante de 14 V, jusqu'à ce que la tension du panneau tombe vraiment à 14 V, alors que le circuit pourrait simplement arrêter les procédures.

On peut également supposer que le paramètre courant (ampère) est auto-ajustable, c'est-à-dire essayant toujours d'atteindre la constante de produit (VxI) tout au long du processus d'optimisation. En effet, un convertisseur abaisseur est toujours censé convertir l'entrée haute tension en un niveau de courant proportionnellement augmenté à la sortie.

Toujours si vous souhaitez être entièrement confirmé sur les résultats, vous pouvez vous référer à l'article suivant pour les formules pertinentes:

Calcul de la tension et du courant dans un inducteur Buck

Voyons maintenant à quoi ressemble le circuit final conçu par moi, à partir des informations suivantes:

Comme vous pouvez le voir dans le diagramme ci-dessus, le schéma de base est identique au circuit chargeur solaire auto-optimisant précédent, à l'exception de l'inclusion de IC4 qui est configuré comme suiveur de tension et est remplacé à la place de l'étage émetteur suiveur BC547. Ceci est fait afin de fournir une meilleure réponse pour le brochage de commande IC2 pin # 5 du panneau.

Résumé du fonctionnement de base de l'optimiseur solaire

Le fonctionnement peut être révisé comme indiqué ci-dessous: IC1 génère une fréquence d'onde carrée à environ 10 kHz qui pourrait être augmentée jusqu'à 20 kHz en modifiant la valeur de C1.

Cette fréquence est fournie à la broche2 de IC2 pour la fabrication d'ondes triangulaires à commutation rapide à la broche # 7 à l'aide de T1 / C3.

La tension du panneau est convenablement ajustée par P2 et envoyée à l'étage suiveur de tension IC4 pour alimenter la broche n ° 5 de l'IC2.

Ce potentiel à la broche n ° 5 de IC2 du panneau est comparé par les ondes triangulaires rapides de la broche n ° 7 pour créer les données PWM dimensionnées de manière correspondante à la broche n ° 3 de IC2.

Au pic du soleil, P2 est ajusté de manière appropriée de sorte que IC2 génère les PWM les plus larges possibles et lorsque la luminosité du soleil commence à diminuer, les PWM se rétrécissent proportionnellement.

L'effet ci-dessus est appliqué à la base d'un PNP BJT pour inverser la réponse à travers l'étage convertisseur abaisseur attaché.

Implique que, à un ensoleillement maximal, les PWM plus larges forcent le dispositif PNP à conduire légèrement {période de temps T (on) réduite}, provoquant des formes d'onde plus étroites pour atteindre l'inductance abaisseur ... mais comme la tension du panneau est élevée, le niveau de tension d'entrée {V (in)} atteignant l'inductance buck est égal au niveau de tension du panneau.

Ainsi, dans cette situation, le convertisseur abaisseur à l'aide du T (on) et du V (in) correctement calculés est capable de produire la tension de sortie requise correcte pour la charge, qui pourrait être bien inférieure à la tension du panneau, mais à un niveau de courant (ampli) proportionnellement augmenté.

Maintenant que la lumière du soleil diminue, les PWM deviennent également plus étroits, permettant au PNP T (activé) d'augmenter proportionnellement, ce qui aide à son tour l'inductance buck à compenser la diminution de l'ensoleillement en augmentant la tension de sortie proportionnellement ... le courant (amp ) est maintenant réduit proportionnellement au cours de l'action, en s'assurant que la cohérence de sortie est parfaitement maintenue, par le convertisseur abaisseur.

T2 avec les composants associés forment l'étage de limitation de courant ou l'étage d'amplification d'erreur. Il garantit que la charge de sortie n'est jamais autorisée à consommer quoi que ce soit au-dessus des spécifications nominales de la conception, de sorte que le système ne soit jamais secoué et que les performances du panneau solaire ne soient jamais autorisées à s'écarter de sa zone à haut rendement.

C5 est représenté comme un condensateur de 100 uF, mais pour un résultat amélioré, il peut être augmenté à une valeur de 2200 uF, car des valeurs plus élevées assureront un meilleur contrôle du courant d'ondulation et une tension plus douce pour la charge.

P1 sert à ajuster / corriger la tension de décalage de la sortie de l'amplificateur opérationnel, de sorte que la broche # 5 soit capable de recevoir un zéro volt parfait en l'absence de tension du panneau solaire ou lorsque la tension du panneau solaire est inférieure aux spécifications de tension de charge.

La spécification L1 peut être déterminée approximativement à l'aide des informations fournies dans l'article suivant:

Comment calculer les inducteurs dans les circuits SMPS

Optimiseur solaire utilisant des amplificateurs opérationnels

Un autre circuit d'optimisation solaire très simple mais efficace peut être réalisé en utilisant un circuit intégré LM338 et quelques amplificateurs opérationnels.

Comprenons le circuit proposé (optimiseur solaire) à l'aide des points suivants: La figure montre un circuit de régulateur de tension LM338 qui a une fonction de contrôle de courant également sous la forme du transistor BC547 connecté aux bornes de réglage et de masse du circuit intégré.

Opamps utilisés comme comparateurs

Les deux amplificateurs opérationnels sont configurés comme des comparateurs. En fait, de nombreuses étapes de ce type peuvent être incorporées pour améliorer les effets.

Dans la présente conception, le préréglage de broche n ° 3 de A1 est ajusté de telle sorte que la sortie de A1 devienne élevée lorsque l'intensité du rayonnement solaire sur le panneau est d'environ 20% inférieure à la valeur de crête.

De même, l'étage A2 est réglé de telle sorte que sa sortie devienne élevée lorsque l'ensoleillement est d'environ 50% inférieur à la valeur de crête.

Lorsque la sortie A1 devient élevée, RL # 1 déclenche la connexion de R2 en ligne avec le circuit, déconnectant R1.

Initialement au pic du soleil, R1 dont la valeur est sélectionnée beaucoup plus faible, permet au courant maximum d'atteindre la batterie.

Schéma

Lorsque le soleil baisse, la tension du panneau baisse également et maintenant nous ne pouvons pas nous permettre de tirer un courant fort du panneau car cela ferait baisser la tension en dessous de 12 V, ce qui pourrait complètement arrêter le processus de charge.

Changement de relais pour l'optimisation actuelle

Par conséquent, comme expliqué ci-dessus, A1 entre en action et déconnecte R1 et connecte R2. R2 est sélectionné à une valeur plus élevée et n'autorise qu'une quantité limitée de courant à la batterie afin que la tension solaire ne s'écrase pas en dessous de 15 vots, un niveau qui est impérativement requis à l'entrée du LM338.

Lorsque l'ensoleillement tombe en dessous du deuxième seuil défini, A2 active RL # 2 qui à son tour commute R3 pour rendre le courant de la batterie encore plus bas en s'assurant que la tension à l'entrée du LM338 ne tombe jamais en dessous de 15V, mais le taux de charge à la batterie est toujours maintenue aux niveaux optimaux les plus proches.

Si les étages de l'amplificateur opérationnel sont augmentés avec un plus grand nombre de relais et des actions de contrôle de courant ultérieures, l'unité peut être optimisée avec une efficacité encore meilleure.

La procédure ci-dessus charge la batterie rapidement à un courant élevé pendant les pics de soleil et diminue le courant lorsque l'intensité du soleil sur le panneau diminue, et fournit en conséquence à la batterie le courant nominal correct de sorte qu'elle soit complètement chargée à la fin de la journée.

Que se passe-t-il avec une batterie qui peut ne pas être déchargée?

Supposons que dans le cas où la batterie n'est pas déchargée de manière optimale afin de passer par le processus ci-dessus le lendemain matin, la situation peut être fatale pour la batterie, car le courant élevé initial pourrait avoir des effets négatifs sur la batterie car elle n'est pas encore déchargée au niveau spécifié. notes.

Pour vérifier le problème ci-dessus, quelques amplificateurs opérationnels supplémentaires sont introduits, A3, A4, qui surveillent le niveau de tension de la batterie et lancent les mêmes actions que celles effectuées par A1, A2, de sorte que le courant vers la batterie soit optimisé par rapport à la tension ou le niveau de charge présent avec la batterie pendant cette période.