Circuito MPPT Solar caseiro - Rastreador de Potência Máxima do Pobre Homem

MPPT significa rastreador de ponto de potência máxima, que é um sistema eletrônico projetado para otimizar a saída de potência variável de um módulo de painel solar, de modo que a bateria conectada explore a potência máxima disponível do painel solar.

Introdução

NOTA: Os circuitos MPPT discutidos neste post não empregam os métodos de controle convencionais como 'Perturb e observe', 'Condutância incremental,' Varredura de corrente ',' Tensão constante '...... etc etc ... Em vez disso, aqui nós concentre-se e tente implementar algumas coisas básicas:

1. Para se certificar de que a 'potência' de entrada do painel solar é sempre igual à 'potência' de saída que atinge a carga.
2. A 'tensão do joelho' nunca é perturbada pela carga e a zona MPPT do painel é mantida com eficiência.

Qual é a tensão e a corrente do joelho de um painel:

Simplificando, a tensão do joelho é o 'Voltagem de circuito aberto' nível do painel, enquanto a corrente de joelho é o 'corrente de curto-circuito' medida do painel em qualquer dado instante.

Se os dois acima forem mantidos o mais longe possível, pode-se presumir que a carga está recebendo a energia do MPPT durante sua operação.

Antes de nos aprofundarmos nos designs propostos, vamos primeiro nos familiarizar com alguns dos fatos básicos sobre carregamento de bateria solar

Sabemos que a saída de um painel solar é diretamente proporcional ao grau de incidência da luz solar e também à temperatura ambiente. Quando os raios solares são perpendiculares ao painel solar, ele gera a quantidade máxima de voltagem, e se deteriora conforme o ângulo se afasta de 90 graus. A temperatura atmosférica ao redor do painel também afeta a eficiência do painel, que cai com o aumento da temperatura .

Portanto, podemos concluir que quando os raios solares estão próximos de 90 graus acima do painel e quando a temperatura está em torno de 30 graus, a eficiência do painel está no máximo, a taxa diminui conforme os dois parâmetros acima se afastam de seus valores nominais.

A tensão acima é geralmente usada para carregar uma bateria, um bateria de chumbo ácido , que por sua vez é usado para operar um inversor. No entanto, assim como o painel solar tem seus próprios critérios operacionais , a bateria também não é menor e oferece algumas condições estritas para uma carga ideal.

As condições são: a bateria deve ser carregada com uma corrente relativamente mais alta inicialmente, que deve ser gradualmente diminuída até quase zero quando a bateria atinge uma tensão 15% maior do que sua classificação normal.

Assumindo que uma bateria de 12 V totalmente descarregada, com uma tensão em torno de 11,5 V, pode ser carregada em torno de C / 2 inicialmente (C = AH da bateria), isso começará a encher a bateria de forma relativamente rápida e puxará sua tensão para pode ser cerca de 13 V dentro de algumas horas.

Neste ponto, a corrente deve ser reduzida automaticamente para, digamos, a taxa C / 5, isso ajudará novamente a manter o ritmo de carregamento rápido sem danificar a bateria e elevar sua tensão para cerca de 13,5 V na próxima 1 hora.

Seguindo as etapas acima, agora a corrente pode ser reduzida ainda mais para a taxa C / 10, o que garante que a taxa de carga e o ritmo não diminuam.

Finalmente, quando a tensão da bateria atinge cerca de 14,3 V, o processo pode ser reduzido para uma taxa C / 50 que quase interrompe o processo de carregamento, mas restringe a carga de cair para níveis mais baixos.

Todo o processo carrega uma bateria totalmente descarregada dentro de um período de 6 horas sem afetar a vida útil da bateria.

Um MPPT é empregado exatamente para garantir que o procedimento acima seja extraído de forma otimizada de um painel solar específico.

Um painel solar pode não ser capaz de fornecer saídas de alta corrente, mas definitivamente é capaz de fornecer tensões mais altas.

O truque seria converter os níveis de tensão mais elevados em níveis de corrente mais elevados por meio da otimização apropriada da saída do painel solar.

Agora, uma vez que as conversões de uma tensão mais alta para uma corrente mais alta e vice-versa podem ser implementadas apenas por meio de conversores buck boost, um método inovador (embora um pouco volumoso) seria usar um circuito indutor variável em que o indutor teria muitos taps comutáveis, estes as torneiras podem ser alternadas por um circuito de comutação em resposta à variação da luz solar, de modo que a saída para a carga sempre permaneça constante, independentemente da luz solar solar.

O conceito pode ser entendido referindo-se ao seguinte diagrama:

Diagrama de circuito

Usando LM3915 como o processador principal IC

O processador principal no diagrama acima é o IC LM3915 que muda sua pinagem de saída sequencialmente de cima para baixo em resposta à diminuição da luz solar

Essas saídas podem ser vistas configuradas com transistores de potência chaveadora que, por sua vez, são conectados aos vários taps de uma única bobina indutora longa de ferrite.

A extremidade inferior do indutor pode ser vista conectada com um transistor de potência NPN que é comutado na frequência de cerca de 100 kHz de um circuito oscilador configurado externamente.

Os transistores de potência conectados com as saídas do IC comutam em resposta às saídas do IC de sequenciamento, conectando os taps apropriados do indutor com a tensão do painel e a frequência de 100 kHz.

As voltas desse indutor são calculadas apropriadamente de modo que seus vários taps se tornem compatíveis com a tensão do painel, uma vez que são comutados pelos estágios do driver de saída do IC.

Assim, os procedimentos garantem que enquanto a intensidade do sol e a voltagem caem, eles estão apropriadamente vinculados à derivação relevante do indutor, mantendo uma tensão quase constante em todas as derivações dadas, de acordo com suas classificações calculadas.

Vamos entender o funcionamento com a ajuda do seguinte cenário:

Suponha que a bobina seja selecionada para ser compatível com um painel solar de 30 V, portanto, no pico da luz do sol, vamos assumir que o transistor de maior potência é ligado pelo IC, que sujeita a bobina inteira a oscilar, isso permite que todos os 30 V estejam disponíveis em todo o extremidades extremas da bobina.

Agora, suponha que a luz do sol caia em 3 V e reduza sua saída para 27 V, isso é rapidamente detectado pelo IC de forma que o primeiro transistor do topo agora é DESLIGADO e o segundo transistor na sequência LIGADO.

A ação acima seleciona a segunda derivação (derivação de 27 V) do indutor de cima, executando uma derivação de indutor correspondente para a resposta de tensão, certificando-se de que a bobina oscila de forma otimizada com a tensão reduzida ... da mesma forma, agora que a tensão da luz solar cai ainda mais nos respectivos transistores 'apertar a mão' com as respectivas torneiras indutoras garantindo uma combinação perfeita e comutação eficiente do indutor, correspondendo às tensões solares disponíveis.

Devido à resposta combinada acima entre o painel solar e o indutor de reforço / oscilação de comutação ... as tensões de derivação sobre os pontos relevantes podem ser assumidas para manter uma tensão constante ao longo do dia, independentemente da situação da luz solar ....

Por exemplo, suponha que se o indutor for projetado para produzir 30 V na derivação superior seguida por 27 V, 24 V, 21 V, 18 V, 15 V, 12 V, 9 V, 6 V, 3 V, 0 V nas derivações subsequentes, então todas essas tensões podem ser assumidas como constante sobre essas torneiras, independentemente dos níveis de luz solar.

Lembre-se também de que essa tensão pode ser alterada de acordo com as especificações do usuário para obter tensões maiores ou menores do que a do painel.

O circuito acima também pode ser configurado na topoogia flyback conforme mostrado abaixo:

Em ambas as configurações acima, a saída deve permanecer constante e estável em termos de tensão e potência, independentemente da saída solar.

Usando o método de rastreamento I / V

O seguinte conceito de circuito garante que o nível MPPT do painel nunca seja perturbado drasticamente pela carga.

O circuito rastreia o nível de 'joelho' do MPPT do painel e garante que a carga não consuma nada mais que possa causar uma queda neste nível de joelho do painel.

Vamos aprender como isso pode ser feito usando um circuito de rastreamento I / V simples e único opamp.

Observe que os projetos que não possuem um conversor buck nunca serão capazes de otimizar o excesso de tensão em corrente equivalente para a carga, e podem falhar a este respeito, o que é considerado a característica crucial de qualquer projeto MPPT.

Um dispositivo do tipo MPPT muito simples, mas eficaz, pode ser feito empregando-se um IC LM338 e um opamps.

Neste conceito que concebi, o amplificador operacional está configurado de forma a manter a gravação dos dados MPP instantâneos do painel e compará-los com o consumo de carga instantâneo. Se descobrir que o consumo de carga excede os dados armazenados, ele corta a carga ...

O estágio IC 741 é a seção do rastreador solar e forma o coração de todo o design.

A tensão do painel solar é alimentada ao pino 2 inversor do IC, enquanto a mesma é aplicada ao pino 3 não inversor com uma queda de cerca de 2 V usando três diodos 1N4148 em série.

A situação acima mantém consistentemente o pino 3 do IC um tom mais baixo do que o pino 2 garantindo uma tensão zero através do pino 6 de saída do IC.

No entanto, em caso de sobrecarga ineficiente, como uma bateria incompatível ou uma bateria de alta corrente, a tensão do painel solar tende a ser puxada para baixo pela carga. Quando isso acontece no pino 2, a tensão também começa a cair, entretanto, devido à presença do capacitor de 10uF no pino 3, seu potencial permanece sólido e não responde à queda acima.

A situação força instantaneamente o pino 3 a ficar alto do que o pino 2, que por sua vez alterna o pino 6 alto, ligando o BJT BC547.

BC547 agora desativa imediatamente LM338 cortando a tensão para a bateria, o ciclo continua alternando em um ritmo rápido dependendo da velocidade nominal do IC.

As operações acima garantem que a tensão do painel solar nunca caia ou seja puxada para baixo pela carga, mantendo uma condição semelhante ao MPPT por toda parte.

Uma vez que um IC LM338 linear é usado, o circuito pode ser mais uma vez um pouco ineficiente ... a solução é substituir o estágio LM338 por um conversor buck ... que tornaria o projeto extremamente versátil e comparável a um MPPT verdadeiro.

Abaixo é mostrado um circuito MPPT usando uma topologia de conversor Buck, agora o design faz muito sentido e parece muito mais próximo de um MPPT verdadeiro

Circuito 48V MPPT

Os circuitos MPPT simples acima também podem ser modificados para implementar o carregamento de bateria de alta tensão, como o seguinte circuito carregador MPPT de bateria de 48 V.

As ideias são todas desenvolvidas exclusivamente por mim.