Boost konvertor pre solárnu batériu. Boost konvertor s MPPT regulátorom nabíjania pre solárne panely

Zariadenie je jednoduchý boost konvertor a obmedzovač napätia, ktorý nabíja 12V batérie zo 6V solárneho panelu. Zariadenie má aj funkciu MPPT (Maximum Power Point Tracking). Keď premýšľame o MPPT, zvyčajne myslíme na mikrokontroléry a komplexné algoritmy na výpočet výkonu. Takéto algoritmy však v skutočnosti nie sú potrebné.

Článok predstavuje dve schematické riešenia. Prvý obvod jednoducho ilustruje zosilňovací spínací menič, zatiaľ čo druhý zobrazuje domáci pracovný obvod zariadenia. Odporúča sa pre pokročilejších experimentátorov, ktorí majú k dispozícii osciloskop. Okruh môže byť zaujímavý aj pre študentov a tých, ktorí si chcú jednoducho rozšíriť svoje vedomosti o elektronike.

Schéma topológie konvertora Boost a schéma zapojenia domáceho solárneho konvertora

TeoretickéinteligenciuOzvyšujúci saprevodník

V schéme topológie zosilňovača je cievka L1 nabitá, keď je tranzistor Q1 zapnutý. Keď je tranzistor Q1 vypnutý, cievka L1 sa vybíja do batérie cez zenerovu diódu D1. Vykonanie tejto operácie niekoľko tisíckrát za sekundu bude mať za následok značný výstupný prúd. Tento proces sa tiež nazýva indukčný výboj. Aby to fungovalo, vstupné napätie musí byť nižšie ako výstupné napätie. Tiež, ak máte solárny panel, musíte použiť prvok akumulácie energie - kondenzátor (C1), ktorý umožní solárnemu panelu nepretržite vydávať prúd medzi cyklami.

Popis schematický diagram boost konvertor

Obvod pozostáva z troch hlavných blokov, vrátane generátora hradla 555 MOS, modulátora 555 PWM a operačného zosilňovača s obmedzovačom napätia. Séria 555 s kaskádovým výstupom môže poskytnúť prúd približne 200 mA a je vynikajúcim pulzným generátorom s nízkym výkonom. Modulátor 555 PWM je klasický oscilátorový obvod založený na sérii 555. Na nastavenie doby vybíjania kondenzátora C3 (doba nabíjania cievky) sa na kolík 5 privedie napätie 5V.

ObmedzenieNapätie

Operačný zosilňovač U1A vypočítava signál napätia batérie, keď sa delená žiadaná hodnota napätia porovnáva s referenčným napätím 5V. Keď napätie prekročí nastavenú hodnotu, výstup sa prepne do záporného smeru, čím sa zníži frekvencia PWM impulzov generátora a obmedzí sa prípadné následné nabíjanie. To účinne zabraňuje prebíjaniu.

Napájanie okruhu zo solárneho panelu

Aby sa predišlo zbytočnému vybíjaniu batérie, keď nesvieti slnko, všetky okruhy sú napájané cez solárny panel, s výnimkou deliča napätia v uzavretej slučke, ktorý odoberá asi 280uA.

MOSFET logikaúrovni

Keďže obvod musí pracovať pri nízkonapäťových úrovniach (tento obvod pracuje od vstupného napätia minimálne 4V), je potrebné nainštalovať MOSFET logickej úrovne. Otvorí sa pri napätí 4,5V. Na tento účel som použil výkonový MOSFET tranzistor MTP3055.

Upínanie napätia pomocou zenerovej diódyD2

V tomto obvode NEODPOJUJTE batériu, inak dôjde k vyhoreniu tranzistora MOSFET. Preto som na jeho ochranu nainštaloval 24V zenerovu diódu D2. Bez tejto zenerovej diódy som sám spálil veľa tranzistorov MOS.

Funkcia MPPT

Keď sa napätie/prúd solárneho panelu zvýši, generátor PWM zvýši frekvenciu impulzov, čo následne spôsobí zvýšenie výstupného prúdu. Súčasne sa na cievku privádza dodatočné napätie, čím sa zvyšuje jej nabíjací prúd. Výsledkom je, že zosilňovací menič v skutočnosti "ide do tuhého", keď napätie stúpa, alebo "zaťažuje", keď napätie klesá. Pre maximalizáciu prenosu energie pri jasnom slnečnom svetle je potenciometer R8 nastavený tak, aby bol nabíjací prúd batérie maximálny – to bude bod maximálneho výkonu. Ak obvod funguje správne, pri otáčaní R2 bude veľmi plochý vrchol. Dióda D3 presnejšie vykonáva automatickú reguláciu MPPT odpočítaním pevného napätia od rozdielu napätia medzi batériou a priemerným napätím cez kondenzátor C3. Pri slabom osvetlení zistíte, že rezistor R3 nie je optimálny, ale nebude úplne odstránený z reťaze. Všimnite si, že inteligentné ovládače MPPT môžu tiež fungovať lepšie v plnom rozsahu, ale toto zlepšenie je mimoriadne neúčinné.

Hodnotenie komponentov

Obvod je konfigurovaný na napätie 9V, solárny panel na výkon 3W. Posilňovacie konvertory sú dosť vyberavé a nebudú fungovať v širokom rozsahu podmienok - ak váš systém používa iné limity menovitého výkonu pre solárny panel, potom môžete očakávať problém. Jediné komponenty, ktoré vyžadujú nastavenie, sú cievka L1 a kondenzátor C3. Prekvapilo ma, že frekvencia opakovania bola veľmi nízka (asi 2 kHz). Začal som s cievkou 100 µH, ale obvod funguje lepšie pri 390 µH - pôvodne som chcel okolo 20 kHz. Ak chcete dosiahnuť najlepší výkon, nabite cievku 5 až 10-násobkom prúdu solárneho panela, potom nechajte dlhý čas (3x), aby sa cievka úplne vybila. Tým sa zabezpečí prijateľná prevádzka, keď sa napätie zdroja blíži k napätiu batérie. Všimnite si, že cievky s nízkou impedanciou poskytujú najlepšiu účinnosť. Najväčšia strata skutočne nastáva v Schottkyho dióde a najmenšia strata je to, na čo sú tieto diódy určené.

Zvyčajne sa uprednostňuje vysokofrekvenčná prevádzka. Tým sa minimalizuje veľkosť cievky. Na experimentovanie však použite cievku, ktorá bude fungovať najlepšie.

Navrhované komponenty sú znázornené na obrázku. Nabíjačku je samozrejme možné prispôsobiť vašim požiadavkám.

Oscilogramy

Zoznam rádioelementov

Na mySKU občas vyskočia recenzie na solárne panely. Tiež som sa rozhodol pripojiť k „zelenej“ energii. Znovu si prečítajte zásobník rôzne materiály na solárnych paneloch a ovládačoch. Nestal som sa odborníkom, ale získal som malú tašku vedomostí. Dnes sa s vami podelím o jeden poznatok.

Na implementáciu autonómneho osvetlenia v kúpeľnom dome na chate a zoznámenie som si vybral malý panel s menovitým výstupným výkonom 30 W a napätím 12 V a jednoduchý populárny ovládač na nabíjanie olovenej batérie.

Plánovaná schéma zapojenia:

Solárny panel

Solárny panel dorazil nečakane rýchlo. Ozval sa kuriér, čo som nečakal. Obchod Banggood poslal panel z dôvodu vysokej hmotnosti prostredníctvom EMS, ale obyčajnou poštou trval ovládač štandardne tri a pol týždňa.

Panel bol dobre zabalený, ale najzraniteľnejším miestom boli rohy hliníkového profilu. Je to v poriadku, ale v budúcnosti je potrebné požiadať predajcu o dodatočnú ochranu rohov v obale.




Panel je pomerne veľký. Skutočný rozmer 650x350x25 mm, hmotnosť 2,5 kg.


Fotobunky sú vložené medzi hrubú fóliu z číreho plastu a tenkú fóliu z bieleho plastu. Sendvič je vložený do hliníkového profilu a ošetrený tmelom. Hliníkový profil je pokrytý transportnou fóliou. Stupeň ochrany nie je nikde uvedený. Predný plast pôsobí odolne. Ako vydrží krupobitie, neviem.

Na zadnej strane panelu je ochranný kryt/pripojovacia skrinka. Vychádza z nej drôt.


Drôt je dlhý - 4,5 metra, 2 x 0,75 mm.


Na koncoch drôtu sú krokodíly. Samozrejme, počas konečnej inštalácie bude potrebné odrezať krokodíly a väčšinu drôtu, ale budú užitočné pre test.

Vo vnútri skrinky je bočná dióda. Je potrebný len na sekvenčné pripojenie viacerých panelov (takže keď jeden z panelov prejde do tieňa, celý systém funguje ďalej), pre jeden panel to nehrá žiadnu rolu.

Nálepka so špecifikáciami:


Výrobca neuvedený. Technické údaje:

Ako vidíte, solárny panel produkuje maximálne napätie 21 V bez záťaže (v skutočnosti podľa meraní 22 V), a nie 12 V, ako sa uvádza. Netreba sa toho báť. To je normálne, zvyčajne sa uvádza prevádzkové napätie systému, pre ktorý je solárny panel určený, a to je 12 V (v skutočnosti je to formalita, v skutočnosti všetko závisí od regulátora nabíjania). Napríklad solárne panely pre 24V systémy môžu mať napätie až 45V.

Aby boli parametre panela prehľadnejšie, pozrite si graf (týka sa panelu 230 W, 24 V):


Vodorovná os je napätie, zvislá os sú prúd a výkon. Pozrite sa, ako sa mení prúd panela (červený graf). Keď sa prúd zvyšuje, napätie panelu klesá. Teraz sa pozrite na graf výkonu (modrý, IxU). Ako vidíte, maximálny výkon sa dosiahne v určitom bode. Tento bod sa nazýva maximálny výkon panelu, charakterizovaný hodnotami Vmp a Imp. Počas prevádzky, najmä v dôsledku zmien teploty fotobuniek, sa tento bod môže posunúť.

Panel z recenzie má Vmp = 18 V a Imp = 1,67 A. Práve v tomto bode sa dosahuje výkon 30 W (max. ideálne podmienky). Ak panel zaťažíte viac, prúd sa mierne zvýši, napätie a výkon sa zníži. Ak panel zaťažíte menej, prúd klesne, napätie stúpne a výkon opäť klesne. Tie. Účinnosť panelu klesá, keď sa vzďaľuje od bodu maximálneho výkonu. O niečo neskôr sa vrátim k bodu maximálneho výkonu.

Ovládač

Ovládač CMTP02 sa dodáva v malej škatuľke.


Vo vnútri je samotný ovládač a stručný návod.

Regulátor je určený na prúd do 15 A. Tzn. dodáva do batérie a záťaže prúd až 15 A. Ide o „čínskych“ 15 A. V skutočnosti je to samozrejme menej. Mám panel s maximálnym prúdom 1,75 A - netreba sa vôbec báť. Ovládač môže pracovať s 12 V a 24 V batériami.

Odskrutkujte 4 skrutky a odstráňte kovový kryt. Na spodnej strane dosky sú tri MOSFET tranzistory s vymazaným označením. Tranzistory sú izolované. Možno to hrá úlohu tepelného substrátu na odvádzanie tepla do kovového krytu, ale materiál je tvrdý a iba jeden tranzistor tesne prilieha ku krytu. Ak plánujete použiť regulátor s prúdom väčším ako 5 A, je lepšie nahradiť túto izoláciu silikónovým tepelným substrátom (100 x 100 x 3 mm stojí pár dolárov).

Na zadnej strane dosky je operačný zosilňovač a ovládač a mnohé SMD súčiastky v postroji.


Na trhu existuje veľa druhov takýchto ovládačov s dodatočnými funkciami. Doska má priestor pre USB výstupnú kabeláž (5 V), stabilizované napätie 12 V atď.

Tento PWM/PWM regulátor je najjednoduchší, bez možnosti akejkoľvek konfigurácie. Stačí pripojiť batériu, solárny panel a záťaž. Je dôležité dodržiavať postupnosť pripojenia. Batéria > solárny panel > zaťaženie. Vypínanie v opačnom poradí. Bez batérie ovládač nefunguje.

Hoci pokyny naznačujú, že ovládač môže pracovať s GEL batériami, je lepšie to nerobiť, pretože... Tento konkrétny ovládač nemá na výber typ batérie, čo znamená, že napätie je rovnaké pre všetky typy batérií. Pre GEL by mala byť zvyčajne nižšia.

Trh s regulátormi nabíjania solárnych panelov možno formálne rozdeliť na dva typy. MPPT a non-MPPT (tiež sa niekedy nazývajú PWM/PWM). MPPT - sledovanie maximálneho bodu výkonu, sledovanie maximálneho bodu výkonu. Pamätáte si, keď som písal o maximálnom výkonovom bode? Takže MPPT kontrolér sleduje (existujú rôzne algoritmy) bod maximálneho výkonu a snaží sa udržať napätie na vstupe na úrovni, ktorá zodpovedá tomuto bodu až do ďalšieho merania. Mnohé ovládače MTTP dokážu bez problémov pracovať s vysokým napätím (napríklad sériovo zapojené panely s napätím 90 V pre nízke straty v dôsledku odporu vodiča) a na výstupe nabíjať bežné 12 V batérie.

Regulátor PWM nemonitoruje bod maximálneho výkonu. Napríklad v štádiu hromadného nabíjania (CC - konštantný prúd) sa napätie solárneho panelu vyrovná s napätím batérie a v tomto štádiu sa neustále zvyšuje. Pozrime sa na ďalší graf.


Venujte pozornosť šedej oblasti a čiernemu grafu výstupného výkonu solárneho panela – toto je výstupný výkon pri použití PWM regulátora a bod Pmpp je výstupný výkon pri použití MTTP regulátora.

MPPT regulátory sú drahšie a efektívnejšie. Významné zisky sa však dosiahnu iba pri použití výkonných panelov. Musíte tiež vedieť, že veľa lacných čínskych ovládačov, ktoré hovoria MPPT, nie sú v skutočnosti MPPT.

Vráťme sa k CMTP02. Na jeho úvodný test použijem: AGM batériu, EBD-USB tester na vytvorenie záťaže, jednoduchý USB tester s podporou vysokého napätia


Solárny indikátor sa rozsvieti, keď je solárny panel napájaný. Bliká, keď napätie prekročí normu pre tento ovládač (viac ako 45 V). Regulátor má ochranu proti spätnému prúdu z batérie do solárneho panelu.

Indikátor zaťaženia svieti, keď nie je problém. Nesvieti, ak je napätie batérie nižšie ako 11,2 V - v tomto prípade do záťaže netečie žiadny prúd. Pri skrate rýchlo bliká.

Pokiaľ je dostatok energie zo solárneho panelu na napájanie záťaže, batéria sa nabíja. Tie. Prúd tečie do batérie aj do záťaže. Akonáhle výkon záťaže začne prevyšovať výstupný výkon solárneho panelu, nabíjanie batérie sa zastaví a nedostatok prúdu je kompenzovaný z batérie. Celý proces funguje ako hodinky. Akonáhle solárny panel prestane produkovať energiu (napríklad skončí slnečný deň), záťaž je napájaná iba z batérie.

Ako som už písal, ovládač je najjednoduchší, ale robí svoju prácu. Na trhu existuje veľa modelov ovládačov pre akúkoľvek úlohu, výkon a rozpočet.

Ak máte jednoduchú úlohu, napríklad chcete vo svojom vidieckom dome fontánu, ktorá funguje iba cez deň, potom už nemôže byť nič jednoduchšie. Na trhu sú dostupné tieto zaujímavé meniče s manuálnym nastavením maximálneho výkonového napätia:


Takéto zariadenia stoja od 6 dolárov. Nie je potrebná žiadna batéria, stačí pripojiť konvertor priamo k solárnemu panelu a čerpadlu. Pomocou potenciometra MPP nastavíte vstupné napätie na maximálny výkon a dodatočne nastavíte výstupné napätie pre čerpadlo. Jednoduché a efektívne.

Testovanie solárnych panelov

Ak chcete jasne vedieť, koľko energie panel vyrobí za deň, zostaviť denné grafy atď., existuje niekoľko možností. Najjednoduchšie a najsúkromnejšie je pripojiť tester medzi ovládač a vybitú batériu. Univerzálne je použiť záťaž, ktorá podporuje režim konštantného napätia. Podstata tohto zaťaženia je nasledujúca - nastavíte napätie a zaťaženie začne zvyšovať prúd, kým sa napätie nestabilizuje na špecifikovanej hodnote. Akonáhle napätie začne klesať alebo stúpať, záťaž okamžite zníži alebo zvýši spotrebu prúdu. Zdroj energie, solárny panel, teda vyrába všetko, čo môže v konkrétnom okamihu a pri danom napätí.

Rozhodol som sa použiť záťaž s režimom CV, ktorá bude pripojená priamo k panelu.

Problém je v tom, že tento režim je veľmi zriedka žiadaný, nie je vždy dostupný v elektronických záťažiach. Pýtal som sa priateľov, ale nikto nikoho nemal. Začal som študovať diagramy na internete. . Bez pomoci kamaráta by to nešlo. Ale všetko vyšlo.


Obvod využíva operačný zosilňovač LM358 (U1) a tranzistor s efektom poľa (N-kanál, Q1). K dispozícii bol ešte jeden operačný zosilňovač, pre ktorý bolo potrebné obvod doplniť o ďalší stabilizátor. Hotový výrobok nevyzerá veľmi reprezentatívne, ale hlavnou vecou je, že obsahuje modrú elektrickú pásku a je úplne vhodný na použitie.




Pomocou potenciometra môžete nastaviť napätie záťaže. Pretože Keďže záťaž je vyrobená z improvizovaných komponentov, pri zmene prúdu dochádza k určitému poklesu napätia. Testovacia stolica vyzerá takto:


Pretože Na mojom paneli je nízky prúd, takže môžete použiť tenké krátke drôty. Na merania použijem EBD-USB tester v monitorovacom režime. Záťaž je pripojená k solárnemu panelu cez EBD-USB, ktorý je zase pripojený k počítaču. Prvá revízia EBD-USB podporuje meranie napätia do 13,65 V (prevádzka do 20 V). Funguje to v môj prospech, pretože... s pripojenou batériou bude rozsah napätia 11,2 - 14,6 V. Potenciometrom na záťaži nastavím napätie o niečo viac ako 12 V.

27. marec, časový úsek 9.00 - 9.05, bezoblačné počasie.

Výbuchy - zakrýval som solárny panel a pozeral som sa na zmenu v grafe. Za 5 minút prevádzky vyrobil solárny panel 1,5 Wh. výstupný výkon bol 19W. Keď bolo napätie nastavené na cca 18 V, čo je bod maximálneho výkonu (pozeral som sa na to už pri výmene EBD-USB za bežný USB tester s podporou vysokého napätia), výkon bol 21 W. A to je len ráno na konci marca. V lete, keď je slnko za zenitom, panel bez problémov vyrobí udávaných 30 W. My sa však zameriame na dostupné údaje. Ak zhruba odhadnem, že slnko bude svietiť 5 hodín denne, tak mi vyjde 1,5 x 12 x 5 = 90 Wh za deň. Letné denné hodiny sú dlhšie, koeficient leto/jar v centrálnej oblasti je 1,5. Tie. v lete to bude 135 Wh. Účinnosť olovenej batérie je 75%. Energia uložená za deň bude 100 Wh. Batéria (14,5 Ah) bude plne nabitá za 2 svetelné dni. V stodole a v kúpeľnom dome môžem zavesiť 4 lampy 7 W (so svetelným tokom 500 Lm, čo zodpovedá 55 W). A každý deň/večer ich môžem používať až 3 hodiny v kuse. mne to vyhovuje.

Samozrejme, ide o hrubý odhad založený na krátkodobých testoch. Podrobné testovanie s meraniami a grafmi na celý májový deň vykonám už na mieste panela.

Zatiaľ čo som experimentoval s panelom, záťažový chladič sa veľmi zahrial - koniec koncov, rozptyľoval 20 W. Na meranie môjho panelu to úplne stačí, ale ak je výkonnejší, budete musieť nainštalovať väčší chladič a aktívne chladenie.

Tu je ďalšie zmrazenie. 31. marec, časový úsek 9.00 - 9.05. Počasie je zamračené, na oblohe opar a mraky. Slnko vyjde a zmizne.


Výstupný výkon sa pohyboval od 3 W do 17 W. Za 5 minút prevádzky vyrobil solárny panel 1 Wh. Panel dobre zvláda toto počasie.

Pokusy so solárnym panelom sa mi páčili, budem v nich pokračovať. Ak má niekto užitočné a užitočné tipy, neváhajte sa o ne podeliť v komentároch. Myslím, že mnohých to bude zaujímať.

Červenovlasý bandita tiež nabíja zo slnka:

Tovar bol poskytnutý na napísanie recenzie obchodom. Recenzia bola zverejnená v súlade s bodom 18 Pravidiel stránky.