Підвищує перетворювач для сонячної батареї. Підвищуючий перетворювач із MPPT контролером заряду для сонячних батарей

Пристрій являє собою простий перетворювач, що підвищує, і обмежувач напруги, який заряджає акумулятори напругою 12В від сонячної панелі напругою 6В. Пристрій також має функцію MPPT (Відстеження точки максимальної потужності). Коли ми думаємо про MPPT, то зазвичай згадуємо про мікроконтролери та складні обчислювальні алгоритми потужності. Однак такі алгоритми насправді не потрібні.

У статті представлено два схематичні рішення. Перша схема просто ілюструє підвищує імпульсний перетворювач, тоді як друга демонструє саморобну робочу схему пристрою. Вона рекомендується для більш сучасних експериментаторів, які мають у своєму розпорядженні осцилограф. Схема може також представляти інтерес для студентів та тих, хто просто хоче розширити свої знання в електроніці.

Схеми топології підвищуючого перетворювача та схема саморобного сонячного перетворювача

Теоретичнівідомостіпропідвищуєперетворювачі

На схемі топології перетворювача, що підвищує, котушка L1 заряджається, коли транзистор Q1 відкритий. Коли транзистор Q1 закритий, котушка L1 розряджається на батарею через стабілітрон D1. Виконання цієї операції протягом кількох тисяч разів на секунду в результаті призведе до суттєвого вихідного струму. Цей процес також називається індуктивним розрядом. Для його функціонування необхідно, щоб вхідна напруга була нижчою за вихідну. Також за наявності сонячної панелі необхідно використовувати елемент зберігання енергії – конденсатор (C1), який дозволить сонячній панелі безперервно видавати на вихід струм між циклами.

Опис принципової схемипідвищуючого перетворювача

Схема складається з трьох основних блоків, включаючи генератор стробуючих імпульсів на базі 555 МОП-інтегральної схеми, 555 ШІМ модулятор та операційний підсилювач з обмежувачем напруги. 555 серія з каскадним виходом може забезпечити струм близько 200мА і дозволяє створити відмінний малопотужний імпульсний генератор. 555 ШІМ модулятор є класичною генераторною схемою на базі 555 серії. Для регулювання часу розряду конденсатора C3 (час заряду котушки), висновок 5 подається напруга величиною 5В.

Обмеженнянапруги

Операційний підсилювач U1A обчислює сигнал напруги батареї, коли встановлене розділене значення напруги порівнюється з еталонною напругою величиною 5В. Коли напруга перевищує встановлене значення, вихід перемикається в негативному напрямку, знижуючи таким чином частоту імпульсів ШІМ генератора і обмежуючи будь-який наступний заряд. Це ефективно запобігає перезаряду.

Живлення схеми від сонячної панелі

Для запобігання непотрібному розряду батареї, коли сонце не світить, всі ланцюги запитуються через сонячну панель, крім дільника напруги зі зворотним зв'язком, який споживає близько 280мкА.

MOSFET логічногорівня

Оскільки схема повинна працювати за низьких рівнів напруги (дана схема працює від вхідної напруги не нижче 4В), необхідно встановити MOSFET логічного рівня. Він відкриватиметься при напрузі 4.5В. Для цього я використовував потужний МОП-транзистор MTP3055.

Фіксація напруги за допомогою стабілітронуD2

У цій схемі НЕ МОЖНА ВІД'ЄДНЮВАТИ батарею, інакше MOSFET-транзистор згорить. Тому для його захисту я встановив стабілітрон D2 напругою 24В. Без цього стабілітрона у мене самого згоріло багато МОП-транзисторів.

функціяMPPT

Коли напруга/струм сонячної панелі збільшується, ШІМ генератор підвищує частоту імпульсів, що у свою чергу призводить до збільшення вихідного струму. У той же час додаткова напруга додається до котушки, збільшуючи таким чином її зарядний струм. В результаті перетворювач, що підвищує, дійсно «докладає великих зусиль» при підвищенні напруги або «слабшає», коли напруга знижується. Для максимальної передачі енергії при яскравому сонячному світлі виконується регулювання потенціометра R8 так, щоб зарядний струм батареї був максимальним – це буде точка максимальної потужності. Якщо схема працює правильно, то спостерігатиметься дуже плоский пік при обертанні R2. Діод D3 виконує автоматичне MPPT регулювання точніше за допомогою віднімання фіксованого напруги з різниці напруги між батареєю та середньою напругою через конденсатор C3. В умовах низького освітлення ви виявите, що резистор R3 не є оптимальним, однак він не буде повністю виключений із ланцюжка. Зауважте, що інтелектуальні MPPT контролери також можуть краще працювати за повного діапазону, проте це поліпшення вкрай малоефективне.

Номінали компонентів

Схема налаштована на напругу 9В, сонячна панель потужністю 3Вт. Перетворювачі, що підвищують, дуже вибагливі і не працюватимуть у широкому діапазоні умов – якщо ваша система використовує інші межі номінальної потужності для сонячної панелі, тоді чекайте проблеми. Єдині компоненти, які потребують налаштування, котушка L1 та конденсатор C3. Я здивувався, що частота повторень виявилася дуже низькою (близько 2кГц). Я почав з котушки індуктивністю 100мкГ, проте схема працює краще за індуктивності 390мкГ – спочатку я хотів отримати близько 20кГц. Для найкращої роботи виконуйте заряд котушки від 5 до 10 разів по відношенню до струму сонячної панелі, потім забезпечте тривалий період часу (3X), щоб котушка могла повністю розрядитись. Це забезпечить прийнятну роботу, коли напруга джерела живлення буде близькою до напруги батареї. Зауважте, що низькоомні котушки забезпечують найкращу ефективність. Найбільша втрата справді відбувається в діоді Шотки, і найменша втрата це те, для чого ці діоди призначені.

Робота за високої частоти зазвичай краща. Це дозволить мінімізувати розмір котушки. Однак для експерименту, використовуйте котушку, яка працюватиме найкраще.

Пропоновані компоненти вказані на схемі. Природно, зарядний пристрій можна пристосувати відповідно до своїх вимог.

Осцилограми

Список радіоелементів

На mySKU іноді проскакують огляди сонячних панелей. Я вирішив також долучитися до «зеленої» енергії. Перечитав чарку різних матеріалівпо сонячним панелям та контролерам. Експертом не став, але знань набрав невеликий мішок. Часткою знань я з вами сьогодні поділюся.

Для реалізації автономного освітлення в лазні на дачі та знайомства вибрав невелику панель з номінальною вихідною потужністю 30 Вт та напругою 12 В, та простий популярний контролер для заряду свинцево-кислотного акумулятора.

Запланована схема підключення:

Сонячна панель

Сонячна панель прийшла несподівано швидко. Подзвонив кур'єр, на якого я не очікував. Через велику вагу магазин Banggood відправив панель через EMS, а ось контролер звичайною поштою йшов стандартні три з половиною тижні.

Панель була упакована добре, але найвразливіше місце - кути алюмінієвого профілю. Нічого страшного, але на майбутнє треба просити продавця додатково захистити кути в упаковці.




Панель досить велика. Реальні розміри 650x350x25 мм, вага 2,5 кг.


Фотоелементи знаходяться між товстим листом прозорого пластику та тонким листом білого пластику. Сендвіч вставлений в алюмінієвий профіль та оброблений герметиком. Алюмінієвий профіль покритий транспортувальною плівкою. Ступінь захисту ніде не вказано. Лицьовий пластик за відчуттями міцний. Як він витримає місто, я не знаю.

На звороті панелі знаходиться захисний кожух/короб для з'єднання. З нього виходить провід.


Дротовий провід - 4,5 метра, 2 x 0,75 мм.


На кінцях дроту «крокодили». Звичайно, при фінальному монтажі крокодили і більшу частину дроту потрібно буде відрізати, але для тесту знадобляться.

Всередині короба шунтуючий діод. Він потрібен лише для послідовного з'єднання декількох панелей (щоб при догляді в тінь однієї з панелей вся система продовжувала працювати), для однієї панелі він ніякої ролі не грає.

Наклейка зі специфікаціями:


Виробник не вказано. Специфікації:

Як можете бачити, сонячна панель видає максимальну напругу 21 В без навантаження (насправді за вимірами 22 В), а не 12 В, як заявлено. Лякатися не треба. Це нормально, зазвичай вказується робоча напруга системи, для якої призначена сонячна панель, а це 12 В (насправді це формальність, насправді все залежить від контролера заряду). Наприклад, сонячні панелі для систем 24 можуть мати напругу до 45 В.

Щоб параметри панелі стали зрозумілішими, подивіться на графік (він відноситься до панелі 230 Вт, 24 В):


Горизонтальна вісь - напруга, вертикальні осі - сила струму та потужність. Подивіться, як змінюється сила струму панелі (червоний графік). У разі збільшення сили струму напруга панелі знижується. А тепер перегляньте графік потужності (синій, IxU). Як ви можете бачити, максимальна потужність досягається у певній точці. Ця точка називається точкою максимальної потужності панелі – maximum power point, характеризується значеннями Vmp та Imp. Під час роботи, переважно через зміну температури фотоелементів, ця точка може зміщуватися.

Панель з огляду має Vmp = 18 В та Imp = 1,67 А. Саме в цій точці досягається потужність 30 Вт (в самих ідеальних умовах). Якщо ви навантажуватимете панель більше, сила струму буде незначно зростати, а напруга і вихідна потужність падати. Якщо ви навантажуватимете панель менше, то сила струму падатиме, напруга зростатиме, а потужність знову падатиме. Тобто. ефективність панелі при зміщенні від точки максимальної потужності знижується. Трохи згодом я ще повернуся до точки максимальної потужності.

Контролер

Контролер CMTP02 поставляється у невеликій коробці.


Усередині сам контролер та коротка інструкція.

Контролер розрахований струм до 15 А. Т.е. віддає на акумулятор і навантаження струм до 15 А. Це «китайські» 15 А. Насправді, звичайно, менше. У мене панель з максимальною силою струму 1,75 А – можна взагалі не турбуватися. Контролер може працювати з акумуляторами 12 В та 24 В.

Відкручуємо 4 гвинти та знімаємо металеву кришку. На нижній стороні плати три MOSFET транзистори зі стертим маркуванням. На транзистори надіта ізоляція. Може вона відіграє роль термопідкладки для відведення тепла на металеву кришку, але матеріал твердий і до кришки щільно прилягає лише один транзистор. Якщо плануєте використовувати контролер із силою струму більше 5 А, краще замінити цю ізоляцію на силіконову термопідкладку (100x100x3 мм коштує кілька доларів).

На звороті плати операційний підсилювач і контролер, і безліч SMD компонентівв обв'язці.


На ринку є багато різновидів подібного контролера з додатковим функціоналом. На платі є місце для розведення USB виходу (5 В), стабілізована напруга 12 В та ін.

Цей PWM/ШИМ контролер найпростіший, без можливості будь-якої настройки. Потрібно лише підключити акумулятор, сонячну панель та навантаження. Важливо дотримуватись послідовності підключення. Акумулятор > сонячна панель > навантаження. Вимкнення у зворотному порядку. Без акумулятора контролер не працює.

Хоча в інструкції і зазначено, що контролер може працювати з акумуляторами GEL, але краще цього не робити, т.к. саме цей контролер не має вибору типу акумулятора, а отже напруга однакова для всіх типів акумуляторів. Для GEL воно зазвичай має бути нижчим.

Ринок контролерів зарядки від сонячних панелей формально можна поділити на два типи. MPPT і MPPT (їх ще іноді називають PWM/ШИМ). MPPT – maximum power point tracking, відстеження точки максимальної потужності. Пам'ятаєте, я писав про точку максимальної потужності? Так ось, MPPT контролер відстежує (є різні алгоритми) точку максимальної потужності і на вході намагається тримати напругу на рівні, який відповідає цій точці, до наступного виміру. Багато контролерів MTTP без проблем можуть працювати з високою напругою (наприклад, послідовно з'єднані панелі з напругою 90 В для малих втрат через опір проводів), а на виході заряджати звичайні 12 В акумулятори.

PWM контролер не слідкує за точкою максимальної потужності. Наприклад, на етапі bulk charge (CC - постійна сила струму) напруга сонячної панелі зрівнюється з напругою батареї та послідовно зростає на цьому етапі. Погляньмо ще на один графік.


Зверніть увагу на сіру зону та чорний графік вихідної потужності сонячної панелі – це вихідна потужність при використанні PWM контролера, а точка Pmpp – вихідна потужність при використанні MTTP контролера.

MPPT контролери коштують дорожче і є ефективнішими. Але суттєвий виграш виходить лише за використання потужних панелей. Потрібно ще знати, що багато дешевих китайських контролерів, на яких написано MPPT, насправді такими не є.

Повернімося до CMTP02. Для його первинного тесту я використовуватиму: AGM акумулятор, тестер EBD-USB для створення навантаження, простий USB-тестер з підтримкою високих напруг


Індикатор Solar (Сонячна панель) світиться, коли є напруга від сонячної панелі. Блимає, коли напруга перевищує норму для даного контролера (більше 45 В). Контролер має захист від зворотного струму – від акумулятора до сонячної панелі.

Індикатор Load горить, коли немає жодних проблем. Не горить, якщо напруга акумулятора нижче 11,2 В - в цьому випадку навантаження струм не йде. Швидко блимає при короткому замиканні.

Поки вистачає потужності сонячної панелі живлення навантаження, батарея заряджається. Тобто. Струм йде і на батарею, і в навантаження. Як тільки потужність навантаження починає перевищувати вихідну потужність сонячної панелі, заряджання акумулятора припиняється, і нестача струму компенсується від акумулятора. Весь процес працює як годинник. Як тільки сонячна панель перестає виробляти енергію (наприклад, сонячний день закінчився), навантаження живиться лише від акумулятора.

Як я вже написав, контролер найпростіший, але своє завдання виконує. На ринку присутня безліч моделей контролерів під будь-які завдання, потужності та гаманець.

Якщо у вас стоїть просте завдання, наприклад, ви хочете фонтан на дачі, який працює лише вдень, то немає нічого простішого. На ринку доступні такі цікаві перетворювачі з ручним налаштуванням напруги максимальної потужності:


Коштують такі пристрої від 6$. Акумулятор не потрібен, просто підключаєте перетворювач безпосередньо до сонячної панелі та помпи. За допомогою потенціометра MPP виставляєте вхідну напругу максимальної потужності, додатково на виході задає напругу для помпи. Просто та ефективно.

Тестування сонячної панелі

Щоб чітко знати, яка кількість енергії вироблятиме панель на день, побудувати денні графіки тощо, є кілька варіантів. Найпростіший і найчастіший - це підключити тестер між контролером і розрядженим акумулятором. Універсальний – це використовувати навантаження, яке підтримує режим Constant Voltage. Суть цього навантаження в наступному - ви задаєте напругу, і навантаження починає збільшувати силу струму, поки напруга не стабілізується на заданому значенні. Як тільки напруга починає просідати або підвищуватись, навантаження миттєво зменшує або збільшує струм споживання. Таким чином, джерело енергії, сонячна панель, видає все, що може в конкретний момент часу при заданій напрузі.

Вирішив використовувати навантаження з режимом CV, яке підключатиметься безпосередньо до панелі.

Проблема в тому, що такий режим користується попитом дуже рідко, в електронних навантаженнях не завжди є. Запитував у знайомих, ні в кого такого не виявилося. Я почав вивчати схеми в мережі Інтернет. . Не обійшлося самостійно. Але все вийшло.


У схемі використовується операційний підсилювач LM358 (U1) та польовий транзистор (N-канал, Q1). У наявності був інший операційний підсилювач, йому знадобилося додати ще стабілізатор в схему. Готовий продукт має не зовсім презентабельний вигляд, але головне містить синю ізоленту і повністю придатний для використання.




За допомогою потенціометра можна налаштовувати напругу навантаження. Т.к. навантаження зроблено з підручних компонентів, то є певний перепад напруги при зміні сили струму. Стенд для тестування виглядає так:


Т.к. сила струму невелика біля моєї панелі, то можна використовувати тонкі короткі дроти. Для вимірювання використовуватиму тестер EBD-USB в режимі моніторингу. Навантаження підключене до сонячної панелі через EBD-USB, який у свою чергу підключено до комп'ютера. Перша ревізія EBD-USB підтримує вимірювання напруги до 13,65 (робота до 20 В). Мені це за руку, т.к. при підключеному акумуляторі діапазон напруги буде 11,2 - 14,6 В. Потенціометром на навантаженні виставлю напругу трохи більше 12 В.

27 березня, тимчасовий відрізок 9.00 – 9.05, безхмарна погода.

Сплески - це я прикривав сонячну панель, дивився зміну графіка. За 5 хвилин роботи сонячна панель видала 1,5 Вт·ч. Вихідна потужність складала 19 Вт. При установці напруги близько 18 В, точка максимальної потужності (це вже дивився із заміною EBD-USB на звичайний USB тестер з підтримкою високої напруги), потужність становила 21 Вт. І це лише ранок наприкінці березня. Влітку при сонці в зеніті панель може видати заявлені 30 Вт. Але орієнтуватимемо на наявні дані. Якщо грубо прикинути, що сонце світитиме 5 годин на день, то я отримаю 1,5 x 12 x 5 = 90 Вт⋅год на день. Літній світловий день довший, коефіцієнт «літо/весна» у центральному регіоні 1,5. Тобто. влітку буде 135 Вт·ч. ККД свинцево-кислотного акумулятора 75%. Запасена на день енергія становитиме 100 Вт·ч. Акумулятор (14,5 А·ч) повністю зарядиться за 2 світлові дні. У сараї та лазні я зможу повісити 4 лампи по 7 Вт (зі світловим потоком 500 Лм, еквівалент 55 Вт). І кожного дня/вечора я зможу їх використовувати до 3 годин одночасно. Мене це влаштовує.

Звичайно, це грубий приблизний підрахунок, що базується на короткочасних тестах. Детальне тестування із вимірами та графіками цілого дня я проводитиму у травні вже на місці розміщення панелі.

Поки я експериментував з панеллю, радіатор навантаження дуже сильно нагрівався - як-не-як, розсіювала 20 Вт. Для вимірів моєї панелі його цілком вистачить, а ось потужніше вже потрібно ставити радіатор більше і активне охолодження.

Ось ще один завмер. 31 березня, тимчасовий відрізок 9.00 – 9.05. Погода похмура, на небі серпанок та хмари. Сонце то виходить, то ховається.


Вихідна потужність становила від 3 Вт до 17 Вт. За 5 хвилин роботи сонячна панель видала 1 Вт·ч. Для такої погоди панель справляється чудово.

Досвіди із сонячною панеллю мені сподобалися, я їх продовжу. Якщо у когось є слушні та корисні поради, не соромтеся, ділитесь ними у коментарях. Думаю, що багатьом буде цікаво.

Рудий бандит теж заряджається від сонця:

Товар надано для написання огляду магазином. Огляд опубліковано відповідно до п.18 Правил сайту.