Зарядное устройство на солнечных батареях

 

1.d. Технология MPPT (Max Point Power Traking)

    Если вы хотите увеличить выработку энергии вашими солнечными батареями без добавления солнечных панелей, то вам нужно заменить ваш солнечный контроллер на контроллер со слежением за точкой максимальной мощности (MPPT)солнечной батареи. Такой контроллер позволит в большинстве случаев увеличить выработку электроэнергии по сравнению с ШИМ контроллерами .

MPPT контроллеры появились  на рынке в конце 80-х годов. Постепенно они стали применяться  все шире и шире, и в будущем, скорее всего, все контроллеры  будут иметь функцию слежения  за MPPT солнечного модуля. Сейчас на рынке появились MPPT контроллеры с улучшенной схемотехникой, надежными электронными компонентами и с управлением микропроцессором.

В простых контроллерах солнечный модули подключается к аккумулятору напрямую, таким образом напряжение их сравнивается. В реальности же оптимальное напряжение солнечной батареи почти всегда отличается от напряжения на аккумуляторе. Типичный 12В аккумулятор требует для полного заряда поддерживать заряд при 14,4В в течение 2-4 часов. Эта стадия называется стадией абсорбции (насыщения).

Рис.9 Вольт-амперная характеристика солнечной батареи

Если посмотреть на типичную вольт-амперную характеристику солнечной батареи, можно увидеть, что выработка энергии может быть увеличена, если контроллер заряда будет следить за точкой максимальной мощности солнечной батареи.

Типичный MPPT контроллер постоянно отслеживает ток и напряжение на солнечной батарее, перемножает их значения и определяет пару ток-напряжение, при которых мощность СБ будет максимальной. Встроенный процессор также следит, на какой стадии заряда находится аккумулятор (наполнение, насыщение, выравнивание, поддержка) и на основании этого определяет, какой ток должен подаваться в аккумуляторы.

Точка максимальной мощности может вычисляться разными способами. В простейшем случае контроллер последовательно снижает напряжение от точки холостого хода до напряжения на аккумуляторе. Точка максимальной мощности будет находиться где-то в промежутке между этими значениями.

Рис.10 Положения MPPT точки на ВАХ солнечной батареи

Положение MPPT зависит от нескольких параметров - от освещенности модуля, температуры, разнородности используемых модулей и т.д. Контроллер периодически пытается немного "отойти" от найденной на предыдущей стадии точки в обе стороны, и если мощности при этом увеличивается, то он переходит на работу в этой точке. Теоретически, при поиске MPPT теряется немного энергии, но эта потеря очень незначительна по сравнению в той дополнительной энергией, которую обеспечивает MPPT контроллер.

Встроенный преобразователь постоянного тока поддерживает разное напряжение на входе и выходе контроллера. Это похоже на работу бесступенчатой коробки передач в автомобиле, которая поддерживает оптимальные обороты двигателя при разной скорости движения автомобиля.

Количество дополнительно полученной энергии при использовании MPPT контроллера трудно однозначно определить. Основными факторами, влияющими на дополнительную выработку. являются температура и степень заряженности аккумуляторной батареи. Наибольшая добавка к выработке будет при низких температурах модуля и разряженных батареях.

Рис 11 Изменение MPPT точки солнечной батареи

На рисунке рис 10 показано, как может меняться напряжение в точке максимальной мощности при разных температурах модуля. Чем горячее солнечный модуль, тем меньше напряжение на модуле и, соответственно, выработка энергии солнечной батареей. В какие-то моменты точка максимальной мощности может быть ниже напряжения на аккумуляторе, и в этом случае вы не получите никакого выигрыша в выработке энергии по сравнению с ШИМ контроллером. Такое же влияние оказывает и частичное затенение солнечной батареи.

Поэтому обычно при использовании MPPT контроллеров нужно коммутировать солнечные батареи на более высокое напряжение. Большинство контроллеров может отслеживать точку максимальной мощности в широких пределах. Такое решение также позволит повысить выработку энергии солнечной батареей при пониженных освещенностях. Однако, не нужно делать слишком большую разницу между входным и выходным напряжением, иначе КПД контроллера падает.

    Целью системы управления является  то, что массив будет PV 
максимальной электрической мощности с заданной освещенности. 
Контроль должен гарантировать, что постоянный ток будет преобразован с высоким КПД на нагрузке.Для того чтобы мощность была максимальной на выходе нужно отследить рабочую максимальную точку MPPT, это сделать достаточно сложно так как ВАХ солнечной батареи не линейна и динамична!, при  особых условий солнечной радиации и температуры. Такие свойства привлекли внимание этой работе в поиске контроля, что улучшает её динамическую  производительность. Многие методы были разработаны для определения  MPPT. Например: Фазовый метод, способ последовательных шагов, способ взятия производной, способ запоминания экстримума, способ наложения вынужденных гармонических колебаний

    Установка контроллера с технологией MPPT во многих случаях эквивалентна установке дополнительного количества солнечных модулей на объекте.

Основные преимущества контролера MPPT:

• Отсутствие потерь при заряде АКБ
• Оптимальная работа при затенении части площади солнечных панелей
• Повышенная отдача при слабой освещенности и при облачной погоде
• Возможность использовать более высокое входное напряжение
• Позволяет уменьшить сечение кабелей
• Позволяет увеличить дистанцию от панелей до контроллера

1.e. Типичные схемы зарядных устройств

Рис 12 Схема зарядного устройства

    Схема приведённая на рис12 предназначена для заряда аккумулятора от источника с более низким напряжением. Не используется для заряда аккумуляторов с тем же, или более низким напряжением, чем генерирует солнечная панель. Для правильной работы схемы обязательно необходим аккумулятор. Разные модели мобильных телефонов предъявляют разные требования к заряду, и, возможно, данное устройство не сможет работать со всеми телефонами без исключения. 

Принцип работы выше приведённой электрической схемы

Когда напряжение на эмиттере Q1 слегка превысит 1.5 В, оба транзистора, охваченных положительной обратной связью через резистор R5 и конденсатор С2, быстро откроются. Протекающий через транзистор Q2 ток дросселя L1 начнет возрастать, а напряжение на солнечной батарее, соответственно, падать. При падении напряжения ниже 1.5. В, оба транзистора выключаются, напряжение на коллекторе Q2, скачком увеличившись, открывает диод D1, и дроссель начинает отдавать ток в аккумулятор. Как только дроссель разрядится, процесс повторится снова. Схема может выдавать более высокое напряжение без каких-либо доработок, поскольку индуктивные выбросы напряжения на дросселе при выключении транзисторов достаточно велики. По этой причине, преобразователь не должен функционировать без аккумулятора, который ограничивает импульсы на уровне собственного напряжения. Можно взять и 12-вольтовый аккумулятор, при этом номинал резистора R5 необходимо увеличить вдвое. Автор остановился на никель-кадмиевых аккумуляторах, которые хорошо переносят перезаряд, преобразуя избыточный зарядный ток в тепло. Рассмотрим ещё одну из типичных схем для заряда аккумуляторов от солнечных батарей схема рассчитана на 12 вольтовою солнечную батарею

Рис 13 Схема зарядного устройства для 12 В аккумулятора В схеме

Используется микросхема стабилизатора напряжения LM317, с помощью которой напряжение заряда устанавливается на уровне порядка 16 В. Подстройка выходного напряжения производится резистором VR. Когда солнечная батарея освещена и вырабатывает ток, диод D1 открыт. Ток заряда течет через микросхему стабилизатора, диод D2 и резистор R3. Выходное напряжение LM317 зависит от положения движка подстроечного резистора VR, а ток заряда – от величины сопротивления R1. Если резистором VR выходное напряжение установлено на уровне выше 16 В, стабилитрон ZD2 открыт и аккумулятор заряжается напряжением 15 В. Ток заряда определяется номиналами R1 и R3. В нашей схеме он находится в диапазоне 250…300 мА. Зеленый светодиод индицирует режим заряда. Когда аккумулятор наберет полный заряд, и напряжение на нем поднимется приблизительно до 13 В, откроются стабилитрон ZD1 и транзистор T1. Транзистор будет шунтировать нагрузку схемы, забирая весь ток заряда на себя. Зарядка аккумулятора прекратится. Когда напряжение на аккумуляторе опустится ниже 12 В, стабилитрон ZD1 закроется, и процесс заряда начнется вновь.

1.f Постановка задачи разработки

Анализируя полученную информацию что современные зарядные устройства на солнечных элементах обладают малым КПД и не способны предотвратить перезаряд сотовых телефонов. Подходят не ко всем моделям так как нет единого алгоритма заряда. Исходя из этого, я хочу устранить эти недостатки в своём устройстве включив эти пункты в основу данного устройства повысить КПД с помощью метода MPPT, а также разработать более совершенные платы управления устройством, показать его конкурентоспособность на рынке зарядных устройств для мобильных телефонов, так как сейчас всё больше и больше набирают обороты альтернативные источники энергии.

Функциональность моего прибора включает в себя:

 

1. Возможность заряжать сотовые мобильные телефоны и устройства с помощью солнечной энергии
2. Малый вес и размеры
3. Отключать аккумулятор мобильного телефона не допуская его перезаряд
4. Функция MPPT!
5. При затемни большой площади батарее, не допускать разряд аккумулятора телефона на внутреннее сопротивление солнечной батарее
6. Малый вес и размеры

 

 

2. Разработка Конструкции

2.а. Разработка схемы

Проанализировав существующие схемы можно придти к выводу, что в них используются аналоговые методы стабилизации напряжения м зарядного тока, характеризующиеся низким КПД и отсутствием свойств MPPT. Поэтому в качестве регулятора необходимо выбрать импульсный повышающий регулятор. В качестве схемы управления повышающим регулятором желательно использовать промышленно выпускаемый контролер UC3843. В качестве силового ключа необходимо использовать полевой транзистор с малым напряжением управления и низким сопротивлениям в открытом состоянии в качестве этого транзистора можно использовать IRFZ34

так как необходимо использовать метод MPPT, то должна быть разработана схема управления реализующая один из возможных методов MPPT. При разработки схемы MPPT на ИС средней степени интеграции можно остановиться на методе фазового детектирования.

      Берется производная по времени от входной величины z сначала при принудительном (пробном) изменении х в определенную сторону. При этом знак производной dz/dt покажет, движется ли система, к экстремуму или от него. Например, если ищется максимум z и х принудительно увеличивается, то после перехода через экстремум, т. е. при изменении знака производной  dz/dt с плюса на минус регулятор (система управления) должена

переключиться на убывание величины х, затем опять на возрастание и т. д  Причем устанавливается автоколебательный режим работы регулятора около точки экстремума.

      Разработанная схема состоит из задающего генератора частотой 1 КГц(K561E18, кварцевый резонатор частотой 32768 Гц), фильтр на коммутируемых конденсаторах и фазовый детектор на микросхемах (К561КТ3, К140УД20), повышающий регулятор на микросхеме UC3843 и полевом транзисторе IRFZ34.

Принцип работы схемы основан на том, что фаза переменной составляющей зарядного тока зависит от положения рабочей точки солнечной батарее относительно максимума выходной мощности. При нахождения рабочей точки в области подъёма ВАХ солнечной батареи фаза переменной составляющей выходного тока положительна, а при нахождения раб точки в области спада ВАХ отрицательна.

Опорное напряжение частотой 1 КГц поддаётся через конденсатор С18 и резистор R23-R25 на вход блока регулятора, постоянное напряжение с выхода фазового детектора также поддаётся на вход регулятора. Переменное напряжение, пропорциональное току заряда аккумулятора снимается с шунта R2, фильтруется фильтром на основе коммутируемых конденсаторов, усиливается усилителем на микросхеме К140УД 20 и попадает на фазовый детектор, выполненный на второй половине микросхеме К140УД20.

Фазовый детектор имеет корректирующую цепочку интегрирующего типа, обеспечивающую устойчивость системы регулирования и её астатичность.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичная схема выполненная на микроконтроллере

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 15 Схема с технологии MPPT на микроконтроллере

 

2.b. Разработка печатной платы

    Проектирование схем производилось с помощью программы

Sprint-Layout-4.0, основной задачей которой является построение принципиальных электрических схем радиоэлектронных устройств.

 

    В этой программе электрические схемы выполняются без соблюдения масштаба. Реальное расположение компонентов на монтажно-коммутационном поле не учитывается при рисовании электрических схем. Выбранный размер на который выводится рисунок схемы, должен обеспечить компактность и ясность при чтении деталей схемы.

    Линии на всех схемах одного проекта выполняются толщиной от 0,2 до 3 мм. Соединения и условные обозначения компонентов выполняются линиями одинаковой толщины. Утолщенными линиями рисуются жгуты (общие шины).

    После настройки конфигурации графического редактора Sprint-Layout-4.0 и при наличии в библиотеке всех символов компонентов, содержащихся в заданной электрической схеме (текущем проекте), составляется принципиальная электронная схема. При этом графические изображения элементов схем и линии электрической связи размещаются по обычным правилам.