يرمز MPPT إلى الحد الأقصى لتتبع نقاط الطاقة ، وهو نظام إلكتروني مصمم لتحسين خرج الطاقة المتغير من وحدة الألواح الشمسية بحيث تستغل البطارية المتصلة أقصى طاقة متوفرة من اللوحة الشمسية.

مقدمة

ملحوظة: دوائر MPPT التي تمت مناقشتها في هذا المنشور لا تستخدم طرق التحكم التقليدية مثل 'Perturb and Observation' ، 'التوصيل المتزايد ،' Current sweep '،' الجهد المستمر '...... إلخ ... بالأحرى نحن هنا ركز وحاول تنفيذ بعض الأشياء الأساسية:

للتأكد من أن 'القوة الكهربائية' المدخلة من الألواح الشمسية تساوي دائمًا 'القوة الكهربائية' التي تصل إلى الحمل.
لا يتأثر 'جهد الركبة' أبدًا بالحمل ويتم الحفاظ على منطقة MPPT الخاصة باللوحة بكفاءة.

ما هو جهد الركبة والتيار للوحة:

ببساطة ، جهد الركبة هو 'جهد الدائرة المفتوحة' مستوى اللوحة ، بينما تيار الركبة هو 'تيار ماس كهربائى' قياس اللوحة في أي لحظة.

إذا تم الحفاظ على الاثنين أعلاه إلى أقصى حد ممكن ، يمكن افتراض أن الحمل يحصل على قوة MPPT طوال فترة تشغيله.

قبل الخوض في التصاميم المقترحة ، دعنا أولاً نتعرف على بعض الحقائق الأساسية المتعلقة شحن البطارية الشمسية

نحن نعلم أن الناتج من الألواح الشمسية يتناسب طرديًا مع درجة ضوء الشمس الساقط ، وكذلك درجة الحرارة المحيطة. عندما تكون أشعة الشمس متعامدة على اللوح الشمسي ، فإنها تولد أقصى قدر من الجهد ، وتتدهور مع انحراف الزاوية بعيدًا عن 90 درجة ، كما تؤثر درجة حرارة الغلاف الجوي حول اللوحة على كفاءة اللوحة ، والتي تنخفض مع زيادة درجة الحرارة .

لذلك قد نستنتج أنه عندما تكون أشعة الشمس قريبة من 90 درجة فوق اللوحة وعندما تكون درجة الحرارة حوالي 30 درجة ، فإن كفاءة اللوحة تتجه نحو الحد الأقصى ، ينخفض المعدل حيث تنحرف المعلمتان المذكورتان عن قيمهما المقدرة.

يستخدم الجهد أعلاه بشكل عام لشحن البطارية ، أ بطارية الرصاص الحمضية ، والذي بدوره يستخدم لتشغيل العاكس. ولكن تمامًا مثل ملف الألواح الشمسية لها معايير التشغيل الخاصة بها ، البطارية أيضًا لا تقل عن ذلك وتوفر بعض الشروط الصارمة للحصول على الشحن الأمثل.

الشروط ، يجب شحن البطارية بتيار أعلى نسبيًا في البداية والذي يجب أن ينخفض تدريجيًا إلى الصفر تقريبًا عندما تصل البطارية إلى جهد أعلى بنسبة 15٪ من معدلها الطبيعي.

بافتراض أن بطارية 12V فارغة تمامًا ، بجهد كهربائي في أي مكان حوالي 11.5 فولت ، يمكن شحنها بمعدل C / 2 تقريبًا في البداية (C = AH للبطارية) ، سيبدأ هذا في ملء البطارية بسرعة نسبيًا وسيسحب جهدها إلى أن يكون حوالي 13 فولت في غضون ساعتين.

في هذه المرحلة ، يجب أن يتم تقليل التيار تلقائيًا إلى معدل C / 5 ، وهذا سيساعد مرة أخرى في الحفاظ على سرعة الشحن السريع دون إتلاف البطارية ورفع جهدها إلى حوالي 13.5 فولت خلال الساعة التالية.

باتباع الخطوات المذكورة أعلاه ، قد يتم الآن خفض التيار إلى معدل C / 10 مما يضمن عدم تباطؤ معدل الشحن والوتيرة.

أخيرًا ، عندما يصل جهد البطارية إلى حوالي 14.3 فولت ، قد يتم تقليل العملية إلى معدل C / 50 الذي يوقف عملية الشحن تقريبًا ولكنه يحد من انخفاض الشحن إلى مستويات أقل.

العملية برمتها تشحن بطارية شديدة التفريغ في غضون 6 ساعات دون التأثير على عمر البطارية.

يتم استخدام MPPT بالضبط للتأكد من أن الإجراء أعلاه يتم استخلاصه على النحو الأمثل من لوحة شمسية معينة.

قد تكون الألواح الشمسية غير قادرة على توفير نواتج تيار عالية ولكنها بالتأكيد قادرة على توفير جهد أعلى.

ستكون الحيلة هي تحويل مستويات الجهد العالي إلى مستويات تيار أعلى من خلال التحسين المناسب لإخراج الألواح الشمسية.

الآن بما أن تحويلات الجهد العالي إلى تيار أعلى والعكس صحيح لا يمكن تنفيذها إلا من خلال محولات دفعة باك ، فإن الطريقة المبتكرة (على الرغم من كونها ضخمة بعض الشيء) تتمثل في استخدام دائرة محث متغير حيث يكون للمحث العديد من الصنابير القابلة للتحويل ، وهذه قد يتم تبديل الصنابير بواسطة دائرة تبديل استجابة لأشعة الشمس المتغيرة بحيث يظل ناتج الحمل ثابتًا دائمًا بغض النظر عن أشعة الشمس.

يمكن فهم المفهوم من خلال الرجوع إلى الرسم البياني التالي:

مخطط الرسم البياني

استخدام LM3915 باعتباره المعالج الرئيسي IC

المعالج الرئيسي في الرسم البياني أعلاه هو IC LM3915 الذي يقوم بتبديل pinout الناتج بشكل تسلسلي من الأعلى إلى الأسفل استجابة لضوء الشمس المتناقص

يمكن رؤية هذه المخرجات مكونة من ترانزستورات الطاقة المحولة والتي ترتبط بدورها بالصنابير المختلفة لملف مغو طويل من الفريت.

يمكن رؤية الطرف الأدنى للمحث مرفقًا بترانزستور طاقة NPN والذي يتم تبديله بتردد حوالي 100 كيلو هرتز من دائرة مذبذب خارجية.

ترانزستورات الطاقة المتصلة بمخرجات مفتاح IC استجابةً لمخرجات IC التسلسلية ، وتوصيل الصنابير المناسبة للمحث بجهد اللوحة وتردد 100 كيلو هرتز.

يتم حساب دورات المحث هذا بشكل مناسب بحيث تصبح الصنابير المختلفة متوافقة مع جهد اللوحة حيث يتم تبديلها بواسطة مراحل محرك خرج IC.

وبالتالي ، تتأكد الإجراءات من أنه بينما تنخفض شدة الشمس والجهد ، فإنها مرتبطة بشكل مناسب بالصنبور ذي الصلة للمحث الذي يحافظ على جهد ثابت تقريبًا عبر جميع الصنابير المعطاة ، وفقًا لتصنيفاتها المحسوبة.

دعنا نفهم الأداء بمساعدة السيناريو التالي:

لنفترض أن الملف قد تم اختياره ليكون متوافقًا مع لوحة شمسية 30 فولت ، لذلك في ذروة أشعة الشمس ، لنفترض أن ترانزستور الطاقة العلوي يتم تشغيله بواسطة IC الذي يعرض الملف بالكامل للتأرجح ، وهذا يسمح بتوفر 30 فولت بالكامل عبر الأطراف المتطرفة للملف.

لنفترض الآن أن ضوء الشمس ينخفض بمقدار 3 فولت ويقلل من خرجه إلى 27 فولت ، يتم استشعار ذلك بسرعة بواسطة IC بحيث يتم الآن إيقاف تشغيل الترانزستور الأول من الأعلى ويتم تشغيل الترانزستور الثاني في التسلسل.

يحدد الإجراء أعلاه الصنبور الثاني (ضغط 27 فولت) للمحث من الأعلى الذي يقوم بتنفيذ صنبور محث مطابق لاستجابة الجهد مع التأكد من أن الملف يتأرجح على النحو الأمثل مع الجهد المنخفض ... بالمثل ، الآن مع انخفاض جهد ضوء الشمس بشكل أكبر في الترانزستورات المعنية 'مصافحة' بصنابير الحث ذات الصلة لضمان مطابقة مثالية وتبديل فعال للمحث ، بما يتوافق مع الفولتية الشمسية المتاحة.

نظرًا للاستجابة المتطابقة أعلاه بين اللوح الشمسي ومحث التبديل باك / التعزيز ... يمكن افتراض أن الفولتية فوق النقاط ذات الصلة تحافظ على جهد ثابت طوال اليوم بغض النظر عن حالة ضوء الشمس ...

“مرشح تمرير منخفض مرتفع ”

على سبيل المثال ، افترض أنه إذا كان المحث مصممًا لإنتاج 30 فولت في أعلى صنبور متبوعًا بـ 27 فولت ، 24 فولت ، 21 فولت ، 18 فولت ، 15 فولت ، 12 فولت ، 9 فولت ، 6 فولت ، 3 فولت ، 0 فولت عبر الصنابير اللاحقة ، فيمكن افتراض أن كل هذه الفولتية ثابت فوق هذه الحنفيات بغض النظر عن مستويات ضوء الشمس.

يرجى أيضًا تذكر أنه يمكن تغيير هذا الجهد وفقًا لمواصفات المستخدم لتحقيق جهد أعلى أو أقل من جهد اللوحة.

يمكن أيضًا تكوين الدائرة المذكورة أعلاه في طبولوجيا flyback كما هو موضح أدناه:

في كل من التكوينات أعلاه ، من المفترض أن يظل الإخراج ثابتًا ومستقرًا من حيث الجهد والقوة الكهربائية بغض النظر عن ناتج الطاقة الشمسية.

باستخدام طريقة تتبع I / V

يضمن مفهوم الدائرة التالي أن مستوى MPPT الخاص باللوحة لا يتأثر بشكل كبير بالحمل.

تتعقب الدائرة مستوى الركبة MPPT للوحة وتتأكد من عدم السماح للحمل باستهلاك أي شيء آخر قد يتسبب في انخفاض مستوى الركبة هذا من اللوحة.

دعنا نتعلم كيف يمكن القيام بذلك باستخدام دائرة تتبع I / V بسيطة أحادية opamp.

يرجى ملاحظة أن التصميمات التي لا تحتوي على محول باك لن تكون قادرة أبدًا على تحسين الجهد الزائد إلى تيار مكافئ للحمل ، وقد تفشل في هذا الصدد ، والتي تعتبر ميزة أساسية لأي تصميم MPPT.

يمكن تصنيع جهاز من نوع MPPT بسيط للغاية ولكنه فعال من خلال استخدام LM338 IC و opamps.

في هذا المفهوم الذي صممته ، تم تكوين المرجع أمبير بطريقة تحافظ على تسجيل بيانات MPP اللحظية للوحة ومقارنتها باستهلاك التحميل الفوري. إذا وجد أن استهلاك الحمل يتجاوز هذه البيانات المخزنة ، فإنه يقطع الحمل ...

مرحلة IC 741 هي قسم تعقب الطاقة الشمسية وتشكل قلب التصميم بأكمله.

يتم تغذية جهد اللوحة الشمسية إلى الدبوس 2 المقلوب من IC ، بينما يتم تطبيق نفس الشيء على الدبوس غير المقلوب 3 مع انخفاض حوالي 2 فولت باستخدام ثلاثة صمامات ثنائية 1N4148 في سلسلة.

يحافظ الوضع أعلاه باستمرار على دبوس 3 من IC ظلًا أقل من pin2 مما يضمن جهدًا صفريًا عبر طرف الإخراج 6 من IC.

ومع ذلك ، في حالة وجود حمل زائد غير فعال ، مثل بطارية غير متطابقة أو بطارية عالية التيار ، يميل جهد اللوحة الشمسية إلى الانزلاق إلى أسفل بسبب الحمل. عندما يحدث هذا ، يبدأ جهد pin2 أيضًا في الانخفاض ، ولكن نظرًا لوجود مكثف 10 فائق التوهج في pin3 ، تظل إمكاناته صلبة ولا تستجيب للانخفاض أعلاه.

يفرض الموقف على الفور أن يكون pin3 أعلى من pin2 ، والذي بدوره يقوم بتبديل ارتفاع pin6 ، ويقوم بتشغيل BJT BC547.

تقوم BC547 الآن على الفور بتعطيل LM338 لقطع الجهد الكهربائي عن البطارية ، وتستمر الدورة في التبديل بوتيرة سريعة اعتمادًا على السرعة المقدرة للدائرة المتكاملة.

تتأكد العمليات المذكورة أعلاه من أن جهد الألواح الشمسية لا ينخفض أبدًا أو يتم سحبه لأسفل بسبب الحمل ، مما يحافظ على حالة تشبه MPPT طوال الوقت.

نظرًا لاستخدام IC LM338 الخطي ، يمكن أن تكون الدائرة مرة أخرى غير فعالة بعض الشيء ... العلاج هو استبدال مرحلة LM338 بمحول باك ... مما يجعل التصميم متعدد الاستخدامات للغاية وقابل للمقارنة مع MPPT حقيقي.

الموضح أدناه هو دائرة MPPT باستخدام طوبولوجيا محول باك ، والآن أصبح التصميم منطقيًا جدًا ويبدو أقرب بكثير إلى MPPT حقيقي