كيفية صنع دائرة محسن للوحة الشمسية

يمكن استخدام دائرة مُحسِّن الطاقة الشمسية المقترحة للحصول على أقصى ناتج ممكن من حيث التيار والجهد من الألواح الشمسية ، استجابةً لظروف ضوء الشمس المتغيرة.

يتم شرح زوجين من دائرة شاحن محسن الألواح الشمسية البسيطة والفعالة في هذا المنشور. يمكن بناء الأول باستخدام زوجين من 555 دائرة متكاملة وبعض المكونات الخطية الأخرى ، أما الخيار الثاني فهو أبسط ويستخدم دوائر متكاملة عادية جدًا مثل LM338 و op amp IC 741. دعنا نتعلم الإجراءات.

هدف الدائرة

كما نعلم جميعًا ، يصبح الحصول على أعلى كفاءة من أي شكل من أشكال مصدر الطاقة أمرًا ممكنًا إذا لم يتضمن الإجراء تحويل جهد إمداد الطاقة ، مما يعني أننا نريد الحصول على المستوى الأدنى المطلوب من الجهد ، والحد الأقصى الحالي للحمل وهو يتم تشغيلها بدون الإخلال بمستوى جهد المصدر ، وبدون توليد حرارة.

باختصار ، يجب أن يسمح مُحسِّن الطاقة الشمسية المعني بإنتاجه بأقصى تيار مطلوب ، وأي مستوى أقل من الجهد المطلوب مع التأكد من بقاء مستوى الجهد عبر اللوحة غير متأثر.

إحدى الطرق التي تمت مناقشتها هنا تتضمن تقنية PWM والتي يمكن اعتبارها إحدى الطرق المثلى حتى الآن.

يجب أن نكون شاكرين لهذا العبقري الصغير المسمى IC 555 والذي يجعل كل المفاهيم الصعبة تبدو سهلة للغاية.

استخدام IC 555 لتحويل PWM

في هذا المفهوم أيضًا ندمج ، ونعتمد بشكل كبير على زوج من IC 555s للتنفيذ المطلوب.

بالنظر إلى مخطط الدائرة المعطى ، نرى أن التصميم بأكمله مقسم أساسًا إلى مرحلتين.

مرحلة منظم الجهد العلوي ومرحلة توليد PWM السفلية.

تتكون المرحلة العليا من mosfet p-channel الذي يتم وضعه كمفتاح ويستجيب لمعلومات PWM المطبقة عند بوابته.

المرحلة الدنيا هي مرحلة توليد PWM. تم تكوين اثنين من 555 ICs للإجراءات المقترحة.

كيف تعمل الدائرة

IC1 مسؤول عن إنتاج الموجات المربعة المطلوبة التي تتم معالجتها بواسطة مولد الموجة المثلثية الحالية التي تشتمل على T1 والمكونات المرتبطة بها.

يتم تطبيق هذه الموجة المثلثة على IC2 للمعالجة في PWMs المطلوبة.

ومع ذلك ، فإن تباعد PWM من IC2 يعتمد على مستوى الجهد عند طرفه رقم 5 ، والمشتق من شبكة مقاومة عبر اللوحة عبر المقاوم 1K والإعداد المسبق 10K.

الجهد بين هذه الشبكة يتناسب طرديًا مع فولتات اللوحة المتغيرة.

خلال ذروة الفولتية ، تصبح PWM أوسع والعكس صحيح.

يتم تطبيق PWMs أعلاه على بوابة mosfet التي توصل وتوفر الجهد المطلوب للبطارية المتصلة.

كما تمت مناقشته سابقًا ، أثناء ذروة أشعة الشمس ، تولد اللوحة مستوى أعلى من الجهد ، والجهد العالي يعني أن IC2 يولد PWM أوسع ، والذي بدوره يحافظ على إيقاف تشغيل mosfe لفترات أطول أو تشغيله لفترات أقصر نسبيًا ، بما يتوافق مع متوسط ​​قيمة الجهد التي قد يكون فقط حوالي 14.4 فولت عبر أطراف البطارية.

عندما تتدهور أشعة الشمس ، تتباعد PWM بشكل متناسب بشكل ضيق مما يسمح لـ mosfet بإجراء المزيد بحيث يميل متوسط ​​التيار والجهد عبر البطارية إلى البقاء في القيم المثلى.

يجب ضبط الضبط المسبق 10K للحصول على حوالي 14.4 فولت عبر أطراف الخرج تحت أشعة الشمس الساطعة.

يمكن مراقبة النتائج تحت ظروف ضوء الشمس المختلفة.

تضمن دائرة مُحسِّن اللوحة الشمسية المقترحة شحنًا مستقرًا للبطارية ، دون التأثير على جهد اللوحة أو تحويله مما يؤدي أيضًا إلى توليد حرارة أقل.

ملاحظة: يجب أن تكون لوحة الارتفاع المتصلة قادرة على توليد جهد أكثر بنسبة 50٪ من البطارية المتصلة في ذروة سطوع الشمس. يجب أن يكون التيار 1/5 من تصنيف AH للبطارية.

كيفية إعداد الدائرة

1. يمكن أن يتم بالطريقة التالية:
2. في البداية ، احتفظ بـ S1 مغلقًا.
3. قم بتعريض اللوحة لأشعة الشمس القصوى ، واضبط الإعداد المسبق للحصول على جهد الشحن الأمثل المطلوب عبر خرج الصمام الثنائي لتصريف mosfet والأرض.
4. تم تعيين كل الدائرة الآن.
5. بمجرد الانتهاء من ذلك ، قم بتشغيل S1 ، سيبدأ شحن البطارية في أفضل وضع محسن ممكن.

إضافة ميزة التحكم الحالية

يُظهر التحقيق الدقيق للدائرة أعلاه أنه بينما يحاول mosfet تعويض مستوى الجهد المنخفض للوحة ، فإنه يسمح للبطارية بسحب مزيد من التيار من اللوحة ، مما يؤثر على جهد اللوحة مما يؤدي إلى حدوث حالة هروب ، وهذا قد تعوق بشكل خطير عملية التحسين

تهتم ميزة التحكم الحالية كما هو موضح في الرسم البياني التالي بهذه المشكلة وتحظر على البطارية سحب تيار زائد يتجاوز الحدود المحددة. وهذا بدوره يساعد في الحفاظ على جهد اللوحة غير متأثر.

يمكن حساب RX وهو المقاوم المحدد الحالي بمساعدة الصيغة التالية:

RX = 0.6 / I ، حيث أنا هو الحد الأدنى المحدد لتيار الشحن للبطارية المتصلة

يمكن بناء نسخة أولية ولكن أبسط من التصميم الموضح أعلاه على النحو الذي اقترحه السيد Dhyaksa باستخدام اكتشاف عتبة pin2 و pin6 لـ IC555 ، ويمكن مشاهدة الرسم البياني بأكمله أدناه:

لا يوجد تحسين بدون محول باك

يعمل التصميم الموضح أعلاه باستخدام مفهوم PWM الأساسي الذي يضبط تلقائيًا PWM لدائرة قائمة على 555 استجابة لشدة الشمس المتغيرة.

على الرغم من أن الناتج من هذه الدائرة ينتج استجابة ذاتية الضبط من أجل الحفاظ على متوسط ​​جهد ثابت عند الخرج ، إلا أن ذروة الجهد لا يتم ضبطها أبدًا مما يجعلها خطيرة بشكل كبير لشحن بطاريات Li-ion أو Lipo type.

علاوة على ذلك ، فإن الدائرة المذكورة أعلاه غير مجهزة لتحويل الجهد الزائد من اللوحة إلى كمية متناسبة من التيار للحمل المقنن للجهد المنخفض المتصل.

إضافة محول باك

حاولت تصحيح هذا الشرط عن طريق إضافة مرحلة محول باك إلى التصميم أعلاه ، ويمكن أن ينتج عنه تحسين يشبه إلى حد بعيد دائرة MPPT.

ومع ذلك ، حتى مع هذه الدائرة المحسّنة ، لم أكن مقتنعًا تمامًا بما إذا كانت الدائرة قادرة حقًا على إنتاج جهد ثابت مع انخفاض مستوى الذروة والتيار المعزز استجابةً لمستويات شدة الشمس المختلفة.

من أجل أن أكون واثقًا تمامًا فيما يتعلق بالمفهوم وللتخلص من جميع الالتباسات ، كان علي إجراء دراسة شاملة بشأن محولات باك والعلاقة المتضمنة بين جهد الإدخال / الإخراج ، والتيار ، ونسب PWM (دورة العمل) ، والتي ألهمت لي لإنشاء المقالات ذات الصلة التالية:

كيف تعمل محولات باك

حساب الجهد ، التيار في محث باك

ساعدت الصيغ الختامية التي تم الحصول عليها من المادتين السابقتين على توضيح كل الشكوك ، وأخيراً يمكنني أن أكون واثقًا تمامًا من دارة محسن الطاقة الشمسية المقترحة سابقًا باستخدام دائرة محول باك.

تحليل حالة دورة عمل PWM للتصميم

يمكن رؤية الصيغة الأساسية التي جعلت الأمور واضحة بشكل واضح أدناه:

صوت = DVin

هنا V (in) هو جهد الدخل الذي يأتي من اللوحة ، Vout هو جهد الخرج المطلوب من محول باك و D هي دورة العمل.

يتضح من المعادلة أنه يمكن تصميم Vout ببساطة عن طريق 'إما' التحكم في دورة عمل محول باك أو Vin .... أو بعبارة أخرى ، تكون معلمات Vin ودورة العمل متناسبة بشكل مباشر وتؤثر على بعضها البعض القيم خطيًا.

في الواقع ، تكون الشروط خطية للغاية مما يجعل أبعاد دائرة محسن الطاقة الشمسية أسهل بكثير باستخدام دائرة محول باك.

هذا يعني أنه عندما يكون Vin أعلى بكثير (@ ذروة سطوع الشمس) من مواصفات التحميل ، يمكن لمعالج IC 555 أن يجعل PWMs أضيق نسبيًا (أو أوسع لجهاز P) ويؤثر على Vout للبقاء في المستوى المطلوب ، وعلى العكس من ذلك تتضاءل الشمس ، يمكن للمعالج توسيع (أو تضييق PWMs) مرة أخرى لضمان الحفاظ على جهد الخرج عند المستوى الثابت المحدد.

تقييم تنفيذ PWM من خلال مثال عملي

يمكننا إثبات ما سبق من خلال حل الصيغة المعطاة:

لنفترض أن جهد لوحة الذروة V (in) هو 24V

ويتكون PWM من 0.5 ثانية وقت تشغيل و 0.5 ثانية وقت إيقاف

دورة التشغيل = تشغيل الترانزستور / تشغيل النبض + وقت الإيقاف = T (تشغيل) / 0.5 + 0.5 ثانية

دورة العمل = T (on) / 1

لذلك استبدال ما سبق في الصيغة التالية نحصل عليها ،

V (خارج) = V (في) × T (على)

14 = 24 × T (تشغيل)

حيث 14 هو جهد الخرج المطلوب المفترض ،

لذا،

T (on) = 14/24 = 0.58 ثانية

هذا يعطينا وقت تشغيل الترانزستور الذي يجب ضبطه للدائرة أثناء ذروة أشعة الشمس لإنتاج 14 فولت المطلوب عند الخرج.

كيف تعمل

بمجرد تعيين ما سبق ، يمكن ترك الباقي لـ IC 555 لمعالجة فترات T (on) للضبط الذاتي المتوقعة استجابةً لأشعة الشمس المتناقصة.

الآن مع تضاؤل ​​أشعة الشمس ، سيتم زيادة وقت التشغيل أعلاه (أو إنقاصه بالنسبة لجهاز P) بشكل متناسب بواسطة الدائرة بطريقة خطية لضمان 14 فولت ثابت ، حتى ينخفض ​​جهد اللوحة إلى 14 فولت ، عندما يمكن للدائرة فقط اغلاق الاجراءات.

يمكن أيضًا افتراض أن المعلمة الحالية (amp) هي ضبط ذاتي ، والتي تحاول دائمًا تحقيق ثابت المنتج (VxI) خلال عملية التحسين. هذا لأنه من المفترض دائمًا أن يقوم محول باك بتحويل مدخلات الجهد العالي إلى مستوى تيار متزايد نسبيًا عند الإخراج.

إذا كنت لا تزال مهتمًا بأن يتم تأكيدك تمامًا فيما يتعلق بالنتائج ، فيمكنك الرجوع إلى المقالة التالية للحصول على الصيغ ذات الصلة:

حساب الجهد ، التيار في محث باك

لنرى الآن كيف تبدو الدائرة النهائية التي صممتها ، من المعلومات التالية:

كما ترون في الرسم البياني أعلاه ، فإن الرسم التخطيطي الأساسي مطابق لدائرة الشاحن الشمسي ذاتي التحسين السابق ، باستثناء تضمين IC4 الذي تم تكوينه باعتباره تابعًا للجهد واستبداله بدلاً من مرحلة تابع باعث BC547. يتم ذلك من أجل توفير استجابة أفضل لدبوس التحكم IC2 pin رقم 5 من اللوحة.

تلخيص الوظائف الأساسية لمحسن الطاقة الشمسية

يمكن مراجعة الأداء على النحو الوارد أدناه: يولد IC1 تردد موجة مربعة عند حوالي 10 كيلو هرتز يمكن زيادته إلى 20 كيلو هرتز عن طريق تغيير قيمة C1.

يتم تغذية هذا التردد إلى pin2 من IC2 لتصنيع موجات مثلثية سريعة التبديل عند الطرف رقم 7 بمساعدة T1 / C3.

يتم ضبط جهد اللوحة بشكل مناسب بواسطة P2 ويتم تغذيته إلى مرحلة تابع جهد IC4 لتغذية الدبوس رقم 5 في IC2.

تتم مقارنة هذه الإمكانية عند الطرف رقم 5 من IC2 من اللوحة بواسطة موجات المثلث السريع بالدبوس رقم 7 لإنشاء بيانات PWM ذات الأبعاد المقابلة في الطرف رقم 3 من IC2.

في ذروة سطوع الشمس ، يتم تعديل P2 بشكل مناسب بحيث يولد IC2 أوسع نطاق ممكن من PWM وعندما يبدأ سطوع الشمس في التقلص ، يصبح PWM أضيق نسبيًا.

يتم تغذية التأثير أعلاه إلى قاعدة PNP BJT لعكس الاستجابة عبر مرحلة محول باك المرفق.

يشير إلى أنه ، في ذروة شروق الشمس ، تجبر PWMs الأوسع جهاز PNP على إجراء فترة زمنية محدودة (فترة زمنية قصيرة (تشغيل)) ، مما يتسبب في وصول أشكال موجية أضيق إلى محث باك ... ولكن نظرًا لارتفاع جهد اللوحة ، فإن مستوى جهد الدخل {V (in)} الوصول إلى محث باك يساوي مستوى جهد اللوحة.

وبالتالي في هذه الحالة ، يكون محول باك بمساعدة T (on) المحسوب بشكل صحيح و V (in) قادرًا على إنتاج جهد الخرج الصحيح المطلوب للحمل ، والذي يمكن أن يكون أقل بكثير من جهد اللوحة ، ولكن عند مستوى التيار المعزز نسبيًا (أمبير).

الآن مع انخفاض سطوع الشمس ، أصبحت PWM أيضًا أضيق ، مما يسمح لـ PNP T (on) بالزيادة بشكل متناسب ، والذي بدوره يساعد محث باك على التعويض عن أشعة الشمس المتضائلة عن طريق رفع جهد الخرج بشكل متناسب ... التيار (أمبير) ) يتم الآن تقليل العامل بشكل متناسب في سياق الإجراء ، مع التأكد من الحفاظ على تناسق الإخراج تمامًا بواسطة محول باك.

تشكل T2 مع المكونات المرتبطة بها مرحلة الحد الحالي أو مرحلة مكبر الخطأ. إنه يتأكد من عدم السماح للحمل الناتج أبدًا باستهلاك أي شيء أعلى من المواصفات المصنفة للتصميم ، بحيث لا يهتز النظام أبدًا ولا يُسمح أبدًا لأداء الألواح الشمسية بالتحويل من منطقة الكفاءة العالية الخاصة به.

يتم عرض C5 كمكثف 100 فائق التوهج ، ولكن للحصول على نتيجة محسنة ، يمكن زيادتها إلى قيمة 2200 فائق التوهج ، لأن القيم الأعلى ستضمن تحكمًا أفضل في تموج التيار وجهد أكثر سلاسة للحمل.

P1 مخصص لضبط / تصحيح جهد الإزاحة لإخراج opamp ، بحيث يكون الدبوس رقم 5 قادرًا على تلقي صفر فولت مثالي في حالة عدم وجود جهد لوحة شمسية أو عندما يكون جهد اللوحة الشمسية أقل من مواصفات جهد الحمل.

يمكن تحديد مواصفات L1 تقريبًا بمساعدة المعلومات الواردة في المقالة التالية:

كيفية حساب المحاثات في دوائر SMPS

محسن الطاقة الشمسية باستخدام Op Amps

يمكن إنشاء دائرة أخرى لمحسن الطاقة الشمسية بسيطة للغاية وفعالة من خلال استخدام LM338 IC وعدد قليل من opamps.

دعنا نفهم الدائرة المقترحة (مُحسِّن الطاقة الشمسية) بمساعدة النقاط التالية: يوضح الشكل دائرة منظم الجهد LM338 التي لها ميزة التحكم الحالية أيضًا في شكل الترانزستور BC547 المتصل عبر الضبط والدبوس الأرضي للدائرة المتكاملة.

Opamps تستخدم كمقارنات

تم تكوين opamps اثنين كمقارنات. في الواقع ، يمكن دمج العديد من هذه المراحل لتعزيز التأثيرات.

في التصميم الحالي ، يتم ضبط الإعداد المسبق للطرف رقم 3 الخاص بـ A1 بحيث يرتفع ناتج A1 عندما تكون شدة سطوع الشمس فوق اللوحة أقل بنسبة 20٪ تقريبًا من قيمة الذروة.

وبالمثل ، يتم ضبط المرحلة A2 بحيث يرتفع ناتجها عندما تكون أشعة الشمس أقل بحوالي 50٪ من قيمة الذروة.

عندما يرتفع خرج A1 ، يقوم RL # 1 بتشغيل توصيل R2 بما يتماشى مع الدائرة ، ويفصل R1.

مبدئيًا عند ذروة سطوع الشمس ، يسمح R1 الذي يتم تحديد قيمته أقل بكثير ، بأقصى تيار للوصول إلى البطارية.

مخطط الرسم البياني

عندما تسقط أشعة الشمس ، ينخفض ​​جهد اللوحة أيضًا ، والآن لا يمكننا تحمل تيار ثقيل من اللوحة لأن ذلك سيؤدي إلى خفض الجهد إلى أقل من 12 فولت مما قد يوقف عملية الشحن تمامًا.

تغيير التتابع للتحسين الحالي

لذلك كما هو موضح أعلاه ، يدخل A1 حيز التنفيذ ويفصل R1 ويوصل R2. يتم تحديد R2 بقيمة أعلى ويسمح فقط بكمية محدودة من التيار للبطارية بحيث لا ينهار الجهد الشمسي إلى أقل من 15 فولتًا ، وهو مستوى مطلوب بشكل أساسي عند إدخال LM338.

عندما تنخفض أشعة الشمس إلى ما دون عتبة المجموعة الثانية ، يقوم A2 بتنشيط RL # 2 والذي بدوره يقوم بتبديل R3 لجعل التيار إلى البطارية أقل مع التأكد من أن الجهد عند دخل LM338 لا ينخفض ​​أبدًا عن 15 فولت ، ومع ذلك فإن معدل الشحن إلى يتم دائمًا الحفاظ على البطارية لأقرب المستويات المثلى.

إذا تمت زيادة مراحل opamp مع عدد أكبر من المرحلات وإجراءات التحكم الحالية اللاحقة ، يمكن تحسين الوحدة بكفاءة أفضل.

يقوم الإجراء أعلاه بشحن البطارية بسرعة بتيار عالٍ أثناء ذروة شروق الشمس ويخفض التيار مع انخفاض شدة الشمس فوق اللوحة ، وبالتالي يزود البطارية بالتيار المقنن الصحيح بحيث يتم شحن البطارية بالكامل في نهاية اليوم.

ماذا يحدث للبطارية التي لا يجوز تفريغها؟

لنفترض أنه في حالة عدم تفريغ البطارية بالشكل الأمثل من أجل متابعة العملية المذكورة أعلاه في صباح اليوم التالي ، فقد يكون الموقف قاتلًا للبطارية ، لأن التيار العالي الأولي قد يكون له تأثير سلبي على البطارية لأنه لم يتم تفريغها بعد إلى المحدد التقييمات.

للتحقق من المشكلة المذكورة أعلاه ، تم تقديم بضع opamps ، A3 ، A4 ، والتي تراقب مستوى الجهد للبطارية وتبدأ نفس الإجراءات كما فعلت من قبل A1 ، A2 ، بحيث يتم تحسين التيار إلى البطارية فيما يتعلق الجهد أو مستوى الشحن الموجود مع البطارية خلال تلك الفترة الزمنية.