MPPT ย่อมาจากตัวติดตามจุดจ่ายไฟสูงสุดซึ่งเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งออกพลังงานที่แตกต่างกันจากโมดูลแผงโซลาร์เซลล์เพื่อให้แบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อใช้ประโยชน์จากพลังงานสูงสุดที่มีอยู่จากแผงโซลาร์เซลล์

บทนำ

หมายเหตุ: วงจร MPPT ที่กล่าวถึงในโพสต์นี้ไม่ได้ใช้วิธีการควบคุมแบบเดิม ๆ เช่น 'Perturb and notice', 'Incremental conductance,' Current Sweep ',' Constant voltage '...... etc etc ... ตั้งสมาธิและลองใช้สิ่งพื้นฐานสองสามอย่าง:

เพื่อให้แน่ใจว่าอินพุต 'วัตต์' จากแผงโซลาร์เซลล์จะเท่ากับเอาต์พุต 'วัตต์' ที่ถึงโหลดเสมอ
'แรงดันไฟฟ้าที่หัวเข่า' จะไม่ถูกรบกวนจากโหลดและโซน MPPT ของแผงควบคุมจะได้รับการดูแลอย่างมีประสิทธิภาพ

แรงดันเข่าและกระแสของแผง:

พูดง่ายๆคือแรงดันไฟฟ้าที่หัวเข่าคือ 'แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด' ระดับของแผงขณะที่กระแสเข่าคือ 'กระแสไฟฟ้าลัดวงจร' การวัดแผงในทันทีที่กำหนด

หากสองอย่างข้างต้นได้รับการบำรุงรักษาเท่าที่จะเป็นไปได้โหลดอาจถูกสมมติว่าได้รับกำลัง MPPT ตลอดการทำงาน

ก่อนที่เราจะเจาะลึกการออกแบบที่เสนอก่อนอื่นเรามาทำความคุ้นเคยกับข้อเท็จจริงพื้นฐานบางประการเกี่ยวกับ การชาร์จแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์

“พินแสดงผลเจ็ดส่วน ”

เราทราบดีว่าเอาต์พุตจากแผงโซลาร์เซลล์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับของแสงแดดที่ตกกระทบและอุณหภูมิโดยรอบด้วย เมื่อรังสีดวงอาทิตย์ตั้งฉากกับแผงโซลาร์เซลล์จะสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงสุดและจะเสื่อมสภาพลงเมื่อมุมเปลี่ยนไปจาก 90 องศาอุณหภูมิบรรยากาศรอบแผงยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของแผงซึ่งจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น .

ดังนั้นเราอาจสรุปได้ว่าเมื่อรังสีดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ 90 องศาเหนือแผงควบคุมและเมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 30 องศาประสิทธิภาพของแผงควบคุมจะอยู่ในระดับสูงสุดอัตราจะลดลงเมื่อพารามิเตอร์สองตัวข้างต้นลอยออกไปจากค่าที่กำหนด

โดยทั่วไปแรงดันไฟฟ้าข้างต้นจะใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่ a แบตเตอรี่กรดตะกั่ว ซึ่งจะใช้สำหรับการทำงานของอินเวอร์เตอร์ อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับ แผงเซลล์แสงอาทิตย์มีเกณฑ์การทำงานของตัวเอง แบตเตอรี่ก็ไม่น้อยและมีเงื่อนไขที่เข้มงวดในการชาร์จไฟให้เหมาะสมที่สุด

เงื่อนไขคือต้องชาร์จแบตเตอรี่ที่กระแสไฟค่อนข้างสูงในตอนแรกซึ่งจะต้องค่อยๆลดลงจนเกือบเป็นศูนย์เมื่อแบตเตอรี่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าระดับปกติ 15%

สมมติว่าแบตเตอรี่ 12V ที่คายประจุจนเต็มโดยมีแรงดันไฟฟ้าที่ใดก็ได้ประมาณ 11.5V อาจถูกชาร์จที่อัตรา C / 2 ในตอนแรก (C = AH ของแบตเตอรี่) สิ่งนี้จะเริ่มเติมแบตเตอรี่ค่อนข้างเร็วและจะดึงแรงดันไฟฟ้าให้เป็น ประมาณ 13V ภายในสองสามชั่วโมง

ณ จุดนี้กระแสไฟฟ้าควรจะลดลงโดยอัตโนมัติเพื่อบอกว่าอัตรา C / 5 ซึ่งจะช่วยรักษาความเร็วในการชาร์จอย่างรวดเร็วอีกครั้งโดยไม่ทำให้แบตเตอรี่เสียหายและเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นประมาณ 13.5V ภายใน 1 ชั่วโมงถัดไป

ทำตามขั้นตอนข้างต้นตอนนี้กระแสอาจลดลงอีกเป็นอัตรา C / 10 ซึ่งทำให้แน่ใจว่าอัตราการชาร์จและความเร็วไม่ช้าลง

ในที่สุดเมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ถึงประมาณ 14.3V กระบวนการนี้อาจลดลงเป็นอัตรา C / 50 ซึ่งเกือบจะหยุดกระบวนการชาร์จ แต่จะ จำกัด การชาร์จไม่ให้ลดลงสู่ระดับที่ต่ำกว่า

กระบวนการทั้งหมดจะชาร์จแบตเตอรี่ที่ปล่อยออกมาอย่างล้ำลึก ภายในช่วง 6 ชั่วโมง โดยไม่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่

MPPT ถูกนำมาใช้อย่างแน่นอนเพื่อให้แน่ใจว่าขั้นตอนข้างต้นถูกดึงออกมาอย่างเหมาะสมที่สุดจากแผงโซลาร์เซลล์โดยเฉพาะ

แผงโซลาร์เซลล์อาจไม่สามารถให้กระแสไฟสูงได้ แต่สามารถให้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้

เคล็ดลับคือการแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเป็นระดับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นผ่านการปรับเอาต์พุตแผงโซลาร์เซลล์ให้เหมาะสม

ตอนนี้เนื่องจากการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นไปเป็นกระแสที่สูงขึ้นและในทางกลับกันสามารถใช้งานได้ผ่านตัวแปลงบูสต์บูสต์เท่านั้นวิธีการใหม่ (แม้ว่าจะใหญ่ไปหน่อย) คือการใช้วงจรตัวเหนี่ยวนำตัวแปรซึ่งตัวเหนี่ยวนำจะมีก๊อกสลับได้หลายแบบ ก๊อกอาจถูกสลับโดยวงจรสวิตชิ่งเพื่อตอบสนองต่อแสงแดดที่แตกต่างกันเพื่อให้เอาต์พุตไปยังโหลดคงที่เสมอโดยไม่คำนึงถึงแสงแดด

แนวคิดนี้สามารถเข้าใจได้โดยอ้างถึงแผนภาพต่อไปนี้:

แผนภูมิวงจรรวม

ใช้ LM3915 เป็น IC ตัวประมวลผลหลัก

โปรเซสเซอร์หลักในแผนภาพด้านบนคือ ไอซี LM3915 ซึ่งจะสลับขาเอาต์พุตตามลำดับจากด้านบนลงด้านล่างเพื่อตอบสนองต่อแสงดวงอาทิตย์ที่ลดลง

เอาต์พุตเหล่านี้สามารถมองเห็นได้โดยกำหนดค่าด้วยทรานซิสเตอร์แบบสวิตชิ่งซึ่งจะเชื่อมต่อกับก๊อกต่างๆของขดลวดเหนี่ยวนำแบบเฟอร์ไรต์เดี่ยวยาว

สามารถมองเห็นปลายด้านล่างสุดของตัวเหนี่ยวนำที่เชื่อมต่อกับทรานซิสเตอร์กำลัง NPN ซึ่งเปลี่ยนที่ความถี่ประมาณ 100kHz จากวงจรออสซิลเลเตอร์ที่กำหนดค่าไว้ภายนอก

ทรานซิสเตอร์กำลังที่เชื่อมต่อกับเอาต์พุตของสวิตช์ IC เพื่อตอบสนองต่อเอาต์พุต IC ลำดับโดยเชื่อมต่อก๊อกที่เหมาะสมของตัวเหนี่ยวนำด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แผงและความถี่ 100kHz

การหมุนของตัวเหนี่ยวนำนี้ได้รับการคำนวณอย่างเหมาะสมเพื่อให้ก๊อกต่างๆเข้ากันได้กับแรงดันไฟฟ้าของแผงเนื่องจากสวิตช์เหล่านี้ถูกสลับโดยขั้นตอนไดรเวอร์เอาต์พุต IC

ดังนั้นการดำเนินการตรวจสอบให้แน่ใจว่าในขณะที่ความเข้มของดวงอาทิตย์และแรงดันไฟฟ้าลดลงจะเชื่อมโยงอย่างเหมาะสมกับก๊อกที่เกี่ยวข้องของตัวเหนี่ยวนำที่รักษาแรงดันไฟฟ้าคงที่เกือบตลอดทั้งก๊อกที่กำหนดตามการจัดอันดับที่คำนวณได้

มาทำความเข้าใจการทำงานด้วยความช่วยเหลือของสถานการณ์ต่อไปนี้:

สมมติว่าขดลวดถูกเลือกให้เข้ากันได้กับแผงโซลาร์เซลล์ 30V ดังนั้นเมื่อมีแสงแดดจัดที่สุดสมมติว่าทรานซิสเตอร์กำลังส่วนใหญ่บนถูกเปิดโดย IC ซึ่งทำให้ขดลวดทั้งหมดสั่นซึ่งจะช่วยให้ 30V ทั้งหมดพร้อมใช้งานทั่วทั้ง ปลายสุดของขดลวด

ตอนนี้สมมติว่าแสงแดดลดลง 3V และลดเอาต์พุตเป็น 27V สิ่งนี้ถูกตรวจจับได้อย่างรวดเร็วโดย IC ดังนั้นทรานซิสเตอร์ตัวแรกจากด้านบนจะปิดสวิตช์และทรานซิสเตอร์ตัวที่สองในลำดับจะเปิด

การดำเนินการข้างต้นจะเลือกการแตะครั้งที่สอง (การแตะ 27V) ของตัวเหนี่ยวนำจากด้านบนที่ดำเนินการแตะตัวเหนี่ยวนำที่ตรงกันไปจนถึงการตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่าขดลวดสั่นอย่างเหมาะสมที่สุดด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง ... 'จับมือ' ด้วยก๊อกตัวเหนี่ยวนำที่เกี่ยวข้องเพื่อให้แน่ใจว่าการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบและการสลับตัวเหนี่ยวนำอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งสอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ที่มีอยู่

เนื่องจากการตอบสนองที่ตรงกันข้างต้นระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และตัวเหนี่ยวนำสวิตชิ่งบั๊ก / บูสต์ ... แรงดันไฟฟ้าของก๊อกน้ำเหนือจุดที่เกี่ยวข้องสามารถสันนิษฐานได้ว่ารักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ตลอดทั้งวันโดยไม่คำนึงถึงสถานการณ์แสงแดด ....

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าตัวเหนี่ยวนำได้รับการออกแบบให้ผลิต 30V ที่ก๊อกด้านบนสุดตามด้วย 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V ในก๊อกถัดไปแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ทั้งหมดอาจถือว่าเป็น คงที่เหนือก๊อกเหล่านี้โดยไม่คำนึงถึงระดับแสงแดด

นอกจากนี้โปรดจำไว้ว่าแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามข้อกำหนดของผู้ใช้เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าของแผงควบคุม

วงจรข้างต้นยังสามารถกำหนดค่าได้ใน topoogy ของ flyback ดังที่แสดงด้านล่าง:

“ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรง 90 โวลต์ ”

ในการกำหนดค่าทั้งสองแบบข้างต้นเอาต์พุตควรจะคงที่และคงที่ในแง่ของแรงดันไฟฟ้าและกำลังวัตต์โดยไม่คำนึงถึงเอาต์พุตแสงอาทิตย์

ใช้วิธีการติดตาม I / V

แนวคิดวงจรต่อไปนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าระดับ MPPT ของแผงจะไม่ถูกรบกวนอย่างมากจากโหลด

วงจรจะติดตามระดับ 'หัวเข่า' ของ MPPT ของแผงควบคุมและตรวจสอบให้แน่ใจว่าโหลดไม่ได้รับอนุญาตให้กินอะไรมากไปกว่านี้ซึ่งอาจทำให้ระดับหัวเข่าของแผงลดลง

มาเรียนรู้กันว่าสามารถทำได้อย่างไรโดยใช้วงจรติดตาม I / V ของ opamp เพียงตัวเดียว

โปรดทราบว่าการออกแบบที่ไม่มีตัวแปลงบั๊กจะไม่สามารถปรับแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินให้เป็นกระแสเทียบเท่าสำหรับโหลดได้และอาจล้มเหลวในเรื่องนี้ซึ่งถือเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของการออกแบบ MPPT ใด ๆ

อุปกรณ์ประเภท MPPT ที่เรียบง่าย แต่มีประสิทธิภาพสามารถสร้างได้โดยใช้ LM338 IC และ opamps

ในแนวคิดนี้ซึ่งออกแบบโดยฉันแอมป์ op ได้รับการกำหนดค่าในลักษณะที่จะบันทึกข้อมูล MPP ทันทีของแผงควบคุมและเปรียบเทียบกับปริมาณการใช้โหลดทันที หากพบว่าการใช้งานโหลดเกินข้อมูลที่จัดเก็บไว้นี้จะตัดการโหลด ...

ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าที่หัวเข่า MPPT อย่างง่ายและปรับตัวเองได้

IC 741 stage เป็นส่วนติดตามแสงอาทิตย์และเป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบทั้งหมด

แรงดันไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์จะถูกป้อนให้กับขากลับด้าน 2 ของ IC ในขณะเดียวกันจะใช้กับพิน 3 ที่ไม่กลับด้านด้วยการลดลงประมาณ 2 V โดยใช้ไดโอด 1N4148 สามตัวในอนุกรม

สถานการณ์ข้างต้นทำให้พิน 3 ของ IC มีเฉดสีต่ำกว่าพิน 2 อย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ตลอดพินเอาต์พุต 6 ของ IC

อย่างไรก็ตามในกรณีที่มีการโอเวอร์โหลดที่ไม่มีประสิทธิภาพเช่นแบตเตอรี่ที่ไม่ตรงกันหรือแบตเตอรี่กระแสสูงแรงดันไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์มีแนวโน้มที่จะถูกดึงลงโดยโหลด เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นแรงดันไฟฟ้าขา 2 ก็เริ่มลดลงเช่นกันอย่างไรก็ตามเนื่องจากมีตัวเก็บประจุ 10uF ที่ขา 3 ศักยภาพของมันยังคงแข็งและไม่ตอบสนองต่อการลดลงข้างต้น

สถานการณ์บังคับให้พิน 3 สูงกว่าพิน 2 ทันทีซึ่งจะสลับพิน 6 สูงโดยเปิด BJT BC547

BC547 จะปิดการใช้งาน LM338 ในทันทีโดยตัดแรงดันไฟฟ้าไปยังแบตเตอรี่วงจรจะเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็วขึ้นอยู่กับความเร็วที่กำหนดของ IC

การดำเนินการข้างต้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าของแผงโซลาร์เซลล์จะไม่ลดลงหรือถูกดึงลงโดยโหลดโดยคงสภาพเหมือน MPPT ไว้ตลอด

เนื่องจากมีการใช้ Linear IC LM338 วงจรจึงอาจไม่มีประสิทธิภาพอีกครั้ง .... วิธีแก้ไขคือเปลี่ยนเวที LM338 ด้วยตัวแปลงบั๊ก ... ซึ่งจะทำให้การออกแบบมีความหลากหลายมากและเทียบได้กับ MPPT จริง

ด้านล่างนี้เป็นวงจร MPPT โดยใช้โทโพโลยีตัวแปลงบั๊กตอนนี้การออกแบบมีความสมเหตุสมผลและดูใกล้เคียงกับ MPPT ที่แท้จริงมากขึ้น