MPPT là viết tắt của bộ theo dõi điểm công suất tối đa, là một hệ thống điện tử được thiết kế để tối ưu hóa công suất đầu ra khác nhau từ mô-đun bảng điều khiển năng lượng mặt trời sao cho pin được kết nối khai thác công suất tối đa có sẵn từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Giới thiệu

LƯU Ý: Các mạch MPPT được thảo luận trong bài đăng này không sử dụng các phương pháp điều khiển thông thường như 'Perturb và quan sát', 'Độ dẫn tăng dần,' Dòng quét ',' Điện áp không đổi '...... v.v ... Thay vì ở đây chúng tôi tập trung và thử thực hiện một số điều cơ bản:

Để đảm bảo rằng 'công suất' đầu vào từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời luôn bằng 'công suất' đầu ra khi tải.
'Điện áp đầu gối' không bao giờ bị ảnh hưởng bởi tải và vùng MPPT của bảng điều khiển được duy trì hiệu quả.

Điện áp đầu gối và dòng điện của bảng điều khiển là gì:

Nói một cách đơn giản, điện áp đầu gối là 'điện áp mạch hở' mức của bảng điều khiển, trong khi dòng điện đầu gối là 'Dòng điện ngắn mạch' thước đo của bảng điều khiển tại bất kỳ thời điểm nào.

Nếu cả hai điều trên được duy trì ở mức có thể, tải có thể được coi là nhận được nguồn MPPT trong suốt hoạt động của nó.

Trước khi chúng ta đi sâu vào các thiết kế được đề xuất, trước tiên chúng ta hãy làm quen với một số thông tin cơ bản về sạc pin năng lượng mặt trời

Chúng ta biết rằng sản lượng từ bảng điều khiển năng lượng mặt trời tỷ lệ thuận với mức độ của ánh sáng mặt trời tới và nhiệt độ môi trường xung quanh. Khi các tia nắng chiếu vuông góc với bảng điều khiển năng lượng mặt trời, nó tạo ra lượng điện áp tối đa và suy giảm khi góc dịch chuyển ra xa 90 độ Nhiệt độ khí quyển xung quanh bảng điều khiển cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của bảng điều khiển, giảm khi nhiệt độ tăng .

Do đó, chúng tôi có thể kết luận rằng khi tia nắng mặt trời ở gần 90 độ trên bảng điều khiển và khi nhiệt độ khoảng 30 độ, hiệu suất của bảng điều khiển đạt mức tối đa, tỷ lệ giảm khi hai thông số trên lệch khỏi giá trị định mức của chúng.

Điện áp trên thường được sử dụng để sạc pin, ắc quy , do đó được sử dụng để vận hành một biến tần. Tuy nhiên cũng như bảng điều khiển năng lượng mặt trời có tiêu chí hoạt động riêng , pin cũng không kém và cung cấp một số điều kiện nghiêm ngặt để được sạc tối ưu.

Các điều kiện là, ban đầu pin phải được sạc ở dòng điện tương đối cao hơn, dòng điện này phải được giảm dần về gần bằng không khi pin đạt được điện áp cao hơn 15% so với định mức bình thường của nó.

Giả sử một pin 12V đã xả hoàn toàn, với điện áp ở bất kỳ đâu khoảng 11,5V, có thể được sạc ở tốc độ khoảng C / 2 lúc đầu (C = AH của pin), điều này sẽ bắt đầu làm đầy pin tương đối nhanh và sẽ kéo điện áp của nó có thể khoảng 13V trong vòng vài giờ.

Tại thời điểm này, dòng điện sẽ tự động giảm xuống ở mức C / 5, điều này một lần nữa sẽ giúp giữ tốc độ sạc nhanh mà không làm hỏng pin và tăng điện áp của nó lên khoảng 13,5V trong vòng 1 giờ tới.

Làm theo các bước trên, bây giờ dòng điện có thể được giảm thêm xuống tốc độ C / 10 để đảm bảo tốc độ sạc và tốc độ không bị chậm lại.

Cuối cùng khi điện áp của pin đạt khoảng 14,3V, quá trình có thể giảm xuống tỷ lệ C / 50, điều này gần như dừng quá trình sạc nhưng hạn chế việc sạc giảm xuống mức thấp hơn.

Toàn bộ quá trình sạc pin đã xả sâu trong khoảng thời gian 6 giờ mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin.

MPPT được sử dụng chính xác để đảm bảo rằng quy trình trên được trích xuất một cách tối ưu từ một tấm pin mặt trời cụ thể.

Một tấm pin mặt trời có thể không thể cung cấp đầu ra dòng điện cao nhưng nó chắc chắn có thể cung cấp điện áp cao hơn.

Bí quyết là chuyển đổi mức điện áp cao hơn sang mức dòng điện cao hơn thông qua việc tối ưu hóa phù hợp đầu ra của bảng điều khiển năng lượng mặt trời.

Bây giờ vì việc chuyển đổi điện áp cao hơn sang dòng điện cao hơn và ngược lại chỉ có thể được thực hiện thông qua bộ chuyển đổi tăng cường buck, một phương pháp cải tiến (mặc dù hơi cồng kềnh) sẽ là sử dụng một mạch điện dẫn biến đổi trong đó cuộn cảm sẽ có nhiều vòi có thể chuyển đổi, những Các vòi có thể được bật tắt bởi một mạch chuyển đổi để phản ứng với ánh sáng mặt trời thay đổi để đầu ra cho tải luôn không đổi bất kể ánh nắng mặt trời.

Có thể hiểu khái niệm này bằng cách tham khảo sơ đồ sau:

Sơ đồ mạch

Sử dụng LM3915 làm IC xử lý chính

Bộ xử lý chính trong sơ đồ trên là IC LM3915 chuyển đổi sơ đồ chân đầu ra của nó tuần tự từ trên xuống dưới để phản ứng với ánh sáng mặt trời giảm dần

Các đầu ra này có thể được cấu hình với các bóng bán dẫn công suất chuyển đổi lần lượt được kết nối với các vòi khác nhau của một cuộn dây dẫn dài đơn ferrite.

Đầu cuối thấp nhất của cuộn cảm có thể được gắn với một bóng bán dẫn công suất NPN được chuyển đổi ở tần số khoảng 100kHz từ một mạch dao động được cấu hình bên ngoài.

Các bóng bán dẫn nguồn được kết nối với các đầu ra của công tắc IC để đáp ứng với các đầu ra IC tuần tự, kết nối các vòi thích hợp của cuộn cảm với điện áp bảng và tần số 100kHz.

Các lượt cuộn cảm này được tính toán một cách thích hợp sao cho các vòi khác nhau của nó trở nên tương thích với điện áp bảng điều khiển khi chúng được chuyển đổi bởi các giai đoạn trình điều khiển đầu ra IC.

Do đó, các quy trình đảm bảo rằng trong khi cường độ mặt trời và điện áp giảm xuống, nó được liên kết thích hợp với vòi liên quan của cuộn cảm duy trì điện áp gần như không đổi trên tất cả các vòi đã cho, theo xếp hạng được tính toán của chúng.

Hãy hiểu hoạt động với sự trợ giúp của tình huống sau:

Giả sử cuộn dây được chọn để tương thích với bảng điều khiển năng lượng mặt trời 30V, do đó vào thời điểm nắng cao điểm, hãy giả sử rằng bóng bán dẫn công suất cao nhất được BẬT bởi IC làm cho toàn bộ cuộn dây dao động, điều này cho phép toàn bộ 30V có sẵn trên các cực của cuộn dây.

Bây giờ, giả sử ánh sáng mặt trời giảm 3V và giảm đầu ra của nó xuống 27V, điều này nhanh chóng được cảm nhận bởi vi mạch sao cho bóng bán dẫn đầu tiên từ trên xuống bây giờ chuyển sang TẮT và bóng bán dẫn thứ hai trong chuỗi chuyển sang BẬT.

Hành động trên chọn vòi thứ hai (vòi 27V) của cuộn cảm từ trên cùng thực hiện một vòi cuộn cảm phù hợp để đáp ứng điện áp đảm bảo rằng cuộn dây dao động tối ưu với điện áp giảm ... tương tự, bây giờ khi điện áp ánh sáng mặt trời giảm hơn nữa các bóng bán dẫn tương ứng 'bắt tay' với các vòi cuộn cảm liên quan để đảm bảo sự khớp hoàn hảo và chuyển mạch hiệu quả của cuộn cảm, tương ứng với điện áp mặt trời có sẵn.

Do phản ứng phù hợp ở trên giữa bảng điều khiển năng lượng mặt trời và cuộn cảm tăng cường / chuyển mạch ... điện áp của vòi trên các điểm liên quan có thể được giả định để duy trì điện áp không đổi trong suốt cả ngày bất kể tình hình ánh sáng mặt trời ....

Ví dụ: giả sử nếu cuộn cảm được thiết kế để tạo ra 30V ở vòi trên cùng, tiếp theo là 27V, 24V, 21V, 18V, 15V, 12V, 9V, 6V, 3V, 0V trên các vòi tiếp theo, thì tất cả các điện áp này có thể được giả định là không đổi trên các vòi này bất kể mức độ ánh sáng mặt trời.

Cũng xin hãy nhớ rằng những điện áp này có thể được thay đổi theo thông số kỹ thuật của người dùng để đạt được điện áp cao hơn hoặc thấp hơn điện áp bảng điều khiển.

Mạch trên cũng có thể được cấu hình trong topoogy flyback như hình dưới đây:

Trong cả hai cấu hình trên, đầu ra được cho là không đổi và ổn định về điện áp và công suất bất kể đầu ra năng lượng mặt trời.

Sử dụng phương pháp theo dõi I / V

Khái niệm mạch sau đây đảm bảo rằng mức MPPT của bảng không bao giờ bị ảnh hưởng bởi tải.

Mạch theo dõi mức MPPT 'đầu gối' của bảng điều khiển và đảm bảo rằng tải không được phép tiêu thụ thêm bất kỳ thứ gì có thể gây ra giảm mức đầu gối này của bảng điều khiển.

Hãy cùng tìm hiểu cách thực hiện điều này bằng cách sử dụng một mạch theo dõi I / V opamp đơn giản.

Xin lưu ý rằng các thiết kế không có bộ chuyển đổi buck sẽ không bao giờ có thể tối ưu hóa điện áp dư thừa thành dòng điện tương đương cho tải và có thể thất bại về mặt này, được coi là tính năng quan trọng của bất kỳ thiết kế MPPT nào.

Một thiết bị loại MPPT rất đơn giản nhưng hiệu quả có thể được tạo ra bằng cách sử dụng IC LM338 và một opamps.

Trong khái niệm do tôi thiết kế này, op amp được cấu hình theo cách mà nó tiếp tục ghi lại dữ liệu MPP tức thời của bảng điều khiển và so sánh nó với mức tiêu thụ tải tức thời. Nếu nó nhận thấy mức tiêu thụ tải vượt quá dữ liệu được lưu trữ này, nó sẽ cắt tải ...

Trình theo dõi điện áp đầu gối MPPT đơn giản và tự điều chỉnh

Giai đoạn IC 741 là phần theo dõi năng lượng mặt trời và là trung tâm của toàn bộ thiết kế.

Điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời được cấp cho chân 2 đảo ngược của IC, trong khi điện áp tương tự được áp dụng cho chân 3 không đảo ngược với mức giảm khoảng 2 V bằng cách sử dụng ba điốt 1N4148 mắc nối tiếp.

Tình huống trên luôn giữ cho chân 3 của IC có bóng thấp hơn chân2 để đảm bảo điện áp bằng không trên chân đầu ra 6 của IC.

Tuy nhiên, trong trường hợp quá tải kém hiệu quả, chẳng hạn như pin không khớp hoặc pin có dòng điện cao, điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời có xu hướng bị tải xuống. Khi điều này xảy ra, điện áp pin2 cũng bắt đầu giảm, tuy nhiên do sự hiện diện của tụ điện 10uF ở chân 3, điện thế của nó vẫn vững chắc và không phản ứng với sự sụt giảm ở trên.

Tình huống này ngay lập tức buộc pin3 tăng cao hơn pin2, điều này sẽ chuyển pin6 lên cao, BẬT BJT BC547.

BC547 ngay lập tức vô hiệu hóa LM338 cắt điện áp vào pin, chu kỳ tiếp tục chuyển đổi với tốc độ nhanh chóng tùy thuộc vào tốc độ định mức của IC.

Các hoạt động trên đảm bảo rằng điện áp của bảng điều khiển năng lượng mặt trời không bao giờ giảm hoặc bị kéo xuống bởi tải, duy trì tình trạng như MPPT xuyên suốt.

Vì sử dụng IC tuyến tính LM338, mạch có thể hoạt động kém hiệu quả một lần nữa .... biện pháp khắc phục là thay thế tầng LM338 bằng bộ chuyển đổi buck ... điều đó sẽ làm cho thiết kế cực kỳ linh hoạt và có thể so sánh với một MPPT thực thụ.

Hình dưới đây là một mạch MPPT sử dụng cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi buck, bây giờ thiết kế có nhiều ý nghĩa và trông gần với MPPT thực sự