Самый эффективный автономный солнечный инвертор в мире: 3 шага (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Солнечная энергия - это будущее. Панели могут прослужить много десятилетий. Допустим, у вас автономная солнечная система. У вас есть холодильник с морозильной камерой и множество других вещей, которые можно использовать в вашей красивой удаленной хижине. Вы не можете позволить себе выбрасывать энергию! Так что это позор, когда ваши 6000 ватт солнечных панелей в конечном итоге будут, скажем, 5200 ватт в розетке переменного тока в течение следующих 40 лет. Что, если бы вы могли отказаться от всех трансформаторов, так что чистый синусоидальный солнечный инвертор мощностью 6000 Вт весил бы всего несколько фунтов? Что, если бы вы могли исключить всю широтно-импульсную модуляцию и иметь абсолютно минимальное переключение транзисторов, и при этом иметь чрезвычайно малые общие гармонические искажения?

Аппаратное обеспечение для этого не очень сложное. Вам просто нужна схема, которая может независимо управлять 3 отдельными H-мостами. У меня есть ведомость материалов для моей схемы, а также программное обеспечение и схема / печатная плата для моего первого прототипа. Они доступны бесплатно, если вы напишите мне на [email protected]. Я не могу прикрепить их сюда, так как они не в требуемом формате данных. Чтобы читать файлы.sch и.pcb, вам необходимо загрузить Designspark PCB, который является бесплатным.

Это руководство в основном объясняет теорию работы, так что вы тоже можете сделать это, если можете переключать эти H-мосты в необходимой последовательности.

Примечание: я не знаю наверняка, является ли это самым эффективным в мире, но вполне может быть (пик 99,5% - это чертовски хорошо), и это действительно работает.

Запасы:

13, или 13 * 2, или 13 * 3, или 13 * 4,… 12 В батарей глубокого разряда

Очень простая электронная схема, которая может независимо управлять 3 Н-мостами. Я сделал прототип и рад поделиться печатной платой и схемой, но вы, безусловно, можете сделать это иначе, чем я. Я также делаю новую версию печатной платы, которая будет продаваться, если кто-то захочет.

Шаг 1: теория работы

Вы когда-нибудь замечали, что вы можете генерировать целые числа -13, -12, -11,…, 11, 12, 13 из

А * 1 + В * 3 + С * 9

где A, B и C могут быть -1, 0 или +1? Например, если A = +1, B = -1, C = 1, вы получите

+1*1 + -1*3 + 1*9 = 1 - 3 + 9 = +7

Итак, что нам нужно сделать, это сделать 3 изолированных острова батарей. На первом острове у вас есть 9 батарей по 12 В. На следующем острове у вас есть 3 батареи по 12 В. На последнем острове у вас есть 1 батарея на 12 В. В солнечной установке это также означает наличие 3 отдельных MPPT. (У меня скоро будет инструкция по дешевому MPPT для любого напряжения). Это компромисс этого метода.

Чтобы сделать +1 на полном мосту, вы выключаете 1L, включаете 1H, выключаете 2H и включаете 2L.

Чтобы сделать 0 на полном мосту, вы выключаете 1L, включаете 1H, выключаете 2L и включаете 2H.

Чтобы сделать -1 на полном мосту, вы выключаете 1H, включаете 1L, выключаете 2L и включаете 2H.

Под 1H я имею в виду первый МОП-транзистор высокого напряжения, 1L - первый МОП-транзистор низкого уровня и т. Д.

Теперь, чтобы создать синусоидальную волну, вы просто переключаете H-мосты с -13 на +13 и обратно на -13, до +13, снова и снова и снова. Все, что вам нужно сделать, это убедиться, что время переключения выбрано таким образом, чтобы вы переходили от -13, -12,…, +12, +13, +12, +11,…, -11, -12, - 13 за 1/60 секунды (1/50 секунды в Европе!), И вам просто нужно внести изменения состояний, чтобы они действительно соответствовали форме синусоидальной волны. Вы в основном строите синусоидальную волну из лего размера 1.

Этот процесс на самом деле можно расширить, чтобы вы могли генерировать целые числа -40, -39,…, +39, +40 из

А * 1 + В * 3 + С * 9 + D * 27

где A, B, C и D могут быть -1, 0 или +1. В этом случае вы можете использовать в общей сложности, скажем, 40 литиевых батарей Nissan Leaf и получить 240 В переменного тока, а не 120 В переменного тока. И в этом случае размеры лего намного меньше. В этом случае вы получаете всего 81 шаг в синусоиде, а не только 27 (-40,…, +40 против -13,…, +13).

Эта установка чувствительна к коэффициенту мощности. Распределение мощности между 3 островами зависит от коэффициента мощности. Это может повлиять на то, сколько ватт вы должны выделить для каждой из 3-х островных солнечных панелей. Кроме того, если ваш коэффициент мощности действительно плохой, возможно, что остров в среднем больше заряжается, чем разряжается. Итак, важно убедиться, что ваш коэффициент мощности не ужасен. Идеальная ситуация для этого - 3 острова бесконечной емкости.

Шаг 2: Итак, почему это так эффективно?

Частота переключения до смешного мала. Для H-моста, который последовательно переключает 9 батарей, у вас есть только 4 изменения состояния за 1/60 секунды. Для H-brirdge, который переключает 3 батареи последовательно, у вас есть только 16 изменений состояния за 1/60 секунды. Для последнего H-моста у вас есть 52 изменения состояния за 1/60 секунды. Обычно в инверторе МОП-транзисторы переключаются на частоте 100 кГц или даже больше.

Далее вам нужны только МОП-транзисторы, рассчитанные на соответствующие батареи. Таким образом, для H-моста с одной батареей МОП-транзистор 40 В будет более чем безопасным. Существуют полевые МОП-транзисторы на 40 В с сопротивлением включения менее 0,001 Ом. Для H-моста с 3 батареями вы можете безопасно использовать МОП-транзисторы на 60 В. Для H-моста с 9 батареями вы можете использовать МОП-транзисторы на 150 В. Оказывается, мост более высокого напряжения переключается реже, что очень удачно с точки зрения потерь.

Более того, здесь нет больших катушек индуктивности фильтра, трансформаторов и связанных с ними потерь в сердечнике и т. Д.

Шаг 3: прототип

На своем прототипе я использовал микроконтроллер dsPIC30F4011. По сути, он просто переключает порты, управляющие H-мостами, в нужное время. Нет задержки для создания заданного напряжения. Любое напряжение, которое вы хотите, доступно примерно за 100 наносекунд. Вы можете использовать 12 изолированных DC / DC мощностью 1 Вт для переключения источников питания MOSFET. Общая номинальная мощность составляет около 10 кВт пиковая и, возможно, 6 или 7 кВт непрерывная. Общая стоимость всего несколько сотен долларов.

Фактически можно регулировать и напряжение. Предположим, что при последовательном включении 3 H-мостов от -13 до +13 форма сигнала переменного тока становится слишком большой. Вы можете просто выбрать значение от -12 до +12, или от -11 до +11, или что-то еще.

Одна программная вещь, которую я бы изменил, заключается в том, что, как вы можете видеть на изображении осциллографа, выбранное мной время изменения состояния не делало синусоидальную волну полностью симметричной. Я бы просто немного скорректировал синхронизацию в верхней части сигнала. Прелесть этого подхода в том, что вы можете создать сигнал переменного тока любой формы, какой захотите.

Также может быть неплохой идеей иметь небольшую катушку индуктивности на выходе каждой из 2 линий переменного тока и, возможно, небольшую емкость от одной из линий переменного тока к другой после 2 катушек индуктивности. Катушки индуктивности позволили бы выходному току изменяться немного медленнее, давая возможность аппаратной максимальной токовой защите сработать в случае короткого замыкания.

Обратите внимание, что на одной из картинок есть 6 тяжелых проводов. Те идут на 3 отдельных аккумуляторных острова. Затем есть 2 толстых провода для питания 120 В переменного тока.