Najbardziej wydajny inwerter solarny off-grid na świecie: 3 kroki (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Energia słoneczna to przyszłość. Panele mogą trwać przez wiele dziesięcioleci. Załóżmy, że masz system słoneczny poza siecią. Masz lodówkę/zamrażarkę i mnóstwo innych rzeczy do uruchomienia w swojej pięknej odległej kabinie. Nie możesz pozwolić sobie na marnowanie energii! A więc szkoda, gdy 6000 watów paneli słonecznych kończy się, powiedzmy, 5200 watami w gniazdku prądu przemiennego przez następne 40 lat. Co by było, gdyby można było wyeliminować wszystkie transformatory, tak aby falownik słoneczny o czystej fali sinusoidalnej o mocy 6000 W ważył tylko kilka kilogramów? Co by było, gdybyś mógł wyeliminować całą modulację szerokości impulsu i mieć absolutnie minimalne przełączanie tranzystorów, a mimo to mieć wyjątkowo małe całkowite zniekształcenia harmoniczne?

Sprzęt nie jest do tego bardzo skomplikowany. Potrzebujesz tylko obwodu, który może niezależnie sterować 3 oddzielnymi mostkami H. Mam zestawienie materiałów do mojego obwodu, jak również oprogramowanie i schemat/pcb do mojego pierwszego prototypu. Są one dostępne bezpłatnie, jeśli wyślesz mi e-mail na adres [email protected]. Nie mogę ich tutaj załączyć, ponieważ nie są one w wymaganym formacie danych. Aby odczytać pliki.sch i.pcb, musisz pobrać Designspark PCB, który jest bezpłatny.

Ta instrukcja ma głównie wyjaśnić teorię działania, więc możesz to zrobić zbyt długo, o ile możesz przełączać te mostki H w niezbędnych sekwencjach.

Uwaga: nie wiem na pewno, czy jest to najbardziej wydajne na świecie, ale równie dobrze może być (szczyt 99,5% jest całkiem niezły) i działa.

Kieszonkowe dzieci:

13 lub 13*2 lub 13*3 lub 13*4, … akumulatory o głębokim cyklu 12 V

Bardzo podstawowy układ elektroniczny, który może niezależnie sterować 3 mostkami H. Zrobiłem prototyp i chętnie udostępniam PCB i Schemat, ale na pewno można to zrobić inaczej niż to zrobiłem. Robię też nową wersję PCB, która będzie do sprzedaży, jeśli ktoś tego chce.

Krok 1: Teoria działania

Czy zauważyłeś, że możesz wygenerować liczby całkowite -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 z

A*1 + B*3 + C*9

gdzie A, B i C mogą wynosić -1, 0 lub +1? Na przykład, jeśli A = +1, B = -1, C = 1, otrzymasz

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

Musimy więc zrobić 3 izolowane wyspy baterii. Na pierwszej wyspie masz 9 baterii 12v. Na następnej wyspie masz 3 baterie 12V. Na ostatniej wyspie masz 1 baterię 12V. W konfiguracji słonecznej oznacza to również posiadanie 3 oddzielnych MPPT. (Wkrótce będę miał instrukcję dotyczącą taniego MPPT dla dowolnego napięcia). To jest kompromis tej metody.

Aby uzyskać +1 na pełnym moście, wyłączasz 1L, włączasz 1H, wyłączasz 2H i włączasz 2L.

Aby zrobić 0 na pełnym moście, wyłączasz 1L, włączasz 1H, wyłączasz 2L i włączasz 2H.

Aby uzyskać -1 na pełnym moście, wyłączasz 1H, włączasz 1L, wyłączasz 2L i włączasz 2H.

Przez 1H mam na myśli pierwszy mosfet z wysokim bokiem, 1L to pierwszy z niskim mosfetem, itd…

Teraz, aby stworzyć falę sinusoidalną, wystarczy zmienić mostki H z -13 na +13 i z powrotem do -13, aż do +13, w kółko. Wszystko, co musisz zrobić, to upewnić się, że czas przełączenia jest wykonany tak, aby przejść od -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 w 1/60 sekundy (1/50 sekundy w europie!) i wystarczy dokonać zmian stanów, aby faktycznie dopasowywał się do kształtu fali sinusoidalnej. Zasadniczo budujesz sinusoidę z klocków lego w rozmiarze 1.

Ten proces można w rzeczywistości rozszerzyć, aby można było generować liczby całkowite -40, -39, …, +39, +40 z

A*1 + B*3 + C*9 + D*27

gdzie A, B, C i D mogą wynosić -1, 0 lub +1. W takim przypadku można by użyć w sumie, powiedzmy, 40 baterii litowych Nissan Leaf i zrobić 240 V AC zamiast 120 V AC. W takim przypadku rozmiary lego są znacznie mniejsze. W tym przypadku otrzymujesz w sumie 81 kroków w sinusoidzie, a nie tylko 27 (-40, …, +40 vs -13, …, +13).

Ta konfiguracja jest wrażliwa na współczynnik mocy. Sposób podziału mocy pomiędzy 3 wyspy jest związany ze współczynnikiem mocy. Może to mieć wpływ na to, ile watów należy odłożyć na każdy z 3 wyspowych paneli słonecznych. Ponadto, jeśli twój współczynnik mocy jest naprawdę zły, możliwe jest, że wyspa średnio ładuje więcej niż rozładowuje. Dlatego ważne jest, aby upewnić się, że współczynnik mocy nie jest straszny. Idealną sytuacją byłyby 3 wyspy o nieskończonej pojemności.

Krok 2: Dlaczego to jest tak śmierdzące skuteczne?

Częstotliwość przełączania jest śmiesznie wolna. W przypadku mostka H, który przełącza szeregowo 9 baterii, masz tylko 4 zmiany stanu w ciągu 1/60 sekundy. W przypadku mostka H, który przełącza 3 baterie szeregowo, masz tylko 16 zmian stanu w ciągu 1/60 sekundy. W przypadku ostatniego mostka H masz 52 zmiany stanu w ciągu 1/60 sekundy. Zwykle w falowniku mosfety przełączają się z częstotliwością może 100 kHz lub nawet więcej.

Następnie potrzebujesz tylko mosfetów, które są przystosowane do odpowiednich baterii. Tak więc w przypadku mostka H z pojedynczą baterią, mosfet 40 V byłby bardziej niż bezpieczny. Istnieją tranzystory MOSFET 40 V, które mają rezystancję włączenia mniejszą niż 0,001 oma. W przypadku mostka H z 3 bateriami można bezpiecznie używać mosfetów 60V. W przypadku mostka H z 9 bateriami można użyć mosfetów 150V. Okazuje się, że mostek wyższego napięcia przełącza się najrzadziej, co jest bardzo niefortunne pod względem strat.

Co więcej, nie ma dużych cewek filtrujących, transformatorów i związanych z tym strat rdzenia itp…

Krok 3: Prototyp

Na moim prototypie użyłem mikrokontrolera dsPIC30F4011. Zasadniczo przełącza porty, które kontrolują mostki H w odpowiednim czasie. Nie ma opóźnienia w generowaniu danego napięcia. Jakiekolwiek napięcie chcesz, jest dostępne w około 100 nanosekund. Do przełączania zasilania tranzystorów MOSFET można użyć 12 izolowanych 1 watów DC/DC. Całkowita moc znamionowa wynosi około 10 kW szczytowo, a może 6 lub 7 kW ciągłej. Całkowity koszt to kilkaset dolarów za wszystko.

W rzeczywistości możliwe jest również regulowanie napięcia. Powiedzmy, że uruchomienie 3 mostków H w szeregu od -13 do +13 powoduje, że przebieg prądu przemiennego jest zbyt duży. Możesz po prostu wybrać bieg od -12 do +12 lub od -11 do +11 lub cokolwiek innego.

Jedną rzeczą, którą chciałbym zmienić, jest, jak widać na obrazie oscyloskopu, czas zmiany stanu, który wybrałem, nie sprawił, że fala sinusoidalna była całkowicie symetryczna. Po prostu poprawiłbym trochę taktowanie w górnej części przebiegu. Piękno tego podejścia polega na tym, że możesz stworzyć przebieg prądu przemiennego o dowolnym kształcie.

Może też nie być złym pomysłem, aby mieć małą cewkę indukcyjną na wyjściu każdej z 2 linii AC i być może małą pojemność z jednej linii AC do drugiej, za 2 cewkami. Cewki indukcyjne umożliwiłyby nieco wolniejszą zmianę wyjścia prądowego, dając szansę na wyzwolenie sprzętowego zabezpieczenia nadprądowego w przypadku zwarcia.

Zauważ, że na jednym ze zdjęć jest 6 ciężkich przewodów. Te trafiają do 3 oddzielnych wysp baterii. Następnie są 2 ciężkie przewody przeznaczone do zasilania 120 V AC.