Cel mai eficient invertor solar fără rețea din lume: 3 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Energia solară este viitorul. Panourile pot dura multe decenii. Să presupunem că aveți un sistem solar în afara rețelei. Aveți un frigider / congelator și o grămadă de alte lucruri pentru a rula în frumoasa dvs. cabină de la distanță. Nu vă puteți permite să aruncați energie! Deci, este păcat când 6000 de wați de panouri solare ajung, să zicem, 5200 de wați la priza de curent alternativ pentru următorii 40 de ani. Ce se întâmplă dacă ai putea elimina toate transformatoarele, așa că un invertor solar cu undă sinusoidală pură de 6000 W ar cântări doar câteva kilograme? Ce se întâmplă dacă ați putea elimina toate modulațiile lățimii impulsurilor și ați avea o comutare minimă absolut simplă a tranzistoarelor și ați avea totuși o distorsiune armonică totală extrem de mică?

Hardware-ul nu este foarte complicat pentru asta. Aveți nevoie doar de un circuit care poate controla independent 3 punți H separate. Am o listă de materiale pentru circuitul meu, precum și software-ul și schema / PCB pentru primul meu prototip. Acestea sunt disponibile gratuit dacă mă trimiteți prin e-mail la [email protected]. Nu pot să le atașez aici, deoarece acestea nu sunt în formatul de date solicitat. Pentru a citi fișierele.sch și.pcb, va trebui să descărcați Designspark PCB, care este gratuit.

Această instrucțiune explică în principal teoria funcționării, deci puteți face acest lucru atât timp cât puteți schimba acele punți H în secvențele necesare.

Notă: Nu știu sigur dacă acesta este cel mai eficient din lume, dar ar putea fi foarte bine (vârful de 99,5% este destul de bun) și funcționează.

Provizii:

13, sau 13 * 2, sau 13 * 3, sau 13 * 4, … 12v baterii cu ciclu adânc

Un circuit electronic foarte simplu, care poate controla independent 3 poduri H. Am făcut un prototip și sunt bucuros să împărtășesc PCB și Schematic, dar cu siguranță o puteți face diferit de cum am făcut-o. De asemenea, fac o nouă versiune a PCB-ului care va fi de vânzare dacă cineva o dorește.

Pasul 1: Teoria funcționării

Ați observat vreodată că puteți genera numerele întregi -13, -12, -11,…, 11, 12, 13 din

A * 1 + B * 3 + C * 9

unde A, B și C pot fi -1, 0 sau +1? De exemplu, dacă A = +1, B = -1, C = 1, veți obține

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

Deci, ceea ce trebuie să facem este să facem 3 insule izolate de baterii. În prima insulă aveți 9 baterii de 12v. În următoarea insulă aveți 3 baterii de 12v. În insula finală aveți 1 baterie de 12V. Într-o configurație solară, aceasta înseamnă, de asemenea, să aveți 3 MPPT-uri separate. (Voi avea o instrucțiune pe un MPPT ieftin pentru orice tensiune foarte curând). Acesta este un compromis al acestei metode.

Pentru a face +1 pe un pod complet, opriți 1L, activați 1H, dezactivați 2H și activați 2L.

Pentru a face 0 pe un pod complet, opriți 1L, porniți 1H, opriți 2L și porniți 2H.

Pentru a face -1 pe un pod complet, opriți 1H, porniți 1L, opriți 2L și porniți 2H.

Prin 1H, mă refer la primul mosfet lateral înalt, 1L este primul mosfet lateral inferior, etc …

Acum, pentru a crea o undă sinusoidală, trebuie doar să vă schimbați podurile H de la -13 până la +13 și să reveniți la -13, până la +13, iar și iar și iar. Tot ce trebuie să faceți este să vă asigurați că timpul de comutare este făcut astfel încât să mergeți de la -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 în 1/60 secunde (1/50 secunde în Europa!), Și trebuie doar să faceți modificările stărilor, astfel încât să se conformeze efectiv formei unei unde sinusoidale. Practic construiți o undă sinusoidală din legos de mărimea 1.

Acest proces poate fi de fapt extins astfel încât să puteți genera numerele întregi -40, -39, …, +39, +40 din

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

unde A, B, C și D pot fi -1, 0 sau +1. În acest caz, ați putea folosi un total de, să zicem, 40 de baterii litiu Nissan Leaf și să faceți 240vAC mai degrabă decât 120vAC. Și în acest caz, dimensiunile lego sunt mult mai mici. Obțineți un total de 81 de pași în unda sinusoidală în acest caz, mai degrabă decât doar 27 (-40,…, +40 față de -13,…, +13).

Această configurare este sensibilă la factorul de putere. Modul în care puterea se împarte între cele 3 insule este legat de factorul de putere. Acest lucru poate afecta câți wați ar trebui să rezervați pentru fiecare dintre cele 3 panouri solare ale insulei. De asemenea, dacă factorul tău de putere este foarte rău, este posibil ca o insulă să încarce, în medie, mai mult decât descărcarea. Deci, este important să vă asigurați că factorul dvs. de putere nu este oribil. Situația ideală pentru aceasta ar fi 3 insule cu capacitate infinită.

Pasul 2: Deci, de ce este atât de puturos atât de eficient ?

Frecvența de comutare este ridicol de lentă. Pentru podul H care comută cele 9 baterii în serie, aveți doar 4 modificări de stare în 1/60 secunde. Pentru H-brirdge care comută cele 3 baterii în serie, aveți doar 16 modificări de stare în 1/60 secunde. Pentru ultimul H-bridge, aveți 52 de modificări de stare în 1/60 secunde. De obicei, într-un invertor, mosfeturile comută la 100KHz sau chiar mai mult.

Apoi, aveți nevoie doar de mosfete care sunt evaluate pentru bateriile lor respective. Deci, pentru o singură baterie H-bridge, un mosfet de 40v ar fi mai mult decât sigur. Există MOSFET-uri de 40v care au o rezistență la pornire mai mică de 0,001 ohmi. Pentru cele 3 baterii H-bridge, puteți utiliza în siguranță mosfete de 60v. Pentru cele 9 baterii H-bridge, puteți utiliza mosfete de 150v. Se pare că puntea de tensiune mai mare comută cel mai rar, ceea ce este foarte serendipit în ceea ce privește pierderile.

Mai mult decât atât, nu există inductoare de filtru mari, nu există transformatoare și pierderile de miez asociate etc.

Pasul 3: Prototipul

Pe prototipul meu, am folosit microcontrolerul dsPIC30F4011. Practic, comută doar porturile care controlează podurile H la momentul potrivit. Nu există întârziere pentru generarea unei tensiuni date. Orice tensiune doriți este disponibilă în aproximativ 100 nanosecunde. Puteți utiliza 12 DC / DC izolate de 1 watt pentru comutarea consumabilelor MOSFET. Puterea totală nominală este de aproximativ 10kW de vârf și poate de 6 sau 7kw continuu. Costul total este de câteva sute de dolari pentru orice.

De fapt, este posibil să reglați și tensiunea. Să presupunem că rularea celor 3 poduri H în serie de la -13 la +13 face ca forma de undă AC să fie prea mare. Puteți alege doar să rulați de la -12 la +12 în schimb, sau de la -11 la +11 sau orice altceva.

Un lucru software pe care l-aș schimba este, după cum puteți vedea din imaginea osciloscopului, sincronizarea schimbării stării pe care am ales-o nu a făcut ca unda sinusoidală să fie total simetrică. Aș regla puțin sincronizarea în partea de sus a formei de undă. Frumusețea acestei abordări este că puteți crea o formă de undă AC de orice formă doriți.

De asemenea, s-ar putea să nu fie o idee proastă să ai un inductor mic la ieșirea fiecăreia dintre cele 2 linii de curent alternativ și poate o capacitate mică de la una dintre liniile de curent alternativ la cealaltă, după cele 2 inductoare. Inductoarele ar permite ieșirea curentă să se schimbe puțin mai încet, oferind protecției de supracurent hardware șansa de a declanșa în cazul unui scurtcircuit.

Observați că există 6 fire grele într-una dintre imagini. Aceștia merg pe cele 3 insule separate pentru baterii. Apoi, există 2 fire grele care sunt pentru puterea de 120vAC.