อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์แบบ Off-Grid ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลก: 3 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

พลังงานแสงอาทิตย์คืออนาคต แผงสามารถอยู่ได้นานหลายสิบปี สมมติว่าคุณมีระบบสุริยะนอกกริด คุณมีตู้เย็น/ตู้แช่แข็ง และของอื่นๆ มากมายสำหรับใช้ในห้องโดยสารระยะไกลที่สวยงามของคุณ คุณไม่สามารถที่จะทิ้งพลังงาน! ดังนั้นจึงเป็นเรื่องน่าละอายที่แผงโซลาร์เซลล์ขนาด 6,000 วัตต์ของคุณจะจบลงที่ 5200 วัตต์ที่เต้ารับไฟฟ้ากระแสสลับในอีก 40 ปีข้างหน้า เกิดอะไรขึ้นถ้าคุณสามารถกำจัดหม้อแปลงทั้งหมด ดังนั้นอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์คลื่นไซน์บริสุทธิ์ 6000 วัตต์จะมีน้ำหนักเพียงไม่กี่ปอนด์? จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณสามารถกำจัดการมอดูเลตความกว้างพัลส์ทั้งหมดได้ และมีการสวิตชิ่งทรานซิสเตอร์ขั้นต่ำสุดเปลือยเปล่า และยังคงมีความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกรวมที่น้อยมาก

ฮาร์ดแวร์ไม่ซับซ้อนมากสำหรับสิ่งนี้ คุณเพียงแค่ต้องมีวงจรที่สามารถควบคุม H-bridge 3 ตัวแยกกันอย่างอิสระ ฉันมีรายการวัสดุสำหรับวงจรของฉัน เช่นเดียวกับซอฟต์แวร์และแผนผัง/pcb สำหรับต้นแบบเครื่องแรกของฉัน สิ่งเหล่านี้สามารถใช้ได้ฟรีหากคุณส่งอีเมลถึงฉันที่ [email protected] ฉันไม่สามารถแนบที่นี่ได้เนื่องจากไม่อยู่ในรูปแบบข้อมูลที่จำเป็น ในการอ่านไฟล์.sch และ.pcb คุณจะต้องดาวน์โหลด Designspark PCB ซึ่งให้บริการฟรี

คำแนะนำนี้ส่วนใหญ่จะอธิบายทฤษฎีการดำเนินการ ดังนั้นคุณสามารถทำสิ่งนี้ได้เช่นกันตราบใดที่คุณสามารถเปลี่ยนสะพาน H เหล่านั้นในลำดับที่จำเป็น

หมายเหตุ: ฉันไม่ทราบแน่ชัดว่าวิธีนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดในโลกหรือไม่ แต่มันอาจจะดีมาก (จุดสูงสุด 99.5% ค่อนข้างดี) และใช้งานได้

เสบียง:

13, หรือ 13*2, หรือ 13*3, หรือ 13*4, … แบตเตอรี่รอบลึก 12v

วงจรอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานที่สามารถควบคุม 3 H-bridge ได้อย่างอิสระ ฉันสร้างต้นแบบขึ้นมา และยินดีที่จะแบ่งปัน PCB และ Schematic แต่คุณสามารถทำมันได้แตกต่างไปจากที่ฉันทำอย่างแน่นอน ฉันกำลังสร้าง PCB เวอร์ชั่นใหม่ที่จะขายถ้าใครต้องการ

ขั้นตอนที่ 1: ทฤษฎีการดำเนินงาน

คุณเคยสังเกตไหมว่าคุณสามารถสร้างจำนวนเต็ม -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 จาก

A*1 + B*3 + C*9

โดยที่ A, B และ C สามารถเป็น -1, 0, หรือ +1? ตัวอย่างเช่น ถ้า A = +1, B = -1, C = 1 คุณจะได้

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

สิ่งที่เราต้องทำคือสร้างแบตเตอรี่ 3 เกาะที่แยกออกมา ในเกาะแรก คุณมีแบตเตอรี่ 12v 9 ก้อน ที่เกาะถัดไป คุณมีแบตเตอรี่ 12v 3 ก้อน ในเกาะสุดท้ายคุณมีแบตเตอรี่ 12v 1 ก้อน ในการตั้งค่าพลังงานแสงอาทิตย์ นั่นหมายถึงการมี MPPT แยกกัน 3 ตัว (ฉันจะมีคำแนะนำเกี่ยวกับ MPPT ราคาถูกสำหรับแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ในไม่ช้านี้) นั่นคือการประนีประนอมของวิธีนี้

หากต้องการ +1 บนสะพานเต็ม คุณต้องปิด 1L เปิด 1H ปิด 2H และเปิด 2L

หากต้องการสร้าง 0 บนสะพานเต็ม คุณต้องปิด 1L เปิด 1H ปิด 2L และเปิด 2H

ในการทำให้ -1 บนสะพานเต็ม คุณต้องปิด 1H เปิด 1L ปิด 2L และเปิด 2H

ภายใน 1H ฉันหมายถึงมอสเฟตด้านสูงตัวแรก 1L คือมอสเฟตด้านต่ำตัวแรก ฯลฯ…

ในการสร้างคลื่นไซน์ คุณเพียงแค่เปลี่ยนสะพาน H จาก -13 เป็น +13 และย้อนกลับเป็น -13 สูงถึง +13 ซ้ำแล้วซ้ำเล่า สิ่งที่คุณต้องทำคือตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้กำหนดเวลาของการเปลี่ยนแล้วเพื่อให้คุณไปจาก -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 ใน 1/60 วินาที (1/50 วินาทีในยุโรป!) และคุณแค่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงสถานะเพื่อให้สอดคล้องกับรูปร่างของคลื่นไซน์จริงๆ คุณกำลังสร้างคลื่นไซน์จากเลโก้ขนาด 1

กระบวนการนี้สามารถขยายได้จริงเพื่อให้คุณสามารถสร้างจำนวนเต็ม -40, -39, …, +39, +40 จาก

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

โดยที่ A, B, C และ D สามารถเป็น -1, 0, หรือ +1 ในกรณีนั้น คุณสามารถใช้แบตเตอรี่ลิเธียม Nissan Leaf ได้ทั้งหมด 40 ก้อน และสร้าง 240vAC แทน 120vAC และในกรณีนั้น ขนาดของเลโก้จะเล็กกว่ามาก ในกรณีนี้คุณจะได้ 81 ขั้นตอนในคลื่นไซน์ของคุณแทนที่จะเป็นเพียง 27 (-40, …, +40 เทียบกับ -13, …, +13)

การตั้งค่านี้มีความไวต่อตัวประกอบกำลัง การแบ่งกำลังของทั้ง 3 เกาะนั้นสัมพันธ์กับตัวประกอบกำลังอย่างไร ซึ่งอาจส่งผลต่อจำนวนวัตต์ที่คุณควรกันไว้สำหรับแผงโซลาร์ 3 เกาะแต่ละแผง นอกจากนี้ หากตัวประกอบกำลังของคุณแย่มาก โดยเฉลี่ยแล้วเกาะหนึ่งๆ อาจมีการชาร์จมากกว่าการคายประจุ ดังนั้น สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าตัวประกอบกำลังของคุณไม่น่ากลัว สถานการณ์ในอุดมคติสำหรับสิ่งนี้คือ 3 เกาะที่มีความสามารถไม่สิ้นสุด

ขั้นตอนที่ 2: เหตุใดจึงมีประสิทธิภาพในการเหม็นมาก

ความถี่ในการเปลี่ยนช้าอย่างน่าขัน สำหรับสะพาน H ที่เปลี่ยนแบตเตอรี่ 9 ก้อนเป็นอนุกรม คุณจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะเพียง 4 ครั้งใน 1/60 วินาที สำหรับสะพาน H ที่เปลี่ยนแบตเตอรี่ 3 ก้อนเป็นอนุกรม คุณจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะเพียง 16 ครั้งใน 1/60 วินาที สำหรับสะพาน H สุดท้าย คุณมีการเปลี่ยนแปลงสถานะ 52 ครั้งใน 1/60 วินาที โดยปกติ ในอินเวอร์เตอร์ มอสเฟตจะสลับที่ 100KHz หรือมากกว่านั้น

ถัดไป คุณต้องใช้มอสเฟตที่จัดระดับสำหรับแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องเท่านั้น ดังนั้นสำหรับ H-bridge แบตเตอรีเดี่ยว มอสเฟต 40v น่าจะปลอดภัยกว่า มี MOSFET 40v ออกที่มีความต้านทาน ON น้อยกว่า 0.001 โอห์ม สำหรับสะพาน H 3 ก้อน คุณสามารถใช้มอสเฟต 60v ได้อย่างปลอดภัย สำหรับ H-bridge 9 ก้อน คุณสามารถใช้มอสเฟต 150v ได้ ปรากฎว่าบริดจ์ไฟฟ้าแรงสูงสลับอย่างน้อยที่สุด ซึ่งเป็นเรื่องบังเอิญมากในแง่ของการสูญเสีย

ยิ่งไปกว่านั้น ไม่มีตัวเหนี่ยวนำตัวกรองขนาดใหญ่ ไม่มีหม้อแปลง และการสูญเสียแกนที่เกี่ยวข้อง ฯลฯ…

ขั้นตอนที่ 3: ต้นแบบ

บนต้นแบบของฉัน ฉันใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ dsPIC30F4011 โดยพื้นฐานแล้วเพียงแค่สลับพอร์ตที่ควบคุมสะพาน H ในเวลาที่เหมาะสม ไม่มีความล่าช้าในการสร้างแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ไม่ว่าแรงดันที่คุณต้องการจะสามารถใช้ได้ในประมาณ 100 นาโนวินาที คุณสามารถใช้ DC/DC แบบแยก 12 1 วัตต์เพื่อสลับอุปกรณ์จ่ายไฟ MOSFET อัตรากำลังรวมอยู่ที่ประมาณสูงสุด 10kW และอาจต่อเนื่องกัน 6 หรือ 7kw ค่าใช้จ่ายทั้งหมดไม่กี่ร้อยเหรียญสำหรับทุกอย่าง

สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้เช่นกัน สมมุติว่าการรัน 3 H-bridges ในซีรีย์จาก -13 ถึง +13 ทำให้รูปคลื่น AC ใหญ่เกินไป คุณสามารถเลือกที่จะเรียกใช้จาก -12 ถึง +12 แทน หรือ -11 ถึง +11 หรืออะไรก็ได้

ซอฟต์แวร์อย่างหนึ่งที่ฉันจะเปลี่ยนคือ อย่างที่คุณเห็นจากภาพออสซิลโลสโคป เวลาเปลี่ยนสถานะที่ฉันเลือกไม่ได้ทำให้คลื่นไซน์มีความสมมาตรโดยสิ้นเชิง ฉันจะปรับเวลาใกล้กับด้านบนของรูปคลื่นเล็กน้อย ข้อดีของวิธีนี้คือ คุณสามารถสร้างรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับในรูปทรงใดก็ได้ตามต้องการ

นอกจากนี้ยังอาจไม่ใช่ความคิดที่ดีที่จะมีตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กบนเอาต์พุตของสายไฟฟ้ากระแสสลับ 2 เส้นแต่ละเส้น และอาจมีความจุเล็กน้อยจากสาย AC หนึ่งไปยังอีกสายหนึ่งหลังจากตัวเหนี่ยวนำ 2 ตัว ตัวเหนี่ยวนำจะยอมให้เอาท์พุตปัจจุบันเปลี่ยนแปลงช้ากว่าเล็กน้อย ทำให้การป้องกันกระแสเกินของฮาร์ดแวร์มีโอกาสที่จะทริกเกอร์ในกรณีที่ไฟฟ้าลัดวงจร

สังเกตว่ามีสายไฟหนัก 6 เส้นในภาพหนึ่ง เหล่านั้นไปที่เกาะแบตเตอรี่ 3 แห่งที่แยกจากกัน แล้วมีสายไฟหนัก 2 เส้นสำหรับจ่ายไฟ 120vAC