Схема солнечного инвертора без аккумулятора – 300 Вт

В этой статье мы построим схему автономного солнечного инвертора, который может работать напрямую от солнечных панелей без необходимости в батарее, единственным требованием является устойчивое солнечное сияние в вашей местности. Предлагаемый солнечный инвертор может генерировать 300 Вт мощности или больше в зависимости от компонентов, которые вы использовали для создания инвертора.

Посмотрим:

• Характеристики солнечного инвертора.
• Принципиальная схема солнечного инвертора.
• Блок-схема и описание.
• Программный код солнечного инвертора.
• Авторские прототипы изображений.
• Расчет мощности трансформатора и солнечной панели.
• Как проверить и эксплуатировать солнечный инвертор.

Характеристики предлагаемого солнечного инвертора:

• Предлагаемая схема инвертора может преобразовывать падающий на солнечную панель солнечный свет в стандартное переменное напряжение 230 В при частоте 50/60 Гц в режиме реального времени, что означает отсутствие элемента хранения энергии, такого как аккумулятор; поэтому мы можем использовать полную мощность вырабатываемой солнечной энергии.
• Солнечный инвертор оснащен такими функциями, как отключение постоянного тока при пониженном и повышенном напряжении, благодаря чему инвертор может плавно отключаться, когда солнечные панели генерируют напряжение ниже допустимого уровня, и автоматически запускаться, когда солнечная панель генерирует напряжение в пределах допустимого уровня.
• Мы можем настроить выходную частоту на 50 Гц или 60 Гц из программного кода. Инвертор генерирует свою частоту из Arduino, что гарантирует стабильность выходной частоты.
• В схеме предусмотрен светодиодный индикатор состояния, показывающий, находится ли инвертор в режиме отключения или в нормальном рабочем режиме.
• Вы можете настроить минимальный и максимальный диапазон входного напряжения постоянного тока из программного кода, если хотите обойти наши проверенные пределы напряжения.

Схема солнечного инвертора: (Стадия инвертора)

ПРИМЕЧАНИЕ: На выходе трансформатора рекомендуется использовать MOV или металлооксидный варистор на 320 В для подавления нежелательных и вредных скачков высокого напряжения, которые могут возникнуть во время работы инвертора, а также при включении/выключении подключенных (индуктивных) нагрузок.

Блок-схема и пояснение к схеме:

Предлагаемый поток мощности солнечного инвертора начинается слева и заканчивается справа, где подключены ваши нагрузки. Давайте подробно рассмотрим каждый из блоков.

• Инверторный каскад состоит из 5 элементов Arduino, MOSFET и BJT, трансформатора, датчика напряжения и светодиода.
• Стадия выработки электроэнергии состоит из параллельно соединенных солнечных панелей напряжением 12 В.
• Стабилизация и регулирование напряжения осуществляются только с помощью понижающего преобразователя мощностью 300 Вт.   

Солнечная панель 12 В:

Схема инвертора использует солнечные панели 12 В, которые при хорошем солнечном свете вырабатывают около 17 В. Возможно, вам придется подключить несколько солнечных панелей 12 В параллельно, чтобы генерировать достаточный ток для инвертора в зависимости от ваших потребностей в мощности на выходе.

Перед покупкой солнечных панелей вам необходимо выполнить некоторые расчеты; подробные расчеты для ваших индивидуальных потребностей в электроэнергии обсуждаются далее в этой статье.

Солнечные панели следует устанавливать там, где они будут получать максимальное количество солнечного света в течение дня, например, на крыше, на открытом участке земли и т. д. При этом на солнечные панели не должна падать тень. 

Понижающий преобразователь:

Солнечная панель 12 В вырабатывает около 17 В и подвержена колебаниям напряжения, которые необходимо стабилизировать и отрегулировать перед тем, как подавать ее на инвертор. Инверторный каскад требует стабильного напряжения 14 В постоянного тока для выработки 230 В переменного тока на выходе.

Для стабилизации и регулирования напряжения мы используем мощный понижающий преобразователь, который может выдерживать мощность не менее 300 Вт и выдавать ток силой 20–25 А.

Понижающие преобразователи могут преобразовывать более высокое постоянное напряжение в более низкое постоянное напряжение с эффективностью более 90%, а понижающие преобразователи могут преобразовывать избыточное напряжение в ток, что делает их достойным выбором для самодельного солнечного инвертора, подобного этому.

Выше приведены иллюстрации понижающего преобразователя мощностью 300 Вт, размер которого меньше ладони. 

Понижающий преобразователь состоит из следующих частей:

• • Входной терминал
  • Выходной терминал.

• Подстроечный резистор регулировки напряжения.
• Подстроечный резистор регулировки тока.

Входной терминал: Выход всех параллельно соединенных солнечных панелей должен быть подключен сюда с соблюдением правильной полярности и надежно закреплен винтами.

Выходной терминал: выход понижающего преобразователя подается на инверторный каскад.

Подстроечный резистор регулировки напряжения: Понижающие преобразователи оснащены потенциометром регулировки напряжения, с помощью которого вы можете настроить напряжение на желаемый уровень. Здесь нам нужно точно настроить подстроечный резистор, чтобы довести выходное напряжение до 14 В. 

Подстроечный резистор регулировки тока:  Эти мощные понижающие преобразователи также оснащены подстроечным резистором регулировки тока. Здесь мы не должны ограничивать ток на этапе инвертора; следовательно, нам нужно удерживать подстроечный резистор в максимальном положении.  

ПРИМЕЧАНИЕ: Контроллеры MPPT не используются в этой сборке инвертора по двум причинам: нам нужна гибкость регулировки напряжения, подаваемого на инверторный каскад, и контроллеры MPPT намного дороже понижающих преобразователей.

Датчик напряжения:

Мы используем модуль датчика напряжения, который по сути является делителем напряжения, вход которого подключен к выходу понижающего преобразователя, а выход делителя напряжения подключен к аналоговому выводу Arduino для измерения напряжения понижающего преобразователя в режиме реального времени. 

Измерение выходного напряжения понижающего преобразователя помогает Arduino определить, находится ли напряжение на инверторном этапе в допустимом диапазоне напряжений или нет. Если напряжение не находится в рабочем диапазоне напряжений, выход переменного тока отключается.

Светодиод состояния:

К Arduino подключен светодиод для индикации состояния инвертора, т.е. работает ли инвертор в данный момент или находится в режиме отключения.

• • Если светодиод горит постоянно, инвертор работает нормально и входное напряжение находится в допустимом диапазоне.

• Если светодиод мигает, инвертор автоматически отключился, поскольку входное напряжение ниже или выше допустимого диапазона напряжений.   

Стадия MOSFET и BJT:

Каскад MOSFET и BJT состоит из пары IRFZ44N MOSFET и пары BC548 BJT. Этот каскад отвечает за усиление слабого сигнала 50/60 Гц от Arduino до сильноточного сигнала 14 В переменного тока, который будет подаваться на вторичную обмотку трансформатора. 

Иллюстрация прямоугольного сигнала на затворе МОП-транзистора на частоте 50 Гц:

Стадия трансформатора:

Трансформатор отвечает за преобразование переменного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения с частотой 50/60 Гц. Здесь мы используем обычный понижающий трансформатор 12 В–0–12 В в обратном режиме работы. 

МОП-транзисторы попеременно включают и выключают вторичную обмотку трансформатора в соответствии с сигналом от Arduino, который создает переменное магнитное поле.

Переменное магнитное поле индуцируется в первичной обмотке трансформатора, которая состоит из большего числа витков, чем вторичная обмотка, которая преобразует индуцированное магнитное поле в большее напряжение, чем входное.  

Программный код для Arduino:

//-------------- авторские права на Electronics project hub -------------// 
const  int  voltage_input  =  A0; 
const  int  out1  =  2 ; 
const  int  out2  =  3 ; 
const  int  LED  =  13 ; 
float  Vout  =  0.0 ; 
float  output_voltage  =  0.0 ; 
float  R1  =  30000.0 ; 
float  R2  =  7500.0 ; 
int  Analog_value  =  0 ; 
bool  RUN  =  false; 
bool  STOP  =  false;

//-------------НАСТРОЙКИ-------------// 
bool  freq_select  =  true;  // Установите "false", чтобы получить 60 Гц, или "true" для 50 Гц. 
const  float  high_cut_off  =  15.0 ;  // Отсечка по высокому входному напряжению. 
const  float  low_cut_off  =  10.8 ;   // Отсечка по низкому входному напряжению. 
//-----------------------------------//

void  setup () 
{ 
  pinMode(out1,  OUTPUT); 
  pinMode(out2,  OUTPUT); 
  pinMode(LED,  OUTPUT); 
  digitalWrite(out1,  HIGH); 
  digitalWrite(out2,  HIGH); 
  digitalWrite(LED,  13 ); 
  cut_off(); 
} 
void  loop () 
{ 
  while  (RUN) 
  { 
    digitalWrite(out2,  LOW); 
    digitalWrite(out1,  HIGH); 
    if  (freq_select) 
    { 
      delay( 9 ); 
      delayMicroseconds( 800 ); 
    } 
    else 
    { 
      delay( 8 ); 
      delayMicroseconds( 145 ); 
    } 
    cut_off(); 
    digitalWrite(out1,  LOW); 
    digitalWrite(out2,  HIGH); 
    if  (freq_select) 
    { 
      delay( 9 ); 
      delayMicroseconds( 800 ); 
    } 
    else 
    { 
      delay( 8 ); 
      delayMicroseconds( 145 ); 
    } 
    cut_off(); 
  } 
  if  (STOP) 
  { 
    digitalWrite(out1,  HIGH); 
    digitalWrite(out2,  HIGH); 
    while  (STOP) 
    { 
      cut_off(); 
      digitalWrite(LED,  LOW); 
      delay( 500 ); 
      digitalWrite(LED,  HIGH); 
      delay( 500 ); 
      digitalWrite(LED,  LOW); 
      delay( 500 ); 
      digitalWrite(LED,  HIGH); 
      delay( 500 ); 
      digitalWrite(LED,  LOW); 
      cut_off(); 
    } 
  } 
}

void  cut_off () 
{ 
  Analog_value  =  analogRead(voltage_input); 
  Vout  =  (Analog_value  *  5.0 )  /  1024.0 ; 
  output_voltage  =  Vout  /  (R2  /  (R1  +  R2)); 
  if  (output_voltage  >  low_cut_off  &&  output_voltage  <  high_cut_off) 
  { 
    RUN  =  true; 
    STOP  =  false; 
    digitalWrite(LED,  HIGH); 
  } 
  else 
  { 
    RUN  =  false; 
    STOP  =  true; 
  } 
} 
//-------------- авторские права Electronics project hub -------------//

Перед загрузкой кода в Arduino вы можете настроить следующие параметры инвертора:

//-------------НАСТРОЙКИ-------------// 
bool  freq_select  =  true;  // Установите "false", чтобы получить 60 Гц, или "true" для 50 Гц. 
const  float  high_cut_off  =  15.0 ;  // Отсечка по высокому входному напряжению. 
const  float  low_cut_off  =  10.8 ;   // Отсечка по низкому входному напряжению. 
//-----------------------------------//

• • Вы можете изменить частоту этого инвертора до 60 Гц, заменив «true» на «false».
  • Вы можете настроить отсечку постоянного тока по высокому и низкому напряжению на входе, заменив 15(В) и 10,8(В) соответственно на собственные желаемые значения.
  • Мы обнаружили, что входные напряжения находятся в диапазоне от 10,8 В до 15 В, нагрузки переменного тока работают нормально. При напряжении выше 15 В выходное напряжение переменного тока становится слишком высоким, а при напряжении ниже 10,8 В выходное напряжение переменного тока становится слишком низким для работы нагрузки.  

Прототип автора:

Расчет мощности трансформатора:

Вам необходимо сделать правильные расчеты, прежде чем строить этот инвертор, иначе вы можете получить выходную мощность, которая будет меньше, чем вы ожидали. Давайте рассмотрим пару примеров:

Пример 1: Предположим, что вам требуется максимальная выходная мощность 100 Вт, и мы используем трансформатор на 12 В, номинальный ток трансформатора должен быть не менее:

Я = П / В

Я = 100 / 12 = 8,3 А

Здесь нам нужен трансформатор, рассчитанный как минимум на 8,3 А, чтобы получить 100 Вт мощности (до потерь). Чтобы компенсировать потери и округлить значение тока, вы можете поискать трансформатор, рассчитанный на 10 А.

Пример 2: Для выходной мощности 300 Вт от трансформатора 12 В:

Я = П / В

Я = 300 / 12 = 25А

Здесь для получения 300 Вт мощности на выходе нам понадобится трансформатор, рассчитанный как минимум на 25 А (до потерь); для компенсации потерь и округления тока можно выбрать трансформатор на 30 А.

Расчет мощности солнечной панели:

Следующие расчеты основаны на наших оценках, и давайте разберем их на примере:

Пример: если максимальная требуемая мощность на выходе составляет 100 Вт, то солнечные панели должны быть рассчитаны как минимум на:

Мощность солнечной панели = Макс. мощность + (Макс. мощность x потери) / 100

Мощность солнечной панели = 100 + (100 x 30) / 100 | наши расчетные потери составляют 30%.

Мощность солнечной панели = 130 Вт.

Чтобы получить 100 Вт мощности на выходе инвертора, вам понадобится солнечная панель мощностью 130 Вт.

Мы оценили потерю в 10% на понижающем преобразователе и 20% на инверторном этапе . В заключение, вам нужна солнечная панель, которая рассчитана как минимум на 30% больше, чем необходимая вам мощность, чтобы компенсировать потери.

Солнечные панели — дорогостоящая часть этого проекта, и вам следует рассмотреть возможность их покупки только после того, как вы успешно построите инвертор и получите удовлетворительные результаты с предполагаемыми нагрузками.

Как проверить и эксплуатировать этот солнечный инвертор:

Вам понадобится регулируемый лабораторный блок питания с выходом 0–24 В / 5 А и мультиметр.

• • Подайте напряжение 17 В на входную клемму понижающего преобразователя и установите выходное напряжение 14 В без нагрузки с помощью подстроечного резистора регулировки напряжения.
  • Теперь подключите выход понижающего преобразователя к инверторной схеме с контрольной лампой 230 В (10 Вт) на выходе и загрузите указанный код с желаемыми настройками или без каких-либо изменений.
  • Вы увидите, как светодиод состояния мигнет дважды, инвертор запустится, контрольная лампа загорится, а светодиод состояния будет гореть постоянно.

• • Теперь уменьшайте напряжение постоянного тока на лабораторном блоке питания до тех пор, пока инвертор не отключится по низкому напряжению. Вы увидите, что светодиод начнет непрерывно мигать, а выход переменного тока автоматически отключится.
  • Верните вход постоянного тока на 17 В, и вы увидите, как инвертор запустится, а контрольная лампа загорится.
  • Теперь ваш инвертор готов к использованию с солнечными панелями.

• Каждый раз при загрузке инвертора светодиод состояния мигает дважды.

Примечание: Выход этого инвертора имеет прямоугольную форму, поэтому выход переменного тока может не подходить для всех нагрузок переменного тока. Этот инвертор подходит для резистивных нагрузок и нагрузок на базе SMPS, таких как зарядные устройства, нерегулируемые светодиодные лампы/лампы, небольшие индуктивные нагрузки, такие как настольный вентилятор и т. д. Не подключайте к медицинскому оборудованию или любым нагрузкам, которые не работают должным образом с этим инвертором.  

Оригинал тут — https://electronics-project-hub.com/solar-inverter-circuit-without-battery/