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/
