Inverter solare off-grid più efficiente al mondo: 3 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

L'energia solare è il futuro. I pannelli possono durare per molti decenni. Supponiamo che tu abbia un sistema solare off-grid. Hai un frigorifero/congelatore e un sacco di altre cose da gestire nella tua bellissima cabina remota. Non puoi permetterti di sprecare energia! Quindi, è un peccato quando i tuoi 6000 watt di pannelli solari finiscono come, diciamo, 5200 watt alla presa CA per i prossimi 40 anni. E se potessi eliminare tutti i trasformatori, così un inverter solare a onda sinusoidale pura da 6000 Watt peserebbe solo qualche chilo? E se potessi eliminare tutta la modulazione di larghezza di impulso e avere una commutazione minima assolutamente nuda dei transistor e avere ancora una distorsione armonica totale estremamente piccola?

L'hardware non è molto complicato per questo. Hai solo bisogno di un circuito in grado di controllare indipendentemente 3 ponti H separati. Ho una distinta base per il mio circuito, così come il software e lo schema/pcb per il mio primo prototipo. Questi sono disponibili gratuitamente se mi invii un'e-mail a [email protected]. Non sono in grado di allegarli qui poiché non sono nel formato dati richiesto. Per leggere i file.sch e.pcb, dovrai scaricare Designspark PCB, che è gratuito.

Questo istruibile spiegherà principalmente la teoria del funzionamento, quindi puoi farlo anche se puoi cambiare quei ponti H nelle sequenze necessarie.

Nota: non so per certo se questo sia il più efficiente al mondo, ma potrebbe benissimo esserlo (il picco del 99,5% è piuttosto buono) e funziona.

Forniture:

13, o 13*2, o 13*3, o 13*4, … batterie a ciclo profondo da 12v

Un circuito elettronico molto semplice che può controllare indipendentemente 3 H-bridge. Ho realizzato un prototipo e sono felice di condividere il PCB e lo schema, ma puoi sicuramente farlo in modo diverso da come l'ho fatto io. Sto anche realizzando una nuova versione del PCB che sarà in vendita se qualcuno lo vorrà.

Passaggio 1: teoria del funzionamento

Hai mai notato che puoi generare gli interi -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 da

LA*1 + SI*3 + DO*9

dove A, B e C possono essere -1, 0 o +1? Ad esempio, se A = +1, B = -1, C = 1, ottieni

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

Quindi, quello che dobbiamo fare è creare 3 isole isolate di batterie. Nella prima isola ci sono 9 batterie da 12v. Nella prossima isola hai 3 batterie da 12v. Nell'isola finale hai 1 batteria da 12v. In una configurazione solare, ciò significa anche avere 3 MPPT separati. (Avrò molto presto un istruibile su un MPPT economico per qualsiasi tensione). Questo è un compromesso di questo metodo.

Per fare +1 su un ponte completo, spegni 1L, accendi 1H, spegni 2H e accendi 2L.

Per fare 0 su un ponte completo, spegni 1L, accendi 1H, spegni 2L e accendi 2H.

Per fare -1 su un ponte completo, spegni 1H, accendi 1L, spegni 2L e accendi 2H.

Per 1H, intendo il primo mosfet lato alto, 1L è il primo mosfet lato basso, ecc…

Ora, per creare un'onda sinusoidale, devi semplicemente cambiare i tuoi ponti H da -13 a +13, e poi di nuovo giù a -13, fino a +13, ancora e ancora e ancora. Tutto quello che devi fare è assicurarti che il tempo di commutazione sia fatto in modo che tu vada da -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 in 1/60 di secondo (1/50 di secondo in Europa!), e devi solo fare i cambiamenti di stato in modo che si conformi effettivamente alla forma di un'onda sinusoidale. In pratica stai costruendo un'onda sinusoidale con i lego di taglia 1.

Questo processo può essere effettivamente esteso in modo da poter generare gli interi -40, -39, …, +39, +40 da

LA*1 + SI*3 + DO*9 + RE*27

dove A, B, C e D possono essere -1, 0 o +1. In tal caso, potresti utilizzare un totale di, diciamo, 40 batterie al litio Nissan Leaf e produrre 240 V CA anziché 120 V CA. E in quel caso, le dimensioni dei lego sono molto più piccole. In questo caso ottieni un totale di 81 passaggi nella tua onda sinusoidale anziché solo 27 (-40, …, +40 vs -13, …, +13).

Questa configurazione è sensibile al fattore di potenza. La ripartizione della potenza tra le 3 isole è correlata al fattore di potenza. Ciò può influire su quanti watt dovresti mettere da parte per ciascuno dei 3 pannelli solari dell'isola. Inoltre, se il tuo fattore di potenza è davvero basso, è possibile che un'isola si carichi, in media, più che scarica. Quindi, è importante assicurarsi che il proprio fattore di potenza non sia orribile. La situazione ideale per questo sarebbe 3 isole di capacità infinita.

Passaggio 2: quindi, perché è così puzzolente efficiente?

La frequenza di commutazione è ridicolmente lenta. Per l'H-bridge che sta commutando le 9 batterie in serie, hai solo 4 cambi di stato in 1/60 di secondo. Per il ponte H che sta commutando le 3 batterie in serie, hai solo 16 cambi di stato in 1/60 di secondo. Per l'ultimo ponte H, hai 52 cambi di stato in 1/60 di secondo. Di solito, in un inverter, i mosfet commutano forse a 100 KHz o anche di più.

Successivamente, hai solo bisogno di mosfet classificati per le rispettive batterie. Quindi, per il ponte H a batteria singola, un mosfet da 40v sarebbe più che sicuro. Ci sono MOSFET 40v là fuori che hanno una resistenza ON inferiore a 0,001 Ohm. Per il ponte H a 3 batterie, puoi tranquillamente utilizzare mosfet 60v. Per il ponte H a 9 batterie, è possibile utilizzare mosfet da 150 V. Si scopre che il ponte ad alta tensione commuta meno spesso, il che è molto fortuito in termini di perdite.

Inoltre, non ci sono grandi induttanze di filtro, nessun trasformatore e le relative perdite del nucleo, ecc.

Passaggio 3: il prototipo

Sul mio prototipo ho utilizzato il microcontrollore dsPIC30F4011. Fondamentalmente commuta solo le porte che controllano i ponti H al momento opportuno. Non c'è ritardo per la generazione di una data tensione. Qualsiasi voltaggio desideri è disponibile in circa 100 nanosecondi. È possibile utilizzare 12 DC/DC isolati da 1 watt per commutare le alimentazioni dei MOSFET. La potenza nominale totale è di circa 10kW di picco e forse 6 o 7kw continui. Il costo totale è di poche centinaia di dollari per tutto.

In realtà è anche possibile regolare la tensione. Diciamo che l'esecuzione dei 3 ponti H in serie da -13 a +13 rende la forma d'onda AC troppo grande. Puoi semplicemente scegliere di correre da -12 a +12, o da -11 a +11, o qualsiasi altra cosa.

Una cosa del software che cambierei è, come puoi vedere dall'immagine dell'oscilloscopio, il tempo di cambio di stato che ho scelto non ha reso l'onda sinusoidale totalmente simmetrica. Vorrei solo regolare un po' la temporizzazione vicino alla parte superiore della forma d'onda. La bellezza di questo approccio è che puoi creare una forma d'onda CA di qualsiasi forma tu voglia.

Inoltre, potrebbe non essere una cattiva idea avere un piccolo induttore sull'uscita di ciascuna delle 2 linee CA e forse una piccola capacità da una delle linee CA all'altra, dopo i 2 induttori. Gli induttori consentirebbero all'uscita di corrente di cambiare un po' più lentamente, dando alla protezione da sovracorrente hardware la possibilità di attivarsi in caso di cortocircuito.

Notare che ci sono 6 fili pesanti in una delle immagini. Quelli vanno alle 3 isole della batteria separate. Poi ci sono 2 cavi pesanti che sono per l'alimentazione 120vAC.