Meest efficiënte off-grid zonne-omvormer ter wereld - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Zonne-energie heeft de toekomst. Panelen kunnen tientallen jaren meegaan. Laten we zeggen dat je een off-grid zonnestelsel hebt. Je hebt een koelkast / vriezer en een heleboel andere dingen om te draaien in je prachtige afgelegen hut. Je kunt het je niet veroorloven om energie weg te gooien! Het is dus zonde als je 6000 watt aan zonnepanelen de komende 40 jaar als pakweg 5200 watt aan het stopcontact belanden. Wat als u alle transformatoren zou kunnen elimineren, zodat een 6000 Watt zuivere sinusomvormer voor zonne-energie slechts een paar kilo zou wegen? Wat als je alle pulsbreedtemodulatie zou kunnen elimineren, en absoluut absoluut minimaal schakelen van de transistors, en nog steeds een extreem kleine totale harmonische vervorming hebt?

De hardware is hiervoor niet erg ingewikkeld. Je hebt alleen een schakeling nodig die onafhankelijk 3 aparte H-bruggen kan aansturen. Ik heb een stuklijst voor mijn circuit, evenals de software en het schema / pcb voor mijn eerste prototype. Die zijn gratis beschikbaar als je me een e-mail stuurt op [email protected]. Ik kan ze hier niet bijvoegen omdat ze niet in het vereiste gegevensformaat zijn. Om de.sch- en.pcb-bestanden te kunnen lezen, moet u Designspark PCB downloaden, dat gratis is.

Deze instructable gaat voornamelijk de werkingstheorie uitleggen, dus je kunt dit ook maken, zolang je die H-bruggen in de benodigde reeksen kunt schakelen.

Opmerking: ik weet niet zeker of dit de meest efficiënte ter wereld is, maar het zou heel goed kunnen zijn (99,5% piek is behoorlijk verdomd goed), en het werkt.

Benodigdheden:

13, of 13*2, of 13*3, of 13*4, … 12v deep cycle batterijen

Een zeer eenvoudige elektronische schakeling die onafhankelijk 3 H-bruggen kan besturen. Ik heb een prototype gemaakt en deel graag de PCB en het schema, maar je kunt het zeker anders doen dan hoe ik het deed. Ik ben ook bezig met het maken van een nieuwe versie van de PCB die te koop zal zijn als iemand hem wil hebben.

Stap 1: Theorie van de werking

Is het je ooit opgevallen dat je de gehele getallen -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 kunt genereren uit

A*1 + B*3 + C*9

waarbij A, B en C -1, 0 of +1 kunnen zijn? Bijvoorbeeld, als A = +1, B = -1, C = 1, krijg je

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

Dus wat we moeten doen is 3 geïsoleerde eilanden van batterijen maken. Op het eerste eiland heb je 9 12v accu's. Op het volgende eiland heb je 3 12v accu's. In het laatste eiland heb je 1 12v batterij. In een zonne-opstelling betekent dat ook het hebben van 3 afzonderlijke MPPT's. (Ik zal binnenkort een instructable hebben over een goedkope MPPT voor elke spanning). Dat is een afweging van deze methode.

Om +1 te maken op een volledige brug, zet je 1L uit, zet je 1H aan, zet je 2H uit en zet je 2L aan.

Om 0 te maken op een volledige brug, zet je 1L uit, zet je 1H aan, zet je 2L uit en zet je 2H aan.

Om -1 te maken op een volledige brug, zet je 1H uit, zet je 1L aan, zet je 2L uit en zet je 2H aan.

Met 1H bedoel ik de eerste mosfet aan de hoge kant, 1L is de eerste mosfet aan de lage kant, enz …

Om nu een sinusgolf te maken, verander je gewoon je H-bruggen van -13 tot +13, en terug naar -13, tot +13, steeds weer opnieuw. Het enige wat u hoeft te doen is ervoor te zorgen dat de timing van het schakelen zo is dat u van -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 in 1/60 seconde (1/50 seconde in europa!), en je hoeft alleen maar de toestanden te wijzigen zodat het daadwerkelijk overeenkomt met de vorm van een sinusgolf. Je bouwt in feite een sinusgolf uit lego's van maat 1.

Dit proces kan zelfs worden uitgebreid, zodat u de gehele getallen -40, -39, …, +39, +40 kunt genereren uit

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

waarbij A, B, C en D -1, 0 of +1 kunnen zijn. In dat geval zou je in totaal bijvoorbeeld 40 Nissan Leaf lithiumbatterijen kunnen gebruiken en 240vAC maken in plaats van 120vAC. En dan zijn de legomaten veel kleiner. U krijgt in dit geval in totaal 81 stappen in uw sinusgolf in plaats van slechts 27 (-40, …, +40 vs -13, …, +13).

Deze opstelling is gevoelig voor de arbeidsfactor. Hoe het vermogen over de 3 eilanden wordt verdeeld, hangt samen met de arbeidsfactor. Dat kan van invloed zijn op hoeveel watt je moet reserveren voor elk van de 3 eilandzonnepanelen. Als uw arbeidsfactor echt slecht is, is het mogelijk dat een eiland gemiddeld meer oplaadt dan ontlaadt. Het is dus belangrijk om ervoor te zorgen dat uw arbeidsfactor niet verschrikkelijk is. De ideale situatie hiervoor zou 3 eilanden met oneindige capaciteit zijn.

Stap 2: Dus, waarom is dit zo stinkend efficiënt?

De schakelfrequentie is belachelijk traag. Voor de H-brug die de 9 batterijen in serie schakelt, heb je maar 4 toestandswisselingen in 1/60 seconde. Voor de H-brug die de 3 batterijen in serie schakelt, heb je slechts 16 toestandswisselingen in 1/60 seconde. Voor de laatste H-brug heb je 52 toestandsveranderingen in 1/60 seconde. Gewoonlijk schakelen de mosfets in een omvormer met misschien 100 KHz of zelfs meer.

Vervolgens hebt u alleen mosfets nodig die geschikt zijn voor hun respectievelijke batterijen. Dus voor de H-bridge met één batterij zou een 40v mosfet meer dan veilig zijn. Er zijn 40v MOSFET's die een AAN-weerstand hebben van minder dan 0,001 Ohm. Voor de 3 batterij H-bridge kun je veilig 60v mosfets gebruiken. Voor de 9 batterij H-bridge kun je 150v mosfets gebruiken. Het blijkt dat de hogere spanningsbrug het minst vaak schakelt, wat erg toevallig is in termen van verliezen.

Bovendien zijn er geen grote filterinductoren, geen transformatoren en de bijbehorende kernverliezen, enz …

Stap 3: Het prototype

Op mijn prototype heb ik de microcontroller dsPIC30F4011 gebruikt. Het schakelt in feite gewoon de poorten die de H-bruggen besturen op het juiste moment. Er is geen vertraging voor het genereren van een bepaalde spanning. Elke gewenste spanning is beschikbaar in ongeveer 100 nanoseconden. U kunt 12 1-watt geïsoleerde DC/DC's gebruiken voor het schakelen van de MOSFET-voedingen. Het totale vermogen is ongeveer 10 kW piek, en misschien 6 of 7 kW continu. De totale kosten zijn een paar honderd dollar voor alles.

Het is eigenlijk ook mogelijk om de spanning te regelen. Laten we zeggen dat het draaien van de 3 H-bruggen in serie van -13 tot +13 de AC-golfvorm te groot maakt. Je kunt er gewoon voor kiezen om in plaats daarvan van -12 tot +12 te lopen, of -11 tot +11, of wat dan ook.

Een software-ding dat ik zou veranderen, is, zoals je kunt zien aan de oscilloscoop-afbeelding, de timing van de verandering van de toestand die ik heb gekozen, maakte de sinusgolf niet volledig symmetrisch. Ik zou gewoon de timing bij de bovenkant van de golfvorm een beetje aanpassen. Het mooie van deze aanpak is dat je een AC-golfvorm kunt maken van elke gewenste vorm.

Het is misschien ook geen slecht idee om een kleine spoel aan de uitgang van elk van de 2 AC-lijnen te hebben, en misschien een kleine capaciteit van een van de AC-lijnen naar de andere, na de 2 inductoren. De inductoren zouden de stroomuitgang iets langzamer laten veranderen, waardoor de hardware-overstroombeveiliging de kans krijgt om te activeren in het geval van een kortsluiting.

Merk op dat er 6 zware draden in een van de foto's zijn. Die gaan naar de 3 aparte batterij-eilanden. Dan zijn er nog 2 zware draden die voor de 120vAC stroom zijn.