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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Beitreiben einer Solarzelle im Leistungsmaximum


Autor: Thomas Walter (firefox)
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Um meine Mikrocontrollerkenntnisse zu festigen und um mal langsam in
sinnvolle Projekte einzusteigen habe ich mir eine neue Aufgabe
überlegt.

Mein Vater hat hier von unserem Wohnmobil noch eine alte Solarzelle
rumliegen (~0,5m²). Diese möchte ich nun an eine Last (einfach ein
Widerstand) anschließen und diese mit einem Mikrocontroller so regeln,
dass die Solarzelle immer im Leistungsmaximum läuft. (also keine DC/DC
Wandler usw.)

Folgendes hab ich mir mal überlegt:

Zunächst möchte ich die Kennlinien verschiedener Sonneneinstrahlungen
aufnehmen. Wenn ich darüber dann die Leistungshyperbeln auftrage, dann
erhalte ich grafisch den Punkt der maximalen Leistung. In diesen Punkt
möchte ich einregeln.

Da ich schlecht die Leistung messen kann, muss ich wohl mit dem µC die
Kennlinie aufnehmen und die Leistung im µC berechnen. Ich taste die
Kennlinie solange ab, bis die berechnete Leistung wieder kleiner wird.
Den Vorgang wiederhole ich im Sekunden Takt.

Nun die Fragen an euch:
- sind meine Gedanken im Grundsatz richtig oder falsch?
- reicht die Wandelung jede Sekunde?
- wie bringe ich die Kennlinie in den PC (Spannungsteiler am A/D Pin?)
- wie verändere ich den WIderstand der Last mit einem µC

Autor: MisterSolar (Gast)
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Wieso kannste die Leisrung nicht messen ?
P = U x I

U ist messbar und I eigentlich auch.
Dann so regeln, dass P maximal wird.

Autor: chrigu (Gast)
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Ich würde die Last über einen Transistor mit einem PWM Signal (welches
vom uC generiert wird)schalten.
Ausserdem kannst du der Last in Serie ein kleiner Widerstand
zuschalten.
Mit dem uC die Spannung über der Last (ULast), und die Spannung über
dem Seriewiderstand (I = Userie/Rserie) messen. So erhälst du dann die
Leistung (P=ULast*I).
Die Software muss nun das PWM Signal solange anpassen, bis die grösste
Leistung erreicht wird.
Die Problematik in diesem Beispiel liegt beim Schalter(müsste eine Art
Schaltregler sein, damit die Spannung gemittelt wird).
Das PWM Signal müsste eine Frequenz von mehrere kHz haben.
Vielleicht konnte ich dir weiterhelfen.
Gruss
chrigu

Autor: Techniker (Gast)
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Öhm... Und was willst du mit der "Leistung" machen?
Verheizen? :)

Autor: David (Gast)
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Hallo;

im allgemeinen wird das im MPP-Reglern wie schon im zweiten Beitrag
geschrieben gemacht;
Du musst die Spannung und den Strom messen (Shunt) und dann wenn die
Leistung maximal ist dort "verharren" bis eine Veränderung der
Beleuchtungsverhältnisse oder der Last eintritt;
Das mit der Kennlinie aufnehmen wird sehr schwierig da die Solarzelle
kein lineares Bauteil ist und sehr viele Kennlinien zudem hat=abhängig
von der Beleuchtungsstärke und von der Last

mfG
David

Autor: Gast (Gast)
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Der Shunt ist bei einem Widerstand als Verbraucher völlig unnötig, da
sich der Strom aus der gemessenen Spannung und dem bekanntem
Widerstandswert berechnen lässt. Für die Berechnung der Leistung muss
dann noch die Einschaltdauer der PWM Regelung berücksichtigt werden.

Zum schnellen Aufnehmen der Kennlinie könnte man vielleicht auch einen
entladenen Kondensator über einen Mosfet mit der Solarzelle verbinden.
Zu beginn hat man wegen der Kondensatorspannung von 0V den
Kurzschlusstrom der Solarzelle. Während der Kondensator geladen wird,
wird die gesamte Kennlinie der Solarzelle mit dem ADC aufgezeichnet.
Zur Strommessung kann man entweder einen Shunt einbauen (genauer) oder
die Geschwindigkeit der Spannungsänderung und die bekannte Kapazität
des Kondensators verwenden (ungenau). Während der Messung muss die
restliche Schaltung von der Solarzelle getrennt werden. Die Methode
kann man noch etwas optimieren, indem der Mosfet kurz nach Erreichen
der maximalen Leistung abschaltet und der Kondensator mit einem relativ
großen Widerstand bis zur nächsten Messung nur zum Teil entladen wird.
Ein Aufnehmen der Kennlinie ist normalerweise alle 5 Sekunden
ausreichend. Wenn sich die Spannung am Modul deutlich ändert, kann eine
zusätzliche Messung eingeschoben werden.

Autor: Thomas Walter (firefox)
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Sorry, habe mich da oben etwas vertippt. Die Kennlinie möchte ich nicht
aufzeichnen.

Ziel ist es wirklich erst einmal die Last immer so zu regeln, dass die
Solarzelle maximal belastet wird.

Wie ich nun aber die Last via PWM anpassen soll, habe ich nicht ganz
verstanden.
Ungefähr so?
Spannung mit Transistor (PWM) verändern, dabei Strom über den kleinen
Serienwiderstand messen und Leistung berechnen. Ist die Leistung
maximal, dann ist der richtige Punkt gefunden.
So richtig verstanden?

Autor: chrigu (Gast)
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Hallo Thomas,
"Gast" hat natürlich recht, fals du immer den gleichen Lastwiderstand
oder Verbraucher einsetzen wilst, braucht es den Shuntwiderstand zur
Strommessung nicht. Du kannst die Leistung auch mit P=U^2/R berechnen.

Im Prinzip kannst du dir folgendes Vorstellen:
Um die maximale Leistung aus einer Sollarzelle (oder jeder anderer
Spannungsquelle) zu entnehmen, muss der Lastwiderstand gleichgross wie
der Innenwiderstand der Quelle sein. (Leistungsanpassung).
Das Problem ist nun, dass sich der Innenwiderstand der Solarzelle
ständig verändert.
Anstatt dass du den Lastwiderstand immer anpasst(was hier ja nicht
sinnvoll/machbar ist), belastest du die Quelle nur für eine gewisse
Zeit (PWM)
Beispiel: Lastwiderstand 10 Ohm, Innenwiderstand Sollarzelle 20 Ohm
-> PWM 50% Impulsdauer. Damit verhält sich die Last im Mittel wie 20
Ohm!
Das Prinzip, wie du es beschreibst ist korrekt. Nur musst du dir im
klaren sein, dass wenn du nur ein Transistor einsetzt, die Spannung
schwankt. Um die Spannung stabil zu halten, müsstest du einen
Schaltregler bauen. Aber für erste versuche sollte es auch mit dem
Transistor funktionieren.
Gruss chrigu

Autor: Anton Wert (Gast)
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Als Einwurf: Die Leistung am Lastwiderstand kann auch durch P = U ^2 / R
berechnet werden.

Und denkt daran dass sich die Modulleistung nicht nur durch geänderte
Lichteinstrahlung ändert, sondern auch mit änderung der Modultemperatur
schwankt.

Autor: Thomas Walter (firefox)
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Hallo chrigu,

ich glaube ich stehe gerade etwas auf dem Schlauch. Das mit dem
Schaltregler ist mir nicht ganz klar.

Wenn ich das richtig verstanden habe, muss der Lastwiderstand so groß
sein wie der maximale Zellenwiderstand. Um nun die Last kleiner zu
bekommen würde ich dann wie bereits angesprochen auf PWM zurückgreifen
und einen Transistor als Step-Down Wandler einsetzen. Was meinst du mit
"Die Spannung schwankt"?

Autor: chrigu (Gast)
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Hallo Thomas,
zuerst etwas zum Lastwiderstand. Vielleicht hast du mich nicht richtig
verstanden, oder du hasst es falsch formuliert.
Der Lastwiderstand muss immer gleichgross sein wie der
Zellenwiderstand, und nicht gleich des maximalen Zellenwiderstand.

Wenn du mit dem Transistor direkt die Last schaltest, erhält die Last
eine Rechteckspannung und kein DC. Das kann eventuell unerwünscht sein,
deshalb müsstest du einen Schaltregler entwickeln, welcher eine
Gelichspannung erzeugt.
Fals du aber nur ein Widerstand als Last einsetzen willst, geht es auch
ohne Schaltregler. Das Problem ist dann die Leistungsmessung, die musst
du mehrmals pro PWM Periode durchführen, damit du die mittlere Leistung
erhälst, mit Schaltregler nur einmal, da die mittlere Leistung ständig
anliegt.
gruss chrigu

Autor: Profi (Gast)
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Das Such-Stichwort heißt MPT (Maximum Power Tracker).
Das ist ein Step-Down- oder ein Step-Up-Converter oder eine Mischung
daraus.
Es ist sozusagen ein Transformator mit variablem Übersetzungsverhältnis
(Solarspannung : Ausgangsspannung), das so eingestellt wird, dass die
meiste Leistung übertragen wird.

In die Überlegung muss auch eingehen, ob Du damit eine konstante
Ausgangsspannung erreichen willst, oder z.B. einen Akku laden willst
(dessen Innenwiderstand ebenfalls von etlichen Faktoren abhängt).

Der Innenwiderstand hängt auch vom Spektrum, der Temperatur, dem Alter,
der Homogenität und dem Einfallswinkel der Bestrahlung ab.

Autor: Thomas Walter (firefox)
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Ich hab mal zusammen gefasst wie der Leistungsteil aussehen könnte.
(siehe Anhang)

Klappt das so oder habt ihr das anders gemeint?

Autor: Thomas Walter (firefox)
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Die Bauteilwerte im Bild sind natürlich Blödsinn. Der Plan stellt nur
mal das Prinzip dar.

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