Hallo,
für eine aktuelle Anwendung möchte ich einen MPPT an einer 45W 17V
Solarzelle betreiben. ich habe da aber noch ein paar Probleme mit dem
Verständnis der Wirkweise.
Ich möchte einen 12V Bleiakku laden, welcher jede Nacht auf rund 25 bis
33% entladen wird. Der MPPT sucht also um etwa 17Volt nach dem Punkt, an
dem die Zelle die meiste Leistung abgibt und regelt dann auf welche
Ausgangsspannung? Vmtl auf die voreingestellte Ladeschlussspannung? Was
passiert, wenn der Akku geladen ist und er nahezu keinen Strom mehr
aufnimmt? Was passiert, wenn das Panel völlig verschattet ist? wenn die
Ausgangsspannung niedriger ist, als die eingestellte Ausgangsspannung
wird einfach direkt durchgeschaltet richtig?
wie ist der einfachste Aufbau für solch einen Tracker in Sachen
Hardware?
Möchte das ganze mit einem kleinen Mikrocontroller wie attiny13
realisieren. Vom Programmcode sollte das sicherlich machbar sein, hab
den Grundablauf dazu auch schon gefunden.
Die Maximale Leistung abgeben bedeutet, da die Elektronik ja nichts fuer
sich behaelt, automatsch, dass dschon die richtige ausgangsspannung
erreicht wird. Das ist in der Tat einer festen Ladeschlussspannung
widersprechend. Also rechnet man aufgrund des MPPT algorithmusses einen
PWM. Dann, falls die maximale Ausgangsspnnung erreicht wurde, nimmt man
den PWM zurueck. Diesem modewechsel muss man sich merken.
Also baue ich einen einfachen Step- Down- Wandler und muss dann in
meinem Programmcode bei erreichen der Ladeschlussspannung die Suche nach
dem Maximum Power Point beenden?!
Henk schrieb:> Also baue ich einen einfachen Step- Down- Wandler und muss dann in> meinem Programmcode bei erreichen der Ladeschlussspannung die Suche nach> dem Maximum Power Point beenden?!
Genau. Wenn Uout < Uout_max, dann MPPT. Ansonsten: Aus oder
Erhaltungsladung.
Und tu dir einen Gefallen und nimm einen Tiny25 \ 45 \ 85 statt dem
Tiny13.
Mit Fast-PWM (über 64MHz PLL) kriegst du auch 250kHz oder 125kHz für den
Step-Down hin => kleinere Drossel.
Und mit dem integriertem 20x ADC-Vorverstärker sparst du dir einen extra
OpAmp, oder kommst mit einem viel kleinerem Shunt aus.
Ah ja, das ist eine gute Idee mit dem anderen Prozessor. Bei einem Step-
Down schalte ich aber ja zyklich das Solarpanel an und aus? Dann kann
doch aber bei einem DutyCycle von 50% die Leistungsausbeute niemals über
50% liegen?
ich glaub es fehlt noch ein Stück des Puzzles in meinem Kopf. Nur Panel,
Step- Down- Wandler und Akku können nicht reichen.
> Bei einem Step- Down schalte ich aber ja zyklich das Solarpanel an> und aus? Dann kann doch aber bei einem DutyCycle von 50% die> Leistungsausbeute niemals über 50% liegen?
Als kleine Denkhilfe:
Am Eingang eines Schaltwandlers ist ein Pufferkondensator.
Entweder fließt der Strom vom Panel in die Spule (Schalter ein) oder in
den Eingangskondensator (Schalter aus). Es fließt aber immer Strom vom
Panel in den Schaltwandler.
Achso ja, das hatte ich dann wohlmissachtet, war zu sehr auf die
Prinzipschaltung fixiert
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html#down
Ich messe also nun den Strom zwischen Eingangelko und Step-Down, sowie
die Spannung dort und regele damit den Duty-Cycle Richtung höchster
Leistung. Mir ist aber noch immer nicht recht klar, wie sich dann die
gewollte Ausgangsspannung einstellt. In den "Prinziperklärungen" über
MPPT wird immer nur gesagt, dass die Eingangsleistung die einzig
wichtige Größe sei.
Wäre es nicht allgemein einfacher einen MPPT als Step-up von einer "12V-
Zelle" auf beispielsweise 24V- Akkusystem aufzubauen?
Du kannst das ganze auch von hinten aufziehen: PWM so regeln, dass die
maximale Leistung herauskommt, darauf kommt es ja an.
Die Ausgangsspannung ergibt sich durch deren (nicht lineare) Kennlinie.
Ist eine Art Impedanzanpassung ("match box").
Ein sehr wichtiges (und dennoch oft unbedachtes) Thema bei allen
Wirkungsgrad-Optimierungen, in allen Bereichen der Technik.
Ob du abwärts- oder aufwärts wandelst ist nahezu nebensächlich.
Teil-Abschattung ist ein wichtiger Punkt. Da gibt es sogar eine
patentierte Schaltung (von www.ST.com), die das berücksichtigt. Jedes
Solarmodul hat seinen eigenen Wandler, der so geregelt wird, dass am
Gesamtausgang die maximale Leistung herauskommt.
Das Problem bei normaler Reihenschaltung ist nämlich, dass bei
ungleicher Bestrahlung evtl. ein Großteil der geernteten Leistung im
dunkelsten Modul in Wärme umgewandelt wird.
1. nicht gut für den Gesamtwirkungsgrad
2. gar nicht gut für die Lebensdauer des dunkelsten Modules.
Wird z.B. beim BMW-Werk München verwendet, da dort der benachbarte
Olympiaturm die Module beschattet.
Hat hierfür jemad einen Link (konnte auf die Schnelle nichts finden)?
Ich arbeite erstmal nur mit einem Modul, daher ist das mit der
Abschattung recht unproblematisch. Ich will die Schaltung ja auch so
einfach und billigst wie irgendwie möglich halten um dann bei
Erweiterung um weitere Module je eine Schaltung pro Modul einsetzen zu
können und diese alle dann parallel auf einen Akku(satz) wirken zu
lassen.
Aber das mit der Ausgangsspannung versteh ich leider noch immer nicht
ganz. Normale Schaltregler versuchen ja eben gerade eine bestimmte
Ausgangsspannung bei unbestimmter Eingangsspannung zu erreichen. Wenn
ich nun nur auf Eingangsspannung bzw. Eingangsleistung regele ist der
Stromfluss auf der sekundären Seite doch eigentlich "immer" lückend
oder?
Meine *Meinung*:
P_in ~= P_out bis auf Wirkungsgradverluste.
Angenommen, P_in ist konstant, was für jeden kurzen Zeitabschnitt
gegeben ist. Dann ist P_in ~= P_out = U_out * I_out. Falls man U_out
konstant hält, müsste sich I_out ändern um die Leistung auf zu fangen.
Das geht aber nicht, weil I_out = U_out / R_last von der Last abhängig
ist und nicht vom MPP bei konstantem U_out geregelt werden kann.
Ich würde also U_out regeln, so dass U_out * I_out = U_out^2 / R_last
möglichst groß ist. Sozusagen eine Stromquelle, bei der der Strom sich
immer ändert, je nachdem wieviel Leistung verfügbar ist. Je nach Last
beschränkt man die Spannung noch nach oben.
wenn ich mich nicht tierisch verhauen habe, sollte das hier schon
ungefähr der entsprechende Code sein?! (gehasstes BASCOM)
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'Den verwendeten µC nennen
$regfile = "attiny25.dat"
'Angeben mit welcher Frequenz der µC arbeitet
$crystal = 1000000
'Ausgänge einstellen
Config Portb.4 = Output
'Timer auf PWM-Modus stellen
Config Timer1 = Pwm , Pwm = 8 , Prescale = 8 , Compare A Pwm = Clear
Down
'Die Timer freigeben
Enable Timer1
'Die Timer starten
Start Timer1
'Die PWM-Register zuweisen
Dcfet Alias Ocr1a
'Pwm- Register vorladen
Dcfet = 50
'Variablen definieren
Dim Pold As Word
Dim Pnew As Word
Dim Volts As Word
Dim Amps As Word
'Variablen vorladen
Volts = Getadc(0)
Amps = Getadc(1)
Pnew = Volts * Amps
Pold = Pnew
'Hauptprogramm
Do
Volts = Getadc(0)
Amps = Getadc(1)
Pnew = Volts * Amps
If Pnew > Pold Then Incr Dcfet Else Decr Dcfet
Pold = Pnew
Loop
End
Henk schrieb:> wenn ich mich nicht tierisch verhauen habe, sollte das hier schon> ungefähr der entsprechende Code sein?
So in etwa.
Wg. eingangs- und Ausgangskondensatoren kann es noch nötig sein, die
Regelschleife etwas abzubremsen, damit es nicht das schwingen anfängt.
=> Ausprobieren, ein Sleep oder Delay oder wie auch immer das in Bascom
heist in die Schleife.
Und für das Ladeende: noch die Ausgangsspannung messen, "If
OutVolts>BatteryFull Decr Dcfet"
Das ganze wird noch durch natürliches "beschäftigen des Prozessors"
verlangsamt werden. Wenn ich sowas schon drin hab soll er mir auch noch
über irgendeinen Bus seine Daten ausgeben können. ;-)
Wenn ich grad irgendwelche MosFet- Treiber da hätte würd ich versuchen
das ganze schonmal auf Lochraster aufzubauen. Vielleicht jemand ne
Empfehlung für nen einfachst- Treiber für den FET?
Hm... eine Frage hab ich doch noch. Nehmen wir an, der Maximalstrom aus
dem Panel ist höher als das, was ich dem Akku als Ladestrom zumuten mag
aber es gibt zusätzliche (nicht speichernde) Verbraucher am Akku, welche
diesen Strom aufnehmen würden. Begrenze ich den Strom in den Akku dann
einfach mit einem Vorwiderstand?
Henk schrieb:> Hm, da sind die Konstrukteure von MPPT´s aber wohl anderer Meinung. =)
Hallo Henk,
kannst du mir sagen was an meinen Gedankengang falsch ist? Ich habe es
extra als meine Meinung gekennzeichnet um niemanden auf die falsche
Fährte zu locken und um Feedback zu bekommen.
@Anon
Dein Gedankengang stimmt schon. Nur ist das einfachste Ersatzbild für
einen Akku ein Widerstand mit einer Spannungsquelle Ui. Die Leistung,
die vom Akku aufgenommen wird ist dann Ilade*(UAStepdown-Ui) oder
Ri*Ilade*Ilade. Ziel ist es hier ja den Akku zu laden. Deshalb wäre es
sinnvoll den StepDownWandler so zu regeln dass der Ladestrom maximal
wird. Es stellt sich dann auch die maximale Leistung ein. Die
Akkuspannung muss, wie Du schon geschrieben hast bei der
Ladeschlussspannung begrenzt werden. Der Strom aus dem Panel geht dann
langsam gegen Null und der StepDown arbeitet nicht mehr im MPP.
Zusätzliche Verbraucherströme könnten mit einem zweiten
StepDownController angeschlossen werden.
Um das ganze also bestmöglich zu betreiben benötige ich getrennte
Schaltungen für Akkuladung und Verbraucherbetrieb? Wuaaah das wird ja
immer kostenintensiver, da komm ich ja langsam auf Ammortisationszeiten
um 2 Jahre. Das gefällt mir irgendwie nicht so recht...
Ääh moment mal, glaub ich habe da einen Denkfehler. Wenn ich die
Verbraucher nur über den Akku betreibe wird er ja entladen und somit
fängt der MPPT sofort wieder an vom Panel Leistung zu holen. Also
brauche ich doch gar keinen zusätzlichen Wandler?!
Nachtrag: Und bei einem Step-Down- Converter ist die Masse des Eingangs
ja nicht gleich der Masse des Ausgangs?! Bedeutet also, ich darf nicht
die Ausgangsspannung mit meinem Mikrocontroller messen?
Ich blicke es auch nicht so ganz.
Folgende Vorraussetzungen/Annahmen:
- PWM Step-Down Converter (eigentlich egal ob up or down)
- konstante Ausgangsspannung für den Akku
- konstante Last durch Akku
- Eingangsstrom wird von Eingangsspannung abhängig gemacht (eben MPP)
Mit der PWM kann ich doch nur eine Größe regeln, entweder
Ausgangsspannung oder Strom. Aber die Ausgangsspannung muss ja
einigermaßen konstant sein.
Bräuchte ich da nicht zusätzlich - um die Eingangssparameter für den MPP
einstellen zu können - ein zusätzliches Stellglied zur
Ausgangsstrombegrenzung?
Entweder regele ich mit der PWM die Ausgangsspannung, habe aber keine
Kontrolle über den Ausgangsstrom - und somit nicht über die
Eingangsleistung...
Ah, oder schalte ich den Converter zur Strombegrenzung im Burst-Betrieb,
also mal für ein paar PWM-Zyklen an und wieder aus? Hmmm.... klingt
nicht so optimal.
Gibt's da nicht was schöneres um den Ausgangsstrom zu drosseln?
Rechenbeispiel:
MMP:
Eingangsspannung StepDownWandler: 17V
Strom nach Solarmodulkennlinie sei: 2A
Der Akku soll mit maximalem Strom geladen werden und hat momentan 12V.
Die erforderliche Ladespannung ist jetzt stromabhängig und stelle sich
bei 14V ein.
Wenn weiter angenommen wird, dass der Wirkungsgrad des StepDownWandlers
100% ist, können wir bei 14V mit einem Ladestrom von 17V*2A/14V=2,43A
rechnen.
Die PWM wird so geregelt, dass der Akkuladestrom maximal ist (hier die
2,43A).
Ohne StepDownWandler hätten wir nach der Modulkennlinie vielleicht nur
2,2A Ladestrom.
Da der Wirkungsgrad des Converters eher bei 90% oder schlechter liegt,
sollte man schon genau nachrechnen, ob sich hier ein StepDownWandler
lohnt.
Danke @ noname
dann habe ich doch etwas verstanden ;)
Das Problem bei Bleiakkus ist, dass diese gegen Ladeende nicht mehr viel
Leistung aufnehmen: Spannung ~14,4V, I -> 0. Natürlich kann dann hier
auch nicht mehr die maximale Leistung aus dem Modul entnommen werden.
Ich hatte bei meinen Ausführungen allgemein an MPP gedacht, wie z.B. bei
Windgeneratoren. Die Leistung die der Bleiakku nicht braucht könnte man
weiterhin verwenden, z.B. für ein Heizelement.
@Henk
wegen den verschiedenen Massen: Ein stepdown wandler wird extrem
einfach, wenn man die lowside schaltet. Das gemeinsamme Potential ist
dann Plus. Das Minus als gemeinsame Masse verwendet wird ist nur
Konvention. Strom muss sowieso differentiell gemessen werden, Spannung
muss dann leider auch differentiell gerechnet werden.
Wegen den verschiedenen Wandlern: Braucht man IMO nicht. Der Bleiakku
soll ja eh als Puffer verwendet werden. Du kannst ja eine proportionale
Unterspannungsabschaltung basteln, die die Ausgangsleistung von deinem
zweiten Wandler zwischen 13V - 13,8V linear steuert. Je nach Verbraucher
;)
