O inversor solar fora da rede mais eficiente do mundo: 3 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

A energia solar é o futuro. Os painéis podem durar muitas décadas. Digamos que você tenha um sistema solar fora da rede. Você tem uma geladeira / freezer e um monte de outras coisas para executar em sua bela cabine remota. Você não pode se dar ao luxo de desperdiçar energia! Portanto, é uma pena quando seus 6.000 watts de painéis solares terminem em, digamos, 5200 watts na tomada CA pelos próximos 40 anos. E se você pudesse eliminar todos os transformadores, de forma que um inversor solar de onda senoidal pura de 6000 watts pesasse apenas alguns quilos? O que aconteceria se você pudesse eliminar toda a modulação de largura de pulso e ter um chaveamento mínimo absoluto dos transistores e ainda assim ter uma distorção harmônica total extremamente pequena?

O hardware não é muito complicado para isso. Você só precisa de um circuito que possa controlar independentemente 3 pontes H separadas. Tenho uma lista de materiais para meu circuito, bem como o software e o esquema / pcb para meu primeiro protótipo. Eles estão disponíveis gratuitamente se você me enviar um e-mail para [email protected]. Não posso anexá-los aqui porque não estão no formato de dados exigido. Para ler os arquivos.sch e.pcb, você precisará baixar o Designspark PCB, que é gratuito.

Este instrutível irá principalmente explicar a teoria da operação, então você pode fazer isso também, contanto que você possa trocar essas pontes H nas sequências necessárias.

Observação: não sei ao certo se este é o mais eficiente do mundo, mas pode muito bem ser (pico de 99,5% é muito bom) e funciona.

Suprimentos:

13, ou 13 * 2, ou 13 * 3, ou 13 * 4, … baterias de ciclo profundo de 12v

Um circuito eletrônico muito básico que pode controlar independentemente 3 pontes H. Fiz um protótipo e estou feliz em compartilhar o PCB e o esquema, mas você certamente pode fazer isso de forma diferente de como eu fiz. Também estou fazendo uma nova versão do PCB que estará à venda se alguém quiser.

Etapa 1: Teoria de Operação

Você já percebeu que pode gerar os inteiros -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 a partir de

A * 1 + B * 3 + C * 9

onde A, B e C podem ser -1, 0 ou +1? Por exemplo, se A = +1, B = -1, C = 1, você obtém

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

Então, o que precisamos fazer é fazer 3 ilhas isoladas de baterias. Na primeira ilha, você tem 9 baterias de 12v. Na próxima ilha você tem 3 baterias de 12v. Na ilha final você tem 1 bateria de 12v. Em uma configuração solar, isso significa também ter 3 MPPTs separados. (Terei um instrutível em um MPPT barato para qualquer voltagem muito em breve). Essa é uma compensação desse método.

Para fazer +1 em uma ponte completa, você desliga 1L, liga 1H, desliga 2H e liga 2L.

Para fazer 0 em uma ponte completa, você desliga 1L, liga 1H, desliga 2L e liga 2H.

Para fazer -1 em uma ponte completa, você desliga 1H, liga 1L, desliga 2L e liga 2H.

Por 1H, quero dizer o primeiro mosfet high side, 1L é o primeiro mosfet low side, etc …

Agora, para fazer uma onda senoidal, você apenas muda suas pontes H de -13 para +13, e de volta para -13, até +13, repetidamente. Tudo que você precisa fazer é certificar-se de que o tempo de comutação seja feito de modo que você vá de -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 em 1/60 de segundo (1/50 de segundo na Europa!), E você apenas tem que fazer as mudanças de estados para que ele realmente se adapte ao formato de uma onda senoidal. Você está basicamente construindo uma onda senoidal de legos de tamanho 1.

Este processo pode realmente ser estendido para que você possa gerar os inteiros -40, -39, …, +39, +40 de

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

onde A, B, C e D podem ser -1, 0 ou +1. Nesse caso, você poderia usar um total de, digamos, 40 baterias de lítio Nissan Leaf e produzir 240vAC em vez de 120vAC. E, nesse caso, os tamanhos do lego são muito menores. Você obtém um total de 81 etapas em sua onda senoidal neste caso, em vez de apenas 27 (-40,…, +40 vs -13,…, +13).

Esta configuração é sensível ao fator de potência. A forma como a potência se divide entre as 3 ilhas está relacionada ao fator de potência. Isso pode afetar quantos watts você deve reservar para cada um dos três painéis solares da ilha. Além disso, se o seu fator de potência for muito ruim, é possível que uma ilha esteja, em média, carregando mais do que descarregando. Portanto, é importante ter certeza de que seu fator de potência não é horrível. A situação ideal para isso seriam 3 ilhas de capacidade infinita.

Etapa 2: Então, por que isso é tão fedorento e eficiente ?

A frequência de comutação é ridiculamente lenta. Para a ponte H que está trocando as 9 baterias em série, você tem apenas 4 mudanças de estado em 1/60 de segundo. Para o H-brirdge que está trocando as 3 baterias em série, você só tem 16 mudanças de estado em 1/60 de segundo. Para a última ponte H, você tem 52 mudanças de estado em 1/60 de segundo. Normalmente, em um inversor, os mosfets estão mudando em talvez 100 KHz ou até mais.

Em seguida, você só precisa de mosfets classificados para suas respectivas baterias. Portanto, para a ponte H de bateria única, um mosfet de 40v seria mais do que seguro. Existem MOSFETs de 40 V por aí com uma resistência LIGADA de menos de 0,001 Ohms. Para a ponte H de 3 baterias, você pode usar mosfets 60v com segurança. Para a ponte H de 9 baterias, você pode usar mosfets 150v. Acontece que a ponte de alta tensão comuta com menos frequência, o que é muito acidental em termos de perdas.

Além do mais, não há indutores de filtro grandes, sem transformadores e as perdas de núcleo associadas, etc …

Etapa 3: O protótipo

No meu protótipo, usei o microcontrolador dsPIC30F4011. Basicamente, ele alterna as portas que controlam as pontes H no momento apropriado. Não há atraso para gerar uma determinada tensão. Qualquer voltagem que você deseja está disponível em cerca de 100 nanossegundos. Você pode usar 12 DC / DCs isolados de 1 watt para alternar as fontes de MOSFETs. A potência nominal total é de cerca de 10kW de pico e talvez 6 ou 7kw contínuos. O custo total é de algumas centenas de dólares para tudo.

Na verdade, também é possível regular a tensão. Digamos que executar as 3 pontes H em série de -13 a +13 torna a forma de onda CA muito grande. Você pode simplesmente escolher executar de -12 a +12, ou -11 a +11, ou qualquer outra coisa.

Uma coisa que eu mudaria no software é, como você pode ver na imagem do osciloscópio, o tempo de mudança de estado que escolhi não tornou a onda senoidal totalmente simétrica. Eu apenas ajustaria um pouco o tempo próximo ao topo da forma de onda. A beleza dessa abordagem é que você pode criar uma forma de onda CA de qualquer formato que desejar.

Também pode não ser uma má ideia ter um pequeno indutor na saída de cada uma das 2 linhas CA, e talvez uma pequena capacitância de uma das linhas CA para a outra, após os 2 indutores. Os indutores permitiriam que a saída de corrente mudasse um pouco mais lentamente, dando à proteção de sobrecorrente do hardware uma chance de disparar no caso de um curto-circuito.

Observe que há 6 fios pesados em uma das fotos. Esses vão para as 3 ilhas de bateria separadas. Depois, há 2 fios pesados que são para a alimentação de 120vAC.