El inversor solar fuera de la red más eficiente del mundo: 3 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

La energía solar es el futuro. Los paneles pueden durar muchas décadas. Digamos que tiene un sistema solar fuera de la red. Tiene un refrigerador / congelador y un montón de otras cosas para ejecutar en su hermosa cabina remota. ¡No puede darse el lujo de desperdiciar energía! Entonces, es una pena cuando sus 6000 vatios de paneles solares terminen como, digamos, 5200 vatios en la toma de CA durante los próximos 40 años. ¿Qué pasaría si pudiera eliminar todos los transformadores, de modo que un inversor solar de onda sinusoidal pura de 6000 vatios pesara solo unas pocas libras? ¿Qué pasaría si pudiera eliminar toda la modulación de ancho de pulso, y tener una conmutación mínima absoluta de los transistores, y aún tener una distorsión armónica total extremadamente pequeña?

El hardware no es muy complicado para esto. Solo necesita un circuito que pueda controlar de forma independiente 3 puentes H separados. Tengo una lista de materiales para mi circuito, así como el software y el esquema / pcb para mi primer prototipo. Esos están disponibles gratuitamente si me envían un correo electrónico a [email protected]. No puedo adjuntarlos aquí porque no tienen el formato de datos requerido. Para leer los archivos.sch y.pcb, deberá descargar Designspark PCB, que es gratis.

Este instructivo explicará principalmente la teoría de funcionamiento, por lo que también puede hacer esto siempre que pueda cambiar esos puentes H en las secuencias necesarias.

Nota: No sé con certeza si este es el más eficiente del mundo, pero podría muy bien serlo (el pico del 99.5% es bastante bueno), y funciona.

Suministros:

13, o 13 * 2, o 13 * 3, o 13 * 4,… baterías de ciclo profundo de 12v

Un circuito electrónico muy básico que puede controlar de forma independiente 3 puentes H. Hice un prototipo y estoy feliz de compartir el PCB y el esquema, pero ciertamente puedes hacerlo de manera diferente a como lo hice yo. También estoy haciendo una nueva versión del PCB que estará a la venta si alguien lo quiere.

Paso 1: teoría de funcionamiento

¿Alguna vez ha notado que puede generar los enteros -13, -12, -11,…, 11, 12, 13 a partir de

A * 1 + B * 3 + C * 9

donde A, B y C pueden ser -1, 0 o +1? Por ejemplo, si A = +1, B = -1, C = 1, obtienes

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

Entonces, lo que tenemos que hacer es hacer 3 islas aisladas de baterías. En la primera isla, tienes 9 baterías de 12v. En la siguiente isla tienes 3 baterías de 12v. En la isla final tienes 1 batería de 12v. En una configuración solar, eso significa también tener 3 MPPT separados. (Tendré un instructable sobre un MPPT barato para cualquier voltaje muy pronto). Esa es una compensación de este método.

Para hacer +1 en un puente completo, apaga 1L, enciende 1H, apaga 2H y enciende 2L.

Para hacer 0 en un puente completo, apaga 1L, enciende 1H, apaga 2L y enciende 2H.

Para hacer -1 en un puente completo, apaga 1H, enciende 1L, apaga 2L y enciende 2H.

Por 1H, me refiero al primer mosfet del lado alto, 1L es el primer mosfet del lado bajo, etc.

Ahora, para hacer una onda sinusoidal, simplemente cambie sus puentes H de -13 a +13, y vuelva a bajar a -13, hasta +13, una y otra vez. Todo lo que tiene que hacer es asegurarse de que la sincronización del cambio se realice de manera que vaya de -13, -12,…, +12, +13, +12, +11,…, -11, -12, - 13 en 1/60 de segundo (¡1/50 de segundo en Europa!), Y solo tiene que hacer los cambios de estado para que realmente se adapte a la forma de una onda sinusoidal. Básicamente, estás construyendo una onda sinusoidal con legos de tamaño 1.

En realidad, este proceso se puede extender para que pueda generar los números enteros -40, -39,…, +39, +40 a partir de

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

donde A, B, C y D pueden ser -1, 0 o +1. En ese caso, podría usar un total de, digamos, 40 baterías de litio Nissan Leaf y generar 240 VCA en lugar de 120 VCA. Y en ese caso, los tamaños de lego son mucho más pequeños. Obtiene un total de 81 pasos en su onda sinusoidal en este caso en lugar de solo 27 (-40,…, +40 vs -13,…, +13).

Esta configuración es sensible al factor de potencia. La forma en que la potencia se divide entre las 3 islas está relacionada con el factor de potencia. Eso puede afectar la cantidad de vatios que debe reservar para cada uno de los 3 paneles solares de la isla. Además, si su factor de potencia es realmente malo, es posible que una isla, en promedio, se esté cargando más que descargándose. Por lo tanto, es importante asegurarse de que su factor de potencia no sea horrible. La situación ideal para esto serían 3 islas de capacidad infinita.

Paso 2: Entonces, ¿por qué es tan apestoso eficiente?

La frecuencia de conmutación es ridículamente lenta. Para el puente en H que cambia las 9 baterías en serie, solo tiene 4 cambios de estado en 1/60 de segundo. Para el H-brirdge que cambia las 3 baterías en serie, solo tiene 16 cambios de estado en 1/60 de segundo. Para el último puente en H, tiene 52 cambios de estado en 1/60 de segundo. Por lo general, en un inversor, los mosfets cambian a quizás 100 KHz o incluso más.

A continuación, solo necesita mosfets que estén clasificados para sus respectivas baterías. Por lo tanto, para el puente en H de una sola batería, un mosfet de 40 V sería más que seguro. Hay MOSFET de 40v que tienen una resistencia ON de menos de 0.001 ohmios. Para el puente en H de 3 baterías, puede usar mosfets de 60v de forma segura. Para el puente en H de 9 baterías, puede usar mosfets de 150v. Resulta que el puente de voltaje más alto cambia con menos frecuencia, lo cual es muy fortuito en términos de pérdidas.

Además, no hay grandes inductores de filtro, ni transformadores, y las pérdidas de núcleo asociadas, etc.

Paso 3: el prototipo

En mi prototipo, utilicé el microcontrolador dsPIC30F4011. Básicamente, solo alterna los puertos que controlan los puentes H en el momento apropiado. No hay retraso para generar un voltaje dado. El voltaje que desee está disponible en aproximadamente 100 nanosegundos. Puede utilizar 12 CC / CC aislados de 1 vatio para cambiar los suministros MOSFET. La potencia nominal total es de alrededor de 10 kW pico, y tal vez 6 o 7 kW continuos. El costo total es de unos cientos de dólares por todo.

De hecho, también es posible regular el voltaje. Digamos que ejecutar los 3 puentes H en serie de -13 a +13 hace que la forma de onda de CA sea demasiado grande. En su lugar, puede elegir ejecutar de -12 a +12, o de -11 a +11, o lo que sea.

Una cosa de software que cambiaría es que, como puede ver en la imagen del osciloscopio, el tiempo de cambio de estado que elegí no hizo que la onda sinusoidal fuera totalmente simétrica. Solo ajustaría un poco la sincronización cerca de la parte superior de la forma de onda. La belleza de este enfoque es que puede crear una forma de onda de CA de cualquier forma que desee.

También puede que no sea una mala idea tener un pequeño inductor en la salida de cada una de las 2 líneas de CA, y quizás una pequeña capacitancia de una de las líneas de CA a la otra, después de los 2 inductores. Los inductores permitirían que la salida de corriente cambiara un poco más lentamente, dando a la protección contra sobrecorriente del hardware la posibilidad de activarse en caso de un cortocircuito.

Observe que hay 6 cables pesados en una de las imágenes. Esos van a las 3 islas de batería separadas. Luego hay 2 cables pesados que son para la alimentación de 120 VCA.