В солнечной системе постоянного освещения используется эффект противодействия солнечной панели. Часть 2 - Тестирование системы

Тестирование системы

Испытания проводились при различной интенсивности солнечного света. Для каждой интенсивности измерялись значения V_PV, I_PV, V_M, I_M и т. д. На Рисунке 5 показана зависимость фотоэлектрической мощности (P_PVON), мощности преобразователя (P_M) и полной мощности (P_TOT) от напряжения панелей при включенном преобразователе.

Рисунок 5.	Зависимость фотоэлектрической мощности, мощности преобразователя и полной мощности от напряжения панелей при включенном преобразователе.

Обратите внимание, что при V_PV = 51.5 В максимальная мощность, забираемая от преобразователя, составляет около 22 Вт. Это лишь первоначальная настройка. При необходимости ее можно увеличить, повысив выходное напряжение преобразователя. При переходе к более высокому напряжению V_PV общая мощность несколько возрастает за счет большей мощности, поступающей от фотоэлектрических элементов.

Когда выполнялись измерения при включенном преобразователе, показанные на Рисунке 5, в то же время и при той же интенсивности солнечного света (в быстрой последовательности) был снят еще один набор показаний при выключенном преобразователе. Чтобы изучить поведение массива панелей, были построены зависимости P_PVON и P_PVOFF (мощность панелей при выключенном преобразователе), показанные на Рисунке 6.

Рисунок 6.	График фотоэлектрической мощности при выключенном и включенном преобразователе.

Обратите внимание, что при включенном преобразователе изменение напряжения V_PV ограничено узким диапазоном от 51.5 до 52.8 В. При выключенном преобразователе диапазон V_PV значительно шире: от 45.4 до 52.8 В. График P_PVOFF построен для соответствующего диапазона V_PV от 45.4 до 52.8 В. График P_PVON с Рисунка 5 повторно представлен на Рисунке 6 для диапазона V_PV от 45.4 до 52.8 В только для сравнения.

На графиках хорошо видно, что когда преобразователь выключен, мощность фотоэлектрической системы немного выше. Как говорилось ранее, SDL сама следует за точкой максимальной мощности. Следовательно, когда мы включаем преобразователь, точка максимальной мощности нарушается из-за изменения напряжения V_PV. Поэтому при включении преобразователя наблюдается снижение выходной мощности фотоэлектрических панелей примерно на 1 Вт.

Испытание резистивной нагрузкой

Лампы L1, L2 и L3 на Рисунке 3 были заменены тремя резисторами 265 Ом. Резистивные нагрузки не отслеживают точку максимальной мощности. Однако при включенном преобразователе рабочая точка фотоэлектрических панелей приближается к точке максимальной мощности.

Было замечено, что при включенном преобразователе мы получаем дополнительно от 10 до 15 % фотоэлектрической мощности. Таким образом, если предложенная схема используется для нагрузок, которые не отслеживают точку максимальной мощности, от фотоэлектрической панели можно получить некоторую дополнительную мощность.

Выбор компонентов

В предлагаемой схеме для управления мощностью, забираемой от сети, используются только диоды и резисторы (вместо сложных коммутирующих цепей). Необходимо минимизировать потери в этих компонентах.

Несмотря на то, что ток каждого из диодов составляет менее 1 А, были выбраны сильноточные диоды типа 6А10. Эти 6-амперные диоды имеют меньшее прямое напряжение при меньших токах. Прямое напряжение диодов Шоттки будет гораздо меньшее. Однако диоды Шоттки с высокими значениями обратного пикового напряжения не выпускаются. Для диода 6A10 это напряжение составляет 1000 В. AC/DC преобразователь подключен к сети, оттуда в схему могут попадать высоковольтные броски напряжения. Поэтому рекомендуется использовать диоды с высоким обратным пиковым напряжением.

Если прямое падение напряжения выбранного диода не устраивает, можно использовать схему защиты от переполюсовки на основе MOSFET. Такие схемы имеют незначительное прямое падение напряжения.

Более того, во время грозы высоковольтные броски напряжения могут попасть в схему и со стороны фотоэлектрических панелей. Обычно солнечные панели имеют встроенную защиту от бросков напряжения. Рекомендуется непосредственно на панели установить 100-вольтовые супрессоры параллельно выходным клеммам фотоэлектрической батареи. К выходу батареи подключен электролитический конденсатор 4700 мкФ/ 100 В. Это сгладит резкие изменения напряжения батареи.

Проверка режима ожидания

В солнечный день, если SDL обеспечивает устойчивый и достаточный световой поток, пользователь может вручную отключить AC/DC преобразователь для экономии энергии. Однако если солнечный свет меняется в течение дня, то AC/DC преобразователь должен быть всегда включен.

Даже в пасмурные дни временами бывает яркое солнце. В таких условиях AC/DC преобразователь можно перевести в режим ожидания. При переводе преобразователя в режим ожидания потребляемый им ток будет пренебрежимо мал. Всякий раз, когда интенсивность солнечного света уменьшается, преобразователь мгновенно выходит из режима ожидания и обеспечивает достаточное освещение от сети.

На Рисунке 3 элементы, отмеченные знаком «*», используются для формирования сигнала ОЖИДАНИЕ. Токоизмерительный резистор R_SH используется для измерения тока фотоэлектрических панелей. Когда ток панели превышает пороговое значение (устанавливаемое пользователем), уровень сигнала ОЖИДАНИЕ (выход компаратора) становится высоким. Этот сигнал подается на преобразователь, который затем переходит в режим ожидания. Компоненты R_Z (3.3 кОм, 2 Вт) и D_Z (стабилитрон 5.1 В, 1 Вт) используются для формирования напряжения питания 5 В (V_Z) компаратора.

Принципиальная схема формирователя сигнала ОЖИДАНИЕ показана на Рисунке 7. Она основана на компараторе IC1 (LM311). Опорное напряжение для компаратора берется с делителя R10, R11, R12 и подается на инвертирующий вход 3. Опорное напряжение регулируется пользователем с помощью потенциометра R10. На вход 3 также поступает ток от резистора R13, которым управляет p-n-p транзистор T1 (BC556). Неинвертирующий вход 2 подключен к токоизмерительному резистору R_SH.

Рисунок 7.	Схема на основе компаратора с гистерезисом формирует сигнал ОЖИДАНИЕ.

Когда падение напряжения на резисторе R_SH превышает опорное напряжение на выводе 3, уровень сигнала ОЖИДАНИЕ становится высоким. Транзистор T1 выключается, и опорное напряжение уменьшается, внося гистерезис. Цепь T1 и R13 необходима, поскольку в этом случае напряжение токоизмерительного резистора должно быть подключено к неинвертирующему выводу. Следовательно, этот вывод нельзя использовать для введения гистерезиса, как это обычно бывает.

На Рисунке 8 показаны осциллограммы тока фотоэлектрических панелей (желтый) и сигнала ОЖИДАНИЕ (синий). Компаратор, вырабатывающий сигнал ОЖИДАНИЕ, имеет гистерезис 50 мВ, что соответствует примерно 106 мА фотоэлектрического тока. Если уровень сигнала ОЖИДАНИЕ высокий, он не станет низким, пока ток панели не уменьшится на 106 мА. Это уменьшит нежелательное дрожание сигнала ОЖИДАНИЕ.

Рисунок 8.	Желтая осциллограмма – ток батареи 106 мА/дел; синяя осциллограмма – сигнал ОЖИДАНИЕ 2 В/дел; гистерезис 50 мВ (106 мА).

Конструкция системы

На Рисунке 9 показана печатная плата, собранная в соответствии с принципиальной схемой на Рисунке 3. Она включает в себя схему противодействия солнечной панели, а также схему генератора сигнала ожидания. Подключения к этой плате доступны через 9-контактную клеммную колодку. Питание от преобразователя для безопасности подается через предохранитель.

Рисунок 9.	Это собранная печатная плата для системы освещения на основе эффекта противодействия солнечной панели.

На Рисунке 10 печатная плата и AC/DC преобразователь установлены на одном основании.

Рисунок 10.	В этой схеме AC/DC преобразователь и печатная плата смонтированы на общей панели.

На Рисунке 11 показаны лампы L1, L2 и L3, установленные на опорной пластине. Каждая лампа изготовлена с использованием трех печатных плат с металлическими сердечниками и белыми светодиодами. Две круглые печатные платы содержат по пять светодиодов, а средняя – семь. Всего в каждой лампе 17 светодиодов.

Рисунок 11.	Для демонстрации использованы три светодиодные лампы. Каждая лампа содержит 17 белых светодиодов.

На Рисунке 12 показаны включенные лампы, а на Рисунке 13 – вся система.

Рисунок 12.	Благодаря эффекту противодействия солнечной панели лампы L1, L2 и L3 обеспечивают постоянный световой поток.

Рисунок 13.	На этой фотографии показана вся система в сборе.

Выводы

Все фотоэлектрические панели демонстрируют эффект противодействия. Этот эффект можно использовать для смешивания с постоянным напряжением, поступающим от другого источника, например, от преобразователя, аккумулятора и т. д. В этой статье приведен пример нагрузки на светодиодную лампу, но его можно распространить и на другие типы нагрузок, такие как обогреватели, вентиляторы, зарядные устройства для мобильных и небольших двухколесных транспортных средств и т. д. Схема устраняет все недостатки чисто солнечных фотоэлектрических систем.

Несмотря на то, что используется резервный источник питания, потребляемая мощность будет оптимизирована в соответствии с условиями солнечного освещения. Пользователи не заметят перехода от дня к ночи. Кроме того, устройство дает пользователям возможность отключать резервное питание в солнечный день. В дни с переменным солнечным светом можно автоматически переводить преобразователь в режим ожидания для экономии энергии преобразователя.

Офисные здания, дома, гостиницы и т. д. должны иметь несколько таких систем. Они будут экономить электроэнергию и работать в качестве аварийных ламп в дневное время при перебоях в электроснабжении. Если спроектирована система c аккумуляторами, она сможет обеспечивать освещение и в ночное время, если сеть выйдет из строя.

Подводя итог, можно сказать, что предложена очень простая и недорогая система освещения, не использующая сложных схем коммутации. Она поддерживает надежную работу днем и ночью без вмешательства пользователя, обеспечивая максимальное использование солнечной энергии в любое время года. Она будет полезна для различных нагрузок.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM311
2. Datasheet Fairchild BC556
3. Datasheet MCC 6A10