Kirjoittaja Aihe: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan  (Luettu 11840 kertaa)

lokitek

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 5
Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« : 06.05.16 - klo:14:20 »
Moi.

Tarkoitus olisi hommata ensi kesäksi HAM-lisenssi, ja rakentaa 24/7 toimiva APRS-sääasema mökkikäyttöön.

Asema rakentuu 144,8 MHz käsiradiosta (Baofeng), "slim-jim"-antennista, APRS-TNC:stä, Li-Ion akusta (Panasonic NCR18650B x 4), aurinkopaneelista(20-60W) ja  MPPT-säätimestä sekä sääaseman sensoreista.

Projekti kootaan pääasiassa valmiista osista, pl. MPPT-säädin, jonka toimintaan haluan panostaa ja tutustua enemmän kuin muihin osiin.

Ideana olisi käyttää MPPT-säätimenä valmista muutaman euron step-down hakkurimoduulia, joka sattumoisin löytyy jo hyllystä. Moduulilla voi ohjata paneelilta tulevaa virta, ja siten käytännössä myös paneelin yli olevaa jännitettä. Alla oleva säädin vaatii hyvin maltillista modaamista (virtapotikan tilalle MOSFET+opari+oheiskilkkeet) jotta homma pelittää.

http://www.ebay.com/itm/DC-DC-CC-CV-Buck-Converter-Step-down-Power-Supply-Module-7-32V-to-0-8-28V-12A-HG-/291656088656?hash=item43e80ebc50:g:uPoAAOSwYHxWINWe

MPPT-säädintä ja koko muuta asemaa pyörittää Teensy-mikrokontrollerimoduuli. Teensyn versiosta en ole vielä varma, riippuu laskentatehon tarpeesta.

Talvella aurinko ei paista, joten aseman toimintaa säädellään energiansaannin mukaan.

Huomiota on kiinnitetty myös akkujen kestoon. Tarkoitus olisi ladata akut maksimissaan 3,92V jännitteeseen eliniän maksimoimiseksi. Lisäksi alle 0C lämpötiloissa latausvirta saa olla maksimissaan 0,25C.

Kertauksen vuoksi vielä:

Projektissa on siis tarkoitus tutustua ...

1) MPPT-säätimiin (toiminta, elinikä, hyötysuhteet, mittaukset, mikä paikka hajoaa?)
2) Li-Ion akkuihin (elinikä vaikeissa olosuhteissa)
3) RA-toimintaan

Kommentteja?
« Viimeksi muokattu: 06.05.16 - klo:16:20 kirjoittanut lokitek »

kotte

  • Aktiivijäsen
  • ***
  • Viestejä: 1130
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #1 : 07.05.16 - klo:13:01 »
Kertauksen vuoksi vielä:

Projektissa on siis tarkoitus tutustua ...

1) MPPT-säätimiin (toiminta, elinikä, hyötysuhteet, mittaukset, mikä paikka hajoaa?)
2) Li-Ion akkuihin (elinikä vaikeissa olosuhteissa)
3) RA-toimintaan

Kommentteja?
Epäilen vahvasti, että tuon step-down hakkurin säädön nopeutta ei saa  laitteen vakiokondensaattoreilla riittäväksi kunnollisen MPPT:n säädön toteuttamiseksi. Tarvitset siis paneelin rinnalle järeämpiä kondensaattoreita, jotka tuo hakkuri sitten siirtää akkuun niin, että paneelin yli vaikuttava jännite saadaan pysymään hyvin tarkasti haluttuna kullakin tuottotasolla (eli virralla). Virtaa voidaan sitten mitata (joko sisäänmenopuolelta nopeasti tai kulutuspuolelta hitaasti integroiden) ja valita sisäänmenojänn optimaalista kulutusta vastaavaksi. Voihan tuosta tehdä myös oppivan kokeilemalla hiukan pienempiä ja hiukan suurempia jännitearvoja ja mittaamalla, miten virralle käy. Säätöä on tällä tavoin vain hidastettava entisestään (siihen nähden, että mitattaisiin suoraan paneelilta tulevaa virtaa taulukoituun optimijännitteeseen peilattuna tai edes käyttämällä virtana muuntimen jälkeistä virtaa), eli tarvitaan aina vaan suuremmat puskurikondensaattorit paneelin rinnalle.

Optimaalisen tuoton saamiseksihan on olennaista kuormittaa paneelia niin, että se antaa tietyn tasaisen virran ulos jatkuvasti tietyllä tasaisella jännitteellä. Optimivirta riippuu ennen muuta säteilyintensiteetistä, mutta jännite varsin vähän (jonkin verran toki ja tätä hiukan enemmän paneelin lämpötilasta). Jännite on kuitenkin pidettävä hyvin tarkasti optimaalisena, eli virta alkaa pudota heti, jos jännitteen annetaan nousta vähänkin. Toisaalta virta ei juurikaan kasva, vaikka jännitteen annettaisiin pudota melkoisestikin optimaalisesta. Paneelin lähtöjännitteen pitäminen eri keinojen yhdistelmällä hyvin tarkasti optimaalisena koko ajan on siksi olennaisinta optimaalisen tehon tuoton kannalta.

Akusta voi todeta ainakin sen, että (jotakin) litiumionityyppistä akkua ai kannata ainakaan jatkuvasti pyrkiä lataamaan aivan täyteen, vaan pitää latausjännite yleensä pienempänä kuin maksimilatausta vastaavana, jotta akku ei kulu loppuun ennen aikojaan (olisikohan 80% ... 90% haarukka tyypillisesti sopiva? Tietääkö joku?). Lataustasotavoitetta pitäisi varmaan säätää vuodenajan mukaan, sillä saanto on harvinaista herkkua tällöin ja tavoite kannattaa nostaa lähelle 100% (ottaen huomioon ympäristön lämpötilan vaikutuksen). Jokin minimijännitekatkaisu tarvitaan myös suojaksi.

lokitek

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 5
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #2 : 07.05.16 - klo:18:09 »
Kertauksen vuoksi vielä:

Projektissa on siis tarkoitus tutustua ...

1) MPPT-säätimiin (toiminta, elinikä, hyötysuhteet, mittaukset, mikä paikka hajoaa?)
2) Li-Ion akkuihin (elinikä vaikeissa olosuhteissa)
3) RA-toimintaan

Kommentteja?
Epäilen vahvasti, että tuon step-down hakkurin säädön nopeutta ei saa  laitteen vakiokondensaattoreilla riittäväksi kunnollisen MPPT:n säädön toteuttamiseksi. Tarvitset siis paneelin rinnalle järeämpiä kondensaattoreita, jotka tuo hakkuri sitten siirtää akkuun niin, että paneelin yli vaikuttava jännite saadaan pysymään hyvin tarkasti haluttuna kullakin tuottotasolla (eli virralla). Virtaa voidaan sitten mitata (joko sisäänmenopuolelta nopeasti tai kulutuspuolelta hitaasti integroiden) ja valita sisäänmenojänn optimaalista kulutusta vastaavaksi. Voihan tuosta tehdä myös oppivan kokeilemalla hiukan pienempiä ja hiukan suurempia jännitearvoja ja mittaamalla, miten virralle käy. Säätöä on tällä tavoin vain hidastettava entisestään (siihen nähden, että mitattaisiin suoraan paneelilta tulevaa virtaa taulukoituun optimijännitteeseen peilattuna tai edes käyttämällä virtana muuntimen jälkeistä virtaa), eli tarvitaan aina vaan suuremmat puskurikondensaattorit paneelin rinnalle.

Optimaalisen tuoton saamiseksihan on olennaista kuormittaa paneelia niin, että se antaa tietyn tasaisen virran ulos jatkuvasti tietyllä tasaisella jännitteellä. Optimivirta riippuu ennen muuta säteilyintensiteetistä, mutta jännite varsin vähän (jonkin verran toki ja tätä hiukan enemmän paneelin lämpötilasta). Jännite on kuitenkin pidettävä hyvin tarkasti optimaalisena, eli virta alkaa pudota heti, jos jännitteen annetaan nousta vähänkin. Toisaalta virta ei juurikaan kasva, vaikka jännitteen annettaisiin pudota melkoisestikin optimaalisesta. Paneelin lähtöjännitteen pitäminen eri keinojen yhdistelmällä hyvin tarkasti optimaalisena koko ajan on siksi olennaisinta optimaalisen tehon tuoton kannalta.

Virtamittauksen ajattelin suorittaa shunttaamalla, ja mittaamalla sitten shunttivastuksen yli olevan jännitteen. Jos jännitteessä näkyy liikaa hakkuripiirin transientteja, niin sopiva LPF väliin. Tämä kaikki tietysti tuo mukaan sitä ikävää "hitautta".

MPPT-säätöstrategiaksi ajattelin juurikin tuota ehdottamaasi kennojännitealueen "sweeppausta". Tämä ei ehkä ole optimaalisin tapa tehdä MPPT, mutta minun tarpeisiini tarpeeksi hyvä. Ollaan ainakin aika ajoin ihan optimipisteessä, riippuen tietysti siitä, kuinka useasti optimipisteen hakua suoritetaan.

Sweepillä siis mennään näillä näkymin, mutta en lukitse vielä vastausta lopullisesti.

Lainaus
Akusta voi todeta ainakin sen, että (jotakin) litiumionityyppistä akkua ai kannata ainakaan jatkuvasti pyrkiä lataamaan aivan täyteen, vaan pitää latausjännite yleensä pienempänä kuin maksimilatausta vastaavana, jotta akku ei kulu loppuun ennen aikojaan (olisikohan 80% ... 90% haarukka tyypillisesti sopiva? Tietääkö joku?). Lataustasotavoitetta pitäisi varmaan säätää vuodenajan mukaan, sillä saanto on harvinaista herkkua tällöin ja tavoite kannattaa nostaa lähelle 100% (ottaen huomioon ympäristön lämpötilan vaikutuksen). Jokin minimijännitekatkaisu tarvitaan myös suojaksi.

Panasonic NCR18650B-kennon maksimijännite on 4,2V. Luonnollisesti kennon elinikä kärsii suuresti, jos kenno ladataan joka kerta ihan tappiinsa. Jonkinlaisena "yleisesti hyväksyttynä" kompromissina on ladata kenno 3,92V jännitteeseen (~60% kapasiteetista), jolloin lataussyklejä saadaan 2000-4000 riippuen muista kennoa kuormittavista asioista, kuten lataus -ja purkuvirroista.

Li-Ion kenno kannattaa ladata 3,7V jännitteeseen silloin kun tiedetään, että virtaa on runsaasti saatavilla. Tällä jännitteellä kenno rasittuu vähiten. Päivien lyhetessä kennojännite voidaan nostaa sitten tuohon yllämainittuun 3,92 volttiin.

Eli järjestelmään joudutaan koodaamaan paitsi MPPT niin myös jonkinlainen alkeellinen BMS, jotta kennojen elinikä voidaan maksimoida.

Pääsen sorvin ääreen vasta kesäkuun alussa, joten päivittelen sen jälkeen kuvilla ja mahdollisesti myös videolla tätä ketjua.
Pistän myös jonkinlaisen budjettiarvion kehiin jossain vaiheessa jos joku kolvaustaitoinen haluaa tehdä vastaavanlaisen projektin.

Luonnollisesti HW/SW tulee jakoon githubiin aikoinaan. 


kotte

  • Aktiivijäsen
  • ***
  • Viestejä: 1130
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #3 : 07.05.16 - klo:19:34 »
Sweepillä siis mennään näillä näkymin, mutta en lukitse vielä vastausta lopullisesti.
"Sweepillä" voi varmaankin toteuttaa optimin hakua, mutta tätähän voi käyttää, vaikka aluksi taulukoikin optimaalisen tuoton jännitteen riittävän tiheästi tuotetun virran ja ulkoilman lämpötilan perusteella (mistä sitten saa interpoloimalla tavoitejännitteen, mihin paneelin rinnalla oleva suodatuskonkka pitää kulloinkin ajaa hakkuripiiriä ohjaamalla). Sweeppiä voisi tällöin käyttää niin, että jännitettä välillä nostetaan tai lasketaan ihan hiukan taulukoidun optimin ylä- tai alapuolelle. Tämän perusteella sitten taulukkoa voidaan ajan oloon hitaasti iteroida paneeleiden ominaisuuksia vastaavaksi tai niiden ikääntymisen aiheuttamien parametrimuutosten mukaan. Itse asiassa sweepiäkään ei välttämättä tarvita, vaan riittää tarkkailla tehon muutoksia jännitteen noustessa tai laskiessa pykälällä tai "digikvantilla" taulukon ehdottamaan optimiin nähden joko ylä- tai alapuolelle (teho kullakin hetkellä virta kertaa jännite). Periaatteen voi yleistää myös suurempien poikkeamien tapauksiin, mutta pienet poikkeamat antavat periaatteessa luotettavimman korjausarvion taulukolle, kunhan kohina saadaan suodattumaan pois.

Toki säteilykin voi samalla lisääntyä tai vähentyä, mutta pitkän päälle auringon säteilyvoiman heittelehtiminen luonnollisista syistä on riippumaton säädön pienen epätarkkuuden aiheuttamasta saadun tehon muutoksesta ja tilastomatematiikka, eli keskiarvon jatkuva laskenta alkaa purra.

STP

  • Jäsen
  • **
  • Viestejä: 96
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #4 : 08.05.16 - klo:08:02 »
Kaikkea ei ehkä kannata keksiä uudestaan. Tuossa on perusperiaate MPPT-säätimeen: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001521A.pdf
Löytyy malli perus "kukkulan kiipelijälle" ja sitten vähän kehittyneempi jännitteen ja virran kulmakertoimeen perustuva säädin malli.

CC/CV laturista löytyy samalta valmistajalta myös applikaatio notekset: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01467A.pdf


Ilmaisenergia.info

Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #4 : 08.05.16 - klo:08:02 »

lokitek

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 5
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #5 : 08.05.16 - klo:09:51 »
Kaikkea ei ehkä kannata keksiä uudestaan. Tuossa on perusperiaate MPPT-säätimeen: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001521A.pdf
Löytyy malli perus "kukkulan kiipelijälle" ja sitten vähän kehittyneempi jännitteen ja virran kulmakertoimeen perustuva säädin malli.

CC/CV laturista löytyy samalta valmistajalta myös applikaatio notekset: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01467A.pdf

Pitääpä pistää noi talteen. Ja tosiaan tuollainen "kukkulan kiipijä" lienee juurikin mitä tässä ollaan haettu.

 


tengu

  • Aktiivijäsen
  • ***
  • Viestejä: 568
Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #6 : 08.05.16 - klo:20:23 »
Kannattaa tutustua Tim Nolanin arduino projektiin  MPPT akkulaturi.  Alkuperäinen sivu hukassa mutta löytyy useammasta paikasta esim:
https://codebender.cc/sketch:11631#mppt%20charger%20Tim%20Nolan%20original%20version.ino

Hill climbing yksinkertainen väkästää, tuohon omakin säätimeni perustui.
3x25 tyhjiöputkea. 2,1kw PV verkossa Zeverlution 2000S. 1,2Kw PV panelia verkossa Sunny Boy 1200 SB. 240w verkossa AEConversion. 500w verkossa Envertech. 2000L varaaja+60L tulistus kv:lle. MK2PVRouter omakäytön maksimointiin.

Ilmaisenergia.info

Vs: Halpa "hakkurimoduuli-MPPT" sääasemaan
« Vastaus #6 : 08.05.16 - klo:20:23 »