Kirjoittaja Aihe: Tee-se-itse hybridilataussäädin  (Luettu 7643 kertaa)

Finski

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 3
Tee-se-itse hybridilataussäädin
« : 18.01.18 - klo:13:48 »
Noniin. Lähti taas vähän lapasesta. Ei meinannut millään löytyä mieleistä lataussäädintä mökille off-grid käyttöön -- joten täytyi tehdä itse. Tai no, ainakin ohjelmointi täytyi tehdä ihan alusta...

Aloitetaanpas alusta: Mökillä on energian lähteenä 200w aurinkopaneeleita ja 1.5kw turkkilainen tuulimylly (enemmänkin 600w mylly todellisuudessa, mutta hintaansa nähden oikein soiva peli). Aikaisemmin oli käytössä korealainen lataussäädin, jossa tuulivoiman osalta oli MPPT toiminto ja aurinkovoima hoitui PWM:llä. Vähän tuo MPPT toiminnon puuttuminen aurinkovoiman osalta jurppi ja toisaalta säätöjä oli omaan mieleen liian vähän. Kaikkein isoin ongelma oli, että tuulivoiman MPPT toiminto käytti PWM perturb-and-observe algoritmia, mikä johtaa ajoittain maksimitehopisteen täydelliseen hukkaamiseen -- etenkin sisämaassa, missä tuuli on kovin puuskaista. Tällaiseen pienvoimalakäyttöön tuntuikin olevan oikein varsinainen puute hyvistä lataussäätimistä. Viimeisen naulan korealaisen lataussäätimen arkkuun naulasi veli joka kytki lataussäätimeen akun väärin päin ja taikasavut tulivat ulos.

Uusi lataussäädin laitettiin hankintaan Kiinasta, mutta yllättäen se oli ehkä vieläkin huonompi ja säätöjä ei ollut minkäänlaisia, mikä oli AGM-akkujen kanssa aika iso ongelma. MPPT toiminto piti olla tuulivoimalle, mutta lataussäädin ei tuntunut hyväksyvän 48voltin myllyä ja lähti kuormittamaan sitä aivan liian aikaisin, joten mylly ei pyörinyt oikeastaan ollenkaan. Tässä vaiheessa paloi käpy. Tulipahan taas todistettua, että jos haluaa mieleisen, niin täytyy tehdä itse. Ensisijaisena vaihtoehtona tälle kiinalaiselle lataussäätimelle oli joutua verkonpainoksi, mutta sitten tuli mieleen, että täytyyhän se nyt katsastaa, mitä se on syönyt, josko jotain hyödyllisiä osia siitäkin irtoaisi.   





Ei muuta kuin koppa auki, tutustumaan piirilevyyn ja katsastamaan osien datasheetteja. Ja periaatteessa rauta kopan sisällä oli ihan järkevää, joskin joidenkin komponenttien osalta valinnat olivat vähintäänkin erikoisia. Komponentit oli jaettu hieman erikoisesti kahdelle päällekkäiselle piirilevylle erittäin väljästi, vaikka epäilisin, että yksikin piirilevy olisi riittänyt, jos piirilevyssä olisi ollut useampia kerroksia ja osat hieman tiiviimmin sijoiteltuina. Nämä piirilevyt olivat vain kaksikerroksisia, mikä sekin oikeastaan tee-se-itse -henkiselle intoilijalle on hyvä asia, sillä muokkauksien tekeminen on huomattavasti helpompaa. Hieman erikoista oli, että esimerkiksi tasasuuntaussiltojen sijasta oli käytetty yksittäisiä diodeja ja MOSFET:ien ajamiseen oli käytetty transistoreja varsinaisten MOSFET-ajurien sijasta. Ehkä paras uutinen oli, että pohjimmaiselta piirilevyltä löytyi vähintäänkin asialliselta vaikuttava flyback -tasavirtamuunnin. MOSFETit oli mitoitettu niin, että myllylle oli varaa ainakin 100 voltin käyttöjännitteelle ja aurinkopaneeleille ainakin 70 volttiin asti. Laskeskelin, että lataussäätimen pitäisi kestää melkeinpä kilowatti jatkuvaa tehoa sekä aurinkopaneelien, että tuulivoiman osalta. Piikkinä tuulesta voisi tulla 2-3 kertaa enemmänkin. Lisäksi lataussäätimestä löytyi 2 kpl 30A MOSFETeilla ajettuja ulostuloja sekä tuulivoimaan kytketty dumppivastus. Näyttö ja siihen liitetty näppäimistö oli täysin hyödytön kapistus. Positiivinen yllätys oli, että akkujen purkautumisen estämiseksi aurinkopaneeleiden kautta oli käytetty ”vastakarvaan kytkettyjä” MOSFETEja diodien sijaan, mikä pienentää aurinkovoiman häviötä.

Mikropiiri, jolla koko hoitoa ohjattiin, oli PIC 16F1937. Kyseessä on jo hieman vanhahtava 8 bittinen piiri. Aikaisempaa kokemusta PIC:eistä ei ollut. Joten seuraavaksi pitikin käyttää aika paljon aikaa datasheetin lukemiseen sekä ohjelmointiympäristöön tutustumiseen. C-ohjelmointikielen tuki löytyi ja mikropiirin ohjelmointirannut vaikuttivat olevan kytkettyinä suoraan LCD-näytön liittimeen, eli ohjelmointi onnistuisi ihan ilman mitään kolvauksiakaan! Loistavaa! Ohjelmointilaite tilaukseen ja odotellessa alkoi olemassa olevan ohjelman toimintojen salojen purku oskilloskoopilla, sillä epäilin jo etukäteen, että mikropiirin sulakkeet olisi asetettu siten, etten saisi ladattua vanhaa ohjelmaa ulos mikropiiristä.

Oskilloskooppi paljasti sen, mitä olin jo vähän pelännytkin: transistorit ajoivat MOSFETeja aivan liian pienillä virroilla, mikä johti flyback -tasavirtamuuntimen melko huonoon muuntosuhteeseen. Muuten mitään erityisen ongelmallista en piirilevyn toiminnassa huomannut.

Ohjelmointilaitteen saavuttua oli todettava, ettei alkuperäistä ohjelmaa tosiaankaan saanut ulos mikropiiristä, mikä tarkoitti sitä, että koko ohjelma oli tehtävä alusta alkaen uudestaan. Sinänsä tämä ei haitannut, sillä en yhtä projektia varten olisi halunnutkaan opiskella piirin käyttämiä assembly-komentoja vaan halusin käyttää C:tä.

Tässä vaiheessa sitten tuli kyseeseen, että nyt kun kerran lähtee ohjelmaa tekemään aivan alusta, niin että pitäisikö ominaisuuksia sitten vähän samalla lisätä? Ei muuta kuin kynä käteen ja toivelistaa tekemään:

  • Enisnnäkin halusin, että myös aurinkovoimalla olisi buck-moodin tasavirtamuunnin, joka mahdollistaisi MPPT toiminnon myös sille. Tämän MPPT toiminnon tulisi perustua incremental conductance -menetelmään, joka on teoriassa hieman tavallista hill climb -menetelmää parempi.
  • Dumppivastuksien tulisi dumpata energiaa suoraan akun napojen yli, mikä mahdollistaisi dumppivastuksien käyttämisen lämmittimenä sekä aurinko- että tuulivoimalla, kun akut olisivat täynä.
  • Tuulivoiman MPPT-algoritmin tulisi perustua torque slope perturb-and-observe -menetelmään, joka on aivan uusi alan kirjallisuudessa julkaistu menetelmä pienvoimaloille. Teoriassa tämän menetelmän pitäisi soveltua erinomaisesti sisämaan olosuhteisiin, joissa tuuli on puuskainen.
  • Koska näyttöä ei ollut, tulisi ohjaimeen saada yhteys kännykästä Bluetoothilla. Kaikkien oleellisten asetusten tulisi olla muokattavissa tätä kautta ilman uudelleen ohjelmointia.
  • Tarpeen vaatiessa MOSFETeja ajavat transistorit tulisi vaihtaa varsinaisiin MOSFET-ajureihin.
  • Lisäksi käyttöön tulisi sekä ohjainyksikön sisäinen, että akkujen lämpötilan mittaus.


Noniin. Sitten piti vähän tutkailla piirilevyä ja pohtia, onnistuisiko halutut muutokset kohtuullisella vaivalla. Tässä kohtaa kävikin oikein kunnon munkki, sillä aurinkovoiman MOSFETit oli kytketty siten, että olemassa olevaan piirilevyyn pystyi kytkemään lähes suoraan tarvittavat komponentit buck-muunninta varten. Vähän ahdasta alkoi tässä vaiheessa toki jo olemaan kopan sisällä. Yritin myös muuttaa MOSFETeja ajavien transistorien kytkentöjä siten, että ne ajaisivat MOSFETeja suuremmilla virroilla, mutta tämä ei ottanut onnistuakseen, joten MOSFET-ajurit menivät tilaukseen. Lopullisessa konfiguraatiossa sekä aurinkovoiman että tuulivoiman tasavirtamuuntimien hyötysuhde oli noin 92-93% luokkaa, mikä on mielestäni aivan tyydyttävä tulos. Mikropiirin sarjaporttiin kytkin siltaavan Bluetooth-mokkulan ja dumppivastuksien syötön kytkin akkujen plus-napaan. Myös aurinkopaneelien ja tuulivoiman virtamittauspiirit saivat uudet kapasitorit mittalukemia tasoittamaan. Viimeisenä silauksena 12 voltin linja sai lineaariregulaattorin tilalle hakkuriregulaattorin stand by -moodin virrankulutusta pienentämään.


 
Ohjelmoidessa menikin sitten melkeinpä koko kesäloma ja useampia viikonloppuja vielä päälle.  Ongelmaksi uhkasi muodostua PIC 16F1937 rajallinen muisti ja useampia pieniä hienouksia ja ominaisuuksia piti jättää pois. Mutta lopulta tuhansia rivejä koodia myöhemmin nyt tammikuun alussa päästiin asennuspuuhiin ja hienosti näyttäisi toimivan, vaikka aurinkopaneelit ovatkin tähän aikaan vuodesta mykkinä:
 

   

Sääennusteessa luvattiin 7-8m/s tuulta ja 12 tunnin aikana oli tuotettua energiaa kertynyt lopulta aika tarkkaan 1kWh.


-Finski

« Viimeksi muokattu: 18.01.18 - klo:14:09 kirjoittanut Finski »

ave

  • Aktiivijäsen
  • ***
  • Viestejä: 749
Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #1 : 18.01.18 - klo:16:01 »
Ei varmaan ole hyviä säätimiä  mutta itellä tuulimylly  itsetehdyllä tasasuuntauksella akkuihin ja panelit suoraan akkuihin kytkettynä!
 2kpl tristar pwm 60A hoitamassa akustoa ja sen säätöä eli ylimääränen virta ohjataan vastuksille!

borg

  • Ylläpitäjä
  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 44
Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #2 : 18.01.18 - klo:16:05 »
Pisteet tälle!  :)

Finski

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 3
Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #3 : 18.01.18 - klo:16:45 »
Ei varmaan ole hyviä säätimiä  mutta itellä tuulimylly  itsetehdyllä tasasuuntauksella akkuihin ja panelit suoraan akkuihin kytkettynä!
 2kpl tristar pwm 60A hoitamassa akustoa ja sen säätöä eli ylimääränen virta ohjataan vastuksille!

Jeps, eihän se yksinkertaisimmillaan muuta vaadi.

Omassa asennuksessa on tuulimyllyn ja lataussäätimen välillä noin 50 metriä johtoa, joten ostin aikanaan tarkoituksella 24V akkujärjestelmän kaveriksi 48V tuulimyllyn, jotta häviöt pitkiin johtoihin olisivat mahdollisimman pienet. 24V tuulimyllyllä tämä häviö olisi 4 kertainen ja voisi olla jo kymmeniä prosentteja myllyn tuotosta... 48V mylly taas ei oikein jaksa edes lähteä lataamaan, ennenkuin jännite on noin 35 volttia. Senpä takia jo pelkästään tuulivoimala vaatii kaverikseen MPPT-säätimen. Kovalla tuulella tuo mylly tykkää käydä 60-80 voltin jännitteellä parhaan tuoton takaamiseksi. Aurinkovoimaa käyttäessä puhutaan 10-20% MPPT-toiminnolla saavutettavissa olevasta hyödystä. Väittäisin, että tuulivoimassa on paljon suurempi hyöty MPPT-toiminnosta kuin aurinkovoimassa, mutta sitä on vaikeampi mitata ja todentaa.

Lisäksi halusin, että lataussäätimen ohjelmoitavilla ulostuloilla voi 24V akun varaustilan mukaan ladata varashälyttimen ja etäohjattavan lämmityslaitteen 12V akkuja ja vasta sitten ylimääräinen energia dumpataan.

Tjoo myönnettäköön, ettei projektin työmäärä ollut missään järkevässä suhteessa saavutettuun hyötyyn, mutta harrastusmielessä kiva projekti.
« Viimeksi muokattu: 18.01.18 - klo:17:13 kirjoittanut Finski »

jolla

  • Aktiivijäsen
  • ***
  • Viestejä: 455
Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #4 : 28.02.18 - klo:10:43 »
............ Aurinkovoimaa käyttäessä puhutaan 10-20% MPPT-toiminnolla saavutettavissa olevasta hyödystä.........................

eikös tuo ole enempi, ainakin itse havaitsin, että 270w paneli antaa täydellä paisteella 12v akkuun 15v ja ~8A pwm säätimellä ja samalla säätimellä kahteen 12v akkuun sarjassa 29v ja ~8A, nämä ovat useammalla yleismittarilla mitattuna, ei kuitenkaan fluke

mittasin äsken myös epätieteellisesti, mittarilla kuitenkin panelin asennon vaikutusta oikosulkuvirralla
-suoraan aurinkoon 8.2A
- ~45° kulma sivuun 6,4A
- 90° kulma 4A eikä se juurikaan muutunut enää huonommaksi, eli pelkällä valolla antaa liki puolet

nuo ovat kuitenkin noin arvoja silmämääräisesti ja aika paljon saa alkuun kääntää ennenkuin virta heikkenee, siis ei heikkene lineaarisesti

Ilmaisenergia.info

Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #4 : 28.02.18 - klo:10:43 »

Finski

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 3
Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #5 : 28.02.18 - klo:17:13 »
Aivan, tuo MPPT-toiminnon hyöty kasvaa, mitä suurempi ero akun jännitteen ja paneelin MPP:n välillä on. Tarkoitin, että tällaisen hyödyn noin suurin piirtein saavuttaa 35v paneeleilla 24v akkujärjestelmän kanssa. Tuulimyllyn MPP vaihtelee tuuliolosuhteiden mukaan valtavasti, minkä vuoksi MPPT-toiminnosta tosiaan lienee suurempi etu.

Muuten pieni tilannepäivitys ohjaimen toiminnasta:



Melkein 5kWh tuulut tuulivoimasta. Alkaa näin Helmikuun lopussa jo aurinkovoimastakin tulla niin paljon tuottoa aurinkoisina päivinä, että kattaa ohjaimen kulutuksen (20Wh/vrk).
« Viimeksi muokattu: 28.02.18 - klo:20:21 kirjoittanut Finski »

Ilmaisenergia.info

Vs: Tee-se-itse hybridilataussäädin
« Vastaus #5 : 28.02.18 - klo:17:13 »