Progetto per la classe quarta

Regolatore di carica da pannello fotovoltaico a batteria a micrcontrollore con algoritmo MPPT.

Progetti:

• https://soldernerd.com/2016/01/21/arduino-mppt-solar-charger-shield/ (un tizio svizzero, progetto semplice a cui segue uno più complesso) link mezzo rotto, usare soldernerd.wordpress.com
• https://create.arduino.cc/projecthub/abhi_verma/arduino-pv-mppt-solar-charger-371474 (tizio indiano, da arduino.cc, semplice, sgrammaticato)
• http://www.instructables.com/id/ARDUINO-SOLAR-CHARGE-CONTROLLER-Version-30/ (stesso tizio, progetto più complicato, anche su hackaday)
• http://www.instructables.com/id/DIY-OFF-GRID-SOLAR-SYSTEM/ (stesso tizio, dimensionamento componenti per sistema PV stand-alone)
• https://www.electronicslovers.com/2015/09/arduino-based-mppt-solar-charge.html (altro progetto un po' incasinato)
• progetto di Elettronica In con micro e MOSFET (niente PWM, solo ON-OFF e micro, non mi piace l'uso di T2)
• http://solorb.com/elect/solarcirc/buckreg1/ (super semplice con regolatore switching e tensione fissa, primo risultato per “switching regulator solar”) charge controller complicati, il circuito del link è solo uno stadio successivo

Risorse sui regolatori di carica:

• http://www.electroschematics.com/10679/primer-solar-charge-controls/ (confronto tra i diversi tipi di regolatori)
• Charge_controller (wikipedia)

Testi:

• Floyd pag 109 e succ.

MPPT:

• https://www.solar-electric.com/learning-center/batteries-and-charging/mppt-solar-charge-controllers.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking
• http://www.aros-solar.com/it/l%E2%80%99importanza-dell%E2%80%99mppt-maximum-power-point-tracker (in italiano)
• http://www.powerelectronics.com/solar/solar-system-efficiency-maximum-power-point-tracking-key con modello cella PV
• http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00001521A.pdf algoritmo, schematico e AN della microchip che usa current sens low-side
• http://www.linear.com/solutions/4545 doc della linear (link a prodotti e AN interessanti)

Solare:

• http://www.pveducation.org/

Batterie:

• https://learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-a-battery (generalità)
• https://learn.sparkfun.com/tutorials/battery-technologies (varie tecnologie ma non piombo)

Glossario:

• nel solare LVD (low voltage disconnect)

Da leggere:

• http://www.powerelectronics.com/alternative-energy/lesson-quick-and-dirty-solar-charging

Display LCD:

• https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HelloWorld
• http://www.circuitstoday.com/interfacing-lcd-to-arduino

Misura di corrente:

• https://www.mouser.it/publicrelations_techarticle_curentsensemonitoring_2015final/ sintetico
• https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279404&page_number=2 molto utile il secondo tutorial per scegliere il componente
• http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an105fa.pdf
• https://www.planetanalog.com/document.asp?doc_id=527795
• INA111 costa troppo. usare lm358 come amp differenziale (0 - Vcc -1,5V)?
• shunt resistor (kelvin sensing se a 4 fili) e:
  • current shunt monitors (CSM) → è la soluzione migliore per misure high-side ma sono SMD o costano
  • opamp solo low-side
  • differential opamp (DA) o amplificatore invertente → possibile ma si carica l'alimentazione¹⁾
  • instrumentation amplifier (IA) escluso per Vcm
• scelti in base a Vcm (per opamp e IA deve essere < Vcc, per CSM e DA no)
• high-side sensing obbligato nel nostro caso (low side bastava un opamp e non c'era il problema della Vcm)

Per i nostri scopi il miglior progetto è questo:

• https://soldernerd.com/2016/01/21/arduino-mppt-solar-charger-shield/ (introduzione)
• https://soldernerd.com/2016/02/03/arduino-mppt-solar-charger-shield-testing/ (test)
• https://soldernerd.com/2016/02/12/arduino-mppt-solar-charger-shield-software/ (software)

E' uno shield Arduino che realizza un regolatore di carica MPPT (pannello PV in ingresso e batteria in uscita) pilotato da microcontrollore con un display LCD. Sulla scheda c'è un regolatore switching step-down a componenti discreti. Nel sito ci sono anche i file di progetto.

Osservazioni:

• è un progetto didattico (proof of concept)
• la scheda Arduino e il display consumano troppo perché il regolatore sia efficiente
• il tizio usa componenti SMD, noi no
• non si può usare un regolatore integrato perché bisogna poter variare il PWM regolando la tensione di uscita secondo l'algoritmo MPPT e non per avere una tensione stabilizzata
• la frequenza del PWM di un microcontrollore è troppo bassa per un impiego da regolatore²⁾ ma va bene in questo caso perché la regolazione dipende dall'irraggiamento del pannello che cambia lentamente
• usa un pannello da 30W 12V
• topologia buck sincrona (2 transistor invece che transistor e diodo per una maggiore efficienza)
• usa un driver half-bridge per pilotare i FET (che commutano alternativamente)
• usa C e L per alta frequenza (low ESR per gli elettrolitici)
• usa degli ampli da strumentazione current-shunt-monitor per la misura delle due correnti
• il programma:
  • misura tensione e corrente in ingresso (pannello) e uscita (batteria) e li visualizza sul display
  • se la Vin supera un soglia abilita il convertitore DC-DC per produrre una tensione pari a Vin
  • aggiusta il duty-cycle (aumenta) misurando la potenza
  • abbassa se la potenza trasmessa cala o se la tensione alla batteria supera una soglia
  • spegne il convertitore se Vin o In calano troppo

Possibili modifiche:

• non sincrono con diodo a valanga o shottky → più semplice
• serve un driver high-side per il pilotaggio del MOS
• fusibili e diodi di protezione
• componenti THT
• misura corrente con LM358 (lab51 credo) usato da amplificatore differenziale

• se la tensione del pannello è minore di quella della batteria la batteria si scarica sul pannello → serve un diodo
• se la tensione del pannello è molto più alta di quella della batteria il pannello non lavora alla massima potenza e la corrente troppo alta potrebbe rovinare la batteria (evaporazione) → abbassare la tensione del pannello con un regolatore (switching altrimenti si dissipa potenza)
• anche con la “tensione giusta” il pannello non lavora alla massima potenza → regolazione MPPT (calcola ciclicamente la potenza e aggiusta il duty-cycle del regolatore (di fatto è come se cambiasse l'impedenza vista dal pannello); in genere ci vuole un micro o un IC dedicato)
• se la batteria è completamente carica → smettere di caricare o si rovina

Soluzione minima:

• diodo

Soluzione con distacco pannello

• si aggiunge MOSFET e misura tensione

Soluzione con tensione corretta e distacco pannello

• si aggiunge regolatore

Soluzione con MPPT

• si aggiunge un micro programmato per cercare il punto a massima potenza e gestire il distacco