Onduleur solaire hors réseau le plus efficace au monde : 3 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

L'énergie solaire est l'avenir. Les panneaux peuvent durer plusieurs décennies. Disons que vous avez un système solaire hors réseau. Vous avez un réfrigérateur/congélateur et un tas d'autres choses à faire fonctionner dans votre magnifique cabine isolée. Vous ne pouvez pas vous permettre de gaspiller de l'énergie ! C'est donc dommage que vos 6000 watts de panneaux solaires finissent par atteindre, disons, 5200 watts à la prise secteur pour les 40 prochaines années. Et si vous pouviez éliminer tous les transformateurs, de sorte qu'un onduleur solaire à onde sinusoïdale pure de 6 000 watts ne pèserait que quelques livres ? Et si vous pouviez éliminer toute modulation de largeur d'impulsion, et avoir une commutation minimale des transistors absolument nue, tout en conservant une distorsion harmonique totale extrêmement faible ?

Le matériel n'est pas très compliqué pour cela. Vous avez juste besoin d'un circuit qui peut contrôler indépendamment 3 ponts en H séparés. J'ai une nomenclature pour mon circuit, ainsi que le logiciel et le schéma/pcb de mon premier prototype. Ceux-ci sont disponibles gratuitement si vous m'écrivez à [email protected]. Je ne suis pas en mesure de les joindre ici car ils ne sont pas dans le format de données requis. Pour lire les fichiers.sch et.pcb, vous devrez télécharger Designspark PCB, qui est gratuit.

Cette instructable va principalement expliquer la théorie de fonctionnement, vous pouvez donc le faire aussi tant que vous pouvez basculer ces ponts en H dans les séquences nécessaires.

Remarque: je ne sais pas avec certitude si c'est le plus efficace au monde, mais cela pourrait très bien l'être (un pic à 99,5% est plutôt bon), et cela fonctionne.

Fournitures:

13, ou 13*2, ou 13*3, ou 13*4, … batteries à décharge profonde 12v

Un circuit électronique très basique qui peut contrôler indépendamment 3 ponts en H. J'ai fait un prototype et je suis heureux de partager le PCB et le schéma, mais vous pouvez certainement le faire différemment de la façon dont je l'ai fait. Je suis aussi en train de faire une nouvelle version du PCB qui sera à vendre si quelqu'un le veut.

Étape 1: Théorie du fonctionnement

Avez-vous déjà remarqué que vous pouvez générer les entiers -13, -12, -11, …, 11, 12, 13 à partir de

A*1 + B*3 + C*9

où A, B et C peuvent être -1, 0 ou +1 ? Par exemple, si A = +1, B = -1, C = 1, vous obtenez

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

Donc, ce que nous devons faire, c'est faire 3 îlots de batteries isolés. Dans le premier îlot, vous disposez de 9 batteries 12v. Dans l'île suivante, vous avez 3 batteries 12v. Dans l'îlot final vous avez 1 batterie 12v. Dans une configuration solaire, cela signifie également avoir 3 MPPT séparés. (J'aurai un instructable sur un MPPT bon marché pour toute tension très bientôt). C'est un compromis de cette méthode.

Pour obtenir +1 sur un pont complet, vous désactivez 1L, activez 1H, désactivez 2H et activez 2L.

Pour faire 0 sur un pont complet, vous désactivez 1L, activez 1H, désactivez 2L et activez 2H.

Pour faire -1 sur un pont complet, vous éteignez 1H, allumez 1L, éteignez 2L et allumez 2H.

Par 1H, je veux dire le premier mosfet côté haut, 1L est le premier mosfet côté bas, etc…

Maintenant, pour faire une onde sinusoïdale, il vous suffit de faire passer vos ponts en H de -13 à +13, puis de redescendre à -13, jusqu'à +13, encore et encore. Tout ce que vous avez à faire est de vous assurer que le timing de la commutation est fait pour que vous passiez de -13, -12, …, +12, +13, +12, +11, …, -11, -12, - 13 en 1/60 seconde (1/50 seconde en europe !), et il suffit de faire les changements d'états pour qu'elle épouse réellement la forme d'une onde sinusoïdale. Vous construisez essentiellement une onde sinusoïdale à partir de legos de taille 1.

Ce processus peut en fait être étendu pour que vous puissiez générer les entiers -40, -39, …, +39, +40 à partir de

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

où A, B, C et D peuvent être -1, 0 ou +1. Dans ce cas, vous pouvez utiliser un total de, disons, 40 batteries au lithium Nissan Leaf et faire 240vAC plutôt que 120vAC. Et dans ce cas, les tailles de lego sont beaucoup plus petites. Vous obtenez un total de 81 étapes dans votre onde sinusoïdale dans ce cas plutôt que seulement 27 (-40, …, +40 vs -13, …, +13).

Cette configuration est sensible au facteur de puissance. La répartition de la puissance entre les 3 îles est liée au facteur de puissance. Cela peut affecter le nombre de watts que vous devez mettre de côté pour chacun des 3 panneaux solaires de l'île. De plus, si votre facteur de puissance est vraiment mauvais, il est possible qu'une île soit, en moyenne, en charge plus qu'en décharge. Il est donc important de s'assurer que votre facteur de puissance n'est pas horrible. La situation idéale pour cela serait 3 îles de capacité infinie.

Étape 2: Alors, pourquoi est-ce si efficace ?

La fréquence de commutation est ridiculement lente. Pour le pont en H qui commute les 9 batteries en série, vous n'avez que 4 changements d'état en 1/60 seconde. Pour le pont en H qui commute les 3 batteries en série, vous n'avez que 16 changements d'état en 1/60 seconde. Pour le dernier pont en H, vous avez 52 changements d'état en 1/60 seconde. Habituellement, dans un onduleur, les mosfets commutent à peut-être 100 KHz ou même plus.

Ensuite, vous n'avez besoin que de mosfets adaptés à leurs batteries respectives. Ainsi, pour le pont en H à batterie unique, un mosfet 40v serait plus que sûr. Il existe des MOSFET 40v qui ont une résistance ON de moins de 0,001 Ohms. Pour le pont en H à 3 batteries, vous pouvez utiliser en toute sécurité des mosfets 60v. Pour le pont en H à 9 batteries, vous pouvez utiliser des mosfets 150v. Il s'avère que le pont à tension plus élevée commute le moins souvent, ce qui est très fortuit en termes de pertes.

De plus, il n'y a pas de grosses inductances de filtrage, pas de transformateurs, et les pertes de noyau associées, etc…

Étape 3: Le prototype

Sur mon prototype, j'ai utilisé le microcontrôleur dsPIC30F4011. Il ne fait que basculer les ports qui contrôlent les ponts en H au moment opportun. Il n'y a pas de décalage pour générer une tension donnée. Quelle que soit la tension souhaitée, elle est disponible en 100 nanosecondes environ. Vous pouvez utiliser 12 DC/DC isolés de 1 watt pour commuter les alimentations des MOSFET. La puissance nominale totale est d'environ 10 kW en crête, et peut-être de 6 ou 7 kW en continu. Le coût total est de quelques centaines de dollars pour tout.

Il est également possible de réguler la tension. Disons que l'exécution des 3 ponts en H en série de -13 à +13 rend la forme d'onde AC trop grande. Vous pouvez simplement choisir de courir de -12 à +12 à la place, ou de -11 à +11, ou autre.

Une chose logicielle que je voudrais changer est, comme vous pouvez le voir sur l'image de l'oscilloscope, le moment de changement d'état que j'ai choisi ne rendait pas l'onde sinusoïdale totalement symétrique. Je voudrais juste ajuster un peu le timing près du haut de la forme d'onde. La beauté de cette approche est que vous pouvez créer une forme d'onde CA de n'importe quelle forme que vous voulez.

Ce n'est peut-être pas non plus une mauvaise idée d'avoir une petite inductance sur la sortie de chacune des 2 lignes AC, et peut-être une petite capacité d'une des lignes AC à l'autre, après les 2 inductances. Les inductances permettraient à la sortie de courant de changer un peu plus lentement, donnant à la protection contre les surintensités matérielles une chance de se déclencher en cas de court-circuit.

Notez qu'il y a 6 fils lourds dans l'une des images. Ceux-ci vont aux 3 îlots de batterie séparés. Ensuite, il y a 2 fils lourds qui sont pour l'alimentation 120vAC.