MPP-Tracker


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Ausgangssituation
Meine Lösung
Betrieb an anderen Modulen
Mehr Strom!
Und sonst
Download
Links


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Ausgangssituation

Solarstrom ist was feines. Für kleinere Solaranlagen z.B. zum Batterieladen lohnt die Anschaffung eines fetten Umrichters nicht. Der Betrieb bei konstanter Modulspannung ist aber nicht so optimal - da geht viel Energie verloren.  

  Eigentlich muss man einen sogenannten MPP-Tracker benutzen. Das ist eine Schaltung, welche den Max-Power-Point (MPP) des Solarmoduls findet und das Modul dann in diesem Arbeitspunkt betreibt. Der MPP verschiebt sich blöderweise mit der Modultemperatur und der Einstrahlung. Daher muss er dauernd nachgeregelt werden.  

  Zu diesem Zweck existieren diverse Algorithmen. Die meisten haben den Nachteil, dass sie nicht zuverlässig funktionieren und insbesondere bei wechselnder Einstrahlung den Arbeitspunkt weit weg vom eigentlichen MPP verschieben.  

   

Meine Lösung

Ich habe eine simple Schaltung entwickelt, die ein kleines Solarmodul im MPP betreibt um damit z.B. einen Akku zu laden. Die Schaltung basiert im wesentlichen auf dem Prozessor ATtiny44. Um die Funktion möglichst einfach testen zu können habe ich einen vom Prozessor geregelten Tiefsetzsteller und eine simple 5V Versorgung als Drahtverhau aufgebaut. In der Software habe ich einen bewährten MPP-Tracker implementiert . Der arbeitet recht zuverlässig, ist aber relativ langsam. In kommerziellen Wechselrichtern wird da erheblich mehr Aufwand getrieben um noch ein paar Prozent mehr rauszuholen. Auch wird da der Algorithmus speziell auf die Geräte abgestimmt.
Zum Batterieladen interessiert das letzte Prozent aber nicht - und daher kann dieser Prozessor recht universell eingesetzt werden.  

   

  Der Versuchsaufbau:  

[Bild(51.3k)]

 

  Der Tiefsetzsteller-Prototyp mit grenzwertiger Drossel:  

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  Platinenrückseite mit Spannungsregler und Spannungsteilern:  

[Bild(119.5k)]

 

  Die gesamte Schaltung ist recht simpel:  

[Bild(74.3k)]

 

  Hier ein paar Meßkurven:
Modulspannungsverlauf beim Einschalten. Die MPP-Suche ist gut zu erkennen.  

[Bild(75.1k)]

 

  Die Sonne schaut hinter einer Wolke hervor und der Regler passt den MPP an.
Die türkise Kurve zeigt die Spannung über dem Lastwiderstand (also den abgegebenen Strom)  

[Bild(28.3k)] [Bild(79.4k)]

 

  Mit Verbesserung der Software habe ich auch die Hardware überarbeitet. Der Tiefsetzsteller ist nun mit auf der Platine gebracht, der Shunt ebenso. Der besteht aus zwei simplen parallelgeschalteten 1-Ohm Widerständen.
Zum testen des 2W Moduls bei wenig Licht habe ich den Spannungsregler nicht mehr an das Solarmodul sondern an eine 9V Batterie geklemmt.
Die Platine sieht nun so aus:  

[Bild(51.7k)] [Bild(59.9k)]


 

  Mit Anschlußkabeln und 100Ohm Lastwiderstand:  

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  Mit sinkender Leistung kommt der Regler auch gut klar (oben Modulspannung, unten Leistung):  

[Bild(62.8k)]

 

  Bei beginnender Dämmerung funktioniert die Regelung zwar noch, eiert aber total rum.  

[Bild(63.0k)]


Kein Wunder: der Modulstrom war mit rund 3mA echt nicht mehr der Rede wert - das waren ca. 0,05W Leistung.  

[Bild(7.5k)]

 

 
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  Der Schaltplan: (auch im Archiv unten auf der Seite):  

[Bild(114.0k)]

Die Bauteile sind nicht nach Zweckmäßigkeit ausgewählt, sondern nach dem was in meiner Bastelkiste vorrätig war und halbwegs geeignet schien. Das gilt insbesondere für die Teile im Tiefsetzsteller. Der Spannungsregler ist Klasse, es tut aber auch der 3-beinige Typ.  

   

Betrieb an anderen Modulen

Um den Prozessor als MPP-Tracker zu benutzen muss man ihm mit Spannungsteilern Modulspannung und -strom zuführen.  

[Bild(17.4k)]


Der Spannungsteiler muss so ausgelegt sein, dass der Prozessor an Pin 12 bei der maximalen Leerlaufspannung des Moduls 1,1V bekommt. In meinem Beispielaufbau hat das Modul 24V Leerlaufspannung.
Der Strom wird über einem Shunt-Widerstand gemessen. Der muss so ausgelegt sein, dass beim maximalen Kurzschlussstrom des Moduls 55mV über ihm abfallen. (Bei mir: 110mA Kurzschlusstrom) .  

  Eine externe Schaltung muss die Modulspannung auf einen bestimmten Wert runterziehen indem sie Strom zur Last fließen läßt. Die Modulsollspannung wird durch den 15KHz PWM-Ausgang (mit 9 Bit Genauigkeit) an Pin7 des Prozessors ausgegeben. 100% Pulsbreite entsprechen der Leerlaufspannung, 0% entsprechen 0V. Ich habe dort einen R-C Tiefpass und einen Spannungsteiler angebracht, so dass dort eine Spannung von 0..1,1V ausgegeben wird. Das korrespondiert damit exakt zur Modulspannung.  

  Mittels des im Prozessor eingebauten Komparators habe ich einen sehr primitiven Schaltwandler aufgebaut. Der schaltet den FET ein, wenn die Modulspannung zu hoch ist. Sonst aus. Der Zustand wird alle 16µs bewertet.
Das ergibt sowas ähnliches wie einen Hysteretic-Schaltwandler. Nur ohne Hysterese, dafür mit Mindestpulslängen. Die sind mit 16µs verflixt lang, aber für erste Versuche an dem 2Watt-Modul ist das ziemlich egal.
 

   

Mehr Strom!

Für den Betrieb an leistungsfähigeren Modulen sollte man den Wandler aber mit einem externen Komparator und kleiner Hysterese aufbauen. Die Schaltfrequenz sollte erheblich höher ausgelegt werden und eine FET-Treiberstufe könnte auch angebracht sein. Oder man bedient sich eines Schaltregler-Chips wie dem LM2576 oder dem TL494 oder noch besser einem Current-Mode Controller (UC3843) und läßt ihn nicht wie üblich die Ausgangsspannung sondern die Eingangsspannung auf den von Pin7 vorgegebenen Wert regeln.
 

   

Und sonst

Die abgebildete Schaltung braucht ca. 7mA für Spannungsregler, Prozessor und FET-Ansteuerung.
Der Rest geht in die angeschlossene Last.  

  Zu Debugzwecken wird die gemessene Modulleistung, der gemessene Strom und der eingestellte PWM-Wert etwa alle 400ms seriell mit 9600Baud (ohne Parity) im Klartext auf Pin3 ausgegeben. Dabei entspricht P=16352 der Maximalleistung (1,1V an Pin12 und 55mV an Pin13), I=16368 den 55mV und S=511 einem PWM von 100% (also maximalem Sollwert).  

  Was fehlt ist eine Spannungsbegrenzung für die Ladeschlußspannung des Akkus. Die muss überflüssigen Strom wegbraten um den Akku nicht zu überladen. Je nach Schaltungstyp muss auch eine Diode vor den Akku damit der Akku keinen Strom in die Schaltung treiben kann.  

   

Download


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Software und Schaltplan meines Versuchsaufbaus: 133mpptracker.zip
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Links

Hier einige hilfreiche Links:  

  Zur Auslegung des Spannungsteilers benutze ich mein Tool: [Spannungsteilertool]
Und für den Shunt, der meist aus mehreren parallelen Widerständen aufgebaut wird, nutze ich zur Widerstandsauswahl mein Online-Tool: [R gesucht]
Eine tolle Seite zur Auslegung von Schaltnetzteilen: [Schaltnetzteile] Hier gibt's ein Tool zur Auswahl einer geeigneten Speicherdrossel: [Drossel]
Ein Schaltwandlersimulator zum rumspielen: [Fun]  

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Aber der Seitenquelltext sieht auch interessant aus, zumindest wenn man ihn mit einem Monospace Font in sehr kleiner Schriftgröße betrachtet.

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