Achtergrond

In 2013 kwam ik na aankoop van verschillende zonnepanelen, er achter dat er flink verschil zat tussen de panelen. De panelen werden verkocht met de specificatie van 5 V t/m 6 V en 120 mA t/m 200 mA, maar de Chinezen die via Ebay verkopen overdrijven nog al. De panelen zijn samen gesteld uit 10 of 12 zonnecellen en gegoten in epoxy. De zonnecellen die zijn gebruik zijn niet de beste en dat is te zien, als je ze goed bekijkt. Bij een meting heb ik ooit een onbelaste spanning gemeten van 7.1 V en een kortsluitstroom 170 mA, maar dit is niet het maximale vermogen wat deze zonnepanelen kunnen leveren.

Meten van zonnepanelen (waarde van multimeter is met meerdere panelen parallel)

Dat een zonnepaneel het maximale vermogen niet ideaal levert was mij wel bekent. Een zonnecel (en dus ook een zonnepaneel, een zonnepaneel zijn meerde zonnecellen in serie met elkaar) heeft een zo genoemde Maximum power point (bron: wiki), dit is het punt waarop de maximale stroom en spanning kan leveren. Spanning keer stroom is vermogen (vertaling power)

De basis formule die iedereen kent. (geld in dit geval omdat het DC is) Als een zonnecel kort gesloten wordt dan levert hij de maximale stroom, maar dan staat er bijna geen spanning over en anders om ook; bij onbelaste spanning staat er een hoge spanning over het paneel maar loopt er geen stroom. Als een U of I heel klein is P ook heel klein. Door middel van een geregelde DC-DC converter kan de belasting worden ingesteld, zo dat het zonnepaneel het maximale vermogen levert, deze wordt dan ook wel een Maximun Power Point Tracker of MPPT genoemd.

Doel

Ik wilde met de zonnepanelen mijn telefoon binnen normale tijd (dus zo als een AC lader) opladen. Niet zo als die powerbank zonnecel die vaak maar 0.5 W zonnepanel hebben. Dus mijn doel was om minimaal 5 V 500 mA 2.5 W te kunnen opwekken. Maar het was mij nog niet bekent wat ieder zonnepaneel kon leveren, dus wilde ik eerst meten wat ieder paneel maximaal kan leveren. Deze informatie wilde ik makkelijk uit kunnen lezen, ook als ik onder weg of op de camping was, dit was ook een eis.

De zonnepanelen zijn gekocht met de specificatie van ~6 V ~200 mA.  Van de drie verschillende type zonnepanelen had ik er twee. Voor het experimenteren moesten deze zo wel in serie als parallel geplaatst worden. Een maximale ingangsspanning van 12 V en 400 mA moest mogelijk zijn.

Ik wilde ook een beetje met een MPPT experimenteren, wetende dat dit niet  meer energie zou opleveren. Het aansturen van een MPPT kost namelijk ook energie en de MPPT zou niet veel meer energie opwekken dan dat ik het rechtstreeks zou aansluiten. Maar met de MPPT DC-DC converter kon ik wel verschillende belastingen testen.

Ontwerp

Dit ontwerp heb ik gemaakt voor mij zelf, als hobby. Dat betekent dat ik niet de middelen van een bedrijf tot mijn beschikking had, zo als Farnell of Digikey (Ik weet wel dat het mogelijk is om prive te betellen maar dan moet je minimaal voor 50 euro bestellen of anders hoge verzend kosten betalen). Het is daarom wel lastig om goede (SMT) componenten te krijgen, ik ben daar om aangewezen op webshops als Ebay, smdshop en EOO. Voor algemene componenten gaat dat wel goed maar als je een high-site-gate driver (LTC4440-5) nodig heb die werkt vanaf een spanning van 5 V. Deze heb ik daarom gesampled bij Linear Technology, maar als ik dit project meerde keren of nieuwe versies zou bouwen zou ik dit niet kunnen doen. Tips zijn welkom!

Het schema van de Mini-MPPT Uitvergroot

De LT6100 versterkt de spanning over 0.1 Ω met (de ingestelde) 50 keer. De maximale stroom die daardoor gemeten kan worden wordt gelimiteerd op externe referentie van 2.048 V.

Met de 10 bits adc converter van de Atmega8A komt dat uit op een resolutie van:

Voor het meten van de ingang en uitgangsspanning is beide een weerstandsdeler van 9 keer, alleen bij de uitgang is een deler van 6 keer gesoldeerd. De overige weerstanden bij de spanningsdeler (R7,R12,R14,R16) in het schema zijn voor het trimmen van de spanningsdeler. De maximale ingangsspanning dat de mini-Mppt kan meten is 18.432 V

Het idee was om de waarde van de spoel te wijzigen per experiment, maar bij nader inzicht kan dit makkelijker gedaan worden door middel van het wijzigen van schakelfrequentie in de microcontroller. Hier is een goede referentie.

Het dc-dc converter circuits is twee keer uitgevoerd, met een diode aan de uitgang zo dat ze elkaar niet kunnen voeden. (mogelijk door de vrijloop diode van Q1).

De gekozen microcontroller is een Atmega8A, met een belangrijke rede, de is goedkoop! Als je ze per 10 of 20 op Ebay koopt kan je ze onder 1 euro krijgen. Als je goed kan programmeren kan je ook uit de simpelste microcontroller genoeg uit halen. De Bluetooth module (HC-05) maakt het mogelijk om hem ook op mijn telefoon uit te lezen. Dit had ik een paar jaar eerder al gedaan in een Youtube filmpje. (app Blueterm)

Print van de mini-MPPT. Groote 75x55mm

Realisatie

Met dank aan school kon ik de print laten frezen. Er zijn alleen een paar dingen waar je op moet letten als je je print laat frezen, de via’s zijn minimaal 0.8mm en de gaten zijn niet automatisch doorverbonden. Bij het maken van een connectie van de onder naar de bovenkoper laag, moet daarvoor een via geslagen worden.  Dit is niet altijd mogelijk en als er een THD component op gesoldeerd word is deze niet verbonden aan de koper laag (aan de component zijde). Dat is de rede van de ronde IC voetjes als programmeer header, deze is aan beide zijdes (met een beetje moeite) te solderen en breadboard draadjes passen er precies in.

Volledig gesoldeerde mini-MPPT

Na verschillende experimenten merkte is dat ik alle zonnepanelen nodig had om mijn telefoon op te laden. De MPPT is als volgt aangesloten:

• Deel A zijn de middelste twee panelen in serie.
• Deel B zijn de buitenste panelen van de zelfde grote in serie en die dan weer parallel aan elkaar.

Aan elkaar gelijmde zonnepanelen

Achterkant van de aan elkaar gelijmde zonnepanelen met min-MPPT. Ja het zijn ijsstokjes

Met een kleine weerstand aan de uitgang en een dc-dc converter die alleen maar optelt (van 1 t/m 254) is de MPPT functie goed te zien.

Meting deel A

Meting deel B

Het resultaat 2+1.4=3.4 W

Aanbevelingen

Dit zijn metingen gedaan door middel van constante schakel frequentie op 14 kHz deze zou in de software verder geconfigureerd moeten worden, om een hoger rendement te halen.

De gedachte om een zonnepaneel per MPPT aan te sluiten was niet correct, het verschil tussen de in- en uitgangsspanning is daarvoor te klein. Mogelijk zou daar voor ook een boost converter voor nodig zijn. Verder was het nodig om alle panelen te gebruiken om boven de 2.5 W uit te komen. Wat het met de aan elkaar gelijmde panelen een onhandzaam formaat maakt (300×240 mm).