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太陽電池パネルのspiceモデル

 現在簡易GTI(グリッドタイインバーター)作りをやってます。といっても机上検討ばかりなのですが、そんなこんなやっているうちに注文していた太陽電池パネルが届きました。

▼30W太陽電池パネル
30Wソーラーパネル
 うーん、思ってたよりデカイ。

 最初は15Wを考えていたのですが、GTIをやればエネルギーの保存先に困ることは無いはずなので少し大きい物を調達しました。これが送料込みで約4500円なんだからいい時代になったものです。

▼仕様ラベル
30Wソーラーパネルの仕様
 17.5Vで使えば出力最大になるとういことです。

 GTIの回路の検討にはLTspiceを使っているのですが、太陽電池の部分は電圧源に抵抗を接続したモデルを使ってました。でも変換効率をシビアに追求していくと、そんな単純なモデルではシミュレーションの精度が怪しくなってきました。

 ならば、太陽電池パネルのSpiceモデル作っちゃおう。

 LTspiceの部品ライブラリの作り方は最近良い本が出ているらしいのですが、まだ持ってません。いずれ買うとして、ネットをあちこち徘徊。そのものズバリのモデルはなかなか見つかりません。というかありそうなのですが、名前やメアドの登録を要求されたりするのでそういう所はパス。

 シグナル工房さんのこちらの資料を参考にパラメーターを調整していくことにします。

▼モデル
LTspice回路図
 電流源からR2までが太陽電池パネル。右の電圧源は特性測定用の負荷です。

 この回路のキモはD1のダイオードで、これで出力電圧の上限を制限しています。当然ここは普通のダイオードではダメでかなり特性をいじる必要があります。

▼ダイオードをライブラリに追加
ライブラリに追加
 LTspice\lib\cmp\standard.dio がダイオードのライブラリなので、その末尾に SolorShunt という名前でこのスペシャルなダイオードの特性を書き加えてやります。具体的には以下の内容。

.model SolorShunt D(Is=2.52n Rs=.001 N=41.4 Cjo=4000p M=.1 tt=20u Iave=2 Vpk=75 mfg=sunny EG=1.1)

 いじっていく過程で変な値になったままの項目もあります。ポイントは N=41.4のところ。この値で無負荷時の出力電圧が決まります。Rsはシリーズ抵抗でしょうから小さな値を入れておきます。それ以外は適当に、汗;

 先に特性シミュレーション結果を示します。

▼特性シミュレーション結果
シミュレーション結果
 横軸は出力電圧。上が出力電力、下が出力電流の特性です。17.5Vで出力最大になっています。

 電流特性の右側の急な斜面をR2で、16V付近までのゆるやかなスロープをR1で調整。Pmaxとなる値が仕様ラベルに記載されている電圧/電流に一致するように調整します。回路図にも書いてありますが、R1=800Ω、R2=0.8Ωになりました。電流源の電流値(I1)は短絡電流の値の1.85Aに設定。

 直流解析なので結果は瞬時に出ます。エディターで standard.dio を開きっぱなしにして値を書き換えながらグラフで結果を確認すれば簡単に合わせ込むことが出来ました。
 
 ということで太陽電池パネルのスパイスモデル完成です。専門の人が見たら変なとこあるかも知れないですが、私の用途にはこれで充分です。

 ところで肝心のGTIですが、手頃なトランスが見つからない、というか新品を買えばいいのですがけっこう高いです。ヤフオクに出品されるのを待つか、高くてもいいから新品買うか思案中。

 ん、その前にこの太陽電池パネルをベランダに取り付けなくちゃいけないけど、クソ暑い日が続いているのでちょっとやる気がしません。

tag : ソーラーパネル LTspice

グリッドタイインバーター(GTI) 原理試作

 グリッドタイインバーターといっても本格的なものでは無くて、なんちゃってGTIです。

 前の記事で回路の検討は終わったので、ブレッドボードに組んで動作確認を行いました。

▼全景
GTIの試作全景
 右下は以前作った交流電流測定アダプタ。左の金色の四角な物体は前の記事に出てきたトランスです。

▼心臓部
ブレッドボード

 ソーラーパネルの代わりに安定化電源を接続して動かしてみます。シミュレーションで確認済みの回路なので一発で動きました。

▼入力ゼロの波形
GTIアイドル中の波形
 上はAC100Vの電流波形、下はトランスの第三コイルの電圧で、位相の比較用です。

 少し電流が流れているのは主にトランスの励磁電流と思われます。他にはオペンプの電源電流も混ざっているはずですが、これはごく僅かのはず。

▼ソーラー側からから約3W注入した波形
還流中の波形
 AC100Vの電流波形がチグハグになっています。これが電力が系統側に逆流している証拠です。下の第三巻線の波形にスイッチングノイズが乗っています。

 どれくらいのパワーが逆流しているのかこの波形からは正確には判りませんが、およそ1ワットくらいは逆流している感じです。

 ということで、思った通り電力の逆流は成功しているみたいです。あとはこの回路を修正して完成度を上げていけば良さそうです。

 この試作で明らかになった主な改善点は、

1.トランスの選定
 手持ちの関係で3.3Vのトランスを使いました。でもここは12Vのトランスを使うべきです。12Vのトランスはピークでは16.8V出ているので、12Vバッテリー用のソーラーパネルの最適動作ポイントとほぼ一致します。

2.電流波形の改善
 この回路では電流をいきなり正負に切り替えていますが、間にオフの期間を設ける。あるいはPWMで正弦波ドライブにするともっと効率が上がると思います。こういう制御は回路でやるよりマイコン使ったほうが簡単なので、Arduinoでやってみようかと思います。

3.位相検出の改善
 現在はトランスの第三コイルを使っていますが、主回路のスイッチングパワーが増えるとノイズが増えてきて誤動作が心配です。場合によっては位相検出専用にもう一つ別のトランスを用意した方が良いかも知れません。

 ということで実用機を作るための条件はかなり見えてきました。これからトランスなどの部品を調達してぼちぼちと作っていきたいと思います。
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