Портативный фотоэлектрический источник питания

Полезная модель относится к портативным источникам электропитания, первичным источником энергии для которых является солнечная энергия и которые могут быть использованы в различных секторах экономики: энергоснабжение групп охотников, геологов, туристов, работников сельского хозяйства и других потребителей, находящихся вне зоны действия стационарной электрической сети в течение длительного времени.
Известно зарядное устройство (патент на полезную модель RU №93595, кл. H02J 7/35, опубл. 27.04.2010), содержащее солнечную батарею, набор адаптеров, используемых для подсоединения различных электронных приборов, аккумуляторную батарею, заряжаемую либо от солнечных батарей, либо от сетевого или автомобильного адаптеров, контроллер заряда и индивидуальный источник освещения. Зарядное устройство снабжено индикатором оптимального положения солнечной батареи относительно источника света, подключенным к контроллеру заряда аккумуляторной батареи. Основными недостатками подобных устройств являются затрудненный заряд встроенной аккумуляторной батареи при отрицательных температурах, отсутствие алгоритма экстремального регулирования мощности солнечной батареи, что снижает выработку энергии, отсутствие системы контроля и управления аккумуляторной батареей, что допускает глубокий разряд отдельных аккумуляторов и преждевременный выход их из строя.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является переносная солнечная электростанция, содержащая выносную раскладную солнечную батарею, выполненную на основе фотопреобразователей из трехкаскадного аморфного кремния, и автономный источник питания с аккумуляторной батареей, выполненный с возможностью контроля заряда и защиты аккумуляторной батареи (патент RU №2548155, кл. H01J 7/00, опубл. 20.04.2015). Основными недостатками этого устройства является большая масса изделия и его габариты, что затрудняет его транспортировку, пониженная эффективность использования солнечной энергии вследствие отсутствия экстремального регулирования мощности солнечной батареи, а также ограничения возможности заряда аккумулятора при отрицательных температурах для высокоемких литий-ионных аккумуляторов с углеродным анодом.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии солнечного излучения.
Проблема решается, а технический результат обеспечивается тем, что в портативном фотоэлектрическом источнике питания, содержащем солнечную батарею, литий-ионную аккумуляторную батарею с датчиком температуры, программируемый через информационный вход контроллер, подключенный к аккумуляторной батарее, солнечной батарее, нагрузочным выходам источника, обеспечивающим зарядку аккумулятора и питание потребителя энергией, вырабатываемой солнечной батареей в режиме экстремального регулирования мощности, управление мощностью нагрузки в зависимости от режимов работы потребителя и мощностью нагревателя в зависимости от температуры аккумуляторной батареи, аккумуляторная батарея состоит из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей и оборудована системой контроля напряжения на каждом аккумуляторном модуле с возможностью ограничения максимального напряжения заряда на модулях в рабочем диапазоне и отключения контроллером аккумуляторной батареи от нагрузки при достижении любым из аккумуляторных модулей минимально разрешенного напряжения разряда. Питание собственных нужд контроллера может осуществляться независимо как от аккумуляторной, так и от солнечной батареи, с обеспечением возможности подогрева аккумуляторной батареи перед ее зарядом в условиях отрицательных температур. Ограничение напряжения заряда аккумуляторных модулей в составе батареи может быть осуществлено либо путем перераспределения энергии между аккумуляторными модулями с различным напряжением, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях. При падении мощности солнечной батареи до 10% от номинальной и необходимости продолжения заряда аккумуляторной батареи солнечная батарея может быть подключена к аккумуляторной батарее через управляемый транзисторный ключ. Задание ограничений напряжений и температур аккумуляторной батареи может осуществляться через информационный вход посредством интерфейса RS485 или RS232.
На чертеже схематично показан предлагаемый источник питания.
Портативный фотоэлектрический источник питания содержит складную солнечную батарею 1, систему контроля и управления аккумуляторной батареей 2, контроллер заряда 3, к которому присоединены аккумуляторная батарея 5, солнечная батарея 1, нагрузочный выход 9 с номинальным напряжением 12-16 В, понижающий преобразователь 6 с выделенным нагрузочным выходом, нагреватель литий-ионной аккумуляторной батареи 7, датчик температуры 8, выделенный нагрузочный выход напряжением 5 В 10, информационный вход 11. Источник обеспечивает зарядку аккумулятора и питание потребителя энергией, вырабатываемой солнечной батареей в режиме экстремального регулирования мощности, управление мощностью нагрузки в зависимости от режимов работы потребителя и мощностью нагревателя в зависимости от температуры аккумуляторной батареи. Батарея состоит из нескольких электрически соединенных аккумуляторных модулей и оборудована системой контроля напряжения на каждом аккумуляторном модуле с возможностью ограничения максимального напряжения заряда на модулях в рабочем диапазоне и отключения контроллером аккумуляторной батареи от нагрузки при достижении любым из аккумуляторных модулей минимально разрешенного напряжения разряда, При падении мощности солнечной батареи до 10% от номинальной и необходимости продолжения заряда аккумуляторной батареи солнечная батарея может быть подключена к аккумуляторной батарее через управляемый транзисторный ключ 4. Задание параметров заряда аккумуляторной батареи осуществляется посредством информационного входа 11.
Предлагаемый фотоэлектрический портативный источник питания работает следующим образом. Складная солнечная батарея 1 в развернутом состоянии преобразует энергию солнечного излучения в электроэнергию Последняя с помощью контроллера заряда 3, варьирующего отбираемую от солнечной батареи 1 мощность с целью ее максимизации, в зависимости от степени заряда аккумуляторов батареи 5, показаний датчика температуры 8 и наличия потребителей, направляется в аккумуляторную батарею 5, на нагрузочный выход 9, предназначенный для потребителей, питаемых напряжением 12-16 В, понижающий преобразователь 6 с выделенным нагрузочным выходом 10 для потребителей, питаемых напряжением 5 В,  или нагреватель 7.
Включение нагревателя происходит по показаниям датчика температуры 8 при достижении температуры аккумуляторной батареи ниже заданной, например плюс 5˚С. Выключение нагревателя происходит при достижении температуры выше заданной, обеспечивающей полный заряд литий-ионных аккумуляторов батареи 5. Отключение питания потребителей происходит автоматически при достижении на любом из аккумуляторных модулей заданного порогового напряжения, например 2,8 В с повторным включением при напряжении не менее 3 В на каждом из модулей. Отключение солнечной батареи 1 происходит при достижении напряжения на любом из модулей заданного напряжения, например 4,25 В при работе системы контроля и управления 2, обеспечивающей балансировку напряжения на аккумуляторных модулях батареи 5 либо путем перераспределения энергии между по разному заряженными модулями, либо рассеянием избытков энергии на шунтирующих аккумуляторные модули балластных сопротивлениях. Включение ключа 4 осуществляется при мощности солнечной батареи 1 в 10% от номинальной при напряжении на всех модулях аккумуляторной батареи 5 ниже заданного напряжения, например 4 В. При необходимости заряда аккумуляторной батареи 5 от централизованной сети вместо солнечной батареи 1 к контроллеру заряда 2 может быть подключен внешний источник постоянного напряжения, имеющий функцию ограничения тока разряда. Задание параметров заряда (напряжение и температура) аккумуляторной батареи осуществляется через информационный вход 11 посредством интерфейса RS485 или RS232.
В предлагаемом источнике питания реализованы:
алгоритм экстремального регулирования мощности солнечной батареи;
возможность подогрева литий-ионной аккумуляторной батареи перед зарядом в условиях отрицательных температур;
возможность изменения критических параметров заряда и разряда аккумуляторной батареи посредством программирования контроллера через информационный вход;
возможность увеличения степени утилизации энергии солнечного излучения за счет применения гетероструктурных кремниевых фотоэлектрических преобразователей в солнечной батарее.