Генератор электромагнитных колебаний с использованием солнечных панелей
ELECTROMAGNETIC GENERATOR USING SOLAR PANELS

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и фотоэлектроники. Устройство предназначено для генерирования электрических напряжений синусоидальной формы с использованием солнечных батарей.
II. Уровень техники
II. 1 Сравнение с предшествующими уровнями техники
Используемые в настоящее время солнечные панели вырабатываю электроэнергию постоянного тока. Для получения переменного напряжения используется аккумуляторная батарея и инвертор, как показано на рисунке фиг. 1.
Фиг. 1 Установка электропитания на солнечных панелях
Предлагаемое устройство позволяет генерировать с использованием стандартных солнечных панелей электроэнергию переменного тока, по форме приближающегося к синусоиде, частота колебания задается используемым в устройстве генератором тактовых импульсов. Устройство может подключаться к промышленной сети переменного тока в качестве генератора электроэнергии, либо использоваться автономно для электроснабжения потребителей переменного тока в сетях энергоснабжения, автоматики, робототехники, сетях "промышленного Интернета вещей, IIOT" и межмашинного взаимодействия, М2М.
II. 2 Цель изобретения
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования электрических напряжений и токов синусоидальной формы с помощью панели, на которой располагаются фотопреобразователи световой энергии в электрическую (фотовольтаические или фотоэлектрических преобразователи). Применение устройства возможно как при освещении солнечных панелей солнечной энергией, так и в отсутствии такого освещения. При отсутствии освещения колебания генерируются за счет использования энергии, накопленной в аккумуляторных или конденсаторных батареях. При освещении панелей солнечная энергия расходуется как на генерирование колебаний, так и на зарядку аккумуляторных или конденсаторных батарей. Использование устройства возможно и без использования аккумуляторных батарей только при освещении солнечных панелей энергией Солнца. Получение колебаний синусоидальной формы достигается в результате коммутации отдельных элементов солнечной панели по предлагаемой в работе схеме. Частота генерируемого напряжения (тока) задается генератором тактовых импульсов, входящего в блок управления устройства. Амплитудные значения тока достигаются в результате параллельного соединения фотопреобразователей, амплитудные значения напряжения достигаются в результате последовательного соединения отдельных элементов солнечной панели в модули. Модули между собой соединяются собой так, чтобы получить аппроксимацию синусоидальной функции выходного напряжения последовательностью импульсных функций.
II. 3. Изобретательский уровень.
Предлагаемое устройство для генерирования электромагнитных колебаний с использованием солнечных панелей отличается от используемых в настоящее время устройств тем, что позволяет непосредственно с панелей с солнечными фотоэлементами снимать переменное синусоидальное напряжение. Для районов с гарантированным освещением солнечных батарей генерация синусоидального напряжения возможна без использования аккумуляторной батареи и инвертора. Для использования устройства в периоды отсутствия освещенности солнечной панели требуется использование накопителей энергии, таких как аккумуляторная батарея или блок конденсаторов необходимой емкости. Технические требования к используемым в устройстве накопителям энергии значительно ниже по сравнению с требованиями к аккумуляторной батарее, используемой в решении, показанном на рисунке фиг. 1. При разбиении периода выходного напряжения на 12 интервалов каждый накопитель энергии в предлагаемом устройстве используется только на 1/6 части периода генерируемого переменного напряжения. Вследствие этого снижаются требования к энергоемкости накопителей. 1/3 часть накопителей рассчитывается, проектируется и изготавливается на напряжение, равное 1/3 части амплитуды выходного напряжения, 1/3 часть накопителей изготавливается на напряжение, равное 2/3 амплитуды выходного напряжения и 1/3 часть накопителей изготавливается на напряжение, равное амплитуде выходного напряжения. Вследствие указанных факторов снижаются такие показатели накопителей как габариты, вес, стоимость по сравнению с используемым накопителем, показанным на рисунке фиг. 1.
От описанного в работе [1] предлагаемое устройство отличается тем, что:
- в качестве источников энергии используются солнечные панели, состоящие из однотипных фотопреобразователей с одинаковыми значениями напряжения каждого источника равное Еэл;
- используя последовательное и параллельное соединения фотопреобразователей формируются модули из фотопреобразователей с требуемым значением тока и напряжения, одинакового по величине для каждого модуля. Напряжение одного модуля равно Е=к⋅Еэл, где к - количество последовательно соединенных в модуле элементов или групп из параллельно соединенных элементов. Количество элементов в каждой группе определяется требуемым значением тока, которое необходимо получить от модуля;
- Модули коммутируются в соответствии с предложенной схемой для получения кратных значений напряжений Е. 2Е, 3Е, -Е, -2Е, -3Е. При помощи блока коммутации, содержащем управляемые ключи, источники электрической энергии подключаются в заданной последовательности к выходным полюсам устройства. Управление ключами блока коммутации осуществляется блоком управления. В качестве источников электрической энергии генератора используется электрическая энергия:
- получаемая в результате преобразования световой энергии, падающей на световые панели, в электрическую энергию
- электрическая энергия аккумуляторных батарей или блока конденсаторов, заряжаемых от световой панели.
Генерирование электрических колебаний предлагаемым устройством возможно и без использования аккумуляторных батарей или блока конденсаторов только при освещении солнечной панели солнечной энергией. \
III. Раскрытие сущности изобретения
III. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
m
1
1
1
1
2
1
k
1
На фиг. 2 представлен отрезок синусоидальной функции с амплитудой E на интервале 0…2π. Рассмотрим участок этой функции на интервале 0…π/2, который аппроксимируется последовательностью k импульсных функций с кратными амплитудными значениями E, 2E…kE, где Е - амплитудное значение первого импульса, Е=2Е - амплитудное значение второго импульса, E=kE - амплитудное значение импульса с номером k. Пусть длительность каждого импульса TI одинакова для всех импульсов и равна
Установление зависимости амплитуды синусоиды и амплитуды первого импульса на основе равенства энергий
Потребуем, чтобы площадь, ограниченная синусоидальной функцией на интервале 0…π/2 и горизонтальной осью, была равна на этом же интервале площади, равной сумме площадей импульсных функций
Интеграл
Из соотношений (2) и (3) найдем выражение для амплитудного значения первого импульса:
m
Для E=1 и k=3 (n=12) получим  для k=4 (n=16) получим  для k=6 (n=24) Е1=4/7π ~0.181
Установление значений амплитуд импульсов для случая n=12
В таблице 1 записаны значения амплитуд импульсов для каждого из 12 интервалов, на которые разбивается синусоидальная функция. Первые три импульса, аппроксимирующие синусоидальное напряжение первой фазы на интервале 0-Т/4, показаны на рисунке фиг. 2. Принято, что период синусоидальной функции Т разбивается на 12 временных интервалов 1…12.
1
2
3
Значения напряжений E, Е, Е показаны на рисунке фиг. 2.
III. 2. Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.
Фиг. 3 Структурная схема
На рисунке фиг. 3 показаны следующие блоки устройства:
Б1. Панель с набором фотопреобразователей;
Б2. Блок накопителей энергии. Это может быть либо блок аккумуляторных батарей, либо блок конденсаторов необходимой емкости
Б3. Блок управления. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов. Управляющие импульсы открывают электронные ключи, расположенные в блоке коммутации. При помощи управляемых ключей источники энергии поочередно подключаются к выходным клеммам устройства;
Б4. Блок коммутации. Обеспечивает подключение источников электрической энергии (фотопреобразователей и/или накопителей энергии) к выходным клеммам в соответствии с алгоритмом получения синусоидальной формы выходного напряжения;
Б5. Выходной трансформатор. Обеспечивает изменение величины напряжения (тока) устройства до требуемой величины.
На рисунке фиг. 4 показана структурная схема устройства для случая, когда период синусоидальной Т разбивается на n=12 интервалов одинаковой величины TI=Т/n. На рисунке указаны номера узлов, при помощи которых осуществляется соединение блоков между собой.
Фиг. 4 Структурная схема с указанием внешних полюсов
III. 3 Блок управления
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5
Фиг. 5 Принципиальна схема блока управления
Блок управления Б3 предназначен для формирования циклической с периодом Т последовательности управляющих импульсов прямоугольной формы. Управляющие импульсы управляют открытием силовых ключей блока коммутации Б4. Силовые ключи подключают на интервал времени TI в заданной последовательности источники энергии к выходным поюсам устройства. Источниками энергии являются фотовольтаичексие преобразователи солнечной батареи и/или накопители электрической энергии. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.
При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники электрической энергии подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Дискретные значения ЭДС для конкретных k=1…n, n=12 приведены в таблице 1. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n - числу импульсных функций на периоде Т. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 81…8n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.
III. 4 Блок коммутации
Принципиальная схема блока коммутации для случая, когда число временных интервалов n на периоде Т равно 12 показана на рисунке фиг. 6. Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации
1
2
1
n
1
2
При помощи блока коммутации Б4 источники напряжений от фотопреобразователей и/или накопителей энергии подключаются в соответствующие интервалы времени (к-1) TI≤t≤kTI, k=1, 2, … n к выходному полюсу блока 10, полюс 10 постоянно подключен к полюсу 0 блоков Б1 и Б2. В записанном выражении TI - длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т, Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей К1…К6. Импульсы, управляющие открытым состоянием каждого электронного ключа, поступают от блока управления посредством полюсов 8…8. Первый импульс от блока управления поступает в блок коммутации посредством полюса 8, второй импульс посредством полюса 8 и т.д.
1
12
1
6
1
6
4
1
5
2
6
3
1
6
1
6
1
1
2
1
2
1
3
1
4
1
5
2
6
3
1
2
1
1
1
6
2
5
2,2
2,5
2
На принципиальной схеме входными полюсами, от которых поступают управляющие импульсы на открытие электронных ключей, являются полюсы 8…8. Посредством полюсов 11…11 к блоку коммутации подключаются источники напряжения E…Е. При этом полагаются следующие обозначения: E=-E, Е=-Е, Е=-Е. Напряжения Е…Е снимаются с полюсов 11…11 и полюса 0. Так, напряжение E снимается с полюсов 11 и 0, напряжение Е с полюсов 11 и 0 и т.д. Приняты кратные значения напряжений. Величина E определяется напряжением одного модуля питания, E=2E, Е=3Е, Е=-Е, Е=-Е, Е=-Е. Выходными являются полюсы 10 и 10. При помощи ключа К1 источник E подключается к выходному полюсу 10 на первом и шестом интервалах времени. Это достигается тем, что на вход ключа К1 поступают управляющие импульсы с электродов 8 и 8 через диоды D1,1 и D1,6, на вход ключа К2 поступают управляющие импульсы с электродов 8 и 8 через диоды D и D и т.д.
III. 3 Блок фотопреобразователей, блок накопителей энергии, блок диодов
1
1
1
2
1
2
1
3
1
3
2
1
3
2
1
4
5
6
4
5
6
4
1
5
5
2
6
6
3
4
5
6
6
5
4
Отдельные элементы панели группируются в модули с одинаковым по величине выходным напряжением равным Е. На протяжении первого интервала времени, см. рисунок фиг. 2, на выход устройства к полюсу 11 при помощи блока коммутации подключается модуль фотопреобразователей с напряжением E. На втором интервале времени длительностью TI к выходным клеммам устройства к полюсу 11 подключаются два последовательно соединенных модуля фотопреобразователей с напряжением E каждый. В результате на выходных клеммах устройства на протяжении этого интервала времени напряжение будет равно Е=2Е. На третьем интервале времени длительностью TI к выходным клеммам устройства к полюсу 11 подключаются три последовательно соединенных модуля фотопреобразователей. В результате на выходе устройства на третьем по счету интервале времени длительностью TI будет напряжение Е3=3Е. На четвертом, пятом и шестом интервалах времени источники Е, Е, E подключаются к полюсам 11, 11, 11. Отрицательные значения выходного напряжения получаются в результате подключения источников Е, Е, Е к выходным полюсам 11, 11, 11. Так, на седьмом интервале времени длительностью TI к полюсу 11 подключается источник Е4=-E, на восьмом интервале времени к полюсу 11 подключается источник E=-Е, на девятом интервале времени к полюсу 11 подключается источник Е=-Е. На десятом, одиннадцатом и двенадцатом интервалах времени источники Е, Е, Е подключаются к полюсам 11, 11, 11.
11
12
1n
21
22
2n
61
62
6n
2
На рисунке фиг. 7 показаны фотопреобразователи П, П, … П, образующие первый модуль фотопреобразователей, П, П, … П, образующие второй модуль фотопреобразователей, …, П, П, …, П, образующие шестой модуль фотопреобразователей. Каждый модуль образуется в результате последовательно - параллельного соединения отдельных фотопреобразователей. Например, один поликристаллический фотопреобразователь при световом потоке 1,0 кВт/м в соответствии техническими данными, приведенными на сайте Molotok.ru, характеризуется параметрами:
Напряжение: холостого хода - 0,55 В,
рабочее - 0,5 В.
Ток: КЗ - 1,5 А,
рабочий - 1,2 А.
Рабочая мощность - 0,62 Вт.
11
12
При последовательном соединении десяти фотоэлементов получим рабочее напряжение одного модуля 5 В, рабочая мощность одного модуля будет составлять 6,2 Вт. Если в каждой группе фотоэлементов (П, П и т.д.) использовать их параллельное соединение, то можно увеличит рабочий ток и мощность одного модуля. Так, если параллельно соединять по 10 фотопреобразователей, то рабочий ток модуля возрастет до 12 А, рабочая мощность до 62 Вт.
Фиг. 7 Панель солнечная с накопителями энергии
Фиг. 8 Панель фотопреобразователей с накопителями энергии и блоком диодов
10
20
30
40
50
60
10
1
20
2
30
3
40
4
50
5
60
6
На рисунке фиг. 7 показан блок фотопреобразователей Б1 и блок накопителей энергии Б2. В качестве накопителей энергии могут использоваться блоки аккумуляторных батарей, либо блоки конденсаторов необходимой емкости. Показаны накопители С, С, С, С, С, С. Накопитель С подключается к полюсам 11 и 0, С к полюсам 11 и 0, С к полюсам 11 и 0, С к полюсам 11 и 0, С к полюсам 11 и 0, C к полюсам 11 и 0.
Для того, чтобы исключить саморазряд накопителей энергии через фотопреобразователи в схему фиг. 7 вводятся полупроводниковые диоды D1, D2, D3, D4, D5, D6. Это показано на рисунке фиг. 8.
1
2
3
4
5
6
Выходными полюсами такой схемы являются полюсы 11, 11, 11, 11, 11, 11, и 0.
III. 4 Трансформатор
1
2
1
2
Выходной трансформатор, блок Б5, полюсом 10 подключается к одноименному полюсу блока коммутации, показанного на рисунке фиг. 6, полюсом 10 подключается к полюсу 0 блока источников энергии, показанному на рисунке фиг. 4. Выходными полюсами трансформатора являются полюсы 12 и 12. Трансформатор предназначен для получения требуемого значения напряжения на выходе устройства.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Установка электропитания на солнечных панелях
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
Фиг. 3 Структурная схема устройства
Фиг. 4 Структурная схема с указанием внешних полюсов
Фиг. 5 Принципиальна схема блока управления
Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации Фиг. 7 Принципиальная схема блока питания для n=12
Фиг. 7 Панель солнечная с накопителями энергии
Фиг. 8 Панель фотопреобразователей с накопителями энергии и блоком диодов
V. Осуществление изобретения
р
i
1
6
1
2
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 5 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из р, р=1…12, его выходов. Единичный сигнал на р-ом (р=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8, p=1…12, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей К1…К6. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11, i=1…6, к источникам напряжения Е…Е, а выходы ключей к выходным полюсам блока коммутации 10 и 10.
1
2
1
6
1
2
3
4
5
2
6
3
1
1
2
2
3
В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу блока коммутации 10 и 10 подключается только один источник постоянного напряжения из набора E…Е. Значения напряжений источников равны E=E, Е=2Е, Е=3Е, Е=-Е, Е=-Е=-2Е, Е=-Е=-3Е. На принципиальной схеме блока коммутации, рисунок фиг. 6, показаны для числа временных интервалов на периоде Т равном n=12. Согласно табл. 1, в первый интервал времени к полюсу 10 подключается источник ЭДС E=E, к полюсу 10 подключается полюс 0. Для других интервалов от 2 до 12 коммутации определяются аналогично. Для получения напряжений Е и Е используется последовательно соединение одинаковых по величине напряжения источников с напряжением (модулей) Е. Это показано на рисунке фиг. 7.
4
5
6
4
5
6
Напряжение Е4 снимается с источника ЭДС с величиной напряжения Е при его инверсном включении, т.е. Е=-Е. Напряжения Е и Е получаются в результате последовательного соединения инверсно включенных источников с напряжением Е. В результате Е=-Е, E=-2E, Е=-3Е. Это показано на рисунке фиг. 7.
1
6
1
2
1
n
j
j+1
n
1
Подключение источников питания с напряжениями E…Е к выходным полюсам блока коммутации 10…10 осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. Сигналы, управляющие на момент времени TI=Т/n открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8…8. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8, j=1…n, следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8 включается импульс 8. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.
1
2
1
2
Напряжения, снимаемые с полюсов 10 и 10, поступают на вход трансформатора. Выходными полюсами трансформатора являются 12 и 12. Коэффициент трансформации трансформатора определяется требуемым значением напряжения нагрузки.
VI. Литература
1. Патент №2016127384, МПК Н05В 1/00, 2017. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС