Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии
PHOTOELECTRICAL SOLAR ENERGY CONVERSION DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано как автономный источник электропитания и, в частности, для заряда тяговых батарей электромобиля.
Известны способ и устройство эксплуатации аккумуляторных батарей (см. Патент США № US 9436201 В1, заявитель KARMSOLAR, опубл. 06.09.2016), поддержания фотоэлектрического источника питания в точке максимальной мощности.
Недостатками известного устройства является относительно низкое быстродействие поиска оптимальной рабочей точки, высокие требования к необходимой избыточности по напряжению солнечной батареи и схемотехническая сложность реализации.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является патент РФ №2211480 С1 «Устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи», заявитель Федеральный научно-производственный центр Закрытое акционерное общество "Научно-производственный концерн (объединение) "Энергия", опубл. 27.08.2003, Бюл. ФИПС №24.
Фотоэлектрическое устройство содержит в силовом модуле разделительный диод и конденсатор. Первичные обмотки силового трансформатора через силовые транзисторы соединены с общей шиной. Точка соединения первичных обмоток подключена к аноду разделительного диода. Вторичные обмотки силового трансформатора через выпрямительные диоды и дроссель подключены к нагрузке. Нагрузка через вольтодобавочный конденсатор подключена к точке соединения вторичных обмоток силового трансформатора. Схема управления силовыми транзисторами формирует управляющие сигналы с помощью широтно-импульсного регулятора, сравнения напряжения с резистивных делителей силового модуля с сигналами установки напряжения вольтодобавки, опорного напряжения нагрузки и сигнала включения вольтодобавки.
Недостатками устройства - прототипа являются низкое быстродействие поиска оптимальной рабочей точки, высокие требования к необходимой избыточности по напряжению солнечной батареи и схемотехническая сложность реализации.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик устройства преобразования солнечной энергии.
При этом достигаются технические результаты, заключающиеся в повышении быстродействия поиска оптимальной рабочей точки, расширении функциональных возможностей и упрощение схемы реализации, обеспечиваемые предлагаемым устройством.
DC-to-DC (DC-DC) converter - преобразователь постоянного тока.
Указанная техническая задача решается тем, что фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии, содержит фотоэлектрический преобразователь с клеммами для подключения, силовой ключ, диод и нагрузку, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключены анод диода, причем вход силового ключа подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя, отрицательный вход которого и выход силового ключа соединены с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя, кроме того, выход тактирующего генератора подключен к управляющим входам силового ключа и запоминающего устройства, выход датчика тока соединен с информационным входом запоминающего устройства и входом формирователя ошибки, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход формирователя ошибки соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка.
Суть работы предлагаемого устройства, позволяющая достичь указанных технических результатов, заключается в его работе в нижеследующем виде.
Так как техническим результатом изобретения являются повышение быстродействия поиска оптимальной рабочей точки, и как следствие - расширение функциональных возможностей и упрощение схемы реализации, то следующая последовательность работы, указанной необходимой и достаточной совокупности составляющих его элементов, позволяет этого достичь.
Так как планируемое использование предлагаемого устройства -электротранспорт, т.е. как элемент питания электромобиля, положение которого при его движении меняет свою ориентацию относительно солнца и периодически затеняется придорожными объектами. При этом освещенность фотоэлектрического преобразователя из-за умеренных и резких теней, в зоне которых фактически отключаются отдельные ячейки солнечной батареи, меняются с большой скоростью. Если учесть, что время расчета экстремума в существующих системах МРРТ (максимальная возможная мощность на выходе (maximum power point tracking)) может достигать нескольких секунд, то в движении эти системы не будут успевать отслеживать изменения условий освещенности. В предлагаемом устройстве оптимизация энергоотдачи фотоэлектрического преобразователя осуществляется измерением тока короткого замывания и запоминанием его значения до следующего измерения. Рассмотрение вольтамперных характеристик фотоэлектрических преобразователей разных типов показывает, что оптимальная величина токосъема составляет 0.9-0.97 от величины тока короткого замыкания. И установка этого коэффициента по результатам отладочных испытаний приводит к возрастанию потерь при энергосъеме не более 5% относительно максимально возможной величины. Необходимо отметить, что система МРРТ при условиях быстрой смены освещенности даст большую величину потерь энергосъема. В предлагаемом решении необходимые измерения тока короткого замыкания осуществляются в течении 2-5 мксек и обновление информации о величине тока короткого замыкания можно проводит с частотой не менее 1 кГц. Далее, сигнал величины тока короткого замыкания, взятый с соответствующим коэффициентом, сравнивается с сигналом текущего значения отдаваемого солнечной батареей тока и, сформированная ошибка определяет точку отключения процесса накапливания энергии в обратноходовом DC-DC преобразователе, регулируя таким образом токоотдачу солнечной батареи на уровне близком к максимальному.
Выбор обратноходового DC-DC преобразователя определяется тем, что в сравнении с ШИМ (широтноимпульсным) преобразователем он позволяет формировать выходное напряжение, превышающее по своему уровню входное. Это обеспечивает работоспособность устройства при снижении напряжения в результате повышения температуры панелей солнечной батареи, ее деградации, резких тенях и других причинах.
Предложение поясняется чертежами.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.
На этой схеме введены следующие обозначения:
1 - солнечная батарея;
«+», «-» - клеммы положительного и отрицательного выходов солнечной батареи;
2 - силовой ключ;
3 - нагрузка;
4 - DC-DC преобразователь;
5 - датчик тока;
6 - тактирующий генератор;
7 - запоминающее устройство;
8 - формирователь ошибки.
Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии (см. фиг 1) содержит клеммы + и - для подключения фотоэлектрического преобразователя 1, силовой ключ 2, диод D, и нагрузку 3, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключены силовой ключ 2 и анод диода D, при этом вход силового ключа 2 подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя 1, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя 4, отрицательный вход которого и выход силового ключа 2 соединены с первым выводом датчика тока 5, второй вывод датчика тока 5 подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя 1, кроме того, выход тактирующего генератора 6 подключен к управляющим входам силового ключа 2 и запоминающего устройства 7, выход датчика тока 5 соединен с информационным входом запоминающего устройства 7 и входом формирователя ошибки 8, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 7, а выход формирователя ошибки 8 соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка.
Устройство работает следующим образом.
Тактирующий генератор 6 формирует импульсы с частотой не менее 1 кГц и длительностью порядка 2-5 мксек. Эти импульсы открывают силовой ключ 2, через который начинает протекать ток короткого замыкания, фиксируемый датчиком тока 5. Также тактирующий генератор 6 подает команду запоминающему устройству 7 на запись текущего значения этого тока с коэффициентом 0.9-0.97 (подбирается при проведении отладочных испытаний). Диод D служит для исключения разряда входного конденсатора C1 DC-DC преобразователя 4 через силовой ключ 2. Выходные сигналы с запоминающего устройства 7 и датчика тока 5 поступают на соответствующие входы формирователя ошибки 8, представляющего собой пропорциональный или пропорционально - интегральный регулятор, где формируется сигнал ошибки, поступающий на вход управляющего усилителя К DC-DC преобразователя 4. В случае превышения величины сигнала с запоминающего устройства 7 величины сигнала с датчика тока 5, сигнал ошибки через управляющий усилитель К открывает силовой ключ СК. Начинается процесс заряда дросселя L. Ток, контролируемый датчиком тока ДТ2, возрастает и в момент равенства его величины и величины сигнала ошибки сигнал на выходе управляющего усилителя К меняет знак, силовой ключ СК запирается и дроссель L разряжаясь, заряжает конденсатор СЗ, напряжение с которого подается на нагрузку 3. Диод D2 и конденсатор С2 служат для фиксации времени разряда дросселя L.