Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей
METHOD OF EXTRACTING ELECTRICAL ENERGY FROM BATTERIES OF PHOTOELECTRIC CONVERTERS

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к получению электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения, и приборостроению, в частности к разработке автоматических систем регулирования максимальной мощности, и может применяться в фотоэлектрических установках для повышения их энергетической эффективности в условиях неравномерного освещения, выходе из строя части фотоэлектрических преобразователей или при параллельном соединении батарей фотоэлектрических преобразователей с различными напряжениями.
Известен способ повышения энергетической эффективности батарей фотоэлектрических преобразователей в условиях частичного затенения, описанный в книге «Справочник по проектированию солнечных батарей», Г. Раушенбах, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г., заключающийся в использовании шунтирующих диодов, включенных параллельно отдельным группам фотоэлектрических преобразователей, образующих фотоэлектрические батареи. Диоды подключают так, чтобы они проводили ток в прямом направлении при приложении обратного напряжения смещения к затененным группам. Обратное напряжение смещения возникает в том случае, если ток, текущий по последовательной цепочке, создает падение напряжения на затененном участке, большее, чем напряжение, вырабатываемое самой группой затененных фотоэлектрических преобразователей. Другими словами, шунтирующие диоды отключают (шунтируют) затененную группу фотоэлектрических преобразователей из последовательной цепи, чтобы она не ограничивала мощность всей цепи.
Недостатками данного способа являются снижение вырабатываемой электрической мощности, или отключение батареи фотоэлектрических преобразователей в случае затенения, загрязнения, выхода из строя одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей при параллельном соединении батарей.
Это происходит из-за того, что при отключении шунтирующими диодами отдельных групп фотоэлектрических преобразователей напряжение на выходе всей батареи, в точке максимальной мощности, становится меньше напряжения других параллельно подключенных батарей. Таким образом, в таком способе отсутствует согласование параллельно соединенных батарей фотоэлектрических преобразователей, что значительно снижает их эффективность.
Известен способ повышения энергетической эффективности батарей фотоэлектрических преобразователей в условиях частичного затенения, описанный в статье «Последовательная фотоэнергетическая система на базе согласующих преобразователей с гальванической изоляцией», Маляренко Е.А., сборник - «Силовая электроника и электроэнергетика №9 (128), 2014 г., заключающийся в применении индивидуальных согласующих устройств, устанавливаемых на выходе каждого последовательно подключенного фотоэлектрического преобразователя.
Недостатками такого способа являются электрические потери в каждом согласующем устройстве даже при отсутствии затенения, относительная дороговизна и, как и в предыдущем случае, отсутствие согласования параллельно соединенных батарей, состоящих из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей.
Известен способ согласования параллельно соединенных батареи фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторной батареи, имеющих различные напряжения, описанный в патенте РФ на изобретение 2396666, опубл. 10.08.2010, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в установке стабилизаторов напряжения на выходе каждого параллельно соединенного электрогенерирующего устройства, выполненных в виде мостовых инверторов с общим трансформатором.
Недостатками такого способа являются повышенные массогабаритные характеристики, высокая стоимость, электрические потери. Эти недостатки связаны с тем, что такие регуляторы рассчитаны на напряжение и ток всей батареи фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторов, номинал которых на промышленных солнечных электростанциях достаточно велик и составляет 460-820 В и 7-9 А соответственно.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного, недорогого способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, соединенных параллельно, имеющих отличающееся номинальное напряжение, или при шунтировании диодами части фотоэлектрических преобразователей вследствие затенения, загрязнения, выхода из строя.
Технический результат заключается в повышении эффективности отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, соединенных параллельно с одной или несколькими другими батареями фотоэлектрических преобразователей, имеющих отличающееся номинальное напряжение.
Достигается технический результат за счет того, что способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей включает в себя параллельное соединение фотоэлектрических батарей, преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию, отслеживание точки максимальной мощности и оптимизацию выходной мощности, при этом устанавливается дополнительный элемент питания для согласования батарей фотоэлектрических преобразователей и отбора максимальной мощности с установленными значениями напряжения и тока, соответствующими значению максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей, имеющий гальваническую развязку и получающий электрическую энергию от батарей фотоэлектрических преобразователей.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - структурная схема способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей.
Фиг. 2 - структурная схема способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с электронно-вычислительным устройством.
Фиг. 3 – вольт-амперные характеристики батарей фотоэлектрических преобразователей с большим и меньшим номинальным напряжением.
Фиг. 4 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей.
Фиг. 5 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с контролем тока в отдельных батареях.
Фиг. 6 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с контролем тока в общей цепи.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и заключается в том, что для отбора максимальной мощности от батареи 1 фотоэлектрических преобразователей 7 выполняют согласование батарей посредством добавления в каждую из них (нуждающуюся в согласовании) дополнительного элемента питания 2. Напряжение каждого дополнительного элемента питания устанавливают на значение, при котором суммарная мощность фотоэлектрических батарей будет максимальна. Электрическую энергию в дополнительный элемент питания подают из этих же фотоэлектрических батарей, обеспечив гальваническую развязку. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности. После этого электрическую энергию передают напрямую к нагрузке 4 или через преобразователь или аккумулируют.
В качестве варианта исполнения способа, электрическую энергию в дополнительный элемент питания подают от внешнего источника электрической энергии. В таком варианте не требуется обеспечение гальванической развязки на входе дополнительного элемента питания.
В предпочтительном варианте изобретения значение напряжения дополнительного элемента питания устанавливают посредством электронно-вычислительного устройства 5, а цепь батарей содержит датчик тока 6, посредством которого передают мгновенные значения токов батарей в вычислительное устройство (см. фиг. 2).
1
3
2
На фиг. 3 представлен график вольт-амперной характеристики батарей фотоэлектрических преобразователей с большим и меньшим напряжением в точке максимальной мощности, который показывает преимущество предлагаемого изобретения. Из графика видно, что точки максимальной мощности у батарей фотоэлектрических преобразователей (Т и Т) не совпадают, таким образом, эти батареи являются не согласованными. В связи с этим, отбор электрической энергии у батареи, имеющей меньшее напряжение, производится в неоптимальной точке Т, вследствие чего эта батарея вырабатывает не максимальную электрическую мощность, а мощность, уменьшенную на величину, равную:
1
1
2
ΔP=U(I-I),
где
ΔР - потери электрической мощности;
1
1
U - напряжение в точке максимальной мощности (T) батареи с большим номинальным напряжением;
1
1
I - ток в точке максимальной мощности (T) батареи с большим номинальным напряжением;
2
2
I - ток в неоптимальной точке (Т) батареи с меньшим номинальным напряжением.
3
1.
Для того чтобы согласовать батареи и произвести отбор электрической энергии от батареи с меньшим номинальным напряжением в точке максимальной мощности (T), в данном изобретении предлагается в эту батарею включить последовательно дополнительный элемент питания, имеющий номинальное напряжение, равное ΔU, и способный выдавать ток не меньше IПри этом значение его электрической мощности составит:
1
Р'=ΔU⋅I,
где
Р' - мощность дополнительного элемента питания;
ΔU - напряжение дополнительного элемента питания.
1
2
3
1
1
2
2
1
1
1
2
Из фиг. 3 видно, что площадь фигуры, ограниченной точками U, U, Т, T, меньше фигуры T, Т, Т, I из-за того, что напряжение U значительно больше ΔU, а ток I значительно больше I. Вследствие этого, электрическая мощность дополнительного элемента питания Р' меньше мощности ΔР, теряемой в батареи с меньшим номинальным напряжением.
Из этого следует, что при отборе электрической энергии данным способом можно получить ее большее количество в случае, когда одна из батарей становится не согласованной с остальными из-за шунтирования диодами части фотоэлектрических преобразователей вследствие затенения, загрязнения, выхода из строя одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей или при использовании батарей фотоэлектрических преобразователей с разными номинальными напряжениями.
Далее приведены примеры осуществления изобретения.
На основании фиг. 4 поясняется первый пример осуществления изобретения.
В батарею 1, состоящую из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей 7, нуждающуюся в согласовании с другими параллельно подключенными батареями 8, устанавливают дополнительный элемент питания 2 со значением тока, равным значению тока в точке максимальной мощности батареи 1, нуждающейся в согласовании, и значением напряжения, равным разности напряжений между другими параллельно подключенными батареями 8 и батареей 1, нуждающейся в согласовании в точках максимальной мощности. Электрическую энергию в элемент питания подают от батареи фотоэлектрических преобразователей через устройство, обеспечивающее гальваническую развязку 9. Отслеживание точки максимальной мощности всех параллельно включенных батарей фотоэлектрических преобразователей и ее оптимизацию производят при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности.
На основании фиг. 5 поясняется второй пример осуществления изобретения.
В батарею 1, состоящую из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей 7, устанавливают дополнительный элемент питания 2 со способностью выдачи тока не меньше максимального, вырабатываемого фотоэлектрическим преобразователем, и с изменяемым значением напряжения, значения которого устанавливают при помощи электронного вычислительного устройства 5. Параллельно дополнительному элементу питания устанавливают обратно включенный диод 10 для его отключения (шунтирования) при отсутствии необходимости в согласовании батарей, или выходе его из строя. Электрическую энергию в элемент питания подают от батареи фотоэлектрических преобразователей через устройство, обеспечивающее гальваническую развязку 9, или от внешнего источника электрической энергии, например электрической сети, предварительно заряженного аккумулятора и т.д. В цепь этой же батареи и любой другой (соединенной параллельной к ней) устанавливают датчики тока 6 (резистивные, на эффекте Холла, или другие, измеряющие постоянный ток), посредством которых передают мгновенные значения токов батарей в вычислительное устройство. В вычислительном устройстве отслеживают разницу мгновенных показаний датчиков и, в случае ее изменения, подают управляющий сигнал от вычислительного устройства в установленный элемент питания, соответствующий постепенному повышению напряжения на элементе питания. Данную операцию производят до тех пор, пока значение разницы токов в батареях не примет минимальное значение, или ток в батарее, нуждающейся в согласовании, не достигнет своего максимального значения при неизменном токе в другом ряде. После этого продолжают производить контроль за разницей значений токов в батареях и, в случае ее изменения, обнуляют значение напряжения в элементе питания, и операцию производят сначала. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности всех параллельно соединенных батарей фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности 3.
На основании фиг. 6 поясняется третий пример осуществления изобретения.
В общую цепь батарей фотоэлектрических преобразователей устанавливают только один датчик тока 6. Затем, при помощи электронного вычислительного устройства 5, изменяют значение напряжения на дополнительном элементе питания 2, установленном последовательно в цепь батареи 1 фотоэлектрического преобразователя, нуждающейся в согласовании. В это же время, посредством датчика тока измеряют значение тока в общей цепи и передают его в электронное вычислительное устройство. Данную операцию производят до тех пор, пока значение тока не примет максимальное значение. После этого производят, при помощи электронного вычислительного устройства, контроль за значением тока и, в случае его изменения, обнуляют значение напряжения в элементе питания, и операцию производят сначала. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности всех параллельно включенных батарей фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности.