ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к источникам энергии и может быть использована при создании автономных солнечных источников электроэнергии.
Разработка высокоэффективного способа преобразования для солнечных батарей является достаточно важной задачей, поскольку сами солнечные батареи производят сравнительно малое количество энергии. Для различных регионов России значение солнечной постоянной может варьироваться, однако, преимущественно, имеет сравнительно низкие значения. При этом КПД самих фотоэлементов выпускаемых в потребление колеблется в диапазоне от 10 до 25% [1].
Для обеспечения эффективности системы в течение всего времени работы солнечные батареи должны быть правильным образом нагружены. Только в этом случае батареи будут работать в точке максимума своей мощности. При этом пик энергопотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. При этом избыток энергии, выделенной на солнечных элементах в течение дня, необходимо запасать в аккумуляторах. Поэтому большинство высокоэффективных преобразователей солнечной энергии снабжаются демпфирующей системой.
Известны машинные и прямые преобразователи солнечной тепловой энергии в электрическую [2]. К машинным преобразователям относятся паротурбинные установки, а также двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга, поршневые расширительные машины. Основными типами прямых преобразователей теплоты являются теплоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические. Помимо этих преобразователей теплоты известны также другие преобразователи первичной энергии, это химической - топливные элементы или электрохимические генераторы и световой - фотоэлектрические батареи.
Известны различные методы получения максимальной мощности от солнечных батарей [3].
Известны конфигурации систем преобразования энергии, содержащие энергохранилища для демпфирования поставляемой электрической энергии [4]
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является преобразователь солнечной энергии [5], содержащий солнечную батарею, регулятор, средство управления преобразователем, тест-ключ, первым входом соединенный с солнечной батареей, вторым входом с устройством управления тест-ключом, а третьим входом последовательно соединенный с входным фильтром и регулятором, который первым входом соединен с устройством управления ключом регулятора, а вторым входом последовательно соединен с мостовым коммутатором через двухтактный каскад, при этом мостовой коммутатор соединен с микропроцессором через выходной фильтр, с которого снимается напряжение, которое поступает с солнечной батареи.
Недостаток известного преобразователя заключается в том что он требует отключения солнечной батареи от нагрузки для изменения параметров солнечной батареи. Другим недостатком системы является отсутствие возможности обеспечивать питание нагрузки в периоды спада напряжения на солнечной батарее, например ночью или в облачную погоду. Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача состоит в непрерывном отборе максимально возможной мощности от солнечной батареи.
Технический результат состоит в обеспечении непрерывной работы солнечной батареи под нагрузкой в точке максимальной мощности.
Технический результат достигается тем, что в преобразователе солнечной энергии, содержащим, по меньшей мере, одну солнечную батарею, регулятор, средство управления преобразователем установлен регулятор точки максимальной мощности содержащий преобразователь постоянного тока первым входом соединенный с солнечной батареей, вторым входом - со средством управления преобразователем постоянного тока - микропроцессорной системой, а выходом последовательно соединен с измерительным блоком, выход которого соединен с коммутационным блоком демпфирующей системы, к которому подключены блок суперконденсаторов и блок аккумуляторных батарей; преобразователь может содержать силовой инвертор подключенный к выходу коммутационного блока демпфирующей системы; преобразователь может содержать выходной преобразователь постоянного тока подключенный к выходу коммутационного блока демпфирующей системы.
Благодаря использованию микропроцессорной системы управления, позволяющей осуществить работу солнечных батарей без отключения от нагрузки, из системы исключается тест-ключ, а положение точки максимальной мощности определяется на основе данных измерительного блока регулятора точки максимальной мощности. Непрерывный отбор мощности от солнечной батареи обеспечивается за счет использования демпфирующей системы, предоставляющей постоянную нагрузку для солнечных батарей.
На Фиг. 1 приведена функциональная схема системы преобразования солнечной энергии.
Она содержит: 1 - блок солнечных батарей; 2 - регулятор точки максимальной мощности (РТММ); 2.1 - преобразователь постоянного тока; 2.2 - измерительный блок; 2.3 - микропроцессорная система управления регулятора точки максимальной мощности (СУ РТММ); 3 - демпфирующая система 3.1 - коммутационный блок 3.2 - блок суперконденсаторов 3.3 - блок аккумуляторных батарей 4 - выходной преобразователь постоянного тока 5 - силовой инвертор.
Преобразователь постоянного тока 2.1 первым входом соединен с солнечной батареей 1, вторым входом - со средством управления преобразователем постоянного тока 2.1 - микропроцессорной системой 2.3, а выходом последовательно соединен с измерительным блоком 2.2, выход которого соединен с коммутационным блоком 3.1 демпфирующей системы 3, который соединен с блоком суперконденсаторов 3.2 и блоком аккумуляторных батарей 3.3; преобразователь может содержать силовой инвертор подключенный к выходу коммутационного блока демпфирующей системы; преобразователь может содержать выходной преобразователь постоянного тока подключенный к выходу коммутационного блока демпфирующей системы.
Работа схемы заключается в следующем:
Напряжение от солнечной батареи поступает на силовой вход преобразователя постоянного тока 2.1, работающего в режиме точки максимальной мощности. Точка максимальной мощности определяется микропроцессорной системой управления 2.3, на основе данных получаемых с измерительного блока 2.2. Коммутационный блок 3.1 демпфирующей системы 3 обеспечивает соединение РТММ 2 с аккумуляторами энергии в виде суперконденсаторов 3.2 или аккумуляторных батарей 3.3, а также гальваническую развязку блока солнечных батарей от нагрузки. Напряжение с выхода демпфирующей системы 3 подается на выходной преобразователь постоянного тока 4, обеспечивающий питание нагрузки постоянного тока и силовой инвертор обеспечивающий передачу тока в сеть.
В связи с предлагаемым новым преобразователем, увеличивается КПД преобразователя солнечной энергии, за счет непрерывной нагрузки солнечных батарей при максимуме отбираемой мощность. Благодаря использованию демпфирующей системы обеспечивается бесперебойность выходного питания.
Анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», а моделирование системы подтверждает ее промышленную применимость.
Источники информации:
[1] ВМ Андреев. Гетероструктурные солнечные элементы. Физика и техника полупроводников, 33 (9): 1035-1038, 1999.
[2] Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон-Р., 2001.
[3] M.Е. Ropp D.P. Hohm. Comparative study of maximum power point tracking algorithms. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2003.
[4] Power system configuration. United States Patent US 007352087B2, H02J 7/04, H02J 9/06, опубл. 31.12.2003.
[5] ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ. Патент на полезную модель №95915, H02H 1/06, опубл. 10.07.2010.