Устройство коммутации солнечных модулей

Область техники
Настоящая полезная модель относится к средствам электроэнергетики и может быть использована в конструкциях энергосистем, состоящих из солнечных модулей.
Уровень техники
Солнечные модули предназначены для получения электроэнергии с использованием солнечного излучения. Однако зависимость подобных энергосистем от уровня освещенности накладывает некоторые ограничения на их практическое применение в разное время суток, время года, а также в условиях переменчивых погодных условий. Это означает, что выходное напряжение и сила тока в массиве солнечных модулей могут не соответствовать требованиям мощности для нагрузки. Из уровня техники известен ряд технических решений, позволяющих решить задачу извлечения максимальной мощности из работы солнечных модулей в зависимости от уровня освещенности путем автоматического переключения солнечных модулей в последовательное, параллельное или последовательно-параллельное соединение.
Известно техническое решение по патенту US4175249 (опубл. 20.11.1979, МПК H02J 7/34), в котором раскрыто устройство коммутации солнечных модулей, состоящее из солнечных модулей и позволяющее осуществлять переключение солнечных модулей в различные типы соединения в зависимости от окружающей температуры и уровня освещенности. Система содержит блок переключения модулей и блок управления переключением, в зависимости от контролирующего сигнала которого в блоке переключения модулей происходит замыкание и размыкание реле, установленных в электрической цепи в соединениях между рабочими солнечными модулями. Контролирующий сигнал формируется в зависимости от значения напряжения на контрольном солнечном модуле, расположенном вблизи рабочих модулей. Компаратор, входящий в состав блока управления сравнивает напряжение на контрольном модуле с заранее заданным напряжением, на основе чего формирует сигнал, используемый затем для определения требуемых типов соединения между рабочими солнечными модулями.
Известно техническое решение по патенту US6583522 (опубл. 24.06.2003, МПК H02J 1/00), в котором раскрыто устройство коммутации солнечных модулей, состоящее из солнечных модулей, соединенных с блоком их переключения. Последний состоит из нескольких SPDT-реле, установленных в электрической цепи между каждым из модулей. В том случае, когда реле не находятся под напряжением, солнечные модули соединены последовательно, в противном случае модули соединены параллельно. Напряжение на реле может быть подано вручную, либо автоматически посредством программы на блоке переключения модулей, в зависимости от времени суток.
В известных решениях предложены схемы переключения модулей, состоящие из реле различных типов. Однако частое переключение реле в условиях переменчивого уровня освещенности может привести к их быстрому износу, вследствие чего снижается надежность устройства в целом.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является эффективное извлечение мощности из энергосистем, состоящих из солнечных модулей, в зависимости от уровня освещенности.
Техническим результатом является повышение надежности устройства коммутации солнечных модулей.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве коммутации солнечных модулей, включающем блок управления и исполнительный блок, выполненный с возможностью подключения до четырех коммутируемых солнечных модулей, блок управления представлен двухуровневым компаратором, каждый из уровней которого связан с парой комплементарных биполярных транзисторов, управляющих током в цепи исполнительного блока через транзисторные ключи на полевых транзисторах, входы указанного компаратора связаны с элементом опорного напряжения и датчиком напряжения холостого хода, а исполнительный блок представлен электрической схемой, содержащей полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме, которые установлены с возможностью переключения коммутируемых солнечных модулей в последовательное или последовательно-параллельное или параллельное соединение.
В ходе анализа научно-технической и патентной информации, не была выявлена совокупность существенных признаков, идентичная заявленной в настоящей полезной модели. Следовательно, можно предположить, что настоящая полезная модель соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Осуществление настоящей полезной модели возможно с использованием известных электрических элементов и принципов связи. Следовательно, можно предположить, что настоящая полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена электрическая схема блока управления.
На фиг.2 представлена электрическая схема исполнительного блока.
На фиг.3 представлена блок-схема для подключения нескольких исполнительных блоков к одному блоку управления.
Осуществление полезной модели
В качестве примера осуществления настоящей полезной модели рассмотрим устройство коммутации солнечных модулей в соответствии с фиг.1 и фиг.2.
Как показано на фиг.1, в состав блок управления 10 введен двухуровневый компаратор с уровнями 12 и 13. Выход первого уровня 12 связан с парой комплементарных биполярных транзисторов 14-2 и 14-4, при этом 14-2 – PNP-транзистор (прямой проводимости), 14-4 – NPN-транзистор (обратной проводимости). По аналогии, второй уровень 13 связан с PNP-транзистором 14-1 и NPN-транзистором 14-3.
Каждый биполярный транзистор соединен последовательно с одним из полевых транзисторов 15-2, 15-4, 15-1, 15-3, работающих в ключевом режиме (транзисторные ключи) и в то же время выполняющих функцию усилителей значений силы тока. В результате, транзисторы образуют электрические цепи I-IV, связывающие блок управления 10 и электрическую схему исполнительного блока 20. Электрический ток по каждой из цепей I-IV проходит в зависимости от сигналов, образующихся на выходах уровней компаратора 12 и 13.
OC
ОПОР
Инверсные входы уровней компаратора 12 и 13 могут быть связаны с датчиком напряжения холостого хода U 11 через управляемые резисторы. Прямые входы уровней компаратора 12 и 13 связаны с элементом опорного напряжения U 16.
OC
ОПОР
Управляемые резисторы позволяют варьировать значение напряжения на датчике, чтобы обеспечить более точное срабатывание уровней компаратора 12 и 13 при сопоставлении Uи U. В качестве датчика 11 целесообразно использовать солнечный модуль, расположенный вблизи коммутируемых модулей для того, чтобы учесть текущий уровень освещенности.
Как показано на фиг.2, исполнительный блок 20 представлен электрической схемой, выполненной с возможностью подключения до четырех коммутируемых модулей 21, 22, 23, 24. Нумерация данных модулей на практике может быть произвольной и никаким образом не определяет конструктивные особенности устройства. С целью упрощения далее по тексту порядковые числительные для обозначения коммутируемых модулей употребляются в соответствии с направлением протекания тока в цепи при последовательном соединении модулей.
Исполнительный блок 20 представлен электрической схемой, содержащей полупроводниковые приборы, работающие в ключевом режиме, которые установлены с возможностью переключения коммутируемых солнечных модулей в последовательное или последовательно-параллельное или параллельное соединение.
В предпочтительном случае осуществления настоящей полезной модели указанный полупроводниковый прибор представлен транзисторным ключом. Тем не менее, таким прибором могут являться также и аналогичные транзистору приборы, работающие в ключевом режиме, например, тиристоры (тиристорные ключи), симисторы (симисторные ключи) и т.п. Далее по тексту описания осуществление настоящей полезной модели рассматривается только для случая, в котором указанный полупроводниковый прибор представлен транзисторным ключом.
В цепи I ток проходит только в случае отсутствия сигнала на выходе первого уровня компаратора 12, при этом транзисторный ключ 25-1 в цепи I установлен последовательно между вторым 22 и третьим 23 коммутируемыми солнечными модулями.
В цепи II ток проходит только в случае отсутствия сигнала на выходе второго уровня компаратора 13, при этом транзисторные ключи 26-1 и 26-2 в цепи II установлены последовательно между первым 21 и вторым 22 коммутируемым солнечным модулем, между третьим 23 и четвертым 24 коммутируемым солнечным модулем.
В цепи III ток проходит только в случае наличия сигнала низкого уровня на выходе второго уровня компаратора 13, при этом в цепи III два транзисторных ключа 27-1 и 27-2 установлены параллельно, один из которых связан с отрицательными полюсами первого 21 и третьего 23 коммутируемых солнечных модулей, а второй – с положительными полюсами второго 22 и четвертого 24.
В цепи IV ток проходит только в случае наличия сигнала низкого уровня на выходе первого уровня компаратора 12, при этом в цепи IV транзисторные ключи 28-1, 28-2, 28-3, 28-4, 28-5, 28-6, 28-7 установлены между одноименными полюсами солнечных модулей 21, 22, 23 и 24.
Все указанные транзисторы могут быть подключены в электрическую цепь через резисторы, выполняющие функцию предохранения от скачков тока в цепи.
Устройство, выполняющее функцию нагрузки в электрической цепи, изображено на фиг.2 в виде диода 30.
НОМ
Для работы устройства мощность полевых транзисторов подбирается исходя из номинального напряжения U солнечного модуля, что позволяет использовать настоящую полезную модель с высоковольтными солнечными модулями.
На фиг.3 представлена блок-схема для подключения нескольких исполнительных блоков 20 к одному блоку управления 10. Такое подключение осуществляется через разветвленные цепи I-IV.
На практике настоящая полезная модель работает следующим образом.
OC
OC
При условии отсутствия солнечного освещения значение напряжения U на датчике 11 равно нулю. При этом открыты биполярные транзисторы 14-1 и 14-2 и последовательно связанные с ними полевые транзисторы 15-1 и 15-2, которые пропускают сигнал по цепям I, II на электрическую схему исполнительного блока 20. Таким образом, в исполнительном блоке 20 транзисторы 25-1, 26-1 и 26-2 переходят в открытое положение («открываются»), тем самым включая рабочие модули 21, 22, 23, 24 в последовательную цепь (до появления напряжения U = 7В).
21
22
23
24
ВЫХ
21
22
23
24
Данное соединение дает возможность начала работы солнечных модулей для заряда аккумуляторов, например, при фактическом напряжении на каждом модуле U = U = U = U = 3,5В. При этом суммарное напряжение ∑U = U + U + U + U = 14В, являющееся достаточным для заряда АКБ (аккумуляторных батарей), что приводит к расширению границ использования по уровню освещенности и, соответственно, увеличению КПД такого соединения солнечных модулей.
ОC
ОПОР
С увеличением уровня освещенности и достижения напряжения на датчике 11, равного 7В блок управления 10 обеспечивает коммутацию солнечных модулей в последовательно-параллельное соединение. При достижении напряжения на входе первого уровня компаратора 12, равного U = U= 7В, на выходе формируется сигнал низкого уровня, вследствие чего транзистор 14-1 переходит в закрытое положение («закрывается») и открывается транзистор 14-3. Соответственно, закрывается транзистор 25-1, коммутирующий солнечные модули по цепи I, и открываются транзисторы 27-1 и 27-2, коммутирующие солнечные модули по цепи III. В таком положении солнечные модули 21 и 22, 23 и 24 соединены последовательно-параллельно.
Данное соединение увеличивает мощность (увеличивается ток на выходе).
OC
При дальнейшем увеличении напряжения U на датчике 11 и входе второго уровня компаратора 13, закрывается транзистор 14-2, открывается транзистор 14-4, и далее по цепи II закрываются транзисторы 26-1, 26-2, открываются все транзисторы от 28-1 до 28-7 в цепи IV. Транзисторы 27-1 и 27-2 также остаются открытыми. В такой коммутации солнечные модули 21, 22, 23, 24 соединены параллельно, что позволяет обеспечить выработку максимальной мощности.
OC
Таким образом, блок управления 10 в соответствии со значением Vна датчике 11 коммутирует солнечные модули таким образом, чтобы каждый солнечный модуль работал на максимально возможном значении мощности.
Использование настоящей полезной модели возможно для коммутации меньшего числа солнечных модулей. При коммутации двух модулей, например, 21 и 22, блок управления будет управлять режимом работы транзисторов только в цепях II и IV.
Также использование настоящей полезной модели возможно для коммутации большего числа солнечных модулей в случае соединения одного блока управления с несколькими исполнительными блоками.