Способ управления потреблением энергии солнечного модуля в режиме максимальной мощности и устройство для его реализации
METHOD FOR CONTROLLING THE ENERGY CONSUMPTION OF A SOLAR MODULE IN THE MAXIMUM POWER MODE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для управления потреблением энергии солнечного модуля в режиме максимальной мощности и может найти широкое применение в системах электропитания с ограниченными возможностями по мощности источников питания.
Одной из проблем систем фотоэлектрической генерации является зависимость количества электроэнергии, вырабатываемой солнечными модулями, от постоянно меняющихся погодных условий.
Более того, вольтамперная характеристика солнечного элемента нелинейна и изменяется в зависимости от уровня солнечного излучения и температуры. На вольт-амперной или вольт-ваттной кривых есть уникальная точка (фиг. 1), называемая точкой максимальной мощности, при которой солнечный модуль работает с максимальной эффективностью и выдает максимальную выходную мощность. Местоположение точки максимальной мощности неизвестно, но все представленные ниже технические решения посвящены методам и средствам определения точки максимальной мощности при изменения внешних условий.
Известны способ и устройство для отслеживания точки максимальной мощности для инверторов, например, в фотогальванических приложениях (патент США №7158395), состоящее из фотоэлектрического модуля, датчиков напряжения и тока, фильтров нижних частот, системного контроллера и инвертора.
Недостатком технического решения является малая скорость отыскания точки максимальной мощности.
Известно фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии (патент РФ №2693020), содержащее солнечную батарею, силовой ключ, нагрузку, DC-DC преобразователь, датчик тока, тактирующий генератор, запоминающее устройство и формирователь ошибки.
В устройстве периодически осуществляется короткое замыкание солнечной батареи, измеряется ток короткого замыкания и по величине этого тока высчитывается точка максимальной мощности солнечной батареи.
Недостатком этого решения является наличие режима, при котором отсутствует передача мощности, генерируемой солнечной батареей, в нагрузку, тем самым снижается энергоэффективность устройства.
Известны способы определения точки максимальной мощности солнечных модулей (Roberto Faranda, Sonia Leva. Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems (рис. 10 и 11). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.wseas.us/e-library/transactions/power/2008/27-545.pdf, (дата обращения 24.02.2022)): методы возмущения и наблюдения (Р&О) и инкрементной проводимости (1С). Оба способа основаны на регулярном принудительном уменьшении или увеличении электрической мощности, получаемой от солнечного модуля, и нахождения максимума кривой зависимости мощности от других параметров.
К недостаткам описанных способов можно отнести наличие режима, при котором при поиске точки максимальной мощности производится принудительное снижение электрической мощности, потребляемой от солнечного модуля, что снижает суммарную электрическую мощность, передаваемую в нагрузку.
Наиболее близким является способ параметрического уравнения температуры (TP) (там же, рис. 14, б), в котором используется известное уравнение, связывающее искомое напряжение в точке максимальной мощности, температуру солнечного модуля, его освещенность и напряжение холостого хода. По измеренным значениям напряжения холостого хода, температуры и освещенности мгновенно определяют положение точки максимальной мощности.
Недостатком способа является необходимость периодически переводить солнечную панель в режим холостого хода, при этом прекращается передача электрической энергии от солнечного модуля в нагрузку. Эти факторы обуславливают уменьшение мощности, вырабатываемой устройством и снижение его быстродействия.
Целью представленного технического решения является увеличение скорости определения точки максимальной мощности и повышение величины электроэнергии, отдаваемой солнечным модуля в нагрузку.
Указанная цель достигается тем, что в режиме реального времени осуществляется измерение выходных тока и напряжения солнечного модуля, его температуры и уровня освещенности, однократное ручное задание типа солнечного модуля, чтение данных из блока параметров солнечного модуля, по совокупности этих данных производится вычисление точки максимальной мощности и установка рассчитанного управляющего сигнала для управляемого конвертера, соответствующего точке максимальной мощности. Предварительно производитель солнечных панелей на этапе производства определяет вольтамперные и вольт-ваттные характеристики солнечных модулей, зависимость их выходной мощности от температуры и от освещенности и записывает эти данные в блок параметров солнечных модулей. Указанный способ позволяет мгновенно определять точку максимальной мощности и избежать «качаний» мощности, характерных для других методов.
Вольт-амперная характеристика солнечного модуля зависит как от температуры (фиг. 2), так и от интенсивности солнечного излучения, попадающего на его поверхность (фиг. 3). В первом случае изменяется значение напряжения холостого хода, во втором - значение тока короткого замыкания. Соответственно, зная измеренные величины выходных тока и напряжения солнечного модуля, точка максимальной мощности может быть определена с учетом его температуры (фиг. 5) и интенсивности солнечного излучения (фиг. 6). На фиг. 4. показана зависимость вольт-ваттной характеристики солнечного модуля от температуры. Все перечисленные зависимости определяются производителем на этапе производства, может быть составлена база данных, которая записывается в блок параметров солнечных модулей.
Заявленный способ управления потреблением энергии солнечного модуля в режиме максимальной мощности может быть реализован в системе, представленной на фиг. 6. На схеме обозначены: солнечный модуль 1, датчик тока 2, датчик напряжения 3, управляемый конвертор 4, нагрузка 5, блок управления 6, датчик температуры 7, датчик интенсивности солнечного излучения 8, блок параметров солнечных модулей 9, ручной задатчик типа солнечного модуля 10.
Устройство для управления потреблением энергии солнечного модуля в режиме максимальной мощности работает следующим образом. Датчики тока 2 и напряжения 3, датчики температуры 7 и интенсивности солнечного излучения 8, установленные на солнечном модуле 1, определяют соответственно, текущие электрические и эксплуатационные параметры солнечного модуля 1 и передают сигналы на блок управления 6. С помощью ручного задатчика типа солнечного модуля 10 в блок управления 6 вводится информация о типе солнечного модуля, после чего блок управления считывает из блока параметров солнечных модулей 9 данные о вольт-амперной, воль-ваттной характеристиках определенного солнечного модуля, зависимостях этих характеристик от температуры и интенсивности солнечного излучения. Блок управления 6 вычисляет текущую точку максимальной мощности солнечного модуля, определяемую перечисленными параметрами и задает управляющее воздействие на управляемый конвертор 4, который устанавливает электрический режим работы солнечного модуля 1, соответствующий потреблению нагрузкой 5 энергии солнечного модуля 1 в режиме максимальной мощности.
Определяя с помощью датчиков текущие электрические и эксплуатационные параметры солнечного модуля и зная его соответствующие параметры, записанные в блоке параметров солнечных модулей, возможна мгновенная установка солнечного модуля в точку максимальной мощности, тем самым достигается поставленная цель - увеличение скорости определения точки максимальной мощности. Установка солнечной панели в точку максимальной мощности по текущим электрическим и эксплуатационным параметрам и отсутствие «качаний» по мощности позволяют достичь цели - повышения величины электроэнергии, отдаваемой солнечным модулем в нагрузку.