Способ формирования модулей батареи фотоэлектрических преобразователей, устанавливаемых на плоских поверхностях
METHOD FOR FORMING BATTERY MODULES OF PHOTOVOLTAIC CONVERTERS MOUNTED ON FLAT SURFACES

Изобретение относится к области автотранспортных средств и может быть использовано как автономный источник электропитания для электромобиля.
Известен способ получения энергии от фотоэлектрических преобразователей «Система выработки солнечной энергии для транспортного средства» (см. патент Японии № JP 2019170130 (А), патентообладатель корпорация Toyota motor corp, опубл. 03.10.2019), при котором имеется множество одинаковых по составу плоских солнечных панелей, и формируемая этими панелями энергия регулируется соответствующим множеством DC/DC-преобразователей, имеющих одинаковые регулировочные характеристики и работающих в режиме МРРТ, обеспечивающих заряд аккумуляторной батареи, управление DC/DC-преобразователями осуществляется блоком управления, определяющий работу преобразователей с характеристиками, близкими к характеристикам регуляторов тока за счет введения обратных связей по выходным токам для каждого DC/DC-преобразователя.
Существенным недостатком данного способа является наличие обратных связей по току в каждом контуре управления, что превращает данное устройство в систему с перекрестными связями, существенно ухудшая динамику работы устройства, и увеличивая показатель колебательности всего устройства, вплоть до возникновения незатухающих автоколебаний. Кроме того, данное устройство имеет низкое быстродействие в поиске точки максимальной энергоотдачи солнечных модулей, что существенно снижает энергетические показатели системы при их использовании на движущемся автотранспортном средстве.
Наиболее близким техническим решением по количеству общих и совпадающих действий к заявляемому способу является способ (см. патент США №US 2009078300 A1 «Distributed maximum power point tracking converter», заявитель Efficient solar power system, INC, опубл. 26. 03.2009).
Данный способ обеспечивает отслеживание преобразователями точки максимальной мощности групп солнечных элементов, распределенным внутри солнечной панели. При этом солнечные элементы в солнечной панели сгруппированы с равным количеством ячеек в каждом модуле и подключены к соответствующим преобразователям, работающими в режиме регуляторов тока и имеющими одинаковые регулировочные характеристики, которые формируют выходную энергию максимальной мощности из связанной группы солнечных элементов, подаваемую на общую для солнечной панели нагрузку.
Недостатком данного способа является низкая энергоэффективность при его использовании с неплоской панелью солнечной батареи, например, при установке модуля на крыше автомобиля и низкое быстродействие в поиске точки максимальной энергоотдачи солнечных модулей, что существенно снижает энергетические показатели системы при их использовании на движущемся автотранспортном средстве.
Нелинейное внутреннее сопротивление фотоэлектрических преобразователей существенно осложняет их функционирование в режиме энергоотдачи при неравномерном освещении или загрязнении отдельных групп и частей модулей фотоэлектрических преобразователей. Это особенно негативно проявляет себя в условиях неравномерного освещения, затенения или загрязнения. При неравномерной энергоотдаче модулей батареи, в группе фотоэлектрических преобразователей, имеющей одинаковую пониженную освещенность, создается падение напряжения вследствие увеличения внутреннего сопротивления, которое приводит к снижению мощности, вырабатываемой всей фотоэлектрической батареей и нагреву этой группы вследствие понижения напряжения на клеммах отдельных ФЭП и соответственного увеличения их внутреннего сопротивления. Причем снижение мощности происходит не прямо пропорционально площади группы ФЭП и разности интенсивности солнечного излучения между нормально освещенной и затененной группой, а более существенно, вследствие того, что ток, текущий через все ячейки фотоэлектрических преобразователей, одинаков и превышает ток указанной группы, на которую он и замыкается.
В таких случаях, при неравномерной освещенности каждого отдельного модуля батареи, в группе фотоэлектрических преобразователей, имеющей, частичное затенение, загрязнение, неодинаковое положение относительно источника света части ФЭП, создается падение напряжения из-за снижения энергоотдачи, вследствие увеличения внутреннего сопротивления, которое приводит к снижению вырабатываемой мощности всей фотоэлектрической батареей и нагреву, например, загрязненной группы. Причем снижение мощности происходит не прямо пропорционально площади загрязнения и разности снижения интенсивности солнечного излучения на ФЭП между нормально освещенной и загрязненной группой, а более существенно, вследствие того, что ток, текущий через все ячейки фотоэлектрических преобразователей, одинаков и превышает ток загрязненной группы.
Неравномерное освещение может проявиться при частичном попадании автомобиля в область затенения, возникающую около деревьев, построек и т.п. Неравномерное загрязнение модулей же проявляется, например, в условиях движения автомобиля по залитой водой дороге, особенно смешанной с грязью, при попадании автомобиля в грязевой шлейф от встречного транспорта.
Таким образом, при установке солнечной батареи на плоскую ломаную поверхность, в частности при расположении отдельных модулей на плоских кузовных деталях автомобиля, отдельные блоки ячеек фотоэлектрических преобразователей будут освещены равномерно, но не одинаково, что может привести к блокированию оптимальной работы всей батареи. Этого можно избежать, шунтируя каждую ячейку ФЭП с пониженной энергоотдачей диодом или уменьшая ток, формируемый солнечной батареей. Но в таком случае, общая энергоэффективность солнечной батареи существенно уменьшается.
Технической задачей изобретения является получение от батареи фотоэлектрических преобразователей максимальной энергоотдачи.
Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является повышение эксплуатационных характеристик устройства при оптимально максимальном регулировании выходной мощности солнечной батареи, элементы которой располагаются на плоских поверхностях с любой ориентацией относительно солнца.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что батарея 1 фотоэлектрических преобразователей состоит из ФЭП, устанавливаемых на плоских поверхностях, содержащая массив ячеек фотоэлектрических преобразователей, объединенных в отдельные модули 2, 3, 4 … по критериям взаимного копланарного расположения и одинаковой энергоотдачи, при этом энергия, генерируемая каждым модулем, далее преобразуется отдельным регулятором 5, 6, 7..., обеспечивающим режим максимальной энергетической отдачи для каждого модуля, и передается на общую для всей батареи нагрузку 8, при этом модули формируют из ячеек фотоэлектрических преобразователей, расположенных компланарно на плоскостях ломанных плоских поверхностей, а параметры регуляторов 5, 6, 7 … формируют исходя из характеристик каждого модуля 2, 3, 4 … в целом и обеспечения согласованной работы каждого модуля 2, 3, 4 … на общую нагрузку 8 в режиме максимальной энергоотдачи.
Суть реализации предлагаемого способа, позволяющая достичь указанных технических результатов, заключается в его работе в нижеследующей последовательности.
В связи с изложенным эффектом в предложенном способе предлагается ячейки фотоэлектрических преобразователей, располагающихся компланарно на одной из плоскостей плоской ломаной поверхности, объединить в отдельные модули, состоящие из различного числа ячеек фотоэлектрических преобразователей, расположенных в одинаковом положении относительно солнца и имеющих одинаковую энергетическую отдачу, а выходы каждого модуля соединить со входами отдельного регулятора тока. При этом параметры каждого регулятора тока подбираются исходя из энергетических возможностей соответствующего модуля, например, по коэффициенту передачи по току. Это позволит при параллельной работе всех регуляторов тока на единую нагрузку обеспечить энергоотдачу для каждого модуля батареи фотоэлектрических преобразователей, близкую к полной, а также к максимальной энергоотдаче для всей батареи фотоэлектрических преобразователей.
Предложение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана структурная схема соединений устройства, позволяющего реализовать предложенный способ.
На Фиг. 2 показано близкое к реальному расположение модулей на отдельных плоскостях ломанной плоской поверхности автомобиля.
На схеме Фиг. 1 введены следующие обозначения:
1 - батарея фотоэлектрических преобразователей;
2, 3, 4, … - отдельные модули ячеек фотоэлектрических преобразователей;
5, 6, 7, … - регуляторы, обеспечивающие функционирование соответствующих модулей в режиме максимальной энергетической отдачи;
8 - общая для всей батареи нагрузка.
На фиг. 2, в качестве примера показано возможное размещение модулей фотоэлектрических преобразователей 9, 10, 11, 12, 13 и 14 на отдельных плоских поверхностях (плоскостях) ломанной плоской поверхности кузова легкового автомобиля.
Устройство, позволяющее реализовать предложенный способ, включает отдельные модули 9-14 ячеек фотоэлектрических преобразователей, расположенных компланарно на отдельных плоских поверхностях, например, автомобиля, то есть ФЭП параллельных одной, выбранной из имеющихся плоскостей, что обеспечивает в них одинаковую энергоотдачу, которые соединены со своими регуляторами и общей нагрузкой, обеспечивающими функционирование модулей 9-14 в режиме максимальной энергетической отдачи.
Представленная на фиг. 1 и 2 батарея 1 модулей 9-14 фотоэлектрических преобразователей 1, устанавливаемых на соответствующих плоскостях ломанной плоской поверхности автомобиля, содержащая массив ячеек фотоэлектрических преобразователей, объединенных в отдельные модули 2, 3, 4 … как на Фиг. 1 для каждой плоскости, при этом энергия, генерируемая каждым модулем, далее преобразуется отдельным регулятором 5, 6, 7 …, обеспечивающим режим максимальной энергетической отдачи, и передается на общую согласованную для всех модулей и для всей батареи нагрузку 8, при этом модули формируют из ячеек фотоэлектрических преобразователей, размещенных компланарно, то есть параллельных общей плоскости и расположенных в одинаковом положении относительно солнца или другого источника света и по этой причине имеющих одинаковую энергоотдачу, а параметры регуляторов 5, 6, 7 … обеспечивают режим максимальной энергетической отдачи ФЭП соответствующего модуля и формируют исходя из характеристик каждого модуля 2, 3, 4 … в целом и обеспечения согласованной работы каждого модуля 2, 3, 4 … на общую нагрузку 8 в режиме максимальной энергоотдачи.
Батарея фотоэлектрических преобразователей 1 состоит из определенного числа ячеек фотоэлектрических преобразователей, расположенных на плоскостях ломанных плоских поверхностей и собранных в отдельные модули 2, 3, 4 … по признаку взаимного компланарного расположения ФЭП. Выходная энергия каждого модуля преобразуется отдельным соответствующим регулятором 5, 6, 7 …, обеспечивающим режим максимальной энергетической отдачи, выравнивающим уровень энергоотдачи, то есть своего выходного параметра за счет соответствующего выбора входных и выходных собственных характеристик, исходя из количества ячеек фотоэлектрических преобразователей в модуле и уровня напряжения на общей нагрузке 8.
Так как техническим результатом изобретения являются повышение энергоэффективности батареи фотоэлектрических преобразователей, установленной на плоскостях плоской ломаной поверхности, то следующая последовательность работы, указанной необходимой и достаточной совокупности составляющих его действий и элементов, позволяет этого достичь.
Нелинейное внутреннее сопротивление фотоэлектрических преобразователей существенно осложняет их функционирование в режиме максимальной энергоотдачи. Как было указано ранее это особенно негативно проявляет себя в условиях неравномерных освещения или загрязнения части ФЭП модуля или отдельных модулей.
Как ранее указывалось в таких случаях, при неравномерной освещенности отдельных модулей батареи или в группе модулей фотоэлектрических преобразователей, вследствие увеличения внутреннего сопротивления создается падение напряжения, которое приводит к снижению вырабатываемой мощности всей фотоэлектрической батареей и нагреву неравномерно загрязненной группы. Причем снижение мощности происходит не прямо пропорционально площади и разности интенсивности солнечного излучения между нормально освещенной и загрязненной группой, а более существенно, вследствие того, что ток, текущий через все ячейки фотоэлектрических преобразователей, одинаков и превышает ток загрязненной группы, на которую он и замыкается.
При установке фотоэлектрических преобразователей на кузовных элементах автомобиля, например, на легковом автомобиле, как показано на фиг. 2, отдельные группы ячеек модулей 9-14 этих преобразователей окажутся лежащими в разных плоскостях. И будут освещены равномерно, но не одинаково, что может привести к блокированию всей батареи. По ранее указанным очевидным причинам все эти ячейки не желательно объединять в один модуль. Целесообразно объединить в отдельные модули ячейки ФЭП, расположенные компланарно, то есть ячейки ФЭП, расположенные параллельно одной плоскости. Но этого недостаточно, так, например, компланарное расположение групп ячеек в модулях по разным бортам легкового автомобиля будет одинаковым, параллельным общей вертикальной плоскости, но их положение относительно источника света будет совершенно разным, и по этой причине кроме признака компланарности необходимо учитывать признак общей одинаковой энергоотдачи ячеек ФЭП собранных в модуль, например, компланарное расположение групп ячеек в модулях по разным бортам будет одинаковым, параллельным общей вертикальной плоскости, но их положение относительно источника света будет совершенно разным, и по этой причине кроме признака компланарности необходимо учитывать признак общей одинаковой энергоотдачи ячеек ФЭП собранных в модуль. При этом может оказаться, что количество ячеек в модулях будет различным, но по каждой отдельной ячейке ФЭП энергоотдача у них будет одинаковой, что позволяет их объединить с одним общим преобразователем и подключить через него к общей нагрузке. Соответственно, при условии одинаковой освещенности, оптимальные выходные напряжения и токи у ячеек ФЭП разных модулей будут различными и использование их для преобразования выходной мощности модулей фотоэлектрических преобразователей регуляторами с одинаковыми входными и выходными параметрами напрямую к нагрузке приведут к снижению общей энергоотдачи батареи в целом. Для решения данной задачи необходимо обеспечить следующее.
По этой причине параметры каждого регулятора тока должны подбираться им автоматически, исходя из энергетических возможностей соответствующего модуля, например, по коэффициенту передачи по току. Это позволит при параллельной работе всех регуляторов тока на единую нагрузку обеспечить близкую к максимально полной энергоотдачу каждого модуля батареи фотоэлектрических преобразователей и батареи в целом.
Равномерное загрязнение ФЭП в отдельных модулях батареи 1 будет происходить постоянно, но при этом загрязнение отдельных модулей будет происходить с разной скоростью, так как модули расположены под разными углами к горизонту, так, например, на горизонтально расположенные ФЭП модулей пыль будет оседать интенсивней, а на вертикально расположенные - менее интенсивно. Но при этом загрязнение ФЭП в каждом модуле будет происходить одинаково равномерно, а потеря энергоотдачи также будет происходить одинаково для всех ФЭП соответствующего модуля, по этой причине с одним общим преобразователем все ячейки ФЭП соответствующего модуля могут работать с одинаковой согласованной энергоотдачей, и регулятор будет работать в автоматически согласованном с ними режиме максимальной хоть и пониженной мощности.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эксплуатационные характеристики батареи 1 фотоэлектрических преобразователей при оптимально максимальном регулировании выходной мощности солнечной батареи, поддержать высокую эффективность батареи 1 фотоэлектрических преобразователей, устанавливаемых на плоскостях ломанных плоских поверхностей, как при проектировании батареи 1 фотоэлектрических преобразователей, так и при ее штатной эксплуатации.
Описанная совокупность всех необходимых и достаточных существенных признаков, а именно последовательности действий с использованием необходимых технических средств, позволяет решить поставленную техническую задачу и достичь описанных выше технических результатов. Следовательно, предложение соответствует критериям охраноспособности «техническое решение задачи». Отсутствие в известных заявителю источниках информации всех описанных существенных признаков, влияющих на достижение описанных технических результатов, позволяет утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности «новизна». Заявителю не известны источники информации, в которых описаны указанные действия, позволяющие достичь указанных технических результатов, по этой причине предложение соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».