СПОСОБ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА ОТ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF ACCUMULATOR CHARGING FROM SOLAR BATTERY AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к областям электротехники и энергетики и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания, в которых солнечные батареи используются в качестве первичного источника энергии.
Солнечные батареи используются в автономных системах электропитания, и во всех случаях использования солнечной батареи в качестве первичного источника энергии, кроме расположения ее на космическом аппарате, не попадающем в тень от Земли, мощность, генерируемая солнечной батареей, изменяется во времени. Поэтому для непрерывного снабжения потребителей электрической энергией ее приходится накапливать, например, в электрохимических аккумуляторах.
Для заряда аккумулятора необходимо, чтобы его электродвижущая сила (ЭДС) была меньше, чем напряжение источника энергии. Солнечная батарея (СБ) является источником энергии ограниченной мощности, напряжение которого изменяется при изменении температуры СБ, интенсивности и угла падения светового потока, величины электрического тока, протекающего через СБ. Поэтому для заряда аккумулятора приходится либо выбирать СБ, у которой напряжение при действии неблагоприятных факторов будет больше, чем ЭДС полностью заряженного аккумулятора, либо преобразовывать электрическую мощность, генерируемую СБ, увеличивая напряжение и уменьшая силу тока, генерируемого СБ.
Наиболее близкими к заявляемым способу и устройству являются способ и устройство для питания нагрузки от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, по патенту РФ 2287885, МПК H02J 7/34. Устройство содержит дополнительный источник напряжения, выполненный в виде преобразователя постоянного тока, соединенного входными выводами параллельно с солнечной батареей, а выходными выводами - последовательно с солнечной батареей и аккумулятором, и блок управления. Согласно способу часть мощности, генерируемой солнечной батареей, отбирают путем преобразования части электрического тока, протекающего через солнечную батарею, для питания дополнительного источника напряжения в цепи солнечной батареи и включают его при снижении напряжения солнечной батареи. С помощью этого способа удается при действии неблагоприятных факторов, например при деградации СБ в процессе ее эксплуатации, поддерживать напряжение на выходе последовательной цепи, состоящей из СБ и дополнительного источника напряжения, близким к максимальному значению входного напряжения нагрузки. Однако, как следует из описания способа, при зарядке аккумулятора для согласования напряжения на выходе последовательной цепи, состоящей из СБ и дополнительного источника напряжения, и напряжения заряда аккумулятора используют зарядный преобразователь. Для формирования дополнительного источника напряжения также используют преобразователь тока, генерируемого СБ.
Недостатком способа и устройства является снижение эффективности использования СБ из-за потерь при преобразовании ее мощности в мощность электрического тока, расходуемого на заряд аккумулятора. В известных способе и устройстве коэффициент преобразования мощности СБ в полезную мощность, расходуемую на заряд аккумулятора, не может быть большим, чем коэффициент полезного действия (КПД) преобразователей постоянного тока. При напряжении на выходе СБ большем входного напряжения нагрузки всю мощность СБ преобразуют с некоторым значением КПД преобразователя. При выходном напряжении СБ меньшем, чем входное напряжение нагрузки, кроме того, часть мощности СБ подвергают преобразованию с помощью двух последовательно включенных преобразователей. В этом случае общий коэффициент преобразования мощности СБ в полезную мощность, расходуемую в нагрузке, будет меньше, чем КПД одного преобразователя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение потерь мощности при преобразовании электрического тока, генерируемого солнечной батареей, в электрический ток, заряжающий аккумулятор.
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, будет повышение коэффициента преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в полезную мощность, расходуемую на заряд аккумулятора.
Поставленная задача решается тем, что дополнительно отбирают часть мощности, генерируемой солнечной батареей, путем преобразования части электрического тока, протекающего через аккумулятор, формируют дополнительный источник тока, параллельный солнечной батарее, при этом дополнительный источник напряжения включают при снижении напряжения солнечной батареи до значения, меньшего заданного напряжения заряда аккумулятора, а при напряжении солнечной батареи, превышающем напряжение заряда аккумулятора, выключают дополнительный источник напряжения и включают дополнительный источник тока, параллельный солнечной батарее. После включения дополнительного источника напряжения регулируют отбор мощности, генерируемой солнечной батареей, для питания дополнительного источника напряжения до совпадения суммы его напряжения и напряжения солнечной батареи с заданным напряжением заряда аккумулятора. После включения дополнительного источника тока регулируют отбор мощности, генерируемой солнечной батареей, для питания дополнительного источника тока и уменьшают напряжение на аккумуляторе до совпадения с заданным напряжением заряда аккумулятора, а аккумулятор заряжают суммой электрических токов, генерируемых дополнительным источником тока и солнечной батареей.
Для решения поставленной задачи устройство для осуществления способа заряда аккумулятора от солнечной батареи содержит дополнительный источник тока, выполненный в виде преобразователя постоянного тока, соединенного входными выводами последовательно с аккумулятором и солнечной батареей, а выходными выводами - параллельно с солнечной батареей, и блок управления. При этом преобразователь постоянного тока дополнительного источника напряжения содержит управляемый ключ, неуправляемый ключ и последовательно соединенные управляемый инвертор напряжения, трансформатор и выпрямитель, входные выводы инвертора напряжения являются входными выводами преобразователя тока, к одному из которых последовательно подключен управляемый ключ, выходные выводы выпрямителя являются выходными выводами преобразователя постоянного тока, к которым параллельно подключен неуправляемый ключ. Преобразователь постоянного тока дополнительного источника тока содержит управляемый ключ и последовательно соединенные управляемый инвертор тока, трансформатор и выпрямитель, выходные выводы которого являются выходными выводами преобразователя постоянного тока. Входные выводы управляемого инвертора тока, к которым параллельно подключен управляемый ключ, являются входными выводами преобразователя постоянного тока. Блок управления выполнен с возможностью измерения напряжения солнечной батареи, включения и выключения дополнительных источников напряжения и тока, а также с возможностью управления ключами в преобразователях постоянного тока с помощью широтно-импульсных модуляторов.
Совокупность признаков способа и устройства обеспечивает достижение технического результата, выражающегося в повышении коэффициента преобразования мощности, генерируемой СБ, в полезную мощность, расходуемую на заряд аккумулятора. При любом отношении значений напряжений СБ и заряда аккумулятора часть мощности, генерируемой СБ, передают непосредственно на заряд аккумулятора без неизбежных потерь, возникающих при преобразовании постоянного тока. Для согласования напряжения СБ и напряжения заряда аккумулятора преобразуют только часть мощности, генерируемой СБ. Неизбежные потери мощности, возникающие при преобразовании электрической мощности с увеличением или уменьшением напряжения или силы тока, при использовании совокупностей признаков способа и устройства будут меньше, чем при преобразовании не части, а всей мощности, генерируемой солнечной батареей. Поэтому коэффициент преобразования мощности, генерируемой СБ, в полезную мощность заряда аккумулятора при использовании указанной совокупности признаков будет больше, чем КПД преобразователей электрической мощности, увеличивающих или уменьшающих напряжение и силу тока.
Группа изобретений поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства для заряда аккумулятора от солнечной батареи. Позициями на чертеже обозначены: 1 - солнечная батарея; 2 - аккумулятор; 3 - дополнительный источник напряжения; 4 - дополнительный источник тока; 5 - блок управления; 6, 7 - входные выводы дополнительного источника напряжения 3; 8, 9 - выходные выводы дополнительного источника напряжения 3; 10, 11 - входные выводы дополнительного источника тока 4; 12, 13 - выходные выводы дополнительного источника тока 4; 14 - управляемый ключ дополнительного источника напряжения 3; 15 - неуправляемый ключ дополнительного источника напряжения 3; 16 - управляемый инвертор напряжения дополнительного источника напряжения 3; 17 - трансформатор дополнительного источника напряжения 3; 18 - выпрямитель дополнительного источника напряжения 3; 19 - управляемый ключ дополнительного источника тока 4; 20 - управляемый инвертор тока; 21 - трансформатор дополнительного источника тока 4; 22 - выпрямитель дополнительного источника тока 4.
Устройство для заряда аккумулятора 2 от солнечной батареи 1 содержит дополнительный источник 3 напряжения, дополнительный источник 4 тока и блок 5 управления.
Дополнительный источник 3 напряжения выполнен в виде преобразователя постоянного тока, соединенного входными выводами 6, 7 параллельно с солнечной батареей, а выходными выводами 8, 9 - последовательно с солнечной батареей и аккумулятором.
Дополнительный источник 4 тока выполнен в виде преобразователя постоянного тока, соединенного входными выводами 10, 11 последовательно с аккумулятором и солнечной батареей, а выходными выводами 12, 13 - параллельно с солнечной батареей.
Дополнительный источник 3 напряжения, выполненный в виде преобразователя постоянного тока, содержит управляемый ключ 14, неуправляемый ключ 15 и последовательно соединенные управляемый инвертор 16 напряжения, трансформатор 17 и выпрямитель 18, входные выводы инвертора напряжения являются входными выводами 6, 7 преобразователя тока, к одному из которых последовательно подключен управляемый ключ 14, выходные выводы выпрямителя являются выходными выводами 8, 9 преобразователя постоянного тока, к которым параллельно подключен неуправляемый ключ 15.
Дополнительный источник 4 тока, выполненный в виде преобразователя постоянного тока, содержит управляемый ключ 19 и последовательно соединенные управляемый инвертор 20 тока, трансформатор 21 и выпрямитель 22, выходные выводы которого являются выходными выводами 13, 14 преобразователя постоянного тока, входные выводы управляемого инвертора тока 21, к которым параллельно подключен управляемый ключ 19, являются входными выводами 10, 11 преобразователя постоянного тока.
Блок 5 управления соединен с солнечной батареей 1, аккумулятором 2, дополнительным источником 3 напряжения, дополнительным источником 4 тока и может содержать широтно-импульсные модуляторы, измерители напряжений солнечной батареи 1 и аккумулятора 2, выполненные, например, в виде аналого-цифровых преобразователей, соединенных с микропроцессорами, управляющими широтно-импульсными модуляторами по заданной программе.
Управляемые инверторы 16, 20 предназначены для преобразования постоянного тока в импульсный ток и могут содержать ключи, управляемые широтно-импульсными модуляторами (ШИМ), содержащимися в блоке 5 управления, и входные емкостные или индуктивные фильтры, сглаживающие пульсации напряжения постоянного тока. При этом входной фильтр инвертора 20 тока может быть выполнен преимущественно индуктивным, а входной фильтр инвертора 16 напряжения может быть выполнен преимущественно емкостным. Трансформаторы 17, 21 предназначены для изменения амплитуды импульсов тока, и трансформатор 17 выполнен преимущественно понижающим амплитуду импульсов тока, а трансформатор 21 - повышающим. Выпрямители 18, 22 предназначены для преобразования импульсного тока в постоянный ток и могут содержать неуправляемые ключи и емкостные или индуктивные фильтры, сглаживающие пульсации напряжения. Управляемые ключи 14, 19 и ключи в инверторах 16, 20 могут быть выполнены на основе тиристоров, биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Неуправляемый ключ 15 и ключи в выпрямителях 18, 22 могут быть выполнены преимущественно на основе диодов.
Дополнительные источники напряжения 3 и тока 4, выполненные в виде преобразователей постоянного тока, а также содержащиеся в них элементы и узлы могут быть выполнены в соответствии с известными решениями, представленными, например, в следующих источниках: Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М., Энергоатомиздат, 1992, 296 с., Монин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., Энергоатомиздат, 1986, 376 с.
Для решения поставленной задачи при осуществлении способа с помощью устройства достаточно наличие указанных в нем элементов и связей между ними, а выбор схем преобразователей и расчеты всех содержащихся в них элементов и узлов могут быть выполнены специалистами на основе существующего уровня техники применительно к конкретным параметрам солнечной батареи 1 и аккумулятора 2.
С помощью устройства, схема которого показана на чертеже, способ осуществляют следующим образом.
Измеряют напряжение на выходе солнечной батареи 1 и сравнивают его в блоке 5 управления с заданным значением напряжения заряда аккумулятора 2, затем с помощью блока 5 управления включают или выключают дополнительные источники 3, 4 напряжения и тока. При совпадении указанных напряжений выключают оба источника 3, 4 посредством размыкания ключа 14 и замыкания ключа 19. Аккумулятор 2 заряжают от солнечной батареи 1 через замкнутый неуправляемый ключ 15 и замкнутый управляемый ключ 19 практически без потерь мощности, связанных с преобразованием тока, генерируемого солнечной батареей 1, в ток, заряжающий аккумулятор 2, так как в этом случае не происходят периодические замыкания и размыкания ключей, при которых возникают основные потери мощности в преобразователях тока.
Однако такое совпадение напряжений может быть только случайным и редким из-за того, что напряжения солнечной батареи 1 и заряда аккумулятора 2 изменяются во времени. Если напряжение солнечной батареи 1 будет меньше заданного значения напряжения заряда аккумулятора 2, то включают дополнительный источник 3 напряжения посредством замыкания управляемого ключа 14, а дополнительный источник 4 тока выключают посредством замыкания управляемого ключа 19, который шунтирует входные выводы 10, 11 преобразователя тока. При этом инвертор 16 напряжения будет отбирать мощность, генерируемую солнечной батареей 1, преобразуя часть тока, генерируемого этой батареей и протекающего через входные выводы 6, 7, инвертором 16 в импульсный ток. Амплитуду импульсов тока уменьшают с помощью трансформатора 17 и преобразуют импульсный ток в постоянный ток с помощью выпрямителя 18. В результате этих преобразований тока на выходных выводах 8, 9 появляется напряжение, которое размыкает неуправляемый ключ 15 и суммируется с напряжением солнечной батареи 1.
Регулируют отбор мощности, генерируемой солнечной батареей 1, для питания дополнительного источника 3 напряжения до совпадения суммы напряжения солнечной батареи 1 и напряжения на выходных выводах 9, 8 источника 3 напряжения с заданным напряжением заряда аккумулятора 2 посредством изменения длительности интервалов времени нахождения в замкнутом и разомкнутом состоянии управляемых ключей в инверторе 16 с помощью широтно-импульсного модулятора, содержащегося в блоке 5 управления. Аккумулятор 2 заряжают частью тока, генерируемого солнечной батареей 1 и протекающего через выходные выводы 8, 9 источника 3 напряжения, при напряжении на аккумулятор 2, равном заданному напряжению заряда аккумулятор 2. При этом точность совпадения суммы напряжения солнечной батареи 1 и напряжения на выходных выводах 9, 8 источника 3 напряжения с заданным напряжением заряда аккумулятора 2 будет определяться точностью измерения напряжений солнечной батареи 1 и аккумулятора 2, эффективностью подавления пульсаций напряжения выходным фильтром выпрямителя 18, шумами и другими неблагоприятными явлениями, возникающими при работе любого электронного аппарата.
Однако для поддержания напряжения на аккумуляторе 2 равным заданному значению преобразуют только часть мощности, генерируемой солнечной батареей 1 и отбираемой в дополнительный источник 3 напряжения. При таком преобразовании возникают неизбежные потери мощности, определяемые коэффициентом полезного действия (КПД) преобразователя тока источника 3 напряжения, но эти потери будут меньше, чем потери при преобразовании не части, а всей мощности, генерируемой солнечной батареей 1. Поэтому коэффициент преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в полезную мощность, расходуемую на заряд аккумулятора, будет больше, чем КПД преобразователя тока. В результате достигается заявленный технический результат от использования способа с помощью устройства для его осуществления.
При напряжении солнечной батареи 1, превышающем заданное напряжение заряда аккумулятора 2, выключают дополнительный источник 3 напряжения посредством размыкания управляемого ключа 14 и включают дополнительный источник 4 тока посредством размыкания управляемого ключа 19. При этом прекращают отбор мощности, генерируемой солнечной батареей 1, в источник 3 напряжения, и из-за этого перепад напряжения на его выходных выводах 9, 8 уменьшается до нуля, а неуправляемый ключ 15 переходит в замкнутое состояние.
Ток, генерируемый солнечной батареей 1, протекает через последовательно соединенные замкнутый ключ 15, аккумулятор 2 и входные выводы 10, 11 дополнительного источника 4 тока. При этом отбирают часть мощности, генерируемой солнечной батареей 1, посредством преобразования постоянного тока, протекающего через аккумулятор 2 и входные выводы 10, 11 источника 4 тока, в импульсный ток в инверторе 21 тока. При этом из-за отбора мощности в инвертор 20 на входных выводах 10, 11 возникает перепад напряжения, а напряжение на аккумуляторе 2 уменьшается на величину этого перепада напряжения.
Затем повышают амплитуду импульсов тока с помощью трансформатора 21, преобразуют импульсный ток в постоянный с помощью выпрямителя 22 и суммируют этот ток, протекающий через выходные выводы 12, 13, с током, генерируемым солнечной батареей 1. Регулируют отбор мощности для питания дополнительного источника 4 тока посредством изменения длительности интервалов времени нахождения в замкнутом и разомкнутом состоянии ключей в инверторе 20, управляемых широтно-импульсным модулятором, содержащимся в блоке 5 управления, и уменьшают напряжение на аккумуляторе до совпадения с заданным напряжением заряда аккумулятора. При этом аккумулятор 2 заряжают суммой электрических токов, генерируемых дополнительным источником 4 тока и солнечной батареей 1.
Однако для поддержания напряжения на аккумуляторе 2 равным заданному значению преобразуют только часть мощности, генерируемой солнечной батареей 1 и отбираемой в дополнительный источник 4 тока. При таком преобразовании возникают неизбежные потери мощности, определяемые коэффициентом полезного действия (КПД) преобразователя тока дополнительного источника 4 тока, но эти потери будут меньше, чем потери при преобразовании не части, а всей мощности, генерируемой солнечной батареей 1. Поэтому коэффициент преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в полезную мощность, расходуемую на заряд аккумулятора, будет больше, чем КПД преобразователя тока. В результате достигается заявленный технический результат от использования способа с помощью устройства для его осуществления.
Таким образом, при любом отношении напряжения солнечной батареи и напряжения заряда аккумулятора достаточно преобразовывать не всю, а только часть мощности, генерируемой солнечной батареей. Это позволяет уменьшить потери при преобразовании постоянного тока в постоянный ток с уменьшенным или увеличенным напряжением и достигнуть технического результата, характеризующегося увеличением коэффициента преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в мощность, расходуемую на заряд аккумулятора.
Например, при отношении напряжения солнечной батареи к напряжению заряда аккумулятора, изменяющемся в пределах от 0,5 до 2, и КПД преобразователей постоянного тока, равном 0,9, коэффициент преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в мощность, расходуемую на заряд аккумулятора, будет изменяться в пределах от 0,95 до 0,98. При снижении значения КПД преобразователей тока технический результат будет увеличиваться, например при КПД преобразователя, равном 0,8, коэффициент преобразования мощности, генерируемой солнечной батареей, в мощность, расходуемую на заряд аккумулятора, при использовании изобретения будет равен 0,89-0,93.