Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов



Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов
Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов
Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов
Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов
Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов
Электронная система управления фотогальваническими элементами посредством адаптированных порогов

 


Владельцы патента RU 2537039:

ТОТАЛЬ МАРКЕТИНГ СЕРВИСИЗ (FR)
САНТР НАСЬОНАЛЬ ДЕ ЛЯ РЕШЕРШ СЬЕНТИФИК (FR)

Группа изобретений относится к области фотогальванических генераторов. Технический результат заключается в повышении КПД преобразования генератора. Для этого предложен способ управления фотогальваническим генератором, содержащим по меньшей мере один фотогальванический элемент и множество n соединенных параллельно статических преобразователей, при этом каждый преобразователь соединен электрически по меньшей мере с одним фотогальваническим элементом, включающий этапы, на которых определяют мощность, генерируемую указанным по меньшей мере одним фотогальваническим элементом и сравнивают ее с пиковой мощностью; осуществляют сравнение с пороговыми значениями P1, P2,…, Pn-1; при этом пороги определяют как значения мощностей по существу в точке пересечения кривых КПД при возрастающем числе преобразователей для, по меньшей мере, одного фотогальванического элемента; подключают i преобразователей, если измеренное значение мощности находится в пределах от Pi-1 до Pi, или подключают все преобразователи, если измеренное значение мощности превышает Pn-1. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области фотогальванических генераторов и, в частности, фотогальванических модулей с интегрированной в них электроникой; такой модуль содержит фотогальванический генератор и электронную систему управления фотогальваническими элементами.

Уровень техники

Как известно, фотогальванический генератор (GPV) содержит один или несколько фотогальванических элементов (PV), соединенных последовательно и/или параллельно. В случае неорганических материалов фотогальванический элемент в основном представляет собой диод (с p-n или p-i-n переходом), выполненный на основе полупроводникового материала. Этот материал обладает свойством поглощать световую энергию, значительная часть которой может передаваться на носители заряда (электроны или дырки). Выполнение диода (с p-n или p-i-n переходом) посредством легирования двух зон соответственно типа N и типа Р, возможно разделенных нелегированной областью (называемой «внутренней» и обозначенной "i" в p-i-n переходе), позволяет разделить носители заряда, чтобы затем их собрать через электроды, выполненные в фотогальваническом элементе. Максимальная разность потенциалов (напряжение разомкнутой цепи, Voc) и максимальный ток (ток короткого замыкания. Icc), которые может выдавать фотогальванический элемент, зависят одновременно от материалов, из которых изготовлен весь элемент, и от условий, окружающих этот элемент (в том числе освещение через спектральную плотность, температура…). В случае органических материалов модели существенно отличаются и больше связаны с понятием материалов-доноров и материалов-акцепторов, в которых образуются пары электрон-дырка, называемые экситонами. Конечная задача остается такой же: разделение носителей заряда для сбора и генерирования тока.

На фиг.1 схематично представлен пример фотогальванического генератора (согласно известному техническому решению). Большинство фотогальванических генераторов состоят, по меньшей мере, из одной панели, которая, в свою очередь, состоит из фотогальванических элементов, соединенных последовательно и/или параллельно.

Можно соединить последовательно несколько групп элементов для повышения общего напряжения панели; можно также соединить несколько групп параллельно для повышения силы тока, выдаваемого системой. Точно так же можно соединить последовательно и/или параллельно несколько панелей для повышения напряжения и/или силы тока генератора в зависимости от применения.

На фиг.1 показан фотогальванический генератор, содержащий две параллельные ветви, каждая из которых содержит три группы элементов 2. Для обеспечения электрической безопасности фотогальванического генератора можно предусмотреть обратные диоды 3 и шунтирующие диоды 4 (или "by-bass" в английской терминологии). Обратные диоды 3 подключены последовательно к каждой параллельной ветви генератора, чтобы избежать циркуляции в элементах отрицательного тока, поступающего от нагрузки или из других ветвей генератора. Шунтирующие диоды 4 подключены антипараллельно к группам 2 элементов. Шунтирующие диоды 4 позволяют изолировать группу 2 элементов, в которой появилась неисправность или проблема затенения, и решить проблему горячих точек (или "hot spot" в английской терминологии).

Максимальное напряжение генератора соответствует сумме максимальных напряжений образующих его элементов, и максимальный ток, который может выдать генератор, соответствует сумме максимальных токов элементов. Максимальное напряжение Voc элемента достигается при работающем вхолостую элементе, то есть при выдаваемом нулевом токе (разомкнутая цепь), и максимальный ток Icc элемента достигается, когда контакты замкнуты накоротко, то есть при нулевом напряжении на контактах элемента. Максимальные значения Voc и Icc зависят от технологии и материала, применяемых для выполнения фотогальванического элемента. Максимальное значение тока Icc значительно зависит также от освещенности элемента. Таким образом, фотогальванический элемент имеет нелинейную характеристику ток/напряжение (IPV, VPV) и силовую характеристику с максимальной точкой мощности (РРМ или МРР на английском языке), которая соответствует оптимальным значениям напряжения Vopt и тока Iopt. На фиг.2 показаны характеристики ток-напряжение (IPV, VPV) и мощность-напряжение (PPV, VPV) фотогальванического элемента с его максимальной точкой мощности (обозначенной на фигуре РРМ). Точно так же, фотогальванический генератор имеет нелинейную характеристику ток/напряжение и силовую характеристику с максимальной точкой мощности. Если часть элементов затенена или если один или несколько элементов группы неисправны, максимальная точка мощности МРР этой группы будет смещена.

Как известно, работу фотогальванического генератора оптимизируют за счет использования привода отслеживания максимальной точки мощности (или привода МРРТ, то есть Maximum Power Point Tracker в английской терминологии). Такой привод МРРТ можно объединить с одним или несколькими статическими преобразователями (CS), которые в зависимости от применения могут быть преобразователями постоянного тока в переменный (DC/AC согласно сокращению, используемому в английской терминологии) или преобразователями постоянного тока в постоянный (DC/DC согласно сокращению, используемому в английской терминологии). Так, на фиг.1 показан статический преобразователь 8 DC/AC, подключенный к выходу генератора и собирающий электрическую энергию, производимую всеми элементами генератора, для ее направления в нагрузку. В зависимости от потребностей нагрузки преобразователь может оказаться перед необходимостью повышения или понижения выходного напряжения и/или инверсии выходного напряжения. На фиг.1 показан также привод МРРТ 6, связанный с преобразователем 8.

Привод МРРТ 6 выполнен с возможностью управления преобразователем или преобразователями 8 для получения входного напряжения, которое соответствует оптимальному значению напряжения Vopt фотогальванического генератора (GPV), соответствующему максимальной точке силовой характеристики. Максимальная точка мощности зависит от нескольких параметров, меняющихся в течение времени, в частности, от текущей освещенности, от температуры или от степени старения элементов, или от числа элементов в рабочем состоянии.

Таким образом, нарушения в работе или затенение некоторых элементов не слишком влияют на производительность фотогальванического генератора. Электрический КПД генератора напрямую зависит от состояния каждого фотогальванического элемента.

В зависимости от солнечного освещения мощность, выдаваемая фотогальваническим генератором, может меняться. В частности, в зависимости от мощности можно использовать не один, а два или три и даже больше преобразователей. Методика основана на адаптации числа преобразователей (элементов или фаз) в зависимости от изменения мощности, выдаваемой генератором GPV. Действительно, использование только одного преобразователя не совсем отвечает задаче контроля больших колебаний мощности, поскольку при этом снижается КПД преобразования. КПД силового преобразователя, выполненного с использованием только одной фазы (или только одного преобразователя), снижается, когда выдаваемая мощность PV является максимальной, тогда как конструкция из трех преобразователей стремится поддерживать практически постоянный КПД при любой выдаваемой мощности PV. Это выражается в более значительной передаче энергии в батарею.

На фиг.3 представлена такая конструкция, содержащая на выходе фотогальванических элементов три статических преобразователя CS (которые в данном случае являются повышающими преобразователями или BOOST). Этими преобразователями управляют в зависимости от генерируемой мощности по отношению к пиковой мощности устройства (Pcrête). Как известно, если мощность, выдаваемая генератором GPV, меньше или равна одной трети пиковой мощности Pcrête, используют один преобразователь CS; если мощность, выдаваемая генератором GPV, составляет от 1/3 до 2/3 пиковой мощности Pcrête, используют два CS, и если выдаваемая мощность превышает 2/3 пиковой мощности Pcrête, используют три преобразователя CS.

Вместе с тем, существует потребность в повышении КПД преобразования генератора GPV.

Сущность изобретения

Изобретением предлагается электронная система управления фотогальваническим генератором, содержащая:

- множество n соединенных параллельно статических преобразователей (11, 12, 13), при этом каждый преобразователь (11, 12, 13) соединен электрически, по меньшей мере, с одним фотогальваническим элементом указанного генератора,

- при этом число подключаемых преобразователей определяют посредством сравнения генерируемой мощности с порогами P1, P2, … Pn-1, при этом пороги определяют как значения мощностей по существу в точке пересечения кривых КПД для возрастающего числа преобразователей.

Согласно варианту выполнения, n равно 3.

Согласно варианту выполнения, первый порог меньше 1/3, предпочтительно составляет от 20 до 33%, предпочтительно от 23 до 32%.

Согласно варианту выполнения, второй порог меньше 2/3, предпочтительно составляет от 35 до 55%, предпочтительно от 40 до 50%.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят от оптимального значения напряжения Vopt указанного, по меньшей мере, одного фотогальванического элемента.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят от входного напряжения преобразователей, при этом предпочтительно входное напряжение является оптимальным значением напряжения Vopt указанного, по меньшей мере, одного фотогальванического элемента.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят от периода года и/или от солнечного освещения.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят от коэффициента преобразования преобразователей.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят от температуры преобразователей.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения зависят степени старения преобразователей.

Согласно варианту выполнения, пороговые значения определяют и сохраняют в запоминающем устройстве системы управления, при этом применяемые значения порогов могут меняться в зависимости от измерения параметра фотогальванического генератора.

Согласно варианту выполнения, система содержит устройство определения кривой КПД в зависимости от мощности.

Согласно варианту выполнения с так называемой ротацией преобразователей CS, в системе преобразователи подключают поочередно.

Согласно версии этого варианта выполнения с ротацией CS, ротацию преобразователей производят во время изменения числа задействованных преобразователей.

Согласно версии этого варианта выполнения с ротацией CS, ротация преобразователей зависит от состояния компонентов преобразователей.

Объектом изобретения является также фотогальванический генератор, содержащий:

- по меньшей мере, один фотогальванический элемент;

- систему управления в соответствии с изобретением.

Объектом изобретения является также способ управления фотогальваническим генератором, содержащим:

- по меньшей мере, один фотогальванический элемент;

- множество n соединенных параллельно статических преобразователей (11, 12, 13), при этом каждый преобразователь (11, 12, 13) соединен электрически, по меньшей мере, с одним фотогальваническим элементом указанного генератора,

при этом указанный способ содержит следующие этапы:

- определяют мощность, генерируемую указанным, по меньшей мере, одним фотогальваническим элементом, и сравнивают ее с пиковой мощностью;

- производят сравнение с пороговыми значениями P1, P2, … Pn-1;

- при этом пороги определяют как значения мощностей по существу в точке пересечения кривых КПД при возрастающем числе преобразователей для, по меньшей мере, одного фотогальванического элемента;

- подключают i преобразователей, если измеренное значение мощности находится в пределах от Pi-1 до Pi, или все преобразователи, если измеренное значение мощности превышает Pn-1.

Согласно варианту выполнения с так называемой ротацией преобразователей CS, в способе согласно изобретению:

- i-й преобразователь не подключают во время подключения других преобразователей, если подключены не все преобразователи.

Согласно версии этого варианта выполнения с ротацией CS, способ содержит следующие этапы:

- подключают, по меньшей мере, первый преобразователь;

- подключают большее число преобразователей;

- затем по время подключения меньшего числа преобразователей, указанный первый преобразователь не подключают.

Согласно версии этого варианта выполнения с ротацией CS, в способе этап ротации преобразователей осуществляют, если измеряемое значение мощности меняется между порогами Pi-1 и Pi.

Согласно версии этого варианта выполнения с ротацией CS, способ содержит следующие этапы:

- определяют продолжительность использования и/или число использований каждого преобразователя;

- подключают преобразователи, для которых продолжительность использования и/или число использований по существу равны за данный период.

Способы в соответствии с изобретением предназначены, в частности, для применения в заявленных генераторах.

Краткое описание чертежей

На прилагаемых чертежах:

фиг.1 (уже описана) - схема известного фотогальванического генератора;

фиг.2 (уже описана) - теоретические характеристики ток-напряжение и мощность фотогальванического элемента;

фиг.3 - схема генератора GPV, содержащего несколько преобразователей (в данном случае 3 статических преобразователя CS типа BOOST);

фиг.4 - кривые КПД для 3 преобразователей CS;

фиг.5 - число преобразователей CS в зависимости от времени дня, согласно изобретению;

фиг.6 - схема, используемая в примерах.

Подробное описание вариантов выполнения изобретения

Изобретением предложена электронная система управления фотогальваническим генератором, содержащим множество преобразователей (элементов или фаз), которые могут быть преобразователями DC/AC или DC/DC, как правило, три преобразователя, соединенные с фотогальваническими элементами. Преобразователи электрически соединены, по меньшей мере, с одним фотогальваническим элементом с целью отбора энергии, производимой этим элементом, и ее передачи в направлении нагрузки. «Нагрузкой» называют электрическое приложение, для которого предназначена энергия, производимая фотогальваническим генератором. Нижеследующее описание представлено для случая с 3 преобразователями, однако изобретение можно равнозначно применять и при большем числе преобразователей. В дальнейшем для обозначения преобразователя (в данном случае статического) будет использовано сокращение CS.

Как известно, этими преобразователями управляет так называемый привод МРРТ. Например, этот привод отслеживания максимальной точки мощности МРРТ может применять алгоритм, который идентифицирует влияние изменения напряжения на выдаваемую генератором мощность и задает смещение напряжения в направлении, идентифицируемом как направление увеличения мощности. Так, согласно этому алгоритму, измеряют мощность, выдаваемую генератором при первом напряжении, и спустя некоторое время задают второе напряжение, превышающее первое, после чего измеряют или производят оценку соответствующей мощности. В случае, когда мощность, соответствующая второму напряжению, превышает мощность, соответствующую первому напряжению, на следующем этапе алгоритма задают третье, еще более высокое напряжение. В противном случае подаваемое третье напряжение меньше первого напряжения. Таким образом, шаг за шагом система может постоянно адаптировать напряжение на контактах фотогальванического генератора, чтобы как можно ближе приближаться к максимальной точке мощности. Разумеется, для привода МРРТ можно применять и другие алгоритмы.

На фиг.3 показана такая схема, где генератор GPV содержит фотогальванический блок 10, соединенный с преобразователями CS 11, 12 и 13 (BOOST 1, 2 и 3) и с приводом МРРТ 14, при этом выход преобразователей CS соединен с батареей 15.

Управление преобразователями предусматривает использование кривых КПД для преобразователей. Такая кривая показана на фиг.4. На этой фигуре показаны КПД для одной фазы, для двух фаз и для трех фаз. В качестве примера взята пиковая мощность Pcrête 85 Вт. При этом отмечается, что для одной фазы КПД возрастает до точки примерно на 1/3 Pcrête. Для двух фаз КПД возрастает до точки со значением в пределах примерно от 35 Вт до 40 Вт. Для трех фаз КПД является более высоким, начиная от этой точки.

Известный вариант применения соответствует двум заранее определенным порогам изменения числа преобразователей. В зависимости от мощности, измеряемой системой управления МРРТ, а именно менее 1/3 Pcrête, от 1/3 до 2/3 Pcrête и более 2/3 Pcrête, система управления задействует один, два или три преобразователя.

Изобретение учитывает истинную кривую КПД в зависимости от числа преобразователей. При этом стремятся оптимизировать КПД в зависимости от числа преобразователей и определяют точки пересечения кривых мощности преобразователей в зависимости от их числа. Так, на фиг.4, первая точка пересечения между кривой КПД для одного преобразователя и для двух преобразователей дает первый порог Р1, который сохраняют в запоминающем устройстве системы управления. Когда мощность, выдаваемая фотогальваническими элементами PV, становится ниже этого порога, задействуют один преобразователь CS, тогда как, если мощность превышает этот порог Р1, задействуют 2 преобразователя CS. На фиг.4 показана также точка пересечения между кривой с 2 CS и кривой с 3 CS. Отмечается, что порог, начиная от которого КПД становится больше, значительно смещен от точки на 2/3. Эта вторая точка является порогом Р2, ниже которого задействуют 2 CS и выше которого задействуют 3 CS в зависимости от мощности, выдаваемой фотогальваническими элементами PV, и от их сравнения с Pcrête.

Известные решения основаны на разделении по третям исходя из постулата, что КПД будет оптимальным при оптимальном числе преобразователей. Для трех преобразователей оптимальным числом будет 1, 2 или 3, и интервал делят на 3. Изобретение отходит от этого постулата, используя пороговые значения как можно ближе к реальной преобразуемой мощности. На фиг.4 видно, что при применении изобретения КПД является максимальным.

В представленном случае значения Р1 и Р2 соответственно составляют 28% и 45%. Как правило, порог Р1 ниже 1/3 и обычно составляет от 20 до 33%, предпочтительно от 23 до 32%. Как правило, порог Р2 ниже 2/3 и обычно составляет от 35 до 55%, предпочтительно от 40 до 50%. Разумеется, в зависимости от используемых устройств можно определять и другие значения.

Так, в зависимости от времени дня используют соответствующее число преобразователей CS. На фиг.5 показано число CS в зависимости от времени дня. Вариант осуществления с тремя преобразователями CS является преобладающим в течение дня, тогда как в известном решении он был использован только на треть.

Этот же принцип применим для n преобразователей, будь-то 2, 3, 4 или больше, при этом число подключаемых преобразователей (из общего числа n преобразователей) определяют посредством сравнения генерируемой мощности с порогами P1, P2, … Pn-1, причем эти пороги определяют как значения мощностей в точке пересечения кривых КПД при возрастающем числе преобразователей, при этом порог Р1 является пересечением между кривыми КПД 1 и 2 преобразователей, порог Pn-1 является пересечением между кривыми КПД n-1 и n преобразователей.

Значения порогов Р1 и P2 меняются в зависимости от приборов, используемых для изготовления генераторов GPV. Можно измерять кривые КПД преобразователей CS в зависимости от числа фаз, то есть строить кривые, как на фиг.4, и сохранять эти значения в запоминающем устройстве системы управления. Затем система использует эти значения без изменения.

Можно также учитывать факторы, которые влияют на кривые КПД.

В частности, можно учитывать сезон года и/или характеристики самих электронных устройств.

Сезон года является фактором, который можно принимать в расчет, поскольку температура фотогальванической панели меняется в зависимости от времен года. Характеристики панели тоже меняются в зависимости от сезонов, в частности оптимальное значение напряжения Vopt меняется в зависимости от периода года. Например, можно наблюдать следующее изменение оптимального значения напряжения Vopt (оптимальное значение напряжения уменьшается, когда температура панели повышается):

Зима Весна Лето Осень
18 В 16 В 14,5 В 17 В

В зависимости от оптимального значения напряжения Vopt могут также меняться пороговые значения. Например, можно наблюдать следующие пороговые значения Р1 и P2, выраженные в % Pcrête (при этом в качестве примера считают, что предыдущие значения 28% и 45% были получены осенью).

Зима 18 В Весна 16 В Лето 14,5 В Осень 17 В
Р1 (% Pcrête) 24 29 32 28
P2 (% Pcrête) 41 47 47 45

Таким образом, можно адаптировать значения порогов Р1 и Р2 в зависимости от сезона, сохранив эти значения в запоминающем устройстве системы управления (и их применяют в зависимости от календаря), или использовать оптимальные значения напряжения Vopt, измеренные системой (МРРТ), для применения соответствующих значений порогов Р1 и Р2, при этом запоминающее устройство системы содержит таблицу соответствия между различными значениями напряжения и порогами.

Оптимальное значение напряжения Vopt может также меняться в зависимости от солнечного освещения, при этом, как правило, значения уменьшаются при понижении уровня освещенности.

Кроме того, КПД преобразователя меняется в зависимости от его характеристик. В частности, КПД преобразователя может меняться в зависимости от коэффициента преобразования, от температуры элемента и от степени его старения.

КПД силового преобразователя можно определить как способность последнего воспроизводить на своем выходном порте максимум мощности, присутствующей на его входном порте, при этом разность относительно 100% составляет потери.

В случае повышающего преобразователя DC/DC (называемого "BOOST"), классически используемого в генераторах GPV, потери соответствуют джоулевым потерям пассивных компонентов и соединений, а также потерям на проводимость и на подключение активных элементов (полевой транзистор и диод).

Эти потери могут в основном меняться в зависимости от трех основных параметров, которыми являются коэффициент преобразования, температура и степень старения, и их относительная значимость, как правило, распределена в этом порядке.

Та, как правило, КПД преобразователя зависит от коэффициента преобразования.

Коэффициент преобразования (для повышающего преобразователя) определяют следующим образом:

α=1-Vin/Vout

Выходное напряжение Vout, то есть напряжение батареи, может, таким образом, влиять на коэффициент преобразования, например, в случае чрезмерной или недостаточной зарядки или во время замены на батарею с другим номинальным напряжением.

Напряжение Vin тоже может влиять на значение коэффициента преобразования. В фотогальванических приложениях с приводом МРРТ это напряжение соответствует оптимальному напряжению панели (Vopt), при котором мощность, производимая генератором GPV, является максимальной. Но, как было указано выше, это напряжение может меняться, в частности, в зависимости от сезонов (температура панели) и от освещенности.

Чтобы учитывать коэффициент преобразования, система управления может производить измерения напряжений на контактах преобразователя и соответственно адаптировать пороги. Поскольку оптимальное значение напряжения (Vopt) уже измерено, то измерение этого значения используют при определении коэффициента преобразования, который, таким образом, можно определять одновременно с этим оптимальным значением напряжения.

Так, КПД преобразователя, как правило, зависит от температуры компонентов, в частности полевого транзистора и диода. В случае транзистора сопротивление повышается при повышении температуры перехода, что приводит к увеличению потерь на проводимость. В случае диода происходит обратный эффект, то есть потери на проводимость снижаются при увеличении температуры. Вместе с тем, последствия очень трудно предвидеть, в частности, поскольку они вытекают из общего использования в преобразователе. Как правило, КПД преобразователя зависит от температуры, при этом КПД меняется при колебаниях температуры.

Чтобы учитывать температуру, можно предусмотреть один или несколько температурных датчиков для измерения температуры компонентов и для введения результата измерения в систему управления.

Так, КПД преобразователя, как правило, зависит от степени его старения. При этом при старении повышается сопротивление транзистора, так же как и значение порогового напряжения в случае диода. Старение или продолжительная работа приводит к изменению электрического поведения активных компонентов, а также к повышению потерь, что выражается изменением поведения КПД преобразователя.

Чтобы учитывать старение, предусмотрен счетчик для измерения, например, числа циклов диода и определения на его основании возраста электронной системы.

Можно также определять «на месте» кривые КПД, включив измерительный блок в систему управления генератором GPV. В этом случае система будет производить измерение порогов Р1 и Р2 по заранее записанному в памяти протоколу в заранее определенное время (в данный день и/или час), через заранее определенные интервалы, после заранее определенного значения произведенной энергии и т.д., или произвольно. Вместе с тем, можно сохранить в запоминающем устройстве системы значения Р1 и Р2, соответствующие каждой ситуации, встречаемой во время применения генератора GPV. Можно также применять гибридный способ, то есть часть данных сохраняют в памяти и другую часть измеряют. Например, сезонные значения сохраняют в памяти, тогда как температуру компонентов измеряют.

Согласно предпочтительному варианту выполнения, система использует протокол ротации преобразователей CS, чтобы избежать постоянного использования одного CS. Действительно, как показано на фиг.3, преобразователь CS 11 подключен постоянно и, следовательно, постоянно получает предназначенный для преобразования ток. Другие CS используются в зависимости от изменений, происходящих при генерировании фотогальванической мощности. Таким образом, преобразователь CS 11 задействован постоянно, и, кроме того, на него влияют изменения мощности, которые необходимо обрабатывать во время колебаний фотогальванической мощности. В результате этого снижается надежность системы, так как один из компонентов задействован постоянно. Согласно предпочтительному варианту выполнения, осуществляют ротацию задействованных преобразователей CS.

Команду на ротацию можно подавать во время изменений фотогальванической мощности, генерируемой панелями, или в зависимости от состояния преобразователей, или одновременно учитывая оба фактора. Можно также учитывать эти факторы произвольно.

Согласно варианту выполнения, смену CS осуществляют во время увеличения числа задействованных CS. Например, если подключен преобразователь CS 11 и привод определяет, что необходимо использовать два CS, в этом случае задействуют CS 12 и 13, тогда как CS 11 больше не подключают. Если число CS возвращается к единице, то в этом случае подключают CS 12 (или CS 13), а не CS 11, который остается в состоянии покоя. В случае необходимости подключения трех CS, ротацию производят во время возвращения к 1 или 2 CS. В этом случае исходят из ситуации, когда подключен CS 11, затем подключают три CS, затем условия возвращения требуют подключения двух CS, и в этом случае подключают CS 12 и 13, или если условия возвращения требуют только одного CS, подключают CS 12 или 13.

Согласно другому варианту выполнения, смена CS происходит в результате подсчета использования преобразователей CS. Этот подсчет может быть основан на продолжительности использования, и ротацию производят таким образом, чтобы обеспечить продолжительность использования, по существу одинаковую для всех CS в течение данного периода. Этим периодом может быть день, несколько дней или часть дня, например один или несколько часов, причем эта продолжительность может также зависеть от времени дня и/или от сезона. Так, согласно этому варианту выполнения, подключаемым преобразователем CS является преобразователь, который был задействован меньше всего, то есть время использования которого является наименьшим. Подсчет можно также производить, учитывая не продолжительность, а число использований или подключений преобразователя CS независимо от продолжительности использования. Так, в зависимости от случая, подключаемым CS является тот, который был задействован меньшее количество раз. Можно также предусмотреть вариант выполнения, объединяющий обе эти возможности.

Согласно другому варианту выполнения, ротацию можно осуществлять произвольно, при этом в системе управления предусмотрен произвольный генератор. Во время увеличения или уменьшения числа CS выбор осуществляют произвольно, в случае необходимости, посредством так называемого способа «перетасовки» (этот вариант соответствует варианту, в котором использовавшийся до этого CS исключают из произвольного выбора).

Согласно представленному выше описанию, ротацию CS осуществляют при изменении числа задействованных CS. Разумеется, можно предусмотреть эту ротацию, когда число задействованных CS является постоянным (при условии, что оно отличается от максимального числа). Так, когда метеорологические условия становятся такими, что задействуют только один CS, можно предусмотреть протокол, согласно которому этот CS меняют на CS, который до этого находился в состоянии покоя, чтобы не использовать непрерывно один CS более заданной продолжительности.

Ротация задействованных преобразователей позволяет снизить тепловой и электрический стрессы, действующие на активные компоненты во время колебаний мощности.

Тепловые колебания порождают механические напряжения на уровне полупроводников, в основном связанные с разностью коэффициентов расширения материалов, использованных во время изготовления, например 4 части на миллион/°С для кремния против 16 частей на миллион/°С для меди и 24 частей на миллион/°С для алюминия. Результатом механических напряжений, действующих на электрические контакты, после многочисленных тепловых циклов является появление микротрещин на контактах, которое может даже привести к их разрыву. Целью ротации преобразователей CS является распределение теплового и электрического стресса между всеми преобразователями.

Электронная система управления в соответствии с изобретением может также включать в себя функции обеспечения безопасности, подавая команды на отключение преобразователей в результате обнаружения, например, перегрева компонентов генератора GPV. Электронная система управления в соответствии с изобретением может также включать в себя функцию защиты от несанкционированного подключения. Кроме того, электронная система управления в соответствии с изобретением может также передавать данные о рабочем состоянии групп элементов и/или преобразователей в центральный пост управления электрической сетью. Это позволяет облегчить техническое обслуживание фотогальванических генераторов. В частности, оператор, отвечающий за техническое обслуживание, быстрее получает сообщение о нарушении в работе некоторых групп фотогальванических элементов или некоторых генераторов и может предпринять соответствующие меры.

Система управления в соответствии с изобретением может быть полностью или частично включена в фотогальванический генератор.

Согласно возможному варианту выполнения, можно использовать мультипереходные фотогальванические устройства. В этом случае возникает необходимость решения проблемы электрической связи между различными переходами. Мультипереходное фотогальваническое устройство, например устройство с тандемным переходом, представляет собой фотогальваническое устройство, содержащее несколько простых переходов, объединенных таким образом, чтобы увеличить зону поглощения солнечного спектра устройством. Фотогальванические устройства с тандемным переходом позволяют получить наилучший КПД электрического преобразования. Основным недостатком электрической связи в фотогальваническом устройстве с тандемным переходом является необходимость согласования характеристик фотогальванических элементов, образующих тандем, причем независимо от условий освещенности. В реальности этот идеальный случай является недостижимым, так как производство тока в каждом элементе тандема отличается в зависимости от области спектра, где они являются активными, и меняется в зависимости от условий освещенности. В результате происходит внутреннее ограничение фотогальванического устройства с тандемным переходом наиболее слабым из его элементов. Такое ограничение по току существенно снижает теоретический КПД фотогальванического устройства с тандемным переходом. Одним из решений является электрическое разъединение переходов фотогальванического устройства с тандемным переходом. Фотогальванические элементы тандема всегда связаны оптически, но разъединены электрически. При этом каждый переход связан с двумя электрическими электродами; таким образом, получают фотогальваническое устройство с четырьмя электродами (в случае одного тандема). Соединяя преобразователи с каждым (по меньшей мере, с одним) фотогальваническим элементом тандема, система позволяет получить мультипереходное фотогальваническое устройство, работающее с фотогальваническими элементами, разъединенными электрически и оптимально управляемыми, каждый, через систему управления в соответствии с изобретением.

Нижеследующие примеры иллюстрируют изобретение, но ни в коем случае его не ограничивают.

ПРИМЕР

В этом примере сравнивают систему, содержащую три преобразователя CS, применяемую в известных технических решениях с фиксированными порогами в 1/3 и 2/3 пиковой фотогальванической мощности PV, и систему, содержащую три CS, применяемую согласно изобретению.

Выбранный протокол теста для оценки энергетического выигрыша при применении способа в соответствии с изобретением состоит в использовании одного и того же входного источника (солнечный имитатор) и одной и той же многофазной силовой карты (поведение идентичных электрических компонентов). Имитатор позволил применить в обоих случаях одинаковый профиль мощности (например, производство модулем пиковой мощности 85 Вт в течение относительно освещенного дня), тогда как получение точки МРР было реализовано при помощи одинакового привода МРРТ, где отличались только значения Р1 и Р2.

В ходе этого испытания использовали батарею на 24 В, к которой подключили электрическую нагрузку, чтобы постоянно обеспечивать ее номинальное напряжение (24 В). На фиг.6 представлена используемая схема измерения.

При помощи измерительного блока одновременно измеряют ток и напряжение на входе и на выходе преобразователя. Эти значения позволяют определить фотогальваническую мощность PV (PPV), выдаваемую имитатором, и мощность, передаваемую на батарею (PBAT), и, следовательно, КПД преобразователя (PBAT/PPV). Учитывая переменную времени (продолжительность теста в часах), вычисляют количество фотогальванической энергии, произведенной (EPV) и переданной на батарею (EBAT).

Определение порогов Р1 и Р2 при помощи заявленного способа показано на фиг.4. Пороги составляют соответственно 28% и 45%.

Получают следующие результаты, при этом сравниваемый результат соответствует порогам на 1/3 и 2/3 согласно известным решениям.

Энергия PV (Вт·ч) Энергия батареи (Вт·ч) КПД DC-DC(%)
Известное решение 387.4 344 88.8
Изобретение 387.6 346.8 89.5

Во время этого теста обе системы получали приблизительно одинаковое количество энергии на свой входной порт, то есть 387 Вт.ч. Система, в которой пороги были определены при помощи заявленного способа, позволила передать на нагрузку на 2.4 Вт.ч больше, что в конечном итоге выражается выигрышем на уровне КПД преобразования силового каскада в 0.7%.

1. Электронная система управления фотогальваническим генератором, содержащая:
множество n соединенных параллельно статических преобразователей (11, 12, 13), при этом каждый преобразователь (11, 12, 13) соединен электрически, по меньшей мере, с одним фотогальваническим элементом (10) указанного генератора,
причем число подключаемых преобразователей определяется посредством сравнения генерируемой мощности с порогами P1, P2,…, Pn-1, при этом пороги определяются как значения мощности по существу в точке пересечения кривых КПД для возрастающего числа преобразователей.

2. Система по п.1, в которой n равно 3.

3. Система по п.2, в которой первый порог меньше 1/3, предпочтительно составляет от 20 до 33%, предпочтительно от 23 до 32%.

4. Система по п.2, в которой второй порог меньше 2/3, предпочтительно составляет от 35 до 55%, предпочтительно от 40 до 50%.

5. Система по п.1, в которой пороговые значения зависят от оптимального значения напряжения Vopt указанного по меньшей мере одного фотогальванического элемента.

6. Система по п.1, в которой пороговые значения зависят от входного напряжения преобразователей, при этом предпочтительно входное напряжение является оптимальным значением напряжения Vopt указанного по меньшей мере одного фотогальванического элемента.

7. Система по п.5 или 6, в которой пороговые значения зависят от периода года и/или от солнечного освещения.

8. Система по п.1, в которой пороговые значения зависят от коэффициента преобразования преобразователей.

9. Система по п.1, в которой пороговые значения зависят от температуры преобразователей.

10. Система по п.1, в которой пороговые значения зависят от степени старения преобразователей.

11. Система по п.1, в которой пороговые значения определяются и сохраняются в запоминающем устройстве системы управления, при этом применяемые пороговые значения являются изменяемыми в зависимости от измерения параметра фотогальванического генератора.

12. Система по п.1, дополнительно содержащая устройство определения кривой КПД в зависимости от мощности.

13. Система по п.1, в которой преобразователи выполнены с возможностью подключаться поочередно.

14. Система по п.13, в которой смена преобразователей осуществляется во время изменения числа задействованных преобразователей.

15. Система по п.13 или 14, в которой смена преобразователей зависит от состояния компонентов преобразователей.

16. Фотогальванический генератор, содержащий:
по меньшей мере один фотогальванический элемент;
систему управления по любому из пп.1-15.

17. Способ управления фотогальваническим генератором, содержащим:
по меньшей мере один фотогальванический элемент; и
множество n соединенных параллельно статических преобразователей (11, 12, 13), при этом каждый преобразователь (11, 12, 13) соединен электрически по меньшей мере с одним фотогальваническим элементом (10),
включающий этапы, на которых:
определяют мощность, генерируемую указанным по меньшей мере одним фотогальваническим элементом, и сравнивают ее с пиковой мощностью;
осуществляют сравнение с пороговыми значениями P1, P2,…, Pn-1;
при этом пороги определяют как значения мощностей по существу в точке пересечения кривых КПД при возрастающем числе преобразователей для, по меньшей мере, одного фотогальванического элемента;
подключают i преобразователей, если измеренное значение мощности находится в пределах от Pi-1 до Pi, или подключают все преобразователи, если измеренное значение мощности превышает Pn-1.

18. Способ по п.17, в котором:
i-й преобразователь не подключают во время подключения других преобразователей, если подключены не все преобразователи.

19. Способ по п.18, дополнительно содержащий этапы, на которых:
подключают, по меньшей мере, первый преобразователь;
подключают большее число преобразователей;
затем при подключении меньшего числа преобразователей указанный первый преобразователь не подключают.

20. Способ по п.18 или 19, в котором этап смены преобразователей осуществляют, если измеряемое значение мощности меняется между порогами Pi-1 и Pi.

21. Способ по п.18, дополнительно содержащий этапы, на которых:
определяют продолжительность использования и/или число использований каждого преобразователя;
подключают преобразователи, для которых продолжительность использования и/или число использований по существу равны за данный период.

22. Способ по п.18, в котором управляют фотогальваническим генератором по п.16.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Изобретение относится к вторичным источникам электропитания радиоэлектронной аппаратуры в качестве первичного источника солнечной батареи (СБ). .

Группа изобретений относится к области фотоэлектрических генераторов. Технический результат заключается в оптимизации управления энергией, производимой каждой группой фотоэлектрических элементов генератора, с целью наилучшего согласования мощности генератора с потребностями нагрузки и/или эффективной компенсацией отказов и/или колебаний инсоляции, оказывающей воздействие на некоторые элементы. Для этого предложена система электронного управления фотоэлектрическим генератором, содержащая: множество статических микропреобразователей, каждый из которых электрически соединен с одним или несколькими фотоэлектрическими элементами, являющимися частью всей совокупности указанных элементов генератора, по меньшей мере один модуль реконфигурации, предназначенный для переноса потоков энергии от указанных микропреобразователей к нагрузке, центральный электронный процессор, предназначенный для управления изменением потоков энергии, переносимых указанным по меньшей мере одним модулем реконфигурации, и для управления замыканием накоротко или шунтированием по меньшей мере одного микропреобразователя через указанный по меньшей мере один модуль реконфигурации. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях постоянного тока с нелинейными параметрами в альтернативных источниках энергии. Технический результат - повышение количества энергии, отбираемой от солнечной батареи, В способе питания нагрузки от солнечной батареи использован преобразователь повышающего типа, в котором коммутацию ключевых элементов осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, измеряют выходную характеристику преобразователя и формируют управляющий сигнал, эквивалентный коэффициенту заполнения силового ключа. 2 ил.
Наверх