Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей



Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей
Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей
Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей
Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей

 


Владельцы патента RU 2634590:

Кузнецов Павел Николаевич (RU)

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к получению электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения, и приборостроению. Предложен способ повышения эффективности отбора электрической энергии от параллельно соединенных батарей фотоэлектрических преобразователей, имеющих различные напряжения, или при шунтировании диодом части фотоэлектрических преобразователей вследствие затенения, загрязнения, выхода из строя. Способ заключается в их согласовании посредством последовательного включения в них дополнительного элемента питания с изменяемыми электрическими характеристиками, номинал которых устанавливается из соображения получения максимальной мощности. Электрическая энергия в дополнительный элемент питания подается от этих же батарей фотоэлектрических преобразователей через устройство, обеспечивающее гальваническую развязку, или внешнего источника электрической энергии. Обеспечивается повышение эффективности отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к получению электрической энергии путем прямого преобразования солнечного излучения, и приборостроению, в частности к разработке автоматических систем регулирования максимальной мощности, и может применяться в фотоэлектрических установках для повышения их энергетической эффективности в условиях неравномерного освещения, выходе из строя части фотоэлектрических преобразователей или при параллельном соединении батарей фотоэлектрических преобразователей с различными напряжениями.

Известен способ повышения энергетической эффективности батарей фотоэлектрических преобразователей в условиях частичного затенения, описанный в книге «Справочник по проектированию солнечных батарей», Г. Раушенбах, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г., заключающийся в использовании шунтирующих диодов, включенных параллельно отдельным группам фотоэлектрических преобразователей, образующих фотоэлектрические батареи. Диоды подключают так, чтобы они проводили ток в прямом направлении при приложении обратного напряжения смещения к затененным группам. Обратное напряжение смещения возникает в том случае, если ток, текущий по последовательной цепочке, создает падение напряжения на затененном участке, большее, чем напряжение, вырабатываемое самой группой затененных фотоэлектрических преобразователей. Другими словами, шунтирующие диоды отключают (шунтируют) затененную группу фотоэлектрических преобразователей из последовательной цепи, чтобы она не ограничивала мощность всей цепи.

Недостатками данного способа являются снижение вырабатываемой электрической мощности, или отключение батареи фотоэлектрических преобразователей в случае затенения, загрязнения, выхода из строя одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей при параллельном соединении батарей.

Это происходит из-за того, что при отключении шунтирующими диодами отдельных групп фотоэлектрических преобразователей напряжение на выходе всей батареи, в точке максимальной мощности, становится меньше напряжения других параллельно подключенных батарей. Таким образом, в таком способе отсутствует согласование параллельно соединенных батарей фотоэлектрических преобразователей, что значительно снижает их эффективность.

Известен способ повышения энергетической эффективности батарей фотоэлектрических преобразователей в условиях частичного затенения, описанный в статье «Последовательная фотоэнергетическая система на базе согласующих преобразователей с гальванической изоляцией», Маляренко Е.А., сборник - «Силовая электроника и электроэнергетика №9 (128), 2014 г., заключающийся в применении индивидуальных согласующих устройств, устанавливаемых на выходе каждого последовательно подключенного фотоэлектрического преобразователя.

Недостатками такого способа являются электрические потери в каждом согласующем устройстве даже при отсутствии затенения, относительная дороговизна и, как и в предыдущем случае, отсутствие согласования параллельно соединенных батарей, состоящих из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей.

Известен способ согласования параллельно соединенных батареи фотоэлектрических преобразователей и аккумуляторной батареи, имеющих различные напряжения, описанный в патенте РФ на изобретение 2396666, опубл. 10.08.2010, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в установке стабилизаторов напряжения на выходе каждого параллельно соединенного электрогенерирующего устройства, выполненных в виде мостовых инверторов с общим трансформатором.

Недостатками такого способа являются повышенные массогабаритные характеристики, высокая стоимость, электрические потери. Эти недостатки связаны с тем, что такие регуляторы рассчитаны на напряжение и ток всей батареи фотоэлектрических преобразователей или аккумуляторов, номинал которых на промышленных солнечных электростанциях достаточно велик и составляет 460-820 В и 7-9 А соответственно.

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного, недорогого способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, соединенных параллельно, имеющих отличающееся номинальное напряжение, или при шунтировании диодами части фотоэлектрических преобразователей вследствие затенения, загрязнения, выхода из строя.

Технический результат заключается в повышении эффективности отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, соединенных параллельно с одной или несколькими другими батареями фотоэлектрических преобразователей, имеющих отличающееся номинальное напряжение.

Достигается технический результат за счет того, что способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей включает в себя параллельное соединение фотоэлектрических батарей, преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию, отслеживание точки максимальной мощности и оптимизацию выходной мощности, при этом устанавливается дополнительный элемент питания для согласования батарей фотоэлектрических преобразователей и отбора максимальной мощности с установленными значениями напряжения и тока, соответствующими значению максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей, имеющий гальваническую развязку и получающий электрическую энергию от батарей фотоэлектрических преобразователей.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - структурная схема способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей.

Фиг. 2 - структурная схема способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с электронно-вычислительным устройством.

Фиг. 3 – вольт-амперные характеристики батарей фотоэлектрических преобразователей с большим и меньшим номинальным напряжением.

Фиг. 4 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей.

Фиг. 5 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с контролем тока в отдельных батареях.

Фиг. 6 - функциональная схема реализации способа отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей с контролем тока в общей цепи.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и заключается в том, что для отбора максимальной мощности от батареи 1 фотоэлектрических преобразователей 7 выполняют согласование батарей посредством добавления в каждую из них (нуждающуюся в согласовании) дополнительного элемента питания 2. Напряжение каждого дополнительного элемента питания устанавливают на значение, при котором суммарная мощность фотоэлектрических батарей будет максимальна. Электрическую энергию в дополнительный элемент питания подают из этих же фотоэлектрических батарей, обеспечив гальваническую развязку. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности. После этого электрическую энергию передают напрямую к нагрузке 4 или через преобразователь или аккумулируют.

В качестве варианта исполнения способа, электрическую энергию в дополнительный элемент питания подают от внешнего источника электрической энергии. В таком варианте не требуется обеспечение гальванической развязки на входе дополнительного элемента питания.

В предпочтительном варианте изобретения значение напряжения дополнительного элемента питания устанавливают посредством электронно-вычислительного устройства 5, а цепь батарей содержит датчик тока 6, посредством которого передают мгновенные значения токов батарей в вычислительное устройство (см. фиг. 2).

На фиг. 3 представлен график вольт-амперной характеристики батарей фотоэлектрических преобразователей с большим и меньшим напряжением в точке максимальной мощности, который показывает преимущество предлагаемого изобретения. Из графика видно, что точки максимальной мощности у батарей фотоэлектрических преобразователей (Т1 и Т3) не совпадают, таким образом, эти батареи являются не согласованными. В связи с этим, отбор электрической энергии у батареи, имеющей меньшее напряжение, производится в неоптимальной точке Т2, вследствие чего эта батарея вырабатывает не максимальную электрическую мощность, а мощность, уменьшенную на величину, равную:

ΔP=U1(I1-I2),

где

ΔР - потери электрической мощности;

U1 - напряжение в точке максимальной мощности (T1) батареи с большим номинальным напряжением;

I1 - ток в точке максимальной мощности (T1) батареи с большим номинальным напряжением;

I2 - ток в неоптимальной точке (Т2) батареи с меньшим номинальным напряжением.

Для того чтобы согласовать батареи и произвести отбор электрической энергии от батареи с меньшим номинальным напряжением в точке максимальной мощности (T3), в данном изобретении предлагается в эту батарею включить последовательно дополнительный элемент питания, имеющий номинальное напряжение, равное ΔU, и способный выдавать ток не меньше I1. При этом значение его электрической мощности составит:

Р'=ΔU⋅I1,

где

Р' - мощность дополнительного элемента питания;

ΔU - напряжение дополнительного элемента питания.

Из фиг. 3 видно, что площадь фигуры, ограниченной точками U1, U2, Т3, T1, меньше фигуры T1, Т2, Т2, I1 из-за того, что напряжение U1 значительно больше ΔU, а ток I1 значительно больше I2. Вследствие этого, электрическая мощность дополнительного элемента питания Р' меньше мощности ΔР, теряемой в батареи с меньшим номинальным напряжением.

Из этого следует, что при отборе электрической энергии данным способом можно получить ее большее количество в случае, когда одна из батарей становится не согласованной с остальными из-за шунтирования диодами части фотоэлектрических преобразователей вследствие затенения, загрязнения, выхода из строя одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей или при использовании батарей фотоэлектрических преобразователей с разными номинальными напряжениями.

Далее приведены примеры осуществления изобретения.

На основании фиг. 4 поясняется первый пример осуществления изобретения.

В батарею 1, состоящую из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей 7, нуждающуюся в согласовании с другими параллельно подключенными батареями 8, устанавливают дополнительный элемент питания 2 со значением тока, равным значению тока в точке максимальной мощности батареи 1, нуждающейся в согласовании, и значением напряжения, равным разности напряжений между другими параллельно подключенными батареями 8 и батареей 1, нуждающейся в согласовании в точках максимальной мощности. Электрическую энергию в элемент питания подают от батареи фотоэлектрических преобразователей через устройство, обеспечивающее гальваническую развязку 9. Отслеживание точки максимальной мощности всех параллельно включенных батарей фотоэлектрических преобразователей и ее оптимизацию производят при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности.

На основании фиг. 5 поясняется второй пример осуществления изобретения.

В батарею 1, состоящую из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей 7, устанавливают дополнительный элемент питания 2 со способностью выдачи тока не меньше максимального, вырабатываемого фотоэлектрическим преобразователем, и с изменяемым значением напряжения, значения которого устанавливают при помощи электронного вычислительного устройства 5. Параллельно дополнительному элементу питания устанавливают обратно включенный диод 10 для его отключения (шунтирования) при отсутствии необходимости в согласовании батарей, или выходе его из строя. Электрическую энергию в элемент питания подают от батареи фотоэлектрических преобразователей через устройство, обеспечивающее гальваническую развязку 9, или от внешнего источника электрической энергии, например электрической сети, предварительно заряженного аккумулятора и т.д. В цепь этой же батареи и любой другой (соединенной параллельной к ней) устанавливают датчики тока 6 (резистивные, на эффекте Холла, или другие, измеряющие постоянный ток), посредством которых передают мгновенные значения токов батарей в вычислительное устройство. В вычислительном устройстве отслеживают разницу мгновенных показаний датчиков и, в случае ее изменения, подают управляющий сигнал от вычислительного устройства в установленный элемент питания, соответствующий постепенному повышению напряжения на элементе питания. Данную операцию производят до тех пор, пока значение разницы токов в батареях не примет минимальное значение, или ток в батарее, нуждающейся в согласовании, не достигнет своего максимального значения при неизменном токе в другом ряде. После этого продолжают производить контроль за разницей значений токов в батареях и, в случае ее изменения, обнуляют значение напряжения в элементе питания, и операцию производят сначала. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности всех параллельно соединенных батарей фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности 3.

На основании фиг. 6 поясняется третий пример осуществления изобретения.

В общую цепь батарей фотоэлектрических преобразователей устанавливают только один датчик тока 6. Затем, при помощи электронного вычислительного устройства 5, изменяют значение напряжения на дополнительном элементе питания 2, установленном последовательно в цепь батареи 1 фотоэлектрического преобразователя, нуждающейся в согласовании. В это же время, посредством датчика тока измеряют значение тока в общей цепи и передают его в электронное вычислительное устройство. Данную операцию производят до тех пор, пока значение тока не примет максимальное значение. После этого производят, при помощи электронного вычислительного устройства, контроль за значением тока и, в случае его изменения, обнуляют значение напряжения в элементе питания, и операцию производят сначала. Одновременно с этим отслеживают точку максимальной мощности всех параллельно включенных батарей фотоэлектрических преобразователей и выполняют ее оптимизацию при помощи устройства 3 отбора максимальной мощности.

1. Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, включающий в себя параллельное соединение фотоэлектрических батарей, преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию, отслеживание точки максимальной мощности и оптимизацию выходной мощности, отличающийся тем, что устанавливается дополнительный элемент питания для согласования батарей фотоэлектрических преобразователей и отбора максимальной мощности с установленными значениями напряжения и тока, соответствующими значению максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей, имеющий гальваническую развязку и получающий электрическую энергию от батарей фотоэлектрических преобразователей.

2. Способ отбора электрической энергии от батарей фотоэлектрических преобразователей, включающий в себя параллельное соединение фотоэлектрических батарей, преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию, отслеживание точки максимальной мощности и оптимизацию выходной мощности, отличающийся тем, что устанавливается дополнительный элемент питания для согласования батарей фотоэлектрических преобразователей и отбора максимальной мощности с установленными значениями напряжения и тока, соответствующими значению максимальной мощности фотоэлектрических преобразователей, в который подают электрическую энергию от внешнего источника электрической энергии.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что напряжение дополнительного элемента питания устанавливают посредством электронно-вычислительного устройства.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что напряжение дополнительного элемента питания устанавливают вручную.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что напряжение дополнительного элемента питания устанавливают на основании показаний датчиков тока, установленных в батареи фотоэлектрических преобразователей.

6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что напряжение дополнительного элемента питания устанавливают на основании показаний датчика тока, установленного в общую цепь батарей фотоэлектрических преобразователей.

7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют батареи фотоэлектрических преобразователей с разным номинальным напряжением.

8. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что часть фотоэлектрических преобразователей шунтируют диодами вследствие их затенения, загрязнения, выхода из строя.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники в системах электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА). Технический результат - обеспечение штатного отключения сеансной нагрузки при нештатной ситуации.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и живучести систем электропитания и уменьшение вероятности возникновения аварийных ситуаций.

Использование: в области электротехники для электроснабжения космических аппаратов от первичных источников разной мощности. Технический результат - повышение надежности электроснабжения.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения электропитания космических аппаратов (КА) и станций. Технический результат - использование системы терморегулирования для получения дополнительной энергии.

Изобретение относится к области электротехники. Автономная система электропитания содержит солнечную батарею, накопитель электроэнергии, зарядно-разрядное устройство и нагрузку, состоящую из одного или нескольких стабилизаторов напряжения с подключенными к их выходам конечными потребителями электроэнергии.

Устройство для передачи энергии автономному подводному аппарату содержит источник энергии на борту судна-носителя, кабель-трос, герметичный светодиодный излучатель высокой интенсивности, герметичную светоприемную панель.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение удельных энергетических характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ. Предлагается способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом разрядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего число аккумуляторов Nакк в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин, где Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи каждой аккумуляторной батареи; Uн - напряжение на выходе автономной системы электропитания, В; Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В, зарядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:Uрт>Uакк.макс·Nакк+1, где Uрт - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В; Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В, при этом рассчитанное число аккумуляторов Nакк дополнительно увеличивают исходя из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин+Nотказ, где Nотказ - число допустимого отказа аккумуляторов, а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания преимущественно связных космических аппаратов (КА).

Электросамолет содержит фюзеляж, крылья, двигатели, оперение и шасси. На фюзеляже и крыльях установлены солнечные батареи, соединенные с аккумуляторами и двигателями.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током.

Изобретение относится к солнечной энергетике и предназначено для для ориентации по Солнцу источников гелиоэнергетики и других источников электромагнитного излучения (ЭМИ).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях постоянного тока с нелинейными параметрами в альтернативных источниках энергии.

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.

Группа изобретений относится к области фотогальванических генераторов. Технический результат заключается в повышении КПД преобразования генератора.

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). .

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и живучести функционирования системы электропитания (СЭП). Способ управления системой электропитания космического аппарата (КА) повышенной живучести, содержащей фотоэлектрическую батарею (БФ), n аккумуляторных батарей (АБ) и по n зарядных и разрядных устройств, заключается в том, что управляют зарядными и разрядными устройствами в зависимости от освещенности БФ, степени заряженности всех АБ, входного и выходного напряжения СЭП; вводят запрет на работу соответствующего зарядного устройства при достижении максимального уровня заряженности данной АБ и снимают этот запрет при снижении уровня заряженности данной АБ; вводят запрет на работу соответствующего разрядного устройства при достижении установленного минимального уровня заряженности данной АБ и снимают этот запрет при повышении уровня заряженности данной АБ; формируют управляющий сигнал в бортовой комплекс управления КА для отключения части бортовой аппаратуры при аварийном разряде нескольких m (m≤n) АБ до минимального уровня заряженности; запрещают работу всех разрядных устройств, если выходное напряжение СЭП снижается до заданного порогового значения; производят сброс запоминания управляющего сигнала по запрету всех разрядных устройств после заряда всех АБ до заданного уровня заряженности. При этом для связи с бортовой вычислительной системой (БВС), осуществляемой по дублированному магистральному последовательному интерфейсу (мультиплексному каналу обмена), в качестве устройства интерфейса используют оконечное устройство (ОУ) с контроллером. Каждое зарядно-разрядное устройство (ЗРУm) оснащают основным (ОУi-m) и резервным (ОУj-m) оконечными устройствами. С заданной периодичностью опрашивают параметры (массивы) СЭП и идентифицируют отказ (работоспособность) каждого ОУi-m. В качестве критерия отказа ОУ принимают факт появления ошибки обмена. После идентификации отказа ОУi-m в каком-либо ЗРУm программно перезагружают ОУi-m, при этом перезагрузку ОУ выполняют путем перехода на резервное ОУj-m с последующим возвратом на основное ОУi-m. Повторяют последовательность данных операций, в случае парирования отказа ОУi-m обмен продолжают с использованием ОУi-m, в случае повторной идентификации отказа ОУi-m осуществляют программно переход на резервное оконечное устройство ОУj-m, используя соответствующую КУ, последовательность функционирования ОУj-m выбирают аналогичной последовательности функционирования ОУi-m, возврат с ОУj-m на ОУi-m при необходимости выполняют по разовой команде с наземного комплекса управления. 2 ил.
Наверх