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Bei der Nutzung von photovoltaischen Anlagen stellt der Wirkungsgrad ein wichtiges Kriterium dar. Die Kosten für die Solarzelle (photovoltaischer Generator) stellen den grössten Anteil an den Gesamtkosten dar. Um die Anlage optimal auszunutzen, muss daher versucht werden-wenn von der Last her möglich - die maximal mögliche Leistung (bei vorgegebenen Einstrahlungsverhältnissen) aus den Zellen zu entnehmen.
Aus der Patentliteratur sind Methoden zur maximalen Leistungsentnahme von Solargeneratoren bekannt. So wird in JP 08-123561 A (MEIDENSHA CORP. ) der Sollwert der Spannung so vorgegeben, dass sich der maximale Leistungpunkt ergibt. Betrachtet man jedoch die Figur 2 dieser Patentschrift, so erkennt man, dass sowohl die Eingangsspannung als auch der Eingangsstrom in den Konverter (2) gemessen und anschliessend multipliziert wird. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass mit weniger Messwerten und einem Berechnungsalgorithmus das erforderliche Tastverhältnis gerechnet wird.
In US 4899269 A (ROUZIES) wird ausführlich ein Verfahren zur Auffindung des maximalen Leistungspunkts dargestellt, wobei es sich hier um einen schaltenden Algorithmus handelt, der letzlich zu diesem Punkt konvergiert. Im Gegensatz dazu ist das hier vorgelegte Verfahren prinzipiell eine Steuerung, die je nach der verwendeten Topologie mit wenig Messinformation auskommt und das Tastverhältnis aus einem, für jede Konverterstruktur anderen, Steuergesetz bestimmt.
Bei dem hier vorgeschlagene Verfahren zum Betrieb des Solargenerators stellt der Konverter unabhängig von den Einstrahlungsbedingungen die optimale Belastung dar. Gleichzeitig ist keine zusätzliche Sensorik erforderlich. Die erforderlichen Messwerte können aus Signalen, die für die Überwachung des Konverters benötigt werden bestimmt werden.
Betrachtet man die Spannungs-Strom Kennlinie eines photovoltaischen Generators bei verschiedenen Einstrahlungsverhältnissen und zeichnet jeweils den Verlauf der Leistung, so liegen die Maxima annähernd auf einer Geraden. Verbindet man die Punkte maximaler Leistung auf den Kennlinien der verschiedenen Einstrahlungsverhältnissen, so liegen diese in dem StromSpannungskoordinatensystem auf einer Gerade (dies entspricht einem Widerstand mit Offset) gemäss Vn =1'in +K2, (1) wobei die Formel schon aus Sicht der angeschlossenen Leistungselektronik mit deren Eingangsspannung Von (entspricht der Ausgangsspannung des Solargenerators) und deren Eingangsstrom t, n (entspricht dem Ausgangsstrom des Solargenerators) angeschrieben ist. K1 ist die Steigung und K2 der Durchtrittspunkt durch die Von Achse.
Diese Formel gilt nicht mehr bei geringer Einstrahlung, hier kommt es zu einer Abweichung zu höheren Spannungen.
Belastet man den photovoltaischen Generator mit dieser Kennlinie, so arbeitet der Generator unabhängig von den Strahlungsverhältnissen im optimalen Arbeitspunkt und liefert die maximale Leistung. Die Abweichung bei geringer Einstrahlung ist unbedeutend, da dann sowieso nur eine sehr geringe Leistung zur Verfügung steht.
Durch eine entsprechende elektronische Schaltung soll die Last an den photovoltaischen Generator angepasst werden. Die Last kann z. B. ein Akkumulator (oder mehrere), der geladen werden soll, oder ein Zwischenkreis, von dem mit einem Wechselrichter (oder Drehrichter) in ein Wechsel- (oder Drehstromnetz) gespeist wird, oder eine sonstige Last sein.
Anhand eines Tiefsetzstellers, der zwischen Solargenerator und Zwischenkreis (oder Akkumulator) geschälten wird, soll das erforderliche Steuergesetz berechnet werden. Die Ausgangsspannung eines Tiefsetzers im kontinuierlichen Betrieb berechnet sich mit dem Tastverhältnis a, der Eingangsspannung Von, und der Ausgangsspannung Vout im eingeschwungenen Zustand gemäss Vout = a. Vm (2)
Der Strom am Eingang der Schaltung hängt mit dem Mittelwert des Stromes in der Induktivität IL und daher mit dem Ladestrom toad gemäss /=a-/, =a-/ (3)
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zusammen.
Setzt man diese beiden stationären Beziehungen des Tiefsetzstellers in die gewünschte Belastungskennlinie ein, so erhält man die Beziehung V. =K1. a2 "Load +K2. a (4) und kann damit das erforderliche Steuergesetz für den Tiefsetzsteller in Abhängigkeit der Ausgangsspannung und des Laststroms zu
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bestimmen. Die Koeffizienten K1 und K2 können aus den Daten des Solargenerators bestimmt werden. Wird der Laststrom (Strom durch die Induktivität) gemessen und dient der Tiefsetzer als Ladeschaltung für einen Akkumulator, so erfolgt die Steuerung im eingeschwungenen Zustand durch dieses Steuergesetz. Die Berechnung des Steuergesetzes kann über einen Microcontroller oder durch eine festverdrahtete Schaltung, oder kundensspezifischen IC erfolgen.
Die Stromerfassung in der Spule des Konverters oder im Lastkreis erfolgt durch irgend ein bekanntes Verfahren.
Aus messtechnischen Gründen wird man die Stromerfassung in Serie der Konverterinduktivität legen, da dort der Strom nicht springen kann, oder in die Zuleitung zum Akkumulator bei einem Ladegerät. Wird ein anderer DC/DC Konverter als ein Tiefsetzer verwendet, so muss genauso der
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lichen Belastungskennlinie zu bestimmen. Beim klassischen Boost Konverter ergibt sich z. B.
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mit Ion als Eingangsstrom in den Konverter (beim klassischen Boost Konverter entspricht dieser gleichzeitig dem Strom in der Drossel). Die beiden hier behandelten Beispiele beziehen sich auf den kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Schaltfrequenz.
Ebenso können erforderliche Steuergesetze für den diskontinuierlichen Betrieb und bei variabler Schaltfrequenz hergeleitet werden ; diese sind jedoch umfangreicher und daher schwerer zu realisieren.
Das Tastverhältnis a (Einschaltzeit des aktiven Schalters bezogen auf die Periodendauer) wird man nach oben hin begrenzen (amax < 1), ebenso wird ein softstart des Konverters sinnvoll sein, um Überschwingungen zu vermeiden. Die erforderliche Stromerfassung stellt keinen wesentlichen Zusatzaufwand dar, da sie aus Gründen des Schutzes der Schaltung notwendig ist.
Der Nachteil einer Steuerung, bei der keine Rückmeldung des Systems verarbeitet wird, kann durch einen Kalibrierlauf des Systems ausgeglichen werden, bei dem die optimale Kennlinie bestimmt wird. Temperatureinflüsse können ebenfalls korrigiert werden.
Soll die Ausgangsspannung am Zwischenkreis unabhängig von der Last konstant gehalten werden, so ist eine Regelschleife erforderlich, die auf den Faktor im Steuergesetz wirkt, in dem die Ausgangsspannung aufscheint.
Die aktiven Schalter des Konverters können dabei mit Bipolartransistoren, MOSFETs, IGBTs, MCTs, MCThs, SITs, GTOs, Solid State Relais oder Kombinationen von Halbleiterschaltern realisiert sein und mit Netzwerken zur Reduktion der Schaltverluste versehen sein.
Figur stellt das Strom- Spannungskennlinienfeld bei verschiedenen Einstrahlungsverhältnissen eines photovoltaischen Generators dar, weiters ist die jeweilige Leistungskurve für die 5 verschiedenen Einstrahlungen und die erforderliche Lastkennlinie eingezeichnet, die den Betrieb im optimalen Arbeitspunkt gewährleistet. Figur 2 stellt eine Prinzipskizze dar. Der Solargenerator (1) ist mit dem Eingang des DC/DC Konverters (2) verbunden (Spannung V, n), am Ausgang (Spannung Vout) des DC/DC Konverters (2) ist die Last (3) angeschlossen. Das Steuersignal (4) greift in den Konverter (2) ein und wird durch den Steuersignalgenerator (5) aus der Eingangsspannung (Von), zugeführt über (6), der Ausgangsspannung (Vout), zugeführt über (7) und ein Gleichstromsignal, zugeführt über (8), bestimmt.
Dem Steuersignaigenerator (5) müssen die Koeffizienten der
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Belastungungskurve entsprechend dem Solargenerator zugeführt werden. Diese Skizze soll das grundlegend Konzept andeuten, der Steuersignalgenerator wird natürlich im DC/DC Wandler integriert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Methode zum Betrieb von Solarpaneelen im Punkt maximaler Leistung durch Bestimmung des Tastverhältnisses des/der aktiven Schalter eines DC/DC bzw. DC/AC Konverters unter zu Grundelegung von 2 Messgrössen aus den Grössen Eingangsspannung, Ausgangsspan- nung, Eingangsstrom, Ausgangsstrom, Spulenstrom, Schalterstrom und gewählter Kon- stanten dadurch gekennzeichnet, dass für einen Hochsetzsteller, bzw. Tiefsetzsteller, bzw. beliebigen anderen Konvertern ein linearer Zusammenhang mit Offset zwischen Ein-
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