DE4325436C2 - Schaltungsanordnung zur MPP-Regelung photovoltaischer Solaranlagen und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Maximum-Power-Point-Regelung (MPP-Regelung) photovoltaischer Solaranlagen.

Die MPP-Regelung ist ein bekanntes Verfahren, um aus einer Solarzelle die maximal mögli­ che elektrische Energie entnehmen zu können. Einstrahlung und Zellentemperatur bestim­ men den möglichen MPP. Die Hersteller der Solarzellen liefern für jeden Zellentyp entspre­ chende Kennlinienscharen. Herkömmliche MPP-Regler arbeiten u. a. in der Weise, daß die Solarzelle mit einer Grundfrequenz von einigen Kilohertz getaktet belastet wird und das Verhältnis von Einschaltzeit zu Pausenzeit so gewählt wird, daß es den optimalen Lastwi­ derstand realisiert, um ein Maximum an Leistung entnehmen zu können. Die der Solarzelle auf diese Weise entnommene Energie wird über einen DC/DC-Wandler, dessen Eingang in der oben beschriebenen Weise getaktet wird, auf das für die Gesamtanlage gewünschte Spannungsniveau gebracht und treibt einen Verbraucher bzw. lädt eine Batterie. Zur Er­ mittlung des MPP ist es bekannt, mit einem beliebigen Tastverhältnis zu beginnen, den Lei­ stungswert zu speichern, das Tastverhältnis zu ändern und mit einem vorgegeben Wert zu vergleichen. Entsprechend dem Ergebnis wird das Tastverhältnis erneut geändert und das Verfahren wiederholt. Außerdem ist es bekannt, mit Hilfe eines Sensors, der der gleichen Strahlung wie der Solargenerator ausgesetzt ist, den optimalen Eingangswiderstand des Gleichspannungswandlers zu errechnen und einzustellen. Das Meßergebnis des Sensors wird aber aufgrund der elektrischen Belastung des Arbeitsfeldes und dessen thermischen Eigenschaften nicht mit den tatsächlichen Werten übereinstimmen.

Im US-Patent Nr. 4 620 140 ist ebenfalls ein Verfahren zur MPP-Regelung beschrieben. Dabei wird das Laststromsignal von einer Operationseinheit berechnet, wozu eine Kurz­ schlußstrommessung und eine Leerlaufspannungsmessung durchgeführt wird. Mittels einer Steuerung wird ein Steuersignal abgegeben, das den dynamischen Lastwiderstand einstellt und damit dem Solarmodul die maximale Leistung entnehmen soll.

In EP 0 206 253 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer elektrischen Last aus einem Solargenerator beschrieben, mit der eine Batterie aus einem Solargenerator gespeist wird.

Ein Nachteil besteht darin, daß die zur Ermittlung des MPP notwendige Elektronik relativ aufwendig und nach bisheriger Praxis nicht immer zuverlässig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und die dazu gehörige Schaltungsanordnung für einen möglichst optimalen Betrieb photovoltaischer Solaranlagen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind besonders günstige Ausgestaltungen des Verfahrens und die Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Es wird eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS) eingesetzt, in der die Kennlinien­ scharen der Solarmodule gespeichert werden. Durch ein Steuersignal der SPS schließt ein Schalter, z. B. ein FET, den Modul kurz. Der gemessene Kurzschlußstrom ist ein Maß für die eingestrahlte Leistung. Im anschließenden Meßtakt wird das Modul von der Last getrennt. Dieser Takt kann auch identisch mit der oben beschriebenen Pausenzeit zur Einstellung des dynamischen Lastwiderstandes sein. Auf diese Weise wird über die Leerlaufspannung die Modultemperatur ermittelt. Vorteilhaft gegenüber einer Pilotzelle ist hierbei, daß die durch die anliegende Last hervorgerufene Eigenerwärmung hierdurch mit erfaßt wird. Mit­ tels der beiden Meßwerte kann die SPS durch Vergleich mit dem im Speicher abgelegten Kennlinienfeld den optimalen Lastwiderstand errechnen und den dem Solarfeld nachge­ schalteten DC/DC-Wandler über ein binäres oder analoges Signal auf das Leistungsmaxi­ mum regeln.

An folgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt das Schaltschema zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein Solarmodul 1 ist über einen Schalter 4 (im Beispiel ein FET) mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Dem Wandler 5 ist als Last eine Batterie 6 nachgeschaltet. Über einen weiteren Schalter 3 (im Beispiel ein FET) kann das Modul 1 über einen Meßwiderstand 2 kurzge­ schlossen werden. Eine frei programmierbare Steuerung 7 (SPS) steuert entsprechend dem vorgegebenen Programm die Schalter 3 und 4. Dabei mißt sie bei geschlossenen Schalter 3 den einstrahlungsproportionalen Kurzschlußstrom des Moduls in Form eines Spannungssignals über dem Meßwiderstand 2. Der dazugehörige Meßeingang ist E1. Sind programmbedingt die Schalter 3 und 4 geöffnet, so mißt die SPS über ihren Eingang E2 die temperaturproportionale Leerlaufspannung des Moduls. Nunmehr kann die SPS durch Kennlinienvergleich den optimalen Lastwiderstand ermitteln und über den Ausgang A3 den DC/DC-Wandler 5 entsprechend ansteuern. Die Ansteuerung der Schalter 3 und 4 erfolgt über die Ausgänge A1 und A2 der SPS.

Claims (7)

1. Verfahren zur Maximum-Power-Point-Regelung (MPP-Regelung) photovoltaischer So­ laranlagen durch Kurzschlußstrommessung, Leerlaufspannungsmessung und Kennlini­ envergleich und wobei mittels eines von einer Speicher-Programmierbaren-Steuerung (SPS) abgegebenen Steuersignals der dynamische Lastwiderstand der Last durch Im­ pulsbreitenmodulation entsprechend eingestellt wird und damit dem Solarmodul die ma­ ximale Leistung entnommen wird, wobei die SPS für den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ein hochfrequentes Signal mit variablem Tastverhältnis entsprechend dem dynamisch optimalen Lastwiderstand zur direkten Ansteuerung eines Schalters zur Laderegelung einer Batterie zur Verfügung stellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Vermeidung von Verlusten die Meßzeit extrem klein, vorzugsweise im Minutentakt jeweils für z. B. 10 ms, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die SPS außer der MPP-Regelung die Laststeuerung der Batterie übernimmt und diese damit vor Über- bzw. Tiefentladung schützt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein im Kurzschlußbetrieb belastbarer Strahlungssen­ sor wie der Solarmodul getaktet wird, um gleiche Betriebsbedingungen zu erreichen.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Solarmodule (1) über Schalter (4) mit einem DC/DC-Wandler (5) verbunden sind und dem DC/DC-Wandler (5) eine Batterie (6) nachgeschaltet ist und die Solarmodule (1) mit einem Schalter (3) und über einen Meßwiderstand (2) kurzgeschlossen werden und zwi­ schen den Schaltern (3 und 4) und dem DC/DC-Wandler (5) eine SPS (7) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der der Schalter (4) in den DC/DC-Wandler (5) integriert ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der der Meßwiderstand (2) durch einen Hall­ sensor ersetzt ist.