Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии

Изобретение относится к области электротехники, в частности преобразованию солнечной энергии. Технической результат изобретения заключается в повышении эксплуатационных характеристик устройства за счет повышения быстродействия поиска оптимальной рабочей точки. Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии содержит фотоэлектрический преобразователь с клеммами для подключения, силовой ключ, диод и нагрузку, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключены анод диода, отличающееся тем, что вход силового ключа подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя, отрицательный вход которого и выход силового ключа соединены с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя, кроме того, выход тактирующего генератора подключен к управляющим входам силового ключа и запоминающего устройства, выход датчика тока соединен с информационным входом запоминающего устройства и входом формирователя ошибки, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход формирователя ошибки соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано как автономный источник электропитания и, в частности, для заряда тяговых батарей электромобиля.

Известны способ и устройство эксплуатации аккумуляторных батарей (см. Патент США № US 9436201 В1, заявитель KARMSOLAR, опубл. 06.09.2016), поддержания фотоэлектрического источника питания в точке максимальной мощности.

Недостатками известного устройства является относительно низкое быстродействие поиска оптимальной рабочей точки, высокие требования к необходимой избыточности по напряжению солнечной батареи и схемотехническая сложность реализации.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является патент РФ №2211480 С1 «Устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи», заявитель Федеральный научно-производственный центр Закрытое акционерное общество "Научно-производственный концерн (объединение) "Энергия", опубл. 27.08.2003, Бюл. ФИПС №24.

Фотоэлектрическое устройство содержит в силовом модуле разделительный диод и конденсатор. Первичные обмотки силового трансформатора через силовые транзисторы соединены с общей шиной. Точка соединения первичных обмоток подключена к аноду разделительного диода. Вторичные обмотки силового трансформатора через выпрямительные диоды и дроссель подключены к нагрузке. Нагрузка через вольтодобавочный конденсатор подключена к точке соединения вторичных обмоток силового трансформатора. Схема управления силовыми транзисторами формирует управляющие сигналы с помощью широтно-импульсного регулятора, сравнения напряжения с резистивных делителей силового модуля с сигналами установки напряжения вольтодобавки, опорного напряжения нагрузки и сигнала включения вольтодобавки.

Недостатками устройства - прототипа являются низкое быстродействие поиска оптимальной рабочей точки, высокие требования к необходимой избыточности по напряжению солнечной батареи и схемотехническая сложность реализации.

Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение эксплуатационных характеристик устройства преобразования солнечной энергии.

При этом достигаются технические результаты, заключающиеся в повышении быстродействия поиска оптимальной рабочей точки, расширении функциональных возможностей и упрощение схемы реализации, обеспечиваемые предлагаемым устройством.

DC-to-DC (DC-DC) converter - преобразователь постоянного тока.

Указанная техническая задача решается тем, что фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии, содержит фотоэлектрический преобразователь с клеммами для подключения, силовой ключ, диод и нагрузку, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключены анод диода, причем вход силового ключа подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя, отрицательный вход которого и выход силового ключа соединены с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя, кроме того, выход тактирующего генератора подключен к управляющим входам силового ключа и запоминающего устройства, выход датчика тока соединен с информационным входом запоминающего устройства и входом формирователя ошибки, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход формирователя ошибки соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка.

Суть работы предлагаемого устройства, позволяющая достичь указанных технических результатов, заключается в его работе в нижеследующем виде.

Так как техническим результатом изобретения являются повышение быстродействия поиска оптимальной рабочей точки, и как следствие - расширение функциональных возможностей и упрощение схемы реализации, то следующая последовательность работы, указанной необходимой и достаточной совокупности составляющих его элементов, позволяет этого достичь.

Так как планируемое использование предлагаемого устройства -электротранспорт, т.е. как элемент питания электромобиля, положение которого при его движении меняет свою ориентацию относительно солнца и периодически затеняется придорожными объектами. При этом освещенность фотоэлектрического преобразователя из-за умеренных и резких теней, в зоне которых фактически отключаются отдельные ячейки солнечной батареи, меняются с большой скоростью. Если учесть, что время расчета экстремума в существующих системах МРРТ (максимальная возможная мощность на выходе (maximum power point tracking)) может достигать нескольких секунд, то в движении эти системы не будут успевать отслеживать изменения условий освещенности. В предлагаемом устройстве оптимизация энергоотдачи фотоэлектрического преобразователя осуществляется измерением тока короткого замывания и запоминанием его значения до следующего измерения. Рассмотрение вольтамперных характеристик фотоэлектрических преобразователей разных типов показывает, что оптимальная величина токосъема составляет 0.9-0.97 от величины тока короткого замыкания. И установка этого коэффициента по результатам отладочных испытаний приводит к возрастанию потерь при энергосъеме не более 5% относительно максимально возможной величины. Необходимо отметить, что система МРРТ при условиях быстрой смены освещенности даст большую величину потерь энергосъема. В предлагаемом решении необходимые измерения тока короткого замыкания осуществляются в течении 2-5 мксек и обновление информации о величине тока короткого замыкания можно проводит с частотой не менее 1 кГц. Далее, сигнал величины тока короткого замыкания, взятый с соответствующим коэффициентом, сравнивается с сигналом текущего значения отдаваемого солнечной батареей тока и, сформированная ошибка определяет точку отключения процесса накапливания энергии в обратноходовом DC-DC преобразователе, регулируя таким образом токоотдачу солнечной батареи на уровне близком к максимальному.

Выбор обратноходового DC-DC преобразователя определяется тем, что в сравнении с ШИМ (широтноимпульсным) преобразователем он позволяет формировать выходное напряжение, превышающее по своему уровню входное. Это обеспечивает работоспособность устройства при снижении напряжения в результате повышения температуры панелей солнечной батареи, ее деградации, резких тенях и других причинах.

Предложение поясняется чертежами.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1.

На этой схеме введены следующие обозначения:

1 - солнечная батарея;

«+», «-» - клеммы положительного и отрицательного выходов солнечной батареи;

2 - силовой ключ;

3 - нагрузка;

4 - DC-DC преобразователь;

5 - датчик тока;

6 - тактирующий генератор;

7 - запоминающее устройство;

8 - формирователь ошибки.

Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии (см. фиг 1) содержит клеммы + и - для подключения фотоэлектрического преобразователя 1, силовой ключ 2, диод D, и нагрузку 3, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключены силовой ключ 2 и анод диода D, при этом вход силового ключа 2 подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя 1, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя 4, отрицательный вход которого и выход силового ключа 2 соединены с первым выводом датчика тока 5, второй вывод датчика тока 5 подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя 1, кроме того, выход тактирующего генератора 6 подключен к управляющим входам силового ключа 2 и запоминающего устройства 7, выход датчика тока 5 соединен с информационным входом запоминающего устройства 7 и входом формирователя ошибки 8, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 7, а выход формирователя ошибки 8 соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка.

Устройство работает следующим образом.

Тактирующий генератор 6 формирует импульсы с частотой не менее 1 кГц и длительностью порядка 2-5 мксек. Эти импульсы открывают силовой ключ 2, через который начинает протекать ток короткого замыкания, фиксируемый датчиком тока 5. Также тактирующий генератор 6 подает команду запоминающему устройству 7 на запись текущего значения этого тока с коэффициентом 0.9-0.97 (подбирается при проведении отладочных испытаний). Диод D служит для исключения разряда входного конденсатора C1 DC-DC преобразователя 4 через силовой ключ 2. Выходные сигналы с запоминающего устройства 7 и датчика тока 5 поступают на соответствующие входы формирователя ошибки 8, представляющего собой пропорциональный или пропорционально - интегральный регулятор, где формируется сигнал ошибки, поступающий на вход управляющего усилителя К DC-DC преобразователя 4. В случае превышения величины сигнала с запоминающего устройства 7 величины сигнала с датчика тока 5, сигнал ошибки через управляющий усилитель К открывает силовой ключ СК. Начинается процесс заряда дросселя L. Ток, контролируемый датчиком тока ДТ2, возрастает и в момент равенства его величины и величины сигнала ошибки сигнал на выходе управляющего усилителя К меняет знак, силовой ключ СК запирается и дроссель L разряжаясь, заряжает конденсатор СЗ, напряжение с которого подается на нагрузку 3. Диод D2 и конденсатор С2 служат для фиксации времени разряда дросселя L.

Фотоэлектрическое устройство преобразования солнечной энергии, содержащее фотоэлектрический преобразователь с клеммами для подключения, силовой ключ, диод и нагрузку, при этом к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя подключен анод диода, отличающееся тем, что вход силового ключа подключен к положительной клемме фотоэлектрического преобразователя, а к катоду диода подключен положительный вход DC-DC преобразователя, отрицательный вход которого и выход силового ключа соединены с первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока подключен к отрицательной клемме фотоэлектрического преобразователя, кроме того, выход тактирующего генератора подключен к управляющим входам силового ключа и запоминающего устройства, выход датчика тока соединен с информационным входом запоминающего устройства и входом формирователя ошибки, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, а выход формирователя ошибки соединен с управляющим входом DC-DC преобразователя, к выходам которого подключается нагрузка.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат - регулирование параллельной работы трансформаторов в случае сбоя связи между измерительными/управляющими устройствами и переключателями ступеней, соотнесенными с трансформаторами, что предотвращает риск возникновения слишком высоких контурных реактивных токов, которые приводят к мощности потерь.

Использование: в области электроэнергетики для управлении режимами работы синхронных электрических генераторов. Технический результат – повышение качества и надежности противоаварийного управления режимом параллельной работы синхронных генераторов и делительной автоматики.

Использование: в области электроэнергетики для автоматической частотной разгрузки энергорайона при возникновении аварийного дефицита мощности. Технический результат - повышение оперативности, точности и надежности способа автоматической частотной разгрузки энергорайона.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в оптимизации работы генераторов.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - предотвращение возникновения недопустимых динамических моментов на валах синхронных генераторов и асинхронных режимов при их параллельной работе, снижение отключаемых токов короткого замыкания, снижение величин мощностей отключаемых нагрузок, генераторов, снижение потребности в телеметрической информации.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным источникам напряжения постоянного тока. Технический результат - повышение точности стабилизации выходного напряжения на общей нагрузке.

Использование – в области электротехники. Технический результат - повышение надежности защиты ЭЭС с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА) от перегрузки при выходе одного или нескольких ГА из строя.

Группа изобретений относится к подаче электроэнергии к вспомогательному оборудованию транспортных средств. Способ снабжения электрических потребителей (3, 31, 32) транспортного средства электрической энергией с помощью вспомогательных преобразователей (1, 11, 12) заключается в том, что вспомогательные преобразователи приводятся в действие с синхронизацией по основной волне и импульсной синхронизацией.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при разработке энергетических систем судов, а также других автономных объектов, где применяются малогабаритные турбогенераторные агрегаты с высокой частотой вращения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных установках с силовыми трансформаторами, работающих с большими колебаниями нагрузки во времени, когда снижение потерь холостого хода имеет большое значение.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в возможности поддержания непрерывности электропитания системы генератора ветряной турбины, соединенной с электрической сетью посредством преобразователя переменного тока (АС-АС) в условиях низкого напряжения в сети, когда никакая мощность не генерируется генератором ветряной турбины.

Использование: в области электротехники для мониторинга и управления электрическими устройствами. Технический результат – возможность мониторинга и управления электрическими устройствами при соединении их между собой одним кабелем.

Использование: в области электротехники. Технический результат - увеличение скорости и точности формирования сигналов регулирования с целью выполнения динамической компенсации искажения напряжения на нагрузке.

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно к измерению токов и напряжений при испытаниях и проверке источников бесперебойного питания, и может быть использовано в испытательных стендах космических аппаратов.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы электроснабжения, в частности в обеспечении оптимального режима эксплуатации различных типов аккумуляторных батарей, достигается тем, что система электроснабжения транспортной машины содержит: аккумуляторную батарею, генератор, сеть питания, регулятор напряжения, в состав которого входят формирователь первого опорного сигнала, первое измерительное звено, первое звено сравнения и исполнительный элемент, связанный с обмоткой возбуждения генератора, средства контроля состояния аккумуляторной батареи, формирователь второго опорного сигнала, второе измерительное звено, второе звено сравнения и разъемное соединение, при этом на неинвертирующий вход второго звена сравнения подан второй опорный сигнал, а на инвертирующий вход - сигнал с выхода второго измерительного звена, подключенного к сети питания, также формирователь первого опорного сигнала снабжен корректирующим входом и выполнен так, что величина первого опорного сигнала является нарастающей функцией от величины сигнала на корректирующем входе, который выполнен с возможностью подключения к выходу второго звена сравнения через разъемное соединение.

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение несимметрии фазных напряжений сети относительно сети и повышение надежности электрооборудования.

Настоящее изобретение в целом относится к вращающимся электромеханическим системам, в частности к компьютеризированным средствам защиты вращающихся электромеханических систем от повреждений, вызванных механической перегрузкой.

Использование: в области электротехники. Технический результат – предотвращение одновременного перехода нескольких инверторных электрических станций в режим пассивного управления в состоянии секционирования.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в возможности аналоговой токовой петли обеспечивать компонент устройства вторичным рабочим напряжением, полученным от аналоговой токовой петли в отсутствие источника первичного рабочего напряжения.

Изобретение относится к областям электротехники и электроэнергетики и может быть применено на тепловых электростанциях с паротурбинным циклом Ренкина (например, конденсационные электростанции - КЭС), с газотурбинным циклом Брайтона (например, электростанции с газотурбинными установками - ПТУ, на парогазовых электростанциях - ПТУ), использующих газовое топливо, например, традиционный природный газ.

Cистема, использующая энергию солнца для генерирования энергии, включает в себя фотоэлектрический модуль, преобразователь энергии и устройство управления. Преобразователь энергии сконфигурирован, чтобы управлять выходным напряжением фотоэлектрического модуля так, чтобы выходное напряжение соответствовало целевому выходному напряжению.
Наверх