DE2903559A1

DE2903559A1 - Solargenerator-leistungsadapter

Info

Publication number: DE2903559A1
Application number: DE19792903559
Authority: DE
Inventors: Eckhard Kienscherf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1980-12-18

Description

BESCHREIBUNG
Solargenerator-Leistungsadapter Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung die es ermöglicht, einen photovoltaischen Solargenerator zur optimalen Ausnutzung seiner verfügbaren Leistung jeweils im Punkt maximaler elektrischer Leistung seiner beleuchtungs- und temperarurabhängigen Spannungs- und Stromkennlinie zu betreiben.
Elektrische Energieversorgungsanlagen auf der Grundlage von Solarenergie stellen neben ihrem klassischen Anwendungsgebiet in der Raumfahrttechnik eilen rasch wachsenden Anteil bei der Ucreitstellung von elektrischer Energie für eine sehr breite skala von terrestrischen Anwendungsfällen. Aus wirtschaftlichen Erwägungen ist es bei den verhältnismäßig hohen Anschaffungskosten für Solzargeneatoren besonders wichtig, ihre zur Verfiigung stehende elektrische Leistung durch automatische Anpassung von Last und Solargenerator den ständig wechselnden Betriebszuständen entsprechend zu maxiniieren.
Die für eine beliebige Beleuchtungsstärke und Temperatur gültige Spannungs-Stromkenn)inie einer photovoltaischen Zelle und somit auch eines durch Serien- und Parallelschaltung derartiger Zellen aufgebauten Solargenerators ist, wie Fig. 1 zeigt, durch einen Punkt Aopt gekennzeichnet, in dem das Produkt aus Spannung und Strom, die abgegebene elektrische Leistung, ein Maximum erreicht. Die Leistung nimmt mit wachsendem Abstand von diesem Punkt entlang der Kennlinie stark ab. Von Solargeneratoren betriebene elektrische Systeme sind im allgemeinen derart ausgelegt, daß ein Betriebszustand gewählt wird, bei dem die Lastkennlinie die Solargeneratorkennlinie möglichst im Punkt Aopt schneidet. Das geligt ohne Hilfsmaßnahmen nur bei konstanten Verhältnissen auf der Last- und Generatorseite. Wie in Fig. 2 dargestellt ergibt sich bei verminderter Beleuchtungsintensität aber unveränderter Last ein Arbeitspunkt auf der Kennlinie redu$ierter Leistung, der nicht mehr im Bereich optimaler Leistungsabgabe liegt. Entsprechendes gilt, wenn bei konstanter Beleuchtung die Last sich verändert. Bin solches System arbeitet dann uneffektiv.
Systeme, die eine Optimierung der Leistungsabgabe von Solargeneratoren durch Regeleinrichtungen bewirken, sind für die Raumfahrttechnik schon entwickelt worden.
ln [1] ist ein Leistungsmaximum-Verfolger für einen Satelliten-Solargenerator beschrieben, dessen Wirkungsweise darauf beruht, daß der Arbeitspunkt stsindig zwischen zwei Punkten auf der Spannungs-Stromkennlinie des Solargenerators im Bereich maximaler Leistung pendelt, wobei die beiden Punkte hinsichtlich Spannung und Strom sich um einen gleichen faktor unterscheiden. Da diese Bedingung bei Solargeneratorkennlinien nur im Bereich maximaler Leistung erfüllt wird, ist durch geeignete Spannungs- und Stromerfassung, Vorgabe des Iiaktors, Vergleich von Istwerten von Spannung und Strom mit den gespeicherten werten vom letzten Umkehrpunkt und schließlich durch eine entsprechende Aufbereitung der Signale zur Steuerung der Eingangsimpedanz über 1>ulsbreitenmodulation des zwischen Solargenerator und Last liegenden Gleichspannungswandlers die gewsJnschte automatische optimale Leistungsanpassung erzielt. Der Aufwand für ein derartiges System ist jedoch erheblich und daher vor allem für terrestrische Solargenertor-Stromver sorgungssysteme meistens nicht wirtschaftlich. Die Komplexität des Systems verringert auch erheblich seine Zuverlässigkeit.
Eine häufiger anzutreffende Methode, die Leistungsabgabe eines Solargenerators zu optimieren, ist die Paralfelschaltung von J>ufferbat terien. 1tie Nennspannung dieser Batterien wird so gewählt, daß in den wichtigsten Betriebzuständen des Systems die Spannung im Bereich hoher Solargeneratorleistung liegt. wegen der den Lade-und Entladezustand entsprechenden unterschiedlichen Batteriespannungen, sowie der Temperaturabhängigkeit der Spannung im Punkt maximaler Leistung beim Solargenerator gelingt eine Leistungsoptimierung nur unvollständig. Für ein derartiges Stromversorgungssystem sind außer den Pufferbatterien noch Einrichtungen zum Schutz dieser gegen Unterspannung und Überladung vorzusehen.
Der Erfindug liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache und zuverlässige Regeleinrichtung eine automatische optimale Leistungsanpassung von Last und Solargenerator, deren unterschiedliche Uetriebszustände berücksichtigend, zu bewirken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausgehend von der Tatsache, daß bei konstanter Temperatur die Solarzellenkennlinien für verschiedene Beleuchtungsintensitäten in den jeweiligen Punkten Aopt maximaler Leistung die gleiche Spannung Uopt aufweisen, wie in Fig. 3a dargestellt ist, die Solargeneratorspannung auf einen Eingang eines Differenzverstärkers gegeben wird, wo er mit einer am zweiten Eingang liegenden Referenzspannung Uref verglichen wird. Die Höhe der Referenzspannung ist so gewählt, daß sie der 5olargeneratorspannung U in den jeweiligen Punkten maximaler Leistung opt entspricht. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist die Stellgröße, von der das Stellglied eines zwischen Solargenerator und Last liegenden, an sich beknnten Gleichspannungswandlers angesteuert wird. Bei einer momentanen positiven Abweichung der Solargeneratorspannung über Uopt hinaus infolge einer Lastschwankung, was mit einer Verringerung des Solargeneratorstromes verbunden ist, wird vom Differenzverstärker eine höhere Stellspannung abgegeben, die beim Gleichspannungswandler zur Aufnahme eines höheren Stromes führt, Dadurch wird die Spannung am Solargenerator wieder auf den Wert Uopt abgesenkt. Bei momentaner negativer Abweichung der Solargeneratorspannung wird der Gleichspannungswandler entsprechend geringer ausgesteuert. Dieser wird also über den Regelkreis so gesteuert, daß der Solargenerator immer im Punkt maximaler Leistung bei jeder Beleuchtungs intensität betrieben wird. Die vom Wandler abgegebene Leistung entspricht bei idealem Wandler der vom Solargenerator abgegebenen-Leistung, wobei die Spannugs-Stromkennlinie des Wandlerausgangs eine Hyperbel ist, deren Gleichung Uaus . Iaus = Pmax = Uopt . Iopt (1) ist.
Diese Gleichung wird nur vom Sperrwandler in allen Bereichen erfüllt. Beim Aufwärts- und Abwärtswandler ist jeweils der spannungsmäßig höher bzw. tiefer als die Spannung Uopt liegende Spannungs-Stromkennlinienteil eine llyperbel, während der übrige Teil der Ausgangskennlinie des Wandlers durch den entsprechenden Solargeneratorkennlinienteil gegeben ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Wandlertyp kann den Systemanforderungen entsprechend ausgewählt werden.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung, bei der die Referenzspannung niedriger oder höher ist als die Solargeneratorspannung, wird diese bzw. die Referenzspannung durch Herabsetzung mittels eines entsprechend dirnensionierten Spannungsteilers dem jeweiligen Eingang des Differenzverstärkers zugeführt, wie in Fig. 3b und 3c gezeigt ist. Für das Spannungsteilerverhältnis k gilt die Beziehung Uref = k. Uopt für Uopt > Uref (2a) Uref = k # Uopt für Uopt # Uref (2a) bzw. Uref = 1/k . Uopt für Uopt < Uref (2b) Durch Veränderung des Spannungsteilerverhältnisses k kann die Regeleinrichtung für verschiedene Solargene ratoren mit unterschiedlichen Spannungen in den Punkten maximaler Leistung eingestellt werden.
Zur Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Solargeneratorkennlinie und die damit verbundene Verschiebung der Spannung im Punkt maximaler Leistung ist es angebracht, den Spannungsteiler temperaturabhängig zu machen und Sein temperaturabhängiges Schaltungsglied den gleichen thermischen verhältnissen auszusetzen wie die Solarzellen. Die Änderung des Spannungsteilers als lunktion der Temperaturv'muß der Änderung der Solargeneratorspannung derart entsprechen, daß die Beziehung Uref = k(#)*Uopt(#) = const. (3a) bzw. Uref = 1* Uopt(#) = const. (3b) k(#) möglichst gut erfüllt ist.
Als Referenzspannungsquelle können auch, wie Fig. 3d zeigt, eine oder mehrere in Serie geschaltete und praktisch im Leerlauf betriebene Solarzellen verwendet werden, die in den Solargenerator derart integriert sind, daß sie beleuchtungsmäßig und vor allem thermisch den gleichen Bedingungen unterworfen sind wie die Leistung liefernden Zellen des Generators. Der Temperaturkoeffizient der Spannung einer Solarzelle ist weitgehend unabhängig von ihrer Strombelastung.
Fig. 5 zeigt eine besonders einfache Ausführung der Erfindung, in der die Funktion des Differenzverstärkers von einem Transistor in Emitterschaltung übernommen wird, an dessen Basis-Emitterstrecke die durch einen Spannungsteiler verminderte Solargeneratorspan nung anliegt, wobei bei positiver Abweichung der geteilten Solargeneratorspannung von dem durch die Basis-Emitter-Schwellspannung vorgegebenen Referenzwert der als Stellgröße für die Aussteuerung des Gleichspannungswandlers dienende Kollektorstrom größer, bei negativer Abweichung kleiner wird und dadurch der Gleichspannungswandler mehr bzw. weniger Strom aufnimmt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Solargenerator-Leistungsadapter zur Leistungsmäßigen Anpassung einer Gleichstromlast an einen Solargene rator durch selbsttätige Nachführung des Arbeitspunktes auf der zustandsabhängigen-Spannungs-Stromkennlinie des Solargenerators in den jeweiligen I>unkt maximaler Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Solargeneratorspannung auf einen Eingang eines Differenzverstärkers gegeben wird, wo sie mit einer am zweiten Eingang liegenden Ueferenzspannung, die der Solargeneratorspannung im jeweiligen Punkt maximaler Leistung entspricht, verglichen wird, wobei die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers bei einer positiven Abweichung der Solargeneratorspannung von der iteferenzspannung einen zwischen Solargenerator und Last liegenden Gleichspannungswandler zur Aufnahme eines höheren Stromes und bei einer negativen Abweichung diesen zur Aufnahme eines niedrigeren Stromes veranlaßt.
2. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung zum Betrieb verschiedener Solargeneratoren mit unterschiedlicher Spannung im Punkt maximaler Leistung einstellbar ist.
3. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Referenzspannung, die niedriger oder höher ist als die Solargeneratorspannung im Punkt maximaler Leistung, die Solargeneratorspannung bzw. die Referenzspannung durch entsprechende Herabsetzung mittels eines Spannungsteilers dem jeweiligen Eingang des Diffezverstärkers zugeführt wird.
4. Solargenerator-Leistungsalapter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler, bezogen auf den Teilerpunkt, durch ein temj>eraturabhängiges Schaltungsglied, das der Temperatur der Solarzellen des Solargenerators ausgesetzt ist, ein der Solargeneratorspannung entsprechendes Temperaturverhalten aufweist.
5. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung ein der Solargeneratorspannung entsprechendes Temperaturverllalten aufweist
6. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 2,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung von einer oder mehreren in Serie geschalteten Solarzellen, die der Temperatur der Leistung liefernden Solarzellen des Polargenerators ausgesetzt sind, geliefert wird.
7. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 3, derart gekennzeichnet, daß als Differenzverstsårker ein Transistor in Emitterschaltung verwendet wird, an dessen Basis-Emitterstrecke die durch einen Spannungsteiler verminderte Solargeneratorspannung anliegt, wobei bei positiver Abweichung der geteilten Solargeneratorspannung von dem durch die Basis-Emitterschwellspannung des Transistors vorgegebenen Refernzwert der als Stellgröße für die Aussteuerung des Gleichspannungswandlers dienende Kollektorstrom größer, bei neativer Abweichung kleiner wird und dadurch der Gleichspannungswandler mehr bzw. weniger Strom aufnimmt.