EP1418482A1 - Verfahren und Vorrichtung zur MPP regelung für Solarzellen - Google Patents
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- EP1418482A1 EP1418482A1 EP20030023546 EP03023546A EP1418482A1 EP 1418482 A1 EP1418482 A1 EP 1418482A1 EP 20030023546 EP20030023546 EP 20030023546 EP 03023546 A EP03023546 A EP 03023546A EP 1418482 A1 EP1418482 A1 EP 1418482A1
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- power
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/66—Regulating electric power
- G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
Definitions
- the invention relates to methods and devices for adaptation electrical loads to a power source with if necessary alternating power source performance that allow the Current source to derive maximum load power from the load.
- Photovoltaic cells convert incident sunlight through the release of positive and negative charge carriers in a doped semiconductor material in electrical energy. While the voltage tapped on solar cells is relatively independent of the Is light, there is a pronounced current intensity Dependence of the current that can be drawn from a load on the Intensity of the incident light radiation.
- Fig. 1 shows schematically the relationship between current and voltage in a typical photovoltaic system (e.g. with Siemens SM 110 modules) for two different illuminance levels of solar radiation (100% (1000 W / m 2 ) and 50% (500 W / m 2 )).
- a typical photovoltaic system e.g. with Siemens SM 110 modules
- an operating point is set on the current-voltage characteristic of the solar cell for a given illuminance.
- 1 also shows the characteristic curves for load resistances R L of 1.5 ⁇ , 2.8 ⁇ and 3.3 ⁇ .
- a working point of the solar cell at approx. 10.5 V and approx. 6.9 A results at a load resistance of 1.5 ⁇ , ie a power P 1 of approx.
- the solar cell characteristic curve depends also depend on the cell temperature. A higher solar cell temperature leads to lower performance and thus to one poorer efficiency. The efficiency indicates how much the amount of light radiated into usable electrical energy becomes. Commercial solar cells have depending on the cell type an efficiency of 8 to 14%.
- DE 3 245 866 A1 specifies an MPP regulation in which between Solar generator and load resistor a controllable DC converter is provided which the solar cell voltage in converts an output voltage applied to the load resistor.
- Current and voltage fluctuations on the input side of the Adjustment devices become more maximum for determining the point Power (MPP) used by each at the highest and at the lowest voltage the instantaneous value of the delivered Performance is determined and stored.
- MPP point Power
- a control device compares the stored performance values and adds them to the Maximum power related voltage as a setpoint to a conventional one Regulator for the DC converter. Since none targeted search for the maximum power is the working point the solar cell only on the best, found by chance Value set. It can therefore take a relatively long time before a corresponding change in the ambient conditions "optimal" working point is found.
- DE 198 37 862 A1 relates to a solar module with an MPP controller which a DC-DC converter through a voltage detector is controlled with two switching thresholds, the switching thresholds are set such that the optimal operating point of the solar cell arrangement lies between the two switching thresholds.
- the voltage detector compares the solar cell voltage with the two Switching thresholds and controls the DC-DC converter so that the source voltage continuously between the switch-on threshold and the switch-off threshold oscillates back and forth, with the optimal working point is run through.
- the setting of the switching thresholds the order one to cover a wide range of radiation intensity, far must be apart, causing a strongly fluctuating Source voltage or source power occurs.
- the optimal working point is run through, but the solar cell will not operated continuously in this optimal working point.
- US 4,794,272 is a power controller for solar systems with a battery charger with which the maximum power is dependent of voltage and current changes on the source side or the load side of a DC-DC converter is determined.
- the DC-DC converter is controlled via a pulse width control, the working point of the solar cell exclusively depending on the state of charge detected via the charging current the battery.
- US 6 281 485 B1 discloses an MPP controller for solar cells.
- the MPP controller periodically records the source voltage and the Load current and uses it to determine a source voltage change and a change in performance.
- the sign of the Change in performance and the absolute value of the change in performance the control voltage of a DC-DC converter is changed.
- the MPP circuit uses the sign of Source voltage change and power change the direction in which the operating point is to be shifted to a higher one To achieve performance.
- the goal of this iterative approach is to the solar cell at the respective cell voltage with maximum To perform. Based on the absolute value of the change in performance it is determined whether the optimal working point is already was reached and no further working point shifts more should be done.
- the object of the present invention is methods and devices specify to adapt electrical loads to a power source, where there is a sharp connection between one Control variable and the power source power output by the power source or the load power acting on the load to the power source in a simple way maximum load power to see about the load.
- an MPP controller and a solar module can be specified.
- the concept of the invention also includes the application of the above Process for controlling or regulating photovoltaic systems, especially of solar cells and solar panels as well as arrangements therefrom, the load in particular an ohmic load, a Battery or an accumulator, a charger, a rectifier, a Inverters, a transformer and / or another electrical Converter is.
- the device according to the invention for adapting electrical loads to a current source has a differentiating device which differentiates an output signal (I Q , U Q ) from the current source according to the time (t).
- the differentiating device supplies an output signal corresponding to the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) or the second derivative (d 2 U Q / dt 2 , d 2 I Q / dt 2 ).
- two simple 1st order differentiators can also be connected in series.
- the differentiating device can be implemented analog and / or digital. It can get its supply voltage from the power source. The differentiation results in a sharp relationship between a control variable and the power source or load power.
- a current source in the sense of the present invention is to be understood to mean all electrical signal sources, in particular those which deliver a current or voltage signal.
- the power source may include solar cells, fuel cells, or other sources that provide electrical energy.
- the relationship between current and voltage of the current source is usually described by a corresponding current-voltage characteristic curve, which characterizes the properties of the current source.
- the power source generates maximum power source power (P Q ) at an optimal operating point.
- the differentiating device is an amplifier downstream, at the output of which the load is applied and which Output signal of the differentiating device amplified.
- the amplifier can have a linear or non-linear gain characteristic and in a linear and / or non-linear characteristic range operate. It can be with a constant or a variable gain (F) operated. It is possible, the amplifier in analog and / or digital or hybrid technology to realize. Amplifiers and differentiators can also together, e.g. on a semiconductor chip. advantageously, the amplifier has a high efficiency and a low power loss.
- the amplifier is connected to the current source in such a way that the amplifier power (P v ) consumed by the amplifier is taken from the current source. It is expedient to connect the supply lines of the amplifier to the current source, where appropriate a corresponding adaptation of the source voltage to the required supply voltage of the amplifier is provided, for example by means of a voltage converter. Since a possible power consumption of the differentiating device can be neglected, the amplifier represents the main direct load of the current source.
- the current source is loaded by the amplifier power (P v ) for amplifying the output signal of the differentiating device. Due to the relationship between current and voltage expressed in the characteristics of the current source, the output signal of the current source decreases when the current source is loaded by the amplifier. Due to this feedback between amplifier and current source, vibrations of the output signal (U A , I A ) of the amplifier can occur.
- resonance effects can occur, and resonance oscillations can form at the output of the amplifier.
- the resonance vibrations that occur due to the resonance effect can have certain characteristic frequencies.
- the current source, differentiating device, amplifier and load form an oscillator. In the event of resonance, this vibrating system takes maximum power from the source, which occurs at the load as the maximum load power (P A ).
- the power source is always operated at the optimal operating point (MPP).
- the invention Because the occurrence of resonance vibrations in a vibratory System of fulfilling a relatively sharply defined Vibration condition depends on the invention Device when the output signal of the amplifier resonant vibrations has a simple removal of maximum Performance possible. The degree of amplification is thus expedient of the amplifier set such that the vibration condition is satisfied and resonance vibrations occur. Since the Vibrations of the amplifier output signal depending on Gain (F) of the amplifier in a relatively sharply limited Range of the gain, it is according to the invention very easy to set the required gain. In contrast to the prior art, the invention requires Device no time-consuming search of a maximum power in a relatively flat performance curve.
- the current source can expediently be one or more photovoltaic Have cells (solar cells) or consist of them.
- the Solar cells can be designed as solar panels.
- a solar panel has a flat arrangement of interconnected solar cells on.
- Preferred solar panels like the type SM 110 from Siemens are designed for a nominal voltage of 12 V, generate a Open circuit voltage of 17.5 V and a nominal power of 110 W. (rated power).
- the device according to the invention Occurring periodic modulations of sunlight for generation of electrical power. These modulations have a complex spectrum with a resonance maximum.
- This Modulated radiation contains energy that leads to an AC component of the signal generated by a solar cell as a current source leads. This AC component contributes to the excitation of the (Resonance) vibrations and is from the invention Device used.
- the device advantageously has an adjusting device for the gain (F) of the amplifier on the amplifier acts.
- the setting device can be set manually of the degree of amplification, for example via a potentiometer. It is particularly advantageous if the adjustment device a semi-automatic or automatic setting of the gain level performs. For example, you can use a electronic potentiometer act on the amplifier and the set the required gain, which is the vibration condition to obtain resonance vibrations at the amplifier output Fulfills.
- the amplifier can also be a controllable one Preamplifier (VCA - Voltage Controlled Amplifier) and a line amplifier include with high efficiency.
- VCA Controllifier
- a practical one Design of the setting device provides means that change the gain (F) of the amplifier until resonant vibrations occur at the amplifier output.
- a filter device between the output of the differentiator and the input of the amplifier.
- the filter device filters the output signal of the amplifier according to a predetermined Pass characteristic, it being particularly advantageous, a Use bandpass filters to filter the amplifier input signal.
- a bandpass filter With a bandpass filter, low-frequency interference, especially the mains frequency 50 Hz, and high-frequency noise can be suppressed in the excitation signal.
- the bandpass filter Through the bandpass filter it also enables the frequencies of the resonance vibrations to influence and a sharp resonance of the vibrating System.
- Advantageous bandpass filters are Krohn-Hite filters with corner frequencies of 20 Hz and 200 kHz.
- a special one advantageous pass band is between 1.0 and 5.0 kHz.
- a particularly suitable amplifier for amplifying the output signal the differentiating device is an operational amplifier.
- Operational amplifiers are easy to wire, have one large gain range and have a high efficiency.
- the device according to the invention can also be analog and / or digital amplifiers of one of the classes A to T or one have adaptive power MOSFET amplifiers.
- Examples of preferred Amplifiers are the Tripath TA series audio amplifiers, especially the TA3020.
- To resonate vibrations over a To enable a wide frequency range is a broadband amplifier advantageous.
- a particularly useful transmission area is 10 Hz to 100 MHz.
- the operating point of the amplifier can also be in a non-linear Range of its gain characteristic are what the setting the degree of reinforcement can be advantageous. Through the non-linear Operation of the amplifier can also use quasi-rectangular waveforms be achieved.
- the setting device has a detection device which detects the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load and / or an electrical correlated with these powers Size (U A , I A ; U Q , I Q ) recorded.
- the detection device can in particular the current and / or detect the voltage of the power source or the load by the to determine power source or load-side power.
- the measurands can be detected by an appropriate sensor and before the determination of the service are preprocessed.
- the measured variables recorded are filtered, smoothed and / or converted.
- RMS values DC voltage quantities
- an RMS converter is used become.
- the equivalent direct voltage quantities can to be processed more easily, in particular to the degree of reinforcement of the amplifier.
- Adjustment device Based on the size detected by the detection device Adjustment device the required degree of gain (F) of Adjust the amplifier.
- the setting device expediently evaluates the detected size and determines the maximum of the detected Size or performance depending on the degree of amplification. Due to the sharp resonance condition that a vibratory system must be met, a pronounced occurs Maximum of power source or load side power on that simple is to be determined. The corresponding degree of reinforcement can can be easily determined.
- the setting device expediently has a controller, or the output signals of the detection device as such or after signal processing as actual values and the degree of amplification of the amplifier regulates.
- the device represents an MPP controller.
- the controller of the setting device can be any analog and / or digital controller.
- the control characteristic of the controller can advantageously the properties of the other components the device, in particular the properties of the amplifier, the power source and / or the load.
- preferred Control characteristics are P, I, PI, PD, Log and Exp controllers.
- the controller can also be adaptive and its characteristic and / or adjust parameters to the working conditions. Also one digital control of the gain factor, for example by a Microcontroller can be conveniently provided.
- the controller is expediently designed such that it regulates the gain (F) of the amplifier in such a way that the load power (P A ) is maximized.
- P A load power
- maximum power is drawn from the current source via the load resistance, the gain level being able to be set particularly advantageously owing to the ability of the system to vibrate.
- the controller can advantageously be designed as a maximum controller be, which has a setpoint generator, which is dependent a control value of the controller, in particular the degree of amplification (F), generates a setpoint for the control.
- the setpoint generator can use the controller setpoint to set a dynamic setpoint for the controller to generate the maximum of the size to be controlled to investigate. For example, it is possible to set the dynamic setpoint based on the control value - gain (F) of the amplifier - to create.
- the dynamic setpoint can expediently increase with continuous time as long as the manipulated value is one certain predetermined condition is met.
- the default condition is preferably a limit value for the manipulated variable, which is from Controller is monitored.
- the Maximum controller By increasing the control setpoint are also - as far as possible through the given control system -
- the manipulated variable and the actual value of the controlled system increase. exceeds the manipulated value the specified limit value, the Maximum controller generates a setpoint that decreases over time.
- the decreasing setpoint also reduces the manipulated variable and after a certain time meet the specified condition again, whereupon the maximum controller again generates an increasing setpoint.
- Such a maximum controller automatically finds the maximum the size to be controlled or the actual value of the control system.
- the variable to be controlled here the power source or load side power, approaches her in ascending and descending ramps maximum possible value. This approach is particularly important advantageous if the decrease in the setpoint is faster or steeper takes place as the increase in the setpoint.
- Such a maximum regulator is per se, but not in connection with that used according to the invention Oscillation principle, known (DE 198 46 818 A1).
- the setting device has a comparator which, at predetermined times, the value of one or more of the variables detected by the detection device (P Q , P A ; U Q , I Q ; U A , I A ) with the value compares the relevant size at the previous point in time and forms the respective difference value.
- the difference in value of the size in question indicates the change in size with respect to the previous point in time. It shows whether, for example, the corresponding size has increased or decreased as a result of a change in the degree of amplification (F).
- the difference value can be fed to the controller which, depending on the type of the detected quantity, controls the degree of amplification of the amplifier on the basis of the difference value in such a way that the load power (P A ) or the current source power (P Q ) is maximized. If, for example, the power increases as a result of a change in the degree of amplification, it is expedient to increase the degree of amplification further in order to determine the maximum power and the associated degree of amplification. Conversely, if the value of the quantity sensed by the detector or the output signal of the comparator drops, the controller can reduce the gain.
- the controller can adjust the gain (F) of the amplifier preferably as a function of a change in the gain (F) at a previous point in time and the amount of the resulting change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) to change.
- the controller increases the amplification level (F) of the amplifier if the amplification level (F) was increased during the previous change and the comparator detects a positive change in the current source power (P Q ).
- the controller expediently reduces the gain (F) of the amplifier if the gain (F) was increased during the previous change and the comparator determines a negative change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) or if the gain (F) was reduced during the previous change and the comparator determines a positive change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ).
- a particularly rapid setting of the degree of amplification of the amplifier can be achieved if the setting device has an optimization device that executes an optimization method.
- the optimization method determines the maximum of the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load as a function of the degree of amplification (F).
- P Q current source power
- P A load power
- F degree of amplification
- Gradient method This is a particularly preferred iterative optimization method Gradient method (Newton method), which is the slope of the performance characteristic evaluates to determine the maximum power. Based on the increase in the performance curve in the current The working point will be increment and direction for the next change of the working point.
- the gradient method evaluates the relationship between the manipulated variable (degree of amplification) and target size (performance) in the form of the corresponding partial Derivation from.
- the setting device has a correction device which detects a parametric variable of the current source and delivers it to the controller in the form of an electrical correction signal.
- the controller can emit a correspondingly corrected output signal or control signal for controlling the degree of amplification in order to carry out a correction of the degree of amplification taking into account the detected current source parameter.
- the current source temperature (T Q ) can be taken into account when setting the degree of amplification.
- Corresponding sensors for example a temperature sensor for detecting the solar cell temperature, can be provided for detecting the current source parameters.
- the output signal rectified the amplifier.
- the Inverter can from the oscillating amplifier output signal a sinusoidal alternating current for operation generated by appropriate loads. It is still possible the alternating current via a load transformer into a local and / or feed in public (line) network.
- a load in particular an ohmic load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter may be provided.
- a particularly advantageous embodiment of the invention provides a symmetrical, bipolar arrangement of the solar panel, differentiation device, if necessary, filter device and amplifier.
- the positive and the negative are connected by two-wire cabling Connection of a solar panel with the differentiating device connected.
- the other components of the device can also connected by symmetrical bipolar two-wire wiring become.
- the symmetrical feed allows amplifiers (Push-pull amplifier) with higher efficiency and larger Input and output resistance can be used.
- a device according to the invention in particular an MPP controller
- the components the device according to the invention can also be used entirely and / or partially realized by a microcomputer.
- step (III) in the amplifier used Since the electrical amplifier power (P v ) required for amplification in step (III) in the amplifier used is taken from the current source, the amplifier is fed back to the current source, so that the amplified output signal has oscillations, in particular resonance oscillations.
- an amplifier is used for amplification in step (III), the electrical amplifier power (P V ) that is consumed is not constant, but rather depends on the size of the amplified output signal (U A , I A ) and / or that in step (IV) Load-absorbed load power (P A ) is dependent, so that a time-changing load on the power source occurs.
- step (II) In order to suppress interfering signal components, it is advantageous filter the derivative signal after step (II) and before step (III).
- a particularly favorable excitation of the oscillating system can by filtering the signal to be amplified according to a predetermined one Bandpass pass characteristics can be achieved.
- the reinforcement in step (III) is adjustable Gain (F) of the amplifier made to the feedback system to excite vibrations and the oscillation condition to fulfill.
- the degree of reinforcement can the vibratory system, especially one Solar system, to the current working conditions, such as illuminance and load resistance.
- the degree of reinforcement is advantageously set so that the vibration condition for the current working conditions.
- the gain (F) is preferably set so that the load power (P A ) absorbed by the load is maximized.
- the gain level is expediently set by an analog and / or digital controller, in particular a maximum value controller, which automatically determines a maximum value of the variable to be controlled.
- An advantageous embodiment of the method provides that depending of a manipulated variable of the control, in particular the Gain (F), a setpoint for the control is generated. It is advisable to generate an increasing setpoint as long as the manipulated variable meets a specified condition, and in otherwise, to generate a time-decreasing setpoint.
- the value of one or more of the variables P Q , P A , U Q , I Q , U A , I A can be compared with the value of the relevant variable at the previous point in time and the respective value Difference value are formed.
- the degree of amplification is expediently controlled taking into account this difference value, which indicates the change in the corresponding variable compared to the previous point in time.
- step (III) an optimization method can be used to maximize the load power (P A ) or the current source power (P Q ) taken up by the load by (iteratively) setting the gain (F).
- Gradient methods that take into account the derivation of the power with regard to the variable to be set (degree of amplification) are particularly suitable for optimizing the power.
- the gain (F) is set so that the Operating point of the amplifier in a nonlinear range of its Gain characteristic is.
- the amplified output signal (U A , I A ) is expediently applied to an ohmic load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter.
- the concept of the invention shown is not limited to the illustrated embodiments, but covers the basic Principle of a current or signal source via an amplifier extract maximum power with oscillating output signal, the amplifier acting as a load on the source.
- FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of the device 1 according to the invention for adapting an electrical load 2 to a current source 3.
- the electrical load 2 is adapted according to the claimed oscillation principle in order to obtain maximum load power P A from the current source 3 via the load 2 ,
- the adaptation can take place with regard to a changing load impedance R L and / or a variable internal resistance R Q of the current source 3.
- the current source 3 for example a solar cell arrangement (solar panel), can generate a changing current source power P Q depending on different conditions, for example environmental conditions.
- current I Q and voltage U Q of a solar cell are dependent on the illuminance and the solar cell temperature T Q.
- the device 1 has a differentiating device 4, which differentiates the output voltage U Q of the current source 3 according to the time t and supplies an output signal corresponding to the first derivative dU Q / dt or the second derivative d 2 U Q / dt 2 .
- the differentiating device 4 forms the second derivative d 2 U Q / dt 2 of the voltage U Q of the current source.
- the differentiating device 4 can be implemented, for example, by an appropriately connected operational amplifier.
- a typical operational amplifier is an LN357N device, for example.
- the differentiating device 4 is followed by a bandpass filter 7, which the output signal of the differentiator 4 after a filters predetermined bandpass characteristics to remove interference signals and a sharp resonance of the vibrating system too achieve.
- the bandpass filter 7 can for example be a pass band of up to 5 kHz. The appropriate pass band is easy to determine, if necessary by simple experiments.
- the output of the filter device 7 is connected to the signal input of an amplifier 5.
- the supply voltage of the amplifier 5 or the amplifier power P v is taken from the current source 3.
- a high-efficiency digital audio amplifier of the T-Class is preferably used. Such amplifiers have low distortion, low noise, a large dynamic range and high immunity to interference or noise from the supply voltage.
- T-Class amplifiers consist of a CMOS signal processing section and a DMOS power transistor.
- a preferred amplifier with high efficiency is the TA3020 from Tripath.
- the voltage-controlled ST-VCA2 preamplifier from Radio Design Labs can be used to set the gain.
- the degree of amplification F of the amplifier 5 is regulated by an adjusting device 8 in such a way that the load power P A which is supplied to the consumer 2 is maximized.
- the setting device 8 has a detection device 10 which detects the current I A flowing through the load and the output voltage U A of the amplifier 5 falling across the load.
- the detection device 10 can determine the load power P A consumed by the load by multiplying the current I A and the voltage U A. It is of course also possible to detect only the current I A or the voltage U A and to determine the load power P A only on the basis of the detected quantity. This is particularly advantageous when the load impedance R L is known and constant, since only one sensor is required to determine the load power P A. Even with a variable load impedance R L , the load power P A can be appropriately estimated. Instead of maximizing the load power P A , it is still possible to optimize one of the electrical variables (U A , I A ) correlated with the power.
- the setting device 8 shown in FIG. 1 also has a comparator 6, which at predetermined times t i , for example every 100 ms, the value of the load power P A (t i ) determined by the detection device 10 with the value of the relevant variable compares P A (t i-1 ) at the previous point in time and forms a difference value ⁇ P A (t i ).
- the difference value ⁇ P A (t i ) indicates the change in the load power P A with respect to the previous evaluation time t i-1 .
- a positive difference value ⁇ P A (t i ) indicates that the load power P A has increased, for example as a result of a change in the gain F, and vice versa.
- the difference value ⁇ P A is fed to a controller 9 which controls the degree of amplification F of the amplifier 5 on the basis of the difference value in such a way that the load power P A is maximized.
- the controller 9 can, for example, the gain F (t i ) depending on a change in the gain ⁇ F (t i-1 ) at a previous time t i-1 and the amount of the resulting change in load power
- a correction device 11 which detects the temperature T Q and supplies an electrical correction signal to the controller 9.
- the correction device 11 it is possible, for example, to take into account the influence of the solar cell temperature T Q on the current-voltage characteristic curve of solar cells when setting the gain F.
- the power source power P Q generated by the solar cell 13 drops with increasing solar cell temperature T Q. This can be compensated for by a corresponding increase in the gain F.
- the amplifier 5 draws its supply voltage from the current source 3
- the amplifier power P v picked up by the amplifier 5 is taken from the current source 3.
- the current source 3 is loaded as a function of the amplifier output signal U A or the load power P A , and there is a feedback between the load 2 or amplifier 5 and the current source 3 which, with a suitable choice of the gain factor F, causes the output signal U A to oscillate Amplifier 5 leads.
- the resonance effects that occur cause resonance vibrations at the amplifier output, which have certain characteristic frequencies.
- the load power P A occurring at the load 2 can be maximized by evaluating a “sharp” characteristic curve.
- the degree of amplification F of the amplifier 5 only has to be adjusted in the case of changed current source conditions or a changing load 2, so that the oscillation condition of the oscillator is further fulfilled.
- Fig. 5 shows a further embodiment of an inventive Device that has a symmetrical, bipolar arrangement has, as it is often used in solar technology.
- the current source 3 has a plurality of solar panels 13 connected in series on. Due to the symmetrical arrangement of the solar panels 13 there is a positive / negative output voltage of, for example ⁇ 6 V or ⁇ 12 V available. To a higher rated power too achieve, other solar panels 13 can be connected in parallel.
- the differentiating device 4 and the amplifier 5 are via a Corresponding symmetrical cabling with the current source 3 connected and suitable for processing bipolar signals. Due to the symmetrical arrangement of the Components can be high efficiency with high yield for the entire photovoltaic system can be achieved.
- a rectifying device 12 is provided between the output of the amplifier 5 and the load 2, which rectifies the output current I A or the output voltage U A of the amplifier 5.
- the load 2 can be operated with direct current or direct voltage, which is particularly advantageous for charging accumulators or batteries.
- an alternating-current device can also be provided. This can be connected directly to the output of the amplifier 5 or to the output of the rectifying device 12.
- the alternating current generated can also be fed into a local and / or public network via a load transformer. It is particularly advantageous to provide a three-phase inverter for this purpose.
- the controller 9 controls the degree of amplification F of the amplifier 5.
- the controller 9 is supplied with the current source power P Q determined by the detection device 10 or another variable correlated therewith.
- the controller 9 can be designed, for example, as a maximum value controller, which generates a setpoint for the control as a function of the gain F.
- a setpoint generator uses the gain factor to generate a setpoint that rises over time until the maximum power P Q drawn from the power source is achieved.
- FIG. 6a shows an equivalent circuit diagram of a solar module according to the invention for a load analysis to explain the principle of operation.
- the current source 3 is represented by an ideal current source with an impressed current I Q and an internal resistance R Q.
- the current source 3 is loaded exclusively by the amplifier 5.
- the amplifier 5 represents a variable load Rv for the current source 3 as a function of the power P v it consumes.
- the voltage U A and the current I A occur on the output side of the amplifier 5.
- the amplifier 5 is loaded by the load 2 with an impedance R L.
- FIG. 6b shows an equivalent circuit diagram of a solar module according to the invention for signal consideration.
- the amplifier 5 is shown as a connected operational amplifier (UU converter).
- the current source voltage U Q present at the input of the device is differentiated twice by the differentiating device 4 according to the time t.
- the voltage U A F ⁇ U V results at the amplifier output.
- This non-linear differential equation of the second order for the voltage U A (t) at the output of the amplifier describes an oscillatory system consisting of current source 3, differentiation device 4, amplifier 5 and load 2.
- the solutions of the differential equation correspond to complex vibrations.
- resonance effects occur which lead to resonance vibrations of the amplifier output voltage U A.
- the maximum power P Q is taken from the current source 3 and fed to the load.
- the resonance frequencies of the oscillation of the output voltage U A of the amplifier are shown in the frequency diagram of FIG. 7. One can clearly see the pronounced maximum of the output voltage U A at a frequency of approximately 4.7 kHz.
- FIG. 8 shows a schematic illustration of a gain control, which automatically adjusts the gain level in this way F allows to oscillate at the amplifier output too achieve.
- the detected actual value X for example the voltage U A or the power P A , optionally after smoothing or averaging, can be optionally standardized or scaled by a standardization device 14.
- a maximum controller 15 determines a manipulated value Y for setting the degree of amplification F of the amplifier 5, a target variable correlated with the actual value, for example the load power P A , to be maximized.
- the maximum controller 15 stores the current actual value X and the manipulated value Y at the time t.
- the manipulated value Y is increased by the value dY at the time t + 1. This change in the manipulated variable changes the gain by dF, which also changes the voltage U A and the power P A.
- the calculated manipulated variable Y to the gain characteristic of the amplifier 5 can be adjusted. This is conveniently done through a piecewise linear adaptation characteristic, e.g. is described by base pairs (Yi, Vi).
- FIG. 9 shows a schematic illustration of an experimental setup for examining the performance behavior of a device 1 according to the invention.
- the aim of the experiments was to demonstrate a gain in the load power P A absorbed by a load resistor 2 by the impedance matching using the device 1 according to the invention.
- a total of six identical solar panels 13 were used Sun aligned. Two panels were combined, so that three pairs of panels were available for measurement.
- the first two pairs of panels (channels a and b) were switched 17a, 17b connected to the device 1 according to the invention.
- the Device 1 had two independent channels, on their respective one Outputs were load resistors 2a, 2b.
- the third pair of solar panels was used for the qualitative comparison measurement connected to a load resistor 2c via a switch 17c (Channel c).
- a calorimetric measurement was carried out by recording the temperature profile of the load resistors 2a, 2b, 2c, each arranged on an aluminum block as a heat sink.
- a temperature sensor 18a, b, c was arranged in a central bore in each heat sink, which measured the temperature Ta, Tb, Tc of the load resistor 2a, b, c.
- the data of the temperature sensors 18a, 18b, 18c were recorded by a measuring device 19.
- the voltages and currents of the load resistors 2a, 2b, 2c were recorded and recorded.
- the switches 17a, 17b, 17c were turned on simultaneously switched on.
- FIG. 10 shows the course of the current, the voltage and the temperature for the channels a, b, c.
- the greater load power of the channels a, b is also evident in the temperature profile of the heat sink of the load resistors 2a, 2b.
- the temperatures of these heat sinks rose significantly in the course of the measurement compared to the temperature of the heat sink of the load resistor 2c.
- 11 shows further experimental results graphically.
- the upper graphic shows the course of the recorded load power with and without the device according to the invention (MPP controller) for four Time ranges (ranges 1, 2, 3 and 4).
- the graphic below shows that Ratio of the load power with device to the load power of the Reference channel. This performance ratio is for wide areas the measurement greater than one, which is a gain in performance by the invention Device means.
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle und gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, die es ermöglichen, der Stromquelle maximale Leistung zu entnehmen. Die Vorrichtung (1) weist auf: eine Differenziereinrichtung (4), die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle (3) nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d<2>UQ/dt<2>, d<2>IQ/dt<2>) entsprechendes Ausgangssignal liefert, und einen der Differenziereinrichtung (4) nachgeschalteten Verstärker (5), an dessen Ausgang die Last (2) anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung (4) verstärkt, wobei der Verstärker (5) derart mit der Stromquelle (3) verbunden ist, daß die vom Verstärker (5) aufgenommene Verstärker-Leistung (PV) der Stromquelle (3) entnommen wird, und das Ausgangssignal (UA, IA) des Verstärkers (5) Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist. Der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) wird vorzugsweise über eine Einstelleinrichtung (8) mit einem Regler (9) so geregelt, daß unter Resonanzbedingungen maximale Leistung entnommen wird (MPP-Regler). <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung
elektrischer Lasten an eine Stromquelle mit gegebenenfalls
wechselnder Stromquellen-Leistung, die es ermöglichen, der
Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen.
Photovoltaische Zellen (Solarzellen) wandeln einfallendes Sonnenlicht
durch die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in
einem dotierten Halbleitermaterial in elektrische Energie. Während
die an Solarzellen abgreifbare Spannung relativ unabhängig von der
Lichteinstrahlung ist, besteht für die Stromstärke eine ausgeprägte
Abhängigkeit des über eine Last entnehmbaren Stroms von der
Intensität der einfallenden Lichtstrahlung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen Strom
und Spannung bei einer typischen Photovaltaikanalge (z.B. mit
Siemens-Modulen SM 110) für zwei unterschiedliche Beleuchtungsstärken
der Sonneneinstrahlung (100 % (1000 W/m2) und 50 %
(500 W/m2)). In Abhängigkeit von dem Lastwiderstand RL, mit dem
die Solarzelle beschaltet ist, stellt sich für eine gegebene Beleuchtungsstärke
ein Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie
der Solarzelle ein. In Fig. 1 sind ferner die Kennlinien für Lastwiderstände
RL von 1,5 Ω, 2,8 Ω und von 3,3 Ω dargestellt. Für eine
Sonneneinstrahlung von 100 % ergibt sich bei einem Lastwiderstand
von 1,5 Ω ein Arbeitspunkt der Solarzelle bei ca. 10,5 V und ca.
6,9 A, also eine Leistung P1 von etwa 72,5 W. Der Arbeitspunkt für
die Sonneneinstrahlung von 100 % liegt andererseits für einen
Lastwiderstand RL von 2,8 Ω bei ca. 17,5 V und ca. 6,3 A und entspricht
dem Leistungsoptimum (Maximum Power Point - MPP). Die
dem Photovoltaiksystem bei diesem Arbeitspunkt entnehmbare maximale
Leistung PMAX1 beträgt somit etwa 110 W.
Bei einer Sonneneinstrahlung von nur 50 % liegt der Arbeitspunkt
des Systems für den Lastwiderstand RL von 2,8 Ω bei ca.9,0 V und
ca. 3,3 A, woraus sich nur eine Leistung P2 von etwa 30 W ergibt.
Das Leistungsmaximum PMAX2 liegt für diese Kennlinie bei ca. 16,0 V
und ca. 3,0 A und beträgt damit etwa 48 W. Hierfür wäre ein Lastwiderstand
RL von etwa 5,3 Ω erforderlich. In Fig. 2 sind die entsprechenden
Leistungs-Kennlinien des betrachteten Photovoltaiksystems
mit den Leistungsmaxima PMAX1 und PMAX2 in Abhängigkeit
von der Solarzellenspannung schematisch dargestellt.
Man erkennt aus den Fig. 1 und 2 unmittelbar, daß durch Fehlanpassung
des Lastwiderstands ein mehr oder weniger erheblicher Teil
der für eine gegebene Sonneneinstrahlung zur Verfügung stehenden
elektrischen Leistung nicht genutzt wird.
Um unter Praxisbedingungen die maximal mögliche Leistungsabgabe
des Photovoltaiksystems durchgehend zu erzielen, ist folglich eine
andauernde Anpassung des Lastwiderstands an die aktuelle Beleuchtungsstärke
nötig. In dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel
muß die Impedanz des Lastwiderstands für eine 50%ige Sonneneinstrahlung
auf ca. 5,3 Ω erhöht werden, damit unter diesen
Beleuchtungsbedingungen dem System maximale Leistung entnommen
werden kann. In der Regel werden Solaranlagen jedoch für
eine einzige Beleuchtungsstärke ausgelegt, so daß die Lastimpedanz
für andere Beleuchtungsbedingungen nicht richtig angepaßt ist.
Aufgrund dieser Fehlanpassung wird der Anlage die meiste Zeit über
nicht die gesamte zur Verfügung stehende Leistung entnommen.
Außer von der Bestrahlungsstärke, die auf das Halbleitermaterial
der Solarzelle trifft und die von der Bewölkung und der Verschmutzung
der Zellenoberfläche beeinflußt wird, hängt die Solarzellenkennlinie
auch von der Zellentemperatur ab. Eine höhere Solarzellentemperatur
führt zu einer niedrigeren Leistung und damit zu einem
schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel
der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt
wird. Kommerzielle Solarzellen haben je nach Zellentyp
einen Wirkungsgrad von 8 bis 14 %.
Fig. 3 zeigt an einem Beispiel die Beleuchtungsstärke und ihre
Schwankungen aufgrund von wechselnder Bewölkung im Verlauf
eines Tages. Man kann deutlich die starken Schwankungen der Bestrahlungsstärke
erkennen, die eine laufende Anpassung des Solarzellenarbeitspunktes
erfordern, um der Solarzelle maximale Leistung
entnehmen zu können.
Ein weiteres Problem beim Betrieb einer photovoltaischen Solaranlage
kann durch wechselnde Verbraucherlasten entstehen. Insbesondere
bei "Insellösungen", bei denen ein oder mehrere Verbraucher
(z.B. Elektromotoren) direkt von einer Solaranlage betrieben werden,
ändert sich bei einer wechselnden Last unmittelbar der Arbeitspunkt
der Solaranlage. Auch beim direkten Laden eines Akkumulators
beeinflußt der Akkumulatorinnenwiderstand, der vom Ladezustand
abhängig ist, die von der Solarzelle erzeugte elektrische Leistung
während des Ladevorgangs.
Um Solarzellen jeweils ihre aktuell maximal mögliche Leistung zu
entnehmen und sie so optimal nutzen zu können, ist es bekannt,
zwischen Solargenerator und Verbraucher eine Anpassungsvorrichtung
zu schalten, welche die Impedanz des Verbrauchers adaptiv an
den zeitlich wechselnden Innenwiderstand des Solargenerators anpaßt.
In DE 3 245 866 A1 ist eine MPP-Regelung angegeben, bei der zwischen
Solargenerator und Lastwiderstand ein steuerbarer Gleichspannungswandler
vorgesehen ist, der die Solarzellenspannung in
eine am Lastwiderstand anliegende Ausgangsspannung wandelt.
Strom- und Spannungsschwankungen auf der Eingangsseite der
Anpassungsvorrichtung werden zur Ermittlung des Punktes maximaler
Leistung (MPP) genutzt, indem jeweils bei der höchsten und
bei der niedrigsten Spannung der Momentanwert der abgegebenen
Leistung ermittelt und gespeichert wird. Eine Steuervorrichtung
vergleicht die gespeicherten Leistungswerte und gibt die zu dem
Leistungsmaximum gehörige Spannung als Sollwert an einen herkömmlichen
Regler für den Gleichspannungswandler vor. Da keine
gezielte Suche nach dem Leistungsmaximum erfolgt, wird der Arbeitspunkt
der Solarzelle lediglich auf den besten, zufällig gefundenen
Wert eingestellt. Es kann deshalb relativ lange dauern, bis nach
einer Änderung der Umgebungsbedingungen ein entsprechender
"optimaler" Arbeitspunkt gefunden wird.
DE 198 37 862 A1 betrifft ein Solarmodul mit einem MPP-Regler, bei
dem ein Gleichspannungswandler durch einen Spannungsdetektor
mit zwei Schaltschwellen gesteuert wird, wobei die Schaltschwellen
derart festgelegt sind, daß der optimale Arbeitspunkt der Solarzellenanordnung
zwischen den beiden Schaltschwellen liegt. Der Spannungsdetektor
vergleicht die Solarzellenspannung mit den beiden
Schaltschwellen und steuert den Gleichspannungswandler so, daß
die Quellenspannung fortlaufend zwischen der Einschaltschwelle
und der Ausschaltschwelle hin- und herpendelt, wobei jeweils der
optimale Arbeitspunkt durchlaufen wird. Problematisch ist jedoch
bei diesem Vorschlag das Festlegen der Schaltschwellen, die, um einen
weiten Bereich der Bestrahlungsintensität abzudecken, weit
auseinander liegen müssen, wodurch eine stark schwankende
Quellenspannung bzw. Quellenleistung auftritt. Der optimale Arbeitspunkt
wird zwar durchlaufen, die Solarzelle wird aber nicht
kontinuierlich in diesem optimalen Arbeitspunkt betrieben.
In US 4 794 272 ist ein Leistungsregler für Solarsysteme mit Batterieladegerät
angegeben, mit dem das Leistungsmaximum in Abhängigkeit
von Spannungs- und Stromänderungen auf der Quellenseite
oder der Lastseite eines Gleichspannungswandlers ermittelt wird.
Die Ansteuerung des Gleichspannungswandlers erfolgt dabei über
eine Pulsweitensteuerung, die den Arbeitspunkt der Solarzelle ausschließlich
in Abhängigkeit vom über den Ladestrom erfaßten Ladezustand
der Batterie einstellt.
US 6 281 485 B 1 offenbart einen MPP-Regler für Solarzellen. Der
MPP-Regler erfaßt dazu periodisch die Quellenspannung und den
Laststrom und ermittelt daraus durch Vergleich eine Quellenspannungsänderung
und eine Leistungsänderung. In Abhängigkeit vom
Vorzeichen der Quellenspannungsänderung, dem Vorzeichen der
Leistungsänderung und dem Absolutwert der Leistungsänderung
wird die Steuerspannung eines Gleichspannungswandlers verändert.
Dabei wird von der MPP-Schaltung anhand des Vorzeichens von
Quellenspannungsänderung und Leistungsänderung die Richtung
festgelegt, in der der Arbeitspunkt zu verschieben ist, um eine höhere
Leistung zu erzielen. Das Ziel dieses iterativen Vorgehens ist es,
die Solarzelle bei der jeweils vorliegenden Zellenspannung mit maximaler
Leistung zu betreiben. Anhand des Absolutwerts der Leistungsänderung
wird ermittelt, ob bereits der optimale Arbeitspunkt
erreicht wurde und keine weiteren Arbeitspunktverschiebungen
mehr erfolgen sollen.
Da der in US 6 281 485 beschriebene MPP-Regler den Arbeitspunkt
der Solarzelle mit konstanter Schrittweite verschiebt, kann es jedoch
eine längere Zeit dauern, bis die MPP-Steuerung den optimalen Arbeitspunkt
erreicht hat. Dies wird zudem dadurch erschwert, daß
die Leistungs-Kennlinien von Solarzellen in Abhängigkeit von der
Quellenspannung bzw. von einem Stellwert - der Steuerspannung
des Gleichspannungswandlers - relativ flach sind. Ein Maximum der
Leistungs-Kennlinie ist deshalb schwer zu ermitteln, und der tatsächliche
Arbeitspunkt der Solarzellen pendelt, ähnlich wie gemäß
der Lehre von DE 198 37 862, um den optimalen Arbeitspunkt hin
und her. Dieses Problem wird weiterhin durch unvermeidbare Ungenauigkeiten
und stets auftretendes Rauschen bei der Erfassung
von Strom und Spannung verstärkt. Insbesondere eine Laststrommessung
mit ausreichender Genauigkeit für die MPP-Regelung über
einen weiten Bereich der zu erfassenden Ströme von beispielsweise
0 bis 25 A stellt hohe Anforderungen an den entsprechenden Sensor.
Da die Richtung der Verschiebung des Arbeitspunkts vom Vorzeichen
der Leistungsänderung bzw. der Laststromänderung festgelegt
wird, können Strommeßfehler zu falschen Arbeitspunktverschiebungen
und deshalb zu Problemen bei der Maximalwertsuche
führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen
zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle anzugeben,
bei denen ein scharfer Zusammenhang zwischen einer
Steuergröße und der von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung
bzw. der an der Last wirkenden Last-Leistung herangezogen
wird, um der Stromquelle auf einfache Weise maximale Last-Leistung
über die Last zu entnehmen. Insbesondere sollen ein MPP-Regler
sowie ein Solarmodul angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungskonzepts.
Gemäß dem Erfindungskonzept weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit
gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle
maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen, auf:
und
Das Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung
einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit gegebenenfalls
wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle maximale
Last-Leistung über die Last zu entnehmen, umfaßt folgende Schritte:
Das Erfindungskonzept umfaßt ferner die Anwendung des obigen
Verfahrens zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen,
insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen
daraus, wobei die Last insbesondere eine ohmsche Last, eine
Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein
Wechselrichter, ein Transformator und/oder ein anderer elektrischer
Wandler ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung elektrischer Lasten
an eine Stromquelle weist eine Differenziereinrichtung auf, die
ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle nach der Zeit (t) differenziert.
Die Differenziereinrichtung liefert ein der ersten Ableitung
(dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes
Ausgangssignal. Zur Bildung der zweiten Ableitung
können auch zwei einfache Differenzierglieder 1-ter Ordnung in Serie
geschaltet werden. Die Differenziereinrichtung kann analog
und/oder digital realisiert werden. Sie kann ihre Versorgungsspannung
von der Stromquelle beziehen. Durch die Differenzierung wird
eine scharfe Relation zwischen einer Steuergröße und der Stromquellen-
oder Last-Leistung erzielt.
Unter einer Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind
alle elektrischen Signalquellen zu verstehen, insbesondere solche,
die ein Strom- oder Spannungssignal liefern. Die Stromquelle kann
Solarzellen, Brennstoffzellen oder andere elektrische Energie liefernde
Quellen aufweisen. Der Zusammenhang zwischen Strom und
Spannung der Stromquelle wird meist durch eine entsprechende
Strom-Spannungs-Kennlinie beschrieben, welche die Eigenschaften
der Stromquelle kennzeichnet. Abhängig von bestimmten Umgebungsbedingungen,
wie Temperatur und Bestrahlungsstärke bei einer
photovoltaischen Stromquelle, wird von der Stromquelle bei einem
optimalen Arbeitspunkt maximale Stromquellen-Leistung (PQ)
erzeugt.
Der Differenziereinrichtung ist erfindungsgemäß ein Verstärker
nachgeschaltet, an dessen Ausgang die Last anliegt und der das
Ausgangssignal der Differenziereinrichtung verstärkt. Der Verstärker
kann eine lineare oder nichtlineare Verstärkungskennlinie aufweisen
und in einem linearen und/ oder nichtlinearen Kennlinienbereich
betrieben werden. Er kann mit einem konstanten oder einem
variablen Verstärkungsgrad (F) betrieben werden. Es ist möglich,
den Verstärker in analoger und/oder digitaler bzw. hybrider Technik
zu realisieren. Verstärker und Differenziereinrichtung können auch
gemeinsam, z.B. auf einem Halbleiterchip, vorgesehen werden. Vorteilhafterweise
weist der Verstärker einen hohen Wirkungsgrad und
eine geringe Verlustleistung auf.
Der Verstärker ist derart mit der Stromquelle verbunden, daß die
vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung (Pv) der Stromquelle
entnommen wird. Es ist zweckmäßig, die Versorgungsleitungen
des Verstärkers mit der Stromquelle zu verbinden, wobei gegebenenfalls
eine entsprechende Anpassung der Quellenspannung an
die benötigte Versorgungsspannung des Verstärkers, z.B. durch einen
Spannungswandler, vorgesehen ist. Da eine eventuelle Leistungsaufnahme
der Differenziereinrichtung zu vernachlässigen ist,
stellt der Verstärker die hauptsächliche direkte Last der Stromquelle
dar. Durch die vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung
(Pv) zur Verstärkung des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung
wird die Stromquelle belastet. Bedingt durch den in den Kennlinien
der Stromquelle ausgedrückten Zusammenhang zwischen
Strom und Spannung verringert sich das Ausgangssignals der
Stromquelle bei Belastung der Stromquelle durch den Verstärker.
Aufgrund dieser Rückkopplung zwischen Verstärker und Stromquelle
können Schwingungen des Ausgangssignals (UA, IA) des Verstärkers
entstehen.
Bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors (F) können Resonanzeffekte
auftreten, und am Ausgang des Verstärkers können sich Resonanzschwingungen
bilden. Die aufgrund des Resonanzeffekts auftreten
Resonanzschwingungen können bestimmte charakteristische
Frequenzen aufweisen. Stromquelle, Differenziereinrichtung, Verstärker
und Last bilden einen Oszillator. Im Resonanzfall entnimmt
dieses schwingende System der Quelle maximale Leistung, die an
der Last als maximale Last-Leistung (PA) auftritt. Die Stromquelle
wird so immer im optimalen Arbeitspunkt (MPP) betrieben.
Da das Auftreten von Resonanzschwingungen bei einem schwingungsfähigen
System von der Erfüllung einer relativ scharf abgegrenzten
Schwingungsbedingung abhängt, ist bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers Resonanzschwingungen
aufweist, eine einfache Entnahme maximaler
Leistung möglich. Zweckmäßigerweise wird somit der Verstärkungsgrad
des Verstärkers derart eingestellt, daß die Schwingungsbedingung
erfüllt ist und Resonanzschwingungen auftreten. Da die
Schwingungen des Verstärkerausgangssignals in Abhängigkeit vom
Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers in einem relativ scharf begrenzten
Bereich des Verstärkungsgrads auftreten, ist es erfindungsgemäß
sehr einfach, den erforderlichen Verstärkungsgrad einzustellen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfordert die erfindungsgemäße
Vorrichtung keine aufwendige Suche eines Leistungsmaximums
in einer relativ flachen Leistungs-Kennlinie.
Auch eine wechselnde Last hat erfindungsgemäß keinen direkten
Einfluß auf den sich ergebenden Arbeitspunkt der Stromquelle und
die der Stromquelle entnommene Leistung. Solange die Schwingungsbedingung
des Oszillators erfüllt ist, schwingt der Ausgang des
Verstärkers, und maximale Leistung wird der Quelle entnommen
und der Last zugeführt. Gegebenenfalls ist eine Anpassung des
Verstärkungsgrades an einen veränderten Lastwiderstand notwendig,
um die Schwingungsbedingung weiter zu erfüllen. Diese Nachführung
des Verstärkungsgrades kann, wie bereits erläutert, relativ
einfach durchgeführt werden.
Die Stromquelle kann zweckmäßigerweise eine oder mehrere photovoltaische
Zellen (Solarzellen) aufweisen oder daraus bestehen. Die
Solarzellen können als Solarpanels ausgebildet sein. Ein Solarpanel
weist eine flächige Anordnung von miteinander verschalteten Solarzellen
auf. Bevorzugte Solarpanels wie der Typ SM 110 von Siemens
sind für eine Nennspannung von 12 V ausgelegt, erzeugen eine
Leerlaufspannung von 17,5 V und eine Nennleistung von 110 W
(rated power). Um eine höhere Ausgangsspannung und/oder Leistung
zu erzielen, ist es vorteilhaft, mehrere Solarpanels in Serie
bzw. parallel zu schalten. Auf diese Weise können standardmäßige
Ausgangsspannungen von beispielsweise 60 bis 220 V und Nennleistungen
von einigen Kilowatt erzielt werden.
Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
auftretende periodische Modulationen des Sonnenlichts zur Erzeugung
von elektrischer Leistung genutzt werden. Diese Modulationen
haben ein komplexes Spektrum mit einem Resonanzmaximum. Diese
modulierte Strahlung enthält Energie, die zu einer AC-Komponente
des von einer Solarzelle als Stromquelle erzeugten Signals
führt. Diese AC-Komponente trägt zur Anregung der
(Resonanz-)Schwingungen bei und wird von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung genutzt.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung für
den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers auf, die auf den Verstärker
wirkt. Die Einstelleinrichtung kann eine manuelle Einstellung
des Verstärkungsgrads, beispielsweise über ein Potentiometer, ermöglichen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung
eine halbautomatische oder automatische Einstellung des Verstärkungsgrads
durchführt. Sie kann dabei beispielsweise über ein
elektronisches Potentiometer auf den Verstärker wirken und den
erforderlichen Verstärkungsgrad einstellen, der die Schwingungsbedingung
zum Erhalt von Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang
erfüllt. Der Verstärker kann auch einen steuerbaren
Vorverstärker (VCA ― Voltage Controlled Amplifier) und einen Leitungsverstärker
mit hohem Wirkungsgrad umfassen. Eine zweckmäßige
Ausgestaltung der Einstelleinrichtung sieht Mittel vor, die
den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers so lange ändern, bis Resonanzschwingungen
am Verstärkerausgang auftreten.
Um Störsignale zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, eine Filtereinrichtung
zwischen dem Ausgang der Differenziereinrichtung und
dem Eingang des Verstärkers vorzusehen. Die Filtereinrichtung filtert
das Ausgangssignal des Verstärkers nach einer vorgegebenen
Durchlaßcharakteristik, wobei es besonders vorteilhaft ist, ein
Bandpaßfilter zum Filtern des Verstärkereingangssignals heranzuziehen.
Durch ein Bandpaßfilter können niederfrequente Störungen,
insbesondere die Netzfrequenz 50 Hz, und hochfrequentes Rauschen
im Anregungssignal unterdrückt werden. Durch das Bandpaßfilter
wird es auch ermöglicht, die Frequenzen der Resonanzschwingungen
zu beeinflussen und eine scharfe Resonanz des schwingenden
Systems zu erzielen. Vorteilhafte Bandpaßfilter sind Krohn-Hite-Filter
mit Eckfrequenzen von 20 Hz und 200 kHz. Ein besonders
vorteilhafter Durchlaßbereich liegt zwischen 1,0 und 5,0 kHz.
Ein besonders geeigneter Verstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals
der Differenziereinrichtung ist ein Operationsverstärker.
Operationsverstärker sind einfach zu beschalten, weisen einen
großen Verstärkungsbereich auf und haben einen hohen Wirkungsgrad.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch analoge
und/oder digitale Verstärker einer der Klassen A bis T oder einen
adaptiven Power-MOSFET-Verstärker aufweisen. Beispiele für bevorzugte
Verstärker sind die Tripath Audio-Verstärker der Serie TA,
insbesondere der TA3020. Um Resonanzschwingungen über einen
breiten Frequenzbereich zu ermöglichen, ist ein breitbandiger Verstärker
von Vorteil. Ein besonders zweckmäßiger Übertragungsbereich
beträgt 10 Hz bis 100 MHz. Es ist erfindungsgemäß aber auch
möglich, Verstärker mit einer Bandbreite im Audiobereich vorzusehen,
insbesondere von 20 Hz bis 40 kHz.
Der Arbeitspunkt des Verstärkers kann auch in einem nichtlinearen
Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegen, was für die Einstellung
des Verstärkungsgrades vorteilhaft sein kann. Durch den nichtlinearen
Betrieb des Verstärkers können auch quasi-rechteckige Schwingungsformen
erzielt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die
Einstelleinrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, welche die von
der Stromquelle abgegebene Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder
die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) und/oder eine
mit diesen Leistungen korrelierte elektrische Größe (UA, IA; UQ, IQ)
erfaßt.
Die Erfassungseinrichtung kann insbesondere den Strom und/oder
die Spannung der Stromquelle bzw. der Last erfassen, um die
stromquellen- bzw. lastseitige Leistung zu ermitteln. Die Meßgrößen
können von einem entsprechenden Sensor erfaßt und vor der Bestimmung
der Leistung vorverarbeitet werden. Zweckmäßigerweise
werden die erfaßten Meßgrößen gefiltert, geglättet und/ oder gewandelt.
Insbesondere ist es von Vorteil, den erfaßten Strom und/ oder
die erfaßte Spannung in entsprechende Gleichspannungsgrößen
(Effektivwerte) zu wandeln. Hierzu kann u.a. ein RMS-Wandler eingesetzt
werden. Die äquivalenten Gleichspannungsgrößen können
einfacher weiterverarbeitet werden, insbesondere, um den Verstärkungsgrad
des Verstärkers einzustellen.
Anhand der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größe kann die
Einstelleinrichtung den erforderlichen Verstärkungsgrad (F) des
Verstärkers einstellen. Die Einstelleinrichtung wertet zweckmäßigerweise
die erfaßte Größe aus und bestimmt das Maximum der erfaßten
Größe bzw. der Leistung in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad.
Aufgrund der scharfen Resonanzbedingung, die für ein
schwingungsfähiges System erfüllt sein muß, tritt ein ausgeprägtes
Maximum der stromquellen- oder lastseitigen Leistung auf, das einfach
zu ermitteln ist. Der entsprechende Verstärkungsgrad kann so
auf einfache Weise bestimmt werden.
Zweckmäßigerweise weist die Einstelleinrichtung einen Regler auf,
der die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung als solche oder
nach Signalverarbeitung als Istwerte erfaßt und den Verstärkungsgrad
des Verstärkers regelt. In diesem Fall stellt die Vorrichtung
einen MPP-Regler dar.
Der Regler der Einstelleinrichtung kann ein beliebiger analoger
und/oder digitaler Regler sein. Die Regelcharakteristik des Reglers
kann vorteilhafterweise den Eigenschaften der übrigen Komponenten
der Vorrichtung, insbesondere den Eigenschaften des Verstärkers,
der Stromquelle und/ oder der Last, angepaßt werden. Bevorzugte
Regelcharakteristiken sind P-, I-, PI-, PD-, Log- und Exp-Regler.
Der Regler kann auch adaptiv sein und seine Kennlinie
und/oder Parameter den Arbeitsbedingungen anpassen. Auch eine
digitale Regelung des Verstärkungsfaktors, beispielsweise durch einen
Mikrokontroller, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein.
Der Regler ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß er den Verstärkungsgrad
(F) des Verstärkers so regelt, daß die Last-Leistung
(PA) maximiert wird. Auf diese Weise wird der Stromquelle maximale
Leistung über den Lastwiderstand entnommen, wobei die Einstellung
des Verstärkungsgrads bedingt durch die Schwingungsfähigkeit
des Systems besonders vorteilhaft erfolgen kann.
Der Regler kann vorteilhafterweise als Maximumregler ausgebildet
sein, der einen Sollwertgenerator aufweist, welcher in Abhängigkeit
von einem Stellwert des Reglers, insbesondere dem Verstärkungsgrad
(F), einen Sollwert für die Regelung erzeugt. Der Sollwertgenerator
kann anhand des Reglerstellwerts einen dynamischen Sollwert
für den Regler erzeugen, um das Maximum der zu regelnden Größe
zu ermitteln. Es ist beispielsweise möglich, den dynamischen Sollwert
anhand des Reglerstellwertes - Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers
- zu erzeugen. Der dynamische Sollwert kann zweckmäßigerweise
mit fortlaufender Zeit ansteigen, solange der Stellwert eine
bestimmte vorgegebene Bedingung erfüllt. Die vorgegebene Bedingung
ist vorzugsweise ein Grenzwert für den Stellwert, der vom
Regler überwacht wird. Durch das Ansteigen des Regelungssollwerts
werden auch - soweit durch das gegebene Regelungssystem möglich
- der Stellwert und der Istwert der Regelstrecke ansteigen. Überschreitet
der Stellwert den vorgegebenen Grenzwert, so wird vom
Maximumregler ein mit der Zeit abfallender Sollwert erzeugt. Durch
den abnehmenden Sollwert wird auch der Stellwert kleiner und
nach einer gewissen Zeit die vorgegebene Bedingung wieder erfüllen,
worauf der Maximumregler erneut einen ansteigenden Sollwert erzeugt.
Ein derartiger Maximumregler findet automatisch das Maximum
der zu regelnden Größe bzw. des Istwerts des Regelsystems.
Die zu regelnde Größe, hier die stromquellen- oder lastseitige Leistung,
nähert sich in ansteigenden und abfallenden Rampen ihrem
maximal möglichen Wert an. Diese Annäherung erfolgt besonders
vorteilhaft, wenn die Abnahme des Sollwerts schneller bzw. steiler
erfolgt als die Zunahme des Sollwerts. Ein solcher Maximumregler
ist per se, jedoch nicht in Verbindung mit dem erfindungsgemäß angewandten
Oszillationsprinzip, bekannt (DE 198 46 818 A1).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die
Einstelleinrichtung einen Vergleicher auf, der zu vorgegebenen Zeitpunkten
den Wert einer oder mehrerer der von der Erfassungseinrichtung
erfaßten Größen (PQ, PA; UQ, IQ; UA, IA) mit dem Wert der
betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt vergleicht und
den jeweiligen Differenzwert bildet. Der Differenzwert der betreffenden
Größe gibt die Änderung der Größe in bezug auf den vorhergehenden
Zeitpunkt an. Er zeigt an, ob sich beispielsweise die entsprechende
Größe infolge einer Änderung des Verstärkungsgrads (F)
vergrößert oder verringert hat. Der Differenzwert kann dem Regler
zugeführt werden, der, je nach Art der erfaßten Größe, den Verstärkungsgrad
des Verstärkers anhand des Differenzwerts so steuert,
daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert
wird. Steigt beispielsweise die Leistung infolge einer Änderung
des Verstärkungsgrads an, ist es zweckmäßig, den Verstärkungsgrad
weiter zu erhöhen, um das Leistungsmaximum und den
zugehörigen Verstärkungsgrad zu ermitteln. Umgekehrt kann der
Regler, wenn der Wert der von der Erfassungseinrichtung erfaßten
Größe oder das Ausgangssignal des Vergleichers abfällt, den Verstärkungsgrad
verringern.
Der Regler kann den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorzugsweise
in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu
einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden
Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der
Last-Leistung (PA) ändern. Um das Maximum der Leistung zu finden,
ist es zweckmäßig, daß der Regler den Verstärkungsgrad (F) des
Verstärkers erhöht, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden
Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher eine positive
Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung
(PA) ermittelt wird oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei
der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher
eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder
der Last-Leistung (PA) ermittelt wird. Der Regler verringert zweckmäßigerweise
den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers, wenn der
Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde
und vom Vergleicher eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung
(PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird oder
wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung
verringert wurde und vom Vergleicher eine positive Änderung der
Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt
wird.
Eine besonders schnelle Einstellung des Verstärkungsgrades des
Verstärkers kann erzielt werden, wenn die Einstelleinrichtung eine
Optimierungseinrichtung aufweist, die ein Optimierungsverfahren
ausführt. Das Optimierungsverfahren ermittelt das Maximum der
von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung (PQ)
und/oder der von der Last aufgenommenen Last-Leistung (PA) in
Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad (F). Zur Ermittlung des Maximums
der Leistungs-Kennlinie sind eine Reihe bekannter Optimierungsverfahren
geeignet. Aufgrund des komplexen Zusammenhangs
zwischen Verstärkungsgrad und stromquellen- bzw. lastseitiger Leistung
sind besonders iterative Optimierungsverfahren geeignet, die
verschiedene Arbeitspunkte bzw. Verstärkungsfaktoren prüfen, um
sich dem Maximum iterativ zu nähern.
Ein besonders bevorzugtes iteratives Optimierungsverfahren ist das
Gradientenverfahren (Newton-Verfahren), das die Steigung der Leistungs-Kennlinie
auswertet, um das Leistungsmaximum zu bestimmen.
Anhand der Steigerung der Leistungs-Kennlinie im aktuellen
Arbeitspunkt werden Schrittweite und Richtung für die nächste Änderung
des Arbeitspunkts festgelegt. Dabei wertet das Gradientenverfahren
den Zusammenhang zwischen Stellgröße (Verstärkungsgrad)
und Zielgröße (Leistung) in Form der entsprechenden partiellen
Ableitung aus.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einstelleinrichtung
eine Korrektureinrichtung auf, die eine parametrische
Größe der Stromquelle erfaßt und in Form eines elektrischen
Korrektursignals an den Regler liefert. Der Regler kann ein entsprechend
korrigiertes Ausgangssignal bzw. Stellsignal zur Steuerung
des Verstärkungsgrads abgeben, um eine Korrektur des Verstärkungsgrades
unter Berücksichtigung des erfaßten Stromquellenparameters
auszuführen. Auf diese Weise kann beispielsweise die
Stromquellen-Temperatur (TQ) bei der Einstellung des Verstärkungsgrades
berücksichtigt werden. Dies ist besonders bei der Verwendung
von Solarzellen als Stromquelle von Vorteil, da die Strom-Spannungs-Kennlinien
von Solarzellen stark temperaturabhängig
sind. Zur Erfassung der Stromquellenparameter können entsprechende
Sensoren, beispielsweise ein Temperatursensor zur Erfassung
der Solarzellentemperatur, vorgesehen sein.
Um einen Verbraucher mit Gleichstrom bzw. Gleichspannung zu
betreiben, kann zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der
Last eine Gleichrichteinrichtung vorgesehen sein, die das Ausgangssignal
des Verstärkers gleichrichtet. Durch das Vorsehen einer
Wechselrichteinrichtung kann aus dem schwingenden Verstärkerausgangssignal
ein sinusförmiger Wechselstrom zum Betreiben
von entsprechenden Lasten erzeugt werden. Es ist weiterhin möglich,
den Wechselstrom über einen Lasttrafo in ein lokales und/ oder
öffentliches (Leitungs-)Netz einzuspeisen. Als Last kann insbesondere
eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät,
ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator oder
ein anderer elektrischer Wandler vorgesehen sein.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht
eine symmetrische, bipolare Anordnung von Solarpanel, Differenziereinrichtung,
gegebenenfalls Filtereinrichtung und Verstärker vor.
Durch eine Zweidrahtverkabelung werden der positive und der negative
Anschluß eines Solarpanels mit der Differenziereinrichtung
verbunden. Auch die anderen Komponenten der Vorrichtung können
durch die symmetrische bipolare Zweidrahtverkabelung verbunden
werden. Durch die symmetrische Einspeisung können Verstärker
(Gegentakt-Verstärker) mit höherem Wirkungsgrad und größerem
Ein- und Ausgangswiderstand verwendet werden.
Eine Solarzelle oder mehrere Solarzellen als Stromquelle zur Erzeugung
von elektrischer Leistung sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
insbesondere ein MPP-Regler, können vorzugsweise auch
als Solarmodul ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, daß
Differenziereinrichtung, gegebenenfalls Filtereinrichtung, Verstärker
und Einstelleinrichtung als eine Einheit, insbesondere als ein analoger
und/oder digitaler Halbleiterchip, ausgebildet sind. Die Komponenten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch ganz
und/oder teilweise durch einen Mikrocomputer realisiert werden.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert, das
die nachstehenden Schritte umfaßt:
Da die zum Verstärken in Schritt (III) beim verwendeten Verstärker
erforderliche elektrische Verstärkerleistung (Pv) der Stromquelle
entnommen wird, entsteht eine Rückkopplung des Verstärkers auf
die Stromquelle, so daß das verstärkte Ausgangssignal Schwingungen,
insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
Vorzugsweise wird zum Verstärken in Schritt (III) ein Verstärker
verwendet, dessen aufgenommene elektrische Verstärkerleistung
(PV) nicht konstant, sondern von der Größe des verstärkten Ausgangssignals
(UA, IA) und/oder von der in Schritt (IV) von der Last
aufgenommenen Last-Leistung (PA) abhängig ist, so daß eine zeitlich
wechselnde Belastung der Stromquelle auftritt.
Um störende Signalkomponenten zu unterdrücken, ist es vorteilhaft,
das Ableitungssignal nach Schritt (II) und vor Schritt (III) zu filtern.
Eine besonders günstige Anregung des oszillierenden Systems kann
durch eine Filterung des zu verstärkenden Signals nach einer vorgegebenen
Bandpaß-Durchlaßcharakteristik erzielt werden.
Zweckmäßigerweise wird das Verstärken in Schritt (III) bei einstellbarem
Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorgenommen, um das
rückgekoppelte System zu Schwingungen anzuregen und die Oszillationsbedingung
zu erfüllen. Durch das Verändern des Verstärkungsgrades
kann das schwingungsfähige System, besonders ein
Solarsystem, an die aktuellen Arbeitsbedingungen, wie Beleuchtungsstärke
und Lastwiderstand, angepaßt werden. Der Verstärkungsgrad
wird vorteilhafterweise so eingestellt, daß die Schwingungsbedingung
für die aktuellen Arbeitsbedingungen erfüllt ist.
Der Verstärkungsgrad (F) wird vorzugsweise so eingestellt, daß die
von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) maximiert wird. Die
Einstellung des Verstärkungsgrads erfolgt zweckmäßigerweise durch
einen analogen und/oder digitalen Regler, insbesondere einen Maximalwertregler,
der automatisch einen maximalen Wert der zu
steuernden Größe ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß in Abhängigkeit
von einem Stellwert der Regelung, insbesondere dem
Verstärkungsgrad (F), ein Sollwert für die Regelung erzeugt wird.
Dabei ist es zweckmäßig, einen ansteigenden Sollwert zu erzeugen,
solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, und im
anderen Falle einen zeitlich abfallenden Sollwert zu erzeugen.
Zur Steuerung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers kann zu
vorgegebenen Zeitpunkten der Wert einer oder mehrerer der Größen
PQ, PA, UQ, IQ, UA, IA mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden
Zeitpunkt verglichen und der jeweilige Differenzwert
gebildet werden. Die Steuerung des Verstärkungsgrades erfolgt
zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung dieses Differenzwerts,
der die Änderung der entsprechenden Größe im Vergleich zum vorhergehenden
Zeitpunkt angibt.
In Schritt (III) kann ein Optimierungsverfahren angewandt werden,
um durch (iterative) Einstellung des Verstärkungsgrades (F) die von
der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung
(PQ) zu maximieren. Besonders geeignet zur Optimierung
der Leistung sind Gradientenverfahren, die die Ableitung der Leistung
bezüglich der einzustellenden Größe (Verstärkungsgrad) berücksichtigen.
Um parametrische Werte der Stromquelle, insbesondere die Temperatur
der Stromquelle, bei der Einstellung des Verstärkungsgrades
des Verstärkers zu berücksichtigen, können die Parameterwerte der
Stromquelle durch entsprechende Sensoren erfaßt und für eine Korrektur
des Verstärkungsgrades herangezogen werden.
Vorzugsweise wird der Verstärkungsgrad (F) so eingestellt, daß der
Arbeitspunkt des Verstärkers in einem nichtlinearen Bereich seiner
Verstärkungskennlinie liegt.
Das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) wird zweckmäßigerweise an
eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. einen Akkumulator, ein Ladegerät,
einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Transformator
oder einen anderen elektrischen Wandler angelegt.
Das dargestellte Konzept der Erfindung beschränkt sich nicht auf
die erläuterten Ausführungsformen, sondern erfaßt das grundsätzliche
Prinzip, einer Strom- bzw. Signalquelle über einen Verstärker
mit oszillierendem Ausgangssignal maximale Leistung zu entnehmen,
wobei der Verstärker als Last auf die Quelle zurückwirkt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 zur Anpassung einer elektrischen Last 2 an
eine Stromquelle 3. Die Anpassung der elektrischen Last 2 erfolgt
nach dem beanspruchten Oszillationsprinzip, um der Stromquelle 3
maximale Last-Leistung PA über die Last 2 zu entnehmen. Die Anpassung
kann im Hinblick auf eine wechselnde Lastimpedanz RL
und/ oder einen veränderlichen Innenwiderstand RQ der Stromquelle
3 erfolgen.
Die Stromquelle 3, beispielsweise eine Solarzellenanordnung
(Solarpanel), kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bedingungen,
z.B. Umgebungsbedingungen, eine wechselnde Stromquellen-Leistung
PQ erzeugen. So sind beispielsweise Strom IQ und Spannung
UQ einer Solarzelle von der Beleuchtungsstärke und der Solarzellentemperatur
TQ abhängig.
Die Vorrichtung 1 weist eine Differenziereinrichtung 4 auf, welche
die Ausgangsspannung UQ der Stromquelle 3 nach der Zeit t differenziert
und ein der ersten Ableitung dUQ / dt oder der zweiten Ableitung
d2UQ / dt 2 entsprechendes Ausgangssignal liefert. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel bildet die Differenziereinrichtung 4 die zweite
Ableitung d 2 UQ / dt 2 der Spannung UQ der Stromquelle. Die Differenziereinrichtung
4 kann beispielsweise durch einen entsprechend beschalteten
Operationsverstärker realisiert werden. Ein typischer
Operationsverstärker ist beispielsweise ein LN357N-Baustein.
Der Differenziereinrichtung 4 ist ein Bandpaßfilter 7 nachgeschaltet,
welches das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung 4 nach einer
vorgegebenen Bandpaßcharakteristik filtert, um Störsignale zu entfernen
und eine scharfe Resonanz des schwingenden Systems zu
erzielen. Das Bandpaßfilter 7 kann beispielsweise einen Durchlaßbereich
von bis zu 5 kHz aufweisen. Der geeignete Durchlaßbereich
ist, gegebenenfalls durch einfache Versuche, leicht zu ermitteln.
Der Ausgang der Filtereinrichtung 7 ist mit dem Signaleingang eines
Verstärkers 5 verbunden. Die Versorgungsspannung des Verstärkers
5 bzw. die Verstärker-Leistung Pv wird der Stromquelle 3 entnommen.
Vorzugsweise wird ein digitaler Audioverstärker der T-Klasse
mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Derartige Verstärker
weisen eine geringe Verzerrung, geringes Rauschen, einen großen
Dynamikbereich und eine hohe Störfestigkeit gegenüber Störungen
oder Rauschen der Versorgungsspannung auf. Verstärker der T-Klasse
bestehen aus einem CMOS-Signalverarbeitungsteil und einem
DMOS-Leistungstransistor. Ein bevorzugter Verstärker mit hohem
Wirkungsgrad ist der Baustein TA3020 von Tripath. Zur Einstellung
des Verstärkungsgrades kann beispielsweise der spannungsgesteuerte
Vorverstärker ST-VCA2 von Radio Design Labs eingesetzt
werden.
Der Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5 wird von einer Einstelleinrichtung
8 derart geregelt, daß die Last-Leistung PA, die dem Verbraucher
2 zugeführt wird, maximiert wird. Um die von der Last 2
aufgenommene Last-Leistung PA zu erfassen, weist die Einstelleinrichtung
8 eine Erfassungseinrichtung 10 auf, die den durch die
Last fließenden Strom IA und die an der Last abfallende Ausgangsspannung
UA des Verstärkers 5 erfaßt. Die Erfassungseinrichtung
10 kann durch Multiplikation des Stroms IA und der Spannung UA
die von der Last aufgenommene Last-Leistung PA ermitteln. Es ist
selbstverständlich auch möglich, nur den Strom IA oder die Spannung
UA zu erfassen und die Last-Leistung PA nur anhand der erfaßten
Größe zu bestimmen. Dies ist insbesondere bei bekannter und
konstanter Lastimpedanz RL vorteilhaft, da nur ein Sensor zur Ermittlung
der Last-Leistung PA benötigt wird. Auch bei variabler Lastimpedanz
RL kann die Last-Leistung PA geeignet abgeschätzt werden.
Anstatt die Last-Leistung PA zu maximieren, ist es weiterhin
möglich, eine der mit der Leistung korrelierten elektrischen Größen
(UA, IA) zu optimieren.
Die in Fig. 1 gezeigte Einstelleinrichtung 8 weist weiter einen Vergleicher
6 auf, der zu vorgegebenen Zeitpunkten ti, beispielsweise
alle 100 ms, den Wert der von der Erfassungseinrichtung 10 ermittelten
Last-Leistung PA (ti) mit dem Wert der betreffenden Größe zum
vorhergehenden Zeitpunkt PA (ti-1) vergleicht und einen Differenzwert
ΔPA (ti) bildet. Der Differenzwert ΔPA (ti) gibt die Änderung der Last-Leistung
PA in bezug auf den vorhergehenden Auswertezeitpunkt ti-1
an. Ein positiver Differenzwert ΔPA (ti) zeigt an, daß die Last-Leistung
PA zugenommen hat, beispielsweise infolge einer Änderung des Verstärkungsgrades
F, und umgekehrt.
Der Differenzwert ΔPA wird einem Regler 9 zugeführt, der den Verstärkungsgrad
F des Verstärkers 5 anhand des Differenzwerts derart
steuert, daß die Last-Leistung PA maximiert wird. Der Regler 9 kann
beispielsweise den Verstärkungsgrad F (ti) in Abhängigkeit einer Änderung
des Verstärkungsgrads ΔF (ti-1) zu einem vorhergehenden
Zeitpunkt ti-1 und dem Betrag der daraus resultierenden Last-Leistungsänderung
|ΔPA (ti)| einstellen.
Um den Einfluß der Zellentemperatur TQ auf die Kennlinie der
Stromquelle 3 zu berücksichtigen, ist eine Korrektureinrichtung 11
vorgesehen, welche die Temperatur TQ erfaßt und ein elektrisches
Korrektursignal an den Regler 9 liefert. Durch die Korrektureinrichtung
11 ist es beispielsweise möglich, bei der Einstellung des Verstärkungsgrades
F den Einfluß der Solarzellentemperatur TQ auf die
Strom-Spannungs-Kennlinie von Solarzellen zu berücksichtigen. Bekanntermaßen
fällt mit ansteigender Solarzellentemperatur TQ die
von der Solarzelle 13 erzeugte Stromquellen-Leistung PQ. Dies kann
durch eine entsprechende Erhöhung des Verstärkungsgrads F kompensiert
werden.
Da der Verstärker 5 seine Versorgungsspannung von der Stromquelle
3 bezieht, wird die vom Verstärker 5 aufgenommene Verstärker-Leistung
Pv der Stromquelle 3 entnommen. Die Stromquelle 3 wird
in Abhängigkeit vom Verstärkerausgangssignal UA bzw. der Last-Leistung
PA belastet, und es entsteht eine Rückkopplung zwischen
Last 2 bzw. Verstärker 5 und Stromquelle 3, die bei geeigneter Wahl
des Verstärkungsfaktors F zu Schwingungen des Ausgangssignals
UA des Verstärkers 5 führt. Durch auftretende Resonanzeffekte entstehen
am Verstärkerausgang Resonanzschwingungen, die bestimmte
charakteristische Frequenzen aufweisen.
Die Fig. 7 zeigt ein Frequenzdiagramm einer typischen am Verstärkerausgang
auftretenden Resonanzschwingung. Man erkennt deutlich
das ausgeprägte Frequenzmaximum bei 4,7 kHz. Im Resonanzfall
entnimmt dieses schwingende System der Quelle maximale Leistung,
die als Last-Leistung PA am Verbraucher 2 zur Verfügung
steht. Ein weiteres Maximum der Schwingung am Verstärkerausgang
liegt bei 12,3 kHz.
Da das Auftreten von Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang
einfach zu erfassen ist, kann die Maximierung der an der Last
2 auftretenden Last-Leistung PA durch das Auswerten einer
"scharfen" Kennlinie erfolgen. Eine aufwendige Ermittlung des Leistungsmaximums
einer relativ flachen Leistungs-Kennlinie, wie sie
nach dem Stand der Technik erfolgt, ist nicht erforderlich. Der Verstärkungsgrad
F des Verstärkers 5 muß nur bei veränderten Stromquellenbedingungen
oder einer wechselnden Last 2 nachgeführt
werden, damit die Schwingungsbedingung des Oszillators weiter erfüllt
ist.
Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, die eine symmetrische, bipolare Anordnung
aufweist, wie sie in der Solartechnik oftmals verwendet wird.
Die Stromquelle 3 weist mehrere in Serie geschaltete Solarpanels 13
auf. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Solarpanels 13
steht eine positive/negative Ausgangsspannung von beispielsweise
± 6 V oder ± 12 V zur Verfügung. Um eine höhere Nennleistung zu
erzielen, können weitere Solarpanels 13 parallel geschaltet werden.
Die Differenziereinrichtung 4 und der Verstärker 5 sind über eine
entsprechende symmetrische Verkabelung mit der Stromquelle 3
verbunden und zur Verarbeitung von bipolaren Signalen geeignet.
Durch die in der Solartechnik übliche symmetrische Anordnung der
Komponenten kann ein hoher Wirkungsgrad mit hoher Ausbeute für
das gesamte Photovoltaik-System erzielt werden.
Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und der Last 2 ist eine
Gleichrichteinrichtung 12 vorgesehen, die den Ausgangsstrom IA
bzw. die Ausgangsspannung UA des Verstärkers 5 gleichrichtet. Auf
diese Weise kann die Last 2 mit Gleichstrom bzw. Gleichspannung
betrieben werden, was besonders zum Laden von Akkumulatoren
bzw. Batterien vorteilhaft ist. Um sinusförmige Wechselströme zu
erzeugen, kann auch eine Wechselrichteinrichtung vorgesehen sein.
Diese kann direkt mit dem Ausgang des Verstärkers 5 oder mit dem
Ausgang der Gleichrichteinrichtung 12 verbunden sein. Der erzeugte
Wechselstrom kann auch über einen Lasttrafo in ein lokales
und/oder öffentliches Netz eingespeist werden. Besonders vorteilhaft
ist es, dazu einen dreiphasigen Wechselrichter vorzusehen.
In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel regelt der Regler 9
den Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5. Dem Regler 9 wird dazu
die von der Erfassungseinrichtung 10 ermittelte Stromquellen-Leistung
PQ oder eine andere damit korrelierte Größe zugeführt. Der
Regler 9 kann beispielsweise als Maximalwertregler ausgebildet sein,
der in Abhängigkeit von dem Verstärkungsgrad F einen Sollwert für
die Regelung erzeugt. Ein Sollwertgenerator generiert anhand des
Verstärkungsfaktors einen mit fortlaufender Zeit ansteigenden Sollwert,
bis das Maximum der von der Stromquelle entnommenen Leistung
PQ erzielt wird.
Die Fig. 6a zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls
für eine Lastbetrachtung zur Erläuterung des Funktionsprinzips.
Die Stromquelle 3 wird dazu durch eine ideale Stromquelle
mit eingeprägtem Strom IQ und einem Innenwiderstand RQ
dargestellt. Am Ausgang der Stromquelle 3 tritt die Spannung
UQ = IQ · RQ auf.
Da die Leistungsaufnahme der Differenziereinrichtung 4 gegenüber
der vom Verstärker aufgenommenen Leistung Pv zu vernachlässigen
ist, wird die Stromquelle 3 ausschließlich durch den Verstärker 5
belastet. Für die Stromquelle 3 stellt der Verstärker 5 in Abhängigkeit
von der von ihm aufgenommenen Leistung Pv eine variable Last
Rv dar.
Auf der Ausgangsseite des Verstärkers 5 treten die Spannung UA
und der Strom IA auf. Der Verstärker 5 wird durch die Last 2 mit einer
Impedanz RL belastet.
Da der Innenwiderstand RQ der Stromquelle 3 in der Regel sehr viel
größer als der Widerstand Rv des Verstärkers ist, gilt näherungsweise:
PV = IQ 2 · RV .
Auf der Verstärkerausgangsseite ergibt sich
PA = UA · IA = UA 2 RL
für die Last-Leistung. Unter der Annahme eines verlustlos arbeitenden
Verstärkers mit 100 % Wirkungsgrad gilt:
PA = PV .
Somit kann der Widerstand RV des Verstärkers bestimmt werden:
RV = UA 2 IQ 2 · RL .
Die Fig. 6b zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls
für eine Signalbetrachtung. Zum Zwecke einer einfachen
Erläuterung wird der Verstärker 5 als beschalteter Operationsverstärker
(U-U-Wandler) dargestellt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
5 gemäß dieser Beschaltung zu F ist
F = UA UV .
Die am Eingang der Vorrichtung anliegende Stromquellen-Spannung
UQ wird von der Differenziereinrichtung 4 zweimal nach der Zeit t
differenziert. Am Eingang des Verstärkers 5 liegt demnach die
Spannung
UV = d 2 UQ dt 2
an. Am Verstärkerausgang ergibt sich die Spannung UA = F · UV.
Unter Berücksichtigung des durch die Leistungsbetrachtung gewonnenen
Ausdrucks für Rv gilt:
UQ = UA 2 IQ · RL .
Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Verstärkereingangsspannung
Uv und Verstärkerausgangsspannung UA wird
folgende Differentialgleichung zweiter Ordnung erhalten:
Diese nichtlineare Differentialgleichung zweiter Ordnung für die
Spannung UA (t) am Ausgang des Verstärkers beschreibt ein schwingungsfähiges
System bestehend aus Stromquelle 3, Differenziereinrichtung
4, Verstärker 5 und Last 2. Die Lösungen der Differentialgleichung
entsprechen komplexen Schwingungen. Mit Eintritt der
Schwingungsbedingung treten Resonanzeffekte auf, die zu Resonanzschwingungen
der Verstärkerausgangsspannung UA führen. Im
Resonanzfall wird der Stromquelle 3 maximale Leistung PQ entnommen
und der Last zugeführt.
Die Resonanzfrequenzen der Schwingung der Ausgangsspannung UA
des Verstärkers sind in dem Frequenzdiagramm der Fig. 7 dargestellt.
Man kann deutlich das ausgeprägte Maximum der Ausgangsspannung
UA bei einer Frequenz von ca. 4,7 kHz erkennen.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungsregelung,
die automatisch eine derartige Einstellung des Verstärkungsgrades
F ermöglicht, um eine Oszillation am Verstärkerausgang zu
erzielen.
Zur Anpassung des Arbeitsbereichs kann der erfaßte Istwert X, beispielsweise
die Spannung UA bzw. die Leistung PA, gegebenenfalls
nach einer Glättung bzw. Mittelung, fakultativ von einer Normierungseinrichtung
14 normiert bzw. skaliert werden.
Ein Maximum-Regler 15 ermittelt einen Stellwert Y für die Einstellung
des Verstärkungsgrades F des Verstärkers 5, wobei eine mit
dem Istwert korrelierte Zielgröße, z.B. die Lastleistung PA, maximiert
werden soll. Der Maximum-Regler 15 speichert dazu zum Zeitpunkt
t den aktuellen Istwert X und den Stellwert Y. Zum Zeitpunkt t+1
wird der Stellwert Y um den Wert dY erhöht. Durch diese Änderung
des Stellwerts wird der Verstärkungsgrad um dF verändert, wodurch
sich auch die Spannung UA bzw. die Leistung PA ändert.
Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t+1 kleiner als der Istwert X zum
vorangegangenen Zeitpunkt t ist, wurde der Stellwert in die falsche
Richtung verändert. Zum nächsten Zeitpunkt t+2 wird der Stellwert
dann um den Wert 2 dY verringert.
Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t+ 1 größer wird oder gleich bleibt,
kann die Änderung wiederholt werden. Zum nächsten Zeitpunkt t+2
wird der Stellwert ein weiteres Mal um den Wert dY erhöht.
Diese Verfahrensweise wird vom Maximum-Regler 15 ständig wiederholt.
Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung UA bzw. die
Leistung PA laufend maximiert werden.
Über eine fakultative Kennlinienanpassungseinrichtung 16 kann der
berechnete Stellwert Y an die Verstärkungskennlinie des Verstärkers
5 (Verstärkungen Vi) angepaßt werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise
durch eine stückweise lineare Anpassungskennlinie,
die z.B. durch Stützpunktpaare (Yi,Vi) beschrieben wird.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus
zur Untersuchung des Leistungsverhaltens einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1. Ziel der Versuche war es, einen Gewinn in der
von einem Lastwiderstand 2 aufgenommenen Last-Leistung PA
durch die Impedanzanpassung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
1 nachzuweisen.
Dazu wurden insgesamt sechs identische Solarpanels 13 gleich zur
Sonne ausgerichtet. Jeweils zwei Panels wurden zusammengefaßt,
so daß drei Panelpaare zur Messung zur Verfügung standen. Die
ersten beiden Panelpaare (Kanäle a und b) wurden über die Schalter
17a, 17b mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 verbunden. Die
Vorrichtung 1 wies zwei unabhängige Kanäle auf, an deren jeweiligen
Ausgängen sich Lastwiderstände 2a, 2b befanden. Als Referenz
für die qualitative Vergleichsmessung wurde das dritte Solarpanelpaar
über einen Schalter 17c mit einem Lastwiderstand 2c verbunden
(Kanal c).
Um Fehler durch fertigungsbedingte Bauteilunterschiede auszuschließen,
wurden in Vorversuchen alle Paarungen der Bauteile
untersucht. Durch diese Messungen wurde festgestellt, daß der
maximale Fehler durch Bauteilunterschiede weniger als 1 % beträgt.
Zur Messung der Lastleistung PA, die von den jeweiligen Lastwiderständen
2a, 2b, 2c aufgenommen wurde, erfolgte eine kalorimetrische
Messung durch Aufzeichnen des Temperaturverlaufs der auf
jeweils einem Aluminiumblock als Kühlkörper angeordneten Lastwiderständen
2a, 2b, 2c durchgeführt. In jedem Kühlkörper war dazu
in einer zentralen Bohrung jeweils ein Temperatursensor 18a, b, c
angeordnet, der die Temperatur Ta, Tb, Tc des Lastwiderstands 2a,
b, c erfaßte. Die Daten der Temperatursensoren 18a, 18b, 18c wurden
von einer Meßvorrichtung 19 aufgezeichnet. Zusätzlich wurden
die Spannungen und Ströme der Lastwiderstände 2a, 2b, 2c erfaßt
und aufgezeichnet.
Bei Beginn der Messung wurden die Schalter 17a, 17b, 17c gleichzeitig
eingeschaltet. Für jeden Kanal a, b, c wurden Strom und
Spannung sowie die Temperatur des Kühlkörpers für die einzelnen
Meßintervalle erfaßt und aufgezeichnet.
Die Fig. 10 zeigt den Verlauf der Stromstärke, der Spannung und
der Temperatur für die Kanäle a, b, c. Strom und Spannung der Kanäle
a, b, deren Lasten 2a, 2b über die erfindungsgemäße Vorrichtung
1 an die zeitlich wechselnden Quellen-Leistungen PQ ihrer Solarpanels
angepaßt wurden, waren deutlich größer als Strom und
Spannung des Referenzkanals c. Die größere Last-Leistung der Kanäle
a, b zeigt sich auch im Temperaturverlauf der Kühlkörper der
Lastwiderstände 2a, 2b. Die Temperaturen dieser Kühlkörper stiegen
im Verlauf der Messung gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers
des Lastwiderstands 2c deutlich an.
In Fig. 11 sind weitere experimentelle Ergebnisse graphisch dargestellt.
Die obere Grafik zeigt den Verlauf der erfaßten Last-Leistung
mit und ohne erfindungsgemäße Vorrichtung (MPP-Regler) für vier
Zeitbereiche (Bereiche 1, 2, 3 und 4). Die untere Grafik zeigt das
Verhältnis der Last-Leistung mit Vorrichtung zur Last-Leistung des
Referenzkanals. Dieses Leistungsverhältnis ist für weite Bereiche
der Messung größer eins, was einen Leistungsgewinn durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung bedeutet.
Der größte Gewinn wurde in Bereich 1 der Messung erzielt. In diesem
Zeitabschnitt wurde die Sonne von einer Wolke verdeckt, wodurch
nur eine geringe Quellen-Leistung zur Verfügung stand. In
diesem Bereich wurde die Last durch die Vorrichtung an den gestiegenen
Innenwiderstand der Quelle angepaßt und so die Leistungsentnahme
optimiert. Die Last-Leistung mit Vorrichtung 1 ist deutlich
größer als ohne.
Im Bereich 2 änderte sich die Bestrahlungsstärke der Solarpanels.
Durch die Einstelleinrichtung 8 wurde der Verstärkungsgrad F des
Verstärkers 5 geregelt, um die Schwingungsbedingung des Oszillationssystems
den veränderten Beleuchtungsbedingungen anzupassen.
Beide Leistungen schwankten in diesem Bereich stark.
Im Bereich 3 wurde die Sonne wiederum von einer Wolke verdeckt.
Die Leistung am direkt an die Solarpanels angeschlossenen Lastwiderstand
brach aufgrund der Fehlanpassung an die veränderte
Quellenimpedanz zusammen, während die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Anpassung an die veränderten Quellenparameter vornahm.
Im Bereich 4 mit direkter Sonneneinstrahlung schwankte die Quellenleistung
relativ stark. Die Leistungen mit und ohne erfindungsgemäße
Vorrichtung sind in diesem Bereich ungefähr gleich. Am
Ende der Meßdauer wurde die Sonne wieder von Wolken verdeckt,
und die erfindungsgemäße Impedanzanpassung führte zu einem erneuten
Leistungsgewinn, wie die untere Grafik im Bereich 4 zeigt.
Die Experimente der Beispiele 1 und 2 zeigen einen deutlichen Leistungsgewinn
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Besonders
in Bereichen, in denen die Bestrahlung der Solarpanels von den optimalen
Bedingungen, für welche die Solaranlage ausgelegt wurde,
abweicht, kann die Vorrichtung trotz Fehlanpassung der Quelle
maximale Leistung entnehmen und dem Lastwiderstand zuführen.
Dies entspricht einer laufenden adaptiven Anpassung der Last an
die Quelle unter Leistungsgewinn.
- 1
- Vorrichtung bzw. MPP-Regler
- 2
- Last (elektrische)
- 3
- Stromquelle
- 4
- Differenziereinrichtung
- 5
- Verstärker
- 6
- Vergleicher
- 7
- Filtereinrichtung
- 8
- Einstelleinrichtung
- 9
- Regler
- 10
- Erfassungseinrichtung
- 11
- Korrektureinrichtung
- 12
- Gleichrichteinrichtung
- 13
- Solarzellen (photovoltaische Zellen)
- 14
- Normierungseinrichtung
- 15
- Maximum-Regler
- 16
- Kennlinienanpassungseinrichtung
- UQ
- Spannung der Stromquelle 3
- IQ
- im Stromquellenkreis fließender Strom
- PQ
- Stromquellen-Leistung
- UA
- Ausgangsspannung des Verstärkers 5
- IA
- durch die Last 2 fließender Strom
- PA
- von der Last 2 aufgenommene Last-Leistung
- PV
- Verstärker-Leistung
- F
- Verstärkungsgrad des Verstärkers 5
- TQ
- Stromquellen-Temperatur
Claims (35)
- Vorrichtung (1) zur Anpassung einer elektrischen Last (2) an eine Stromquelle (3) mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung (PQ), um der Stromquelle (3) maximale Last-Leistung (PA) über die Last (2) zu entnehmen, die aufweist:eine Differenziereinrichtung (4), die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle (3) nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes Ausgangssignal liefert,
undeinen der Differenziereinrichtung (4) nachgeschalteten Verstärker (5), an dessen Ausgang die Last (2) anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung (4) verstärkt, - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung (7), insbesondere ein Bandpaßfilter, zwischen dem Ausgang der Differenziereinrichtung (4) und dem Eingang des Verstärkers (5) vorgesehen ist, die das Ausgangssignal des Verstärkers (5) nach einer vorgegebenen Durchlaßcharakteristik filtert.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einstelleinrichtung (8) für den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) aufweist, die auf den Verstärker (5) wirkt.
- Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) ein Operationsverstärker ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Erfassungseinrichtung (10) aufweist, welche die von der Stromquelle (3) abgegebene Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) und/oder eine mit diesen Leistungen korrelierte elektrische Größe (UA, IA; UQ, IQ) erfaßt.
- MPP-Regler, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Einstelleinrichtung (8) einen Regler (9) aufweist, der die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung (10) als solche oder nach Signalverarbeitung als Istwerte erfaßt und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) regelt.
- MPP-Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) so ausgebildet ist, daß er den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so regelt, daß die Last-Leistung (PA) maximiert wird.
- MPP-Regler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) einen Sollwertgenerator aufweist, der in Abhängigkeit von einem Stellwert des Reglers (9), insbesondere dem Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5), einen Sollwert für die Regelung erzeugt.
- MPP-Regler Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgenerator, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, einen zeitlich ansteigenden Sollwert erzeugt und anderenfalls, wenn'der Stellwert die Bedingung nicht erfüllt, einen zeitlich abfallenden Sollwert erzeugt.
- MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) einen Vergleicher (6) aufweist, der zu vorgegebenen Zeitpunkten den Wert einer oder mehrerer der von der Erfassungseinrichtung (10) erfaßten Größen (PQ, PA; UQ, IQ; UA, IA) mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt vergleicht und den jeweiligen Differenzwert dem Regler (9) zuführt, der je nach Art der erfaßten Größe den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) anhand des Differenzwerts so steuert, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird.
- MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) erhöht, wenn der Wert der von der Erfassungseinrichtung (10) erfaßten Größe oder das Ausgangssignal des Vergleichers (6) ansteigt und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) verringert, wenn die entsprechende Größe abfällt.
- MPP-Regler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ändert.
- MPP-Regler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) erhöht, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher (6) eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher (6) eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) verringert, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher (6) eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher (6) eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird.
- MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Optimierungseinrichtung aufweist, die ein Optimierungsverfahren, insbesondere ein Gradientenverfahren, ausführt, um das Maximum der von der Stromquelle (3) abgegebenen Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der von der Last (2) aufgenommenen Last-Leistung (PA) zu ermitteln und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) entsprechend zu steuern.
- Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers (5) in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.
- Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Korrektureinrichtung (11) aufweist, die eine parametrische Größe der Stromquelle (3), insbesondere die Stromquellen-Temperatur (TQ) der Stromquelle (3), erfaßt und in Form eines elektrischen Korrektursignals an den Regler (9) liefert, der ein entsprechend korrigiertes Ausgangssignal bzw. Stellsignal zur Steuerung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) abgibt.
- Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verstärkers (5) und der Last (2) eine Gleichrichteinrichtung (12) und/oder eine Wechselrichteinrichtung vorgesehen ist.
- Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) ein analoger oder digitaler Verstärker einer der Klassen A bis T oder ein adaptiver Power-MOSFET-Verstärker ist.
- Solarmodul, der als Stromquelle (3) eine oder mehrere photovoltaische Zellen (Solarzellen) (13) zur Erzeugung von elektrischer Leistung sowie eine Vorrichtung oder einen MPP-Regler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
- Verfahren zur Anpassung einer elektrischen Last (2) an eine Stromquelle (3) mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung (PQ), um der Stromquelle (3) maximale Last-Leistung (PA) über die Last (2) zu entnehmen, das folgende Schritte umfaßt:(I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle (3) oder einer damit korrelierten elektrischen Größe,(II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2),(III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und(IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last (2),
- Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verstärken in Schritt (III) ein Verstärker (5) verwendet wird, dessen aufgenommene elektrische Verstärker-Leistung (PV) nicht konstant ist, sondern von der Größe des verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und/ oder von der in Schritt (IV) von der Last (2) aufgenommenen Last-Leistung (PA) abhängt.
- Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt (II) und vor Schritt (III) das Ableitungssignal gefiltert wird, insbesondere durch ein Bandpaßfilter.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärken in Schritt (III) unter Einstellung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) vorgenommen wird.
- Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) in Schritt (III) so eingestellt wird, daß die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) maximiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) durch einen Regler eingestellt wird.
- Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem Stellwert des Reglers, insbesondere dem Verstärkungsgrad (F), ein Sollwert für die Regelung erzeugt wird.
- Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, ein zeitlich ansteigender Sollwert erzeugt wird und anderenfalls, wenn der Stellwert die Bedingung nicht erfüllt, ein zeitlich abfallender Sollwert erzeugt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) zu vorgegebenen Zeitpunkten der Wert einer oder mehrerer der Größen PQ, PA, UQ, IQ, UA, IA mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt verglichen und der jeweilige Differenzwert gebildet wird, mit dem der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so gesteuert wird, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit von einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) geändert wird.
- Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) ein Optimierungsverfahren, insbesondere ein Gradientenverfahren, angewandt wird, um durch Einstellung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) zu maximieren.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit von einem erfaßten Parameterwert der Stromquelle (3), insbesondere der Stromquellen-Temperatur (TQ), eingestellt wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so eingestellt wird, daß der Arbeitspunkt in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.
- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (IV) das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) an eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. einen Akkumulator, ein Ladegerät, einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Transformator oder einen anderen elektrischen Wandler als Last (2) angelegt wird.
- Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 33 zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus.
- Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 33 zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus, deren Last (2) eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator und/ oder ein anderer elektrischer Wandler ist.
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