УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОТБОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2002 года по МПК H02J7/32 H02J7/35 

Область техники.

Изобретение может применяться в энергетике и приборостроении.

Уровень техники.

Фотоэлектрические преобразователи энергии (далее ФЭП) являются перспективными средствами получения электрической энергии из восстанавливаемого источника. Однако широкое применение ФЭП ограничено как техническими, так и экономическими факторами, а именно:
- неравномерностью электрической мощности ФЭП во времени;
- высокой стоимостью полупроводникового материала.

Неравномерность электрической мощности ФЭП во времени определяется:
- изменением величины светового потока за счет неравномерной прозрачности атмосферы;
- изменением угла падения светового потока на поверхность ФЭП, связанного с суточным и сезонным перемещением Солнца;
- суточным и сезонным изменением температуры окружающей среды;
- разогревом ФЭП при возрастании величины светового потока.

Неравномерность электрической мощности ФЭП во времени приводит к ее систематическому рассогласованию с мощностью внешней нагрузки. Для устранения рассогласования внешней нагрузки с мощностью ФЭП применяются: коммутация балластной нагрузки различной мощности [1], включение аккумулятора в буферном режиме [2, 3, 4], широтно-импульсная стабилизация напряжения на нагрузке [5, 6] и комбинация этих приемов [7, 8, 9].

Аналог 1 [1] представляет собой регулятор напряжения для солнечной батареи (СБ). Он состоит из магазина из семи резисторов сопротивлением от 10 Ом до 330 кОм, которые могут быть включены параллельно СБ на основе аморфного кремния. Вследствие большого внутреннего сопротивления СБ разница напряжения холостого хода и напряжения под нагрузкой составляет значительную величину. Для устранения этого параллельно с основной нагрузкой включают шунтирующие балластные резисторы, что позволяет поддерживать напряжение в интервале 13,4-17,6 В.

Недостатками описанного устройства являются:
- рассеивание избыточной мощности на балластных сопротивлениях нагрузки;
- отсутствие слежения за режимом отбора максимальной мощности СБ;
- дискретный характер регулирования выходной мощности.

Аналог 2 [2]. Для улучшения согласования мощности СБ с нагрузкой в этом случае применен накопитель энергии, включенный в буферном режиме. Устройство представляет собой СБ из пяти элементов из монокристаллического кремния (U_xx= 2.65 В). Рабочая точка СБ: U=1.9 В, i=40 мА. В качестве накопителя использован никель-кадмиевый аккумулятор напряжением 1.2 В и емкостью 2 А•ч. Для предотвращения разряда аккумулятора через СБ в случае отсутствия освещения последовательно с СБ включен защитный диод. Электрическая энергия, выработанная СБ, поступает на сопротивление нагрузки и заряд аккумулятора. В случае отсутствия напряжения на СБ, энергия аккумулятора также поступает на сопротивление нагрузки. Реальное рабочее напряжение устройства составляет 1.2-1.4 В.

Недостатками устройства являются:
- значительное превышение U_xx СБ над рабочим напряжением устройства;
- большое (на 1 В рабочего напряжения) количество последовательно коммутированных ФЭП;
- рассеивание мощности на защитном диоде (особенно при больших токах в системе).

Аналог 3 [3] - это регулятор заряда аккумуляторной батареи от СБ.

Устройство состоит из СБ, аккумуляторной батареи (АБ), шунтирующих диодов и управляющего процессора. По мере повышения освещенности управляющий процессор подключает к АБ дополнительные аккумуляторы, а по мере уменьшения освещенности - отключает их.

К недостаткам устройства можно отнести:
- рассеивание мощности на защитных и шунтирующих диодах;
- дискретный характер согласования СБ и АБ;
- дискретный характер изменения величины выходного напряжения.

Аналог 4 [4] - система на основе СБ, предназначенная для питания датчиков, электромагнитных ключей, таймеров и др. В качестве буфера использован электролитический конденсатор емкостью 1 Ф и запасом энергии 23 Дж. Применение конденсатора большой емкости в качестве буфера позволяет значительно увеличить мощность импульсного потребления энергии СБ нагрузкой.

Недостатками системы являются отсутствие определенной величины напряжения питания на конденсаторе, что обусловлено временем заряда его большой емкости и неопределенным алгоритмом потребления накопленной энергии.

Аналог 5 [5] - это регулятор напряжения СБ на сопротивлении нагрузки. Устройство состоит из двух транзисторов, двух конденсаторов, двух диодов и задающего генератора импульсов. Конденсаторы соединены последовательно и заряжаются через соответствующие диоды и транзисторы, которые включаются по очереди. Транзисторы управляются генератором импульсов, задающим их последовательность и длительность, на основании сравнения напряжения выхода и сигнала опорного ФЭП, смонтированного на СБ. Конденсаторы включены параллельно сопротивлению нагрузки и поддерживают напряжение на нем, равное тому, что соответствует максимальной мощности СБ.

Недостатками устройства являются:
- в период импульса "включено" ток заряда конденсаторов изменяет свою величину и не всегда соответствует точке максимальной мощности СБ;
- в период импульса "выключено" для обоих транзисторов отбор энергии от СБ не осуществляется;
- при отсутствии сопротивления нагрузки отбор энергии от СБ не осуществляется;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.

Аналог 6 [6] - это устройство, обеспечивающее постоянное напряжение на сопротивление нагрузки СБ. Устройство состоит из СБ, трансформатора постоянного тока на полевых транзисторах и блока управления. Управление транзисторами обеспечивает аналоговая схема, формирующая частотно-модулированный сигнал, длительность которого определяется мощностью СБ в данный момент времени. Для этого проводятся непрерывные измерения значений тока и напряжения СБ, которые умножаются, после чего полученный таким образом сигнал сравнивается с предыдущим, сдвинутым относительно него на минимально возможный промежуток времени. Эта операция позволяет определить тенденции в изменении выходной мощности, согласно с которой осуществляется уменьшение или увеличение длительности управляющего импульса, в результате чего изменяется коэффициент трансформации, а следовательно, режим согласования нагрузки и СБ.

Недостатками устройства являются:
- в период импульса "включено" режим отбора тока фотоносителей не является режимом максимальной мощности СБ;
- в период импульса "выключено" отбор электрической энергии от СБ не осуществляется;
- при отключенном сопротивлении нагрузки отбор электрической энергии от СБ не осуществляется;
- сложность системы управления;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.

Аналог 7 [7] - это устройство для заряда АБ от СБ. Устройство состоит из СБ, основного силового диода, вольт-добавочного трансформатора, подключенного через транзисторные ключи, вспомогательных диодов и конденсатора. Основной заряд аккумулятора осуществляется через силовой диод в режиме максимальной мощности СБ (аналог 2). В случае, если мощность СБ по какой-либо причине уменьшается и напряжение на ней становится ниже порогового, необходимого для заряда аккумулятора, то заряд продолжается с помощью вольт-добавочного трансформатора, управляемого импульсами (аналог 6). Параллельно СБ включен конденсатор, накапливающий энергию в период заряда АБ через силовой диод и закрытые ключи вольт-добавочного трансформатора и отдает ее в период импульсов тока на вольт-добавочном трансформаторе.

Предложенное устройство подключения СБ к АБ позволяет снизить требования к соотношению напряжения на СБ и АБ по отношению к аналогу 2, однако, не устраняет всех присущих ему недостатков. Включение параллельно с СБ конденсатора позволяет устранить недостатки, присущие аналогу 6, однако соотношение емкости конденсатора с величиной и длительностью импульсов тока на вольт-добавочном трансформаторе требует дополнительного уточнения.

Аналог 8 [8] - это регулятор напряжения СБ для заряда АБ. Устройство состоит из СБ, электронных ключей, АБ и контроллера с широтно-импульсной модуляцией. Два транзисторных ключа с широтно-импульсной модуляцией обеспечивают раздельный контроль и регулирование входного и выходного напряжений. При этом входное напряжение соответствует напряжению максимальной мощности СБ, а выходное напряжение задается оптимальным для зарядки АБ. Таким образом устраняются недостатки аналогов 2, 3, 4.

Вместе с тем недостатками устройства являются:
- в период импульса "выключено" на входном ключе отбор энергии от СБ не производится;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.

Прототип [9] - это регулятор мощности для СБ, который обеспечивает ее работу при различных уровнях освещенности и температурах и предназначен для заряда АБ. Устройство состоит из индуктивности, конденсатора, диода, электронного ключа, блока управления, датчиков тока и освещенности.

Импульс тока с СБ через замкнутый электронный ключ подается на индуктивность (импульс "включено"). При этом датчик тока контролирует его величину i и передает ее в блок управления, куда поступает также информация о напряжении СБ (U_СБ), уровне освещенности СБ (U_xx) и напряжении на выходе регулятора (U_о).

При размыкании электронного ключа (импульс "выключено") энергия, запасенная индуктивностью, передается через диод на заряд емкости, включенной параллельно с аккумулятором и поддерживающей напряжение на выходе регулятора в период импульса "включено".

Напряжение на емкости связано с напряжением на СБ соотношением

где t - длительность импульса "включено";
1-t - длительность импульса "выключено".

Соотношение длительности обоих импульсов формируется блоками управления на основе сравнения U_o, U_xx, U_СБ и i с целью поддержания постоянного значения U_o.

Очевидным преимуществом прототипа по отношению к аналогам 1, 2, 3, 4 и 7 является отсутствие прямой зависимости U_o от U_СБ, а следовательно, возможность уменьшения последовательно коммутированных ФЭП. Преимуществом прототипа по отношению к аналогам 5 и 6 является возможность отбора энергии от СБ независимо от подключения сопротивления нагрузки к АБ. И, наконец, наличие в устройстве только одного силового транзисторного ключа упрощает управление им и не требует дополнительного согласования его работы, как в случае аналога 8.

Недостатками устройства являются:
- во время импульса "включено" вследствие изменения величины тока в индуктивности отбор энергии от СБ не всегда соответствует точке ее максимальной мощности;
- в период импульса "выключено" отбор энергии от СБ не проводится;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.

Приведенные выше обстоятельства служат причиной потерь электрической энергии СБ, снижения эффективности их применения и повышения стоимости.

Суть изобретения.

Постановка задачи.

В основу изобретения поставлена задача в устройстве для получения электрической энергии от фотоэлектрического преобразователя путем расширения диапазона восприятия потока солнечного излучения, оптимизации условий работы ФЭП и повышения КПД при дальнейших преобразованиях электрической энергии обеспечить уменьшение ее потерь.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для отбора электрической энергии от солнечной батареи, состоящей из последовательно коммутируемых фотоэлектрических преобразователей и аккумулятора, согласно изобретению параллельно выходу солнечной батареи включен электрический конденсатор, заряженный до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, внутреннее сопротивление электрического конденсатора значительно меньше внутреннего сопротивления солнечной батареи, а электрическая энергия с него передается на преобразователь постоянного напряжения, содержащий индуктивность, энергоемкость которой меньше энергоемкости электрического конденсатора, силовой диод, интегрирующий конденсатор, электронный ключ, стабилитрон обратной связи, блок управления, представляющий собой генератор прямоугольных импульсов, режим работы которого формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств и тока стабилитрона обратной связи, таким образом, что срабатывание нижнего порогового устройства при нарастании напряжения на электрическом конденсаторе не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления, а при достижении на электрическом конденсаторе напряжения срабатывания верхнего порогового устройства импульсный сигнал на выходе устройства управления приводит к началу цикла отвода электрической энергии от электрического конденсатора, заключающемуся в поочередном открывании и закрывании электронного ключа, причем, при каждом состоянии электронного ключа "включено" энергия электрического конденсатора переходит в энергию индуктивности, а в состоянии электронного ключа "выключено", запасенная в индуктивности энергия через силовой диод поступает на интегрирующий конденсатор и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда аккумулятора, при этом, при возрастании напряжения на интегрирующем конденсаторе до напряжения пробоя стабилитрона обратной связи, ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности состояния "включено" электронного ключа, а при уменьшении напряжения на электрическом конденсаторе до напряжения срабатывания нижнего порогового устройства устанавливает электронный ключ в стабильное состояние "выключено", означающее окончание цикла отвода энергии от электрического конденсатора в аккумулятор, при этом, напряжения срабатывания верхнего и нижнего пороговых устройств равны электрическому напряжению точки максимального отбора мощности солнечной батареи, определяемой из ее вольтамперной характеристики при ее конкретном размещении и при ее максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня, а емкость С электрического конденсатора удовлетворяет условию

где С - емкость электрического конденсатора,
I_кзmax - ток короткого замыкания солнечной батареи при максимальном уровне освещенности,
τ_Bmax - максимальная длительность состояния "выключено" электронного ключа,
U_xx - напряжение холостого хода солнечной батареи.

Поставленная задача решается тем, что в способе отбора электрической энергии от солнечной батареи, включающем преобразование энергии солнечного излучения в электрический сигнал и ее аккумулирование, согласно изобретению энергия электрического сигнала солнечной батареи предварительно накапливается с помощью электрического конденсатора емкостью от 0,01 до 100 Ф, заряженного до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, а затем отводится от него на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения порциями от 1 до 10⁵ Дж.

Расширение диапазона потока солнечной энергии можно осуществить за счет повышения его интенсивности путем концентрирования с помощью фокусирующих зеркал или линз. Применение концентрирования солнечного излучения в настоящее время является признанным путем [10] снижения стоимости энергии, получаемой прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую. Концентрирование солнечного излучения дает возможность значительным образом повлиять на величину тока короткого замыкания (i_кз) ФЭП, который является прямо пропорциональным интенсивности светового потока в пределах 1-2 порядков его величины [11] . При тех же условиях напряжение холостого хода U_xx ФЭП изменяется на 20-30%. Следовательно, концентрирование солнечного излучения позволяет уменьшить количество параллельно коммутированных ФЭП, однако, не позволяет снизить количество последовательно коммутированных, отвечающих за создание и внутреннее сопротивление СБ R_СБ.

Для уменьшения числа последовательно коммутированных ФЭП и достижения необходимого напряжения выхода предложено применить однотактный преобразователь постоянного напряжения (ППН) с широтно-импульсной стабилизацией (ШИС). ППН с ШИС обладает КПД (70-90)% и позволяет повышать напряжение на выходе по отношению к напряжению входа [12]. При этом величина напряжения выхода задается схемотехническими средствами и остается стабильной при изменении напряжения входа в пределах 3-4 раз, что превышает изменение U_хх от освещенности (40%) и рабочей температуры ФЭП (2 раза) [11].

Конструктивно однотактный ППН с ШИС состоит, как и прототип, из индуктивности, диода, конденсатора, электронного ключа и блока управления.

Применение ППН с ШИС позволяет снизить U_xx СБ до 11-9 В, при этом напряжение на нагрузке может поддерживаться на любом уровне в пределах 6-36 В, что приводит к значительному уменьшению последовательно-коммутированных ФЭП в СБ в 1,5-4 раза.

Следовательно, применение ППН с ШИС позволяет:
- уменьшить количество последовательно-коммутированных ФЭП в СБ в 1,5-4 раза, за счет чего уменьшить потери мощности, возникающие на внутреннем сопротивлении СБ и вследствие технологического рассогласования параметров отдельных ФЭП, и повысить надежность СБ;
- стабилизировать напряжение выхода устройства при изменении интенсивности светового потока в пределах до 100 раз и температуры ФЭП в пределах 100^oС.

Сделанные выводы справедливы также для СБ без концентрирования солнечного излучения, однако, изменение величины светового потока в этом случае несколько меньше.

Как очевидно, предложенная система стабилизации выходного напряжения с помощью ППН с ШИС обладает всеми недостатками систем с импульсной стабилизацией выходного напряжения (аналоги 5, 6, 8 и прототип). Быстродействие таких систем обычно находится в пределах 10^-1-10^-4 с, при этом быстродействие ФЭП составляет 10^-6-10^-8 с [13]. Потери электрической энергии в этом случае будут определяться:
- потерями вследствие рассогласования мощности нагрузки и СБ, связанными с недостаточным быстродействием корректирующих устройств, принцип действия которых основывается на измерении и сопоставлении величин токов и напряжений (аналоги 5, 6 и прототип), что составляет временной интервал 10^-2-1 с;
- наличием во всех импульсных системах импульса "выключено", соизмеримого по времени с импульсом "включено", т.е. 10^-1-10^-4 с (аналоги 5, 6, 8 и прототип), во время которого отбор энергии от СБ не производится.

Для обеспечения постоянного отбора энергии от СБ в условиях, близких к точке максимальной мощности, предложено использовать конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения, соответствующего точке максимальной мощности СБ. Напряжение на конденсаторе большой емкости может непрерывно изменяться в пределах от 0 до U_хх СБ, что позволяет схемотехническими средствами легко обеспечить его согласование с точкой максимальной мощности каждой СБ. Такое согласование можно осуществить, например, введением в блок управления пороговых устройств, фиксирующих нижнее и верхнее допустимые значения напряжения на конденсаторе, величины которых определяются из вольт-амперной характеристики СБ. Величина емкости такого конденсатора для СБ определяется формулой:

где С - емкость конденсатора;
i_СБ - величина максимального тока СБ в точке отбора максимальной мощности (для оценок можно допустить i_СБ=i_кз);
ΔU - максимально допустимое отклонение напряжения СБ от точки максимальной мощности;
τ_В - время импульса "выключено".

Подставив в формулу (2) значения U_СБ=5 В, допустимое отклонение по напряжению не более 3%, т.е. ΔU=0,15 В, ток СБ 10 и 1 А в случаях концентрирования солнечного излучения и без него, при τ_В=1 и 0,1 с, соответственно, получим величину емкости конденсатора 67 и 0,67 Ф. При этом разовые потери на начальный заряд емкости конденсатора до напряжения максимальной мощности составят соответственно 837 и 8,4 Дж, что требует работы СБ в соответствующем режиме в продолжении 17 и 1,7 с.

Для сравнения, потери энергии за каждый импульс "выключено" в системах без применения конденсатора большой емкости составят:
E = P_СБ•τ_В, (3)
соответственно 50 и 0,5 Дж. Потери в результате тока потерь конденсатора при его величине 20 мкА/Ф составит 6,7 и 0,067 мВА и ими можно пренебречь в сравнении с соответствующей мощностью СБ.

Энергия, накопленная в конденсаторе большой емкости, может эффективно использоваться при изменении величины тока на индуктивной (аналоги 6, 7 и прототип) и емкостных нагрузках (аналог 5).

Следовательно, применение конденсатора большой емкости в качестве промежуточного накопителя электрической энергии при повышении интенсивности светового потока позволяет:
- стабилизировать работу СБ в точке отбора максимальной мощности с большой точностью (отклонения по напряжению не более 3%);
- обеспечить непрерывный отвод электрической энергии от СБ в периоды, когда потребление ее другими потребителями отсутствует.

В случае расширения диапазона потока световой энергии в сторону уменьшения основные изменения происходят с током короткого замыкания i_кз (при изменении освещенности в 15 раз i_кз изменяется в 12,5 раза, напряжение холостого хода СБ U_xx в 1,2 раза, мощность СБ в 15 раз [11]). Уменьшение i_кз при почти постоянном значении U_xx означает увеличение внутреннего сопротивления СБ R_СБ, которое обратно пропорционально i_кз. В этом случае КПД, определяемый формулой
,
где η - КПД при использовании источника электрической энергии;
R_вн, R_н - внутреннее сопротивление источника и нагрузки, соответственно,
резко уменьшается.

В случае применения в качестве промежуточного накопителя энергии конденсатора большой емкости внутреннее сопротивление такого комбинированного источника энергии по отношению к внешней нагрузке определяется параллельным соединением внутренних сопротивлений СБ и конденсатора:
,
где R_к, R_СБ - внутреннее сопротивление конденсатора и СБ, соответственно.

В том случае, если R_к<<R_СБ, то R_ВН≈R_К и, соответственно

т.е. КПД при преобразовании электрической энергии ФЭП перестает зависеть от уровня его освещенности.

Таким образом, необходимым условием пригодности конденсатора большой емкости для использования в качестве промежуточного накопителя энергии является его низкое, по отношению к СБ, внутреннее сопротивление.

Следовательно, применение конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением в качестве промежуточного накопителя энергии при снижении интенсивности светового потока позволяет:
- стабилизировать работу СБ в точке отбора максимальной мощности;
- обеспечить непрерывный отвод энергии от СБ в условиях работы с нагрузкой на ППН с ШИС;
- обеспечить высокий и не зависимый от освещенности КПД при преобразовании электрической энергии ФЭП.

Нами сформулированы некоторые требования к первичному накопителю энергии от СБ. Уточним их.

Возможность непрерывного изменения рабочего напряжения от 0 до U_xx СБ в сочетании с широким диапазоном токов заряда и разряда выгодно отличают конденсатор большой емкости в сравнении с АБ, поскольку последняя обеспечивает возможность только дискретного согласования напряжения с СБ (аналоги 2, 3) и имеет ограниченный диапазон токов заряда.

Параметры конденсатора по емкости предложено выбирать исходя из величины тока при максимальной освещенности i_кзmax, максимальной длительности импульса "выключено" τ_Вmax и отклонении значения напряжения ΔU_max по формуле (2).

С другой стороны, фактор времени, необходимого для того, чтобы окупить потери энергии на первоначальный заряд конденсатора может служить критерием для целесообразности введения его в конкретную схему. Допустив, что потери на конденсаторе не должны превышать 1% энергии, выработанной СБ при минимальном уровне освещенности, получим верхнее ограничение емкости

где t_o - общее время непрерывного освещения СБ;
i_кзmin - ток короткого замыкания СБ при минимальном уровне освещенности;
U_СБ - рабочее напряжение СБ.

Поскольку в условиях ШИС напряжения величина τ_Вmax в значительной степени не определена и может изменятся в диапазоне 10^-1-10^-5 с [12], то для числовых оценок возьмем ее максимальное значение 0,1 c. В таком случае для ФЭП на основе монокристаллического кремния диаметром 100 мм, напряжением 0,53 В, током 2 А без концентрирования солнечного излучения и 5 А с концентрированием солнечного излучения, отклонением от напряжения максимальной мощности 3%, т.е. 0.016 В, необходимые емкости составят 12.5 Ф и 31.2 Ф соответственно для токов 2 и 5 А. Допустивши, что минимальный ток СБ в 50 раз меньше максимального, т.е. составляет 40 мА, а СБ находится в условиях освещенности 10 часов, получим из формулы (4) величину емкости 54 Ф. В отличие от нижнего ограничения емкости, отвечающего за потери энергии в условиях максимальной электрической мощности СБ, когда продуктивность ее максимальна, верхнее ограничение отвечает за потери энергии при минимальных мощностях СБ и не является жестким.

Внутреннее сопротивление R_СБ описанного выше ФЭП на основе монокристаллического кремния при определенных ранее условиях его освещенности изменяется в пределах от 13,25 до 0,26 Ом без концентрирования солнечного излучения и от 13,25 до 0,11 Ом при концентрировании солнечного излучения. Для реализации условия R_к<R_СБ, необходимого для повышения КПД преобразования электрической энергии при низких уровнях светового потока, в случае описанного выше ФЭП R_к должно быть меньше 0,11 Ом.

Выполнить условия относительно конденсатора емкостью, большей или равной 31,2 Ф с внутренним сопротивлением меньше 0,11 Ом, можно, применив в качестве первичного накопителя энергии конденсатор на двойном электрическом слое [14] . Например, конденсатор, изготовленный по данной технологии, имел диапазон рабочих напряжений от 0 до 1,25 В, емкость 180 Ф и внутреннее сопротивление 0,02 Ом.

Таким образом, в качестве первичного накопителя энергии предложено использовать конденсатор (конденсаторную батарею) на двойном электрическом слое, емкость и внутреннее сопротивление которого (которой) удовлетворяет следующим условиям:

R_к≤R_СБmin, (7)
где С - емкость конденсатора (конденсаторной батареи);
i_кзmax - ток короткого замыкания СБ при максимальном уровне освещенности;
τ_Bmax - максимальное значение импульса "выключено" ППН или интервала между двумя измерениями параметров системой управления;
ΔU_max - максимально допустимое отклонение напряжения на конденсаторе от точки максимальной мощности СБ;
R_к - внутреннее сопротивление конденсатора;
R_СБmin - минимальное внутреннее сопротивление СБ при максимальной освещенности.

В том случае, если вольт-амперная характеристика СБ отсутствует, для оценки величины емкости по формуле (6) вместо ΔU_max можно использовать величину 1-3% от напряжения холостого хода СБ.

Расширение диапазона величины светового потока, воспринимаемого системой отбора электрической энергии СБ, до одного-двух порядков величины требует также определенности в выборе мощности ППН. Очевидно, ППН должен обеспечивать эффективный отбор энергии от СБ в точке максимальной мощности при условии максимальной величины светового потока. Следовательно, мощность ППН должна быть большей или равной максимальной мощности СБ. В этом случае, при уменьшении величины светового потока, мощность ППН становится большей, а на нижней границе диапазона светового потока значительно большей, чем мощность СБ. Поскольку в случае применения конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением в качестве первичного накопителя энергии КПД преобразования электрической энергии не зависит от мощности СБ (формула (4)), то при ее уменьшении для поддержания мощности на выходе ППН будет использоваться энергия, собранная первичным накопителем. Это приведет к понижению напряжения на первичном накопителе. Для предотвращения отклонения напряжения на конденсаторе большой емкости от напряжения максимальной мощности СБ в том случае, если мощность ППН больше реальной мощности СБ, предложено с помощью порогового устройства выключать ППН при достижении напряжением на конденсаторе нижнего допустимого значения. При выключенном ППН энергия СБ отводится исключительно в конденсатор большой емкости, что приводит к возрастанию напряжения на нем. При достижении верхнего допустимого значения пороговое устройство включает ППН и обеспечивает отвод энергии от первичного накопителя. В этом случае количество энергии, отводимой с помощью ППН, составляет:
,
время отведения этой энергии будет равно

а время накопления

где E_o - величина энергии, отводимой от первичного накопителя за один раз;
C - емкость конденсатора;
P_СБ, P_п - реальная мощность СБ в интервале времени τ_н и ППН, соответственно;
U_нк, U_вк - нижнее и верхнее допустимые значения напряжения конденсатора, соответственно;
τ_i, τ_н - время накопления и отведения энергии СБ, соответственно.

Таким образом, из непрерывного слабого потока световой энергии с произвольным часовым распределением предлагаемое устройство с помощью предварительного накопителя энергии, пороговых устройств и ППН формирует импульсы электрической энергии, величина которых задается емкостью первичного накопителя и напряжениями срабатывания пороговых устройств, а мощность и выходное напряжение - параметрами ППН и не зависят от изменения параметров СБ во времени. Вместе с тем, средняя мощность СБ за время задает τ_н скважность этих импульсов.

Следствием приведенных выше особенностей системы отбора энергии ФЭП является:
1) устройство должно иметь основной аккумулирующий узел, которым может служить АБ или электрическая сеть (в этом случае вместо ППН следует применять инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное), что позволяет наиболее полно использовать преимущества первичного накопления электрической энергии.

2) ППН большой мощности может работать с несколькими СБ при произвольной освещенности, осуществляя поочередно отбор энергии от первичного накопителя каждой из них. При этом алгоритм подключения ППН для отбора энергии от каждого из них может быть различным. Например,
- по максимальному значению напряжения в момент переключения ППН;
- по замкнутому циклу;
- по заранее заданному алгоритму работы.

Первый алгоритм наиболее целесообразно применять в случае существенной разницы в емкостях первичного накопителя и реальных мощностей СБ, поскольку скважность каждой реальной пары будет разной ((формула (11)).

Подключение ППН к первичным накопителям по замкнутому циклу целесообразно при одинаковой скважности работы каждой реальной пары "СБ-первичный накопитель".

Третий случай реализуется при необходимости формировать произвольную, заданную наперед, последовательность импульсов.

Таким образом, предложено способ, который предусматривает предварительное накопление заданного количества электрической энергии от СБ в конденсаторе большой емкости с последующим формированием из нее импульса заданной мощности и напряжения, который передается в аккумулирующую систему или сеть переменного тока. Предложенный способ позволяет преобразовать поток электрической энергии от СБ с произвольным временным распределением мощности в широком диапазоне (10-100 раз) в электрические импульсы заданного напряжения, мощности и энергии с максимальным КПД. При этом скважность сформированных импульсов электрической энергии определяется усредненной мощностью СБ за время предварительного накопления заданного количества электрической энергии в конденсаторе.

Суммируя сказанное выше, можно констатировать, что предложенное применение конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением для первичного накопления электрической энергии от СБ, совмещенное с ППН с ШИС и аккумуляторной батареей, позволяет:
- схемотехническими средствами легко согласовать СБ с нагрузкой в точке отбора максимальной электрической мощности;
- обеспечить непрерывный отбор электрической энергии от СБ в широком диапазоне интенсивностей светового потока;
- повысить и сделать независимым от интенсивности светового потока КПД при дальнейшем преобразовании электрической энергии от СБ в схеме нагрузки;
- при условии слабого светового потока с произвольным часовым распределением осуществить его преобразование в импульсы электрической энергии заданной величины напряжения и мощности.

На фиг.1 дана принципиальная электрическая схема устройства.

На фиг. 2 - временные диаграммы напряжения на конденсаторе большой емкости и электрической мощности на выходе СБ и преобразователя напряжения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Для экспериментальной проверки изложенных выше положений изобретения было изготовлено устройство, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из СБ 1, конденсатора большой емкости 2, транзисторного ключа 3, силового диода 4, индуктивности 5, интегрирующего конденсатора 6, аккумуляторной батареи 7, стабилитрона обратной связи 8, блока управления 9, нижнего и верхнего 11 пороговых приспособлений. При необходимости к устройству подсоединялась произвольная нагрузка 12.

СБ 1 была изготовлена из 15 последовательно-коммутированных ФЭП на основе монокристаллического кремния размером 80•80 мм. Вместе с механическими креплениями СБ имела габаритные размеры 1230•90 мм и могла быть использована для восприятия как прямого, так и концентрированного солнечного излучения. Для концентрирования солнечного излучения использовалось параболическое зеркало прямоугольной формы размером 1400•900 мм, позволяющее достичь концентрирования солнечного излучения в 4-6 раз. При этом максимальные выходные электрические параметры СБ составляли:
(без концентрирования)
- напряжение холостого хода - 8,1 В;
- ток короткого замыкания - 1,6 А;
(с концентрированием)
- напряжение холостого хода - 8,35 В;
- ток короткого замыкания - 6,2 А.

Для обеспечения фокусирования концентрированного солнечного излучения на поверхности СБ при длительных экспозициях применялась система слежения за Солнцем по азимуту и углу места.

Исходя из параметров СБ и пользуясь формулами (6) и (7), для конденсатора большой емкости 2 должны выполняться следующие требования:
С≥0,66 Ф, R_к≤5 Ом,
для случая без концентрирования солнечного излучения и
С≥2,48 Ф, R_к≤1,38 Ом,
при его концентрировании. Для определенности в дальнейшем мы выбрали более жесткие требования к параметрам конденсатора 2, определенные для условий концентрированного солнечного излучения. Для удовлетворения их нами использовались: конденсаторные батареи на основе стандартных электролитических конденсаторов типа К 50-24 (СССР) и электролитических конденсаторов типа CGS фирмы Mallory (США), конденсаторы на двойном электрическом слое фирмы NЕС (Япония) и фирмы АЦЕР (Украина), никель-кадмиевые аккумуляторы 3НК-22 и 4НК-22. Наиболее полно требования к конденсаторам большой емкости 2 удовлетворяли конденсаторы фирмы АЦЕР. Для экспериментальной проверки было использовано два конденсатора БСК-6-30 и БСК-9-100, основные параметры которых приведены в табл.1.

Параметры транзисторного ключа 3, силового диода 4, индуктивности 5 выбирались из стандартных радиодеталей и узлов С [12] исходя из необходимости отведения максимальной мощности СБ в конкретном эксперименте. Как правило, они представляли собой:
3 - n-p-n, KT 827 или КТ 829;
4 - 2Д 213 А;
5 - 1,86 или 0,75 мГн.

Емкость интегрирующего конденсатора 6 во всех случаях составляла 500 мкФ.

В качестве аккумуляторной батареи 7 использовались стандартные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи 5НК-80 и 10НК-22.

Стабилитрон обратной связи 8 выбирался из ряда стандартных стабилитронов Д814А - Д814 Г, КС 139, КС147, КС156, КС162, КС170, КС175, КС182, КС191 таким образом, чтобы напряжение его пробоя равнялось напряжению заряда соответствующего аккумулятора 7 на уровне 90% его зарядной емкости. Величина этого напряжения выбиралась с помощью зарядной характеристики соответствующего аккумулятора 7. В случае необходимости использовалось последовательное соединение нескольких стабилитронов.

Блок управления 9 представляет собой генератор прямоугольных импульсов, реализованный на логических элементах серии К561 с к-МОП транзисторными структурами и переходных биполярных транзисторах. Режим работы генератора формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств 10, 11 и тока стабилитрона обратной связи 8.

Нижний и верхний пороговые устройства 10 и 11 представляют собой аналогово-цифровые датчики, реагирующие на величину напряжения и выдающие на выходе соответствующий цифровой сигнал "ноль" или "единица". Пороговые устройства 10, 11 обеспечивают возможность регулирования своих порогов срабатывания в пределах 3-12 В. Ток, потребляемый пороговыми устройствами 10, 11 и блоком управления 9, зависел от напряжения и составлял соответственно 4-22 мА.

Начальными условиями работы устройства для получения энергии от фотоэлектрического преобразователя (фиг.1) являются:
- отсутствие электрической мощности на выходе СБ 1 Р_СБ=0;
- конденсатор большой емкости 2 разряжен U_к=0 ;
- интегрирующий конденсатор 6 разряжен или заряжен до напряжения холостого хода АБ 7;
- блок управления 9 на основании сигналов нижнего и верхнего пороговых устройств 10 и 11 держит ключ 3 в закрытом состоянии;
- мощность на выходе ППН равна нулю.

Описанное состояние устройства соответствует точке t=0 на диаграмме (фиг.2).

При появлении в начальный момент времени на выходе СБ 1 произвольной электрической мощности начинается процесс заряда конденсатора большой емкости 2 (далее конденсатор 2). Поскольку внутреннее сопротивление конденсатора 2 находится в пределах 0,04-0,12 Ом, то в это время СБ 1 работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Величина тока, при которой экспериментально фиксировался заряд конденсатора 2, находилась в пределах 15-20 мА, что не превышает 1,5% от максимально возможного тока короткого замыкания для примененной СБ 1. Следовательно, процесс заряда конденсатора 2 осуществляется при минимальных уровнях освещенности СБ 1.

При достижении напряжением на конденсаторе 2 значения U_нк (фиг.2) срабатывает нижнее пороговое устройство 10 и меняется сигнал на его выходе ("единица" на "ноль"). Это изменение сигнала на выходе нижнего порогового устройства 10 не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления 9.

При достижении напряжением на конденсаторе 2 значения U_вк срабатывает верхнее пороговое устройство 11 и происходит изменение сигнала на его выходе ("единица" на "ноль"). В результате этого на выходе блока управления 9 появляется импульсный сигнал частотой 3,7 кГц, что приводит к поочередному закрыванию и открыванию ключа 3 (точка t₁, фиг.2). В открытом состоянии ключа 3 энергия конденсатора 2 переходит в энергию индуктивности 5. В закрытом состоянии ключа 3 энергия, запасенная индуктивностью 5, через диод 4 поступает в интегрирующий конденсатор 6 и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда АБ 7. Поочередное повторение таких циклов обеспечивает электрическую мощность на выходе ППН. Если эта мощность приводит к возрастанию напряжения на интегрирующей емкости 6 до напряжения пробоя стабилитрона 8, то ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности открывающих импульсов на выходе блока управления 9 и, соответственно, уменьшению мощности на выходе ППН.

Поскольку энергоемкость индуктивности 5 значительно меньше энергоемкости конденсатора 2, а его внутреннее сопротивление мало, то во время отбора единичной порции энергии (период "включено") существенного изменения напряжения на конденсаторе 2 не происходит. Однако многократное повторение циклов отбора энергии конденсатора 2 при условии Р_п>P_СБ (интервал от 0 до t₃ и от t₄ до t₅, фиг.2) приводит к плавному понижению напряжения на конденсаторе 2 до значения U_нк (интервал t₁-->t₂ фиг.2). В момент t₂ нижнее пороговое устройство 10 изменяет управляющий сигнал и блокирует управляющий сигнал на выходе блока управления 9. При этом ключ 3 переводится в закрытое состояние. Это приводит к падению мощности на выходе ППН до нулевого значения. В результате описанного выше взаимодействия на выход ППН передается импульс энергии Р_п (t₂-t₁), величина которого задается формулой (9) и для конкретных конденсаторов БСК-6-30 и БСК-9-100 может достигать 600 и 4550 Дж соответственно.

В случае, если Р_н= Р_СБ, энергия, потерянная конденсатором 2 за период "включено", компенсируется поступлением энергии в конденсатор 2 от СБ 1 за период "выключено". При этом колебания напряжения на конденсаторе 2, определенные по формуле (6), не должны превышать 2.7•10^-4 В (интервал t₃-->t₄ фиг.2).

Напряжения срабатывания верхнего 11 и нижнего 10 пороговых устройств выбирались равными напряжению точки отбора максимальной мощности СБ при максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня и конкретном разрешении СБ.

Для экспериментальной проверки эффективности предложенного устройства и способа получения энергии от фотоэлектрического преобразователя СБ 1 была стационарно установлена в вертикальном положении на стене с южной экспозицией. Рядом, в одной плоскости с СБ 1, была установлена эталонная СБ, включенная по традиционной схеме (аналог 2). Эталонная СБ была изготовлена из идентичных пластин монокристаллического кремния с сохранением особенностей технологии оборки СБ 1. Наблюдения проводились с февраля по июль месяц. Время экспозиции 0-->t₆, (фиг. 2) изменялось от 4 до 14 часов. Величина энергии, полученной от СБ 1, определялась путем обработки диаграмм напряжения на сопротивлении нагрузки 12 заданной величины или интегрированием по времени экспозиции с помощью аккумулятора 7. Для учета разницы во времени конкретных экспозиций, влиянии температуры и атмосферной обстановки на параметры самой СБ, величина энергии, полученной от СБ 1 с помощью предложенного устройства, нормировалась по результатам, полученным на эталонной СБ. Типичные результаты, полученные для различных вариантов первичного накопителя, а также для прототипа и некоторых аналогов приведены в табл. 2. Полученные экспериментальные результаты подтверждают, что наибольший эффект достигается при применении в качестве первичного накопителя энергии конденсаторов на двойном электрическом слое фирмы "АЦЕР". Результаты, полученные при применении в качестве первичного накопителя конденсаторов фирмы "АЦЕР", превышают результаты классической схемы включения (аналог 2) на 43-52%, прототипа на 35-44%. При применении в качестве первичного накопителя батареи электролитических конденсаторов или никель-кадмиевого аккумулятора этот выигрыш составил соответственно 9-19 и 16%.

Источники информации
1. Sohonhoff K., Battery regulator for solar power system.-Elect.Electron.- 1992, v.18, N 202, pp. 54-55.

2. Palfy Miklos, 2Ah photovoltaic battery.- PEMC"90: Proс. 6th Conf. Power Electron, and Motion Conf., Budahest, Oct. 1-3, 1990, v.3, pp.926-929.

3. Заявка ФРГ N 4234908. Заявлено 16.09.92 г., опубл. 09.06.94 г.

4. Патент США N 5229649. Заявлено 04.10.88 г., опубл. 20.07.93 г.

5. Патент США N 5027051. Заявлено 20.02.90 г., опубл. 25.01.91 г.

6. Salameh Z., Taylor D., Step-up maximum power point trucker for photowoltaic arrays.- Sol.Energy, 1990, v.44, N 1, pp.57-61.

7. Заявка ФРГ N 4101253. Заявлено 17.01.91 г., опубл. 23.07.92 г.

8. Патент США N 5270636. Заявлено 18.02.92 г., опубл.14.12.93 г.

9. Заявка ФРГ N 4014534. Заявлено 07.05.90 г., опубл.14.11.91 г.

10. Арбузов Ю. Д., Евдокимов В.М., Принципы и перспективы фотоэлектрического преобразования энергии концентрированного солнечного излучения.- Гелиотехника, 1993, N 1, с.3-22.

11. Чирва В.П., Саидов М.С., Кремниевые планарные фотоэлектрические генераторы.- Гелиотехника, 1993, N 6, с.19-37.

12. Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А., Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник. Изд. четвертое. Киев, Наукова думка, 1989, 799 с.

13. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Спектральные и емкостные характеристики нестационарного фотопреобразователя. -Гелиотехника, 1993, N 4, с. 3-10.

14. Патент Российской Федерации N 2098879. Приоритет 11.03.94 г., опубл. 10.12.97 г.

Использование: в приборостроении и энергетике. Предложено электрическую энергию, полученную от солнечной батареи (СБ), предварительно накапливать с помощью электрического конденсатора емкостью 0,01-100 Ф с внутренним сопротивлением менее 0,15 Ом, заряженного до напряжения максимальной мощности СБ. Предварительно накопленная энергия подается на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения с широтно-импульсной стабилизацией порциями 1 - 10⁵ Дж. Технический результат заключается в повышении количества энергии, полученной от СБ, в условиях наземного базирования и длительных экспозиций, на 17-52% в сравнении с ранее предложенными способами. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Устройство для отбора электрической энергии от солнечной батареи, состоящей из последовательно коммутируемых фотоэлектрических преобразователей и аккумулятора, отличающееся тем, что параллельно выходу солнечной батареи включен электрический конденсатор, заряженный до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, внутреннее сопротивление электрического конденсатора значительно меньше внутреннего сопротивления солнечной батареи, а электрическая энергия с него передается на преобразователь постоянного напряжения, содержащий индуктивность, энергоемкость которой меньше энергоемкости электрического конденсатора, силовой диод, интегрирующий конденсатор, электронный ключ, стабилитрон обратной связи, блок управления, представляющий собой генератор прямоугольных импульсов, режим работы которого формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств и тока стабилитрона обратной связи, таким образом, что срабатывание нижнего порогового устройства при нарастании напряжения на электрическом конденсаторе не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления, а при достижении на электрическом конденсаторе напряжения срабатывания верхнего порогового устройства импульсный сигнал на выходе устройства управления приводит к началу цикла отвода электрической энергии от электрического конденсатора, заключающемуся в поочередном открывании и закрывании электронного ключа, причем при каждом состоянии электронного ключа "включено" энергия электрического конденсатора переходит в энергию индуктивности, а в состоянии электронного ключа "выключено" запасенная в индуктивности энергия через силовой диод поступает на интегрирующий конденсатор и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда аккумулятора, при этом при возрастании напряжения на интегрирующем конденсаторе до напряжения пробоя стабилитрона обратной связи, ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности состояния "включено" электронного ключа, а при уменьшении напряжения на электрическом конденсаторе до напряжения срабатывания нижнего порогового устройства устанавливает электронный ключ в стабильное состояние "выключено", означающее окончание цикла отвода энергии от электрического конденсатора в аккумулятор, при этом напряжения срабатывания верхнего и нижнего пороговых устройств равны электрическому напряжению точки максимального отбора мощности солнечной батареи, определяемой из ее вольтамперной характеристики при ее конкретном размещении и при ее максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня, а емкость С электрического конденсатора удовлетворяет условию

где С - емкость электрического конденсатора,
I_кзmax - ток короткого замыкания солнечной батареи при максимальном уровне освещенности,
τ_Bmax - максимальная длительность состояния "выключено" электронного ключа,
U_xx - напряжение холостого хода солнечной батареи. 2. Способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, включающий преобразование энергии солнечного излучения в электрический сигнал и ее аккумулирование, отличающийся тем, что энергия электрического сигнала солнечной батареи предварительно накапливается с помощью электрического конденсатора емкостью 0,01-100 Ф, заряженного до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, а затем отводится от него на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения порциями 1-10⁵ Дж.