УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ Российский патент 2024 года по МПК G05F1/67 H02M7/48 H02J7/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться для эффективного отбора мощности с солнечных панелей, преобразования и передачи полученной энергии в промышленную сеть и нагрузку потребителя. Также возможна зарядка энергией, полученной от фотоэлектрических панелей или сети, аккумуляторных батарей и суперконденсаторов с дальнейшим преобразованием при необходимости в переменное напряжение промышленной частоты для обеспечения нагрузки потребителя гарантированным бесперебойным электропитанием.

Уровень техники

Известно устройство на солнечных батареях, содержащее солнечный модуль, первый DC-DC преобразователь, аккумуляторную батарею, второй DC-DC преобразователь, контроллер и нагрузку. (Патент РФ на изобретение №2503120 «Устройство на солнечных батареях», МПК Н02М 3/156, 27.12.2013).

Недостатками данного устройства являются:

1. Отслеживание точки максимальной мощности при равномерной освещенности одним из классических методов;

2. Отсутствие связи с промышленной сетью с целью обеспечить заряд аккумуляторной батареи при плохих погодных условиях, отсутствие возможности отдавать энергию в сеть.

Известна энергоустановка, содержащая батареи солнечных элементов, накопители энергии, DC/DC преобразователь напряжения, DC/AC преобразователь напряжения, автоматические выключатели (Патент РФ на изобретение №2397593 «Энергоустановка и способ ее управления», МПК H02J 7/35, H01L 31/00, 20.08.2010).

Недостатками данного устройства являются:

1. Отсутствие возможности отдавать энергию, получаемую с солнечных панелей, в промышленную сеть;

2. Отслеживание точки максимальной мощности при равномерной освещенности одним из классических методов.

Известно устройство и метод отслеживания точки максимальной мощности для инвертора при использовании солнечных панелей, состоящее из солнечных панелей, инвертора, системного контроллера и нагрузки. (Патент US 7158395 В2 «Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications », МПК H02M 7/44, 02.01.2007).

Недостатками данного устройства являются:

1. Отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей;

2. Не возможность использовать данное устройство как резервный источник питания при исчезновении напряжения сети.

Также известна система преобразования энергии с отслеживанием точки максимальной мощности, состоящая из блока отслеживания точки максимальной мощности (МРРТ), шины постоянного тока, преобразователя мощности, контроллера преобразователя. (Патент US 20130027997 А1 «Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof)), МПК H02M 7/44, 31.01.2013).

Недостатками данного устройства являются:

Отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности, вследствие чего - недобор мощности с блока солнечных панелей;

Отсутствие накопителя энергии (аккумуляторной батареи или суперконденсатора), а, следовательно, невозможность питать нагрузку данной системой при пропадании напряжения сети или при низкой выработке энергии солнечными панелями.

Известна система и метод управления выходной мощностью фотоэлектрической ячейки, состоящая из солнечных панелей, инвертора, блока управления, импульсного источника питания и нагрузки. (Патент US 2015244313 A1 «System and Method for Managing the Power Output of a Photovoltaic Cell», МПК G01R 31/40, 27.08.2015).

Недостатками данного устройства являются:

1. Приложение импульсов напряжения к солнечным панелям, с регулировкой частоты следования импульсов, амплитуды, длительности импульсов (скважности), но отсутствием возможности регулировки фронтов нарастания и убывания данных импульсов, а также отсутствие возможности приложения к солнечным панелям апериодических знакопеременных импульсов напряжения, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей;

2. Не возможность использовать данное устройство как резервный источник питания при исчезновении напряжения сети.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство гарантированного электропитания на основе возобновляемых источников энергии (RU 207387 U1, 26.10.2021). В данном патенте отслеживаются все зоны на ВАХ на тот случай, если произошло частичное затенение и «слева» на ВАХ появился пик мощности. При нахождении данной точки идет отбор энергии с СП классическим методом.

Например, стоит повышающий преобразователь, который отбирает ток с панели так, чтобы произведение тока и напряжения с панели имели максимальное значение. Это аналог реостата, когда подбирается положение ручки (сопротивления) реостата, при котором с СП идет максимальная энергия.

Недостатком данного устройства является отслеживание нескольких локальных зон на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и изменении освещенности, а также отслеживание появления точки максимальной мощности при частичном затенении и отбор мощности в этой точке классическим методом, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой изобретения является увеличение КПД устройства состоящего из блока солнечных панелей (СП) и преобразователя, отслеживание истинной точки максимальной мощности при реальных условиях эксплуатации; транслирование полученной энергии в сеть и нагрузку, а также заряд накопителя электроэнергии от блока солнечных панелей и от сети. В результате чего повышается эффективность (КПД) отбора мощности с блока солнечных панелей, повышается надежность обеспечения электропитанием потребителя электроэнергии.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного устройства, является увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии.

Также обеспечивается дополнительное увеличение надежности гарантированного электропитания потребителя, которое происходит, в том числе, за счет использования накопителей энергии, которые получают по заданному алгоритму энергию от солнечных панелей и сети, а при пропадании напряжения сети, уменьшении получаемой энергии от солнечных панелей - обеспечивают бесперебойное питание потребителя, за счет подмешивания энергии с накопителя к энергии, получаемой от солнечных панелей на общей шине постоянного тока, с дальнейшим преобразованием в переменное напряжение и питанием нагрузки потребителя.

Техническая проблема решается и технический результат достигается за счет того, что устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей состоит из блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, инвертора, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, блока управления DC/DC преобразователем напряжения, блока управления инвертором, микроконтроллера управления и коммутации, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, LC-фильтра и фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, причем в устройство дополнительно введен блок импульсов напряжения, установленный между солнечной панелью и DC/DC преобразователем напряжения, при этом блок управления DC/DC преобразователем напряжения выполнен с дополнительной функцией управления блоком импульсов напряжения, с возможностью регулировки импульсов напряжения по амплитуде, частоте, длительности, полярности, а также по времени нарастания и времени спада импульсов.

Кроме того, в устройство введены двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи, аккумуляторная батарея.

Кроме того, в устройство введены двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов, блок суперконденсаторов.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Структурная схема устройства электропитания на основе фотоэлектрических панелей;

Фиг. 2 - Семейство вольтамперных характеристик солнечной панели в зависимости от температуры и изменения равномерной освещенности панели;

Фиг. 3 - Суть метода возмущения и наблюдения при отслеживании точки максимальной мощности;

Фиг. 4 - Схема работы солнечной панели в упрощенном виде;

Фиг. 5 - Один из возможных вариантов реализации;

Фиг. 6 - Схема возможного последовательного (а) и параллельного (б) соединения солнечных панелей.

Осуществление изобретения

Устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей состоит из соединенных между собой блока солнечных панелей, блока импульсов напряжения, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, обратимого инвертора, LC-фильтра, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, нагрузки, управляемого коммутатора сети, блока датчиков тока и напряжения сети, сети, блока управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения, блока управления обратимым инвертором, микропроцессорного блока управления и коммутации.

Кроме того, устройство может дополнительно содержать аккумуляторную батарею (АБ) и двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи, блок суперконденсаторов (БСК) и двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов, а также блок управления АБ и БСК.

Заявленное решение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства электропитания на основе фотоэлектрических панелей.

На схеме показано: блок солнечных панелей (1), блок датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей (2), DC/DC преобразователь напряжения (3), шина постоянного тока (4), блок датчиков тока и напряжения шины постоянного тока (5), обратимый инвертор (6), LC-фильтр (7), блок датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8), фильтр радиопомех (9), блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), нагрузка (11), управляемый коммутатор сети (12), блок датчиков тока и напряжения сети (13), сеть (14), блока управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения (15), блок управления обратимым инвертором (16), микропроцессорный блок управления и коммутации (17), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18), аккумуляторная батарея (АБ) (19), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20), блок суперконденсаторов (БСК) (21), блок импульсов напряжения (22), блок управления АБ, БСК (23).

Устройство работает следующим образом.

Напряжение и ток с блока солнечных панелей (1) через блок импульсов напряжения (22) и блок датчиков тока и напряжения с солнечных панелей (2) поступает на DC/DC преобразователь напряжения (3). Информация о напряжении и токе с солнечных панелей поступает на блок управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения (15), в соответствии с заданным алгоритмом, блок формирует управляющие сигналы для работы DC/DC преобразователя и блока импульсов напряжения, в результате чего, с солнечных панелей отбирается максимально возможная мощность при данной температуре и освещенности. При этом блок импульсов напряжения может управляться как совместно с DCYDC преобразователем одним блоком управления, так и внутри самого блока импульсов напряжения может быть организовано управление им самим при условии наличия датчиков тока и напряжения и получения с них данных. Полученная электроэнергия поступает на шину постоянного тока (4). С шины постоянного тока через блок датчиков тока и напряжения шины постоянного тока напряжение и ток поступают на обратимый инвертор (6), который в режиме прямого преобразования преобразует постоянное напряжение и ток в переменные напряжение и ток, например с помощью широтно-импульсной модуляции. Далее силовой ШИМ сигнал поступает на вход LC-фильтра (7), после которого отфильтрованный сигнал низкой частоты сети поступает на вход блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8). После чего сигнал поступает на вход фильтра радиопомех (9). Далее выходной ток и напряжения поступают на нагрузку (11) через блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), а также в сеть (14) через управляемый коммутатор сети (12) и блок датчиков тока и напряжения сети (13). Управление обратимым инвертором осуществляет блок управления обратимым инвертором (16), к которому поступает информация о токе и напряжении на шине постоянного тока, а также на выходе преобразователя. Управление полной работой устройства осуществляет микропроцессорный блок управления и коммутации (17), к которому поступает информация от блока управления DC/DC преобразователем напряжения и блоком импульсов напряжения (15), блока управления инвертором (16), с блоков датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, на нагрузке и сети.

За счет введения дополнительного блока импульсов напряжения между СП и DC/DC преобразователем напряжения и выполнения блока управления DC/DC преобразователем напряжения с возможностью управления блоком импульсов напряжения обеспечивается эффективный отбор мощности с блока солнечных панелей, происходит увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии. Блок импульсов напряжения (22) регулярно прикладывая импульсы напряжения к СП, как бы «выдергивает» дополнительные электроны из СП, которые при всех обычных классических методах отбора мощности не доходят до проводника и рекомбинируют с дырками в самой СП. В результате энергии с СП получаем больше, чем при любых классических методах отбора мощности.

Также возможно наличие в системе аккумуляторной батареи (19) и блока двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18).

Также возможно наличие в системе блока суперконденсаторов (БСК) (21) и двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20).

При в ведении в систему АБ, БСК - система гарантированного электропитания содержит блок управления АБ, БСК (23).

За счет этого дополнительно обеспечивается увеличение надежности гарантированного электропитания потребителя, которое происходит, в том числе, за счет использования накопителей энергии, которые получают по заданному алгоритму энергию от солнечных панелей и сети, а при пропадании напряжения сети, уменьшении получаемой энергии от солнечных панелей - обеспечивают бесперебойное питание потребителя, за счет подмешивания энергии с накопителя к энергии, получаемой от солнечных панелей на общей шине постоянного тока, с дальнейшим преобразованием в переменное напряжение и питанием нагрузки потребителя.

Устройство электропитания может выступать как источник микрогенерации полученной от ВИЭ энергии в сеть; как источник питания от ВИЭ нагрузки потребителя; как гарантированный источник электропитания потребителя при пропадании энергии от сети.

Рассмотрим варианты работы устройства при различных конфигурациях.

1. Без АБ, БСК.

Энергия с солнечных панелей отбирается в точке максимальной мощности с учетом уменьшения паразитной рекомбинации и преобразуется в переменное напряжение сети. Далее микроконтроллер анализирует ток и напряжение на нагрузке и сети. Если энергии получаемой от солнечных панелей достаточно для питания нагрузки преобразователь отключает сеть от нагрузки и питание происходит только от солнечных панелей. Если нагрузка потребляет меньше, чем вырабатывает блок солнечных панелей (БСП), то преобразователь направляет часть энергии полученной от БСП нагрузке, а часть в сеть. Если энергия, потребляемая нагрузкой, превосходит энергию, вырабатываемую БСП, то преобразователь отдает всю энергию, полученную от БСП в нагрузку, а недостающую энергию для нагрузки потребляет от сети. При отсутствии нагрузки, вся энергия, получаемая от БСП, поступает в сеть.

2. С АБ и (или) БСК.

При наличии в системе АБ и (или) БСК общий алгоритм работы, описанный выше, не меняется, однако появляются дополнительные варианты работы системы. При наличии энергии от БСП и частичном ее расходовании на нагрузку, остальная энергия идет на зарядку АБ и (или) БСК. После их полного заряда энергия идет в сеть. При пропадании напряжения сети микроконтроллер управления и коммутации отключает сеть от системы и нагрузки, и питание нагрузки потребителя идет от БСП. При недостатке энергии получаемой от БСП на шину постоянного тока поступает запасенная энергия от АБ и (или) БСК, которая далее преобразуется в переменное напряжение промышленной частоты для питания нагрузки потребителя. Если энергии получаемой от БСП недостаточно для нагрузки и поддержания заряда АБ и (или) БСК в заряженном состоянии в определенном интервале времени, то по заданному алгоритму (например, в ночное время) инвертор работает в обратном режиме - заряжая шину постоянного тока от промышленной сети, а далее преобразователи напряжения заряжают АБ и БСК до заданного уровня.

Рассмотрим работу блока солнечных панелей при различных условиях эксплуатации. На фиг.2 представлено семейство вольтамперных характеристик солнечной панели в зависимости от температуры и изменения равномерной освещенности панели. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет классический вид: на начальном этапе идет линейный рост мощности с увеличением напряжения, далее достигается экстремум, после которого идет спад получаемой мощности с ростом напряжения на солнечной панели. Видим, что на ВАХ панели в данном случае присутствует только один экстремум, который при изменении температуры и равномерном изменении излучения дрейфует по ВАХ в ограниченной области.

При росте температуры напряжение в точке максимальной мощности падает. Экстремум функции мощности на ВАХ смещается вниз и влево. При понижении температуры: напряжение растет в точке экстремума, точка максимальной мощности смещается по ВАХ вверх и вправо. При уменьшении равномерной освещенности панели ток в точке максимальной мощности падает, и экстремум мощности смещается вниз. При увеличении равномерной освещенности панели, растет ток, следовательно, точка максимальной мощности смещается вверх.

Известны различные алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности. Например, возмущения и наблюдения или метод возрастающей проводимости. Суть метода возмущения и наблюдения показана на фиг.3. Измеряется напряжение и ток на блоке солнечных панелей (БСП). Вычисляется мощность Р0. Далее изменяется выходное напряжение БСП посредством управления преобразователем (положительное приращение по напряжению). Измеряются ток и напряжение. В результате появляется точка мощности Р1. Сравнивается Р1 и Р0, если Р1 больше, то приращение по напряжению остается и далее происходит следующий шаг. Увеличивается напряжение на блоке панелей. Измеряется ток. Вычисляется мощность Р2.

Далее также Р3 и Р4. Если новая мощность ниже предыдущей, то знак приращения изменяется. Также существуют адаптивные алгоритмы, у которых шаг приращения не постоянный, а изменяется, в зависимости от приближения к экстремуму. Шаг уменьшается в районе экстремума для уменьшения пульсаций снимаемой мощности с блока солнечных панелей.

В результате имеем, при плавном изменении температуры и равномерном изменении освещенности панели классический алгоритм поиска точки максимальной мощности отслеживает как экстремум дрейфует по ВАХ солнечной панели в заданной области.

Фактически, все существующие методы отбора мощности с СП эквивалентны подключению реостата к солнечной панели и, автоматически регулируя «его сопротивление», обеспечивают отбор постоянного тока с СП в той точке ВАХ, где мощность максимальна.

КПД современных промышленно выпускаемых СП, с которых отбор энергии идет классическим («реостатным») методом находится в диапазоне 18-23%. Т.е. от 1 кВт солнечной энергии фотонов на эквивалентном реостате нагрузки будет 180-230 Вт электроэнергии.

Остальная энергия, получаемая от солнечного излучения, уходит на потери в СП. К основным процессам, приводящим к низкому КПД СП, относят: отражение части излучения от поверхности полупроводника, неактивное поглощение квантов света, паразитная рекомбинация неравновесных носителей и т.д.

Рассмотрим в упрощенном виде работу СП, см. фиг.4. На фиг.4: свет падает на СП и проходит до n, р областей и области обеднения. В области обеднения происходит переход энергии фотонов к паре электрон-дырка. Они разделяются. За счет наличия внутреннего поля электроны двигаются вверх через n область к проводнику, и далее в нагрузку. После нагрузки электроны через проводник возвращаются к СП со стороны р области и рекомбенируют с дырками.

Описанным образом происходит преобразование энергии фотонов в электрическую энергию.

После разделении электронов и дырок под действием солнечного света часть электронов не достигает проводника, а следовательно, и нагрузки. В процессе движения электронов и дырок в обедненной области, а также частично в n и р областях происходит паразитная рекомбинация электронов и дырок. В результате, большая часть энергии, полученной СП от солнца, не доходит до нагрузки из-за процесса паразитной рекомбинации.

Для уменьшения потерь энергии на паразитную рекомбинацию введем между СП и нагрузкой блок импульсного напряжения. Цель которого, короткими импульсами определенной амплитуды, частоты (периода), длительности, с определенными фронтами роста и спада прилагать или однополярный положительный импульс напряжения к n области и отрицательный к р области СП, или апериодический знакопеременный импульс напряжения.

Импульсы напряжения прикладываются к солнечной панели с целью придания электронам и дыркам, получившим энергию от фотонов дополнительного импульса при движении из обедненной области к проводнику. В результате действия данных импульсов напряжения вероятность паразитной рекомбинации уменьшается, количество электронов, достигающих проводника и нагрузки, увеличивается, следовательно, увеличивается количество полученной энергии от солнечной панели и КПД системы СП-преобразователь.

Управление импульсами напряжения в общем случае происходит по амплитуде, частоте (f), длительности (tи), полярности, а также по длительности роста (tr) и спада (tf) фронтов импульсов напряжения (dU/dt). Также возможно приложение апериодического знакопеременного сигнала к массиву солнечных панелей. Нужно отметить, что амплитуда напряжения, частота и длительность импульсов - параметры, которые задаются для данного пакета и вида панелей, и далее практически не изменяются (возможна такая реализация) или изменяются достаточно медленно в процессе автоматической регулировки. При изменении освещенности и температуры солнечных панелей, основными параметрами регулировки являются фронты нарастания и спада импульсов напряжения.

По этой причине система управления импульсным источником напряжения и сама реализация импульсного источника напряжения, установленного между солнечными панелями и DC-DC преобразователем, или нагрузкой, или инвертором - должна в обязательном порядке обладать возможностью создания и регулировки импульсов напряжения по амплитуде, частоте, длительности (скважности), полярности и времени роста и спада импульсов напряжения. Только при управлении всеми этими параметрами достигается максимальное увеличение получаемой энергии с солнечных панелей.

Нужно отметить, что импульсы напряжения имеют длительность на уровне единиц микросекунд, поэтому расход энергии на их создание на порядок меньше, чем энергия электронов, которые не теряют ее при паразитной рекомбинации и поступают на нагрузку.

При воздействии данного «управляющего» напряжения большое количество электронов, получивших энергию от квантов света, которые ранее рекомбинировали с дырками и не доходили до нагрузки, выходят из п слоя СП, тем самым увеличивая полезную энергию и КПД СП в 1,5-1,7 раза при интенсивной освещенности, относительно классических («реостатных») методов отбора мощности с СП.

В какой-то мере данный принцип образно соответствует работе полевого транзистора, когда мы электрическим полем затвора, практически не тратя тока, управляем открытием канала и прохождением силового тока через р-n переходы полевого транзистора.

Из анализа патента US 2015244313 A1 «Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications », МПК G01R 31/40, 27.08.2015 - видим, что в нем не реализована система управления и само устройство импульсного источника с функцией регулировки фронтов роста и спада импульсов напряжения в зависимости от освещенности и температуры солнечных панелей. Как результат - меньшее количество получаемой энергии с солнечных панелей. У авторов данного патента указано увеличение энергии с солнечных панелей в 1,2 при полной освещенности.

Во всех классических преобразователях блок управления DC/DC преобразователем напряжения обеспечивает, регулировкой скважности ключа, повышение напряжения получаемого от солнечных панелей, до уровня напряжения шины постоянного тока, с которой далее уже запитывается инвертор. В нашем случае, в этот блок управления встроена функция управления еще и блоком импульсов напряжения, целевая функция управления которым - получение большей энергии с солнечных панелей. Т.е. теперь он не только повышает напряжение, но и регулирует приток энергии от солнечных панелей, также обеспечивая выходное напряжение на шине постоянного тока. А далее, уже блок управления инвертором отбирает энергию с шины в том объеме, в котором блок управления и солнечные панели могут обеспечить в данный момент времени.

Существует большое количество схемотехнических методов реализации описанного способа увеличения КПД системы СП-преобразователь. На фиг.5 представлен один из возможных вариантов.

На фиг.5 представлена солнечная панель СП1, накопительный конденсатор С1, повышающий преобразователь напряжения, состоящий из конденсаторов С2, дросселя L1, диода D1, ключа К1, источник импульсов, состоящий из трансформатора Tp1, конденсатора С3, ключа К2, источника питания U1 и общего устройства управления УУ1.

Устройство управления УУ1 формирует сигналы управления для ключей К1 и К2. При кратковременном переходе ключа К2 в открытое состояние через первичную обмотку 1 трансформатора Tp1 проходит импульс тока. На вторичной обмотке трансформатора Tp1 формируется импульс напряжения. Положительной полярностью прикладываемый к n области солнечной панели СП1, а отрицательной полярностью к р области солнечной панели СП1 через конденсатор С1. Одновременно в соответствии с заданным алгоритмом работы периодически открывается ключ К1, в результате чего происходит формирование напряжения на конденсаторе С2. Напряжение на конденсаторе С2 далее поступает или на нагрузку, или на инвертор напряжения.

Свет, падающий на солнечную панель СП1, разделяет электроны и дырки. Электроны движутся по цепи и заряжают емкость С1. Одновременно с этим через импульсный трансформатор Tp1 к n области солнечной панели прикладываются импульсы напряжения с заданной частотой, длительностью, амплитудой, фронтами роста и спада; в результате чего вероятность паразитной рекомбинации электронов и дырок уменьшается, и дополнительное количество электронов, получивших энергию от фотонов света, достигает проводника и заряжает накопительную емкость С1. Далее посредством повышающего преобразователя (L1, K1, D1, С2) напряжение повышается до уровня необходимого для нагрузки или для инвертора напряжения.

Трансформатор Tp1 может быть выполнен как с ферромагнитным сердечником, так и без оного.

На фиг.6 представлена схема возможного последовательного (а) и параллельного (б) соединения солнечных панелей на примере из двух панелей. При соединении СП в блоки параллельно СП включаются диоды, которые служат для обхода тока при частичном затенении СП в блоке панелей. Для того чтобы данные диоды не шунтировали импульсные сигналы, которые прикладываются к солнечным панелям последовательно с каждым из диодов (D2-D4) ставятся дроссели (L2-L4). Данные дроссели по постоянному току практически не оказывают сопротивления, и при частичном затенении постоянный ток проходит через диоды. При этом при воздействии импульсов напряжения от трансформатора Tp1 (фиг.5) длительностью единицы микросекунд и менее дроссели D2-D4 имеют большое волновое сопротивление и не шунтируют данные импульсы.

Заявленное решение, позволяет увеличить количество получаемой энергии от массива солнечных панелей при реальных условиях эксплуатации. Это имеет первостепенное значение как для систем автономного электропитания без сети, так и для систем с сетью, т.к. в конечном итоге влияет на количество полученной энергии от солнечных панелей и на окупаемость системы в целом.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может использоваться для эффективного отбора мощности с солнечных панелей, преобразования и передачи полученной энергии в промышленную сеть и нагрузку потребителя. Устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей состоит из блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, обратимого инвертора, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, блока управления DC/DC преобразователем напряжения, блока управления инвертором, микроконтроллера управления и коммутации, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, LC-фильтра, фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, отличается тем, что в него дополнительно введен блок импульсов напряжения, установленный между блоком солнечных панелей и DC/DC преобразователем напряжения, при этом блок управления DC/DC преобразователем напряжения выполнен с дополнительной функцией управления блоком импульсов напряжения, с возможностью регулировки импульсов напряжения по амплитуде, частоте, длительности, полярности, а также по времени нарастания и времени спада импульсов. Техническим результатом является увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей, состоящее из блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, обратимого инвертора, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, блока управления DC/DC преобразователем напряжения, блока управления инвертором, микроконтроллера управления и коммутации, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, LC-фильтра, фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, отличающееся тем, что в него дополнительно введен блок импульсов напряжения, установленный между блоком солнечных панелей и DC/DC преобразователем напряжения, при этом блок управления DC/DC преобразователем напряжения выполнен с дополнительной функцией управления блоком импульсов напряжения, с возможностью регулировки импульсов напряжения по амплитуде, частоте, длительности, полярности, а также по времени нарастания и времени спада импульсов.

2. Устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей по п. 1, отличающееся тем, что в него введены двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи, аккумуляторная батарея.

3. Устройство электропитания на основе фотоэлектрических панелей по п. 1, отличающееся тем, что в него введены двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов, блок суперконденсаторов.