CN103688228A - 用于优化太阳能电池单元的输出功率的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于优化太阳能电池单元（4）的输出功率的电子设备（2），其具有串联耦合在太阳能电池单元和负载（8）之间的可变电阻器（6）、被配置为控制可变电阻器的控制单元（10）、用于测量输出电压（V）的传感器（12）和用于测量太阳能电池单元（4）的输出电流（I）的传感器（14），其中控制单元（10）被配置为：随时间改变串联电阻器（6）的电阻，使得输出电压（V）对时间（t）的一阶导数具有恒定值；同时监测输出电流（I）对时间的二阶导数；检测输出电流（I）对时间（t）的二阶导数是否超过预定的阈值；以及将对应的输出电压和电流的值识别为太阳能电池单元的最大功率点（MPP）。

Description

用于优化太阳能电池单元的输出功率的设备和方法
技术领域
本发明总体涉及用于优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备。本发明进一步涉及用于操作优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备的方法。
背景技术
太阳能电池单元的有利工作点是最大功率点（MPP），在MPP处太阳能电池单元输送最大输出功率。图1根据现有技术示出了太阳能电池单元的典型的电流-电压特性（I-V特性）。太阳能电池单元的输出功率由I与V的乘积给出，并且其最大值定义MPP。
用于确定MPP的典型的方法是改变串联耦合至太阳能电池单元的实际负载的测试负载。改变测试负载的同时计算输出功率。此外，确定I与V的乘积（即太阳能电池单元的输出功率）的一阶导数。正如可以从图1中的输出功率曲线中看到的那样，输出功率的一阶导数在MPP处改变了其斜率。当从很低的电流值处开始时，通过增加电流I，对应的电压V增加，直到输出功率到达其最大值。电压V的进一步增加导致电流I的值减小。换句话说，根据相应的I和V值是位于MPP的左侧还是右侧，一阶导数具有正的或负的斜率。正的斜率包含将在更高的电流值处找到MPP的信息，而负的斜率表明MPP位于更低的电流值处。通过相应地调整电流和电压，太阳能电池单元能够被设置到其MPP。
然而，多个外部参数影响太阳能电池单元的输出功率特性。特别地，其对光的暴露以及电池单元的工作温度改变输出功率曲线。因此，MPP也被偏移到不同的电压和电流值处。这种依赖性导致有必要经常调整太阳能电池单元的工作电流和电压，以便太阳能电池单元总是工作在其MPP处。这种调整通常由按照上述方式操作的微控制器单元或数字信号处理器来执行。这种调整必须是快速的，因为不仅太阳能电池单元的实际负载会迅速变化，而且工作条件，例如曝光量（light exposure）和工作温度也可能变化。然而，微控制器单元或数字信号处理器的应用增加了系统成本，因为这些部件很昂贵。
发明内容
本发明的总体目标是提供一种用于优化太阳能电池单元的输出功率的替代的电子设备。本发明的进一步目标是提供一种用于操作所述电子设备的替代的方法。
本发明提供了用于优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备。该电子设备包含控制单元和串联耦合在太阳能电池单元和负载之间的可变串联电阻器。控制单元被配置为控制可变串联电阻器，并且进而进一步包含用于测量太阳能电池单元的输出电压和电流的传感器。控制单元被配置为随时间改变串联电阻器的电阻，使得输出电压对时间的一阶导数具有恒定值。同时，控制单元监测输出电流对时间的二阶导数以便确定其是否超过预定的阈值。对应的输出电压和电流的值被识别为太阳能电池的最大功率点。
根据本发明，所述电子设备允许可靠且成本有效地控制和优化太阳能电池单元的工作条件。可以省略成本高的部件，例如微控制器等。
根据本发明的一个方面，所述控制单元被进一步配置为通过检测输出电流对时间的二阶导数的极值来识别太阳能电池单元的最大功率点。此外，MPP可以被非常精确地定位。
根据本发明的另一个方面，所述电子设备被实现为模拟集成电路。这允许非常成本有效地实现电子设备。
本发明也提供例了用于操作优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备的方法。存在控制单元和串联耦合在太阳能电池单元和负载之间的可变串联电阻器。控制单元被配置为控制可变串联电容器，并且进一步包含用于测量太阳能电池单元的输出电压和电流的传感器。随时间改变串联电阻器的电阻，使得输出电压对时间的一阶导数具有恒定值。同时，监测输出电流对时间的二阶导数并确定输出电流对时间的二阶导数是否超过预定的阈值。对应的输出电压和电流的值被识别为太阳能电池单元的最大功率点。
附图说明
参考附图描述了示例实施例，其中：
图1是根据现有技术示出太阳能电池单元的典型的电流-电压特性和对应的输出功率的简化示意图。
图2是根据本发明的实施例的用于确定太阳能电池单元的最大功率点的电子设备的简化电路原理图。
图3是根据本发明的实施例进一步示出输出电流对时间的一阶导数和该电流对时间的二阶导数的进一步简化的示意图。
具体实施方式
图1是示出暴露在光下的太阳能电池单元的典型的电流-电压特性（I-V特性）的简化示意图。此外，图1中描述了太阳能电池单元的对应的输出功率。太阳能电池单元在输出功率曲线的极值（其也被称为最大功率点（MPP））处传送其最大输出功率。当操作太阳能电池单元时，为了实现最大效率，期望在MPP处或MPP附近操作太阳能电池。
图2是根据本发明的电子设备2的实施例的简化的电路原理图。电子设备2包含可变串联电阻器6、用于测量输出电压V的传感器12和用于测量太阳能电池单元4的输出电流I的传感器14。
可变串联电阻器R串联耦合在太阳能电池单元4和负载8之间。输出电压V和输出电流I由合适的测量设备12、14来确定。输出值V、I被馈送到控制单元10。优选地，控制单元是被适当配置为执行将在下面描述的处理步骤的集成模拟电路。
控制单元10被配置为改变可变电阻器6的电阻R，使得输出电压V的一阶导数随时间连续地变化。换句话说，公式dV/dt=常量是成立的。输出电压V可以从高的初始值变化到低的值，反之亦然。唯一的要求是输出电压V随时间连续地变化。
图3是示出从图1中已经得知的太阳能电池单元4的I-V特性和输出功率的进一步简化的示意图。此外，根据本发明的实施例，图3中描述了输出电流I对时间的一阶导数和二阶导数，分别称为dI/dt和d2I/dt2。曲线是非常示意性的并且不指代给定的比例。然而，这是小细节，因为曲线的梯度才是令人感兴趣的。
如前所述，公式dV/dt=常量将是成立的。当在接近于开路电压VOC的高电压V处示例性地开始时，电压V的某个变化导致电流I的某个变化。由于在远离MPP的区域中，电压V和电流I之间的相关性是近似线性的，因此电流I几乎与电压V成比例地变化。当在某一时间段内连续地改变电压V时（这意味着dV/dt=常量是成立的），电流I也将随时间连续地变化，这意味着电流对时间的一阶导数dI/dt是恒定的。在远离MPP的区域中可以看到dI/dt曲线的这种行为。当在接近于开路电压VOC的高电压值处开始时，电流I最初随变化的电压V非常细微地变化。当说到随时间变化并假设电压V随时间的变化是恒定的，则对应的电流I随时间的变化很小，如在dI/dt的图形的左边的部分中可见的那样。
在MPP区域中，电流I随电压V的变化急剧地变化，因为I-V曲线的斜率急剧地变化。电压V的非常小的变化将导致电流I的巨大的变化。同样，电压V随时间的变化将是恒定的。这意味着对应的电流I随时间的变化从中等值变化到明显更高的值。
当查看二阶导数d2I/dt2时，电流随时间的变化甚至更明显。当一阶导数从较低的值阶跃到较高的值时，d2I/dt2清楚地示出了最大值。d2I/dt2的曲线在图3中被描述为虚线。
已经认识到，电流对时间的二阶导数的极值（图3中的最大值）对应于MPP。对应的电流对应于MPP。
这使得能够通过观察电流对时间的二阶导数d2I/dt2来将太阳能电池单元4调整到MPP。随时间连续地变化电压V，同时监测d2I/dt2。
作为第一种方法，应假设当d2I/dt2的值超过某一阈值T时MPP已经被找到。进一步的替代方法可以是，检测最大值本身-超过它并后退某一偏移值，以便将太阳能电池单元4精确地设置到MPP。通过检测极值本身，可以非常精确地确定MPP。
本发明涉及的本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例做出修改，并且许多其它实施例是可能的。

Claims (5)

1.一种用于优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备，所述电子设备包含：
串联耦合在所述太阳能电池单元和负载之间的可变串联电阻器；
被配置为控制所述可变电阻器的控制单元；
用于测量输出电压的传感器；以及
用于测量所述太阳能电池单元的输出电流的传感器；
其中所述控制单元被配置为：随时间改变所述串联电阻器的电阻，使得所述输出电压对时间的一阶导数具有恒定值；同时监测所述输出电流对时间的二阶导数；检测所述输出电流对时间的二阶导数是否超过预定的阈值；以及将对应的所述输出电压和电流的值识别为所述太阳能电池单元的最大功率点（MPP）。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制单元进一步被配置为通过检测所述输出电流对时间的二阶导数的极值来识别所述太阳能电池单元的最大功率点（MPP）。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是分立的模拟集成电路。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备是分立的模拟集成电路。
5.一种用于操作优化太阳能电池单元的输出功率的电子设备的方法，所述电子设备包含：串联耦合在所述太阳能电池单元和负载之间的可变串联电阻器，被配置为控制所述可变电阻器的控制单元，用于测量输出电压的传感器以及用于所述太阳能电池单元的电流的传感器；所述方法包括：
随时间改变所述串联电阻器的电阻，使得所述输出电压对时间的一阶导数具有恒定值；
同时监测所述输出电流对时间的二阶导数；以及
确定所述输出电流对时间的二阶导数是否超过预定的阈值并将对应的所述输出电压和电流的值识别为所述太阳能电池单元的最大功率点（MPP）。
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