CN1060937A - 能量生成装置 - Google Patents

Abstract

能量生成装置包括有太阳能电池的太阳能发电 机。电能馈到直流转换器，其输出功率对能量存储系 统(电池组)充电。通过微型计算机，使该转换器的输 入电阻匹配于太阳能发电机的最大功率点(MPP)， 它取决于太阳日照和太阳能电池的温度。在装置起 动或直流转换器输出功率发生变化时，开始探索程 序，以获得太阳能发电机的最大功率点。能量存储系 统可用作船舶推进器的电动机供电。

Description

本发明涉及由太阳能发电机供电的能量生成装置，具体地说，该能量生成装置是一个具有推进器的船舶动力装置。在最佳情况下，推进器可以是一个直接推动船只的船舶推进器，或许是一个增压喷气涡轮机的叶轮，用它使水流加速，并且使水流用这样的方式离开船壳，那就是使离开船壳的水流喷射造成船只的推进。在当今的情况下，不仅可以造成船只的推进，而且还可通过改变离开船壳的水力射流的方向，确定船只行驶的方向。本发明所涉及的这种推进系统通常为人们所熟知。

在产生能量方面，太阳能发电机的应用亦为人们熟习，其中的光电太阳能电池是将光转换为电能的。如果光电太阳能发电机用于推进特别是比较小的船只的，那么就必须注意到应用元件的最高可能效率，为了保持太阳能发电机所需的面积和储能系统的重量，电动机，以及推进系统应尽可能的小型化。换言之，推进系统应该达到总体具有高效率。

因此，本发明的目的旨在提供一个获得最佳能量输出的光电能量装置。为了这个目的，太阳能发电机就需要工作在它的最大功率点（MPP）上。本发明可以确保这个要求而无需在一种经济上不合理的情况下使运行在MPP上的系统增加费用。

本发明参照附图详述如下。

本发明的主要特点是确定最大功率点作为两个参量的函数，即，“太阳日照强度”和“太阳能发电机的温度”的函数，通过一台计算机来设置这个工作点的状态。使直流转换器的输入电阻适合于对能量存储装置进行充电以便对，例如，船舶推进器的电动机供电。考虑了这些确定的参量，并且为了实用的目的，对船只推进器的光电池具有最佳利用参量。

通过附图将详细说明本发明，图中：

图1是光电池轮船推进系统及其最佳能量运营装置的系统图，以及

图2表明与直流转换器工作范围有关的发电机的特性曲线图，用来作为本发明的组件所采取的曲线。

船只推进系统（船只未示出）在单独装置中包括一个推进器1，或推进器1作为使用的若干类似的推进器中之一。推进器1装配在电动机2的驱动轴上且与其一起旋转。电能从直流-交流转换器3馈给电动机2，转换器3从存储能量系统的若干电池组4取得电能。电池组4通过直流转换器5的电能进行充电，该电能是从具有多元太阳能电池的太阳能发电机获得的。

带有极限值存储器8和数据区9的微型计算机7对该系统进行赋值，向存储器8和数据区9传送诸如各输入模拟量：发电机电压信号12;发电机电流信号13;电池电压信号14;电池充电电流信号15;指示电池10的测量值作为测量太阳日照信号16和17;以及太阳能发电机温度传感器11的测量值信号18。在包括极限值存储器8和数据区9的微型计算机7中，从对这些信号的处理中得到一个控制信号19，将它输送到直流转换器5上。

直流转换器5的输入电阻可以在一个特定的工作量程内自由地变动。直流转换器的电压跟踪由控制输入调节的输入电阻的电压。该控制输入与主微型计算机系统7形成接口。系统中各种不同测量点的信息传送到微型计算机中。

由于太阳能发电机6的特性曲线非线性，经常变化，而且它的形状也在变化，这就不可能确定某一额定值以便设计一种带有直流转换器5的闭合控制回路作为最终控制单元。

在所述的推进系统中，拟定控制算法并为其编制程序，通过控制算法的连续优化使太阳能发电机6工作在最大功率点上，即MPP上。在该系统中，在直流转换器5的输出端测量出电压和电流，并将其馈入微型计算机7中。从这些数值中计算出功率，直流转换器5将此功率传送到能量存储系统4。为了得到最佳功率，该功率必须达到极大，因而太阳能发电机6就有最佳能量输出。

当系统起动时，控制信号值由微型计算机7设置到一个初始值，例如是直流转换器5的输入电阻。因为正确的MPP的位置是未知的，因而控制信号和直流转换器的输入电阻必须改变到的那些值尚不能确定。现将控制信号的值随着最大步长W而增加，那么再一次地进行电压和电流的测量，从而确定功率。如果功率过大，那么通过合适的步长W进行更多的探索，并且再一次测量电压和电流。如果功率变小，那么探索方向不正确，于是就减小通过步长W的控制信号值。再一次测量电压和电流并且将计算功率与设定值进行比较。

因为步长W很大，它不能花很长时间去复盖太阳能发电机的特性曲线。此外，程序保证任何本机最大值进行跳跃处理，于是绝对最大值的区域就被确定。

如果当时工作点已超出MPP，那么探索方向逆转，同时MPP在相反的方向上作横向移动。工作点就这样围着实际MPP摆动。由于步长很大，工作点仍然远离实际的MPP而移动。如上所述，如果当时MPP在两个方向上横越一次，于是步长W就减半而继续优化过程。这种减半的步长继续下去直到最小可能的步长。以这样的方法，就会使工作点达到尽可能靠近MPP。

如果功率输出不发生变化同时MPP的位置仍然是稳定的话，那么由于控制信号值的离散调节，实际工作点以可能的最小步长围着MPP摆动。所以MPP永远不会被精确地确定。确定下最大功率区，则实际的最大值即位于这个区域的中心。

现在来介绍极限值存储器，在存储器中，最大功率区的最后两个改变方向的点是MPP，这总是已知的。在探索程序末端时，就是说，当步长最小时，只要功率输出保持不变，探索程序就被中断，于是根据最大功率的最后有效区的两个极限值计算出算术平均值。这个算术平均值就是瞬时MPP的控制信号值并将其置入直流转换器。

探索程序直到功率输出按照某一确定值发生变化为止即被切断，就是说，直到MPP的位置发生变化为止。当开始有很小的变化时，为了尽快地获得新的MPP的精确的设定值，探索程序以最小的步长继续进行。只有在预定次数的探索步骤之后，在相同方向中的步长可加倍，但至多是最大步长W。为了在进一步操作中加速优化过程，采集到的MPP值编入数据区。为了识别MPP，一方面，控制信号值，另一方面，太阳日照值和发电机温度值都需要作为MPP状态的测定参量。

借助于至少一个所谓指示电池10来确定太阳的日照。指示电池是一个精确标定了的标准电池，它工作在短路状态下。短路电流是太阳的日照大小的直接量度，太阳日照实际上可以由光电太阳能发电机6进行加工处理。对于太阳日照而言，指示电池处在与发电机相同的状态下，因此可以设定相同的前提条件。为了重现，应用至少两个指示电池10是适宜的。

用两个温度传感器11测量发电机的温度，传感器胶合在太阳能发电机6的背面的各个位置上。这些数值也传送到微型计算机7中，因此测量到的日照和太阳能发电机温度可以说明每个工作点。

将每个所采集到的MPP（视为在可能终止探索程序时，所采集的MPP）编入到数据区。在这样做时，将这种MPP的控制信号编入到数据区单元，于是，数据区单元确定的指示值则是太阳日照值和发电机温度值。

将作为太阳日照量度的“短路电流”指示值视为绝对值编入数据区。另一方面，将“发电机温度”的指示值作为与实际发电机温度相比较的值编入数据区，并且将其限制在±×℃的温度范围内。用这种方法确定一种有具体大小的温度窗孔。这个温度窗孔以外的MPP值则被清除，因此，由于温度波动引起的无效的MPP值则从数据区消失，同时为有效值所代替。用这种方法可以自动地计及发电机或系统的相关组件的老化引起的无效值。

如果当前探索程序起动，或重新起动，那么MPP值对瞬时温度和日照是有效的。如果能采集到这样一个有效值MPP，那么控制信号值会立即被设定，结果，发电机工作在MPP。因此可以省去探索程序。如果一个有效的MPP值未被采集到，那么对MPP的探索必须如上述情况那样继续进行。

为了防止由于太阳能发电机或指示电池的寄生信号或部分寄生信号引起的错误信号值写入MPP数据区，在每次输入之前要进行是非判别试验。利用太阳能发电机6的特性曲线族并且会同指示电池10的短路电流以及发电机的温度作为输入量，可以计算出在MPP时精度为±10%的预期输出量。这对于MPP的控制是太不精确了，但对是非判别试验是完全适宜的。

在各设定值MPP输入到数据区之前，由发电机电压和发电机电流计算出来的实际的发电机输出与由上述计算方法算出的预期输出进行比较。如果实际输出的偏离不超过计算值的10%，那么其值似乎合理并将它输入到数据区;如果不是这样，那么探索程序继续进行。在通过表列值传输控制信号值之前，也要进行是非判别试验。通过这种方法，有可能防止由于指示电池或太阳能发电机的寄生信号所设置的正确的工作点。

如果当电池已充满电达到了最后充电电压，那么直流转换器5的输入电阻朝着无荷载运行方向移动，这是为了防止太阳能发电机6发生任何过载的缘故。微型计算机不再具有探索或设置MPP的能力。当达到最后的充电电压时，在数据区中阻止了设定的MPP值的输入。

很显然，借助于所述且存储在电池组4中的装置所获得的能量最好能作为推动船舶的推进器1的推动。本发明还可扩展到与陆基相关的装置中的应用。在这样的情况下，直流-交流转换器3则不与推进器1的电动机2相联接，而所产生的功率，例如，馈到一个电网中而不馈送到电池组4中。例如，对没有连接到电网上的用电装置的供电，设备可合理地运转，由于根据实际需要，它们总是工作在最大功率点上。

Claims (11)

1、一种能量生成装置，它通过一个直流转换器由太阳能发电机供给电能，其特征是，利用微型计算机，直流转换器的输入电阻恒定地匹配于太阳能发电机的最大功率点，太阳能发电机取决于太阳日照，也取决于太阳能电池的温度。

2、权利要求1的能量生成装置，其特征在于，在直流转换器输出端的电压和电流传感器，把它作为计算传递到微型计算机能量存储系统的功率的依据;其特征还在于，当由电压和电流计算的功率发生变化时，微型计算机中的发电机控制信号则使直流转换器的输入电阻变化某一量值，因此使工作点与最大功率点相一致。

3、权利要求1的能量生成装置，其特征是，当系统起动时，并且当由传感器测量的，同时由直流转换器传递到能量存储系统的功率发生变化时，通过改变控制信号使探索程序开始，方向和步长是可变的以便在规定的工作量程内获得太阳能发电机的最大功率点。

4、权利要求1的能量生成装置，其特征在于，微型计算机包括一个极限值存储器，还包括太阳能发电机输出在内，那么这个量程的极限点的算术平均值、最大功率点的实际值即被确定下来，同时使控制信号调节到这个值。

5、权利要求1的能量生成装置，其特征是，微型计算机包括一个数据区，其中，当装置运行时所采集的最大功率点的数值通过控制信号值表现出来，并且由在指示电池上测量到的太阳日照值所确定，而用温度传感器测量到的太阳能发电机的温度值则被存储起来，同时由于探索程序重新起动，控制信号即刻调节到瞬变太阳日照和太阳能发电机温度的正确值并且与最大功率点相符。

6、权利要求1的能量生成装置，其特征在于，用温度传感器测量到的发电机的温度值仍然存储于数据区作为只有在±×℃范围内所采集到的最大功率点的检索值，±×℃的范围是在瞬变的发电机温度附近建立起来的，而且超出这个范围所采集到的最大功率点的温度值均被清零，因此，由于发电机温度波动引起的无用的和可能是错误的最大功率点的数值亦都被清零，于是，太阳能发电机的老化，或者是系统的重要器件的老化引起的无效值即被确定并且能自动地予以补偿。

7、权利要求1的能量生成装置，其特征在于，在最大功率点的数值每逢输入到数据区之前，要进行是非判别试验，试验是由微型计算机通过对发电机输出的比较而实现的，发电机输出则是通过由发电机电压和发电机电流值计算的实际发电机输出的理论计算值，而且不通过是非判别试验的那些值在数据区中是不会接受的。

8、权利要求6的能量生成装置，其特征在于，在用表列值每调节控制信号值之前，也要进行是非判别试验，为了防止由于指示电池或太阳能发电机的寄生信号所设置的错误工作点，于是，即使那些值不通过是非判别试验，而探索程序还会再次起动，或继续探索。

9、权利要求1的能量生成装置连同带有推进器和电动机的船舶推进系统一起由储能系统的电池供电，它的充电能量是由太阳能发电机通过直流转换器提供的。

10、权利要求9的能量生成装置，其特征在于，当在传感器上测得的电压达到电池组的最后充电电压时，控制信号值改变到太阳能发电机的无荷载电压的方向。

11、权利要求10的能量生成装置，其特征在于，当电池组的电压达到最后充电电压时，输入到数据区的值即被终止。

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