CZ23101U1

CZ23101U1 - Systém pro předávání výkonu fotovoltaického generátoru s proměnným výstupním napětím do odporové zátěže

Info

Publication number: CZ23101U1
Application number: CZ201124857U
Authority: CZ
Inventors: Wolf@Petr
Original assignee: Sunnywatt Group A.S.
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2011-12-19

Description

Oblast techniky

Předmětem technického řešení je uspořádání systému pro předávání výkonu fotovoltaického generátoru s proměnným výstupním napětím do odporové zátěže.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy různé způsoby zapojení panelů fotovoltaického generátoru ke spotřebiči. Například je možné použít střídač, který stejnosměrné napětí dodávané fotovoltaickým generátorem transformuje na střídavé napětí o parametrech sítě. Vyrobená energie se následně spotřebovává ve spotřebiči obdobně, jako kdyby byl připojen do elektrické sítě. Přitom dochází na střídači ke ztrátám z důvodu přeměny energie ze stejnosměrné na střídavou. Výhodou střídače je, že obsahuje řídicí algoritmus, díky kterému pracuje v oblasti maximálního bodu výkonu v závislosti na osvitových podmínkách. Střídače, které umí řídit maximální bod výkonu, jsou ale velice drahé a výrazně navyšují relativní náklady celého systému. Cílem tohoto technického řešení je zvýšit účinnost systému fotovoltaického generátoru a odporové zátěže a dosažení úspor energie převáděné do této zátěže, při současném zjednodušení a zlevnění systému.

Podstata technického řešení

Předmětem technického řešení je systém pro předávám výkonu fotovoltaického generátoru s proměnným výstupním napětím do odporové zátěže, kde výstupy fotovoltaického generátoru, obsahujícího nejméně jeden fotovoltaický panel, jsou připojeny ke kapacitoru. Podstata technického řešení spočívá v tom, že kapacitor je součástí DC/DC měniče, jehož výstup je připojen k odporové zátěži, kde DC/DC měnič dále obsahuje pulsně šířkovou modulací řízený spínač pro spínání řízené v závislosti na velikosti proměnného napětí na výstupu fotovoltaického generátoru, kde tato závislost je definována vztahem P = V² / R_f). S, kde P je výkon spotřebovaný v zátěži, Tje napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem, R_(l je hodnota odporu zátěže a S je střída, definovaná vztahem 5 - T_tM / (T„_n + kde T_Ott je doba sepnutého stavu spínače a T_oy doba vypnutého stavu spínače, přičemž k řídicímu vstupu spínače je zapojen blok mikroprocesoru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí, zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru.

Pomocí změn střídy 5 se průběžně určuje maximální okamžitá hodnota výkonu P, spotřebovaného v odporové zátěži, přičemž výchozí hodnota R_t) velikosti odporu takto spínané zátěže je pro pracovní podmínky fotovoltaického generátoru, dané intenzitou na něj dopadajícího záření a teplotou PN přechodu v jeho fotovoltaických článcích, menší až rovna poměru napětí U_Mpp a proudu I_Mpp v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.

Výhodou je vysoká účinnost tohoto systému, jehož pomocí DC/DC měniče regulované výstupní napětí odpovídá vždy bodu resp. oblasti maximálního výkonu. Tato napěťová konverze dokáže pracovat s účinností až 99 %, jediná ztráta je na spínači, cca 0,5 %, ostatní ztráty na kabelech a kondenzátoru jsou zanedbatelné. Prakticky to lze ilustrovat na příkladu, jestliže je toto řešení využito pro elektrické bojlery obsahující jak stejnosměrnou, tak i střídavou topnou spirálu, které mají dva termostaty. Příklad využití; spirála napájená ze střídavé sítě je nastavena termostatem na 45 °C, spirála napájená stejnosměrným proudem, čili z DC/DC měniče, pak na maximum 75 °C. Systém šetří energii, která by jinak musela být dodána z rozvodné sítě pro ohřev vody na 75 °C.

Spínačem může být elektronický spínač, například výkonový tranzistor typu MOSFET. Odporovou zátěží může být stejnosměrná topná spirála elektrického boileru, opatřeného kombinovanou stejnosměrnou a střídavou topnou spirálou a dvěma termostaty.

- 1 CZ 23101 Ul

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže vysvětleno pomocí výkresů a následujícího popisu příkladů. Na obr. 1 jsou zobrazeny voltampérové/výkonové charakteristiky fotovoltaického generátoru při různých velikostech jeho osvitu (250 W/m², 784 W/m² a 1020 W/m²) a přímková voltampérová charakteristika odporové zátěže, tvořené topnou spirálou o odporu 14,4 Ω. Na obr. 2 je znázorněn princip řízení DC/DC měniče střídou (5 = 0,6), na obr. 3 příklad voltampérové charakteristiky fotovoltaického panelu a na obr. 4 průběh poměru výkonu odporové zátěže v závislosti na střídě. Na obr. 5 jsou zobrazeny voltampérové charakteristiky fotovoltaického generátoru a zátěže při různých hodnotách střídy 5¹. Na obr. 6 je příklad základního zapojení sestavy fotovoltaicío kého generátoru a odporové zátěže s DC/DC měničem. Obr. 7 znázorňuje rozšířené zapojení sestavy fotovoltaického generátoru a odporové zátěže s DC/DC měničem a na rozdíl od obr. 6 obsahuje navíc některé další pomocné prvky pro zlepšení funkčnosti technického řešení. Výstup z fotovoltaického generátoru je vypínatelný a proudově jištěn, je použita přepěťová ochrana, diodová ochrana DC/DC měniče proti přepólování, proudová ochrana oddělující výkonové a řídicí části, Zenerova dioda chránící vstupní svorky měření napětí mikroprocesorem, stabilizátor napětí zajišťující napájení mikroprocesoru přímo z fotovoltaického generátoru. Spínací prvek je jištěn proti přepětí vlivem vlastní indukcnosti vodičů a topné spirály pomocí blokovací diody.

Příklady uskutečnění technického řešení

Pro spotřebu elektrické energie v odporové zátěži lze stejně využít střídavý jako stejnosměrný proud a proto je z podstaty věci zbytečné provádět přeměnu. Proto je pro zapojení fotovoltaického generátoru k odporové zátěži výhodnější použít přímo stejnosměrný proud a je vhodné pro tento účel použít DC/DC měnič (se stejnosměrným vstupem a stejnosměrným výstupem). Fotovoltaický generátor, kterýje tvořený soustavou sérioparalelně propojených panelů, má proměnlivý napěťový výstup, závislý na teplotě PN přechodů fotovoltaických článků panelů a na intenzitě dopadajícího záření. Tyto provozní podmínky určují průběh voltampérové (dále jen VA) charakteristiky pro daný foto vol ta i cký generátor. Účelem je, aby fotovoltaický generátor neustále pracoval v oblasti (v bodě) svého maximálního výkonu, kdy je hodnota součinu jeho výstupního napětí a proudu maximální. Výkon přímého spojení panelů a odporové zátěže je dán průsečíkem VA charakteristiky fotovoltaického generátoru a zátěže. Jestliže je fotovoltaický generátor přímo připojen na odporovou zátěž, nelze prakticky dosáhnout výsledný bod jeho maximálního výkonu, protože průsečík VA charakteristiky fotovoltaického generátoru a přímky V A charakteristiky odporové zátěže, to je reálný pracovní bod systému fotovoltaický generátor - odporová zátěž, se bude nacházet mimo bod (oblast) maximálního výkonu.

Pro dosažení bodu maximálního výkonu uvedené soustavy je výstupní výkon fotovoltaického generátoru ukládán do kapacitoru C, připojeného k výstupním svorkám fotovoltaického generátoru, například do elektrolytického kapacitoru o hodnotě 6 mF / 200 V. Odporová zátěž je připojena ke kapacitoru C přes elektronický spínač, tvořený výkonovým tranzistorem typu MOSFET, jehož spínání, které se provádí pulsně šířkovou modulací, je řízeno v závislosti na velikosti napětí na výstupu fotovoltaického generátoru, Tato závislost je definována vztahem P = V² / Rq. S, kde P je výkon spotřebovaný v zátěži, V je napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem C, Roje hodnota odporu zátěže a Sje střída, definovaná vztahem 5 = T_oa / (T_on + T_Ofj), kde T_o„ je doba sepnutého stavu spínače a T_o# doba vypnutého stavu spínače. Pomocí změn střídy S se průběžně určuje maximální okamžitá hodnota výkonu P, spotřebovaného v odporové zátěži, a hodnota střídy 5 pro tento maximální výkon se nastaví vždy jako výchozí hodnota pro další následující změny střídy 5. V případě, kdy je intenzita dopadajícího záření na fotovoltaický generátor nízká, je zapotřebí nastavit střídu 5 na nižší hodnotu než pri vyšší intenzitě záření.

Výpočet výkonu předávaného do zátěže je následující:

- 2 CZ 23101 Ul

V sepnutém stavu spínače je hodnota napětí na zátěži rovna hodnotě výstupního napětí na fotovoltaickém generátoru, při vypnutém stavu spínače je hodnota napětí na zátěži nulová. Kapacitor

C při opakovaném připínání a odpínání zátěže zajišťuje vyhlazení výstupního napětí ťotovoltaického generátoru.

Uvažuje se dostatečně velká frekvence f = — A- [«4 při které lze výstupní Tav ⁺ napětí na fotovoltaických panelech považovat při dané střídě S za konstantní v čase (dostatečně vyhlazené pomoct kapacitoru C), a která není natolik velká, aby se začaly projevovat parazitní indukčnosti přívodů či zátěže a přechodové děje ve spínacím prvku. Na zátěži pak bude periodicky proměnné napětí, po dobu T_on bude rovné ustálené hodnotě napětí na výstupu panelů K[ Π io a po dobu bude nulové.

Průměrný výkon předávaný do zátěže bude roven P = — 5 [w].

Pracovní oblast a vliv uvedeného DC/DC měniče na pracovní bod:

Jestliže se odporová zátěž střídavě s dostatečnou frekvencí, například 5Ό0 Hz, připojuje k fotovoltaickému generátoru, projevuje se takto připojená zátěž změnou sklonu přímkové VA cha15 rakteristiky zátěže. Při přímém připojení fotovoltaických panelů a odporové zátěže bude napětí na výstupu ťotovoltaického generátoru rovné napětí na zátěži a bude odpovídat napětí v průsečíku křivek V A charakteristiky foto volta ického generátoru a zátěžové přímky odporové zátěže. Tato situace nastane i v případě připojení DC/DC měniče, pokud střída 5=1. Bude-li střída 5 < 1, pak pří dostatečně velké frekvenci f spínání se zátěž spolu s měničem projeví na výstupních svorkách fotovoltaického generátoru opět jako odporová zátěž, ale s jinou hodnotou odporu.

Hodnota tohoto zdánlivého odporu vzroste na hodnotu R_x = — [ω], kde znamená pozorovanou hodnotu odporu a R<> výchozí hodnotu odporu zátěže. Hodnota R_xje tedy nepřímo úměrná hodnotě 5, nabývá hodnot v intervalu [/?# - oo], V reálné aplikaci je třeba zaručit, aby pro uvažované pracovní podmínky generátoru (intenzita záření a teplota PN přecho25 du ve fotovoltaických článcích) vždy platilo

R,<

V,

MPP [ω], kde V_yPpje napětí v bodě maximálního výkonu fotovoltaického

MPP generátoru a 1_MPP je proud v bodě jeho maximálního výkonu. Tato podmínka zajistí, aby existovala hodnota střídy 5, při které je možné za pomocí uvedeného DC/DC měniče zajistit provoz systému v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.

to Na obr. 1 VA protíná charakteristika zátěže křivku maximálního výkonu pri hodnotách osvitu fotovoltaického generátoru 784 W/m². Pokud by byla hodnota osvitu konstantní, stačilo by pouhé připojení panelů fotovoltaického generátoru k zátěži a systém by pracoval s maximální možnou účinností. Osvitové hodnoty se však mění a je důležité s nimi měnit i hodnoty výstupního napětí na zátěži, tak aby pracovní bod systému byl i při nízké hodnotě osvitu v bodě maximálního vý35 kónu.

Důležité je tedy měnit výstupní napětí systému na zátěži. Pomocí DC/DC měniče toto výstupní napětí odpovídá vždy bodu maximálního výkonu. Dosahuje se toho pomocí mikroprocesoru, který zpracovává vstupní hodnoty napětí přes odporový dělič Rl, R2 a na výstupu řídí metodou pulsně šířkové modulace spínací prvek (tranzistor) vhodnou střídou, která odpovídá ideálnímu napětí.

-3CZ 23101 Ul

Princip řízení střídou je znázorněn na obr. 2. Hodnota 1 zde odpovídá vstupnímu napětí na spínací prvek, průběh označený jako výstupní napětí (modrá barva) odpovídá napětí na spínacím prvku (pulsně šířková modulace - PWM), průběh označený jako průměr (červená barva) odpovídá napětí na zátěži. Střída daného průběhu je 60 % a tudíž výstupní napětí je ⁼ Vystup S, kde V_Vstup)e střední hodnota vstupního napětí a Sje střída.

Obr. 3 znázorňuje závislost proudu a výkonu fotovoltaického panelu najeho napětí, obr. 4 ukazuje pro tento panel závislost výkonu dodávaného do zátěže a poměru napětí na výstupu fotovoltaického panelu a střední hodnotě napětí na zátěži v závislosti na střídě S.

Na obr, 5 je zobrazen příklad s VA charakteristikou fotovoltaického generátoru a VA charakteristikami zátěže při různých hodnotách střídy 5. Křivka 1) je V A charakteristikou fotovoltaického generátoru, křivka 2) VA charakteristikou zátěže při S ~ 1, křivka 3) VA charakteristikou zátěže při 5 - 0,5 a křivka 4) VA charakteristikou zátěže při 5 = 0,25. Výkon dodávaný do zátěže odpovídá 92 W při 5 = 1, 161 W při 5 - 0,5 a 102 W při S = 0,25. Použití střídy o velikosti 5 = 0,5 odpovídá v daném případě provozu v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.

Na obr. 6 je znázorněno základní schéma fotovoltaického generátoru, měniče a zátěže. Výstup fotovoltaického generátoru, obsahujícího celkem šest sérioparalelně zapojených fotovoltaických panelů, je připojen přes DC/DC měnič k odporové zátěži, tvořené topnou spirálou boileru. Výstup generátoru je připojen ke kapacitoru C, ke kterému je dále přes spínač, tvořený výkonovým tranzistorem typu MOSFET, připojena odporová zátěž. K řídicímu vstupu spínače je připojen blok mikroprocesoru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí (Rl a R2), zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru. Řízení spínače je prováděno pulsně šířkovou modulací (PWM). Uspořádání panelů fotovoltaického generátoru je 3><2, kde první Číslo je počet panelů zapojených v sérii a druhé číslo počet sériových větví paralelně propojených. Vzhledem k tomu, že výstup DC/DC měniče není vyhlazený (pulsy PWM), je veškerá energie spotřebována odporovou zátěží, přitom účinnost se pohybuje okolo hodnoty 98 %. Největší ztráta je na spínacím tranzistoru. Celý systém pracuje tak, že výkon fotovoltaického generátoru je akumulován v kapacitoru C, přes odporový dělič Rl a R2 jsou do mikroprocesoru vzorkovány hodnoty vstupního napětí a mikroprocesor vyhodnotí pomocí algoritmu střídu pro spínač (viz obr. 4). Obr. 7 znázorňuje rozšířené zapojení sestavy fotovoltaického generátoru a odporové zátěže s DC/DC měničem, na rozdíl od obr. 6 obsahuje navíc některé další pomocné prvky pro zlepšení funkčnosti technického řešení. Výstup z fotovoltaického generátoru je vypínatelný a proudově jištěn, je použita přepěťová ochrana FU3, diodová ochrana Dl DC/DC měniče proti přepólování, proudová ochrana FU1, FU2, oddělující výkonové a řídicí části, Zenerova dioda D3, chránící vstupní svorky měření napětí mikroprocesorem, stabilizátor napětí zajišťující napájení mikroprocesoru přímo z fotovoltaického generátoru. Spínací prvek je jištěn proti přepětí vlivem vlastní indukčnosti vodičů a topné spirály pomocí blokovací diody D2.

Příklady - zapojení fotovoltaických panelů připojených přes DC/DC měnič ke spotřebiči. Parametry systémů:

počet panelů i	typ panelu	zátěž	uspořádání	výkon FV generátoru
1 6	180 Wp, V\ipp-35V. I_S( ^_5.14A mono	1 kW/14,4 Ω, 120 V	3x2	1,08 kWp
10 1	180 Wp, V_MPP=35V, Isc=5,14A mono	1,5 kW/21,6 Ω, 180 V	5x2	i 1 1,8 kWp
12	180 Wp, V_M1T=35V, I_sc-=5,14A mono	2 kW/28,8 Ω, 240 V	6x2	2,16 kWp

mono - panely z monokrystalického křemíku;

-4CZ 23101 Ul

Vmpp, Isr - napětí a proud v bodě maximálního výkonu panelů při standardních testovacích podmínkách.

Technické řešení je využitelné pro napájení libovolných odporových topných zátěží pomocí zdroje tvořeného fotovoltaickými panely (fotovoltaický generátor). Zejména pak pro elektrické bojlery s kombinovanou stejnosměrnou a střídavou topnou spirálou, které mají dva termostaty. Příklad využití: spirála napájená ze střídavé sítě je nastavena termostatem na 45 °C, spirála napájená stejnosměrným proudem, cíli z DC/DC měniče pak na maximum 75 °C. Systém šetří energii, která by jinak musela být dodána z rozvodné sítě pro ohřev vody na 75 °C.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU ίο 1. Systém pro předávání výkonu fotovoltaického generátoru s proměnným výstupním napětím do odporové zátěže, kde výstupy fotovoltaického generátoru, obsahujícího nejméně jeden fotovoltaický panel, jsou připojeny ke kapacitoru (C), vyznačující se tím, že kapacitor (C) je součástí DC/DC měniče, jehož výstup je připojen k odporové zátěži, kde DC/DC měnič dále obsahuje pulsně šířkovou modulací řízený spínač pro spínám řízené v závislosti na velikosti

15 proměnného napětí na výstupu fotovoltaického generátoru, kde tato závislost je definována vztahem P - V² / R_o. S, kde P je výkon spotřebovaný v zátěži, Uje napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem (C), R₍> je hodnota odporu zátěže a 5 je střída, definovaná vztahem S = T_on / (T_on + Τ_οβ), kde T_(m je doba sepnutého stavu spínače a Τ,ρ doba vypnutého stavu spínače, přičemž k řídicímu vstupu spínače je zapojen blok mikroproceso20 ru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí, zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru.
2. Systém podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m , že spínačem je elektronický spínač, tvořený výkonovým tranzistorem typu MOSFET.
3. Systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že odporovou zátěží je

25 stejnosměrná topná spirála elektrického boileru, opatřeného kombinovanou stejnosměrnou a střídavou topnou spirálou a dvěma termostaty.