CZ309486B6 - A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method - Google Patents

A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method Download PDF

Info

Publication number
CZ309486B6
CZ309486B6 CZ2011-582A CZ2011582A CZ309486B6 CZ 309486 B6 CZ309486 B6 CZ 309486B6 CZ 2011582 A CZ2011582 A CZ 2011582A CZ 309486 B6 CZ309486 B6 CZ 309486B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
photovoltaic generator
load
power
switch
output
Prior art date
Application number
CZ2011-582A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2011582A3 (en
Inventor
Petr Wolf
Petr Ing. Wolf
Original Assignee
Váša Miroslav Ing.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Váša Miroslav Ing. filed Critical Váša Miroslav Ing.
Priority to CZ2011-582A priority Critical patent/CZ309486B6/en
Publication of CZ2011582A3 publication Critical patent/CZ2011582A3/en
Publication of CZ309486B6 publication Critical patent/CZ309486B6/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • F24D11/003—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system combined with solar energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The output power of the PV generator is stored in the capacitor (C) and from the capacitor (C) this power is transferred to the resistive load through the DC/DC converter switch. It is switched by pulse width modulation depending on the magnitude of the variable voltage at the output of the photovoltaic generator. This dependence is defined by the relation P = V2/ R0× S, where P is the power consumed in the load, V is the voltage sensed at the output of the photovoltaic generator, which is smoothed by the capacitor (C), R0 is the load resistance value and S is the class, defined the relationship S = Ton/Ton+ Toff, where Ton is the time of the switch's on state and Toff is the time of the switch's off state. With the help of class S changes, the maximum instantaneous value of the power P consumed in the resistive load is continuously determined. The initial value R0 of the resistance of the switched load is for the working conditions of the photovoltaic generator, given by the intensity of the radiation falling on it and the temperature of the PN transition in its photovoltaic cells, less than or equal to the ratio of the UMPP voltage and the IMPP current at the point of maximum power of the photovoltaic generator.

Description

Způsob předávání výkonu fotovoltaického generátoru do odporové zátěže a zařízení k provádění tohoto způsobuA method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method

Oblast technikyField of technology

Předmětem vynálezu je způsob předávání výkonu fotovoltaického generátoru do odporové zátěže a zařízení k provádění tohoto způsobu.The subject of the invention is a method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for performing this method.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

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 vynálezu je zvýšit účinnost systému fotovoltaického generátoru a odporové zátěže a dosažení úspor energie převáděné do této zátěže, při současném zjednodušení a zlevnění systému.Various methods of connecting the panels of the photovoltaic generator to the consumer are known. For example, it is possible to use an inverter that transforms the direct voltage supplied by the photovoltaic generator into an alternating voltage with network parameters. The produced energy is subsequently consumed in the appliance in the same way as if it were connected to the electrical network. At the same time, losses occur on the inverter due to the conversion of energy from direct current to alternating current. The advantage of the inverter is that it contains a control algorithm, thanks to which it works in the area of the maximum power point depending on the lighting conditions. However, inverters that can control the maximum power point are very expensive and significantly increase the relative costs of the entire system. The aim of this invention is to increase the efficiency of the photovoltaic generator system and the resistive load and achieve savings in the energy transferred to this load, while simultaneously simplifying and making the system cheaper.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Předmětem vynálezu je způsob předávání výkonu fotovoltaického generátoru do odporové zátěže, kde výstupní výkon fotovoltaického generátoru se ukládá do kapacitoru. Podstata vynálezu spočívá v tom, že z kapacitoru se tento výkon dále předává do odporové zátěže přes spínač, jehož spínání, které se provádí pulzně šířkovou modulací, se řídí v závislosti na velikosti proměnného napětí na výstupu fotovoltaického generátoru, kde tato závislost je definována vztahem P = V2 /Ro. S, kde P je výkon spotřebovaný v zátěži, V je napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem, Ro je hodnota odporu zátěže a S je střída, definovaná vztahem S = Ton / (Ton + Tof), kde Ton je doba sepnutého stavu spínače a TCjf doba vypnutého stavu spínače. Pomocí změn střídy S se průběžně určuje maximální okamžitá hodnota výkonu P, spotřebovaného v odporové zátěži, přičemž výchozí hodnota Ro 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 Vmpp a proudu Impp v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.The subject of the invention is a method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load, where the output power of the photovoltaic generator is stored in a capacitor. The essence of the invention is that this power is further transferred from the capacitor to the resistive load via a switch whose switching, which is performed by pulse width modulation, is controlled depending on the magnitude of the variable voltage at the output of the photovoltaic generator, where this dependence is defined by the relation P = V 2 /Year. S, where P is the power consumed in the load, V is the voltage sensed at the output of the photovoltaic generator, which is smoothed by the capacitor, Ro is the value of the load resistance and S is the alternating current, defined by the relation S = Ton / (Ton + Tof), where Ton is the time of the switch's on state and T Cj f the time of the switch's off state. The maximum instantaneous value of the power P consumed in the resistive load is continuously determined using changes in the alternating current S, while the initial value Ro of the resistance of the load switched in this way is smaller for the working conditions of the photovoltaic generator, given the intensity of the radiation falling on it and the temperature of the PN transition in its photovoltaic cells up to equal to the ratio of voltage Vmpp and current Impp at the point of maximum power of the photovoltaic generator.

Výhodou je vysoká účinnost systému podle tohoto vynálezu, jehož pomocí DC/DC měniče regulované výstupní napětí odpovídá vždy bodu, resp. oblasti maximálního výkonu systému. 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.The advantage is the high efficiency of the system according to the invention, with the help of a DC/DC converter, the regulated output voltage always corresponds to a point, or area of maximum system performance. This voltage conversion can work with an efficiency of up to 99%, the only loss is on the switch, about 0.5%, other losses on the cables and the capacitor are negligible. Practically, this can be illustrated by an example, if this solution is used for electric boilers, containing both direct current and alternating heating coils, which have two thermostats. Example of use: a spiral powered from an AC network is set by the thermostat to 45 °C, a spiral powered by direct current, i.e. from a DC/DC converter, then to a maximum of 75 °C. The system saves energy that would otherwise have to be supplied from the distribution network to heat water to 75°C.

Zařízení k provádění uvedeného způsobu zahrnuje DC/DC měnič, zapojený mezi fotovoltaickým generátorem a odporovou zátěží. Ke kapacitoru tohoto DC/DC měniče je přes spínač připojena odporová zátěž tak, že k řídicímu vstupu spínače je připojen blok mikroprocesoru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí, zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru.The device for carrying out the mentioned method includes a DC/DC converter connected between the photovoltaic generator and the resistive load. A resistive load is connected to the capacitor of this DC/DC converter via the switch in such a way that a microprocessor block is connected to the control input of the switch, the inputs of which are connected to a resistive voltage divider connected to the output of the photovoltaic generator.

- 1 CZ 309486 B6- 1 CZ 309486 B6

Spínačem může být elektronický spínač, např. výkonový tranzistor typu MOSFET. Odporovou zátěží může být stejnosměrná topná spirála elektrického boileru, opatřeného kombinovanou stejnosměrnou a střídavou topnou spirálou a dvěma termostaty.The switch can be an electronic switch, e.g. a power transistor of the MOSFET type. The resistive load can be the DC heating coil of an electric boiler equipped with a combined DC and AC heating coil and two thermostats.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Vynález bude blíže vysvětlen 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, tvořená spirálou o odporu 14,4 Ω. Na obr. 2 je znázorněn princip řízení DC/DC měniče střídou (S = 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 S. Na obr. 6 je příklad základního zapojení sestavy fotovoltaického generátoru a odporové zátěže s DC/DC měničem. 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 vynálezu. Výstup z fotovoltaického generátoru je vypínatelný a je proudově jištěn, dále 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 indukčnosti vodičů a topné spirály pomocí blokovací diody.The invention will be explained in more detail with the help of the drawings and the following description of examples. Fig. 1 shows the volt-ampere/power characteristics of the photovoltaic generator at different levels of its illumination (250 W/m 2 , 784 W/m 2 and 1020 W/m 2 ) and the linear volt-ampere characteristic of the resistive load, formed by a spiral with a resistance of 14.4 Ω. Fig. 2 shows the principle of controlling the DC/DC converter by alternating current (S = 0.6), Fig. 3 shows an example of the volt-ampere characteristic of a photovoltaic panel, and Fig. 4 shows the course of the resistive load power ratio depending on the alternating current. Fig. 5 shows the volt-ampere characteristics of the photovoltaic generator and the load at different values of alternating current S. Fig. 6 shows an example of the basic connection of the assembly of the photovoltaic generator and the resistive load with a DC/DC converter. Giant. 7 shows the expanded connection of the assembly of the photovoltaic generator and the resistive load with the DC/DC converter, in contrast to Fig. 6, it also contains some additional auxiliary elements to improve the functionality of the invention. The output from the photovoltaic generator can be switched off and is current protected, overvoltage protection, diode protection of the DC/DC converter against reverse polarity, current protection separating the power and control parts, a Zener diode protecting the input terminals of the microprocessor voltage measurement, a voltage stabilizer ensuring the supply of the microprocessor directly is used from a photovoltaic generator. The switching element is secured against overvoltage due to the inherent inductance of the conductors and the heating spiral by means of a blocking diode.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Pro spotřebu elektrické energie v odporové zátěži lze stejně využít střídavý jako stejnosměrný proud, a proto je z podstaty věci zbytečné provádět přeměnu. Pro zapojení fotovoltaického generátoru k odporové zátěži je proto výhodnější použít přímo stejnosměrný proud a je vhodné pro tento účel použít DC/DC měnič (se stejnosměrným vstupem a stejnosměrným výstupem). Fotovoltaický generátor, který je 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 fotovoltaický generátor, která je proměnlivá. 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 VA charakteristiky odporové zátěže, to je reálný pracovní bod systému fotovoltaický generátor - odporová zátěž, se bude nacházet mimo bod (oblast) maximálního výkonu.For the consumption of electrical energy in a resistive load, both alternating current and direct current can be used, and therefore it is essentially unnecessary to perform a conversion. For connecting the photovoltaic generator to a resistive load, it is therefore more advantageous to use direct current and it is convenient to use a DC/DC converter (with DC input and DC output) for this purpose. The photovoltaic generator, which is made up of a system of series-parallel connected panels, has a variable voltage output, dependent on the temperature of the PN junctions of the photovoltaic cells of the panels and on the intensity of the incident radiation. These operating conditions determine the course of the volt-ampere (VA) characteristic for a given photovoltaic generator, which is variable. The purpose is for the photovoltaic generator to continuously operate in the region (at the point) of its maximum output, where the value of the product of its output voltage and current is maximum. The performance of the direct connection of the panels and the resistive load is given by the intersection of the VA characteristic of the photovoltaic generator and the load. If the photovoltaic generator is directly connected to a resistive load, it is practically impossible to reach the resulting point of its maximum power, because the intersection of the VA characteristic of the photovoltaic generator and the line VA characteristic of the resistive load, that is the real working point of the system photovoltaic generator - resistive load, will be outside the point ( area) of maximum performance.

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 spínač, s výhodou elektronický spínač, např. výkonový tranzistor typu MOSFET, a podobně, jehož spínání, které se provádí pulzně šířkovou modulací, je řízeno v závislosti na velikosti napětí na výstupu fotovoltaického generátoru. Tato závislost je definována vztahem P = V2/Ro. S, kde P je výkon spotřebovaný v zátěži, V je napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem C, Ro je hodnota odporu zátěže a S je střída, která je bezrozměrnou veličinou v intervalu [0-1] a je definována vztahem S = Ton/(Ton + Tf), kde Ton je doba sepnutého stavu spínače a Tcj doba vypnutého stavu spínače. Pomocí změn střídy S se průběžně určuje maximální okamžitá hodnota výkonu P, spotřebovaného v odporovéTo reach the point of maximum power of the mentioned system, the output power of the photovoltaic generator is stored in the capacitor C, connected to the output terminals of the photovoltaic generator, for example in an electrolytic capacitor with a value of 6 mF/200 V. The resistive load is connected to the capacitor C via a switch, preferably an electronic switch , e.g. a power transistor of the MOSFET type, and the like, whose switching, which is performed by pulse width modulation, is controlled depending on the magnitude of the voltage at the output of the photovoltaic generator. This dependence is defined by the relation P = V 2 /Ro. S, where P is the power consumed in the load, V is the voltage sensed at the output of the photovoltaic generator, which is smoothed by the capacitor C, Ro is the value of the load resistance and S is the alternating current, which is a dimensionless quantity in the interval [0-1] and is defined by the relation S = Ton/(Ton + Tf), where Ton is the time the switch is on and T c j the time the switch is off. The maximum instantaneous value of the power P, consumed in the resistance, is continuously determined by means of changes in the alternating current S

- 2 CZ 309486 B6 zátěži, a hodnota střídy S pro tento maximální výkon se nastaví vždy jako výchozí hodnota pro další následující změny střídy S. V případě, kdy je intenzita dopadajícího záření na fotovoltaický generátor nízká, je zapotřebí nastavit střídu S na nižší hodnotu než při vyšší intenzitě záření.- 2 CZ 309486 B6 load, and the value of alternating current S for this maximum power is always set as the default value for subsequent changes in alternating current S. In the case when the intensity of the incident radiation on the photovoltaic generator is low, it is necessary to set alternating current S to a lower value than at higher radiation intensity.

Výpočet výkonu předávaného do zátěže je následující:The calculation of the power transferred to the load is as follows:

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 fotovoltaického generátoru.In the closed state of the switch, the value of the voltage on the load is equal to the value of the output voltage on the photovoltaic generator, in the off state of the switch, the value of the voltage on the load is zero. Capacitor C ensures the smoothing of the output voltage of the photovoltaic generator during repeated connection and disconnection of the load.

Uvažuje se dostatečně velká frekvence f=---------[Mz], při které lze výstupníA sufficiently large frequency f=---------[Mz] is considered, at which the output can be

Ton + Toff napětí na fotovoltaických panelech považovat při dané střídě S za konstantní v čase (dostatečně vyhlazené pomocí kapacitoru Q, 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 Ton bude rovné ustálené hodnotě napětí na výstupu fotovoltaických panelů V[V]a po dobu L/budc nulové.Consider the Ton + Toff voltage on the photovoltaic panels as constant over time for a given alternating current S (sufficiently smoothed by the capacitor Q, and which is not so large that the parasitic inductances of the supplies or load and transients in the switching element begin to manifest themselves. The load will then periodically variable voltage, for a period of T it will be equal to the steady value of the voltage at the output of the photovoltaic panels V[V] and for a period of L/budc it will be zero.

Průměrný výkon předávaný do zátěže bude rovenThe average power delivered to the load will be equal to

Pracovní oblast a vliv uvedeného DC/DC měniče na pracovní bod: Jestliže se odporová zátěž střídavě s dostatečnou frekvencí, například 500 Hz, připojuje k fotovoltaickému generátoru, projevuje se takto připojená zátěž změnou sklonu přímkové VA charakteristiky zátěže, navenek se toto jeví jako kdybychom měnili hodnotu odporu zátěže. Při přímém připojení fotovoltaických panelů a odporové zátěže bude napětí na výstupu fotovoltaického generátoru rovné napětí na zátěži a bude odpovídat napětí v průsečíku křivek VA charakteristiky fotovoltaického generátoru a zátěžové přímky odporové zátěže. Tato situace nastane i v případě připojení DC/DC měniče, pokud střída S = 1. Bude-li střída S < 1, pak při dostatečně velké frekvenci/spínání se zátěž spolu s měničem projeví na výstupních svorkách fotovoltaického generátoru opět jako odporová zátěž, ale s jinou hodnotou odporu.The working area and influence of the mentioned DC/DC converter on the working point: If a resistive load is connected alternately with a sufficient frequency, for example 500 Hz, to a photovoltaic generator, the connected load manifests itself by changing the slope of the linear VA characteristic of the load, outwardly this appears as if we change load resistance value. When directly connecting photovoltaic panels and a resistive load, the voltage at the output of the photovoltaic generator will be equal to the voltage on the load and will correspond to the voltage at the intersection of the VA characteristic curves of the photovoltaic generator and the load line of the resistive load. This situation also occurs in the case of connecting a DC/DC converter, if the alternating current S = 1. If the alternating current S < 1, then at a sufficiently high frequency/switching, the load together with the converter will again appear as a resistive load on the output terminals of the photovoltaic generator, but with a different resistance value.

[Ω],[Ω],

Hodnota tohoto zdánlivého odporu vzroste na hodnotu kde R, znamená pozorovanou hodnotu odporu a Ro výchozí hodnotu odporu zátěže. Hodnota Rxje tedy nepřímo úměrná hodnotě S, nabývá hodnot v intervalu [A» - co],The value of this apparent resistance will increase to a value where R is the observed resistance value and Ro is the initial value of the load resistance. The value of R x is therefore inversely proportional to the value of S, it takes on values in the interval [A» - co],

V reálné aplikaci je třeba zaručit, aby pro uvažované pracovní podmínky generátoru (intenzita záření a teplota PN přechodu ve fotovoltaických článcích) vždy platiloIn a real application, it is necessary to guarantee that for the considered working conditions of the generator (radiation intensity and temperature of the PN transition in the photovoltaic cells)

[Ω], kde Vmpp je napětí v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru a Impp je proud v bodě jeho maximálního výkonu. Tato podmínka zajistí, aby existovala hodnota střídy S, při které je možné za pomocí uvedeného DC/DC měniče zajistit provoz systému v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.[Ω], where Vmpp is the voltage at the point of maximum power of the photovoltaic generator and Impp is the current at the point of its maximum power. This condition ensures that there is a value of alternating current S at which it is possible to ensure the operation of the system at the point of maximum power of the photovoltaic generator with the help of the mentioned DC/DC converter.

Na obr. 1 protíná VA charakteristika zátěže křivku maximálního výkonu při 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 napětíIn Fig. 1, the VA characteristic of the load intersects the maximum power curve at the irradiance values of the photovoltaic generator of 784 W/m 2 . If the illuminance value were constant, it would be enough to simply connect the panels of the photovoltaic generator to the load and the system would work with the maximum possible efficiency. However, the illuminance values change and it is important to change the output voltage values with them

-3 CZ 309486 B6 na zátěži, tak aby pracovní bod systému byl i při nízké hodnotě osvitu v bodě maximálního výkonu.-3 CZ 309486 B6 on the load, so that the working point of the system is at the point of maximum performance even at a low light value.

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 R1, R2 a na výstupu řídí metodou pulzně šířkové modulace spínací prvek (tranzistor) vhodnou střídou S, která odpovídá ideálnímu napětí.It is therefore important to change the output voltage of the system on the load. Using a DC/DC converter, this output voltage always corresponds to the maximum power point. This is achieved with the help of a microprocessor, which processes the input voltage values through the resistance divider R1, R2, and at the output controls the switching element (transistor) using the pulse width modulation method with a suitable alternating current S, which corresponds to the ideal voltage.

Princip řízení střídou S je znázorněn na obr. 2. Hodnota 1 zde odpovídá vstupnímu napětí na spínací prvek, průběh označený jako výstupní napětí (modrá barva-plná čára) odpovídá napětí na spínacím prvku (pulzně šířková modulace - PWM), průběh označený jako průměr (červená barva-čerchovaná čára) odpovídá napětí na zátěži. Střída daného průběhu je 60 % a tudíž výstupní napětí je Vvýstup = Vvstup . S, kde JCsiup je střední hodnota vstupního napětí a S je střída.The principle of AC control S is shown in Fig. 2. The value 1 here corresponds to the input voltage to the switching element, the waveform marked as the output voltage (blue color-solid line) corresponds to the voltage on the switching element (pulse width modulation - PWM), the waveform marked as average (red color-dashed line) corresponds to the voltage on the load. The alternation of the given waveform is 60% and therefore the output voltage is Voutput = Vinput . S, where JCsiup is the mean value of the input voltage and S is the alternating current.

Obr. 3 znázorňuje závislost proudu a výkonu fotovoltaického panelu na jeho 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.Giant. 3 shows the dependence of the current and power of the photovoltaic panel on its voltage, Fig. 4 shows for this panel the dependence of the power supplied to the load and the ratio of the voltage at the output of the photovoltaic panel and the mean value of the voltage on the load depending on the alternating current S.

Na obr. 5 je zobrazen příklad s VA charakteristikou fotovoltaického generátoru a VA charakteristikami zátěže při různých hodnotách střídy S. Křivka 1) je VA charakteristikou fotovoltaického generátoru, křivka 2) VA charakteristikou zátěže při S = 1, křivka 3) VA charakteristikou zátěže při S = 0,5 a křivka 4) VA charakteristikou zátěže při S = 0,25. Výkon dodávaný do zátěže odpovídá 92 W při S = 1, 161 W při S = 0,5 a 102W při S = 0,25. Použití střídy o velikosti S = 0,5 odpovídá v daném případě provozu v bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.Fig. 5 shows an example with the VA characteristic of the photovoltaic generator and the VA characteristics of the load at different values of alternating current S. Curve 1) is the VA characteristic of the photovoltaic generator, curve 2) the VA characteristic of the load at S = 1, curve 3) the VA characteristic of the load at S = 0.5 and curve 4) VA load characteristic at S = 0.25. The power supplied to the load corresponds to 92 W at S = 1, 161 W at S = 0.5 and 102 W at S = 0.25. The use of an alternating current of size S = 0.5 corresponds in the given case to operation at the point of maximum output of the photovoltaic generator.

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 např. výkonovým tranzistorem, připojena odporová zátěž. K řídicímu vstupu spínače je připojen blok mikroprocesoru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí (R1 a R2), zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru. Řízení spínače je prováděno pulzně šířkovou modulací (PWM). Uspořádání panelů fotovoltaického generátoru je 3 x 2, kde první číslo je počet panelů zapojených v sérii a druhé číslo počet sériových větví paralelně propojených. Jelikož je zátěž tvořená odporem, není třeba výstup DC/DC měniče vyhlazovat např. tlumivkou, na které by vznikaly další ztráty. Reálná účinnost DC/DC měniče se takto pohybuje okolo 98 %. Největší ztráta je na spínacím tranzistoru. Celý systém pracuje tak, že výkon fotovoltaického generátoru je akumulován v kapacitoru C, přes odporový dělič jsou do mikroprocesoru vzorkovány hodnoty vstupního napětí a mikroprocesor vyhodnotí pomocí algoritmu vhodnou střídu pro spínač (viz obr. 4).Fig. 6 shows the basic diagram of the photovoltaic generator, converter and load. The output of the photovoltaic generator, containing a total of six series-parallel connected photovoltaic panels, is connected via a DC/DC converter to a resistive load, formed by the heating coil of the boiler. The output of the generator is connected to capacitor C, to which a resistive load is further connected via a switch, formed by, for example, a power transistor. A microprocessor block is connected to the control input of the switch, the inputs of which are connected to the resistive voltage divider (R1 and R2), connected to the output of the photovoltaic generator. The switch is controlled by pulse width modulation (PWM). The arrangement of photovoltaic generator panels is 3 x 2, where the first number is the number of panels connected in series and the second number is the number of series branches connected in parallel. Since the load is made of resistance, there is no need to smooth the output of the DC/DC converter with, for example, a choke, which would cause additional losses. The real efficiency of the DC/DC converter thus ranges around 98%. The biggest loss is on the switching transistor. The whole system works in such a way that the power of the photovoltaic generator is accumulated in the capacitor C, the input voltage values are sampled to the microprocessor via a resistive divider, and the microprocessor evaluates the suitable alternating current for the switch using an algorithm (see Fig. 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 vynálezu. Výstup z fotovoltaického generátoru je vypínatelný a proudově jištěn, je použita přepěťová ochrana FU3, diodová ochrana D1 DC/DC měniče proti přepólování, proudová ochrana FU1, FU2 oddělující výkonové a řídicí části, Zenerova dioda D3 chránicí 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.Giant. 7 shows the expanded connection of the assembly of the photovoltaic generator and the resistive load with the DC/DC converter, in contrast to Fig. 6, it additionally contains some additional auxiliary elements to improve the functionality of the invention. The output from the photovoltaic generator can be switched off and is protected by current, overvoltage protection FU3 is used, diode protection D1 of the DC/DC converter against reverse polarity, current protection FU1, FU2 separating the power and control parts, Zener diode D3 protecting the input terminals of voltage measurement by the microprocessor, voltage stabilizer ensuring powering the microprocessor directly from the photovoltaic generator. The switching element is protected against overvoltage due to the inherent inductance of the conductors and the heating spiral by means of the blocking diode D2.

- 4 CZ 309486 B6- 4 CZ 309486 B6

Příklady - zapojení fotovoltaických panelů připojených přes DC/DC měnič ke spotřebiči.Examples - connection of photovoltaic panels connected to the appliance via a DC/DC converter.

Parametry systémů:Systems parameters:

Počet panelů Number of panels Typ panelu Panel type zátěž burden uspořádání arrangement výkon FV generátoru power of the PV generator 6 6 180 Wp, Vmpp=35V, Isc=5,14A mono 180 Wp, Vmpp=35V, Isc=5.14A mono 1 kW/14,4 Ω,120 V 1 kW/14.4 Ω, 120 V 3x2 3x2 1,08 kWp 1.08 kWp 10 10 180 Wp, VMpp=35V, Isc-5,1 4A mono180 Wp, V M pp=35V, Isc-5.1 4A mono 1,5 kW/21,6Q, 180 V 1.5kW/21.6Q, 180V 5x2 5x2 1,8 kWp 1.8 kWp 12 12 180 Wp, Vmpp=35V, ISC=5,14A mono180 Wp, V mpp =35V, I SC =5.14A mono 2 kW/28,8 Ω. 240 V 2 kW/28.8 Ω. 240 V 6x2 6x2 2,16 kWp 2.16 kWp

mono - panely z monokrystalického křemíku; Vmpp, Isc - napětí a proud v bodě maximálního výkonu panelů při standardních testovacích podmínkách.mono - monocrystalline silicon panels; Vmpp, Isc - voltage and current at the point of maximum power of the panels under standard test conditions.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Řešení podle tohoto vynálezu 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 15 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.The solution according to the present invention can be used to power any resistance heating loads using a source consisting of photovoltaic panels (photovoltaic generator). Especially for electric boilers with a combined direct current and alternating current heating spiral, which have two 15 thermostats. Example of use: a coil powered from an AC mains is set by the thermostat to 45 °C, a coil powered by direct current, i.e. from a DC/DC converter, then to a maximum of 75 °C. The system saves energy that would otherwise have to be supplied from the distribution network to heat water to 75°C.

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Způsob předávání výkonu fotovoltaického generátoru do odporové zátěže, kde výstupní výkon fotovoltaického generátoru se ukládá do kapacitoru (C), vyznačující se tím, že z kapacitoru (C) se tento výkon dále předává do odporové zátěže přes spínač DC/DC měniče, jehož spínání, které se provádí pulsně šířkovou modulací, se řídí v závislosti na velikosti proměnlivého napětí na výstupu fotovoltaického generátoru, kde tato závislost je definována vztahem: P = V2/Ro x S, kde Pje výkon spotřebovaný v zátěži, V je napětí, snímané na výstupu fotovoltaického generátoru, které je vyhlazené kapacitorem (C), Ro je hodnota odporu zátěže a S je střída, definovaná vztahem S = Ton/Ton + Toj, kde Ton je doba sepnutého stavu spínače a TCj/ doba vypnutého stavu spínače, kde pomocí změn střídy S se průběžně určuje maximální okamžitá hodnota výkonu P, spotřebovaného v odporové zátěži, přičemž výchozí hodnota Ro 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 Umpp a proudu Impp bodě maximálního výkonu fotovoltaického generátoru.1. A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load, where the output power of the photovoltaic generator is stored in a capacitor (C), characterized by the fact that this power is further transferred from the capacitor (C) to a resistive load via a DC/DC converter switch whose switching, which is performed by pulse width modulation, is controlled depending on the magnitude of the variable voltage at the output of the photovoltaic generator, where this dependence is defined by the relation: P = V 2 /Ro x S, where P is the power consumed in the load, V is the voltage, sensed at the output of the photovoltaic generator, which is smoothed by the capacitor (C), Ro is the value of the load resistance and S is the alternating current, defined by the relation S = Ton/Ton + Toj, where Ton is the time of the switch on state and T Cj / the time of the switch off state, where the maximum instantaneous value of the power P consumed in the resistive load is continuously determined using changes in the alternating current S, while the initial value Ro of the resistance of the load switched in this way is for the working conditions of the photovoltaic generator, da depending on the intensity of the radiation falling on it and the temperature of the PN transition in its photovoltaic cells, less than or equal to the ratio of voltage Umpp and current Impp to the point of maximum power of the photovoltaic generator. 2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, kde výstup fotovoltaického generátoru, obsahujícího nejméně jeden fotovoltaický panel, je připojen ke kapacitoru (C), vyznačující se tím, že ke kapacitoru (C) je přes spínač připojena odporová zátěž tak, že k řídicímu vstupu spínače je připojen blok mikroprocesoru, jehož vstupy jsou připojeny k odporovému děliči napětí, zapojenému na výstupu fotovoltaického generátoru.2. Device for carrying out the method according to claim 1, where the output of the photovoltaic generator, containing at least one photovoltaic panel, is connected to the capacitor (C), characterized in that a resistive load is connected to the capacitor (C) via a switch so that the control a microprocessor block is connected to the input of the switch, the inputs of which are connected to the resistive voltage divider connected to the output of the photovoltaic generator. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že spínačem je elektronický spínač, s výhodou výkonový tranzistor typu MOSFET.3. Device according to claim 2, characterized in that the switch is an electronic switch, preferably a power transistor of the MOSFET type. 4. Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že odporovou zátěží je stejnosměrná topná spirála elektrického boileru, opatřeného kombinovanou stejnosměrnou a střídavou topnou spirálou a dvěma termostaty.4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the resistive load is a DC heating coil of an electric boiler equipped with a combined DC and AC heating coil and two thermostats. 4 výkresy4 drawings Seznam vztahových značek:List of relationship tags: C kapacitorC capacitor R1, R2 odporový děličR1, R2 resistive divider D1 diodová ochranaD1 diode protection D2 blokovací diodaD2 blocking diode D3 Zenerova diodaD3 Zener diode FU1, FU2 proudová ochranaFU1, FU2 current protection FU3 přepěťová pchranaFU3 overvoltage protection
CZ2011-582A 2011-09-20 2011-09-20 A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method CZ309486B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2011-582A CZ309486B6 (en) 2011-09-20 2011-09-20 A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2011-582A CZ309486B6 (en) 2011-09-20 2011-09-20 A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2011582A3 CZ2011582A3 (en) 2013-03-27
CZ309486B6 true CZ309486B6 (en) 2023-02-22

Family

ID=47901665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2011-582A CZ309486B6 (en) 2011-09-20 2011-09-20 A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ309486B6 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ2013311A3 (en) 2013-04-25 2014-06-04 Unites Systems A.S. System for managing electric power produced by photovoltaic cells

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3384806A (en) * 1964-10-16 1968-05-21 Honeywell Inc Power conditioing system
JPH06202745A (en) * 1992-12-28 1994-07-22 Kyocera Corp Solar battery device
US20090214195A1 (en) * 2008-02-25 2009-08-27 Thomasson Samuel L PV water heating system
US20100132757A1 (en) * 2008-12-01 2010-06-03 Chung Yuan Christian University Solar energy system
AT509824B1 (en) * 2010-04-29 2014-02-15 Werner Atzenhofer DEVICE FOR GENERATING THERMAL ENERGY

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3384806A (en) * 1964-10-16 1968-05-21 Honeywell Inc Power conditioing system
JPH06202745A (en) * 1992-12-28 1994-07-22 Kyocera Corp Solar battery device
US20090214195A1 (en) * 2008-02-25 2009-08-27 Thomasson Samuel L PV water heating system
US20100132757A1 (en) * 2008-12-01 2010-06-03 Chung Yuan Christian University Solar energy system
AT509824B1 (en) * 2010-04-29 2014-02-15 Werner Atzenhofer DEVICE FOR GENERATING THERMAL ENERGY

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2011582A3 (en) 2013-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9859814B2 (en) Method and apparatus for independent control of multiple power converter sources
US10033190B2 (en) Inverter with at least two DC inputs, photovoltaic system comprising such an inverter and method for controlling an inverter
US9866144B2 (en) Three port converter with dual independent maximum power point tracking and dual operating modes
CN103945619B (en) Dimmable LED drive circuit
KR101772541B1 (en) Power supply device, and power supply system including the same
Ghosh et al. High gain DC-DC step-up converter with multilevel output voltage
Chaudhari et al. Off-grid hybrid online solar power conditioning unit for domestic purposes
WO2014173379A1 (en) A system for management of electric energy produced by photovoltaic cells
CZ309486B6 (en) A method of transferring the power of a photovoltaic generator to a resistive load and a device for carrying out this method
Razzak et al. Induction motor drive system using Push-Pull converter and three-phase SPWM inverter fed from solar photovoltaic panel
CN107591876A (en) The electric supply installation and method of supplying power to of solar energy mains hybrid
WO2012121912A2 (en) Two-peak current control for flyback voltage converters
AU2016100886A4 (en) 1. A Photovoltaic solar heating system comprising an inverter capable of being used with a PV array, a load element and no other major components, specifically not requiring a battery or a connection to an electricity supply network and incorporating several innovations
El-Shahat et al. Solar-powered house system design
CN207815556U (en) PV air-conditioner adapter and PV air-conditioner system
Sivasankar et al. Smart multiport bidirectional non-isolated dc-dc converter for solar pv-battery systems
Danyali et al. Design PV-fed LED streetlight using Soft-Switching bidirectional DC-DC converter with optimal flux control
CZ23101U1 (en) System for transmission of power of photovoltaic generator with variable output voltage to resistance load output
CN205283409U (en) Pressure increasing system
Daut et al. Three level single phase photovoltaic and wind power hybrid inverter
JP2015192510A (en) Power conditioner and power control method
Verma et al. Single phase cascaded multilevel photovoltaic sources for power balanced operation
RU2600572C2 (en) Method of controlling voltage and power
Okhueleigbe et al. Development, simulation and implementation of a 2.5 KVA pure sine wave power inverter for hazardous environment
Costa et al. Stand-alone photovoltaic system with three energy processing stages