DE102007008402A1 - Maximum-Power-Point-Regelung für Solarzellen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Solarmodul zur Einstellung des Arbeitspunktes, um das Solarmodul (1) im Bereich maximaler Leistung zu betreiben (Maximum-Power-Point-Tracking), mit einer Leistungserfassungseinheit (30), die ein der Leistungsabgabe des Solarmoduls (1) entsprechendes Leistungs-Signal abgibt, einer Spitzenwerterkennungseinheit (16), der das Leistungs-Signal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Überschreiten eines Maximums der Leistungsabgabe zu erfen, und einem DC/DC-Wandler (12) mit einem Eingang und einem Ausgang, der in Antwort auf das Steuer-Signal die Eingangsspannung verändert, um damit den Arbeitspunkt des Solarmoduls zu verschieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Solarmodul zur Einstellung des Arbeitspunktes, um das Solarmodul im Bereich maximaler Leistung zu betreiben (Maximum-Power-Point-Tracking; MMP-Tracking).
  • Sogenannte Maximum-Power-Point-Tracking-Schaltungen sind allgemein bekannt und werden dazu benutzt, den Arbeitspunkt von Solarmodulen so einzustellen, dass sie maximale Leistung abgeben. Hierbei ist anzumerken, dass die Spannungs/Leistungs-Kurve eines Solarmoduls ein Maximum besitzt. Zur Verdeutlichung ist in 5 eine solche Spannungs/Leistungskurve eines Solarmoduls gezeigt.
  • Die üblichen Maximum-Power-Point-Tracking-Schaltungen basieren auf einer Sperr- oder Flusswandlerschaltung, deren Tastverhältnis zur Einstellung des Arbeitspunktes des Solarmoduls dient. Sie umfassen eine Regeleinheit, eine Wandlerspule L oder einen Übertrager, einen steuerbaren Schalter in Form eines Transistors und eine Gleichrichtereinheit.
  • Eine wichtige Anforderung an solche Schaltungen ist ein geringer Leistungsverlust, wobei hier insbesondere Wandlerverluste von Bedeutung sind. Die Wandlerverluste ergeben sich im Wesentlichen durch die Ohm'schen Verluste der Spule der elektronischen Schalter, die Spannungsabfälle an Gleichrichterdioden und den Umschaltverlusten der elektronischen Schalter sowie dem Eigenverbrauch der Regeleinheit. Mit fortschreitender Technik reduzieren sich die Ohm'schen und die Umschaltverluste der elektronischen Schalter beim Einsatz von MOS-Feldeffekttransistoren oder IGBT's durch die Verringerung des Bahnwiderstandes und die Verkürzung der Umschaltzeiten immer weiter. Dadurch ist die Erhöhung der Taktfrequenz zur Verringerung der benötigten Spuleninduktivität möglich. Die benötigte Induktivität der Spule ist direkt proportional zur Periodendauer des Wandlers. Der Ohm'sche Widerstand ist direkt proportional zur Induktivität, bedingt durch den linearen Zusammenhang zwischen Windungszahl und Induktivitätswert. Die Ohm'schen Verluste hingegen gehen nach PV = R·I2 mit dem Quadrat des Spulenstroms in die Verlustbilanz ein.
  • Die Wahl der Spuleninduktivität L unterliegt beim Einsatz eines Mikrocontrollers den Eigenschaften der vorhandenen Schnittstellen und des Systemtaktes. Die Erhöhung des Systemtaktes steigert jedoch grundsätzlich die Leistungsaufnahme eines Controllers. Gerade bei Kleinleistungs- und Kleingeräteanwendungen ist jedoch die Erhöhung des Wandlertaktes sinnvoll.
  • Ein weiterer Nachteil von Mikrocontroller gesteuerten MPP-Tracking-Schaltungen liegt in deren Handhabung. Zum Design einer solchen Schaltung sind neben elektrotechnischen Kenntnissen, Programmierkenntnisse sowie das notwendige Equipment notwendig. Der Entwicklungs- und Herstellungsaufwand ist daher relativ groß, da nach der Fertigstellung einer Platine der Prozessor programmiert werden muss.
  • Verschiedene Lösungen von Power-Point-Tracking-Schaltungen sind beispielsweise in den Druckschriften US 2005/0254191 A1 , DE 196 18 881 A1 , DE 199 04 561 oder DE 102 19 956 B4 offenbart.
  • Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für ein Solarmodul zur Einstellung des Arbeitspunktes bereitzustellen, um das Solarmodul im Bereich maximaler Leistung zu betreiben, die einerseits ohne einen Mikrocontroller auskommt und andererseits kostengünstig und platzsparend aufgebaut werden kann und die zur direkten oder indirekten Versorgung von Kleingeräten bis zu Gleichspannungsinselsystemen einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird von der eingangs genannten Vorrichtung gelöst, die aufweist:
    Eine Leistungserfassungseinheit, bevorzugt als Multipliziereinheit ausgebildet, die ein der Leistungsabgabe des Solarmoduls entsprechendes Leistungs-Signal abgibt,
    eine Spitzenwerterkennungseinheit, der das Leistungssignal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Überschreiten eines Maximums der Leistungsabgabe zu erfassen und abhängig davon ein Steuer-Signal abzugeben, und
    einen DC/DC-Wandler mit einem Eingang und einem Ausgang, der in Antwort auf das Steuer-Signal die Eingangsspannung verändert, um damit den Arbeitspunkt des Solarmoduls zu verschieben.
  • D. h. mit anderen Worten, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Mikrocontroller auskommt und ein sogenanntes Maximum-Power-Point-Tracking dadurch ausführt, dass der Maximum-Power-Point der Spannungs/Leistungskurve über die Erkennung des Spitzenwerts bzw. des Überschreitens ausgewertet wird, ohne den Betrag der Ableitung der Kurve zu bilden, wie dies bei bisherigen Schaltungen ausgeführt wurde. Da die Spannungs/Leistungskurve im Bereich des Maximums sehr flach verläuft, bestand bei der Betrachtung bzw. Auswertung der Ableitung das Problem, dass eine hohe Genauigkeit gefordert war. Im Gegensatz dazu vergleicht die erfindungsgemäße Vorrichtung den aktuellen Leistungswert mit dem vorherigen Leistungswert und kann darüber feststellen, ob das Maximum überschritten wurde. Ist dies der Fall, wird der Arbeitspunkt des Solarmoduls verschoben, um in den Bereich maximaler Leistung zu kommen. Die Leistungsabgabe selbst wird bevorzugt durch eine einfache Multiplikation über eine einfache analoge Multipliziereinheit erreicht, der einerseits die Ausgangsspannung des Solarmoduls und andererseits ein Spannungssignal zugeführt wird, das proportional dem durch einen Widerstand fließenden Strom, der von dem Solarmodul abgegeben wird, ist. Selbstverständlich sind auch andere Schaltungen möglich, um eine Leistungserfassung durchzuführen. Die Erfindung soll nicht auf die Leistungserfassung mittels einer Multipliziereinheit beschränkt sein, obgleich diese Lösung besonders einfach ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als analoge Schaltung aufgebaut werden, so dass die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen zur Verwirklichung dieser erfindungsgemäßen Schaltung denkbar ist. Damit sind einfache Ein-Chip-Lösungen als Maximum-Power-Point-Tracking-Schaltungen mit geringstem Platz- und Energiebedarf möglich.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für Klein- und Kleinstleistungsanwendungen einsetzbar, die einen geringen Leistungsbedarf haben. Die höchsten auftretenden Taktfrequenzen sind die des DC/DC-Wandlers. Die MPP-Erkennung erfolgt mit kleineren oder gleichen Taktzeiten. Damit sind die Umschaltverluste von Transistoren durch die Umladung von Gatekapazitäten und die Verluste durch die Anstiegs- und Abfallzeiten der Transistoren minimal. Im Gegensatz zu Schaltungen, die Mikrocontroller einsetzen, welche mit höheren Taktfrequenzen gegenüber dem eigentlichen Wandlertakt arbeiten, sinkt bei geringer Beleuchtung und damit geringen Ausgangsleistungen des Solarmoduls der Eigenverbrauch.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist der damit verbundene geringe Anschwingstrom, den eine solche analoge Vorrichtung ermöglicht.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Abschaltung in einem Notfall auf baulich einfachere Weise möglich ist. In einem Notfall (bspw. Feuer) muss Sorge getragen werden, dass am Ausgang der Vorrichtung keine Spannung mehr liegt. Bisher war es zwingend erforderlich, einen Schalter vorzusehen, mit dem die Spannung abgeschaltet wurde. Der Schalter musste hierbei für Spannungen bis zu 1000 V ausgelegt sein. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung kann dieser Schalter wegfallen, da diese den DC/DC Wandler in den Leerlauf oder Kurzschluß fahren kann, so dass am Ausgang keine Spannung mehr anliegt.
  • Insgesamt ist also festzustellen, dass die vorliegende Erfindung den Maximum-Power-Point nicht über den Betrag der Ableitung der Spannungs/Leistungskurve erkennt, sondern durch die Erkennung eines Überschreitens des Maximalwerts. Diese Art der Erkennung führt zu deutlichen Vorteilen beim Schaltungsaufbau, insbesondere hinsichtlich Größe und Leistungsaufnahme.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Begriff „Solarmodul" allgemein Photovoltaik-Elemente meint, insbesondere eine oder mehrere miteinander verschaltete Solarzellen oder einen Solargenerator meint oder auch eine beliebige Kombination von Solarzellen oder Solarmodulen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Spitzenwerterkennungseinheit einen Operationsverstärker, dessen nicht-invertierendem Eingang das Leistungs-Signal zugeführt ist, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über eine erste Diode verbunden ist und an dessen Ausgang das Steuer-Signal anliegt. Weiter bevorzugt ist zwischen invertierendem Eingang des Operationsverstärkers und Masse eine Kapazität vorgesehen, die über die erste Diode geladen wird, und zwischen Kapazität und Ausgang des Operationsverstärkers eine oder mehrere Dioden vorgesehen sind, über die sich die Kapazität entlädt.
  • Es ist weiter bevorzugt, dass der DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller ausgebildet ist.
  • Es ist weiter bevorzugt, ein Mittel zur Frequenzteilung, bevorzugt ein Toggle-Flip-Flop vorzusehen, dem das Steuer-Signal zugeführt ist und das ein Schalt-Signal an den DC/DC-Wandler abhängig von dem Steuersignal abgibt, wobei das Schalt-Signal mit jedem Steuer-Signal seinen Pegel von Low nach High bzw. von High nach Low wechselt. Bevorzugt wird über das Schalt-Signal ein Schalter, vorzugsweise ein Transistor ein- und ausgeschaltet, wobei der Schalter im Tiefsetzsteller vorgesehen ist.
  • Die vorgenannten baulichen Maßnahmen haben sich in der Praxis als besonders vorteilhaft zur Erreichung der gewünschten Funktion herausgestellt, wobei als Vorteile insbesondere Platzbedarf und Leistungsverbrauch zu nennen sind.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Sample/Hold-Schaltung vorgesehen, die die Ausgangsspannung des Solarmoduls speichert, wenn die Spitzenwerterkennungseinheit ein Steuer-Signal abgibt und die die gespeicherte Spannung als Sollwert an den DC/DC-Wandler gibt.
  • D. h. mit anderen Worten, dass der Frequenzteiler ersetzt wird durch die Sample/Hold-Schaltung, wobei dann kein Schaltsignal mehr an den DC/DC-Wandler gegeben wird, sondern vielmehr ein Spannungssollwert, der am Eingang des DC/DC-Wandlers anliegen soll.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist am Eingang des DC/DC-Wandler ein Kondensator vorgesehen, der vom Solarmodul aufgeladen wird, wenn der DC/DC-Wandler ausgeschaltet ist und der entladen wird, wenn der DC/DC-Wandler eingeschaltet ist.
  • Es ist weiter bevorzugt, die Leistungserfassungseinheit als Multipliziereinheit auszubilden, der zwei Spannungssignale zugeführt werden, wobei ein Spannungssignal das Ausgangssignal des Solarmoduls darstellt und das zweite Spannungssignal an einem Widerstand abgegriffen wird und daher dem vom Solarmodul abgegebenen Strom entspricht.
  • Auch diese Maßnahmen haben sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst von einem Verfahren zur Einstellung des Arbeitspunktes eines Solarmoduls, um das Solarmodul im Bereich maximaler Leistung zu betreiben, wobei mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers der Arbeitspunkt veränderbar ist, erreicht, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    Ermitteln der Leistungsabgabe des Solarmoduls durch Multiplikation von Spannung und Strom bzw. einer hierzu äquivalenten Spannung des Solarmoduls,
    Vergleich der ermittelten Leistungsabgabe mit der zuvor ermittelten Leistungsabgabe, und
    Verändern der Eingangsspannung am DC/DC-Wandler, wenn der ermittelte Wert kleiner ist als der vorherige Wert, um damit den Arbeitspunkt des Solarmoduls hin zum Maximum-Power-Point zu verschieben, während die Ausgangsspannung und der Strom am DC/DC-Wandler sich der möglichen Leistungsabgabe anpassen. Ist der Verbraucher bspw. ein zu ladender Akkumulator, wird bleibt die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant während sich der Ladestrom anpasst.
  • Die mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren einhergehenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, so dass auf eine nochmalige Darstellung verzichtet werden kann.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung wird die ermittelte Leistungsabgabe als Spannungswert in einem Kondensator gespeichert. Ein Steuer-Signalimpuls wird erzeugt, wenn die Spannung am Kondensator größer ist als der ermittelte Wert der Leistungsabgabe. Der Steuer-Signalimpuls löst ein Umschalten des DC/DC-Wandlers von EIN nach AUS bzw. AUS nach EIN aus.
  • Neben den bereits genannten Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung besteht ein weiterer Vorteil darin, dass die Ermittlung der Leistungsabgabe unabhängig vom Ausgangssignal des DC/DC-Wandlers erfolgt. D. h., dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren insbesondere zum Laden von Akkumulatoren eingesetzt werden kann, bei denen die Spannung, die der DC/DC-Wandler am Ausgang bereitstellen muss, konstant sein muss. Eine Messung bzw. Erfassung der Leistungsabgabe über die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers wäre nicht möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Solarmodul;
  • 2 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer erfindungsgemäßen Spitzenwerterkennungseinheit;
  • 3 ein schematisches Blockschaltdiagramm der Vorrichtung von 1, wobei der DC/DC-Wandler mit seinen wichtigen Komponenten dargestellt ist;
  • 4 ein schematisches Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 5 ein Diagramm, das die Leistungsabgabe eines Solarmoduls über der Modulspannung zeigt.
  • In 1 ist eine Maximum-Power-Point-Tracking-Vorrichtung schematisch in Form eines Blockschaltdiagramms dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Vorrichtung 10 ist mit einem Solarmodul 1 verbunden und dient dazu, die Spannung am Solarmodul 1 so einzustellen, dass eine maximale Leistungsabgabe möglich ist. Allgemein ist dies im Stand der Technik als Maximum-Power-Point-Tracking bekannt. Der sogenannte Maximum-Power-Point (siehe 5; MPP) ist der Punkt des Leistungs-Spannungsdiagramms einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d. h. der Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum hat. Er ist nicht konstant und differiert in einem Intervall, welches von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und dem Typ der Solarzellen abhängt. Bei steigender Bestrahlung steigt beispielsweise der Strom annähernd proportional, die Spannung leicht; die Leistung nimmt deutlich zu. Bei steigender Temperatur steigt der Strom leicht, gleichzeitig fällt aber die Spannung, so dass die Leistung sinkt. Damit das Solarmodul 1 immer am Maximum-Power-Point operiert, regelt die Vorrichtung die Spannung auf den benötigten Wert, indem hierzu der entnommene Strom um einen kleinen Betrag variiert wird. Diese Stromvariation erfolgt ständig in einem iterativen Verfahren, so dass auch bei wechselnden Bestrahlungsverhältnissen immer eine Leistungsanpassung erfolgt.
  • An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das in den Figuren gezeigte Solarmodul 1 stellvertretend für eine oder mehrere miteinander verschaltete Solarzellen oder einen Solargenerator steht. Zudem können statt einem einzelnen Solarmodul 1 auch mehrere Solarmodule in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.
  • Die MPP-Tracking-Vorrichtung 10 umfasst einen DC/DC-Wandler 12, der als Tiefsetzsteller (auch Abwärtsregler oder Abwärtswandler genannt) ausgeführt ist. Ein Tiefsetzsteller ist eine elektronische Schaltung zur Gleichspannungswandlung, wobei die Ausgangsspannung VA stets kleiner ist als der Betrag der Eingangsspannung des Tiefsetzstellers. Allgemein kann die Höhe der Ausgangsspannung durch geregeltes Ein- und Ausschalten eines Schalters eingestellt werden. Der genauere Aufbau des Tiefsetzstellers wird mit Bezug auf die 3 noch näher erläutert werden.
  • Dem Eingang des DC/DC-Wandlers 12 wird die vom Solarmodul 1 erzeugte Spannung zugeführt, wobei in der entsprechenden Zuführleitung ein Widerstand 32 angeordnet ist, dessen Funktion später noch erläutert werden wird.
  • Am Ausgang des DC/DC-Wandlers 12 kann beispielsweise ein Akkumulator angeschlossen werden, der mit einer konstanten Spannung VA geladen wird.
  • Der im DC/DC-Wandler 12 vorgesehene Schalter wird von einer Spitzenwerterkennungseinheit 14 gesteuert, die ein Überschreiten des Maximum-Power-Points erfasst und abhängig davon diesen Schalter ein- bzw. ausschaltet.
  • Die Steuerungseinheit 14 umfasst eine Spitzenwerterkennungseinheit 16, die ein Schaltsignal an ein nachgeordnetes Toggle-Flip-Flop 18 abgibt, wobei das Ausgangssignal des Toggle-Flip-Flops 18 den Schalter des DC/DC-Wandlers 12 ansteuert.
  • Der Spitzenwerterkennungseinheit 16 wird ein Leistungs-Signal als Eingangssignal zugeführt, wobei das Leistungssignal von einem analogen Multiplizierer 30 erzeugt wird. Diesem analogen Multiplizierer wird einerseits die am Solarmodul anliegende Spannung zugeführt und andererseits die am Widerstand 32 abfallende Spannung. Diese am Widerstand abfallende Spannung ist äquivalent zu dem vom Solarmodul 1 abgegebenen Strom, so dass eine Multiplikation beider Werte durch den Multiplizierer 30 einen der Leistungsabgabe entsprechenden Wert darstellt.
  • Am Eingang des DC/DC-Wandlers 12 ist noch ein Kondensator 34 angeschlossen.
  • Schließlich umfasst die Steuerungseinheit 14 eine Fehlererkennungseinheit 22, die einerseits mit dem Multiplizierer 30 und andererseits mit der Spitzenwerterkennungseinheit 16 verbunden ist. Die Fehlererkennungseinheit 22 steuert einen Umschalter 26, der dem DC/DC-Wandler 12 entweder das Ausgangssignal des Toggle-Flip-Flops 18 zuführt oder das Ausgangssignal einer MPP-Sucheinheit 24, die ihrerseits mit der Spitzenwerterkennungseinheit 16 verbunden ist. Die Funktion dieser beiden Einheiten wird später erläutert werden.
  • Die Spitzenwerterkennungseinheit 16 umfasst, wie in 2 dargestellt, einen Operationsverstärker 40, dessen nicht-invertierendem Eingang das Ausgangssignal des Multiplizierers 30 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 40 wird über eine Diode D1 zum invertierenden Eingang zurückgeführt. Zusätzlich ist zwischen dem invertierenden Eingang und Masse ein Kondensator 42 angeordnet. Schließlich sind drei Dioden D2, D3 und D4 zwischen invertierendem Eingang des Operationsverstärkers 40 und dessen Ausgang vorgesehen.
  • Das am Ausgang des Operationsverstärkers 40 liegende Signal VA wird dem Toggle-Flip-Flop 18 zugeführt.
  • Die Funktionsweise dieser Schaltung ist nun wie folgt:
    Der analoge Multiplizierer 30 liefert eine der Leistungsabgabe des Solarmoduls äquivalente Spannung an seinem Ausgang. Die Spitzenwerterkennungseinheit 16 erkennt dabei zuverlässig das Überschreiten des Maximalwerts der Abgabeleistung P. Die MPP-Erkennung kommt somit ohne Differenzierglied aus. Beim Überschreiten des Maximum-Power-Points wechselt die Ausgangsspannung der Spitzenwerterken nungseinheit 16 sprunghaft auf einen niedrigeren Wert. Der steilflankige Spannungssprung erzeugt einen deutlich erkennbaren negativen Impuls am Ausgang eines Hochpasses. Somit ist der Maximum-Power-Point des Systems sicher erkannt. Die Spannungsimpulse werden dann über das Toggle-Flip-Flop und eine geeignete Treiberstufe zur Ansteuerung des DC/DC-Wandlers benutzt.
  • Befindet sich das System im Leerlauf, und ist der DC/DC-Wandler 12 abgeschaltet, befindet sich der Arbeitspunkt des Solarmoduls bei einer Spannung VOC. Ein einmaliges Einschalten des Wandlers durch Setzen des Ausgangspegels des Toggle-Flip-Flops 18 auf beispielsweise High, aktiviert den DC/DC-Wandler. Der DC/DC-Wandler entlädt die Kapazität 34 und der Arbeitspunkt des Solarmoduls 1 verschiebt sich zu einer kleineren Spannung. Die Leistungsabgabe des Moduls 1 und somit die Ausgangsspannung des Multiplizierers steigen. Ist der Leistungsbedarf des Endgeräts, das am Ausgang des Wandlers 12 angeschlossen ist, groß genug, so verschiebt sich der Arbeitspunkt zu Spannungen unterhalb der Spannung VMPP. Die Leistung nimmt ab und die Spitzenwerterkennung mit nachgeschaltetem Hochpass gibt einen Spannungsimpuls an das Toggle-Flip-Flop 18 ab. Dieses wechselt daraufhin von einem High-Pegel zu einem Low-Pegel und schaltet den DC/DC-Wandler 12 ab. Bei ausgeschaltetem nicht-aktivem DC/DC-Wandler 12 lädt das Solarmodul 1 die Kapazität 34 auf, wodurch die Ausgangsspannung des Solarmoduls und somit ihre Ausgangsleistung steigt. Nach Überschreiten des MPP aktiviert die Spitzenwerterkennungseinheit 16 den DC/DC-Wandler 12 erneut und der Zyklus beginnt von neuem.
  • Die zuvor genannten Fehlererkennungseinheit und MPP-Sucheinheit 22, 24 haben die Funktion, das System im Bedarfsfall neu zu starten. Eine Fehlfunktion ist insbesondere bei plötzlichem Beleuchtungswechsel denkbar. Ist die Erkennung des Spitzenwertes nicht mehr möglich, oder trat ein Fehler auf, so verlagert sich der Arbeitspunkt des Solarmoduls 1 entweder in den Leerlaufpunkt mit der Spannung VOC oder in Richtung Kurzschlussstrom mit einer Ausgangsspannung V nahe null. In beiden Fällen muss eine Umschaltung durch Umschalten des Toggle-Flip-Flops erfolgen, um den Maximum-Power-Point zu überschreiten und das MPP-Tracking neu einzuleiten. Ein solcher Fehler kann auch durch andere Ursachen auftreten, bspw. in einem Notfall. Auch dann wird der Arbeitspunkt des Solarmoduls entweder in den Leerlauf oder in den Kurzschlussstrom gebracht, so dass am Ausgang des DC/DC Wandlers keine möglicherweise gefährdende hohe Spannung anliegt.
  • Die Spitzenwerterkennungseinheit 16 selbst führt die Spitzenwerterkennung über den Vergleich der Spannungswerte am invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 40 aus. Bei steigender Spannung VE am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers lädt sich der Kondensator 42 auf denselben Spannungswert auf. Bei sinkender Eingangsspannung VE springt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zunächst auf den kleinstmöglichen Wert, da die Kondensatorspannung am invertierenden Eingang größer ist als die Eingangsspannung VE am nicht-invertierenden Eingang. Die Dioden D2, D3 und D4 entladen die Kapazität 42 wieder und die Schaltung ist für eine erneute Detektion bereit. Der Spannungssprung am Ausgang des Operationsverstärkers 40 wird vom Toggle-Flip-Flop 18 – wie bereits erwähnt – erfasst und in einen Wechsel des Ausgangspegels von High nach Low bzw. von Low nach High umgesetzt, um den DC/DC-Wandler 12 anzusteuern.
  • In 3 ist eine Schaltungsvariante der Vorrichtung 10 dargestellt, bei der das Toggle-Flip-Flop 18 einen als DC/DC-Wandler dienenden Tiefsetzsteller 50 direkt ansteuert. Das Toggle-Flip-Flop 18 aktiviert bzw. deaktiviert einen Schalter 52, der als Transistor 53 ausgeführt ist.
  • Der Tiefsetzsteller 50 umfasst – wie allgemein bekannt – zumindest eine Spule bzw. Induktivität 56 mit einer Diode 54 am Eingang und einem Kondensator 58 am Ausgang.
  • Bei leitendem Transistor 53 steigt der Strom durch die Spule 56 an, wobei sich der Kondensator 34 entlädt. Bei Überschreiten des Maximum-Power-Points schaltet das Toggle-Flip-Flop 18 um, so dass der Transistor 53 in den Sperrzustand gelangt. Die Eingangsspannung am DC/DC-Wandler 12 steigt damit wieder an. Bei gesperrtem Transistor 53 sinkt der Strom durch die Spule 56 wieder, wobei die gespeicherte Energie an den am Ausgang angeschlossenen Verbraucher abgegeben wird.
  • In einer weiteren Schaltungsvariante, die in 4 gezeigt ist, ist das Toggle-Flip-Flop 18 durch ein Sample/Hold-Glied 60 ersetzt. Das Sample/Hold-Glied 60 gibt einen Sollspannungswert für die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers 12 vor. Zur Neuerfassung des Sollspannungswertes für das Solarmodul 1 kann in bestimmten Zeitabständen eine Suche eingeleitet werden. Beim Überschreiten des MPP speichert das Sample/Hold-Glied 60 den zum MPP gehörenden Ausgangsspannungswert und gibt ihn dem DC/DC-Wandler als Sollgröße vor.
  • Der Spannungsimpuls der Spitzenwerterkennungseinheit 16, der beim Überschreiten des MPP generiert wird, dient zur Steuerung des Sample/Hold-Gliedes 60.
  • Es versteht sich, dass die vorstehenden Schaltungsvarianten rein beispielhafter Natur sind und Änderungen im Rahmen der angehängten Ansprüche denkbar sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2005/0254191 A1 [0007]
    • - DE 19618881 A1 [0007]
    • - DE 19904561 [0007]
    • - DE 10219956 B4 [0007]

Claims (13)

  1. Vorrichtung für ein Solarmodul zur Einstellung des Arbeitspunktes, um das Solarmodul (1) im Bereich maximaler Leistung zu betreiben (Maximum-Power-Point-Tracking), mit einer Leistungserfassungseinheit (30), die ein der Leistungsabgabe des Solarmoduls (1) entsprechendes Leistungs-Signal abgibt, einer Spitzenwerterkennungseinheit (16), der das Leistungs-Signal zugeführt wird und die ausgebildet ist, das Überschreiten eines Maximums der Leistungsabgabe zu erfassen und abhängig davon ein Steuer-Signal abzugeben, und einem DC/DC Wandler (12) mit einem Eingang und einem Ausgang, der in Antwort auf das Steuer-Signal die Eingangsspannung verändert, um damit den Arbeitspunkt des Solarmoduls zu verschieben.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenwerterkennungseinheit (16) einen Operationsverstärker (40) umfasst, dessen nicht-invertierendem Eingang das Leistungs-Signal zugeführt ist, dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über eine erste Diode (D1) verbunden ist und an dessen Ausgang das Steuer-Signal anliegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen invertierendem Eingang des Operationsverstärkers (40) und Masse eine Kapazität (42) vorgesehen ist, die über die erste Diode (D1) geladen wird, und dass zwischen Kapazität (42) und Ausgang des Operationsverstärkers (40) eine oder mehrere Dioden (D2–D4) vorgesehen sind, über die sich die Kapazität (42) entlädt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (12) als Tiefsetzsteller (50) ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Frequenzteilung (Frequenzteiler), vorzugsweise ein Toggle-Flip-Flop (18) vorgesehen ist, dem das Steuer-Signal zugeführt ist und das ein Schalt-Signal an den DC/DC-Wandler (12) abhängig von dem Steuer-Signal abgibt, wobei das Schalt-Signal mit jedem Steuer-Signal seinen Pegel von Low nach High bzw. von High nach Low wechselt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefsetzsteller (50) einen Schalter (52), vorzugsweise einen Transistor (53), aufweist, der durch das Schalt-Signal des Frequenzteilers (18) ein- und ausgeschaltet wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sample und Hold-Schaltung (60) vorgesehen ist, die die Ausgangsspannung des Solarmoduls (1) speichert, wenn die Spitzenwerterkennungseinheit (16) ein Steuer-Signal abgibt, und die die gespeicherte Spannung als Sollwert an den DC/DC-Wandler (12) gibt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des DC/DC-Wandlers (12) ein Kondensator (34) vorgesehen ist, der vom Solarmodul (1) aufgeladen wird, wenn der DC/DC-Wandler (12) ausgeschaltet ist, und der entladen wird, wenn der DC/DC-Wandler (12) eingeschaltet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Multipliziereinheit (30) zwei Spannungssignale zugeführt werden, wobei ein Spannungssignal das Ausgangssignal des Solarmoduls (1) darstellt und das zweite Spannungssignal an einem Widerstand (32) abgegriffen wird und daher dem vom Solarmodul (1) abgegebenen Strom entspricht.
  10. Verfahren zur Einstellung des Arbeitspunktes eines Solarmoduls, um das Solarmodul im Bereich maximaler Leistung zu betreiben (Maximum-Power-Point-Tracking), wobei mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers (12) der Arbeitspunkt veränderbar ist, mit den Schritten: Ermitteln der Leistungsabgabe des Solarmoduls (1) durch Multiplikation von Spannung und Strom bzw. einer hierzu äquivalenten Spannung des Solarmoduls, Vergleich der ermittelten Leistungsabgabe mit der zuvor ermittelten Leistungsabgabe, Verändern der Eingangsspannung am DC/DC-Wandler (12), wenn der ermittelte Wert kleiner ist als der zuvor gespeicherte Wert, um damit den Arbeitspunkt des Solarmoduls hin zum Maximum-Power-Point zu verschieben.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die ermittelte Leistungsabgabe als Spannungswert in einem Kondensator (42) gespeichert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Steuer-Signalimpuls erzeugt wird, wenn die Spannung am Kondensator (42) größer ist als der ermittelte Wert der Leistungsabgabe.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Steuer-Signalimpuls ein Umschalten des DC/DC-Wandlers (12) von EIN nach AUS bzw. AUS nach EIN auslöst.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009022569A1 (de) * 2009-05-25 2010-12-02 Yamaichi Electronics Deutschland Gmbh Anschlußdose, Solarpaneel und Verwendung des Solarpaneels
CN102880223A (zh) * 2012-09-27 2013-01-16 易霸科技(威海)股份有限公司 一种小功率光伏逆变系统mppt的模拟电路实现方法
DE102008053943B4 (de) * 2008-06-24 2013-10-24 Samsung Electro - Mechanics Co., Ltd. Stromversorgung mit einer Maximalleistungspunkt-Verfolgungsfunktion
CN108923647A (zh) * 2018-07-11 2018-11-30 汉能移动能源控股集团有限公司 直流电压转换器、最大功率跟踪方法、装置、设备及介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3566143A (en) * 1969-03-11 1971-02-23 Nasa Maximum power point tracker
DE19618881A1 (de) 1996-05-10 1997-11-13 Webasto Karosseriesysteme Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers mittels eines Solargenerators, insbesondere in einem Fahrzeug
DE19904561C1 (de) 1999-02-04 2000-08-24 Rossendorf Forschzent Verfahren und Schaltungsanordnung zur Maximum-Power-Point-Steuerung von Solargeneratoren
DE10219956B4 (de) 2001-05-18 2004-07-08 Webasto Vehicle Systems International Gmbh Solarsystem
US20050254191A1 (en) 2004-05-11 2005-11-17 Bashaw Travis B Inverter control methodology for distributed generation sources connected to a utility grid
US20060164065A1 (en) * 2005-01-24 2006-07-27 Linear Technology Corporation System and method for tracking a variable characteristic through a range of operation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3566143A (en) * 1969-03-11 1971-02-23 Nasa Maximum power point tracker
DE19618881A1 (de) 1996-05-10 1997-11-13 Webasto Karosseriesysteme Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers mittels eines Solargenerators, insbesondere in einem Fahrzeug
DE19904561C1 (de) 1999-02-04 2000-08-24 Rossendorf Forschzent Verfahren und Schaltungsanordnung zur Maximum-Power-Point-Steuerung von Solargeneratoren
DE10219956B4 (de) 2001-05-18 2004-07-08 Webasto Vehicle Systems International Gmbh Solarsystem
US20050254191A1 (en) 2004-05-11 2005-11-17 Bashaw Travis B Inverter control methodology for distributed generation sources connected to a utility grid
US20060164065A1 (en) * 2005-01-24 2006-07-27 Linear Technology Corporation System and method for tracking a variable characteristic through a range of operation

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008053943B4 (de) * 2008-06-24 2013-10-24 Samsung Electro - Mechanics Co., Ltd. Stromversorgung mit einer Maximalleistungspunkt-Verfolgungsfunktion
DE102009022569A1 (de) * 2009-05-25 2010-12-02 Yamaichi Electronics Deutschland Gmbh Anschlußdose, Solarpaneel und Verwendung des Solarpaneels
CN102880223A (zh) * 2012-09-27 2013-01-16 易霸科技(威海)股份有限公司 一种小功率光伏逆变系统mppt的模拟电路实现方法
CN108923647A (zh) * 2018-07-11 2018-11-30 汉能移动能源控股集团有限公司 直流电压转换器、最大功率跟踪方法、装置、设备及介质

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