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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung
ist der damit verbundene geringe Anschwingstrom, den eine solche
analoge Vorrichtung ermöglicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist weiter bevorzugt, dass der DC/DC-Wandler als Tiefsetzsteller
ausgebildet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auch
diese Maßnahmen haben sich in der Praxis als besonders
vorteilhaft herausgestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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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.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltdiagramm einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem Solarmodul;
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2 ein
schematisches Blockschaltdiagramm einer erfindungsgemäßen
Spitzenwerterkennungseinheit;
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3 ein
schematisches Blockschaltdiagramm der Vorrichtung von 1,
wobei der DC/DC-Wandler mit seinen wichtigen Komponenten dargestellt
ist;
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4 ein
schematisches Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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5 ein
Diagramm, das die Leistungsabgabe eines Solarmoduls über
der Modulspannung zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Am
Ausgang des DC/DC-Wandlers 12 kann beispielsweise ein Akkumulator
angeschlossen werden, der mit einer konstanten Spannung VA geladen wird.
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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.
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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.
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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.
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Am
Eingang des DC/DC-Wandlers 12 ist noch ein Kondensator 34 angeschlossen.
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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.
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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.
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Das
am Ausgang des Operationsverstärkers 40 liegende
Signal VA wird dem Toggle-Flip-Flop 18 zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Spannungsimpuls der Spitzenwerterkennungseinheit 16, der
beim Überschreiten des MPP generiert wird, dient zur Steuerung
des Sample/Hold-Gliedes 60.
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Es
versteht sich, dass die vorstehenden Schaltungsvarianten rein beispielhafter
Natur sind und Änderungen im Rahmen der angehängten
Ansprüche denkbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0254191
A1 [0007]
- - DE 19618881 A1 [0007]
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- - DE 10219956 B4 [0007]