DE102008049817A1

DE102008049817A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik

Info

Publication number: DE102008049817A1
Application number: DE102008049817A
Authority: DE
Inventors: Volker SCHÜREN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-01
Also published as: ES2391049A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist, wobei die Vorrichtung (100) einen Spannungs- oder Leistungswandler (130, 120) umfasst, der ausgebildet ist, um eine elektrische Leistung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) in eine elektrische Ausgangsleistung zu wandeln. Ferner weist die Vorrichtung (100) einen ersten Korrektur-Regler (150) auf, der ausgebildet ist, um einen ersten Aktor (170) der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird. Schließlich weist die Vorrichtung noch einen zweiten Korrektur-Regler (160) auf, der ausgebildet ist, um einen zweiten Aktor (180) der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17.
Photovoltaik-Konzentratormodule bestehen aus kleinen Solarzellen auf die das einfallende Sonnenlicht mittels fest davor angeordneten Linsen, typischerweise Fresnel-Linsen, konzentriert wird. Diese Technik ermöglicht die bisher höchsten Wirkungsgrade in der Photovoltaik. Allerdings funktionieren die Module überhaupt nur, wenn sie stets genau auf die Sonne ausgerichtet werden. Dabei sind Genauigkeiten von beispielsweise 0,05° einzuhalten, was sich aus dem hohen Konzentrationsfaktor von beispielsweise 700 ergibt. Konzentrator-Panels setzen sich aus einer Vielzahl einzelner Konzentratorzellen zusammen und sind z. B. 20 m² groß.
Ein Nachführungssystem ist für die unverzichtbare, hochgenaue Nachführung von Photovoltaikkonzentrator-Zellen in Fresnel-Linsen-Technik erforderlich. Nachführsysteme für herkömmliche Solarmodule bieten jedoch weder die erforderliche Genauigkeit, noch sind sie stabil genug, um auch bei Wind ihre Ausrichtung zu behalten. Für herkömmliche Solarmodule ist eine Genauigkeit von 5° völlig ausreichend. Für Konzentratorzellen wird jedoch eine unvergleichlich höhere Genauigkeit und Stabilität benötigt, weil die Ausgangsleistung bei kleinsten Fehlstellungen, z. B. 1°, schon auf null fällt. Somit sollten diese Solarzellen stets hochpräzise auf die Sonne ausgerichtet werden, da sie ansonsten keine oder nur unzureichende Ausgangsleistung liefern. Im Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen, die immer billiger werden, benötigen Konzentrator-Photovoltaik-Module also grundsätzlich eine Nachführvorrichtung. An die Nachführvorrichtung werden hohe Anforderungen hinsichtlich Robustheit, Lebensdauer und Präzision gestellt. Gleichzeitig darf die Nachführvorrichtung bestimmte Kosten nicht überschreiten, die sich aus den Differenzkosten der Konzentrator-Photovoltaik-Generatoren und der Energieausbeute ergeben.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine kostengünstige, verbesserte und stabilere Sonnennachführung und somit eine höhere Energieausbeute durch eine genauere Ausrichtung eines Solarpanels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfasst:

– einen Spannungs- und/oder Leistungswandler, der ausgebildet ist, um eine elektrische Leistung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators in eine elektrische Ausgangsleistung zu wandeln (typischerweise ein Solarwechselrichter mit MPP-Tracker)
– einen ersten Korrektur-Regler, der ausgebildet ist, um einen ersten Aktor der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird; und
– einen zweiten Korrektur-Regler, der ausgebildet ist, um einen zweiten Aktor der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Wandeln einer Spannung und/oder einer elektrischen Leistung aus dem Konzentrator-Photovoltaik-Generator in eine elektrische Ausgangsleistung;
– Ansteuern eines ersten Aktors der Nachführkinematik durch einen ersten Korrektur-Regler derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird; und
– Ansteuern eines zweiten Aktors der Nachführkinematik durch einen zweiten Korrektur-Regler derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die elektrische Größe aus dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul, die beispielsweise aus einer elektrischen Leistung, einem elektrischen Strom oder einer elektrischen Spannung bestehen kann, gewandelt und zur Regelung von einer Bewegung der Komponenten der Nachführkinematik in zwei Raumrichtungen verwendet werden kann. Wird die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls auf die Sonne präziser, nimmt auch die Spannung bzw. die elektrische Leistung oder der elektrische Strom durch die höhere effektive Einstrahlung auf das Konzentrator-Photovoltaik-Modul zu. Bei einer Auswertung der vom Konzentrator-Photovoltaik-Modul abgegebenen elektrischen Größe, kann hierdurch eine direkte Regelungsschleife zwischen Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls und der durch diese Ausrichtung bewirkten Stromgeneration geschlossen werden. Zugleich werden keine teuren, zusätzlichen Sensor-Elemente zur Bestimmung einer Ausrichtung benötigt. Auf diese Weise kann auch die Nachführungseinheit direkt in einem Wandler zur Anpassung der durch das Konzentrator-Photovoltaik-Modul abgegebenen Leistung untergebracht werden, so dass eine zusätzliche separate Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Halteeinheit des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls nicht erforderlich ist. Ferner ist es auch möglich, die elektrische Größe aus dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul in ein Energieversorgungsnetz einzuspeisen, so dass die Anpassung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls in einem Spannungswandler untergebracht werden kann. Hierdurch können ebenfalls Kosten durch das Vorsehen einer kompakten Baueinheit gespart werden.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Auswertung eines bereits vorhandenen Signals bzw. einer vorhandenen elektrischen Größe von dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul eine effektive Nachführung der Ausrichtung dieses Konzentrator-Photovoltaik-Moduls auf die Sonne kostengünstig möglich wird. Hierdurch kann zugleich eine Steuerung der mechanischen Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls vermieden werden, die lediglich auf der Basis eines vordefinierten Ausrichtungswinkels (beispielsweise zu einer bestimmten Zeit) berechnet wird. Eine solche Ausrichtung würde eine sehr stabile Halterung mit wenig Spiel erfordern, damit die Ausrichtung präzise genug ist. Durch den ersten und zweiten Regler können dagegen ungenauere mechanische Halterungen verwendet werden, wobei die präzise Ausrichtung erst durch die Nachführung auf der Basis der elektrischen Größe bzw. der elektrischen Ausgangsleistung aus dem Spannungswandler durchgeführt wird. Somit können einfachere und damit kostengünstigere Elemente für die Nachführungseinheit verwenden, ohne eine Einbuße bei der resultierenden Präzision befürchten zu müssen.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann der Spannungs- oder Leistungswandler ausgebildet sein, um die elektrische Ausgangsleistung oder eine von der elektrischen Ausgangsleistung abgeleitete Einspeiseleistung in ein elektrisches Energieversorgungsnetz einzuspeisen. Dies bietet den Vorteil, dass die erhaltene und als Regelgröße zur Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls verwendete elektrische Ausgangsleistung weiterverarbeitet werden kann. Durch die kombinierte Verwendung der elektrischen Ausgangsleistung als Regelungsgröße als auch als Basisgröße für die Energieeinspeisung kann eine einfachere, kompaktere und damit kostengünstigere Einheit verwendet werden, so dass auf einen Sensor zur Gewinnung der Regelgröße verzichtet werden kann.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung eine Positionsermittlungseinrichtung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um die Position der Sonne und damit die Soll-Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators zeitabhängig bereitzustellen, wobei ferner ein Lageregler vorgesehen sein kann, der die Aktoren so ansteuert, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators der berechneten Soll-Ausrichtung entspricht. Dies beschleunigt das Auffinden der optimalen Position, da die (berechnete grobe) Ausrichtungsposition angefahren werden kann und die weitere Ausrichtung dann nur noch durch den ersten und zweiten Korrektur-Regler optimiert zu werden braucht.
Um eine einfache Nachführkinematik verwenden zu können, die keine komplexen Ausrichtungen des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls durchzuführen braucht (die meist ohnehin im praktischen Betrieb nicht erforderlich sind) kann auch der erste und der zweite Korrektur-Regler ausgebildet sein, um die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators nur innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs zu modifizieren.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der erste und der zweite Korrektur-Regler ausgebildet, um die Optimierung der elektrischen Ausgangsleistung abwechselnd vornehmen. Hierdurch wird eine eindeutige Zuordnung der Verbesserung der Leistungsausbeute des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls durch eine Variation auf Grund des ersten oder zweiten Korrektur-Reglers ermöglicht, so dass das globale Optimum der durch das Photovoltaik-Modul erreichbaren elektrischen Ausgangsleistung sehr schnell gefunden werden kann.
Auch kann dem Spannungs- oder Leistungswandler ein MPP-Regler zugeordnet sein, der ausgebildet ist, um den Konzentrator-Photovoltaik-Generator auf einer elektrischen Kennlinie im Punkt der maximalen Leistung zu betreiben. Dies bietet den Vorteil, dass nicht nur eine Leistungsoptimierung auf der Basis der Ausrichtung, sondern auch eine Optimierung der Leistungsausbeute durch Auswertung der elektrischen Kennlinie und einer Spannungs- bzw. Strombegrenzung bei der Abnahme von elektrischer Leistung von dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul möglich wird.
Ferner kann auch der MPP-Regler ausgebildet sein, um während der Optimierungsvorgänge des ersten und zweiten Korrektur-Reglers inaktiv zu sein. Dies bietet den Vorteil, dass ebenfalls wieder eine eindeutige Zuordnung der erreichten Verbesserungen der Ausrichtung durch den ersten bzw. zweiten Korrektur-Regler oder den MPP-Regler möglich wird, so dass ein globales Optimum der von dem Konzentrator-Photovoltaik-Modul entnehmbaren elektrischen Leistung schnell gefunden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der erste und/oder zweite Korrektur-Regler ausgebildet sein, um die Optimierungsvorgänge des ersten und zweiten Korrektur-Reglers so langsam durchzuführen, dass der MPP-Regler einem sich ändernden Arbeitspunkt auf der elektrischen Kennlinie des Konzentrator-Photovoltaik-Generators folgen kann. Dies bietet den Vorteil, dass es zu keinen regelungstechnisch bedingten Schwankungen kommt, welche dazu fuhren würden, das das gesuchte Optimum wesentlich langsamer aufgefunden würde.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Ablaufsteuerungseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um eine Aktivität und ein Zusammenwirken des ersten und zweiten Korrektur-Reglers sowie des MPP-Reglers zu steuern. Hierdurch bietet sich der Vorteil, dass eine Aktivierung und Deaktivierung des ersten bzw. zweiten Korrektur-Reglers optimal gesteuert werden kann, um beispielsweise eine günstige Abstimmung des Einsatzes des entsprechenden Reglers bzw. der weiteren Optimierung durchführen zu können.
Um ein schnelles Auffinden des optimalen Punktes für eine Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls sicherzustellen, kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Speicher vorgesehen sein, der ausgebildet ist, um die von den Korrektur-Reglern ermittelten Korrekturwerte für die Ausrichtung abzuspeichern, insbesondere tabellarisch abzuspeichern, wobei der erste und/oder zweite Korrektur-Regler ausgebildet ist, um die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators auf der Basis zumindest eines in dem Speicher gespeicherten Wertes durchzuführen. Dies bietet den Vorteil, dass beispielsweise bei Beginn eines neuen Tages auf die Korrekturwerte der Korrektur-Regler für den vorherigen Tag zurückgegriffen werden kann, so dass evtl. auf den Einsatz der Bestimmung einer Soll-Ausrichtung verzichtet werden kann. Es kann jedoch auch eine Kombination mit der bereitgestellten Sollausrichtung erfolgen, wodurch sich diese Sollausrichtung überprüfen lässt und gegebenenfalls Fehlerwerte korrigieren lassen.
Auch kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung eine Einheit für eine Koordinatentransformation vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um eine Änderung der Bewegungsrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators in eine erforderliche Bewegung des ersten und zweiten Aktors durch den ersten und zweiten Korrektur-Regler zu steuern. Dies bietet den Vorteil, dass die Bewegungen der Aktoren auf den Konzentrator-Photovoltaik-Generator gut berechnet und damit ausreichend genau gesteuert werden können, um ein schnelles Auffinden des optimalen Ausrichtungswinkels auf die Sonne sicherzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste und/oder zweite Korrektur-Regler ausgebildet, um die Korrektur der Ausrichtung nur in definierten Zeitabständen durchzuführen. Dies bietet den Vorteil, dass keine ständige energieintensive Nachführung durchgeführt werden braucht, da sich die Sonne im Tagesablauf langsam bewegt und somit der Konzentrator-Photovoltaik-Generator auch lediglich langsam diesem Sonnenstand nachgeführt werden muss.
Auch kann der Winkelbereich, innerhalb dessen der erste und zweite Korrektur-Regler eine Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Moduls optimiert durch einen lernenden Algorithmus den Erfordernissen der jeweils verwendeten Nachführungskinematik angepasst werden. Dies bietet den Vorteil, dass beispielsweise das Pendelverhalten der Nachführkinematik erkannt und bei der weiteren Optimierung der elektrischen Ausgangsleistung berücksichtigt werden kann. Auch können weitere systemspezifische Eigenheiten durch den Lernalgorithmus erkannt und bei einer nachfolgenden Optimierung berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch der Spannungs- oder Leistungswandler, der erste und der zweite Korrektur-Regler in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Dies bietet den Vorteil einer kompakten Bauweise und somit einer störungsarmen Vorrichtung. Zugleich lassen sich Herstellungskosten senken, da lediglich eine Baugruppe zu fertigen ist, die die erfindungswesentlichen Elemente enthält.
Um eine einfache und störungsarme Nachführung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators sicherzustellen, kann ferner eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des ersten und zweiten Aktors vorgesehen sein, die in einem gemeinsamen Gehäuse mit zumindest dem ersten und/oder zweiten Korrektur-Regler angeordnet ist.
Um eine einfache und damit kostengünstige Nachführungskinematik zu ermöglichen, kann diese durch eine massive Bauweise spielfrei ausgeführt sein. Hierdurch bietet eine solche Nachführkinematik deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Nachführungskinematiken beispielsweise bei der Stabilität gegen Wind.
Um eine effektive und schnelle Nachführung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators sicherzustellen, kann auch in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung von Schritten des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen sein, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage durchgeführt wird. Hierbei kann als Datenverarbeitungsanlage ein digitaler Signalprozessor, ein Mikrocomputer oder Mikrocontroller oder ein ähnliches Element der Halbleiterelektronik bzw. der Signalverarbeitungstechnik vorgesehen sein. Insbesondere die Schritte des Ansteuerns des ersten und zweiten Aktors lassen sich auf diese Weise sehr effizient und technisch einfach implementieren.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigt
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
Eventuell angegebene Dimensionen und Maße sind nur exemplarisch, so dass die Erfindung nicht auf diese Dimensionen und Maße beschränkt ist. Gleiche oder ähnliche Elemente sind im Folgenden mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden können oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
In den Grundzügen kann der vorgeschlagene Ansatz anhand des folgenden Ausführungsbeispiels wie folgt skizziert werden. Es wird eine 2-achsige Nachführkinematik vorgesehen, die keine besonders hohe Genauigkeit aufweist, jedoch spielfrei arbeitet. Damit kann der Photovoltaik-Generator anhand beispielsweise einer astronomischen Formel grob auf die Sonne ausgerichtet werden.
Die Feinpositionierung setzt darauf auf. Das Ziel der Feinpositionierung ist es, die Fehler der Grobpositionierung auszugleichen. Innerhalb beispielsweise eines vorgegebenen Suchfensters (d. h. einem vorgegebenen Winkelbereich) um die Grobposition herum wird die Ausrichtung so lange verändert, bis die elektrische Ausgangsleistung des Spannungs- oder Leistungswandlers maximal ist. Die dafür nötige Regelung arbeitet beispielsweise ähnlich wie die in einem Solarwechselrichter vorhandene MPP-Regelung (MPP = maximum power point = Punkt der maximalen Leistung), die den Arbeitspunkt der Solarzelle (bzw. des Photovoltaik-Moduls) auf ihrer Strom/Spannungs-Kennlinie stets so einstellt, dass die Ausgangsleistung maximal ist. Die in einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagene Vorrichtung enthält ferner zwei Korrektur-Regler, die jeweils eine Komponente des Trackingwinkels so verändern, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.
Anhand der 1, die ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt, soll die Arbeitsweise der vorgeschlagenen Vorrichtung 100 näher erläutert werden.
Zwischen einem Konzentrator-Photovoltaik-Generator 110 (der beispielsweise ein Solarzellen-Modul aufweist) und einem Wechselrichter 120 ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler) 130 eingefügt, dem auch ein MPP-Regler 140 für die Optimierung des Arbeitspunktes auf der U/I-Kennlinie des Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 zugeordnet ist. Die elektrische Ausgangsleistung des DC/DC-Wandlers 130 stellt also das Optimum dessen dar, was bei der gegebenen Ausrichtung des Photovoltaik-Panels 110 erzielbar ist. Der DC/DC-Wandler 130 kann auch mehrfach vorhanden sein, wenn die Solarzellen des Panels 110 in mehrere Strings unterteilt sind. In diesem Fall ist die Summe der Ausgangsleistungen relevant, die gleich der Eingangsleistung des Wechselrichters 120 ist. Es ist ferner möglich, auf den DC/DC-Wandler 130 zu verzichten und die Funktion des MPP-Reglers 140 im Wechselrichter 120 zu integrieren. Dann wäre die Eingangs- oder Ausgangs-Leistung des Wechselrichters 120 die zu optimierende Leistung. Vom Wechselrichter kann ferner eine elektrische Leistung oder eine gewandelte elektrische Leistung des Photovoltaik-Generators 110 schließlich in ein Energieversorgungsnetz 125 eingespeist werden.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es günstig, wenn der MPP-Regler schnell genug arbeitet und in der Lage ist, den Arbeitspunkt auf der U/I-Kennlinie des Photovoltaik-Generators 110 optimal zu halten, während die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 auf die Sonne durch den im Weiteren beschriebenen ersten Korrektur-Regler 150 in Verbindung mit einem ersten Aktor 170 und den zweiten Korrektur-Regler 160 in Verbindung mit einem zweiten Aktor 180 variiert wird. Alternativ kann der MPP-Regler 140 auch „eingefroren” (d. h. inaktiv geschaltet) werden, während die Positionsoptimierung durch den ersten 150 und zweiten 160 Korrektur-Regler erfolgt, damit ein instabiles Regelungsverhalten vermieden wird.
Die Kinematik, die in 1 durch die beiden als Aktor wirkenden (Elektro-)Motoren 170 und 180 gebildet wird, wird durch Sollwerte der Sonne nachgeführt, die sich aus der Berechnung unter Verwendung einer astronomischen Formel in einer Bestimmungseinheit 190 mit einer Uhr 200 ergeben. In dieser Formel sind beispielsweise Zusammenhänge zwischen dem Sonnenstand zu einer bestimmten Uhrzeit auf einer bestimmten geographischen Lage abgespeichert. Der durch die Bestimmungseinheit 190 bestimmte Sollwert für die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 kann dann für die weitere Ausrichtung auf die Sonne verwendet werden. Auf diese Weise stimmt die Grundausrichtung des Photovoltaik-Generators 110 auf die Sonne stets auch bei bewölktem Himmel. Bedingt durch die Addition aller Toleranzen ist die Genauigkeit dieser Ausrichtung aber nicht ausreichend.
Die Positionsoptimierung durch den ersten 150 und zweiten 160 Korrektur-Regler erfolgt in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in zwei Achsen, z. B. Azimut und Höhenwinkel. Die beiden dargestellten Verstellantriebe 170 und 180 (als Aktoren) für α- und β-Achse brauchen aber nicht zwingend mit Azimut und Höhenwinkel identisch sein. Möglich ist auch eine Kinematik, bei der die Veränderung des Azimuts unter Beibehaltung des Höhenwinkels nur durch eine koordinierte Bewegung beider Verstellantriebe möglich ist. Die Verstellantriebe 170 und 180 wären in diesem Fall zwei Hubspindeln, die jeweils durch eine Längenänderung das Solarpanel 110 um ein Basislager schwenken. Im Falle einer Hexapod-Kinematik wäre jeweils die gleichzeitige Bewegung von sechs Antrieben erforderlich. Immer wenn α- und β-Achse und ggf. weitere Achsen nicht identisch sind mit Azimut und Höhenwinkel, sollte eine Koordinaten-Transformation in einem Koordinatenwandler 210 (mit einem nachfolgenden Positionsregler 215) von Azimut und Höhenwinkel in α- und β-Koordinaten vorgesehen. Die Regelwerte aus dem ersten 150 und zweiten 160 Korrektur-Regler werden dann jeweils vor dem Koordinatenwandler 210 mit der aus der Bestimmungseinheit 190 bestimmten Sollposition verknüpft, wie es in 1 dargestellt ist.
Während die Grobposition ständig der Sonne folgt, wird die Positionsoptimierung durch den ersten Korrektur-Regler 150 und den zweiten Korrektur-Regler 160 beispielsweise abwechselnd in beiden Richtungen vorgenommen, bei denen es sich um Azimut und Höhenwinkel handeln kann. In jeder Richtung wird die Position so lange verändert, bis die elektrische Ausgangsleistung maximal ist. Es können Regelstrategien angewendet werden, wie sie auch bei der MPP-Regelung für den elektrischen Arbeitspunkt von Solarzellen gebräuchlich sind. Die Positionskorrektur durch den ersten Korrektur-Regler 150 und den zweiten Korrektur-Regler 160 sollte so langsam erfolgen, dass der MPP-Regler 140 des DC/DC-Wandlers 130 dabei dem Punkt maximaler Leistung stets folgen kann. Eine (in 1 nicht dargestellte) Ablaufsteuerung kann vorgesehen werden, um die Arbeitsweise der drei Optimierungsvorrichtungen (MPP-Regler, Azimut-Korrekturregler und Höhenwinkel-Korrekturregler) zu koordinieren.
Die Positionskorrektur ist notwendig, um Fehler zu korrigieren, die aus mechanischen Toleranzen, Messfehlern der Istpostitionen, fehlerhafter Grundausrichtung der Nachführ-Kinematik, Fundamentabsenkung, atmosphärischen Einflüssen, Wärmedehnung, Wind und Ähnlichem resultieren. Die meisten dieser Fehler sind über lange Zeit invariant, benötigen also Tag für Tag dieselbe Korrektur. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht deshalb einen dem ersten Korrektur-Regler 150 und dem zweiten Korrektur-Regler 160 zugeordneten Speicher 220 vor, in dem die Korrekturwerte der beiden Achsen tabellarisch abgelegt wurden und als Additiv für die aktuelle Feinpositionierung verwendet werden können. Die Suchbewegungen können auf diese Weise auf ein Minimum beschränkt werden, wodurch der Leistungsverlust, der durch ausladende Suchbewegungen eintreten würde, ebenfalls minimiert werden kann. Die Korrekturwerte im Speicher werden täglich angepasst. Hierbei sollte jedoch für eine feinfühlige Winkeloptimierung eine spielfreie Kinematik gegeben sein. Linearität ist hingegen nicht erforderlich, was die Kosten senkt.
Besonders vorteilhaft ist die Integration der beiden zusätzlichen Korrektur-Regler 150 und 160 für die Winkel im Solarwechselrichter, da so die optimale Abstimmung der Regler 150 und 160 aufeinander besonders einfach ist. Hier kann eine übergeordnete (in 1 nicht dargestellte) Ablaufsteuerung die drei Regler 140 150 und 160 miteinander koordinieren. Es kann z. B. vorteilhaft sein, den MPP-Regler 140 einzufrieren, während der Azimut- 140 oder Höhenwinkel-Korrektur-Regler 150 arbeitet. Auch kann es aus Gründen der Energieersparnis sinnvoll sein, die Winkelkorrektur durch den ersten 150 und zweiten Korrektur-Regler 160 nur in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchzuführen.
Einen besonders hohen Integrationsgrad, und damit eine kostengünstige Lösung, erreicht man, wenn man nicht nur die MPP-Positionsregler 140 im Solarwechselrichter 100 unterbringt, sondern auch gleich die komplette Ansteuerelektronik 230 bzw. 235 für die (beiden) Stellmotoren 170 bzw. 180 der Nachführeinrichtung 100. Einem Konzentratorpanel 110 wird dann nur ein Solarwechselrichter entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 1 zugeordnet. Ähnlich vorteilhaft ist die Integration der Ansteuerelektronik 230 bzw. 235 in die Motoren 170 bzw. 180 selbst, da hierdurch ebenfalls weitere zusätzliche Bauelemente vermieden werden und eine einzige zentrale Baugruppe verwendet werden kann.
Der Positionsregler 215 benötigen beispielsweise auch in einer beliebigen Form die Ist-Position der beiden Stellmotoren 170 bzw. 180. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht somit darin, dass die Ist-Position nur von geringer Genauigkeit sein muss. Eine hohe Positionsauflösung ist hingegen von Vorteil. Es ist somit auch möglich, die Stellmotoren 170 bzw. 180 als Schrittmotoren auszuführen, wodurch die Notwendigkeit einer Ist-Positionsmessung entfallen könnte.
Die Energieversorgung für die Stellmotoren 170 bzw. 180 sollte vorzugsweise dem Netz 125 und nicht dem Photovoltaik-Generator 110 entnommen werden, damit eine Sicherheitsposition (beispielweise bei Sturm) auch ohne Sonneneinstrahlung angefahren werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 300 zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren 170 und 180 aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist. Das Verfahren 300 umfasst dabei einen ersten Schritt des Wandelns 310 einer Spannung und/oder einer elektrischen Leistung aus dem Konzentrator-Photovoltaik-Generator 110 in eine elektrische Ausgangsleistung. Ferner umfasst das Verfahren 300 einen zweiten Schritt des Ansteuerns 320 eines ersten Aktors 170 der Nachführkinematik durch einen ersten Korrektur-Regler 150 derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird. Schließlich umfasst das Verfahren 300 einen dritten Schritt des Ansteuerns 330 eines zweiten Aktors 180 der Nachführkinematik durch einen zweiten Korrektur-Regler 160 derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.
Speziell der zweite und dritte Schritt können sehr effizient durch ein Computerprogramm ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage wie einem Signalprozessor, einem Mikrocontroller oder einem ähnlichen Element der Signalverarbeitung ausgeführt wird. In diesem Fall kann durch Berechnung der Sollposition bzw. der durchzuführenden Änderungen für eine Optimierung sehr einfach implementiert werden.

100: Vorrichtung zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 mit einer Nachführkinematik
110: Konzentrator-Solarzellenmodul, Konzentrator-Photovoltaik-Generator
120: Wechselrichter
125: Energieversorgungsnetz
130: Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, DC/DC-Wandler
140: MPP-Regler U/I
150: erster Korrektur-Regler
160: zweiter Korrektur-Regler
170: erster Aktor
180: zweiter Aktor
190: Sollpositionsbestimmungseinheit
200: Uhr
210: Koordinatenwandler
220: Korrekturspeicher
230: Steuerelektronik zur Ansteuerung des ersten Aktors 170
235: Steuerelektronik zur Ansteuerung des zweiten Aktors 180
300: Verfahren zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators 110 mit einer Nachführkinematik
310: Schritt des Wandelns einer Spannung und/oder einer elektrischen Leistung
320: Schritt des Ansteuerns eines ersten Aktors 170 der Nachführkinematik
330: Schritt des Ansteuerns eines zweiten Aktors 180 der Nachführkinematik

Claims

Vorrichtung (100) zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist, wobei die Vorrichtung (100) folgende Merkmale umfasst: – einen Spannungs- und/oder Leistungswandler (130, 120), der ausgebildet ist, um eine elektrische Leistung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) in eine elektrische Ausgangsleistung zu wandeln; – einen ersten Korrektur-Regler (150), der ausgebildet ist, um einen ersten Aktor (170) der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird; und – einen zweiten Korrektur-Regler (160), der ausgebildet ist, um einen zweiten Aktor (180) der Nachführkinematik derart anzusteuern, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- oder Leistungswandler (130, 120) ausgebildet ist, um die elektrische Ausgangsleistung oder eine von der elektrischen Ausgangsleistung abgeleitete Einspeiseleistung in ein elektrisches Energieversorgungsnetz (125) einzuspeisen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Positionsermittlungseinrichtung (190, 200) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um die Position der Sonne und damit die Soll-Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) zeitabhängig bereitzustellen, wobei ferner ein Lageregler (210, 215, 230, 235) vorgesehen ist, der den ersten (170) und/oder zweiten (180) Aktor so ansteuert, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) der berechneten Soll-Ausrichtung entspricht.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (150) und der zweite (160) Korrektur-Regler ausgebildet ist, die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) nur innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs zu modifizieren.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (150) und der zweite (160) Korrektur-Regler ausgebildet ist, um die Optimierung der elektrischen Ausgangsleistung abwechselnd vornehmen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungs- oder Leistungswandler (130, 120) ein MPP-Regler (140) zugeordnet ist, der ausgebildet ist, um den Konzentrator-Photovoltaik-Generator (110) auf einer elektrischen Kennlinie im Punkt der maximalen Leistung zu betreiben.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MPP-Regler (140) ausgebildet ist, um während der Optimierungsvorgänge des ersten (150) und zweiten (160) Korrektur-Reglers inaktiv zu sein.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (150) und/oder zweite (160) Korrektur-Regler ausgebildet ist, um die Optimierungsvorgänge des ersten (150) und zweiten (160) Korrektur-Reglers so langsam durchzuführen, dass der MPP-Regler (140) einem sich ändernden Arbeitspunkt auf der elektrischen Kennlinie des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) folgen kann.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Ablaufsteuerungseinheit vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um eine Aktivität und ein Zusammenwirken des ersten (150) und zweiten (160) Korrektur-Reglers sowie des MPP-Reglers (140) zu steuern.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (220) vorgesehen ist, der ausgebildet ist, um die von den Korrektur-Reglern (150, 160) ermittelten Korrekturwerte für die Ausrichtung abzuspeichern, insbesondere tabellarisch abzuspeichern, wobei der erste (150) und/oder zweite (160) Korrektur-Regler ausgebildet ist, um die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) auf der Basis zumindest eines in dem Speicher (220) gespeicherten Wertes durchzuführen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Einheit (210) für eine Koordinatentransformation vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um eine Änderung der Bewegungsrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) in eine erforderliche Bewegung des ersten (170) und zweiten (180) Aktors zu steuern.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (150) und/oder zweite (160) Korrektur-Regler ausgebildet sind, um die Korrektur der Ausrichtung nur in definierten Zeitabständen durchzuführen.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Winkelbereich, innerhalb dessen der erste (150) und zweite (160) Korrektur-Regler arbeiten durch einen lernenden Algorithmus den Erfordernissen der verwendeten Nachführungskinematik angepasst wird.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungs- oder Leistungswandler (130, 120), der erste (150) und der zweite (160) Korrektur-Regler in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Ansteuereinheit (230, 235) zur Ansteuerung des ersten (170) und zweiten (180) Aktors vorgesehen ist, die in einem gemeinsamen Gehäuse mit zumindest dem ersten (150) und/oder zweiten (160) Korrektur-Regler angeordnet ist.
Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführungskinematik spielfrei ausgeführt ist.
Verfahren (300) zum Betrieb eines Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) mit einer Nachführkinematik, die mindestens zwei Aktoren aufweist und die zweiachsig der Sonne nachführbar ist, wobei das Verfahren (300) folgende Schritte umfasst: – Wandeln (310) einer Spannung und/oder einer elektrischen Leistung aus dem Konzentrator-Photovoltaik-Generator (110) in eine elektrische Ausgangsleistung; – Ansteuern (320) eines ersten Aktors (170) der Nachführkinematik durch einen ersten Korrektur-Regler (150) derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer ersten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird; und – Ansteuern (330) eines zweiten Aktors (170) der Nachführkinematik durch einen zweiten Korrektur-Regler (150) derart, dass die Ausrichtung des Konzentrator-Photovoltaik-Generators (110) ansprechend auf die elektrische Ausgangsleistung in einer zweiten Richtung so modifiziert wird, dass die elektrische Ausgangsleistung maximal wird.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung von Schritten des Verfahrens (300) nach Anspruch 17, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage (100, 150, 160, 210, 215, 230, 235) durchgeführt wird.