DE102011011602A1

DE102011011602A1 - Elektonische Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle und Verfahren zum Betreiben der elektronischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011011602A1
Application number: DE201110011602
Authority: DE
Inventors: Matthieu Chevrier
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23
Also published as: CN103688228A; US20120212206A1; WO2012112916A3; CN103688228B; WO2012112916A2; JP5946475B2; US8674675B2; JP2014508357A

Abstract

Eine elektronische Vorrichtung (2) zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle (4), wobei die elektronische Vorrichtung (2) umfasst: einen variablen Widerstand (6), der zwischen der Solarzelle (4) und einer Last (8) in Reihe geschaltet ist, eine Steuereinheit (10), die zum Steuern des variablen Widerstands (6) konfiguriert ist, einen Sensor (12) zum Messen einer Ausgangsspannung (U) und einen Sensor zum Messen des Ausgangsstroms (I) der Solarzelle (4), wobei die Steuereinheit (10) konfiguriert ist zum: Ändern des Widerstandswerts (R) des Reihenwiderstands (6) im Zeitverlauf in der Weise, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung (U) im Zeitverlauf einen konstanten Wert aufweist, gleichzeitigen Überwachen der zweiten Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf, Ermitteln, ob die zweite Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf einen vorgegebenen Schwellenwert (T) überschreitet, und Identifizieren der entsprechenden Werte der Ausgangsspannung (U) und des Ausgangsstroms (I) als einen Maximalleistungspunkt (MPP) der Solarzelle (4).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle.
HINTERGRUND
Der bevorzugte Arbeitspunkt für eine Solarzelle ist der Maximalleistungspunkt MPP, bei dem die Solarzelle die maximale Ausgangsleistung liefert. 1 zeigt die typische Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) einer Solarzelle in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik. Die Ausgangsleistung der Solarzelle ist durch das Produkt aus I und U gegeben und ihr Maximum definiert den MPP.
Ein typisches Verfahren zum Bestimmen des MPP ist das Ändern einer Testlast, die mit der realen Last der Solarzelle in Reihe geschaltet ist. Während die Testlast geändert wird, wird die Ausgangsleistung berechnet. Ferner wird die erste Ableitung des Produkts aus I und U (d. h. der Ausgangsleistung der Solarzelle) bestimmt. Wie aus der Ausgangsleistungskurve in 1 zu sehen ist, ändert ihre erste Ableitung bei MPP ihr Vorzeichen. Durch Erhöhen des Stroms I ausgehend von niedrigen Stromwerten nimmt die entsprechende Spannung U zu, bis die Ausgangsleistung ihr Maximum erreicht. Eine weitere Erhöhung der Spannung U führt zu abnehmenden Werten des Stroms I. Mit anderen Worten, je nachdem, ob sich die jeweiligen Werte von I und U links oder rechts von dem MPP befinden, hat die erste Ableitung ein positives oder ein negatives Vorzeichen. Während ein positives Vorzeichen die Information beinhaltet, dass der MPP bei höheren Stromwerten zu finden ist, bedeutet ein negatives Vorzeichen, dass sich der MPP bei niedrigeren Stromwerten befindet. Durch dementsprechendes Einstellen des Stroms und der Spannung kann die Solarzelle auf ihren MPP eingestellt werden.
Allerdings beeinflussen mehrere externe. Parameter die Ausgangsleistungskennlinien einer Solarzelle. Insbesondere ändern die Tatsache, dass sie Licht ausgesetzt ist, und die Arbeitstemperatur der Zelle die Ausgangsleistungskurve. Folglich wird auch der MPP zu anderen Spannungs- und Stromwerten verschoben. Diese Abhängigkeiten führen zu der Notwendigkeit, den Arbeitsstrom und die Arbeitsspannung der Solarzelle häufig einzustellen, um die Solarzelle immer bei ihrem MPP zu betreiben. Diese Einstellung wird üblicherweise durch eine Mikrocontrollereinheit oder durch einen digitalen Signalprozessor ausgeführt, die in der oben erwähnten Weise arbeiten. Da sich nicht nur die reale Last der Solarzelle schnell ändern kann, sondern da sich auch die Betriebsbedingungen wie die Tatsache, dass sie Licht ausgesetzt ist, und die Arbeitstemperatur ändern können, muss die Einstellung schnell erfolgen. Allerdings erhöht die Anwendung von Mikrocontrollereinheiten oder digitalen Signalprozessoren die Systemkosten, da diese Bauelemente teuer sind.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative elektronische Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe, ein alternatives Verfahren zum Betreiben der elektronischen Vorrichtung zu schaffen.
Die Erfindung schafft eine elektronische Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle. Die elektronische Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit und einen variablen Reihenwiderstand, der zwischen der Solarzelle und einer Last in Reihe geschaltet ist. Die Steuereinheit ist zum Steuern des variablen Reihenwiderstands konfiguriert und umfasst wiederum ferner einen Sensor zum Messen einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms der Solarzelle. Die Steuereinheit ist zum Ändern des Widerstandswerts des Reihenwiderstands im Zeitverlauf in der Weise konfiguriert, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung über der Zeit einen konstanten Wert aufweist. Gleichzeitig überwacht die Steuereinheit die zweite Ableitung des Ausgangsstroms im Zeitverlauf, um zu bestimmen, ob sie einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Werte der entsprechenden Ausgangsspannung und des entsprechenden Ausgangsstroms werden als der Maximalleistungspunkt der Solarzelle identifiziert.
Die elektronische Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine zuverlässige und kostengünstige Steuerung und Optimierung der Betriebsbedingungen einer Solarzelle. Kostenintensive Bauelemente wie etwa Mikrocontroller usw. können weggelassen werden.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung ist die Steuereinheit ferner zum Identifizieren des Maximalleistungspunkts der Solarzelle mittels Ermittlung eines Extremwerts der zweiten Ableitung des Ausgangsstroms im Zeitverlauf konfiguriert. Weiter vorteilhaft kann der MPP sehr genau lokalisiert werden.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die elektronische Vorrichtung vorteilhaft als eine analoge integrierte Schaltung verwirklicht. Dies ermöglicht eine sehr kostengünstige Implementierung der elektronischen Vorrichtung.
Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle. Es gibt eine Steuereinheit und einen variablen Reihenwiderstand, die zwischen der Solarzelle und einer Last in Reihe geschaltet sind. Die Steuereinheit ist zum Steuern des variablen Reihenwiderstands konfiguriert und umfasst ferner einen Sensor zum Messen einer Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms der Solarzelle. Der Widerstandswert des Reihenwiderstands wird im Zeitverlauf in der Weise geändert, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung im Zeitverlauf einen konstanten Wert aufweist. Ähnlich wird die zweite Ableitung des Ausgangsstroms im Zeitverlauf überwacht und bestimmt, ob die zweite Ableitung des Ausgangsstroms im Zeitverlauf einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die entsprechenden Werte der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms als ein Maximalleistungspunkt der Solarzelle werden identifiziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
1 ein vereinfachtes Diagramm ist, das die typische Strom-Spannungs-Kennlinie und die entsprechende Ausgangsleistung einer Solarzelle in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik zeigt,
2 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild einer elektronischen Vorrichtung zum Bestimmen des Maximalleistungspunkts einer Solarzelle in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist und
3 ein weiteres vereinfachtes Diagramm ist, das ferner die erste Ableitung des Ausgangsstroms im Zeitverlauf und die zweite Ableitung dieses Stroms im Zeitverlauf in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELAUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die typische Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Kennlinie) einer Solarzelle zeigt, die Licht ausgesetzt ist. Ferner ist in 1 die entsprechende Ausgangsleistung der Solarzelle gezeigt. Die Solarzelle liefert ihre maximale Ausgangsleistung bei dem Extremwert der Ausgangsleistungskurve, der auch als der Maximalleistungspunkt MPP bezeichnet wird. Um beim Betreiben einer Solarzelle einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es erwünscht, eine Solarzelle bei oder nahe dem MPP zu betreiben.
2 ist ein vereinfachtes Prinzipschaltbild einer Ausführungsform für eine elektronische Vorrichtung 2 in Übereinstimmung mit der Erfindung. Die elektronische Vorrichtung 2 umfasst einen variablen Reihenwiderstand 6, einen Sensor 12 zur Messung der Ausgangsspannung U und einen Sensor 14 zur Messung des Ausgangsstroms I der Solarzelle 4.
Der variable Reihenwiderstand R ist zwischen der Solarzelle 4 und einer Last 8 in Reihe geschaltet. Die Ausgangsspannung U und der Ausgangsstrom I werden durch geeignete Messvorrichtungen 12, 14 bestimmt. Die Ausgangswerte V, I werden einer Steuereinheit 10 zugeführt. Vorzugsweise ist die Steuereinheit eine integrierte analoge Schaltung, die geeignet zum Ausführen der Verarbeitungsschritte konfiguriert ist, die im Folgenden beschrieben sind.
Die Steuereinheit 10 ist zum Ändern des Widerstandswerts R des variablen Widerstands 6 in der Weise, dass sich die erste Ableitung der Ausgangsspannung U im Zeitverlauf kontinuierlich ändert, konfiguriert. Mit anderen Worten, die Gleichung dU/dt = const ist gültig. Die Ausgangsspannung U kann von einem hohen Anfangswert auf einen niedrigen Wert und umgekehrt geändert werden.
Die einzige Anforderung ist, dass sich die Ausgangsspannung U kontinuierlich im Zeitverlauf ändert.
3 ist ein weiteres vereinfachtes Diagramm, das die I-U-Kennlinie sowie die Ausgangsleistung der Solarzelle 4, die bereits aus 1 bekannt sind, zeigt. Außerdem und in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung sind in 3 die erste und die zweite Ableitung des Ausgangsstroms I im Zeitverlauf, d. h. dl/dt bzw. d2l/dt2, gezeigt. Die Kurven sind sehr schematisch und beziehen sich nicht auf die gegebenen Skalen. Da der Gradient der Kurven von Interesse ist, ist dies allerdings eine harmlose Einzelheit.
Wie oben erwähnt wurde, muss die Gleichung dU/dt = const gültig sein. Wenn beispielhaft bei einer hohen Spannung U in der Nähe der Leerlaufspannung Vor begonnen wird, führt eine bestimmte Änderung der Spannung U zu einer bestimmten Änderung des Stroms I. Da die Korrelation zwischen der Spannung U und dem Strom I in den Gebieten weit von dem MPP entfernt nahezu linear ist, ändert sich der Strom I mehr oder weniger proportional zur Spannung U. Wenn sich die Spannung U in einem bestimmten Zeitintervall kontinuierlich ändert, d. h., wenn dU/dt = const gültig ist, ändert sich der Strom I ebenfalls kontinuierlich im Zeitverlauf, d. h., ist die erste Ableitung des Stroms im Zeitverlauf dl/dt konstant. Dieses Verhalten der dl/dt-Kurve ist in Gebieten weit von MPP zu sehen. Wenn bei einem hohen Spannungswert in der Nähe der Leerlaufspannung V_OC begonnen wird, ändert sich der Strom I anfangs sehr wenig mit der sich ändernden Spannung U. Wenn von Änderungen im Zeitverlauf gesprochen wird und angenommen wird, dass die Änderung der Spannung U im Zeitverlauf konstant ist, ist die entsprechende Änderung des Stroms I, wie im linken Teil des Graphen von dl/dt sichtbar ist, im Zeitverlauf niedrig.
In dem Gebiet des MPP ändert sich die Änderung des Stroms I mit der Spannung U drastisch, da sich der Anstieg der I-U-Kurve drastisch ändert. Eine sehr kleine Änderung der Spannung U führt zu einer sehr großen Änderung des Stroms I. Die Änderung der Spannung U im Zeitverlauf muss wieder konstant sein. Das heißt, dass sich die entsprechende Änderung des Stroms I im Zeitverlauf von einem mittleren Wert auf einen wesentlich höheren Wert ändert.
Noch erheblicher ist die Änderung des Stroms im Zeitverlauf bei Betrachtung der zweiten Ableitung d2l/dt2. Sie zeigt deutlich ein Maximum, wenn die erste Ableitung von dem niedrigeren zu dem höheren Wert ansteigt. Die Kurve von d2l/dt2 ist in 3 als Strichlinie gezeigt.
Es ist erkannt worden, dass der Extremwert der zweiten Ableitung des Stroms im Zweitverlauf (das Maximum in 3) dem MPP entspricht. Der entsprechende Strom entspricht dem MPP.
Dies eröffnet die Möglichkeit, die Solarzelle 4 durch Beobachten der zweiten Ableitung des Stroms im Zeitverlauf d2l/dt2 auf den MPP einzustellen. Die Spannung U wird im Zeitverlauf kontinuierlich geändert und gleichzeitig d2l/dt2 überwacht.
Als ein erster Zugang wird angenommen, dass der MPP ermittelt worden ist, wenn der Wert von d2l/dt2 einen bestimmten Schwellenwert T überschreitet. Eine weitere Alternative könnte das Ermitteln des Maximums selbst sein – wobei es überschritten wird und um einen bestimmten Versatzwert zurückgegangen wird, um die Solarzelle 4 genau auf den MPP einzustellen. Durch Ermittlung des Extremwerts selbst kann der MPP sehr genau bestimmt werden.
Obwohl die Erfindung oben anhand einer spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, wobei dem Fachmann zweifellos weitere Alternativen einfallen, die im Umfang der Erfindung wie beansprucht liegen.

Claims

Elektronische Vorrichtung (2) zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle (4), wobei die elektronische Vorrichtung (2) umfasst: einen variablen Reihenwiderstand (6), der zwischen der Solarzelle (4) und einer Last (8) in Reihe geschaltet ist, eine Steuereinheit (10), die zum Steuern des variablen Widerstands (6) konfiguriert ist, einen Sensor (12) zum Messen der Ausgangsspannung (U) und einen Sensor (14) zum Messen des Ausgangsstroms (I) der Solarzelle (4), wobei die Steuereinheit (10) konfiguriert ist zum: Ändern des Widerstandswerts (R) des Reihenwiderstands (6) im Zeitverlauf in der Weise, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung (U) im Zeitverlauf einen konstanten Wert aufweist, gleichzeitigen Überwachen der zweiten Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf, Ermitteln, ob die zweite Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf einen vorgegebenen Schwellenwert (T) überschreitet, und Identifizieren der entsprechenden Werte der Ausgangsspannung (U) und des Ausgangsstroms (I) als einen Maximalleistungspunkt (MPP) der Solarzelle (4).
Elektronische Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, mdie Steuereinheit (10) ferner zum Identifizieren des Maximalleistungspunkts (MPP) der Solarzelle (4) mittels Ermittlung eines Extremwerts der zweiten Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf konfiguriert ist.
Elektronische Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektronische Vorrichtung (2) eine diskrete analoge integrierte Schaltung ist.
Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung (2) zur Optimierung der Ausgangsleistung einer Solarzelle (4), wobei die elektronische Vorrichtung (2) umfasst: einen variablen Reihenwiderstand (6), der zwischen der Solarzelle (4) und einer Last (8) in Reihe geschaltet ist, eine Steuereinheit (10), die zum Steuern des variablen Widerstands (6) konfiguriert ist, einen Sensor (12) zum Messen einer Ausgangsspannung (U) und einen Sensor (14) für den Strom (I) der Solarzelle (4), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ändern des Widerstandswerts (R) des Reihenwiderstands (6) im Zeitverlauf in der Weise, dass die erste Ableitung der Ausgangsspannung (U) im Zeitverlauf einen konstanten Wert aufweist, gleichzeitiges Überwachen der zweiten Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf, Bestimmen, ob die zweite Ableitung des Ausgangsstroms (I) im Zeitverlauf einen vorgegebenen Schwellenwert (T) überschreitet, und Identifizieren der entsprechenden Werte der Ausgangsspannung (U) und des Ausgangsstroms (I) als einen Maximalleistungspunkt (MPP) der Solarzelle (4).