DE102011110677A1

DE102011110677A1 - Vorrichtung und Verfahren zur energieoptimierten Ankopplung von Solarzellen an einen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102011110677A1
Application number: DE102011110677A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung besteht aus einer Vorrichtung und einem Verfahren zur energieoptimierten Ankopplung von Solarzellen an einen Energiespeicher. Durch ein Umschalten zwischen einer adaptiven Nachverfolgung des Punktes maximaler Solar-Leistung (Maximum Power Point Tracking, MPPT) und einer direkten Anbindung der Solarzellen an den Energiespeicher (Direktkopplung) ab einem Optimalpunkt der umgesetzten Leistung wird die Energieausbeute maximiert. Hierdurch treten die MPPT-immanenten Verluste nur dann auf, wenn die resultierende Erhöhung der Ausbeute dies rechtfertigt. Die Erfindung ist insbesondere für die Energieversorgung von Kleingeräten (Mikro- bis Wattbereich) in Innenraum- und heterogenen Anwendungsszenarien vorteilhaft gegenüber vergleichbaren Systemen aus dem Stand der Technik.

Description

Selbstorganisierende Netzwerke aus Kleinstcomputern (Sensorknoten) werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur verteilten und dezentralen Überwachung (Sensorik) oder Steuerung (Aktorik) eingesetzt (sog. Drahtlose Sensornetzwerke). Obwohl der Energiebedarf eines Sensorknotens im Mikrowattbereich liegt, ist die Energieversorgung ein zentrales Thema in diesem Zusammenhang. Oft erfolgt hierbei eine vollständige oder teilweise Energieversorgung aus der Umgebungsenergie (Energy Harvesting) um einen wartungsfreien Langzeitbetrieb, möglichst ohne Batteriewechsel, zu ermöglichen. Eine Form des Energy Harvestings ist hierbei die Gewinnung von Energie auf Basis von Solarzellen (Photovoltaik). Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine optimierte Kopplung der Solarzellen an den Verbraucher beziehungsweise an einen dazwischengeschalteten Energiespeicher zur Maximierung des Energieertrags.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere aber nicht ausschließlich für Energy Harvesting Anwendungen im Mikrowattbereich, der für Drahtlose Sensornetzwerke aufgrund des geringen Energiebedarfs besonders interessant ist.
Der Betrieb der Solarzellen kann aufgrund ihrer photovoltaischen Eigenschaften in einem wählbaren Betriebsspannungsbereich erfolgen. In diesem Zusammenhang existieren verschiedene Konzepte zur Ankopplung von Solarzellen an eine Last. Je nach Betriebsspannung ergeben sich der erzeugte Solarstrom, sowie dadurch auch die resultierende Leistung der Zelle, dann entsprechend der jeweiligen Solarzellenkennlinie. Für eine bestimmte Einstrahlleistung ist der Punkt maximaler Leistung (engl. Maximum Power Point, MPP) als derjenige Punkt der Strom-Spannungs-Kennlinie definiert, an dem die Leistungsausbeute maximal ist. Dieser MPP ist dabei abhängig von der Einstrahlleistung, der Beschaffenheit und dem Alterungszustand der Zelle, der aktuellen Umgebungstemperatur und weiteren Parameter und variiert innerhalb einer bestimmten Bandbreite.
Auf der anderen Seite ist ein naheliegendes und einfaches Konzept zur Ankoppelung der Solarzellen, die direkte Verbindung mit einem elektrischen Energiespeicher durch den dann der Betriebsspannungsbereich der Zellen vorgegeben wird (Direktkopplung). Durch eine entsprechende Reihenschaltung mehrerer Zellen kann damit eine annähernd konstante Betriebsspannung im Bereich des MPP eingestellt werden und ein guter aber nicht optimaler Wirkungsgrad erreicht werden. Insbesondere erlaubt die Direktkopplung jedoch eine einfache Schaltung mit geringen Schaltverlusten.
Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, können jedoch auch Kopplungskonzepte eingesetzt werden, die eine adaptive Einstellung des Betriebspunktes (bzw. der entsprechenden an den Solarzellen anliegenden Spannung) je nach Einstrahlleistung umsetzen. Diese sogenannten Maximum Power Point Tracker (MPPT) können in unterschiedlicher Weise realisiert werden und erhöhen die Energieausbeute abhängig vom Einsatzszenario signifikant gegenüber der zuvor angesprochenen Direktkopplung. Allerdings benötigen MPPT Schaltungen durch regelmäßige Strom- und Spannungsmessungen sowie einer Regelschaltung (analog/digital) und haben damit eine inhärente Leistungsaufnahme durch die realisierte Schaltung. Da diese Leistungsaufnahme jedoch unabhängig von der Größe der Solaranlage ist und typischerweise im Bereich einiger Mikro- bis einigen Watt liegt und damit vernachlässigbar gegenüber der Gesamtleistung einer großen Solaranlage ist, werden meistens MPPT Kopplungskonzepte einer Direktkopplung gegenüber bevorzugt.
Insbesondere für sehr kleine Systeme und kleine Leistungsbereiche unter stark schwankenden Einstrahlungsbedingungen (z. B. bei Systemen die sowohl für den Innen- als auch für den Außeneinsatz geeignet sein sollen) ist jedoch die Leistungsaufnahme einer MPPT Kopplung oft nicht zu vernachlässigen. Beispielsweise im Bereich der Drahtlosen Sensornetzwerke liegt die typische Leistungsaufnahme eines Sensorknotens im Mikro- oder Milliwattbereich je nach Aktivitätszustand des Gerätes. Für diese Klein- und Kleinstlastbereiche besteht die vorliegende Erfindung aus einer Umsetzung einer adaptiven Umschaltung zwischen Direktkopplung und MPPT. Der MPPT Betriebsmodus wird hierbei nur verwendet, wenn sich ein Energie-Mehrertrag gegenüber der Direktkopplung ergibt. Hierdurch wird der Nettoenergieeintrag des Solarzellensystems maximiert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erlaubt eine Steigerung der Energieausbeute in einem Beispielszenario um bis zu 20 Prozent.
Stand der Technik
Verschiedene Solarzellen-Kopplungskonzepte sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Verfolgung des Punktes maximaler Leistung (MPPT) wird in einem Großteil der Systeme standardmäßig umgesetzt. Um diese Nachverfolgung zu erreichen existieren unterschiedliche Konzepte: In DE 4101594 A1 wird ein Solarladeregler offenbart, der mittels eines Gleichspannungspulswandlers die Betriebsspannung einer Solarladeeinrichtung in das Leistungsoptimum regelt. Eine alternative Schaltung, die insbesondere auch im Kleinleistungsbereich eine Verfolgung des MPP erlauben soll, wird in DE 1961 4861 A1 offenbart. Hierbei wird auf Basis einer selbstschwingenden Schaltung eine erhöhte Ausnutzung der Solarenergie durch MPPT erlaubt. In DE 10 2008 053 943 A1 wird eine Stromversorgung mit einer MPPT Funktion beschrieben, wobei die Regelung bereichsbezogen unterschiedlich arbeitet und damit effizienter gegenüber anderen Konzepten sein soll. Alle drei Konzepte sind prinzipiell auch für den Klein- und Kleinstleistungsbereich geeignet, jedoch werden die Verluste, die durch den zusätzlichen Schaltaufwand der MPPT Schaltung gegenüber einer Direktkopplung entstehen, jeweils nicht berücksichtigt. Für den mit der vorliegenden Erfindung angestrebten Einsatzbereich wären die offenbarten Konzepte daher ungeeignet, da die MPPT-immanenten Schaltungsverluste permanent in Kauf genommen werden müssen.
In DE 10 2005 032 864 B4 wird weiterhin ein MPPT-Konzept beschrieben, das die Regelung der Spannung in Abhängigkeit verschiedener Arbeitspunkte durchführt. Das dargestellte Konzept geht jedoch von einer Anbindung an das Versorgungsnetz und nicht wie bei der vorliegenden Erfindung, von einer Verwendung zum Laden eines Energiespeichers aus.
Ein Solarenergie-Harvesting Ansatz für einen Einsatz im Bereich der Sensornetzwerke wird in EP 1796201 A1 offenbart, wobei in dieser Erfindung kein MPPT realisiert wird und die Ausbeute somit in vielen Szenarien nicht optimal ist.
Insgesamt kann festgestellt werden, dass das beschriebene Verfahren zur Umschaltung zwischen Direktkopplung und MPPT im Stand der Technik bisher noch nicht angesprochen wurde.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieausbeute für photovoltaische Energy Harvesting Systeme im Klein- und Kleinstleistungsbereich sowie unter variierenden Einstrahlbedingungen zu maximieren. Kleine Solarenergiesysteme die flexibel in verschiedenen Einsatzszenarien eingesetzt werden sollen und nicht auf eine bestimmte Anwendung optimiert sind, können durch die Erfindung verbessert werden. Ein System mit einer erfindungsgemäß maximierten Energieausbeute kommt mit einer kleineren Solarzellenfläche aus und kann dementsprechend in kleinerer Bauform und billiger realisiert werden. Insbesondere für Innenraumsysteme mit relativ geringer verfügbarer Einstrahlleistung ergibt sich eine signifikant kleinere Solarzellenfläche bei gleichbleibender Energieausbeute, beziehungsweise eine höhere Energieausbeute bei gleichbleibender Solarzellenfläche.
Bezugszeichenliste

1: Solarzellen
2: Energiespeicher (Akku und Puferkapazitäten)
3: Mikroprozessor
4: Sensornetz-Sensorknoten mit Funkschnittstelle
5: Informationsschnittstellen
6: Energieschnittstellen

Beispiel
Eine mögliche Ausführung der Erfindung ist beispielhaft in den Skizzen 1–3 dargestellt. Um in einem drahtlosen Sensornetzwerk Solarenergie nutzbar zu machen besteht die Erfindung hierbei aus Solarzellen (1), die über eine Energieschnittstelle (6) mit einem Energiespeicher (2) verbunden sind. Dieser Energiespeicher (2) besteht hierbei bevorzugt aus einem Akku, sowie mindestens einer Pufferkapazität (Kondensator). Die Steuerung der Energieschnittstelle (6) zwischen Solarzellen (1) und Energiespeicher (2) erfolgt durch einen Mikroprozessor (3).
Die Gesamtanordnung dient beispielsweise zur Energieversorgung eines Sensornetz-Sensorknotens mit Funkschnittstelle (4).
Im ersten Betriebsmodus wird der Mikroprozessor (3) dazu eingesetzt, in regelmäßigen Abständen über eine Informationsschnittstelle (5) die Leerlaufspannung der Solarzellen (4) zu prüfen und darauf basierend die Schaltfrequenz zwischen einer Pufferkapazität und einem Akku einzustellen, sodass an den Solarzellen eine weitgehend konstante aber einstellbare Betriebsspannung anliegt. Die Zielspannung hierzu wird durch den Mikroprozessor so vorgegeben, dass sie in einem konstanten Verhältnis zur aktuellen, regelmäßig gemessenen, Leerlaufspannung der Zellen steht. Dieses Vorgehen entspricht annähernd einer Verfolgung des Punktes maximaler Leistung und wird Fractional Open Circuit Voltage (FOCV) genannt.
Hierzu ist jedoch eine vergleichsweise hohe Prüf- und Regelfrequenz nötig, sodass sich der Mikroprozessor nur einen vergleichsweise geringen Anteil der Zeit im Schlafmodus bei geringem Eigenverbrauch befinden kann. Durch eine vor Betrieb festzulegende Schwelle kann der Mikroprozessor (3) jedoch auch eine Direktkopplung der Solarzellen (1) an den Akku schalten, und damit eine mehr oder weniger konstante Betriebsspannung vorgeben (zweiter Betriebsmodus: Direktkopplung). Da sich die Einstrahlbedingungen üblicherweise relativ langsam ändern, genügt in diesem Betriebsmodus ein Aufwachen mit sehr niedriger Frequenz im Vergleich zur erforderlichen Schaltfrequenz im MPPT Betrieb (erster Betriebsmodus: MPPT).
Durch das erfindungsgemäße Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi wird die Energieausbeute je nach Szenario um bis zu 20% erhöht.
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

DE 4101594 A1 [0007]
DE 19614861 A1 [0007]
DE 102008053943 A1 [0007]
DE 102005032864 B4 [0008]
EP 1796201 A1 [0009]

Claims

Anordnung und Schaltung zur Maximierung der Energieausbeute von Solarenergiesystemen, dadurch gekennzeichnet, dass je nach aktueller Solareinstrahlung die Solarzellen entweder direkt an einen Energiespeicher angekoppelt sind oder durch eine entsprechende Schaltung eine Nachverfolgung des optimalen Betriebspunktes (Maximum Power Point Tracking, MPPT) angewendet wird und dass während des Betriebs ein Umschalten zwischen diesen beiden Betriebsmodi erfolgen kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi und die Festlegung der entsprechenden Schaltschwellen auf Basis einer regelmäßigen Messung der einfallenden Solarleistung oder der resultierenden Ausgangsleistung so erfolgt, dass jeweils der Modus gewählt wird in dem die resultierende Ausgangsleistung größer ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi auf Basis einer konstanten (vorkalibrierten) Schaltschwelle in Bezug auf die momentane Solarleistung erfolgt, die so gewählt ist, dass die resultierende Ausgangsleistung größer als im jeweils anderen Betriebsmodus ist.
Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Energiespeicher eine Akkuzelle oder ein Kondensator ist.
Anordnung nach einem Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi eine Schalthysterese eingesetzt, und somit ein ineffizientes Schalten verhindert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Schaltschwellen und Steuerung des Umschalten durch eine digitale Schaltung (z. B. Mikroprozessor) umgesetzt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Schaltschwellen und Steuerung des Umschaltens durch eine analoge Schaltung umgesetzt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Verfahren zur Nachverfolgung des optimalen Betriebspunktes (MPPT-Verfahren) mit einer zeitdiskret arbeitenden Schaltung (z. B. Mikroprozessor) umgesetzt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Verfahren zur Nachverfolgung des optimalen Betriebspunktes (MPPT-Verfahren) mit einer zeitkontinuierlich arbeitenden Schaltung umgesetzt wird.
Anordnung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das angewendete Verfahren zur Nachverfolgung des optimalen Betriebspunktes (MPPT-Verfahren) ein sogenanntes Fractional Open Circuit Voltage (FOCV) Verfahren ist, bei dem ein fester Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung und MPP Spannung angenommen wird.