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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Solarstromanlagen und insbesondere konzentrierende Solarstromanlagen.
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Hintergrund der Erfindung
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Solarstromanlagen verbinden mehrere Solarzellen elektrisch mit dem Stromnetz. In einem typischen System wird dies erreicht, indem Einzelzellen in Reihe geschaltet werden, um eine hohe Gleichspannung und einen schwachen Strom zu erzeugen. Arrays dieser in Reihe geschalteten Zellen werden dann in seriellen und parallelen Topographien miteinander verbunden, um Ketten zu erzeugen, die bei etwa 600 Volt Spitzenspannung arbeiten.
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In Reihe geschaltete Zellen sind jedoch durch die schwächste(n) Zelle(n) in der Kette leistungsbegrenzt. In einem in Reihe geschalteten Stromkreis ist der Strom durch alle Zellen gleich. Zellen, die bei einem anderen Strom als dem Punkt maximaler Leistung (Maximum-Power-Point) arbeiten, werden daher auf eine suboptimale Leistung begrenzt. Die Stärke dieser Begrenzung nimmt mit der Konzentration zu. Bei parallel geschalteten Zellen ist der erzeugte Strom groß und die Spannung zu niedrig, um für die meisten Anwendungen nutzbar zu sein. Die Erzeugung eines großen Stroms ist auch kostspielig, was die Wirkleistungsverluste und die Menge an Leitermaterial anbetrifft, die erforderlich ist, um das System zu verbinden. Ungeachtet des Verbindungsschemas kommt es häufig vor, dass die Zellen hinsichtlich des Stroms und/oder der Spannung falsch an die Einheit(en) angepasst sind, die mit dem Strom versorgt wird (werden).
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Deshalb wären Techniken zur Maximierung der Leistung aus einem netzgekoppelten Array von Solarzellen und/oder zur Anpassung an anwendungsspezifische Anforderungen an das Strom-Spannungs-Verhältnis wünschenswert.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt Techniken zur Übertragung von elektrischem Strom in photovoltaischen Systemen bereit. In einem Aspekt der Erfindung wird ein photovoltaisches System bereitgestellt. Das photovoltaische System umfasst ein Array Solarstrom erzeugender Elemente; eine stromempfangende Einheit; und mindestens einen ratiometrischen Gleichstromwandler, der sowohl mit dem Array Solarstrom erzeugender Elemente als auch mit der stromempfangenden Einheit verbunden ist. Der mindestens eine ratiometrische Gleichstromwandler ist so konfiguriert, dass er eine Spannungsabgabe aus dem Array Solarstrom erzeugender Elemente ändert. Die Solarstrom erzeugenden Elemente können konzentrierende Solarzellen einschließen. Die stromempfangende Einheit kann einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter einschließen. Die stromempfangende Einheit kann eine MPP(Maximum-Power-Point)-Tracker(MPPT)-Schaltung und einen mit der MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung verbundenen netzgekoppelten Wechselrichter einschließen. Die stromempfangende Einheit kann einen Gleichstromwandler einschließen oder kann einfach eine Einheit sein, die Gleichstrom verbraucht.
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Das Array Solarstrom erzeugender Elemente kann eine Vielzahl von Solarstrom erzeugenden Elementen einschließen, die in Reihe geschaltet sind. Alternativ dazu kann das Array Solarstrom erzeugender Elemente eine Vielzahl von Solarstrom erzeugenden Elementen einschließen, die parallel geschaltet sind. Im vorliegenden Kontext kann ein einzelnes Solarstrom erzeugendes Element eine oder mehrere (z. B. eine Gruppe von) Solarzellen einschließen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Übertragung von elektrischem Strom von einem Array Solarstrom erzeugender Elemente zu einer stromempfangenden Einheit bereitgestellt. Das Verfahren schließt den folgenden Schritt ein. Mindestens ein ratiometrischer Gleichstromwandler wird sowohl mit dem Array Solarstrom erzeugender Elemente als auch mit der stromempfangenden Einheit verbunden. Der mindestens eine ratiometrische Gleichstromwandler ist so konfiguriert, dass er eine Spannungsabgabe aus dem Array Solarstrom erzeugender Elemente, die der stromempfangenden Einheit zugeführt wird, ändert.
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Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf die folgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen erhalten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, das ein Array Solarstrom erzeugender Elemente aufweist, das einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß mit dem Eingang eines ratiometrischen Gleichstromwandlers in Reihe geschaltet ist;
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2 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß ein Array Solarstrom erzeugender Elemente mit dem Eingang eines ratiometrischen Gleichstromwandlers parallel geschaltet ist;
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3 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß ein Array Solarstrom erzeugender Elemente in einer Eins-zu-eins-Beziehung direkt mit dem Eingang eines ratiometrischen Gleichstromwandlers verbunden ist;
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4 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß ein Array Solarstrom erzeugender Elemente mit einer stromempfangenden Einheit in Reihe geschaltet ist und der Ausgang jedes der in Reihe geschalteten Solarstrom erzeugenden Elemente außerdem in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit den Eingängen von ratiometrischen Gleichstromwandlern verbunden ist (die Ausgänge der ratiometrischen Gleichstromwandler sind durch Parallelschaltung auf einen gemeinsame Spannung eingeschränkt und werden schwebend gelassen, wodurch die Eingänge auf eine gemeinsame Spannung eingeschränkt sind);
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5 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß ein Array Solarstrom erzeugender Elemente mit einer stromempfangenden Einheit verbunden ist, wobei die photovoltaischen Elemente zu parallelen Vierergruppen gruppiert sind und die Einzelgruppen außerdem in Reihe geschaltet sind;
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6 ist ein Schaubild, das ein beispielhaftes Verfahren zur Übertragung von elektrischem Strom von einem Array Solarstrom erzeugender Elemente zu einer stromempfangenden Einheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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7 ist ein Graph, der das Verhalten der Leistungsabgabe als Funktion der Spannung für zwei Photovoltaikelemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Hierin werden Techniken bereitgestellt, um Solarstrom erzeugende Elemente wie Solarzellen mit Stromkonditionierungs- und Netzkopplungsschaltungen zu verbinden. Vor allem bei konzentrierenden Solarzellen sind diese Systeme durch wesentlich höhere Zellenströme und immer größere Abstände zwischen Zellen gekennzeichnet. In manchen Anwendungen können Einzelzellenströme 30 Ampere pro Quadratzentimeter Zellenfläche erreichen. Bei diesen Strompegeln werden Verbindungen kostspielig, und es werden sehr dicke Drähte benötigt, um Zellen zu verbinden. Daher ist die Maximierung der Leistung aus einem netzgekoppelten Array Solarstrom erzeugender Elemente vor allem bei photovoltaischen Konzentrator-Systemen wichtig.
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Die hierin beschriebenen Schaltungen verwenden einen ratiometrischen Gleichstromwandler. Allgemein ist ein Gleichstromwandler eine Art Wandlerschaltung, die eine Gleichstrom(DC)-Quelle von einem Spannungspegel auf einen anderen umsetzen kann. Insbesondere wird ein ratiometrischer Gleichstromwandler als eine Schaltung definiert, die ein festes Spannungsverhältnis zwischen ihrem Eingang und Ausgang erzwingt. Strom kann entweder in einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung durch den ratiometrischen Gleichstromwandler fließen. Schließlich sind der Eingang und der Ausgang elektrisch isoliert. Ein Beispiel für eine Schaltung dieses Typs ist VTM48EH040T025A00, hergestellt von Vicor Corporation, Andover MA.
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Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, sind einige der folgenden Vorteile, die durch Verwendung der vorliegenden Techniken bereitgestellt werden, wie folgt: Erstens erlauben die vorliegenden Techniken die Optimierung der Einzelzellenleistung. Das heißt, wie weiter unten im Detail beschrieben, sind einige beschriebene Ausführungsformen so konfiguriert, dass sie jedem Solarstrom erzeugenden Element (z. B. Solarzelle) oder jeder Gruppe von Elementen die Arbeit bei ihrem maximalen Leistungsniveau erlaubt. Im Vergleich dazu wird bei herkömmlichen Systemen die Gesamtleistung des Systems typischerweise durch die maximale Leistung der schwächsten Zelle begrenzt.
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Zweitens, wie weiter unten im Detail beschrieben, ermöglichen es die vorliegenden Techniken, dass die Spannung, die von einem Array von Solarzellen erzeugt wird, auf der Grundlage des Bedarfs der stromempfangenden Einheit erhöht (verstärkt)/verringert (abgeschwächt) wird.
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Drittens behält die Fähigkeit, die Spannungsabgabe aus dem Array von Solarzellen (z. B. mithilfe eines ratiometrischen Gleichstromwandlers, siehe weiter unten) den vorliegenden Techniken gemäß zu ändern (erhöhen/verringern), die Möglichkeit bei, Systeme zur Verfolgung des Punkts maximaler Leistung (MPPT-Systeme) zu betreiben. MPPT-Systeme arbeiten, indem sie die Eingangsimpedanz der stromempfangenden Einheit variieren und die Stromänderung beobachten, bis der Punkt optimaler Leistung erkannt ist (und arbeiten danach bei diesem Punkt) und ermöglichen dadurch den Solarzellen, bei der Spannung zu arbeiten, die für eine optimale Stromübertragung am leistungsfähigsten ist. Bei herkömmlichen (nicht ratiometrischen) Gleichstromwandlern, die eine feste Spannung ausgeben, kann kein MPPT verwendet werden, da die Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert eingeschränkt ist. MPPT-Systeme werden weiter unten im Detail beschrieben.
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Viertens können die vorliegenden Techniken genutzt werden, um die Gesamtmenge an Kupfer zu verringern, die für Zwischenverbindungen verwendet wird (höhere Ströme erfordern mehr Kupfer, um Wirkleistungsverluste zu vermeiden). Indem sie dem Array stromerzeugenden Elemente ermöglichen, Strom mit höherer Spannung zu erzeugen, wird der Strom, der sonst erzeugt würde, reduziert. In einigen Konzentratorelementen kann die Stromabgabe 30 A erreichen. Höhere Ströme erfordern in den verschiedenen Verbindungen natürlich mehr Kupfer, um Wirkleistungsverluste zu vermeiden. Durch Reduzieren der Stromabgabe kann die Menge an Kupfer, die in den gegenwärtigen Systemen verwendet wird, insgesamt verringert werden. Dies kann erhebliche Einsparungen hinsichtlich der Materialkosten, des Gewichts usw. bedeuten.
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Es ist anzumerken, dass die Verbindungen, die in den Figuren gezeigt und hierin beschrieben werden, mit herkömmlichen elektrischen Leitungen gebildet werden können. Der Ausdruck ”elektrische Leitung” schließt lediglich beispielsweise isolierte Leiter jeden Typs ein, die elektrischen Strom führen können. Beispiele für geeignete elektrische Leitungen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, isolierte Kupferdrähte ein.
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In herkömmlichen Systemen sind Arrays einzelner Solarzellen allgemein mit einer oder mehreren mit Strom versorgten Einheit(en) entweder in Reihe geschaltet oder parallel geschaltet. Die Reihenschaltung der Solarzellen hat den Vorteil, dass die Solarzellen eine große Spannung erzeugen, die proportional zur Zahl der Zellen in der Reihe ist. Dies ermöglicht weniger reihenwiderstandsbedingte Leistungsverluste. Die Solarzellen sind jedoch durch die schwächsten Zellen in der Reihe strombegrenzt. In kleinen Arrays kann die optische Fehlausrichtung einer Zelle oder eine Zelle schlechter Qualität die Leistung der Reihe stark beeinflussen. In größeren Systemen wird Abschattung (d. h., Schatten, die durch benachbarte Strukturen, Wolken usw. verursacht werden) eine nachteilige Wirkung auf die Reihe haben. Eine Parallelschaltung der Solarzellen hat demgegenüber den Vorteil, dass die Solarzellen nicht durch die schwächste Zelle strombegrenzt sind (da die Zellen parallel geschaltet sind). Eine Parallelschaltung hat außerdem den Vorteil, dass der Strom für Einzelzellen mit Hallsensoren überwacht werden kann und als ein direktes Maß der Zellenleistung einschließlich der optischen Ausrichtung verwendet werden kann. Herkömmliche parallel geschaltete Solarzellensysteme erzeugen jedoch einen hohen Strom (z. B. 2 bis 20 Ampere aus einer Einzelzelle), und ihre Realisierung stellt daher in der Praxis eine Herausforderung dar.
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Wie oben dargelegt, betreffen die vorliegenden Techniken allgemein die Kopplung von Strom aus Solarzellen mit MPPT- und Wechselrichtersystemen. Die folgende Erläuterung konzentriert sich auf die Verwendung eines Mikrowechselrichters (d. h., die leistungsschwache (z. B. von etwa 100 Watt bis etwa 500 Watt) Version eines kombinierten MPPT/Wechselrichters), wobei anzumerken ist, dass die vorgestellten Techniken auf handelsübliche Wechselrichtereinheiten mit höherer Leistung (z. B. 50.000 Watt oder mehr) gleichermaßen anwendbar sind.
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Ferner können konzentrierende photovoltaische Systeme, die mit sehr hoher Konzentration arbeiten, eine optische Ausrichtung einzelner Empfänger erfordern, um ein optimales Leistungsverhalten zu erreichen. Zellen lassen sich am leichtesten ausrichten, indem der Kurzschlussstrom oder Einzelzellenstrom am Punkt maximaler Leistung überwacht wird. Dies stellt bei in Reihe geschalteten Zellen eine Herausforderung dar. Ein Parallelschalten der stromerzeugenden Elemente (wie in 2 gezeigt) kann daher vorteilhaft sein, wenn eine Überwachung des Kurzschlussstroms oder des Einzelzellenstroms am Punkt maximaler Leistung gewünscht wird.
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1 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem eine Reihe Solarstrom erzeugender Elemente 101 wie z. B. Solarzellen (z. B. konzentrierende Solarzellen) (mit parallel geschalteten Schutzdioden 108) mit einem ratiometrischen Gleichstromwandler 105 und einer stromempfangenden Einheit 103 in Reihe geschaltet ist. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß kann die stromempfangende Einheit 103 einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter einschließen. Die in 1 gezeigte ratiometrische Gleichstromwandlerschaltung wird hierin auch als ratiometrische Spannungsverstärkungsschaltung bezeichnet, da sie in vielen Fällen benutzt wird, um die aus dem Array Solarstrom erzeugender Elemente kommende Spannung zu verstärken (erhöhen).
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Für den Betrieb eines netzgekoppelten Arrays von Solarzellen ist es wichtig, dass der Arbeitsstrom und die Arbeitsspannung auf den Punkt maximaler Leistung optimiert sind. Dies wird durch den MPP-Tracker (MPPT) erreicht. Manche MPP-Tracker-Schaltungen funktionieren (d. h., ”verfolgen” den Punkt maximaler Leistung, der sich ständig ändern kann) lediglich beispielsweise, indem sie den Ausgang der Solarstrom erzeugenden Elemente abtasten und einen Impedanzbetrag anlegen, der ausreicht, um von den Solarstrom erzeugenden Elementen eine maximale Leistungsabgabe zu erhalten. Siehe auch die Beschreibung von 7 weiter unten. Der MPPT stellt daher den Strom ein, den die stromempfangende Einheit von den Solarstrom erzeugenden Elementen empfangen sollte, um die maximale Leistung zu erhalten. MPP-Tracker werden zum Beispiel in Zhang et al., ”Research an MPPT control and implementation method for photovoltaic generation system and its simulation”, 6. International Power Electronics and Motion Control Conference, 2009 (IPEMC '09), S. 2108–2112, Mai 17–20 (2009) beschrieben, deren Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist der MPP-Tracker (MPPT) eine Einzeleinheit (eine computergesteuerte Schaltung, die so konfiguriert ist, dass sie auf der Grundlage der Abgabe der Solarstrom erzeugenden Elemente einen Impedanzbetrag anlegt, der ausreicht, um von den Solarstrom erzeugenden Elementen eine maximale Leistungsabgabe zu erhalten), die eine feste Gleichspannung ausgibt. Der Ausgang oder die Ausgänge der MPPT-Einheit(en) ist/sind mit dem Wechselrichter verbunden. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird der Wechselrichter in einem photovoltaischen System verwendet, um die Gleichstromabgabe der Solarstrom erzeugenden Elemente in Wechselstrom umzuwandeln, der in das Netz eingespeist werden kann. Photovoltaische Wechselrichter sind zum Beispiel von SMA Solar Technology, Rocklin, CA und Enphase Energy Corporation, Petaluma, CA kommerziell erhältlich.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist die Funktion des MPPT in einer Einzeleinheit mit dem netzgekoppelten Wechselrichter kombiniert. Leistungsschwache Versionen dieses Systems werden manchmal als Mikrowechselrichter bezeichnet (Mikrowechselrichter sind z. B. typischerweise für 200 Watt bis 400 Watt ausgelegt). Mikrowechselrichter sind zum Beispiel von Direct Grid® Technologies, Edgewood, NJ kommerziell erhältlich.
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Obwohl die stromempfangende Einheit in den gezeigten und hierin beschriebenen Ausführungsformen einen netzgekoppelten Wechselrichter (und eventuell einen MPP-Tracker (MPPT)) einschließt, ist anzumerken, dass dies lediglich eine beispielhafte Konfiguration ist. Das heißt, die stromempfangende Einheit kann eine beliebige Einheit sein, die den Strom entweder weiterleitet oder den Strom selbst verbraucht. Die stromempfangende Einheit kann beispielsweise eine Einheit wie z. B. eine Batterie oder einen Elektromotor einschließen, die den Gleichstrom direkt nutzen kann. In diesem Fall ist kein Wechselrichter erforderlich.
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Konzentrierende Solarzellen verwenden Linsen und/oder Spiegel, um einfallende Sonnenenergie auf eine oder mehrere Solarzelle(n) zu konzentrieren. Konzentrierende Solarzellen werden zum Beispiel in Luque, Antonio; Hegedus, eds (2003), ”Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, John Wiley and Sons., ISBN 0471491969 beschrieben, deren Inhalt durch Verweis hierin aufgenommen wird.
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Durch Verwenden eines ratiometrischen Gleichstromwandlers (wie z. B. in der Schaltung von 1 und den weiter unten beschriebenen) kann der ratiometrische Gleichstromwandler genutzt werden, um die Ausgangsspannung aus dem Array zu erhöhen/verstärken. Dies ist nützlich, da ein Array Solarstrom erzeugender Elemente in einem Paneel oder in einer Kette eine Spannung erzeugen kann, die nicht an den Eingangsspannungsbedarf eines bestimmten MPP-Trackers/Wechselrichters oder einer anderen stromempfangenden Einheit angepasst sein kann. In diesem Fall können die in 1 bis 3 gezeigten Schaltungen verwendet werden, um die Spannung der Solarstrom erzeugenden Elemente an den Eingangsspannungsbedarf des MPP-Trackers/Wechselrichters anzupassen.
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Die stromempfangende Einheit 103 ist außerdem über eine Verbindung 104 mit einem Wechselstromnetz verbunden. Die Verbindung 104 ist lediglich beispielsweise eine Drahtverbindung zum Stromnetz. Alternativ dazu kann die stromempfangende Einheit (über die Verbindung 104) mit einer Einheit verbunden sein, die mit Wechselstrom betrieben wird (wie z. B. eine Maschine oder ein Gerät), oder mit einem Steckverbinder (z. B. einer Steckdose), mit welcher eine mit Wechselstrom betriebene Einheit verbindbar ist. Wie in 1 gezeigt, werden in der Schaltung zudem Dioden 108 verwendet. Es ist anzumerken, dass die Schutzdioden, die in 1 (und in anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen mit Reihenschaltungen) gezeigt werden, sowie die Sicherungen, die in einer oder mehreren hierin beschriebenen Ausführungsformen mit Parallelschaltungen gezeigt werden, optional sind und die allgemeine Arbeitsweise der vorliegenden Techniken nicht beeinflussen. Wie aus 1 hervorgeht, stellt die Verwendung von Dioden 108 (oder Sicherungen bei parallel geschalteten stromerzeugenden Elementen, s. u.) sicher, dass Strom fließen kann, selbst wenn eines oder mehrere der Solarstrom erzeugenden Elemente 101 nicht mehr funktionieren. Auch wenn 1 eine Diode über jedes stromerzeugende Element zeigt, ist diese Konfiguration lediglich beispielhaft. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen eine einzelne Diode/Sicherung verwendet werden, um mehrere stromerzeugende Elemente in einer Gruppe zu überbrücken, um dadurch Kosten zu sparen. Dies heißt, dass die ganze Gruppe verloren ist, wenn eine einzelne Diode/Sicherung in der Gruppe ausfällt. Die Zahl und Anordnung von Bypass-Dioden/Sicherungen ist eine wirtschaftliche und die Systemzuverlässigkeit betreffende Entscheidung. Die Bypass-Dioden/Sicherungen in 1 bis 4 werden der Vollständigkeit halber gezeigt, sind aber, wie oben hervorgehoben, nicht erforderlich.
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Es ist jedoch anzumerken, dass die hierin beschriebenen ratiometrischen Gleichstromwandler auch verwendet werden können, um die Spannungsabgabe aus einem Array Solarstrom erzeugender Elemente zu senken (auch als ”abschwächen” bezeichnet, was das Gegenteil von ”verstärken” bedeutet). Die ratiometrischen Gleichstromwandler addieren die zusätzliche Möglichkeit, das Eingangs-/Ausgangsspannungsverhältnis zu regeln. Deshalb sind die hierin beschriebenen ratiometrischen Gleichstromwandler so konfiguriert, dass sie die Spannungsabgabe aus dem Array abhängig z. B. vom Eingangsspannungsbedarf des stromempfangenden Elements ändern, d. h., erhöhen (verstärken) und/oder verringern (abschwächen). Wie oben angegeben, und wie aus 1 hervorgeht, stellt die Verwendung von Dioden 108 sicher, dass Strom fließen kann, selbst wenn eines oder mehrere der Solarstrom erzeugenden Elemente 101 nicht mehr funktionieren.
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Die Eingangs- und Ausgangsstufen des ratiometrischen Gleichstromwandlers 105 sind elektrisch isoliert. In manchen Ausführungsformen lässt dies die Möglichkeit zu, Elemente hoher Spannung eines Solarpaneels physisch zu lokalisieren, um Kosten zu senken.
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In einer beispielhaften Ausführungsform, wie z. B. die in 1 gezeigte, ist ein Ausgang des ratiometrischen Gleichstromwandlers 105 direkt mit einer stromempfangenden Einheit 103 verbunden. Wie oben kann das stromempfangende Element ein kombinierter MPPT/Wechselrichter wie z. B. ein Mikrowechselrichter sein. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist der MPPT mit dem Wechselrichter kombiniert, und der MPPT wandelt die Eingabe direkt in Wechselstrom um. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform (wie z. B. die in 2 gezeigte, die weiter unten beschrieben wird) ist der ratiometrische Gleichstromwandler mit den Solarstrom erzeugenden Elementen und dem stromempfangenden Element in Reihe geschaltet.
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Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist die MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung eine computergesteuerte Schaltung, die die Eingangsimpedanz zum ratiometrischen Gleichstromwandler mit einer festen Spannungsabgabe variiert. Der Ausgang des MPPT ist mit dem Wechselrichter verbunden, der den Strom dem Netz zuführt. Dies kann in einem Eins-zu-eins-Verhältnis erfolgen, oder mehrere Systeme können zu einem großen Wechselrichter parallel geschaltet sein, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen oder Kosten zu senken.
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Die in 1 gezeigte Schaltung wird verwendet, um die an das stromempfangende Element 103 angelegte Spannung dem festen Spannungsverhältnis des ratiometrischen Gleichstromwandlers 105 entsprechend zu modifizieren. Wie oben hervorgehoben, erzwingt ein ratiometrischer Gleichstromwandler ein festes Spannungsverhältnis zwischen seinem Eingang und Ausgang. Das heißt, die Spannungsabgabe des ratiometrischen Gleichstromwandlers ist ein Verhältniswert der Spannung in den ratiometrischen Gleichstromwandler hinein. Typische(Eingangs-/Ausgangs)-Spannungsverhältnisse kommerziell verfügbarer ratiometrischer Gleichstromwandler liegen im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 1:16. Die Spannungsabgabe der Schaltung, am Eingang des stromempfangenden Elements 103 gemessen, kann wie folgt berechnet werden: Vcells + Vcells·R, wobei R das Spannungsverhältnis des ratiometrischen Gleichstromwandlers ist. Vcells ist die Spannung, die vom Array von Solarzellen erzeugt wird. Ein ratiometrischer Gleichstromwandler mit einem (Eingangs-/Ausgangs)-Spannungsverhältnis von 1:2 hat beispielsweise einen R-Wert von 2. Der vom Array von Solarzellen erzeugte Strom wird umgekehrt proportional reduziert. Der Vorteil der in 1 gezeigten Schaltung ist zweifach. Erstens erlaubt die Verwendung des ratiometrischen Gleichstromwandlers mit den in Reihe geschalteten Solarstrom erzeugenden Elementen (wie in 1) den Entwurf eines Systems, in welchem die Spannung der in Reihe geschalteten Solarzellen an den akzeptablen Eingangsspannungsbereich des stromempfangenden Elements 103 angepasst (erhöht oder gesenkt) wird.
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Zweitens ist ein weiterer Vorteil der Schaltung von 1, dass aufgrund der ratiometrischen Eigenschaft des ratiometrischen Gleichstromwandlers die Fähigkeit, den Leistungspunkt des stromempfangenden Elements 103 zu verfolgen, gewährleistet ist (d. h., die Schaltungsabgabe variiert proportional zur Zellenabgabe). Dies ist in netzgekoppelten photovoltaischen Systemen, wo die Verfolgung des Punkts maximaler Leistung (MPP-Tracking) notwendig ist, um die optimale Stromübertragung zu gewährleisten, eine Anforderung.
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Es ist anzumerken, dass für den Flachpaneel-Solarmodulmarkt eine signifikante Menge nützlicher MPPT- und Leistungswechselrichtungstechnologie verfügbar geworden ist. Es ist wünschenswert, diese Technologie im konzentrierenden Photovoltaik-Sektor einsetzen zu können. Konzentrierende Systeme können andere Strom-Spannungs-Verhältnisse als Flachpaneel-Ausführungsformen vergleichbarer Größe aufweisen. In einigen konzentrierenden Ausführungsformen wird die Verwendung der Flachpaneel-Technologie durch Erhöhen des Spannungs-Strom-Verhältnisses erleichtert, um sich besser an Werte anzupassen, die für Flachpaneel-Solarmodule typisch sind.
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2 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem ein Array Solarstrom erzeugender Elemente 201 wie z. B. Solarzellen (z. B. konzentrierende Solarzellen) mit den Eingängen eines ratiometrischen Gleichstromwandlers 203 parallel geschaltet ist. Das Array ist zudem mit einer stromempfangenden Einheit 204 in Reihe geschaltet. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Ausgang der ratiometrischen Gleichstromwandlerschaltung direkt mit einer stromempfangenden Einheit 204 verbunden. Diese Konfiguration wird in 1 veranschaulicht, die oben beschrieben wurde. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform (in 2 gezeigt) ist der Ausgang des ratiometrischen Gleichstromwandlers 203 mit den Solarstrom erzeugenden Elementen 201 und der stromempfangenden Einheit 204 in Reihe geschaltet. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß schließt die stromempfangende Einheit 204 einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter ein.
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Wie in 2 gezeigt, schließt die stromempfangende Einheit 204 in diesem Beispiel einen MPP-Tracker (MPPT) und einen netzgekoppelten Wechselrichter ein. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist der MPPT mit dem Wechselrichter kombiniert, und der MPPT wandelt die Eingabe direkt in Wechselstrom um. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist die MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung eine computergesteuerte Schaltung, die die Eingangsimpedanz zum ratiometrischen Gleichstromwandler mit einer festen Spannungsabgabe variiert. Der Ausgang des MPPT ist mit dem Wechselrichter verbunden, der den Strom dem Netz zuführt. Dies kann in einem Eins-zu-eins-Verhältnis erfolgen, oder mehrere Systeme können zu einem großen Wechselrichter parallel geschaltet sein, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen oder Kosten zu senken.
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Die stromempfangende Einheit 204 ist außerdem über eine Verbindung 205 mit einem Wechselstromnetz verbunden. Die Verbindung 205 ist lediglich beispielsweise eine Drahtverbindung zu einem Stromnetz. Alternativ dazu kann die stromempfangende Einheit (über die Verbindung 205) mit einer Einheit verbunden sein, die mit Wechselstrom betrieben wird (wie z. B. eine Maschine oder ein Gerät), oder mit einem Steckverbinder (z. B. einer Steckdose), mit welcher eine mit Wechselstrom betriebene Einheit verbindbar ist. Ferner werden in der Schaltung Sicherungen 202 verwendet, wie in 2 gezeigt, um die Gesamtschaltung durch Isolieren einer ausgefallenen Einheit zu schützen.
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Die in 2 gezeigte Schaltung übernimmt die Vorteile einer parallel geschalteten Schaltung und weist den weiteren Vorteil auf, dass sie dem Eingang der stromempfangenden Einheit 204 ein höheres Spannungs-Strom-Verhältnis zuführt, das sonst zu niedrig sein könnte. Die Vorteile sind auch hier, dass die Schaltung den Entwurf eines Systems ermöglicht, in welchem die Spannung der Solarstrom erzeugenden Elemente 201 an den akzeptablen Eingangsspannungsbereich des stromempfangenden Elements 204 angepasst wird.
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3 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem ein Array Solarstrom erzeugender Elemente 301 wie z. B. Solarzellen (z. B. konzentrierende Solarzellen) in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit dem Eingang von ratiometrischen Gleichstromwandlern 302 direkt verbunden sind. Die Ausgänge der ratiometrischen Gleichstromwandler 302 sind mit dem Eingang einer stromempfangenden Einheit 304 parallel geschaltet. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß schließt die stromempfangende Einheit 304 einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter ein.
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Wie in 3 gezeigt, schließt die stromempfangende Einheit 304 in diesem Beispiel einen MPP-Tracker (MPPT) und einen netzgekoppelten Wechselrichter ein. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist der MPPT mit dem Wechselrichter kombiniert, und der MPPT wandelt die Eingabe direkt in Wechselstrom um. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist die MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung eine computergesteuerte Schaltung, die die Eingangsimpedanz zum ratiometrischen Gleichstromwandler mit einer festen Spannungsabgabe variiert. Der Ausgang des MPPT ist mit dem Wechselrichter verbunden, der den Strom dem Netz zuführt. Dies kann in einem Eins-zu-eins-Verhältnis erfolgen, oder mehrere Systeme können zu einem großen Wechselrichter parallel geschaltet sein, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen oder Kosten zu senken.
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Die stromempfangende Einheit 304 ist außerdem über eine Verbindung 303 mit einem Wechselstromnetz verbunden. Die Verbindung 303 ist lediglich beispielsweise eine Drahtverbindung zu dem Stromnetz. Alternativ dazu kann die stromempfangende Einheit (über die Verbindung 303) mit einer Einheit verbunden sein, die mit Wechselstrom betrieben wird (wie z. B. eine Maschine oder ein Gerät), oder mit einem Steckverbinder (z. B. einer Steckdose), mit welcher eine mit Wechselstrom betriebene Einheit verbindbar ist. Ferner werden in der Schaltung Sicherungen 305 verwendet, wie in 3 gezeigt, um die Gesamtschaltung durch Isolieren einer ausgefallenen Einheit zu schützen.
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Die in 3 gezeigte Schaltung verwendet demnach (im Vergleich zum Beispiel mit der Schaltung, die in 2 gezeigt wird) mehrere ratiometrische Gleichstromwandler. In einer beispielhaften Ausführungsform ist lediglich beispielsweise ein ratiometrischer Gleichstromwandler pro Solarstrom erzeugendes Element 301 vorhanden. Siehe 3. Statt einen ratiometrischen Gleichstromwandler für jedes Solarstrom erzeugende Element 301 zu verwenden, kann auf gleiche Weise ein ratiometrischer Gleichstromwandler für jede der mehreren Gruppen Solarstrom erzeugender Elemente verwendet werden. Durch Kombinieren der in 2 und 3 gezeigten Konfigurationen kann lediglich beispielsweise eine Gruppe Solarstrom erzeugender Elemente mit einem ratiometrischen Gleichstromwandler verbunden werden, wie in 2 gezeigt. Mehrere Gruppen (wobei jede Gruppe mit ihrem eigenen ratiometrischen Gleichstromwandler verbunden ist) werden dann mit der stromempfangenden Einheit parallel geschaltet, wie in 3 gezeigt. Im einfachsten Fall beruhen die Gruppierungen auf Kostenüberlegungen. Wenn zum Beispiel eine Zahl von x Zellen vorhanden ist und aus Budget- und Kostengründen eine Zahl von y ratiometrischen Verstärkungsschaltungen pro ratiometrischen Gleichstromwandler vorhanden ist, ist das Ergebnis eine Zahl von x/y Gruppierungen.
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Die in 3 gezeigte Schaltung übernimmt die Vorteile aller parallel geschalteten Schaltungen, die oben beschrieben wurden, und ermöglicht außerdem eine Flexibilität in der Komponentenwahl, indem sie leistungsärmere Versionen des ratiometrischen Gleichstromwandlers verwendet, da jeder ratiometrische Gleichstromwandler die Abgabe eines einzelnen Solarstrom erzeugenden Elements oder einer Gruppe Solarstrom erzeugender Elemente handhabt, statt die des ganzen Arrays. Leistungsärmere Versionen des ratiometrischen Gleichstromwandlers sind kostengünstiger, was vorteilhaft ist.
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Jede der oben gezeigten Schaltungen, in welchen ein ratiometrischer Gleichstromwandler im Stromweg angeordnet ist, verbraucht einen Teil des von den Zellen erzeugten Stroms, was auf den Wirkungsgrad der Umwandlung zurückzuführen ist. Dieser beträgt typischerweise 95%. Mit anderen Worten, die vorgenannten Vorteile „kosten” 5% des durchfließenden Stroms.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform, die dieses Manko angeht, wird in 4 gezeigt. 4 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem eine Vielzahl von Solarstrom erzeugenden Elementen 401 wie z. B. Solarzellen (z. B. konzentrierende Solarzellen) mit einer stromempfangenden Einheit 403 in Reihe geschaltet sind. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß schließt die stromempfangende Einheit 403 einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter ein. Der Ausgang jedes der in Reihe geschalteten Solarstrom erzeugenden Elemente 401 ist außerdem in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit den Eingängen von ratiometrischen Gleichstromwandlern 405 verbunden.
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Wie in 4 gezeigt, schließt die stromempfangende Einheit 403 in diesem Beispiel einen MPP-Tracker (MPPT) und einen netzgekoppelten Wechselrichter ein. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist der MPPT mit dem Wechselrichter kombiniert, und der MPPT wandelt die Eingabe direkt in Wechselstrom um. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist die MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung eine computergesteuerte Schaltung, die die Eingangsimpedanz zum ratiometrischen Gleichstromwandler mit einer festen Spannungsabgabe variiert. Der Ausgang des MPPT ist mit dem Wechselrichter verbunden, der den Strom dem Netz zuführt. Dies kann in einem Eins-zu-eins-Verhältnis erfolgen, oder mehrere Systeme können zu einem großen Wechselrichter parallel geschaltet sein, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen oder Kosten zu senken.
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Die stromempfangende Einheit 403 ist außerdem über eine Verbindung 404 mit einem Wechselstromnetz verbunden. Die Verbindung 404 ist lediglich beispielsweise eine Drahtverbindung zu einem Stromnetz. Alternativ dazu kann die stromempfangende Einheit (über die Verbindung 404) mit einer Einheit verbunden sein, die mit Wechselstrom betrieben wird (wie z. B. eine Maschine oder ein Gerät), oder mit einem Steckverbinder (z. B. einer Steckdose), mit welcher eine mit Wechselstrom betriebene Einheit verbindbar ist. Wie in 4 gezeigt, werden zudem Dioden 402 in der Schaltung verwendet. Wie oben beschrieben, stellt die Verwendung von Dioden 402 sicher, dass Strom fließen kann, selbst wenn eines oder mehrere der Solarstrom erzeugenden Elemente 401 nicht mehr funktionieren.
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Die Ausgänge der ratiometrischen Gleichstromwandler 405 sind parallel geschaltet und dadurch auf eine gemeinsame Schwebespannung eingeschränkt. Die Ausdrücke ”schweben” und ”Schwebespannung”, wie hierin verwendet, beziehen sich auf das Konzept, dass es den Solarstrom erzeugenden Elementen in dem Array möglich ist, sich auf einen durchschnittlichen Abgabewert auszugleichen, (d. h., der Strom von Solarstrom erzeugenden Elementen in dem Array mit zu hoher Leistung wird zu Solarstrom erzeugenden Elementen in dem Array mit zu geringer Leistung abgeleitet, um einen durchschnittlichen Abgabewert zu erreichen. Indem die Abgaben der ratiometrischen Gleichstromwandler 405 auf eine gemeinsame Spannung eingeschränkt werden, werden auch die Spannungen der einzelnen Solarstrom erzeugenden Elemente auf eine gemeinsame (durchschnittliche) Spannung eingeschränkt. Dadurch wird eine Eingangsspannung zu den ratiometrischen Gleichstromwandlern 405 auf einen gemeinsamen Wert eingeschränkt. Falls ein Solarstrom erzeugendes Einzelelement zu wenig Strom erzeugt, wird Strom aus den anderen Solarstrom erzeugenden Elementen durch die ratiometrischen Gleichstromwandler 405 an den Ausgang dieses Solarstrom erzeugenden Einzelelements mit unterdurchschnittlicher Leistung angelegt. Falls ein Solarstrom erzeugendes Element überdurchschnittlich viel Strom erzeugt, wird sein Strom zu benachbarten, weniger Strom erzeugenden Solarstrom erzeugenden Elementen abgeleitet. Dadurch wird der Strom ausgeglichen. Im Unterschied zu den obigen Ausführungsformen wird die Strommenge, die durch die ratiometrischen Gleichstromwandler fließt, auf die Differenz des Stroms eines Solarstrom erzeugenden Elements zu einem Durchschnittswert begrenzt. Diese ist viel kleiner als in den obigen Ausführungsformen, in welchen der Strom aller Solarstrom erzeugenden Elemente durch die ratiometrischen Gleichstromwandler floss (z. B. entspricht in dieser Ausführungsform die Strommenge, die durch jeden der ratiometrischen Gleichstromwandler fließt, nur etwa 2 Prozent bis etwa 20 Prozent des Stroms, der durch die ratiometrischen Gleichstromwandler in den zuvor beschriebenen Beispielen fließt). Daher weist die Schaltung von 4 den Vorteil auf, dass die Strommenge, die durch die ratiometrischen Gleichstromwandler 405 fließt, klein ist, und der Wirkungsgrad des ratiometrischen Gleichstromwandlers führt zu einem geringeren Leistungsverlust als in den obigen Ausführungsformen.
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5 veranschaulicht eine Weiterentwicklung der Ausführungsform von 4. Das heißt, 5 ist ein Schaltbild eines photovoltaischen Systems, in welchem Gruppen (in diesem Beispiel Vierergruppen) von Solarstrom erzeugenden Elementen 501 wie z. B. Solarzellen (z. B. konzentrierende Solarzellen) parallel geschaltet sind und die Gruppen außerdem mit einer stromempfangenden Einheit 506 in Reihe geschaltet sind. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß schließt die stromempfangende Einheit 506 einen handelsüblichen netzgekoppelten Leistungswechselrichter oder Mikrowechselrichter ein.
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Wie in 5 gezeigt, schließt die stromempfangende Einheit 506 in diesem Beispiel einen MPP-Tracker (MPPT) und einen Wechselrichter ein. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist der MPPT mit dem Wechselrichter kombiniert, und der MPPT wandelt die Eingabe direkt in Wechselstrom um. Einer beispielhaften Ausführungsform gemäß ist die MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung eine computergesteuerte Schaltung, die die Eingangsimpedanz zum ratiometrischen Gleichstromwandler mit einer festen Spannungsabgabe variiert. Der Ausgang des MPPT ist mit dem Wechselrichter verbunden. Dies kann in einem Eins-zu-eins-Verhältnis erfolgen, oder mehrere Systeme können zu einem großen Wechselrichter parallel geschaltet sein, um einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen oder Kosten zu senken.
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Wie in 5 gezeigt, sind die einzelnen Gruppen Solarstrom erzeugender Elemente 501 mit einer ratiometrischen Wandlerschaltung (einer ratiometrischen Glättungsschaltung) verbunden, die diskrete Schaltungskomponenten aufweist. Die ratiometrische Wandlerschaltung schließt in diesem Beispiel einen Transformator und andere diskrete Schaltungskomponenten ein. Wie dem Fachmann bekannt, überträgt ein Transformator durch induktiv gekoppelte Leiter oder Spulen Strom von einem Stromkreis zu einem anderen. Diese Spulen werden oft Primär- und Sekundärwicklungen genannt. Wie in 5 gezeigt, kann der Transformator z. B. mehrere Primärwicklungen enthalten, wobei jede der Primärwicklungen mit der Sekundärwicklung als ratiometrischer Wechselstromkreis wirkt. Mit anderen Schaltungselementen kombiniert wird eine ratiometrische Gleichstromumwandlung durchgeführt. Dies hat also die gleiche Wirkung wie die in 4 gezeigte Schaltung, wo mehrere ratiometrische Gleichstromwandler in einer Eins-zu-eins-Beziehung mit den stromerzeugenden Elementen (oder Gruppen der stromerzeugenden Elemente) verwendet werden. Außerdem sind in dieser Konfiguration die Ausgänge der ratiometrischen Wandlerschaltung so gekoppelt, dass eine Eingangsspannung der ratiometrischen Wandlerschaltung auf einen gemeinsamen Wert eingeschränkt wird.
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In der Schaltungskonfiguration, die in 5 gezeigt wird, wird ein Oszillator 505 (z. B. ein programmierbarer Wechselstromtreiber) verwendet, um den Transformator zu erregen. Der in 5 gezeigte Oszillator kann auf eine bestimmte Frequenz und Amplitude eingestellt sein. Dies führt zu einer ähnlichen Arbeitsweise wie bei der in 4 gezeigten Schaltung, d. h., der Oszillator 505 kann dem Stromnetz Strom zuführen. Alternativ dazu kann der Oszillator der ratiometrischen Wandlerschaltung durch die MPPT-Schaltung angesteuert werden, um dem Wechselrichter einen geglätteten Gleichstrom zuzuführen.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform, die in 5 gezeigt wird, werden Kosteneinsparungen erreicht, indem komplizierte integrierte Schaltungen durch Schaltungen mit einfachen diskreten Schaltungskomponenten ersetzt werden und Zellen parallel gruppiert werden. In der in 5 gezeigten Schaltung sind die einzelnen Gruppen Solarstrom erzeugender Elemente 501 durch Schottky-Dioden 502 mit dem Transformator mit mehreren Anzapfungen verbunden. Über den Solarstrom erzeugenden Elementen werden Kondensatoren 503 gezeigt, um die Welligkeit in der Schaltung zu reduzieren. Der Transformator wird mit einem programmierbaren Wechselstromtreiber (Oszillator) 505 erregt, der (wie oben beschrieben) vom MPPT-System angesteuert wird oder auf eine feste Frequenz und Amplitude eingeschränkt ist. Die gezeigte Schaltung führt den Ausgleich der Solarstrom erzeugenden Elemente auf gleiche Weise durch wie die in 4 gezeigt Schaltung, veranschaulicht aber eine wirtschaftlichere Ausführungsform.
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Auf der Grundlage der beispielhaften Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, ist 6 ein Schaubild, das ein beispielhaftes Verfahren 600 zur Übertragung von elektrischem Strom aus einem Array Solarstrom erzeugender Elemente zu einer stromempfangenden Einheit veranschaulicht. Wie oben beschrieben, schließt das Array Solarstrom erzeugender Elemente eine Vielzahl von Solarstrom erzeugenden Elementen ein, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Wie ebenfalls oben beschrieben, kann die stromempfangende Einheit einen Wechselrichter einschließen, der mit einer MPP-Tracker(MPPT)-Schaltung verbunden ist. Diese MPPT/Wechselrichter-Konfiguration wurde oben im Detail beschrieben.
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In Schritt 602 wird mindestens ein ratiometrischer Gleichstromwandler sowohl mit dem Array Solarstrom erzeugender Elemente als auch mit der stromempfangenden Einheit verbunden. Der (die) ratiometrische(n) Gleichstromwandler ist/sind so konfiguriert, dass er (sie) eine Spannungsabgabe aus dem Array Solarstrom erzeugender Elemente ändert (ändern) (erhöht (erhöhen)/verringert (verringern)). Siehe die obige Beschreibung. Wie in 6 gezeigt, kann der Schritt 602 auf eine von mehreren verschiedenen Weisen durchgeführt werden.
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Schritt 602 kann lediglich beispielsweise durch Verbinden des Arrays Solarstrom erzeugender Elemente mit einem Eingang mindestens eines ratiometrischen Gleichstromwandlers (Schritt 602a); und Verbinden eines Ausgangs des mindestens einen ratiometrischen Gleichstromwandlers mit der stromempfangenden Einheit (Schritt 602b) durchgeführt werden. Dies entspricht zum Beispiel der in 1 gezeigten beispielhaften Systemkonfiguration, die oben beschrieben wurde.
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Alternativ dazu kann Schritt 602 durch Verbinden des Arrays Solarstrom erzeugender Elemente sowohl mit dem mindestens einen ratiometrischen Gleichstromwandler als auch mit der stromempfangenden Einheit derart durchgeführt werden, dass das Array Solarstrom erzeugender Elemente mit einem Eingang des mindestens einen ratiometrischen Gleichstromwandlers verbunden ist und ein Ausgang des mindestens einen ratiometrischen Gleichstromwandlers mit der stromempfangenden Einheit verbunden ist, in Reihe mit dem Array Solarstrom erzeugender Elemente (Schritt 602c). Dies entspricht zum Beispiel der in 2 gezeigten beispielhaften Systemkonfiguration, die oben beschrieben wurde.
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Alternativ dazu können mehrere ratiometrische Gleichstromwandler verwendet werden, wie oben beschrieben. In diesem Fall kann Schritt 602 durch Verbinden jedes der Solarstrom erzeugenden Elemente in dem Array mit einem der ratiometrischen Gleichstromwandler in einer Eins-zu-eins-Beziehung (Schritt 602d); und Verbinden der parallel geschalteten Ausgänge der ratiometrischen Gleichstromwandler mit der stromempfangenden Einheit durchgeführt werden (Schritt 602e). Dies entspricht zum Beispiel den in 3 gezeigten beispielhaften Systemkonfigurationen, die oben beschrieben wurden.
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Alternativ dazu können mehrere ratiometrische Gleichstromwandler verwendet werden, wie oben beschrieben. In diesem Fall kann Schritt 602 durch Verbinden jedes der Solarstrom erzeugenden Elemente in dem Array mit einem der ratiometrischen Gleichstromwandler in einer Eins-zu-eins-Beziehung (Schritt 602f); und paralleles Verbinden der Ausgänge der ratiometrischen Gleichstromwandler oder indem die Ausgänge auf andere Weise auf eine gemeinsame Spannung und/oder einen gemeinsamen Strom eingeschränkt werden, durchgeführt werden (Schritt 602g). Dies entspricht zum Beispiel den in 4 und 5 gezeigten beispielhaften Systemkonfigurationen, die oben beschrieben wurden.
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Wie oben angegeben, passt der MPP-Tracker (MPPT) (wie hierin verwendet) seine Eingangsimpedanz an, um in Reihe/parallel geschalteten Solarzellen die Arbeit bei der Spannung und dem Strom zu ermöglichen, der die maximale Leistungsübertragung erzeugt. Dies lässt sich auf 7 Bezug nehmend besser verstehen. 7 ist ein Graph 700, der das Verhalten der Leistungsabgabe als Funktion der Spannung für zwei Photovoltaikelemente veranschaulicht. Das heißt, der Graph 700 zeigt eine Kurve der Leistung gegenüber der Spannung für zwei photovoltaische Einheiten 701 und 702 unter Sonnenlicht. Wie in 7 zu sehen ist, gibt es eine Spannung, bei der die Leistung ein Maximum hat (d. h., ein Punkt maximaler Leistung) (jeweils die Punkte 703 und 704). Der MPP-Tracker lokalisiert den Punkt maximaler Leistung und hält die Eingangsimpedanz auf der Spannung bei dem Punkt maximaler Leistung.
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Mit den vorliegenden Techniken kann eine erhebliche Verbesserung im Systemwirkungsgrad erreicht werden. Die Verwendung einer der oben beschriebenen Konfigurationen kann lediglich beispielsweise zu einer Verbesserung des Systemwirkungsgrads um mindestens 10% führen, bei einem Verlust von etwa 1%, der auf den Stromverbrauch des Gleichstromwandlers zurückzuführen ist. Der resultierende Nettogewinn ist daher 9%, was eine erhebliche Einsparung darstellt.
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Auch wenn hierin veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf diese speziellen Ausführungsformen begrenzt, und dass von einem Fachmann verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
