DE19701897A1 - Solarstromversorgung für Kleingeräte - Google Patents

Description

Elektrische und elektronische Kleingeräte sind meist mit einem Akku ausgestattet um Netzunabhängigkeit zu garantieren. Nicht immer ist es möglich, den Akku über ein Ladegerät nachzuladen.

Als Ausweg bietet sich die Nachladung durch die Photovoltaik, sogenannte Solarzellen.

Dabei ist es üblich den elektrischen Strom aus den Solarzellen (1.1) über ein Ladegerät in die Akkus einzuspeisen. Da die Spannung einer einzigen Silizium Solarzelle, 0.6 V nicht überschreitet, müssen genügend Solarzellen (1.1 bis 1.36) hintereinander geschaltet werden und zu einem Solarmodul (2) weiterverarbeitet werden, bis die Spannung des Solarmoduls die Akkuspannung (18) überschreitet, damit noch Strom in den Akku fließen kann. Ist der Akku voll, schließt das Ladegerät (Shuntregler) den Solargenerator kurz.

Eine andere Alternative ist, als Ladegerät einen DC-Wandler zu benutzen, der dann die Solarspannung auf das Niveau der Batterie anpaßt (Maximum Powerpoint Ladegeräte). Hierbei darf die Spannung des Solargenerators etwas über oder unterhalb des Akkus liegen, ist aber aus Gründen der Effektivität immer nahezu die Akkuspannung.

Bei Kleingeräten werden dann, gemäß dem Bedarf an elektrischen Strom kleinere Solarzellen gewählt, die dann wieder hintereinander geschaltet werden. Bei 12 V Akkuspannung wählt man erfahrungsgemäß 36 Zellen um in jedem Fall die Akkuspannung zu überschreiten.

Die Solarzellen müssen auf dem Träger (2) verdrahtet werden (gelötet) wobei aus Verarbeitungsgründen ein Abstand zwischen den einzelnen Zellen einzuhalten ist. Dies vergrößert die nutzbare Fläche wesentlich, was bei Kleingeräten von Nachteil ist, da sowieso wenig Platz vorhanden ist. Der Flächenwirkungsgrad reduziert sich. Das Verlöten von 36 Zellen ist sehr arbeitsintensiv, da bei kleinen Stückzahlen Produktionsmaschinen nicht vorhanden sind.

Die Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit ist aufgrund der vielen Lötungen reduziert.

Die Optimierung der Solarzellen auf einem Solarmodul muß hinsichtlich der benötigten Akkuspannung geschehen, so daß wegen der hohen Zellenanzahl sehr bald eine untere Grenze für die Größe eines Solarmodules erreicht ist, da Solarzellen nicht beliebig klein gemacht werden können.

Während des Betriebes wird elektrischer Strom nicht voll genutzt, da sich die Solarspannung bei sehr hohen Temperaturen sowie bei geringer Einstrahlung unterhalb der Batteriespannung bewegt. In kalten Jahreszeiten ist die Solarspannung weit über der Batteriespannung, so daß durch Fehlanpassung Verluste entstehen. Zwar gleichen MPP-Solarladeregler dies wieder aus, diese sind aber bei kleinen Solarleistungen preislich nicht angemessen.

Im vorliegenden Fall der Erfindung wurde auf eine Reihen­ schaltung bis hin zur benötigten Akkuspannung verzichtet und dafür aber größere Solarzellen (3.1 bis 3.9) gewählt, um die benötigte Gesamtleistung zu erhalten. Die in Reihe geschalteten Solarzellen (3.1 bis 3.9) ergeben nun eine wesentlich geringere Spannung des Solarmodules (4). Im Beispiel 4.5 V. Die Solarspannung des Solargenerators (4) wird schließlich über einen DC-Wandler (19) auf das Akkuniveau (18) hochtrans­ formiert.

Zur Ansteuerung von DC-Wandlern gibt es im Handel bereits Integrierte Schaltungen (8), die mit Wirkungsgrad bis 80% arbeiten. Auch bei kleinen Leistungen ist der Wirkungsgrad durch Verwendung der Kombination aus Pulsweitenmodulation (PWM) für hohe Leistungen und Pulsfrequenzmodulation (PFM) für kleine Leistungen, noch ausreichend.

Der Steuerbaustein (MAX771) gibt ein PWM/PFM-Steuersignal an den MOSFET (15) und bewirkt bei Steuerspannung ein Durchschalten des MOSFET, und somit einen ansteigenden Stromfluß durch die Drossel (7). Bei 0 V Steuerspannung steigt die Spannung am Drain des MOSFET (15) auf das Akkuniveau plus Durchlaßspannung der Diode (16) an. Über den Rückkoppeleingang FB wird die Akkuspannung geregelt. Die Widerstände (9, 10, 12) und der Kollektor-Emitter­ widerstand des Transistors (11) bilden den Spannungsteiler zur Einstellung der Ladeendspannung (Uo) des Akkus (18). Gleich­ zeitig muß aber auch die Solarspannung (Ui) auf einen festen Wert geregelt werden, da sonst durch ein Abdriften der Solarspannung auf der Kennlinie des Solargenerators, Fehlanpassung und dadurch Verluste auftreten.

Der Wert von Ui wird durch den Spannungsteiler (13, 14) eingestellt, wobei der Gegenkopplungswiderstand (12) zur Temperaturkompensation des Transistors (11) dient.

Im vorliegenden Fall wird der Solargenerator auf einen festen Wert Ui eingestellt. Da sich jedoch die Spannung des Solargenerators (4) sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, kann Ui durch einen Temperaturfühler als PTC anstelle von Widerstand (14) oder als NTC anstelle von Widerstand (13) so verändert werden, daß die Solarspannung Ui bei hohen Temperaturen nach unten geregelt wird.

Daraus ergibt sich eine Nachführung der Solarspannung, hin zum Maximum Powerpoint (MPP). Der Gewinn daraus von ca. 10-30% an Solarleistung überkompensiert die Verluste durch den Wirkungsgrad des DC-Wandlers. Der Temperaturfühlerwiderstand wird direkt auf dem Solarmodul (4) thermisch gekoppelt, angebracht.

Eine weitere Möglichkeit der MPP-Regelung von Ui besteht darin, periodisch, beispielsweise alle 15-30 Sekunden, die Leerlaufspannung des Solargenerators (4) zu messen und Ui auf 80%
der Leerlaufspannung einzustellen. Dadurch wird der Mpp auch während der Dämmerung erhalten, unabhängig von der Solarzellentemperatur. Nach Zeichnung 4 geschieht das dadurch, daß ein Timer (23) alle 30 Sekunden MOSFET (21) für vt=0.2 s ein­ schaltet und Kondensator (22) über einen Widerstand auflädt. Über den Hochpaß (26) und MOSFET (24) wird der Kondensator (22) vorher entladen, so daß zu dessen Aufladung eine konstante Startbe­ dingung herrscht. Der Widerstand (25) zusammen mit dem Innen­ widerstand von MOSFET (20), ersetzen den Teilerwiderstand (14) des Solarspannungsteilers (26), wobei sich der Innenwiderstand des MOSFETs (20) umgekehrt proportional zur Gatespannung am Kondensator (22) verhält. Je kleiner aber Widerstand (14) ist, umso höher steigt die Solarspannung an, so daß bei größerer Leer­ laufspannung auch die Solarnennspannung steigt. Der Gegen­ kopplungswiderstand (25) dient einerseits zur Temperaturkompen­ sation des MOSFETs (20) und andererseits auch zur Einstellung der Höhe der Solarnennspannung (Ui) im MPP-Betrieb im Verhältnis zur Solarnennspannung (Ui) im Leerlauf-Betrieb.

Zur periodischen Umschaltung auf Leerlauf-Betrieb kann der Steuereingang SHDN im Steuerbaustein mit dem Timer verbunden werden.

Zur Ansteuerung über einer kontinuierliche PWM, z. B. aus einem Mikrokontroller, genügt es, wenn anstelle des Teilerwiderstandes (14), die Kombination MOSFET (28), Widerstand (30) und Kondensator (29) gewählt wird, die zusammen wie ein Widerstand wirken, dessen Wert durch eine PWM am Gate des MOSFET verändert werden kann. Die Vorteile der oben beschriebenen Erfindung zeigen sich dadurch, daß nun weniger Solarzellen verwendet werden müssen.

Die Solarzellen können größer sein und müssen nicht vorher zersägt werden.

Weniger Verdrahtung und weniger Lötungen sind auf dem Modul zu machen. Die nutzbare Fläche des Moduls ist wesentlich größer und damit das Modul bezogen auf die Leistung kleiner.

Die reduzierten Verarbeitungsschritte in der Modulfertigung erhöhen die Funktionssicherheit und reduzieren den Preis um bis zu 50%.

Der DC-Wandler kann als Ladegerät mitgenutzt werden, so daß kaum mehr Aufwand für die Elektronik zu leisten ist. Im DC-Wandler kann leicht eine MPP-Regelung integriert werden (z. B. üb. Temperatursensor am Modul, oder periodische Messung der Leerlaufspannung), so daß eine optimale Anpassung an die Solarnennspannung sogar bei hohen Temperaturen und in der Dämmerung möglich ist.

Claims (10)

1. Solarstromversorgung mit einem Solarmodul, das aus einer oder mehreren hintereinandergeschalteten Solarzellen besteht,
sowie einem Verbraucher/Akku,
und einem DC-Wandler zur Anpassung der Solarnennspannung an die Verbraucherspannung/Ladeendspannung,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Solarmodul aus möglichst wenig und dafür entsprechend Einzelzellen größerer Leistung aufgebaut wird und
daß die Solarnennspannung des aus Einzelzellen aufgebauten Solarmodules wesentlich geringer gewählt wird als die Verbraucher/Akkuspannung.

2. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarnennspannung des Solarmodules über einen DC-Aufwärtswandler an den Verbraucher/Akku angepaßt wird.

3. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarnennspannung des Solarmodules über einen Sperrwandler mit Trafo an den Verbraucher/Akku angepaßt wird.

4. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Arbeitspunkt des Solarmodules über einen Spannungsmeßfühler (Solarspannungsteiler) gemessen und fest eingestellt wird.

5. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem im Emitterkreis gegengekoppelten Transistor (MOSFET), der Ausgangsspannungsregelung (Ladeendspannung) eine Eingangsspannungsregelung (Solarspannung) überlagert wird, wobei der Transistor in Serie zu einem der Teilerwiderstände des Feedbackkreises angeordnet ist und der Basisspannungsteiler (Solarspannungsteiler) des Transistors die Solarspannung regelt.

6. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Arbeitspunkt des Solarmodules über einen Temperatursensor (PTC/NTC), der thermisch gekoppelt am Solar­ modul befestigt ist, in Abhängigkeit von der Solarmodul­ temperatur eingestellt wird. Wobei der PTC/NTC anstelle des unteren/oberen Solarspannungsteilerwiderstandes eingesetzt wird.

7. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Arbeitspunkt des Solarmodules periodisch anhand der momentanen Leerlaufspannung ermittelt wird.

8. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlaufspannung des Solargenerators über Schalter, die Kapazität am Gate eines im Sourcekreis gegengekoppelten MOSFET, ab einer vorher definierten Spannung auflädt.

9. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET nach Patentanspruch 8 anstelle des ent­ sprechenden Solarspannungsteilerwiderstandes eingesetzt wird.

10. Solarstromversorgung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum unteren/oberen Teil des Solarspannungs­ teilers ein N-Kanal MOSFFT/P-Kanal MOSFET geschaltet ist und ein Kondensator vom Spannungsteilerknoten nach Masse/Ui, wobei der MOSFET durch eine pulsweitenmodulierte Spannung gesteuert wird.