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Optimalregler Die Erfindung betrifft einen Regler zur Optimierung
der von einem Solarzellengenerator an einen Uber zwei Speicher mit dem Solarzellengenerator
verbundenen Verbraucher abzugebenden Leistung.
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In Verbindung mit Satelliten oder Weltraumsonden verwendete Solarzellengeneratoren
dienen zur Energieversorgung von elektrischen Systemen der Raumfahrzeuge, wobei
im allgemeinen zwischen Solarzellengenerator und die elektrischen Systeme eine Pufferbatterie
geschaltet ist. Da die von dem Solarzellengenerator
abgegebene
Leistung proportional der Energiezufuhr ist, und diese in Abhängigkeit beispielsweise
des Einfallwinkels der auf die Solarzellen auftreffenden Lichtstrahlung, des Abstandes
der Solarzellen von der Sonne und der Temperatur schwankt, und die Solarzellengeneratoren
auch wegen des beschränkt zur VerfElgung stehenden Stauraumes der Raumfahrzeuge
nicht beliebig groß ausgelegt werden können, muß die Jeweils abgegebene Leistung
möglichst mit optimalem Wirkungsgrad an die elektrischen Systeme geliefert werden.
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Es ist bekannt, zwischen Solarzellengenerator und Verbraucher bzw.
Pufferbatterle einen Regler zu schalten, der eine Impedanzanpassung zwischen Solarzellengenerator
und Verbraucher derart bewirkte da3 die el.ektrische Leistung stets mit dem maximalen
Wirkungsgrad uebertragen wird; vgl.
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DOS 1 515 195 und DOS 1 804 i3o Diese bekannten Regler gehen davon
aus, daß der Arbeitspunkt des Solarzellengenerators durch eine Schaltlogik nach
einem vorbestimmten Gesetz geringfugig verändert wird und die Richtung der Verschiebung
in Abhangigkeit von der Stromspannungs-Kennlinie des Solarzellengenerators zur Bestimmung
der maximalen Ausgangsleistung herangezogen wird; vgl. auch STEINBUCH, Taschenbuch
der Naehricbtenverarbeitung, Springer Verlag, 1962, Seiten 960, 961.
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Bei den bekannten Optimalreglern ist es notwendig, entweder die Jeweils
dem Solarzellengenerator entnommene Leistung zu messen und zu differenzieren, um
auf diese Weise den optimalen Arbeitsptmkt zu erhalten, oder es mUssen sowohl Spannung
und Strom des Solarzellengenerators im Wechsel gemessen werden, wobei dann eine
Logik Uber einen Stellgenerator den Solarzellengenerator zu dem Punkt maximaler
Leistung bringt, Ein Nachteil dieser Regler ist die verhältnismäßig träge
Ansprechempfindlichkeit,
die beim Zuschalten einer Last von seiten eines Verbrauchers zu schwer ausregelbaren
Instabilltäten uhren kann.
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Unter Berücksichtigung des oben erwähnten Solarzellengenerators mit
einer Anordnung zur Optimierung der über zwei Speicher an einen Verbraucher abgegebenen
Leistung ist es Aufgabe der Erfindung, einen sich durch besondere Einfachheit auszeichnenden,
mit geringem elektronischen Aufwand zu realisierenden und schnell ansprechenden
Optimalregler anzugeben, der die erwähnten Nachteile der bekannten Optimalregler
nicht aufweist.
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Ausgehend von der Erkenntnis, daß das Verhältnis zwischen dem Strom
des Solarzellengenerators im Arbeitspunkt maximaler Leistung und dem Kurzschlußstrom
des Solarzellengenerators sowohl bei Variation des Lichteinfallwinkels als auch
bei Variation der Betriebstemperatur bei nicht degradierten und degradierten Sonnenzellen
Uber einen großen Bereich annähernd konstant ist, ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß der Regler ein Festwertregler ist, der in Abhängigkeit des mit
einem aus dem Solarzellengenerator gewonnenen Kurzschlußstrom verglichenen Stromes
des Solarzellengenerators die Speicher entweder elektrisch trennt oder verbindet.
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Gemäß der Erfindung wird es demnach erreicht, durch eine einfache
schnellansprechende Zweipunktregelung des Solarzellengeneratorstromes in Abhängigkeit
des Kurzschlußstromes die von dem Solarzellengenerator abgegebene Leistung stets
maximal zu halten.
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Da ein Solarzellengenerator aus einzelnen Solarzellen besteht, die
jede für sich die gleiche Systemcharakteristik wie der Solarzellengenerator aufweisen,
trennt oder schließt der Regler gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung
die
elektrische Verbindung der beiden Speicher in Abhängigkeit des Kurzschlußstromes
einer dem Solarzellengenerator zugehörigen niederohmig Uberbrückten Testzelle.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen
zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Schaltung zur Regelung der Leistungsabgabe
eines Solarzellengenerators, Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
des Reglers gemäß der Erfindung, Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des
Verhältnisses V zwischen dem Solarzellengeneratorstrom am Arbeitspunkt maximaler
Leistung und dem Kurzschlußstrom In Abhängigkeit von dem Einfallwinkel des auf den
Solarzellengenerator treffenden Lichtes, Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung
des Verhältnisses V in Abhängigkeit der Betriebstemperatur des Solarzellengenerators
für nicht degradierte und degradierte Solarzellen, Wie die Figuren 1 und 2 zeigen,
sind die Ausgänge eines Solarzellengenerators 1, der aus einer Vielzahl von Solarzellen
besteht, über zwei durch einen elektronischen Schalter 2 getrennte Speicher, einen
Kondensator 3 bzw. einen Kondensator 4 und Drossel 5, mit einer an Ausgangsklemmen
6 und 7 liegenden, hier nicht gezeigte Pufferbatterie verbunden, die ihrerseits
mit einem ebenfalls nicht gezeigten Verbraucher in Serie geschaltet ist, Um einen
Ladungsausgleich zwischen den zwei Speichern 3 bzw. 4, 5 zu verhindern, ist p arallel
zu diesen in Sperrichtung ein elektrisches Ventll, z.B. eine Diode 8 geschaltet.
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Eine an dem Widerstand R1 abfallende Spannung wird auf den einen Eingang
eines Komparators, beispielsweise eines Differenzverstärkers 12 geschaltet, während
an dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 12 die Spannung einer durch einen
Widerstand R2 niederohmig kurzgeschlossenen Testzelle 14 liegt; der Ubersichtlichkeit
halber sind die zur Regelung notwendigen Rückführungen des Differenzverstärkers
in der Figur 1 nicht gezeigt.
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Befindet sich der Solarzellengenerator im Arbeitspunkt der maximalen
Leistung, dann sollen an beiden Eingängen des Differenzverstärkers 11 die gleichen
Spannungen liegen. Aus der Kenntnis des Quotienten V des Stromes am Arbeitspunkt
maximaler Leistung und dem Kurzschlußstrom muß zu diesem Zweck der Widerstand R1
bemessen werden gemäß
wobei JK der Kurzschlußstrom des Solarzellengenerators und JK 14 der KurzschluEstrom
der Testzelle 14 bedeuten.
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Liegt an den Ausgangsklemmen 6 und 7 ein Verbraucher geringer Leistung,
so ist der Schalter 2 geschlossen und das gesamte System befindet sich auf dem in
Fig. 2 mit I bezeichneten Teil der Spannungs-Strom-Kennlinie.des Solarzellengenerators
l in unmittelbarer Nachbarschaft des optimalen Arbeitspunktes A, d.h. die gesamte
zur Verfügung stehende Leistung wird an den Verbraucher bzw. die ihm vorgeschaltete
pufferbatterie abgegeben.
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Wird Jetzt eine Last an die Klemmen 6 und 7 geschaltet, die beispielsweise
im Moment des Einschaltens eine kurzzeitige Spitzenleistung zieht, so wUrde sich
das System auf einen Punkt des mit II bezeichneten Teiles der Kennlinie bewegen,
so dal3 eine Ausregelung auf den Arbeitspunkt A erst nach einer langen
Zeit
möglich wäre. Dies wird dadurch verhindert, daß die beiden Speicher 3 bzw. 4, 5
in dem Moment, in dem das System den auf der Kennlinie liegenden Arbeitspunkt A
überschreitet, durch den vom Reglerverstärker 12 betätigten Schalter 2 getrennt
werden. Zur Versorgung des Verbrauchers steht jetzt also lediglich die im zweiten
Speicher 4, 5 vorhandene, der maximalen Leistung des SoLarzellengenerators 1 entsprechellde
Energie zur Verfügung, so daß sich das System auf eir.
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durch den Arbeitspunkt A gehenden hyperbolischen Kennlinie konstanter
Leistung bewegt.
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Die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Abhängigkeit des Verhältnisses
V vom Strom im Punkt maximaler Leistung zu dem Kurzschlußstrom des Solarzellengenerators
von dem Einfallwinkel der Lichtstrahlung und von der Betriebstemperatur ist über
den gesamten in der Praxis vorkommenden Bereich nahezu konstant. Lediglich die beiden
in Fig. 4 gezeigten Kurven für degradierte und nicht degradierte SoLarzellen variieren
in den Bereichen zwischen 0 und 400 und 60 bis 800 C. Da aber im allgemeinen die
Betriebstemperatur eines Solarzellengenerators um 500 C liegt und in diesem Bereich
die gezeigten Kurven annähernd identisch sind, liegt eine einfache und zuveriässige
Möglichkeit der oprimalen Ausnutzung eines Solarzellengenerators in einer Zweipunktreg
-lung des Solarzellengeneratorstromes.
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Durch den Optimalregler gemäß der Erfindung wird also vermieden, daß
sich das System auf den Teil II der Kennlinie bewegt, so daß durch den in Abhängigkeit
des KurzschluBstr>-mes der Testzelle 14 gesteuerten Zweipunktregler eine opt';-malregelung
mit sehr kurzer Ansprechzeit gegeben ist.
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Patentansprüche: