DE2835931C2 - Photovoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Verwendung in Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren parallel geschalteten Solargenerator-Sektionen - Google Patents
Photovoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Verwendung in Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren parallel geschalteten Solargenerator-SektionenInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Anlage gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Es ist ein im Schaltbetrieb arbeitender Shuntregler bekannt, der zur Einhaltung der Nennspannung einer
mit Solargeneratoren ausgerüsteten Energieanlage durch zusätzliche Stromaufnahme von im Nebenschluß
betriebenen Transistorschaltern dient (Proceedings of Spacecraft Power-Conditioning Electronics Seminar,
20—22 May 1974 in Frascati/Italy, European Space
Research Organization, Neuilly, 1974, Seiten 97-102; Figur 1 auf Seite 98). Ein derartiger Shuntregler ist in
Fi g. 1 dargestellt und weist mehrere parallel geschaltete Solargenerator-Sektionen auf, von denen lediglich
zwei Sektionen SCi bzw. SGn zeichnerisch dargestellt
sind. Jeder Solargenerator kann aus mehreren in Reihen liegenden Solarzellen bestehen und ist jeweils mit einem
Ausgang über eine Entkopplungsdiode D\ bzw, Ai in
Durchlaßrichtung an eine Sammelschiene 1 und mit seinem anderen Ausgang an eine Masseleitung 2
angeschlossen. Die Sammelschiene 1 und die Masseleitung 2 sind über ein Integrationsglied, bestehend aus
einer in der Sammelschiene liegenden Induktionsspule L und einem zwischen Sammelschiene 1 und Masseleitung
2 angeordneten Kondensator Q an zeichnerisch nicht dargestellte Verbraucher angeschlossen. Parallel zu
jeder Solargenerator-Sektion liegt die Kollektor-Emitter-Strecke
eines Transistor-Kurzschlußschalters Tj bzw. Tn, deren Emitter mit der Masseleitung 2 elektrisch
leitend verbunden ist. Die Basis jedes Transistorschalters wird von einer rechteckförmigen Impulsspannung
i&rangesteuert
Die gleiche Regeleinrichtung kann auch (statt im Schaltbetrieb) im linearen Betrieb arbeiten, wobei das
erwähnte Integrationsglied entfällt. Nachteilig ist hier die höhere thermische Verlustleistung.
Bei dem bekannten Shuntregler im Schaltbetrieb zwingt der Kurzschluß von Teilen (Sektionen) eines
Solargenerators SGi bzw. SGn der bzw. den betroffenen
Solargenerator-Sektionen über alles die Spannungssumme Null auf. Dadurch fließt in der kurzgeschlossenen
Sektion ein Strom, dessen Höhe bestimmt wird durch Solarzellen mit einem hohen absoluten Kurzschlußstrom.
Aus fertigungstechnischen Gründen können nicht alle Solarzellen den absolut gleichen
Kurzschlußstrom aufweisen. Vielmehr schwankt dieser innerhalb einer vorgegebenen Toleranzbreite. Hierdurch
wird diejenige der in Serie geschalteten Solarzellen, die im Verband den absolut gesehenen
niedrigsten Kurzschlußstrom aufweist, in einen Arbeitspunkt getrieben, der auf ihrer Rückwärtskennlinie liegt
In diesem Zusammenhang wird auf F i g. 2 hingewiesen, aus der der durchschnittliche Kurzschlußstrom a aller in
Serie liegenden Solarzellen, der Kurzschlußstrom b der schwächsten Solarzelle, die Rückwärtskennlinie c der
schwächsten Solarzelle sowie die Vclustleistung P, der
schwächsten Solarzelle zu entnehmen sind. Wiederum aus fertigungstechnischen Gründen sind die Solarzellen
nur hinsichtlich ihrer Vorwärtskennlinie spezifiziert Die Rückwärtskennlinie, insbesondere die maximale Sperrspannung,
ist nicht spezifizierbar, weil sonst die Ausschußquote und damit der Preis der verwendbaren
Solarzellen unakzeptabel hoch sein wurden. Demzufolge entstehen unkontrollierbar hohe Verlustleitungen Pr
(Fig.2) der in der Rückwärtskennlinie betriebenen schwachen Solarzellen, die zur Zerstörung der Zelle und
ihrer näheren Umgebung führen, wenn deren Durchbruch-Spannung klein ist gegenüber der Sammelschienen-Spannung
bzw. der Hauptleiter-Gleichspannung. Dieses Problem, das auch Hot-Spot-Problem genannt
wird, beginnt bei Hauptleitergleichspannungen über 28 Volt, wie sie z. B. in Hochleistungssatelliten neuerdings
angestrebt werden, in steigendem Maße relevant zu werden.
Weiterhin führt die Abnahme zusätzlicher elektrischer Leistung durch den Nebenschluß der Transistorkurzschlußschalter
besonders zu Beginn der Lebensdauer eines Solargenerators, wenn er seine höchste
Leistung abgibt, die erheblich über der Leistung liegt, die er am Ende der Lebensdauer zur Aufrechterhaltung
der Leistungsbilanz noch liefern kann, zu thermischen Problemen. Diese werden besonders in Hochleistungssatelliten
akut, da die Überschußleistung des Solargenerators zu Beginn der Lebensdauer im KW-Bereich liegt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
photovoltaische Anlage der eingangs genannten Art,
wie sie aus der zitierten Literaturstelle bekannt ist,
dahingehend zu verbessern, daß das oben erläuterte Hot-Spot-Problem vermieden wird
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Transistor-Schalter PNP-Transistor-Unterbrecherschalter
vorgesehen sind, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke jedes PNP-Transistor-Unterbrecher-Schalters
in d^r Verbindungsleitung zwischen der
zugehörigen Solargenerator-Sektion und der Masseleitung angeordnet ist
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß als Transistor-Schalter NPN-Transistor-Unterbrecherschalter
vorgesehen sind, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke jedes NPN-Transistor-LJnterbrecherschalters
in der Verbindangsleitung zwischen der zugehörigen Solargenerator-Sektion und der
Sammelschiene angeordnet ist, der Emitter jedes NPN-Transistor-Unterbrecherschalters an die Sammelschiene
angeschlossen ist und die Steuer-Spannung gegen die Sammelschiene ansteht
Bei den erfindungsgemäßen Lösungen kommt es nicht darauf an, wie in der Steuerungstechnik wahlweise
Serien- oder Parallelschaltungen zur Stabilisierung von Spannungen und Strömen zu verwenden (vgl. z. B.
»Electronics«, 25. September 1959, Seite 70 bis 71) bzw.
solche Schaltungsanordnungen zur Impulsbreitenmodulation zu verwenden (vgL z.B. Siemens Zeitschrift,
Heft 10/11, 1957, S. 497-499). Vielmehr mußten zur Lösung der obenbezeichneten Aufgabe besondere
Überlegungen hinsichtlich des Hot-Spot-Problems angestellt werden. Dieses führte dazu, daß schwerpunktmäßig
der Einsatz eines je Solargeneretor-String wirkenden Serien-Transistors entweder als PWM-gesteuerter
Unterbrecherschalter für Satellitenbordnetze hoher Leistung oder als stetig-linear angesteuerter
veränderlicher Widerstand für Satelliten-Bordnetze kleiner Leistung vorgesehen wird. Eines der Merkmale
der Erfindung ist daß das Hot-Spot-Problem gar nicht erst entsteht llierfür ist die vorgeschlagene Serien-Anordnung
der Transistor-Schalter in den Sektionen des Solargenerators maßgebend, jedoch nicht die Frage, ob
die Transistor-Schalter pulsförmig oder stetig angesteuert werden.
Ein Vorteil der Erfindung ist — neben der Vermeidung des Betriebes einzelner Solarzellen in der
Rückwärtskennlinie und damit der Vermeidung des Hot-Spot-Problems — in dem Wegfall der bei dem
eingangs beschriebenen Shuntregler vorhandenen Solargenerator-Sektion-Entkopplungsdioden
zu sehen. Ein weiterer Vorteil liegt im ausgeglichenen Wärmehaushalt bzw. in der ausgeglichenen Verlustleistungsbilanz
der Anlage im Vergleich zum bekannten Shuntregler zwischen Beginn und Ende der Lebensdauer eines
Solargenerators. Beim bekannten Shuntregler dissipiert sowohl die Entkopplungsdiode der aktiven (leistungsliefernden)
Solargenerator-Sektionen thermische Leistung als auch der Transistor-Kurzschlußschalter der
passiven (kurzgeschlossenen) Sektion. Bei der erfindungsgemäßen photovoltaischen Anlage vereinigt der
Transistor beide Funktionen (Entkopplung der Solargenerator-Sektion von der Sammelschiene im Schattenfall
und Regelung der Leistungsbilanz bzw. der Ausgangsspannung), wobei sich die (im Vergleich zur
Durchlaß-Spannung der Diode im Fall des Shuntreglers}
kleinere Kollektor-Emitter-Spannung ebenfalls vorteilhaft auswirkt
In den F i g, 3 und 4 ist jeweils ein die erfindungsgemäßen
Merkmale aufweisendes Ausführungsbeispiel dargestellt Die in Fig.3 dargestellte photovoltaische
Anlage weist mehrere Solargenerator-Sektionen in Parallelschaltung auf, die aus einer oder mehreren in
Reihe liegenden Solarzellen bestehen und von denen lediglich der erste und der letzte Solargenerator SGt
bzw. 5Gn eingezeichnet sind
jede Solargenerator-Sektion ist mit einem Anschlußkontaktelement an eine Sammelschiene 3, mit seinem
'"> anderen Anschluß-Kontaktelement an den Kollektor
eines PNP-Transistor-Unterbrecherschalters T\ bzw. Tn
angeschlossen, deren Emitter mit einer Masseleitung 4 elektrisch leitend verbunden sind Die Sammelschiene 3
und die Masjeleitung 4 sind über ein eine Induktionsspu-
le L und einen Kondensator C aufweisendes Integrationsglied
an nicht dargestellte Verbraucher angeschlossen, wobei die Induktionsspule L in der Sammelschiene
3 und der Kondensator C zwischen der Sammelschiene 3 und der Masseleitung 4 angeordnet sind. An der Basis
jedes PHP-Transistor-Unterbrecherschalters steht eine negative rechteckförmige Steuer-Impuls-Spannung Usr
gegen die Masseleitung 4 an. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Stroropfade der Solargeneratoren
mittels der gesteuerten Unterbrecherschalter hochohmig gemacht so daß die Höhe des in die
Sammelschiene 3 eingespeisten Stromes periodisch zu Null gemacht wird (Pulsbreitenmodulation).
Im Falle einer linear arbeitenden Anlage (im Bild nicht dargestellt) wird die pulsförmige Steuerspannung
durch eine stetige Spannung ersetzt das Integrationsglied entfällt In diesem Falle wird die Höhe des in die
Sammelschiene 3 eingespeisten Stromes linear mit der Steuerspannung variiert da der Transistor ais variabler
Serienwiderstand wirkt Allerdings ist dann (wie auch
beim bekannten linear arbeitenden Shuntregler) die thermische Verlustleistung höher als im Schaltbetrieb.
In F i g. A sind für die einzelnen Bauelemente der dort dargestellten photovoltaischen Anlage dieselben Bezugszeichen
gewählt worden, wie in F i g. 3; lediglich die
Sammelschiene und die Masseleitung sind anders bezeichnet worden, nämlich mit 5 bzw. 6. Im Gegensatz
zur Anlage nach Fig.3 werden in Fig.4 NPN-Transistor-Unterbrecherschalter
T\ bzw. Tn verwendet, deren Kollektoren jeweils mit einem Ausgang eines Solar-
>° generators SG\ bzw. SGn verbunden und deren Emitter
jeweils an der Sammelschiene 5 angeschlossen sind. Die Basis jedes NPN-Transis'or-Unterbrecherschalters 71
bzw. Tn wird von einer positiven rechteckförmigen
Steuer-Impuls-Spannung Us1 gegen die Sammelschiene
" angesteuert Somit wird auch hier eine Regelung der
den nicht dargestellten Verbrauchern zugeführten Ausgangsspannung durch periodisches Öffnen bzw.
Schließen der NPN-Transistor-Unterbrecherschalter erreicht (Schaltbetrieb mit variablem Ein-Aus-Zeitverhältnis/Pulsbreitenmodulation).
Auch hier ist eine im linearen Betrieb arbeitende Variante der beschriebenen
Anlage möglich.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Photoyoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Verwendung in
Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren paral-IeI geschalteten Solargenerator-Sektionen, die jeweils
aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen bestehen und deren Anschlußkontaktelemente
an eine Sammelschiene und eine Masseleitung geführt sind, und mit Transistor-Schaltern zur ]0
Stabilisierung der Ausgangsspannung, von denen jeder jeweils einer Solargenerator-Sektion zugeordnet
ist, deren Basen von einer aus rechteckförmigen Impulsen bestehenden oder stetig veränderlichen
Steuer-Spannung angesteuert werden, die gegen die Masseleitung ansteht, und deren Emitter mit der
Masseleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor-Schalter
PNP-Transistor-Unterbrecherschalter fT\ bzw. Tn)
vorgesehen sind, wobei die Kollektor-Emitter-Strek- Μ
ke jedes PNP-Transistor-Unterbrecher-Schalters
(Tx bzw. Tn) in der Verbindungsleitung zwischen der
zugehörigen Solargenerator-Sektion (SG\ bzw. SGn)
und der Masseleitung (4) angeordnet ist
2. Photovoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer
Energie, insbesondere für die Verwendung in Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren parallel
geschalteten Solargenerator-Sektionen, die jeweils aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten
Solarzellen bestehen und deren Anschlußkontaktelemente an eine Sammelschiene und eine Masseleitung
geführt sind, und mit Transistor-Schaltern zur Stabilisierung der Ausgangsspannung, von denen
jeder jeweils einer Solargen*rator-Sektion zugeordnet
ist und deren Basen von einei aus rechteckförmigen
Impulsen bestehenden oder stetig veränderlichen Steuer-Spannung angesteuert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß als Transistor-Schaltung NPN-Transistor-Unterbrecherschalter
(T\ bzw. Tn) vorgesehen sind, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke
jedes NPN-Transisior-Unterbrecherschalters (Ti
bzw. Tn) in der Verbindungsleitung zwischen der zugehörigen Solargenerator-Sektion (SG\ bzw. 5Gn)
und der Sammelschiene (5) angeordnet ist, der Emitter jedes NPN-Transistor-Unterbrecherschalters
(Tt bzw. Tn) an die Sammelschiene (5)
angeschlossen ist und die Steuerspannung (U*) gegen die Sammelschiene (5) ansteht.
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| DE19782835931 DE2835931C2 (de) | 1978-08-17 | 1978-08-17 | Photovoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Verwendung in Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren parallel geschalteten Solargenerator-Sektionen |
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE19782835931 DE2835931C2 (de) | 1978-08-17 | 1978-08-17 | Photovoltaische Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere für die Verwendung in Raumfahrzeug-Energieanlagen, mit mehreren parallel geschalteten Solargenerator-Sektionen |
Publications (2)
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|---|---|
| DE2835931A1 DE2835931A1 (de) | 1980-02-28 |
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|---|---|---|---|
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1979
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Also Published As
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| DE2835931A1 (de) | 1980-02-28 |
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