DE2903559A1 - Automatic control circuit for solar cell output - has DC=DC converter between cell and load to maintain cell at optimum voltage point - Google Patents

Automatic control circuit for solar cell output - has DC=DC converter between cell and load to maintain cell at optimum voltage point

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Abstract

Use is made of the characteristic of a solar cell which is that the optimum operating voltage for maximum power output has a constant value over a wide range of cell illumination. The solar cell voltage (U) and a reference (Uref) are applied to a differential amplifier whose output is used to adjust the operating point of a dc to dc converter. The load is connected to the converter output. The reference voltage is equal to the optimum cell voltage. Any error between reference and actual cell voltage thus gives an output from the differentail amplifier which adjusts the converter operating point to a position where the cell is again operating at its optimum voltage. Thus for fixed voltage output to the load the cell current can be adjusted to give optimum power output.

Description

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Solargenerator-Leistungsadapter Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung die es ermöglicht, einen photovoltaischen Solargenerator zur optimalen Ausnutzung seiner verfügbaren Leistung jeweils im Punkt maximaler elektrischer Leistung seiner beleuchtungs- und temperarurabhängigen Spannungs- und Stromkennlinie zu betreiben.Solar generator power adapter The invention relates to a control device which enables a photovoltaic solar generator to be used optimally its available power in each case at the point of maximum electrical power of its to operate lighting and temperature-dependent voltage and current characteristics.

Elektrische Energieversorgungsanlagen auf der Grundlage von Solarenergie stellen neben ihrem klassischen Anwendungsgebiet in der Raumfahrttechnik eilen rasch wachsenden Anteil bei der Ucreitstellung von elektrischer Energie für eine sehr breite skala von terrestrischen Anwendungsfällen. Aus wirtschaftlichen Erwägungen ist es bei den verhältnismäßig hohen Anschaffungskosten für Solzargeneatoren besonders wichtig, ihre zur Verfiigung stehende elektrische Leistung durch automatische Anpassung von Last und Solargenerator den ständig wechselnden Betriebszuständen entsprechend zu maxiniieren.Electric energy supply systems based on solar energy in addition to their classic area of application in space technology, they are rushing quickly growing share in the provision of electrical energy for a very large number of people wide range of terrestrial use cases. For economic reasons it is especially with the relatively high acquisition costs for Solzargeneatoren important to their available electrical power through automatic adjustment of load and solar generator according to the constantly changing operating conditions to maximize.

Die für eine beliebige Beleuchtungsstärke und Temperatur gültige Spannungs-Stromkenn)inie einer photovoltaischen Zelle und somit auch eines durch Serien- und Parallelschaltung derartiger Zellen aufgebauten Solargenerators ist, wie Fig. 1 zeigt, durch einen Punkt Aopt gekennzeichnet, in dem das Produkt aus Spannung und Strom, die abgegebene elektrische Leistung, ein Maximum erreicht. Die Leistung nimmt mit wachsendem Abstand von diesem Punkt entlang der Kennlinie stark ab. Von Solargeneratoren betriebene elektrische Systeme sind im allgemeinen derart ausgelegt, daß ein Betriebszustand gewählt wird, bei dem die Lastkennlinie die Solargeneratorkennlinie möglichst im Punkt Aopt schneidet. Das geligt ohne Hilfsmaßnahmen nur bei konstanten Verhältnissen auf der Last- und Generatorseite. Wie in Fig. 2 dargestellt ergibt sich bei verminderter Beleuchtungsintensität aber unveränderter Last ein Arbeitspunkt auf der Kennlinie redu$ierter Leistung, der nicht mehr im Bereich optimaler Leistungsabgabe liegt. Entsprechendes gilt, wenn bei konstanter Beleuchtung die Last sich verändert. Bin solches System arbeitet dann uneffektiv.The voltage-current characteristic valid for any illuminance and temperature a photovoltaic cell and thus also one through series and parallel connection Such cells constructed solar generator is, as shown in FIG. 1, by a Point Aopt marked in which the product of voltage and current, the output electrical power, reached a maximum. The performance decreases with increasing distance from this point along the characteristic curve. Powered by solar generators electrical systems are generally designed in such a way that an operating state is selected in which the load curve matches the solar generator curve as possible in Point Aopt intersects. This works without any relief measures, but only with constant Conditions on the load and generator side. As shown in Fig. 2 results an operating point becomes available with reduced lighting intensity but unchanged load on the characteristic of reduced power, which is no longer in the range of optimal power output lies. The same applies if the load changes with constant lighting. Such a system then works ineffectively.

Systeme, die eine Optimierung der Leistungsabgabe von Solargeneratoren durch Regeleinrichtungen bewirken, sind für die Raumfahrttechnik schon entwickelt worden.Systems that optimize the power output of solar generators effect through control devices have already been developed for space technology been.

ln [1] ist ein Leistungsmaximum-Verfolger für einen Satelliten-Solargenerator beschrieben, dessen Wirkungsweise darauf beruht, daß der Arbeitspunkt stsindig zwischen zwei Punkten auf der Spannungs-Stromkennlinie des Solargenerators im Bereich maximaler Leistung pendelt, wobei die beiden Punkte hinsichtlich Spannung und Strom sich um einen gleichen faktor unterscheiden. Da diese Bedingung bei Solargeneratorkennlinien nur im Bereich maximaler Leistung erfüllt wird, ist durch geeignete Spannungs- und Stromerfassung, Vorgabe des Iiaktors, Vergleich von Istwerten von Spannung und Strom mit den gespeicherten werten vom letzten Umkehrpunkt und schließlich durch eine entsprechende Aufbereitung der Signale zur Steuerung der Eingangsimpedanz über 1>ulsbreitenmodulation des zwischen Solargenerator und Last liegenden Gleichspannungswandlers die gewsJnschte automatische optimale Leistungsanpassung erzielt. Der Aufwand für ein derartiges System ist jedoch erheblich und daher vor allem für terrestrische Solargenertor-Stromver sorgungssysteme meistens nicht wirtschaftlich. Die Komplexität des Systems verringert auch erheblich seine Zuverlässigkeit.ln [1] is a power maximum tracker for a satellite solar generator described, whose mode of operation is based on the fact that the operating point is constantly between two points on the voltage-current characteristic of the solar generator in the area of maximum Power fluctuates, with the two points in terms of voltage and current turning around distinguish an equal factor. Since this condition for solar generator characteristics is only met in the range of maximum power, is through suitable voltage and Current acquisition, specification of the actuator, comparison of actual values of voltage and current with the saved values from the last reversal point and finally by a Corresponding processing of the signals to control the input impedance via 1> ul width modulation of the DC / DC converter located between the solar generator and the load automatic optimal performance adjustment achieved. The effort for such a thing However, the system is substantial and therefore mainly for terrestrial solar generator power supply supply systems are mostly not economical. The complexity of the system is reduced also considerably its reliability.

Eine häufiger anzutreffende Methode, die Leistungsabgabe eines Solargenerators zu optimieren, ist die Paralfelschaltung von J>ufferbat terien. 1tie Nennspannung dieser Batterien wird so gewählt, daß in den wichtigsten Betriebzuständen des Systems die Spannung im Bereich hoher Solargeneratorleistung liegt. wegen der den Lade-und Entladezustand entsprechenden unterschiedlichen Batteriespannungen, sowie der Temperaturabhängigkeit der Spannung im Punkt maximaler Leistung beim Solargenerator gelingt eine Leistungsoptimierung nur unvollständig. Für ein derartiges Stromversorgungssystem sind außer den Pufferbatterien noch Einrichtungen zum Schutz dieser gegen Unterspannung und Überladung vorzusehen.A more common method, the power output of a solar generator the parallel connection is to be optimized from J> buffer batteries. The nominal voltage of these batteries is chosen so that in the most important operating states of the system the voltage is in the range of high solar generator output. because of the different battery voltages corresponding to the charge and discharge status, as well as the temperature dependency of the voltage at the point of maximum power in the solar generator A performance optimization is only partially successful. For such a power supply system In addition to the buffer batteries, there are also devices to protect them against undervoltage and overloading to be provided.

Der Erfindug liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache und zuverlässige Regeleinrichtung eine automatische optimale Leistungsanpassung von Last und Solargenerator, deren unterschiedliche Uetriebszustände berücksichtigend, zu bewirken.The invention is based on the object by a simple and reliable Control device an automatic optimal power adjustment of load and solar generator, taking into account their different operating states.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ausgehend von der Tatsache, daß bei konstanter Temperatur die Solarzellenkennlinien für verschiedene Beleuchtungsintensitäten in den jeweiligen Punkten Aopt maximaler Leistung die gleiche Spannung Uopt aufweisen, wie in Fig. 3a dargestellt ist, die Solargeneratorspannung auf einen Eingang eines Differenzverstärkers gegeben wird, wo er mit einer am zweiten Eingang liegenden Referenzspannung Uref verglichen wird. Die Höhe der Referenzspannung ist so gewählt, daß sie der 5olargeneratorspannung U in den jeweiligen Punkten maximaler Leistung opt entspricht. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ist die Stellgröße, von der das Stellglied eines zwischen Solargenerator und Last liegenden, an sich beknnten Gleichspannungswandlers angesteuert wird. Bei einer momentanen positiven Abweichung der Solargeneratorspannung über Uopt hinaus infolge einer Lastschwankung, was mit einer Verringerung des Solargeneratorstromes verbunden ist, wird vom Differenzverstärker eine höhere Stellspannung abgegeben, die beim Gleichspannungswandler zur Aufnahme eines höheren Stromes führt, Dadurch wird die Spannung am Solargenerator wieder auf den Wert Uopt abgesenkt. Bei momentaner negativer Abweichung der Solargeneratorspannung wird der Gleichspannungswandler entsprechend geringer ausgesteuert. Dieser wird also über den Regelkreis so gesteuert, daß der Solargenerator immer im Punkt maximaler Leistung bei jeder Beleuchtungs intensität betrieben wird. Die vom Wandler abgegebene Leistung entspricht bei idealem Wandler der vom Solargenerator abgegebenen-Leistung, wobei die Spannugs-Stromkennlinie des Wandlerausgangs eine Hyperbel ist, deren Gleichung Uaus . Iaus = Pmax = Uopt . Iopt (1) ist.According to the invention, this object is achieved in that, starting from the fact that at constant temperature the solar cell characteristics for different Illumination intensities in the respective points Aopt maximum power the same Have voltage Uopt, as shown in Fig. 3a, the solar generator voltage is given to one input of a differential amplifier, where it is connected to one on the second Input lying reference voltage Uref is compared. The level of the reference voltage is chosen so that it is the maximum 5olargenerator voltage U in the respective points Performance opt corresponds. The output voltage of the differential amplifier is the manipulated variable, of which the actuator is located between the solar generator and the load, per se known DC voltage converter is controlled. With a momentary positive Deviation of the solar generator voltage beyond Uopt as a result of a load fluctuation, what is associated with a reduction in the solar generator current is provided by the differential amplifier one higher control voltage output, that of the DC voltage converter leads to the absorption of a higher current, this increases the voltage on the solar generator lowered again to the value Uopt. With a momentary negative deviation of the solar generator voltage the DC / DC converter is controlled correspondingly less. This one will So controlled by the control circuit so that the solar generator is always at the maximum point Power is operated at any lighting intensity. The one delivered by the converter With an ideal converter, power corresponds to the power output by the solar generator, where the voltage-current characteristic of the converter output is a hyperbola, its equation Uaus. Iout = Pmax = Uopt. Iopt (1) is.

Diese Gleichung wird nur vom Sperrwandler in allen Bereichen erfüllt. Beim Aufwärts- und Abwärtswandler ist jeweils der spannungsmäßig höher bzw. tiefer als die Spannung Uopt liegende Spannungs-Stromkennlinienteil eine llyperbel, während der übrige Teil der Ausgangskennlinie des Wandlers durch den entsprechenden Solargeneratorkennlinienteil gegeben ist, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Wandlertyp kann den Systemanforderungen entsprechend ausgewählt werden.This equation is only fulfilled by the flyback converter in all areas. In the case of the step-up and step-down converters, the voltage is higher or lower, respectively as the voltage Uopt lying voltage-current characteristic part a llyperbel, while the remaining part of the output characteristic of the converter through the corresponding solar generator characteristic part is given, as shown in FIG. The converter type can meet the system requirements be selected accordingly.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung, bei der die Referenzspannung niedriger oder höher ist als die Solargeneratorspannung, wird diese bzw. die Referenzspannung durch Herabsetzung mittels eines entsprechend dirnensionierten Spannungsteilers dem jeweiligen Eingang des Differenzverstärkers zugeführt, wie in Fig. 3b und 3c gezeigt ist. Für das Spannungsteilerverhältnis k gilt die Beziehung Uref = k. Uopt für Uopt > Uref (2a) Uref = k # Uopt für Uopt # Uref (2a) bzw. Uref = 1/k . Uopt für Uopt < Uref (2b) Durch Veränderung des Spannungsteilerverhältnisses k kann die Regeleinrichtung für verschiedene Solargene ratoren mit unterschiedlichen Spannungen in den Punkten maximaler Leistung eingestellt werden.In a further embodiment of the invention, in which the reference voltage is lower or higher than the solar generator voltage, this or the reference voltage by reducing it using an appropriately dimensioned voltage divider fed to the respective input of the differential amplifier, as in Fig. 3b and 3c is shown. The relationship Uref = k applies to the voltage divider ratio k. Uopt for Uopt> Uref (2a) Uref = k # Uopt for Uopt # Uref (2a) or Uref = 1 / k. Uopt for Uopt <Uref (2b) By changing the voltage divider ratio k can control equipment for different solar generators with different Tensions can be set at the points of maximum power.

Zur Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Solargeneratorkennlinie und die damit verbundene Verschiebung der Spannung im Punkt maximaler Leistung ist es angebracht, den Spannungsteiler temperaturabhängig zu machen und Sein temperaturabhängiges Schaltungsglied den gleichen thermischen verhältnissen auszusetzen wie die Solarzellen. Die Änderung des Spannungsteilers als lunktion der Temperaturv'muß der Änderung der Solargeneratorspannung derart entsprechen, daß die Beziehung Uref = k(#)*Uopt(#) = const. (3a) bzw. Uref = 1* Uopt(#) = const. (3b) k(#) möglichst gut erfüllt ist. To take into account the influence of temperature on the solar generator characteristic and is the associated shift in voltage at the point of maximum power it is appropriate to make the voltage divider temperature dependent and being temperature dependent To expose the circuit element to the same thermal conditions as the solar cells. The change in the voltage divider as a function of the temperature must of the change correspond to the solar generator voltage in such a way that the relationship Uref = k (#) * Uopt (#) = const. (3a) or Uref = 1 * Uopt (#) = const. (3b) k (#) is fulfilled as well as possible.

Als Referenzspannungsquelle können auch, wie Fig. 3d zeigt, eine oder mehrere in Serie geschaltete und praktisch im Leerlauf betriebene Solarzellen verwendet werden, die in den Solargenerator derart integriert sind, daß sie beleuchtungsmäßig und vor allem thermisch den gleichen Bedingungen unterworfen sind wie die Leistung liefernden Zellen des Generators. Der Temperaturkoeffizient der Spannung einer Solarzelle ist weitgehend unabhängig von ihrer Strombelastung.As a reference voltage source, as FIG. 3d shows, one or several solar cells connected in series and practically operated in idle mode are used that are integrated into the solar generator in such a way that they are lighting-wise and, above all, are subject to the same thermal conditions as the performance supplying cells of the generator. The temperature coefficient of the voltage of a solar cell is largely independent of its current load.

Fig. 5 zeigt eine besonders einfache Ausführung der Erfindung, in der die Funktion des Differenzverstärkers von einem Transistor in Emitterschaltung übernommen wird, an dessen Basis-Emitterstrecke die durch einen Spannungsteiler verminderte Solargeneratorspan nung anliegt, wobei bei positiver Abweichung der geteilten Solargeneratorspannung von dem durch die Basis-Emitter-Schwellspannung vorgegebenen Referenzwert der als Stellgröße für die Aussteuerung des Gleichspannungswandlers dienende Kollektorstrom größer, bei negativer Abweichung kleiner wird und dadurch der Gleichspannungswandler mehr bzw. weniger Strom aufnimmt.Fig. 5 shows a particularly simple embodiment of the invention, in which the function of the differential amplifier of a transistor in common emitter circuit is taken over, at the base-emitter path by a voltage divider reduced solar generator voltage is applied, with a positive deviation of the solar generator voltage divided by the base-emitter threshold voltage specified reference value of as a manipulated variable for the modulation of the DC / DC converter serving higher collector current, with negative deviation becomes smaller and thereby the DC / DC converter consumes more or less current.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE 1. Solargenerator-Leistungsadapter zur Leistungsmäßigen Anpassung einer Gleichstromlast an einen Solargene rator durch selbsttätige Nachführung des Arbeitspunktes auf der zustandsabhängigen-Spannungs-Stromkennlinie des Solargenerators in den jeweiligen I>unkt maximaler Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß die Solargeneratorspannung auf einen Eingang eines Differenzverstärkers gegeben wird, wo sie mit einer am zweiten Eingang liegenden Ueferenzspannung, die der Solargeneratorspannung im jeweiligen Punkt maximaler Leistung entspricht, verglichen wird, wobei die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers bei einer positiven Abweichung der Solargeneratorspannung von der iteferenzspannung einen zwischen Solargenerator und Last liegenden Gleichspannungswandler zur Aufnahme eines höheren Stromes und bei einer negativen Abweichung diesen zur Aufnahme eines niedrigeren Stromes veranlaßt. PATENT CLAIMS 1. Solar generator power adapter for performance Adaptation of a direct current load to a solar generator through automatic tracking of the operating point on the state-dependent voltage-current characteristic of the solar generator in the respective I> point of maximum power, characterized in that the Solar generator voltage is given to an input of a differential amplifier, where it is connected to a reference voltage at the second input, that of the solar generator voltage corresponds to maximum power at the respective point, is compared, the output voltage of the differential amplifier in the event of a positive deviation in the solar generator voltage from the reference voltage to a DC / DC converter located between the solar generator and the load to absorb a higher current and, in the case of a negative deviation, this to Induces a lower current intake. 2. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung zum Betrieb verschiedener Solargeneratoren mit unterschiedlicher Spannung im Punkt maximaler Leistung einstellbar ist.2. Solar generator power adapter according to claim 1, characterized in that that the reference voltage for operating different solar generators with different Voltage is adjustable at the point of maximum power. 3. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Referenzspannung, die niedriger oder höher ist als die Solargeneratorspannung im Punkt maximaler Leistung, die Solargeneratorspannung bzw. die Referenzspannung durch entsprechende Herabsetzung mittels eines Spannungsteilers dem jeweiligen Eingang des Diffezverstärkers zugeführt wird.3. Solar generator power adapter according to claim 1, characterized in that that at a reference voltage that is lower or higher than the solar generator voltage at the point of maximum power, the solar generator voltage or the reference voltage the respective input by a corresponding reduction using a voltage divider of the differential amplifier is supplied. 4. Solargenerator-Leistungsalapter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler, bezogen auf den Teilerpunkt, durch ein temj>eraturabhängiges Schaltungsglied, das der Temperatur der Solarzellen des Solargenerators ausgesetzt ist, ein der Solargeneratorspannung entsprechendes Temperaturverhalten aufweist.4. Solar generator power adapter according to claim 3, characterized in that that the voltage divider, based on the divider point, is determined by a temperature-dependent Circuit element that is exposed to the temperature of the solar cells of the solar generator has a temperature behavior corresponding to the solar generator voltage. 5. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung ein der Solargeneratorspannung entsprechendes Temperaturverllalten aufweist 5. Solar generator power adapter according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the reference voltage is a voltage corresponding to the solar generator Has Temperaturverllalten 6. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 2,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung von einer oder mehreren in Serie geschalteten Solarzellen, die der Temperatur der Leistung liefernden Solarzellen des Polargenerators ausgesetzt sind, geliefert wird.6. Solar generator power adapter according to claim 2,3 or 5, characterized in that the reference voltage of one or more Solar cells connected in series, which correspond to the temperature of the solar cells supplying the power of the polar generator are delivered. 7. Solargenerator-Leistungsadapter nach Anspruch 3, derart gekennzeichnet, daß als Differenzverstsårker ein Transistor in Emitterschaltung verwendet wird, an dessen Basis-Emitterstrecke die durch einen Spannungsteiler verminderte Solargeneratorspannung anliegt, wobei bei positiver Abweichung der geteilten Solargeneratorspannung von dem durch die Basis-Emitterschwellspannung des Transistors vorgegebenen Refernzwert der als Stellgröße für die Aussteuerung des Gleichspannungswandlers dienende Kollektorstrom größer, bei neativer Abweichung kleiner wird und dadurch der Gleichspannungswandler mehr bzw. weniger Strom aufnimmt.7. Solar generator power adapter according to claim 3, characterized in such a way that a transistor in an emitter circuit is used as a differential amplifier, at its base-emitter path the solar generator voltage reduced by a voltage divider is applied, with a positive deviation of the divided solar generator voltage from the reference value specified by the base-emitter threshold voltage of the transistor the collector current used as the manipulated variable for modulating the DC / DC converter larger, with a neative deviation it becomes smaller and thus the DC voltage converter consumes more or less electricity.
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