DE3912283A1

DE3912283A1 - Circuit arrangement for solar cells

Info

Publication number: DE3912283A1
Application number: DE3912283A
Authority: DE
Inventors: Ernst Maass
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1989-12-07
Also published as: DE3912283C2

Abstract

A selectable voltage range is maintained, as a function of the respective cell temperature and the intensity of the global radiation, by optimising the series-connected solar cells. The modules or module rows thus formed are connected in parallel in order to produce the current level. The current level can be adapted as a function of the load by connecting or disconnecting individual modules or module rows. The voltage and the current level are matched in a step-by-step manner. This circuit can be used for small and large installations.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Solarzellen zum Halten eines vorgegebenen Spannungsbereichs mit verbrauchsabhägiger Anpassung der Stromstärke. Die Schaltungsanordnung optimiert, unter Berücksichtigung der Modultemperatur oder der geringen Globalstrahlung, die Zahl der zu einer Reihe geschalteten Solarzellen oder Module um einen vorgegebenen Spannungsbereich zu halten. Alle so gebildeten Reihen werden zur Stromstärkeerzeugung parallel geschaltet. Das Stromstärkeangebot wird durch Zu- oder Abschalten der Reihen dem Verbrauch angepaßt.The invention relates to a circuit arrangement for Solar cells for maintaining a specified voltage range with consumption-dependent adjustment of the current. The circuit arrangement optimized, taking into account the module temperature or the low global radiation, the Number of solar cells connected in a row or Modules to maintain a given voltage range. All rows formed in this way are used to generate current connected in parallel. The range of currents is or switching off the rows adapted to consumption.

Es ist bekannt, daß bei großen Anlagen eine variable Leistungsaufzweigung an die Ladeeinheit und die Verbraucher geschaltet werden kann. Außerdem ist die Anpassung des erzeugten Stromes an den Verbrauch durch Shunt- oder Serienregler bekannt. Ferner sind Anpassungswandler bekannt, die eine verbrauchsabhängige Stromstärke anpassung durch Spannungserhöhung erzeugen. Es kann außerdem durch Regler der Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden (z. B.: Taschenbuch: Praxis mit Solarzellen, Autor: Muntwyler, Verlag: Franzis).It is known that in large systems a variable Power distribution to the loading unit and the consumers can be switched. In addition, the adjustment of the generated electricity to the consumption by shunt or Series controller known. There are also adjustment converters known, which is a consumption-dependent current generate adaptation by increasing the voltage. It can also switched on or off by the consumer controller (e.g .: paperback: practice with solar cells, author: Muntwyler, published by Franzis).

Dabei wird ein bestimmter Arbeitsspannungsbereich trotz Zelltemperaturschwankungen durch eine erhöhte Zahl fest verschalteter Solarzellen oder Module erreicht. Die Spannungsschwankung durch zu geringe Globalstrahlung wird nicht berücksichtigt, oft fällt die Anlage im Winter durch zu geringe Ladespannung aus. Zur Auslegung einer Anlage wird für einen beliebigen Globalstrahlungswert die Stromstärkeerzeugung errechnet und entsprechend viele Module bzw. Modulreihen werden fest parallel geschaltet. Aber oft wird bei geringer Globalstrahlung die Ladespannung nicht erreicht, obwohl die Gesamtzahl der Module groß ist. A certain working voltage range is despite Cell temperature fluctuations are determined by an increased number interconnected solar cells or modules reached. The voltage fluctuation due to insufficient global radiation is not taken into account, the system often falls in winter due to insufficient charging voltage. For the design of a plant is for any Global radiation value calculated the current generation and a corresponding number of modules or rows of modules are fixed connected in parallel. But often it becomes less Global radiation does not reach the charging voltage, although the Total number of modules is large.

Die Differenz von erzeugter Stromstärke zur verbrauchten Stromstärke wird durch spezielle Regler vernichtet. Treten zu hohe oder zu niedrige Spannungen auf, so wird durch Regler der Verbraucher abgeschaltet. Der Anpassungswandler paßt zwar die Stromstärke dem Verbrauch durch Spannungserhöhung an, jedoch wird auch hier nicht verbrauchte Leistung durch Regler vernichtet oder außerhalb des Spannungsbereiches wird der Verbraucher abgeschaltet.The difference between the generated current and the consumed Current strength is destroyed by special regulators. If voltages that are too high or too low occur switched off by the consumer controller. The adaptation converter adapts the current to that Consumption due to voltage increase, however, too Power not consumed here destroyed by the controller or outside the voltage range, the consumer switched off.

Es kann die vom Solargenerator direkt erzeugte Leistung bei kleineren Anlagen nur zu- oder abgeschaltet werden.It can contribute directly to the power generated by the solar generator smaller systems can only be switched on or off.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine einfache Schaltung mit modulartigem Aufbau, abhängig von der jeweiligen Zelltemperatur und Intensität der Globalstrahlung, durch Optimierung der Zellenzahl einen vorbestimmten Spannungsbereich zu halten und die erzeugte Stromstärke verbrauchsabhängig anzupassen.The invention has for its object by a simple circuit with modular structure, depending on the respective cell temperature and intensity of the Global radiation, by optimizing the number of cells keep predetermined voltage range and the generated Adjust current depending on consumption.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß sie aus einer Parallelgrundschaltung mit mehreren parallel schaltbaren Modulen (1), sowie mehreren in Reihe schaltbaren Modulen (2) durch eine eigene Zuleitung (C) parallel geschaltet und der Umschaltvorrichtung (A), die das Modul (1) in Reihe mit dem Modul (2) zum Modul (1, 2) und dessen Ausgangsspannung an die Zuleitung (B) der gemeinsamen Parallelgrundschaltung schalten kann, aber auch die Module (2) in Reihe und die Ausgangsspannung des Moduls (1) an die in einer Richtung gesperrten Zuleitung (D) der gemeinsamen Parallelgrundschaltung schalten kann, weiter auch das Modul (1) in Reihe mit dem Modul (2) zum Modul (1, 2) und dessen Ausgangsspannung an die in einer Richtung gesperrten Zuleitung (D) der gemeinsamen Parallelgrundschaltung schalten kann und auch das Modul (1) oder das Modul (1, 2) von der Zuleitung (B) abschalten kann, besteht. This object is achieved according to the invention in that it is connected in parallel from a basic parallel circuit with a plurality of modules ( 1 ) which can be connected in parallel, and a plurality of modules ( 2 ) which can be connected in series by means of its own supply line (C) and the switching device (A) which connects the module ( 1 ) can be connected in series with the module ( 2 ) to the module ( 1, 2 ) and its output voltage to the supply line (B) of the common parallel basic circuit, but also the modules ( 2 ) in series and the output voltage of the module ( 1 ) which can switch the supply line (D) blocked in one direction of the common parallel basic circuit, further also the module ( 1 ) in series with the module ( 2 ) to the module ( 1, 2 ) and its output voltage to the supply line (D) blocked in one direction can switch the common parallel basic circuit and can also switch off the module ( 1 ) or the module ( 1, 2 ) from the supply line (B) .

Diese Schaltungsanordnung ist vergleichsweise einfach aufgebaut. Die zu einer Reihe geschalteten Module (2) sind Teil-Module gleicher Leistung. Zusammen haben sie die Leistung eines Moduls (1) und eine eigene Zuleitung (C) zum Punkt (3) der Parallelgrundschaltung. Die Anzahl der Teilmodule (2) entspricht der Zahl der Module (1) in einer Schaltungsanordnung. Zwischen den Modulen (1) muß die Zuleitung (D) so gestaltet sein, daß kein Kurzschlußstrom fließen kann. Die Anpassung der Spannung und der Stromstärke erfolgt stufenweise durch die Umschaltvorrichtungen (A) deren Zahl den Modulen (1) oder (2) entspricht. Die Umschaltvorrichtung (A) hat sechs Ein- und Ausgänge (a-f), so daß alle Schaltungskombinationen der angeschlossenen Module in Reihe und parallel möglich sind. Die Größe der Schaltschritte ist durch die Zahl der Teil-Module und der Module festgelegt, außerdem erhöhen sich die Schaltungskombinationen mit der Zahl der Module. Die Schaltvorgänge erfolgen einmal verbrauchsunabhängig durch Überwachung der Parameter Modul- und Umgebungs temperatur und Globalstrahlungsintensität zur Kompensation der dadurch eintretenden Spannungsschwankungen zum Halten eines verwertbaren Spannungsbereichs und auf der anderen Seite wird verbrauchsabhängig durch Überwachung des Stromstärkeverbrauchs die entsprechende Zahl der Module parallel zu- oder abgeschaltet. Zum Ändern der Schaltung wird die elektromechanische, elektronische, mechanische, oder manuelle Temperatur-, Stromstärke- und Spanungs überwachung durch manuelle, mechanische, elektro mechanische, elektronische, pneumatische, thermomechanische oder Flüssigkeits-Schalter umgesetzt. Das könnten beispielsweis zur Temperaturüberwachung Bimetallschalter und zur Stromstärkeüberwachung eine Fenterdiskri minatorschaltung mit Halterelais oder Programmschalter sein. Die oben beschriebene Schaltungsanordnung ist als Modul aufgebaut, so daß sie in beliebiger Zahl durch die Verknüpfungspunkte (4) parallel und in Reihe geschaltet werden kann. Es gilt sinngemäß die Schaltungsanordnung auch für Zellen und Generatoren. This circuit arrangement is comparatively simple. The modules ( 2 ) connected in a row are sub-modules of the same power. Together they have the power of a module ( 1 ) and their own supply line (C) to point ( 3 ) of the parallel basic circuit. The number of sub-modules ( 2 ) corresponds to the number of modules ( 1 ) in a circuit arrangement. Between the modules ( 1 ) the supply line (D) must be designed so that no short-circuit current can flow. The voltage and the current strength are adjusted in stages by the changeover devices (A), the number of which corresponds to the modules ( 1 ) or ( 2 ). The switching device (A) has six inputs and outputs (af) , so that all circuit combinations of the connected modules in series and in parallel are possible. The size of the switching steps is determined by the number of sub-modules and the modules, and the circuit combinations increase with the number of modules. The switching operations are carried out independently of consumption by monitoring the parameters of module and ambient temperature and global radiation intensity to compensate for the resulting voltage fluctuations to maintain a usable voltage range, and on the other hand, the corresponding number of modules is switched on or off in parallel by monitoring the current consumption. To change the circuit, the electromechanical, electronic, mechanical, or manual temperature, current and voltage monitoring is implemented by manual, mechanical, electromechanical, electronic, pneumatic, thermomechanical or liquid switches. For example, for temperature monitoring, bimetal switches and for current intensity monitoring, this could be a window discriminator circuit with holding relay or program switch. The circuit arrangement described above is constructed as a module, so that it can be connected in parallel and in series by any number of points ( 4 ). The circuit arrangement also applies analogously to cells and generators.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Schaltung immer nur so viele Zellen, entsprechend der Temperatur oder der Globalstrahlung, zu einer Reihe schaltet, um einen vorgegebenen Spannungsbereich zu halten. Die so variabel gebildeten Module werden parallel zur Stromstärkeerhöhung geschaltet. Die so geschalteten Generatoren erreichen eine maximale verwertbare Leistung. Durch Zu- oder Abschalten der Modul-Reihen wird eine schonende Stromstärkeanpassung erreicht. Die direkte Vernichtung von erzeugter Leistung wird so klein wie möglich gehalten. Diese Schaltung läßt sich für kleine und große Anlagen verwenden, da sie als Baustein entsprechend der Größe einer Anlage zusammengeschaltet werden kann.The advantages achieved with the invention exist especially in that the circuit only ever has so many Cells, according to the temperature or the Global radiation, switches to a series to keep the specified voltage range. The modules thus formed are parallel to Current increase switched. The generators switched in this way reach a maximum usable performance. By switching the module rows on or off, a gentle current adjustment achieved. The direct one Destruction of generated power is as small as kept possible. This circuit can be used for small and large systems use as a building block according to the size a system can be interconnected.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung (Seite 6) dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing (Page 6) and is described in more detail below described.

Zur Überwachung des vorbestimmten Spannungs- bzw. Stromstärkebereichs kann ein Fensterdiskriminator mit Thermostat und Meßzelle verwendet werden. Die Umsetzung der Schaltbefehle in der Schaltungsanordnung kann durch Halterelais oder Programmschalter erfolgen, da sie nur für den Schaltvorgang Strom benötigen. Es werden Modultemperatur und Globalstrahlungswert bei denen der Spannungsverlust kompensiert wird und die Grenzen des Arbeitsspannungsbereichs zur Steuerung der Stromstärke festgelegt.To monitor the predetermined voltage or A window discriminator can use the current range Thermostat and measuring cell can be used. The implementation the switching commands in the circuit arrangement can by Holding relays or program switches take place as they are only for the switching process need electricity. There are module temperature and global radiation value at which compensates for the loss of voltage and the limits the working voltage range to control the current fixed.

Die Schaltungsanordnung wird an einer 12-Volt-Anlage erklärt. Neben den üblichen Komponenten wie Laderegler, Entladeschutz usw., die natürlich von der Größe der Anlage abhängen, werden beispielsweise 3 Solarmodule (1) mit je 30 Zellen und 3 Solarmodule (2) mit je 10 Zellen zur Schaltung einer sinnvollen Einheit benötigt. The circuit arrangement is explained on a 12 volt system. In addition to the usual components such as charge controllers, discharge protection, etc., which of course depend on the size of the system, 3 solar modules ( 1 ) with 30 cells each and 3 solar modules ( 2 ) with 10 cells each are required to switch a sensible unit.

Bei durchschnittlicher Wetterlage, Globalstrahlung und Temperatur liegt die Ausgangsschaltung vor. Das ist eine Parallelschaltung der Module (1) und der in Reihe geschalteten Module (2). Jedes der vier parallel geschalteten Module hat nun 30 Zellen.The output circuit is available with average weather conditions, global radiation and temperature. This is a parallel connection of the modules ( 1 ) and the modules ( 2 ) connected in series. Each of the four modules connected in parallel now has 30 cells.

Bei hoher Modultemperatur oder geringer Globalstrahlung fällt die Spannung ab und es werden jeweils die Module (1) und (2) durch die Schalter (A) in Reihe und die so gebildeten Module mit je 40 Zellen parallel geschaltet. Fällt die Spannung weiter ab, so wird durch die Schalter (A) ein Modul (1) mit den Modulen (2) und die beiden Module (1) in Reihe und die so gebildeten Module mit je 60 Zellen parallel geschaltet.At high module temperature or low global radiation, the voltage drops and modules ( 1 ) and ( 2 ) are connected in series by switches (A) and the modules thus formed, each with 40 cells. If the voltage drops further, switches (A) switch a module ( 1 ) with the modules ( 2 ) and the two modules ( 1 ) in series and the modules thus formed, each with 60 cells.

Bei sehr geringer Globalstrahlung fällt die Spannung noch weiter ab. Durch die Schalter (A) werden nun alle Module mit insgesamt 120 Zellen in Reihe geschaltet.With very low global radiation, the voltage drops even further. With the switch (A) all modules with a total of 120 cells are now connected in series.

Ist die erzeugte Stromstärke zu groß, weil die Batterie fast geladen ist oder nicht alle Verbraucher angeschaltet sind, so werden nacheinander die Modulreihen durch die Schalter (A) abgeschaltet.If the generated current is too high because the battery is almost charged or not all consumers are switched on, the rows of modules are switched off one after the other using switches (A) .

Ein weiteres Beispiel für eine Temperaturkompensation sind Bimetallschalter oder pneumatische Schalter, die bei entsprechender Modultemperatur die Reihenschaltung der Solarzellen vergrößern oder verkleinern. Ziel war es, so wenig Schaltübergänge wie möglich zu verwenden, zur Verringerung der Spannungsverluste könnten auch Quecksilberschalter benutzt werden.Another example of temperature compensation are Bimetallic switches or pneumatic switches, which at appropriate module temperature the series connection of Enlarge or reduce solar cells. The goal was to reduce the number of switching transitions as possible could use to reduce voltage losses mercury switches can also be used.

Claims

1. Circuit arrangement for solar cells, characterized in that they are connected in parallel from a basic parallel circuit with a plurality of modules which can be connected in parallel ( 1 ) and a plurality of modules which can be connected in series ( 2 ) by means of their own supply line (C) and the switching device (A) which does Module ( 1 ) in series with the module ( 2 ) to the module ( 1, 2 ) and its output voltage to the supply line (B) of the common parallel basic circuit, but also the modules ( 2 ) in series and the output voltage of the module ( 1 ) can connect to the supply line (D) blocked in one direction of the common parallel basic circuit, further also the module ( 1 ) in series with the module ( 2 ) to the module ( 1, 2 ) and its output voltage to the supply line blocked in one direction ( D) can switch the common parallel basic circuit and can also switch off the module ( 1 ) or the module ( 1, 2 ) from the supply line (B) .

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized characterized that they themselves each in any number can be connected in parallel and in series.