DE4014534A1

DE4014534A1 - Solarladeregler

Info

Publication number: DE4014534A1
Application number: DE4014534A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwarz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1991-11-14

Description

Die Spannung, die ein Solarmodul abgibt ist Schwankungen unterworfen in Abhängigkeit von der Lichtintensität, der Temperatur des Solarmoduls und des entnommenen Stromes. Zur Kennzeichnung des Solarmodules gibt man eine Nennspannung an, bei der das Modul seine maximale Leistung abgibt. Im unteren Leistungsbereich (< 400 W) verwendet man aus Kostengründen Laderegler, die die Solarspannung über einen Transistor, ein Relais bzw. eine Diode direkt auf einen Akkumulator schalten, wobei die Nennspannung des Solarmodules immer um einige Volt höher ist, als die Ladespannung des Akkus.

Aufgrund der direkten Verbindung von Solarmodul mit dem Akku, fließt genau der Strom in den Akku, den das Solarmodul bei der momentanen Akkuladespannung abgeben kann (siehe Fig. 2).

Das Produkt aus dieser Ladespannung (Uo) und dem Strom (Io), ist die Leistung, die der Solarzelle zu dem Zeitpunkt entnommen wird. Diese Leistung ist jedoch ca. 20 bis 30% geringer als die Leistung, welche bei der Nennspannung (Ui) entnommen werden kann. Zusätzlich verschiebt sich dieses Leistungsoptimum bei Temperaturen < 20 Grad Celsius um ca. 80 mV/Grad nach oben, so daß vor allem in kühlen Jahreszeiten die Verluste noch zunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, im unteren Leistungsbereich eine kostengünstige elektronische Schaltung zu haben, die dieses Leistungsoptimum immer ausnutzt auch unter Berücksichtigung unterschiedlicher Temperaturen der Solarmodule.

Dies geschieht im vorhandenen Fall mittels eines Gleichspannungspulswandlers, dessen Ausgangsspannung (Uo) größer oder kleiner als seine Eingangsspannung (Ui) sein kann (Fig. 1). Wird der Schalter (S) geschlossen, fließt Strom in die Drossel (L) hinein, Energie wird gespeichert. Öffnet der Schalter (S) wieder, so gibt die Drossel alle Energie über die Diode (D) an den Kondensator (C) ab. Die Spannung am Kondensator ist abhängig vom Tastverhältnis:

Uo = Vt _* Ui/(1-Vt)

Uo: Ausgangsspannung
Vt: Tastverhältnis
Ui: Eingangs-/Solarspannung

Wie die Formel zeigt, kann Uo größer oder kleiner als Ui sein.

Eine Steuereinheit (SE) erzeugt eine gepulste Spannung, wobei das Tastverhältnis variiert, in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung, der Temperatur und dem Strom.

Die im Eingangsmeßfühler erfaßte und verstärkte Eingangsspannung ändert das Tastverhältnis in der Weise, daß mit zunehmender Eingangsspannung der Schalter (S) länger geöffnet bleibt. Damit gelangt mehr Energie in die Drossel (L), so daß nach Abschalten von (S) auch mehr Energie an den Kondensator gegeben wird. Damit wird der Ladestrom in den dahinter befindlichen Akku größer. Der größere Ladestrom bewirkt einen größeren Stromfluß aus der Solarzelle, dadurch sinkt die Solarspannung solange bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. Anhand der Dimensionierung des Eingangsmeßfühlers und dessen Regelverstärkers kann das Gleichgewicht auf die Nennspannung der Solarzelle eingestellt werden.

Ein in diesem Eingangsmeßfühler befindlicher Temperatur abhängiger Widerstand verändert gemäß der Solarzellentemperatur die Dimensionierung des Regelverstärkers, so daß sich bei niederen Temperaturen eine höhere Spannung (Ui) als die Nennspannung an der Solarzelle einstellt. Ebenso verändert sich die Spannung nach kleineren Werten, wenn die Temperatur ansteigt.

Über den zusätzlichen Kaskadeneingang (4) kann eine temperaturabhängige Spannung eines benachbarten Ladereglers anstelle der im Eingangsmeßfühler erzeugten Spannung herangenommen werden. Diese regelt dann die eigene Eingangsspannung (Ui) auf den gleichen Wert wie im benachbarten Laderegler, so daß es genügt, einen Temperaturfühler zur Erfassung der Solartemperatur zu haben, der mehrere Laderegler gleichzeitig regelt.

Im Zusammenhang mit der Stromregelung, welche es nicht zuläßt, daß ein Maximalstrom überschritten wird, lassen sich nun mehrere Laderegler an einem DC-Strang parallel betreiben. Wobei ein Temperaturfühler genügt, der führend für alle Solarzellenmodule ist. Da jeder Akku seinen eigenen Laderegler besitzt, erhöht sich die Betriebssicherheit wesentlich.

Die Stromregelung wirkt über den Ausgangsmeßfühler. Vor oder nach der Drossel wird eine stromabhängige Spannung abgegriffen und gesiebt. Sobald diese Spannung einen Wert übersteigt, gemäß den Spezifikationen des Ladereglers, überlagert sie das Signal im Ausgangsmeßfühler und gelangt verstärkt zur Steuereinheit (SE), dort verändert sich das Tastverhältnis nach kleineren Einschaltzeiten. Es fließt weniger Strom in den Akku, die Spannung (Ui) steigt an, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.

Der Ausgangsmeßfühler hat neben dem vorher beschriebenen Zweck die Aufgabe bei Erreichen der Ladeschlußspannung des Akkus nur noch soviel Strom in den Akku fließen zu lassen, daß Erhaltungsladung besteht.

Eine Spannung in Abhängigkeit von der Akkuspannung gelangt verstärkt auf die Steuereinheit (SE) und überlagert das Steuersignal des Eingangsmeßfühlers bei Erreichen der Ladeschlußspannung (Uo) am Akku derart, daß bei höherer Ladeschlußspannung das Tastverhältnis kleiner wird, dadurch verringert sich der Strom (Ii) und die Solarspannung (Ui) steigt solange an, bis sich ein Gleichgewicht, gemäß den Spezifikationen des Ladereglers eingestellt hat.

Claims

1. Ein Gleichspannungspulswandler beispielsweise mit einer Drossel (L) im Längszweig, einen elektronischen Schalter (S) im Querzweig dahinter und einer Diode (D) im Längszweig dahinter und einem Kondensator (C) im Querzweig hinter der Diode, wobei der Minuspol des Kondensators mit dem Pluspol der Solarzelle verbunden ist. Eine Solarspannung (Ui), angeschlossen am Eingang des Gleichspannungpulswandlers wird in Abhängigkeit von der Zellenzahl, Zellenspannung und vom Ladezustand eines am Ausgang angeschlossenen Akkus nach größeren oder kleineren Spannungswerten (Uo) gewandelt, wobei sich der Akku aufgrund der Diode im Längszweig, bei nicht vorhandener Solarspannung (Ui) am Eingang nicht entladen kann. (Fig. 1)

2. Eine elektronische Regelung innerhalb des Eingangsmeßfühlers, die aus der Solarspannung eine Regelgröße gewinnt, welche das Tastverhältnis zur Ansteuerung des elektronischen Schalters, in der Weise verändert, daß stets die Nennspannung (Ui) des Solarmodules erhalten bleibt, wobei das Produkt aus dieser Nennspannung und dem Strom (Ii), der aus dem Solarmodul in den Gleichspannungspulswandler hineinfließt, die maximale abgegebene Leistung (Pi) des Solarmodules ist. (Fig. 2)
Pi = Ui _* Ii

3. Ein Temperatureingang (2, 3) innerhalb des Eingangsmeßfühlers, der die Temperatur des Solarmodules erfaßt und die im Eingangsmeßfühler erzeugte Regelgröße so verändert, daß auch bei extremen Temperaturen ein Betrieb im Leistungsoptimum gewährleistet ist. Wobei der Laderegler zur kürzeren Leitungsführung des Temperaturfühlers im Klemmkasten des Solarmodules untergebracht werden kann.

4. Ein Kaskadeneingang (4) im Eingangsmeßfühler, der eine Temperaturanaloge Spannung (Ut) von anderen Eingangsmeßfühlern aufnehmen kann. Damit ist es möglich von einem Temperaturfühler mehrere Laderegler zu betreiben. Wobei die Temperatur eines von mehreren Solarmodulen bestimmend ist, für das Leistungsoptimum aller Solarmodule.

5. Eine elektronische Vorrichtung, die den Strom unmittelbar vor oder hinter der Drossel erfaßt. Die daraus gewonnene Regelgröße wirkt auf den Ausgangsmeßfühler erst bei Überschreiten eines Maximalstromwertes und regelt die Solarspannung (Ui) aus dem optimalen Leistungsbereich solange heraus, bis ein bestimmter Maximalstrom (Io) nicht mehr überschritten wird. Damit lassen sich mehrere Laderegler gleichzeitig an einem Solarmodul anschließen. Es kann keine Stromüberlastung auftreten.

6. Eine elektronische Regelung, die den Regelgrößen nach Anspruch 2 bis 5 eine weitere Regelgröße überlagert, die aus der Ausgangsspannung (Uo) gewonnen wird und nur bei Erreichen eines eingestellten Maximalwertes der Ausgangsspannung wirksam wird. Diese Regelgröße beeinflußt das Tastverhältnis derart, daß die Solarspannung (Ui) aus dem optimalen Leistungsbereich herausgeregelt wird, wodurch dem Solarmodul ein geringerer Strom entnommen wird, so daß eine maximale Ausgangsspannung (Uo) nicht überschritten wird.