DE4101594A1

DE4101594A1 - Solarladeregler ii

Info

Publication number: DE4101594A1
Application number: DE4101594A
Authority: DE
Inventors: Peter Schwarz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-05-07
Filing date: 1991-01-21
Publication date: 1992-07-23

Description

Die Spannung, die ein Solarmodul abgibt ist Schwankungen unterworfen in Abhängigkeit von der Lichtintensität, der Temperatur des Solarmodules und des entnommenen Stromes. Zur Kennzeichnung des Solarmodules gibt man eine Nennspannung an, bei der das Modul seine maximale Leistung abgibt. Im unteren Leistungsbereich (<1000 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, welche bei der Nennspannung (Ui) entnommen werden kann. Zusätzlich verschiebt sich dieses Leistungsoptimum bei Temperaturen <20°C um ca. 80 mV/Grad nach oben, sodaß 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 Gleichspannungs-Pulswandlers, dessen Ausgangspannung (Uo) kleiner als seine Eingangspannung (Ui) ist (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. Diese Schaltungsanordnung ist als Abwärtswandler bekannt. Damit lassen sich ein Wirkungsgrad von 94% erzielen.

Die Beziehung von Ausgangspannung zu Eingangspannung lautet:

Uo=Ui · vt

Vt=t1/T

Uo: Ausgangspannung,
Ui: Eingangspannung,
vt: Tastverhältnis,
t1: Leitendzeit des Schalters (S),
T: Periodendauer.

Eine Steuereinheit (SE) erzeugt eine gepulste Spannung, wobei das Tastverhältnis variiert, in Abhängigkeit von der Eingangspannung, der Ausgangspannung, der Temperatur oder dem Ausgangsstrom.

Die im Eingangsmeßfühler erfaßte und verstärkte Eingangspannung ändert das Tastverhältnis in der Weise, daß mit zunehmender Eingangspannung 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 temperaturabhängiger Widerstand (F) 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.

Bringt man den Temperaturfühler unmittelbar auf der Unterseite (Lötseite) der Baugruppe an, so spart man sich die Leitungsführung des Sensors und gleichzeitig spart diese Lösung Kosten, da kein Gehäuse benötigt wird (Fig. 3). Aus Messungen hat sich gezeigt, daß die Modultemperatur (T1) nur geringfügig höher ist (ca. 1 bis 2°C) als die Temperatur am Boden des Klemmkastens (T2). Aufgrund der Leistungsverluste, die bei 96% Wirkungsgrad und 100 W Leistung 4 W betragen, erwärmt sich das Gehäuse im Innern um ca. 8 bis 10°C (T3). Damit die Powerpoint-Regelung optimal funktioniert, muß dementsprechend die Dimensionierung angepaßt sein. Das heißt, die Schaltung muß auf die wirkliche Modultemperatur (T1) regeln. Um ein sicheres Arbeiten zu gewährleisten sollte deshalb die Schaltung auf ca. 10°C geringere Temperatur regeln.

Statt des Temperaturfühlers kann auch ein an der Akkuseite befindlicher Strommeßfühler herangezogen werden. Dies hat den Vorteil, daß Meßleitungen zum Solarmodul gespart werden und der Laderegler nicht im Klemmkasten untergebracht zu werden braucht. Der Strom in den Akku (Io) in Abhängigkeit von der Solarspannung (Ui) ist dann maximal, wenn sich die Solarspannung im Leistungsoptimum (Maximum Power Point=MPP) befindet.

Fährt nun der Arbeitspunkt (Ui) auf der Solarkennlinie in einem Zeitintervall auf oder ab, so steigt der Strom (Io) solange an, bis ein Maximalwert erreicht ist und wird bei überschreiten dieses Maximalwertes wieder geringer. Über einen Spitzenwertdetektor kann beispielsweise dieser Maximalwert festgehalten werden und der Arbeitspunkt auf diesen Wert eingefroren werden, bis ein neuer Meßzyklus (nach einigen Sekunden) den möglicherweise veränderten MPP neu mißt.

Der Ausgangsmeßfühler hat 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 nach der Subtraktion von -Uo 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 beispielsweise solange an, bis sich ein Gleichgewicht, gemäß den Spzifikationen des Ladereglers eingestellt hat.

Die Schaltung arbeitet in Erhaltungsladeregelung.

Claims

1. Ein Gleichspannungspulswandler beispielsweise mit einem elektronischen Schalter (S) im Längszweig, einer Drossel (L) im Längszweig dahinter und einer Diode (D) im Querzweig zwischen Schalter (S) und Drossel (L), sowie einem Kondensator (C) im Querzweig hinter der Drossel. Eine Solarspannung (Ui), angeschlossen am Eingang des Gleichspannungspulswandlers wird in Abhängigkeit von der Zellenzahl, Zellenspannung und vom Ladezustand eines am Ausgang angeschlossenen Akkus nach kleineren Spannungswerten (Uo) gewandelt.

2. Eine elektronische Regelung innerhalb des Eingangsmeßfühlers, die aus der Solarspannung (Ui) eine Regelgröße gewinnt, welche das Tastverhältnis zur Ansteuerung des elektronischen Schalters, in der Weise verändert, daß stets eine Nennspannung (Ui) des Solarmodules erhalten bleibt, die jedoch immer größer der Akkuspannung (Uo) ist, 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 Temperaturfühler (F), zum Eingangsmeßfühler, 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.

4. Eine praktische Ausführung des Prinzips wird zur Vereinfachung der Installation im Klemmkasten eines Solarmodules untergebracht. Dadurch kann der Temperaturfühler auf der Leiterplatte befestigt sein, ohne lange Leitungsführung. Um Kosten zu sparen werden auch 2 oder mehr Module von einem Laderegler geregelt.

5. Eine elektronische Vorrichtung, die den Strom unmittelbar hinter der Drossel erfaßt. Die daraus gewonnene Regelgröße kann anstelle der Temperatur, zur Regelung der Nennspannung (Ui) des Solarmodules herangezogen werden. Sie regelt die Solarspannung (Ui) solange in den optimalen Arbeitsbereich hinein, bis sich der Maximalstrom (Io) am Ausgang einstellt. Nach Erreichen des Spitzenwertes wird dieser Vorgang angehalten, bis nach einem Zeitintervall dieser Ablauf wiederholt wird.

6. Eine elektronische Regelung, die den Regelgrößen nach Anspruch 2 bis 5 eine weitere Regelgröße überlagert, die aus der Ausgangspannung (Uo) gewonnen wird und nur bei Erreichen eines eingestellten Maximalwertes der Ausgangspannung 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 Ausgangspannung (Uo) nicht überschritten wird (Erhaltungsladeregelung).