DE4325436A1 - Verfahren zur Regelung photovoltaischer Solaranlagen und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung der Maximum-Power-Point-Regelung (MPP-Regelung) photovoltaischer Solaranlagen.

Die MPP-Regelung ist ein bekanntes Verfahren, um aus einer Solarzelle die maximal mögliche elektrische Energie entnehmen zu können. Einstrahlung und Zellentemperatur bestimmen den möglichen MPP. Der Hersteller der Solarzellen liefert für jeden Zellentyp entsprechende Kennlinienscharen. Herkömmliche MPP-Regler arbeiten u. a. in der Weise, daß die Solarzelle mit einer Grundfrequenz von einigen Kilohertz getaktet belastet wird und das Verhältnis von Einschaltzeit zu Pausenzeit so gewählt wird, daß es den optimalen dynamischen Lastwiderstand realisiert, um ein Maximum an Leistung entnehmen zu können. Die der Solarzelle auf diese Weise entnommenen Energie wird über einen DC/DC-Wandler, dessen Eingang in der oben beschriebenen Weise getaktet wird, auf das für die Gesamtanlage gewünschte Spannungsniveau gebracht und treibt einen Verbraucher bzw. lädt eine Batterie. Zur Ermittlung des MPP ist es bekannt, mit einem beliebigen Tastverhältnis zu beginnen, den Leistungswert zu speichern, das Tastverhältnis zu ändern und mit einem vorgegebenen Wert zu vergleichen. Entsprechend dem Ergebnis wird das Tastverhältnis erneut geändert und das Verfahren wird wiederholt. Außerdem ist es bekannt, mit Hilfe eines Sensors, der der gleichen Strahlung wie der Solargenerator ausgesetzt ist, den optimalen Eingangswiderstand des Gleichspannungswandlers zu errechnen und einzustellen. Das Meßergebnis des Sensors wird aber aufgrund der elektrischen Belastung des Arbeitsfeldes und dessen thermischen Eigenschaften nicht mit den tatsächlichen Werten übereinstimmen. Nachteilig ist weiterhin, daß die zur Ermittlung des MPP notwendige Elektronik relativ aufwendig und nach bisheriger Praxis nicht immer zuverlässig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für einen möglichst optimalen Betrieb photovoltaischer Solaranlagen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS) eingesetzt wird, in der die Kennlinienscharen der Solarmodule gespeichert werden. Durch ein Steuersignal der SPS schließt ein Schalter, z. B. ein FET, den Modul kurz. Der gemessene Kurzschlußstrom ist ein Maß für die eingestrahlte Leistung. Im anschließenden Meßtakt wird das Modul von der Last getrennt. Dieser Takt kann auch identisch mit der oben beschriebenen Pausenzeit zur Einstellung des dynamischen Lastwiderstandes sein. Auf diese Weise wird über die Leerlaufspannung die Modultemperatur ermittelt. Vorteilhaft gegenüber einer Pilotzelle ist hierbei, daß die durch die anliegende Last hervorgerufene Eigenerwärmung hierdurch miterfaßt wird. Mittels der beiden Meßwerte kann die SPS durch Vergleich mit dem im Speicher abgelegten Kennlinienfeld den optimalen Lastwiderstand errechnen und den dem Solarfeld nachgeschalteten DC/DC-Wandler über ein binäres oder analoges Signal auf das Leistungsmaximum regeln.

Am folgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt das Schaltschema zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein Solarmodul 1 ist über einen Schalter 4 (im Beispiel ein FET) mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Dem Wandler 5 ist als Last eine Batterie 6 nachgeschaltet. Über einen weiteren Schalter 3 (im Beispiel ein FET) kann das Modul 1 über einen Meßwiderstand 2 kurzgeschlossen werden. Eine frei programmierbare Steuerung 7 (SPS) steuert entsprechend dem vorgegebenen Programm die Schalter 3 und 4. Dabei mißt sie bei geschlossenem Schalter 3 den einstrahlungsproportionalen Kurzschlußstrom des Moduls in Form eines Spannungssignales über dem Meßwiderstand 2. Der zugehörige Meßeingang ist E1. Sind programmbedingt die Schalter 3 und 4 geöffnet, so mißt die SPS über ihren Eingang E2 die temperaturproportionale Leerlaufspannung des Moduls. Nunmehr kann die SPS durch Kennlinienvergleich den optimalen Lastwiderstand ermitteln und über den Ausgang A3 den DC/DC-Wandler 5 entsprechend ansteuern.

Die Ansteuerung der Schalter 3 und 4 erfolgt über die Ausgänge A1 und A2 der SPS.

Bezugszeichenliste

1 Solarmodul
2 Meßwiderstand
3 Schalter
4 Schalter
5 Wandler
6 Batterie
7 Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS).

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung photovoltaischer Solaranlagen mittels Maximum-Power-Point- Regelung, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Rechnersteuerung, vorzugsweise einer SPS (Speicher-Programmierbare-Steuerung), durch Kurzschlußstrommessung, Leerlaufspannungsmessung und Kennlinienvergleich der MPP (Maximum-Power-Point) ermittelt und mittels eines von der SPS abgegebenen Steuersignales der dynamische Lastwiderstand der Last durch Impulsbreitenmodulation entsprechend eingestellt und damit dem Solarmodul die maximale Leistung entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Verlusten die Meßzeit extrem klein, vorzugsweise im Minutentakt jeweils für 10 ms, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SPS statt des Steuersignals für den Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ein hochfrequentes Signal mit variablem Tastverhältnis entsprechend dem dynamisch optimalen Lastwiderstand zur direkten Ansteuerung eines Schalters zur Laderegelung der Batterie zur Verfügung stellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die SPS außer der MPP-Regelung die Ladesteuerung der Batterie übernimmt und diese damit vor Über- bzw. Tiefentladung schützt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Kurzschlußbetrieb belastbarer Strahlungssensor wie der Solarmodul getaktet wird, um gleiche Betriebsbedingungen zu erreichen.

6. Schaltungsanordnung zur Regelung photovoltaischer Solaranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarmodule (1) über einen Schalter (4) mit einem DC/DC-Wandler (5) verbunden sind und dem DC/DC-Wandler (5) eine Batterie (6) nachgeschaltet ist und daß mit einem Schalter (3) die Solarmodule (1) über einen Meßwiderstand (2) kurzgeschlossen werden und daß zwischen den Schaltern (3 und 4) und dem DC/DC-Wandler (5) eine SPS (7) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (4) in den DC/DC-Wandler (5) integriert ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (2) durch eine andere Strommeßeinrichtung, z. B. einen Hallsensor ersetzt wird.