EP1418482A1 - Verfahren und Vorrichtung zur MPP regelung für Solarzellen - Google Patents

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EP1418482A1
EP1418482A1 EP20030023546 EP03023546A EP1418482A1 EP 1418482 A1 EP1418482 A1 EP 1418482A1 EP 20030023546 EP20030023546 EP 20030023546 EP 03023546 A EP03023546 A EP 03023546A EP 1418482 A1 EP1418482 A1 EP 1418482A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
amplifier
power
load
current source
gain
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20030023546
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Danilov
Klaus Kimmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Badische Stahl Engineering GmbH
Original Assignee
Badische Stahl Engineering GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Badische Stahl Engineering GmbH filed Critical Badische Stahl Engineering GmbH
Publication of EP1418482A1 publication Critical patent/EP1418482A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for adaptation electrical loads to a power source with if necessary alternating power source performance that allow the Current source to derive maximum load power from the load.
  • Photovoltaic cells convert incident sunlight through the release of positive and negative charge carriers in a doped semiconductor material in electrical energy. While the voltage tapped on solar cells is relatively independent of the Is light, there is a pronounced current intensity Dependence of the current that can be drawn from a load on the Intensity of the incident light radiation.
  • Fig. 1 shows schematically the relationship between current and voltage in a typical photovoltaic system (e.g. with Siemens SM 110 modules) for two different illuminance levels of solar radiation (100% (1000 W / m 2 ) and 50% (500 W / m 2 )).
  • a typical photovoltaic system e.g. with Siemens SM 110 modules
  • an operating point is set on the current-voltage characteristic of the solar cell for a given illuminance.
  • 1 also shows the characteristic curves for load resistances R L of 1.5 ⁇ , 2.8 ⁇ and 3.3 ⁇ .
  • a working point of the solar cell at approx. 10.5 V and approx. 6.9 A results at a load resistance of 1.5 ⁇ , ie a power P 1 of approx.
  • the solar cell characteristic curve depends also depend on the cell temperature. A higher solar cell temperature leads to lower performance and thus to one poorer efficiency. The efficiency indicates how much the amount of light radiated into usable electrical energy becomes. Commercial solar cells have depending on the cell type an efficiency of 8 to 14%.
  • DE 3 245 866 A1 specifies an MPP regulation in which between Solar generator and load resistor a controllable DC converter is provided which the solar cell voltage in converts an output voltage applied to the load resistor.
  • Current and voltage fluctuations on the input side of the Adjustment devices become more maximum for determining the point Power (MPP) used by each at the highest and at the lowest voltage the instantaneous value of the delivered Performance is determined and stored.
  • MPP point Power
  • a control device compares the stored performance values and adds them to the Maximum power related voltage as a setpoint to a conventional one Regulator for the DC converter. Since none targeted search for the maximum power is the working point the solar cell only on the best, found by chance Value set. It can therefore take a relatively long time before a corresponding change in the ambient conditions "optimal" working point is found.
  • DE 198 37 862 A1 relates to a solar module with an MPP controller which a DC-DC converter through a voltage detector is controlled with two switching thresholds, the switching thresholds are set such that the optimal operating point of the solar cell arrangement lies between the two switching thresholds.
  • the voltage detector compares the solar cell voltage with the two Switching thresholds and controls the DC-DC converter so that the source voltage continuously between the switch-on threshold and the switch-off threshold oscillates back and forth, with the optimal working point is run through.
  • the setting of the switching thresholds the order one to cover a wide range of radiation intensity, far must be apart, causing a strongly fluctuating Source voltage or source power occurs.
  • the optimal working point is run through, but the solar cell will not operated continuously in this optimal working point.
  • US 4,794,272 is a power controller for solar systems with a battery charger with which the maximum power is dependent of voltage and current changes on the source side or the load side of a DC-DC converter is determined.
  • the DC-DC converter is controlled via a pulse width control, the working point of the solar cell exclusively depending on the state of charge detected via the charging current the battery.
  • US 6 281 485 B1 discloses an MPP controller for solar cells.
  • the MPP controller periodically records the source voltage and the Load current and uses it to determine a source voltage change and a change in performance.
  • the sign of the Change in performance and the absolute value of the change in performance the control voltage of a DC-DC converter is changed.
  • the MPP circuit uses the sign of Source voltage change and power change the direction in which the operating point is to be shifted to a higher one To achieve performance.
  • the goal of this iterative approach is to the solar cell at the respective cell voltage with maximum To perform. Based on the absolute value of the change in performance it is determined whether the optimal working point is already was reached and no further working point shifts more should be done.
  • the object of the present invention is methods and devices specify to adapt electrical loads to a power source, where there is a sharp connection between one Control variable and the power source power output by the power source or the load power acting on the load to the power source in a simple way maximum load power to see about the load.
  • an MPP controller and a solar module can be specified.
  • the concept of the invention also includes the application of the above Process for controlling or regulating photovoltaic systems, especially of solar cells and solar panels as well as arrangements therefrom, the load in particular an ohmic load, a Battery or an accumulator, a charger, a rectifier, a Inverters, a transformer and / or another electrical Converter is.
  • the device according to the invention for adapting electrical loads to a current source has a differentiating device which differentiates an output signal (I Q , U Q ) from the current source according to the time (t).
  • the differentiating device supplies an output signal corresponding to the first derivative (dU Q / dt, dI Q / dt) or the second derivative (d 2 U Q / dt 2 , d 2 I Q / dt 2 ).
  • two simple 1st order differentiators can also be connected in series.
  • the differentiating device can be implemented analog and / or digital. It can get its supply voltage from the power source. The differentiation results in a sharp relationship between a control variable and the power source or load power.
  • a current source in the sense of the present invention is to be understood to mean all electrical signal sources, in particular those which deliver a current or voltage signal.
  • the power source may include solar cells, fuel cells, or other sources that provide electrical energy.
  • the relationship between current and voltage of the current source is usually described by a corresponding current-voltage characteristic curve, which characterizes the properties of the current source.
  • the power source generates maximum power source power (P Q ) at an optimal operating point.
  • the differentiating device is an amplifier downstream, at the output of which the load is applied and which Output signal of the differentiating device amplified.
  • the amplifier can have a linear or non-linear gain characteristic and in a linear and / or non-linear characteristic range operate. It can be with a constant or a variable gain (F) operated. It is possible, the amplifier in analog and / or digital or hybrid technology to realize. Amplifiers and differentiators can also together, e.g. on a semiconductor chip. advantageously, the amplifier has a high efficiency and a low power loss.
  • the amplifier is connected to the current source in such a way that the amplifier power (P v ) consumed by the amplifier is taken from the current source. It is expedient to connect the supply lines of the amplifier to the current source, where appropriate a corresponding adaptation of the source voltage to the required supply voltage of the amplifier is provided, for example by means of a voltage converter. Since a possible power consumption of the differentiating device can be neglected, the amplifier represents the main direct load of the current source.
  • the current source is loaded by the amplifier power (P v ) for amplifying the output signal of the differentiating device. Due to the relationship between current and voltage expressed in the characteristics of the current source, the output signal of the current source decreases when the current source is loaded by the amplifier. Due to this feedback between amplifier and current source, vibrations of the output signal (U A , I A ) of the amplifier can occur.
  • resonance effects can occur, and resonance oscillations can form at the output of the amplifier.
  • the resonance vibrations that occur due to the resonance effect can have certain characteristic frequencies.
  • the current source, differentiating device, amplifier and load form an oscillator. In the event of resonance, this vibrating system takes maximum power from the source, which occurs at the load as the maximum load power (P A ).
  • the power source is always operated at the optimal operating point (MPP).
  • the invention Because the occurrence of resonance vibrations in a vibratory System of fulfilling a relatively sharply defined Vibration condition depends on the invention Device when the output signal of the amplifier resonant vibrations has a simple removal of maximum Performance possible. The degree of amplification is thus expedient of the amplifier set such that the vibration condition is satisfied and resonance vibrations occur. Since the Vibrations of the amplifier output signal depending on Gain (F) of the amplifier in a relatively sharply limited Range of the gain, it is according to the invention very easy to set the required gain. In contrast to the prior art, the invention requires Device no time-consuming search of a maximum power in a relatively flat performance curve.
  • the current source can expediently be one or more photovoltaic Have cells (solar cells) or consist of them.
  • the Solar cells can be designed as solar panels.
  • a solar panel has a flat arrangement of interconnected solar cells on.
  • Preferred solar panels like the type SM 110 from Siemens are designed for a nominal voltage of 12 V, generate a Open circuit voltage of 17.5 V and a nominal power of 110 W. (rated power).
  • the device according to the invention Occurring periodic modulations of sunlight for generation of electrical power. These modulations have a complex spectrum with a resonance maximum.
  • This Modulated radiation contains energy that leads to an AC component of the signal generated by a solar cell as a current source leads. This AC component contributes to the excitation of the (Resonance) vibrations and is from the invention Device used.
  • the device advantageously has an adjusting device for the gain (F) of the amplifier on the amplifier acts.
  • the setting device can be set manually of the degree of amplification, for example via a potentiometer. It is particularly advantageous if the adjustment device a semi-automatic or automatic setting of the gain level performs. For example, you can use a electronic potentiometer act on the amplifier and the set the required gain, which is the vibration condition to obtain resonance vibrations at the amplifier output Fulfills.
  • the amplifier can also be a controllable one Preamplifier (VCA - Voltage Controlled Amplifier) and a line amplifier include with high efficiency.
  • VCA Controllifier
  • a practical one Design of the setting device provides means that change the gain (F) of the amplifier until resonant vibrations occur at the amplifier output.
  • a filter device between the output of the differentiator and the input of the amplifier.
  • the filter device filters the output signal of the amplifier according to a predetermined Pass characteristic, it being particularly advantageous, a Use bandpass filters to filter the amplifier input signal.
  • a bandpass filter With a bandpass filter, low-frequency interference, especially the mains frequency 50 Hz, and high-frequency noise can be suppressed in the excitation signal.
  • the bandpass filter Through the bandpass filter it also enables the frequencies of the resonance vibrations to influence and a sharp resonance of the vibrating System.
  • Advantageous bandpass filters are Krohn-Hite filters with corner frequencies of 20 Hz and 200 kHz.
  • a special one advantageous pass band is between 1.0 and 5.0 kHz.
  • a particularly suitable amplifier for amplifying the output signal the differentiating device is an operational amplifier.
  • Operational amplifiers are easy to wire, have one large gain range and have a high efficiency.
  • the device according to the invention can also be analog and / or digital amplifiers of one of the classes A to T or one have adaptive power MOSFET amplifiers.
  • Examples of preferred Amplifiers are the Tripath TA series audio amplifiers, especially the TA3020.
  • To resonate vibrations over a To enable a wide frequency range is a broadband amplifier advantageous.
  • a particularly useful transmission area is 10 Hz to 100 MHz.
  • the operating point of the amplifier can also be in a non-linear Range of its gain characteristic are what the setting the degree of reinforcement can be advantageous. Through the non-linear Operation of the amplifier can also use quasi-rectangular waveforms be achieved.
  • the setting device has a detection device which detects the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load and / or an electrical correlated with these powers Size (U A , I A ; U Q , I Q ) recorded.
  • the detection device can in particular the current and / or detect the voltage of the power source or the load by the to determine power source or load-side power.
  • the measurands can be detected by an appropriate sensor and before the determination of the service are preprocessed.
  • the measured variables recorded are filtered, smoothed and / or converted.
  • RMS values DC voltage quantities
  • an RMS converter is used become.
  • the equivalent direct voltage quantities can to be processed more easily, in particular to the degree of reinforcement of the amplifier.
  • Adjustment device Based on the size detected by the detection device Adjustment device the required degree of gain (F) of Adjust the amplifier.
  • the setting device expediently evaluates the detected size and determines the maximum of the detected Size or performance depending on the degree of amplification. Due to the sharp resonance condition that a vibratory system must be met, a pronounced occurs Maximum of power source or load side power on that simple is to be determined. The corresponding degree of reinforcement can can be easily determined.
  • the setting device expediently has a controller, or the output signals of the detection device as such or after signal processing as actual values and the degree of amplification of the amplifier regulates.
  • the device represents an MPP controller.
  • the controller of the setting device can be any analog and / or digital controller.
  • the control characteristic of the controller can advantageously the properties of the other components the device, in particular the properties of the amplifier, the power source and / or the load.
  • preferred Control characteristics are P, I, PI, PD, Log and Exp controllers.
  • the controller can also be adaptive and its characteristic and / or adjust parameters to the working conditions. Also one digital control of the gain factor, for example by a Microcontroller can be conveniently provided.
  • the controller is expediently designed such that it regulates the gain (F) of the amplifier in such a way that the load power (P A ) is maximized.
  • P A load power
  • maximum power is drawn from the current source via the load resistance, the gain level being able to be set particularly advantageously owing to the ability of the system to vibrate.
  • the controller can advantageously be designed as a maximum controller be, which has a setpoint generator, which is dependent a control value of the controller, in particular the degree of amplification (F), generates a setpoint for the control.
  • the setpoint generator can use the controller setpoint to set a dynamic setpoint for the controller to generate the maximum of the size to be controlled to investigate. For example, it is possible to set the dynamic setpoint based on the control value - gain (F) of the amplifier - to create.
  • the dynamic setpoint can expediently increase with continuous time as long as the manipulated value is one certain predetermined condition is met.
  • the default condition is preferably a limit value for the manipulated variable, which is from Controller is monitored.
  • the Maximum controller By increasing the control setpoint are also - as far as possible through the given control system -
  • the manipulated variable and the actual value of the controlled system increase. exceeds the manipulated value the specified limit value, the Maximum controller generates a setpoint that decreases over time.
  • the decreasing setpoint also reduces the manipulated variable and after a certain time meet the specified condition again, whereupon the maximum controller again generates an increasing setpoint.
  • Such a maximum controller automatically finds the maximum the size to be controlled or the actual value of the control system.
  • the variable to be controlled here the power source or load side power, approaches her in ascending and descending ramps maximum possible value. This approach is particularly important advantageous if the decrease in the setpoint is faster or steeper takes place as the increase in the setpoint.
  • Such a maximum regulator is per se, but not in connection with that used according to the invention Oscillation principle, known (DE 198 46 818 A1).
  • the setting device has a comparator which, at predetermined times, the value of one or more of the variables detected by the detection device (P Q , P A ; U Q , I Q ; U A , I A ) with the value compares the relevant size at the previous point in time and forms the respective difference value.
  • the difference in value of the size in question indicates the change in size with respect to the previous point in time. It shows whether, for example, the corresponding size has increased or decreased as a result of a change in the degree of amplification (F).
  • the difference value can be fed to the controller which, depending on the type of the detected quantity, controls the degree of amplification of the amplifier on the basis of the difference value in such a way that the load power (P A ) or the current source power (P Q ) is maximized. If, for example, the power increases as a result of a change in the degree of amplification, it is expedient to increase the degree of amplification further in order to determine the maximum power and the associated degree of amplification. Conversely, if the value of the quantity sensed by the detector or the output signal of the comparator drops, the controller can reduce the gain.
  • the controller can adjust the gain (F) of the amplifier preferably as a function of a change in the gain (F) at a previous point in time and the amount of the resulting change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) to change.
  • the controller increases the amplification level (F) of the amplifier if the amplification level (F) was increased during the previous change and the comparator detects a positive change in the current source power (P Q ).
  • the controller expediently reduces the gain (F) of the amplifier if the gain (F) was increased during the previous change and the comparator determines a negative change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ) or if the gain (F) was reduced during the previous change and the comparator determines a positive change in the current source power (P Q ) and / or the load power (P A ).
  • a particularly rapid setting of the degree of amplification of the amplifier can be achieved if the setting device has an optimization device that executes an optimization method.
  • the optimization method determines the maximum of the current source power (P Q ) emitted by the current source and / or the load power (P A ) absorbed by the load as a function of the degree of amplification (F).
  • P Q current source power
  • P A load power
  • F degree of amplification
  • Gradient method This is a particularly preferred iterative optimization method Gradient method (Newton method), which is the slope of the performance characteristic evaluates to determine the maximum power. Based on the increase in the performance curve in the current The working point will be increment and direction for the next change of the working point.
  • the gradient method evaluates the relationship between the manipulated variable (degree of amplification) and target size (performance) in the form of the corresponding partial Derivation from.
  • the setting device has a correction device which detects a parametric variable of the current source and delivers it to the controller in the form of an electrical correction signal.
  • the controller can emit a correspondingly corrected output signal or control signal for controlling the degree of amplification in order to carry out a correction of the degree of amplification taking into account the detected current source parameter.
  • the current source temperature (T Q ) can be taken into account when setting the degree of amplification.
  • Corresponding sensors for example a temperature sensor for detecting the solar cell temperature, can be provided for detecting the current source parameters.
  • the output signal rectified the amplifier.
  • the Inverter can from the oscillating amplifier output signal a sinusoidal alternating current for operation generated by appropriate loads. It is still possible the alternating current via a load transformer into a local and / or feed in public (line) network.
  • a load in particular an ohmic load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter may be provided.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides a symmetrical, bipolar arrangement of the solar panel, differentiation device, if necessary, filter device and amplifier.
  • the positive and the negative are connected by two-wire cabling Connection of a solar panel with the differentiating device connected.
  • the other components of the device can also connected by symmetrical bipolar two-wire wiring become.
  • the symmetrical feed allows amplifiers (Push-pull amplifier) with higher efficiency and larger Input and output resistance can be used.
  • a device according to the invention in particular an MPP controller
  • the components the device according to the invention can also be used entirely and / or partially realized by a microcomputer.
  • step (III) in the amplifier used Since the electrical amplifier power (P v ) required for amplification in step (III) in the amplifier used is taken from the current source, the amplifier is fed back to the current source, so that the amplified output signal has oscillations, in particular resonance oscillations.
  • an amplifier is used for amplification in step (III), the electrical amplifier power (P V ) that is consumed is not constant, but rather depends on the size of the amplified output signal (U A , I A ) and / or that in step (IV) Load-absorbed load power (P A ) is dependent, so that a time-changing load on the power source occurs.
  • step (II) In order to suppress interfering signal components, it is advantageous filter the derivative signal after step (II) and before step (III).
  • a particularly favorable excitation of the oscillating system can by filtering the signal to be amplified according to a predetermined one Bandpass pass characteristics can be achieved.
  • the reinforcement in step (III) is adjustable Gain (F) of the amplifier made to the feedback system to excite vibrations and the oscillation condition to fulfill.
  • the degree of reinforcement can the vibratory system, especially one Solar system, to the current working conditions, such as illuminance and load resistance.
  • the degree of reinforcement is advantageously set so that the vibration condition for the current working conditions.
  • the gain (F) is preferably set so that the load power (P A ) absorbed by the load is maximized.
  • the gain level is expediently set by an analog and / or digital controller, in particular a maximum value controller, which automatically determines a maximum value of the variable to be controlled.
  • An advantageous embodiment of the method provides that depending of a manipulated variable of the control, in particular the Gain (F), a setpoint for the control is generated. It is advisable to generate an increasing setpoint as long as the manipulated variable meets a specified condition, and in otherwise, to generate a time-decreasing setpoint.
  • the value of one or more of the variables P Q , P A , U Q , I Q , U A , I A can be compared with the value of the relevant variable at the previous point in time and the respective value Difference value are formed.
  • the degree of amplification is expediently controlled taking into account this difference value, which indicates the change in the corresponding variable compared to the previous point in time.
  • step (III) an optimization method can be used to maximize the load power (P A ) or the current source power (P Q ) taken up by the load by (iteratively) setting the gain (F).
  • Gradient methods that take into account the derivation of the power with regard to the variable to be set (degree of amplification) are particularly suitable for optimizing the power.
  • the gain (F) is set so that the Operating point of the amplifier in a nonlinear range of its Gain characteristic is.
  • the amplified output signal (U A , I A ) is expediently applied to an ohmic load, a battery or an accumulator, a charger, a rectifier, an inverter, a transformer or another electrical converter.
  • the concept of the invention shown is not limited to the illustrated embodiments, but covers the basic Principle of a current or signal source via an amplifier extract maximum power with oscillating output signal, the amplifier acting as a load on the source.
  • FIG. 4 schematically shows an exemplary embodiment of the device 1 according to the invention for adapting an electrical load 2 to a current source 3.
  • the electrical load 2 is adapted according to the claimed oscillation principle in order to obtain maximum load power P A from the current source 3 via the load 2 ,
  • the adaptation can take place with regard to a changing load impedance R L and / or a variable internal resistance R Q of the current source 3.
  • the current source 3 for example a solar cell arrangement (solar panel), can generate a changing current source power P Q depending on different conditions, for example environmental conditions.
  • current I Q and voltage U Q of a solar cell are dependent on the illuminance and the solar cell temperature T Q.
  • the device 1 has a differentiating device 4, which differentiates the output voltage U Q of the current source 3 according to the time t and supplies an output signal corresponding to the first derivative dU Q / dt or the second derivative d 2 U Q / dt 2 .
  • the differentiating device 4 forms the second derivative d 2 U Q / dt 2 of the voltage U Q of the current source.
  • the differentiating device 4 can be implemented, for example, by an appropriately connected operational amplifier.
  • a typical operational amplifier is an LN357N device, for example.
  • the differentiating device 4 is followed by a bandpass filter 7, which the output signal of the differentiator 4 after a filters predetermined bandpass characteristics to remove interference signals and a sharp resonance of the vibrating system too achieve.
  • the bandpass filter 7 can for example be a pass band of up to 5 kHz. The appropriate pass band is easy to determine, if necessary by simple experiments.
  • the output of the filter device 7 is connected to the signal input of an amplifier 5.
  • the supply voltage of the amplifier 5 or the amplifier power P v is taken from the current source 3.
  • a high-efficiency digital audio amplifier of the T-Class is preferably used. Such amplifiers have low distortion, low noise, a large dynamic range and high immunity to interference or noise from the supply voltage.
  • T-Class amplifiers consist of a CMOS signal processing section and a DMOS power transistor.
  • a preferred amplifier with high efficiency is the TA3020 from Tripath.
  • the voltage-controlled ST-VCA2 preamplifier from Radio Design Labs can be used to set the gain.
  • the degree of amplification F of the amplifier 5 is regulated by an adjusting device 8 in such a way that the load power P A which is supplied to the consumer 2 is maximized.
  • the setting device 8 has a detection device 10 which detects the current I A flowing through the load and the output voltage U A of the amplifier 5 falling across the load.
  • the detection device 10 can determine the load power P A consumed by the load by multiplying the current I A and the voltage U A. It is of course also possible to detect only the current I A or the voltage U A and to determine the load power P A only on the basis of the detected quantity. This is particularly advantageous when the load impedance R L is known and constant, since only one sensor is required to determine the load power P A. Even with a variable load impedance R L , the load power P A can be appropriately estimated. Instead of maximizing the load power P A , it is still possible to optimize one of the electrical variables (U A , I A ) correlated with the power.
  • the setting device 8 shown in FIG. 1 also has a comparator 6, which at predetermined times t i , for example every 100 ms, the value of the load power P A (t i ) determined by the detection device 10 with the value of the relevant variable compares P A (t i-1 ) at the previous point in time and forms a difference value ⁇ P A (t i ).
  • the difference value ⁇ P A (t i ) indicates the change in the load power P A with respect to the previous evaluation time t i-1 .
  • a positive difference value ⁇ P A (t i ) indicates that the load power P A has increased, for example as a result of a change in the gain F, and vice versa.
  • the difference value ⁇ P A is fed to a controller 9 which controls the degree of amplification F of the amplifier 5 on the basis of the difference value in such a way that the load power P A is maximized.
  • the controller 9 can, for example, the gain F (t i ) depending on a change in the gain ⁇ F (t i-1 ) at a previous time t i-1 and the amount of the resulting change in load power
  • a correction device 11 which detects the temperature T Q and supplies an electrical correction signal to the controller 9.
  • the correction device 11 it is possible, for example, to take into account the influence of the solar cell temperature T Q on the current-voltage characteristic curve of solar cells when setting the gain F.
  • the power source power P Q generated by the solar cell 13 drops with increasing solar cell temperature T Q. This can be compensated for by a corresponding increase in the gain F.
  • the amplifier 5 draws its supply voltage from the current source 3
  • the amplifier power P v picked up by the amplifier 5 is taken from the current source 3.
  • the current source 3 is loaded as a function of the amplifier output signal U A or the load power P A , and there is a feedback between the load 2 or amplifier 5 and the current source 3 which, with a suitable choice of the gain factor F, causes the output signal U A to oscillate Amplifier 5 leads.
  • the resonance effects that occur cause resonance vibrations at the amplifier output, which have certain characteristic frequencies.
  • the load power P A occurring at the load 2 can be maximized by evaluating a “sharp” characteristic curve.
  • the degree of amplification F of the amplifier 5 only has to be adjusted in the case of changed current source conditions or a changing load 2, so that the oscillation condition of the oscillator is further fulfilled.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of an inventive Device that has a symmetrical, bipolar arrangement has, as it is often used in solar technology.
  • the current source 3 has a plurality of solar panels 13 connected in series on. Due to the symmetrical arrangement of the solar panels 13 there is a positive / negative output voltage of, for example ⁇ 6 V or ⁇ 12 V available. To a higher rated power too achieve, other solar panels 13 can be connected in parallel.
  • the differentiating device 4 and the amplifier 5 are via a Corresponding symmetrical cabling with the current source 3 connected and suitable for processing bipolar signals. Due to the symmetrical arrangement of the Components can be high efficiency with high yield for the entire photovoltaic system can be achieved.
  • a rectifying device 12 is provided between the output of the amplifier 5 and the load 2, which rectifies the output current I A or the output voltage U A of the amplifier 5.
  • the load 2 can be operated with direct current or direct voltage, which is particularly advantageous for charging accumulators or batteries.
  • an alternating-current device can also be provided. This can be connected directly to the output of the amplifier 5 or to the output of the rectifying device 12.
  • the alternating current generated can also be fed into a local and / or public network via a load transformer. It is particularly advantageous to provide a three-phase inverter for this purpose.
  • the controller 9 controls the degree of amplification F of the amplifier 5.
  • the controller 9 is supplied with the current source power P Q determined by the detection device 10 or another variable correlated therewith.
  • the controller 9 can be designed, for example, as a maximum value controller, which generates a setpoint for the control as a function of the gain F.
  • a setpoint generator uses the gain factor to generate a setpoint that rises over time until the maximum power P Q drawn from the power source is achieved.
  • FIG. 6a shows an equivalent circuit diagram of a solar module according to the invention for a load analysis to explain the principle of operation.
  • the current source 3 is represented by an ideal current source with an impressed current I Q and an internal resistance R Q.
  • the current source 3 is loaded exclusively by the amplifier 5.
  • the amplifier 5 represents a variable load Rv for the current source 3 as a function of the power P v it consumes.
  • the voltage U A and the current I A occur on the output side of the amplifier 5.
  • the amplifier 5 is loaded by the load 2 with an impedance R L.
  • FIG. 6b shows an equivalent circuit diagram of a solar module according to the invention for signal consideration.
  • the amplifier 5 is shown as a connected operational amplifier (UU converter).
  • the current source voltage U Q present at the input of the device is differentiated twice by the differentiating device 4 according to the time t.
  • the voltage U A F ⁇ U V results at the amplifier output.
  • This non-linear differential equation of the second order for the voltage U A (t) at the output of the amplifier describes an oscillatory system consisting of current source 3, differentiation device 4, amplifier 5 and load 2.
  • the solutions of the differential equation correspond to complex vibrations.
  • resonance effects occur which lead to resonance vibrations of the amplifier output voltage U A.
  • the maximum power P Q is taken from the current source 3 and fed to the load.
  • the resonance frequencies of the oscillation of the output voltage U A of the amplifier are shown in the frequency diagram of FIG. 7. One can clearly see the pronounced maximum of the output voltage U A at a frequency of approximately 4.7 kHz.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a gain control, which automatically adjusts the gain level in this way F allows to oscillate at the amplifier output too achieve.
  • the detected actual value X for example the voltage U A or the power P A , optionally after smoothing or averaging, can be optionally standardized or scaled by a standardization device 14.
  • a maximum controller 15 determines a manipulated value Y for setting the degree of amplification F of the amplifier 5, a target variable correlated with the actual value, for example the load power P A , to be maximized.
  • the maximum controller 15 stores the current actual value X and the manipulated value Y at the time t.
  • the manipulated value Y is increased by the value dY at the time t + 1. This change in the manipulated variable changes the gain by dF, which also changes the voltage U A and the power P A.
  • the calculated manipulated variable Y to the gain characteristic of the amplifier 5 can be adjusted. This is conveniently done through a piecewise linear adaptation characteristic, e.g. is described by base pairs (Yi, Vi).
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of an experimental setup for examining the performance behavior of a device 1 according to the invention.
  • the aim of the experiments was to demonstrate a gain in the load power P A absorbed by a load resistor 2 by the impedance matching using the device 1 according to the invention.
  • a total of six identical solar panels 13 were used Sun aligned. Two panels were combined, so that three pairs of panels were available for measurement.
  • the first two pairs of panels (channels a and b) were switched 17a, 17b connected to the device 1 according to the invention.
  • the Device 1 had two independent channels, on their respective one Outputs were load resistors 2a, 2b.
  • the third pair of solar panels was used for the qualitative comparison measurement connected to a load resistor 2c via a switch 17c (Channel c).
  • a calorimetric measurement was carried out by recording the temperature profile of the load resistors 2a, 2b, 2c, each arranged on an aluminum block as a heat sink.
  • a temperature sensor 18a, b, c was arranged in a central bore in each heat sink, which measured the temperature Ta, Tb, Tc of the load resistor 2a, b, c.
  • the data of the temperature sensors 18a, 18b, 18c were recorded by a measuring device 19.
  • the voltages and currents of the load resistors 2a, 2b, 2c were recorded and recorded.
  • the switches 17a, 17b, 17c were turned on simultaneously switched on.
  • FIG. 10 shows the course of the current, the voltage and the temperature for the channels a, b, c.
  • the greater load power of the channels a, b is also evident in the temperature profile of the heat sink of the load resistors 2a, 2b.
  • the temperatures of these heat sinks rose significantly in the course of the measurement compared to the temperature of the heat sink of the load resistor 2c.
  • 11 shows further experimental results graphically.
  • the upper graphic shows the course of the recorded load power with and without the device according to the invention (MPP controller) for four Time ranges (ranges 1, 2, 3 and 4).
  • the graphic below shows that Ratio of the load power with device to the load power of the Reference channel. This performance ratio is for wide areas the measurement greater than one, which is a gain in performance by the invention Device means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle und gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, die es ermöglichen, der Stromquelle maximale Leistung zu entnehmen. Die Vorrichtung (1) weist auf: eine Differenziereinrichtung (4), die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle (3) nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d<2>UQ/dt<2>, d<2>IQ/dt<2>) entsprechendes Ausgangssignal liefert, und einen der Differenziereinrichtung (4) nachgeschalteten Verstärker (5), an dessen Ausgang die Last (2) anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung (4) verstärkt, wobei der Verstärker (5) derart mit der Stromquelle (3) verbunden ist, daß die vom Verstärker (5) aufgenommene Verstärker-Leistung (PV) der Stromquelle (3) entnommen wird, und das Ausgangssignal (UA, IA) des Verstärkers (5) Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist. Der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) wird vorzugsweise über eine Einstelleinrichtung (8) mit einem Regler (9) so geregelt, daß unter Resonanzbedingungen maximale Leistung entnommen wird (MPP-Regler). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, die es ermöglichen, der Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen.
Photovoltaische Zellen (Solarzellen) wandeln einfallendes Sonnenlicht durch die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem dotierten Halbleitermaterial in elektrische Energie. Während die an Solarzellen abgreifbare Spannung relativ unabhängig von der Lichteinstrahlung ist, besteht für die Stromstärke eine ausgeprägte Abhängigkeit des über eine Last entnehmbaren Stroms von der Intensität der einfallenden Lichtstrahlung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer typischen Photovaltaikanalge (z.B. mit Siemens-Modulen SM 110) für zwei unterschiedliche Beleuchtungsstärken der Sonneneinstrahlung (100 % (1000 W/m2) und 50 % (500 W/m2)). In Abhängigkeit von dem Lastwiderstand RL, mit dem die Solarzelle beschaltet ist, stellt sich für eine gegebene Beleuchtungsstärke ein Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie der Solarzelle ein. In Fig. 1 sind ferner die Kennlinien für Lastwiderstände RL von 1,5 Ω, 2,8 Ω und von 3,3 Ω dargestellt. Für eine Sonneneinstrahlung von 100 % ergibt sich bei einem Lastwiderstand von 1,5 Ω ein Arbeitspunkt der Solarzelle bei ca. 10,5 V und ca. 6,9 A, also eine Leistung P1 von etwa 72,5 W. Der Arbeitspunkt für die Sonneneinstrahlung von 100 % liegt andererseits für einen Lastwiderstand RL von 2,8 Ω bei ca. 17,5 V und ca. 6,3 A und entspricht dem Leistungsoptimum (Maximum Power Point - MPP). Die dem Photovoltaiksystem bei diesem Arbeitspunkt entnehmbare maximale Leistung PMAX1 beträgt somit etwa 110 W.
Bei einer Sonneneinstrahlung von nur 50 % liegt der Arbeitspunkt des Systems für den Lastwiderstand RL von 2,8 Ω bei ca.9,0 V und ca. 3,3 A, woraus sich nur eine Leistung P2 von etwa 30 W ergibt. Das Leistungsmaximum PMAX2 liegt für diese Kennlinie bei ca. 16,0 V und ca. 3,0 A und beträgt damit etwa 48 W. Hierfür wäre ein Lastwiderstand RL von etwa 5,3 Ω erforderlich. In Fig. 2 sind die entsprechenden Leistungs-Kennlinien des betrachteten Photovoltaiksystems mit den Leistungsmaxima PMAX1 und PMAX2 in Abhängigkeit von der Solarzellenspannung schematisch dargestellt.
Man erkennt aus den Fig. 1 und 2 unmittelbar, daß durch Fehlanpassung des Lastwiderstands ein mehr oder weniger erheblicher Teil der für eine gegebene Sonneneinstrahlung zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung nicht genutzt wird.
Um unter Praxisbedingungen die maximal mögliche Leistungsabgabe des Photovoltaiksystems durchgehend zu erzielen, ist folglich eine andauernde Anpassung des Lastwiderstands an die aktuelle Beleuchtungsstärke nötig. In dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel muß die Impedanz des Lastwiderstands für eine 50%ige Sonneneinstrahlung auf ca. 5,3 Ω erhöht werden, damit unter diesen Beleuchtungsbedingungen dem System maximale Leistung entnommen werden kann. In der Regel werden Solaranlagen jedoch für eine einzige Beleuchtungsstärke ausgelegt, so daß die Lastimpedanz für andere Beleuchtungsbedingungen nicht richtig angepaßt ist. Aufgrund dieser Fehlanpassung wird der Anlage die meiste Zeit über nicht die gesamte zur Verfügung stehende Leistung entnommen.
Außer von der Bestrahlungsstärke, die auf das Halbleitermaterial der Solarzelle trifft und die von der Bewölkung und der Verschmutzung der Zellenoberfläche beeinflußt wird, hängt die Solarzellenkennlinie auch von der Zellentemperatur ab. Eine höhere Solarzellentemperatur führt zu einer niedrigeren Leistung und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Kommerzielle Solarzellen haben je nach Zellentyp einen Wirkungsgrad von 8 bis 14 %.
Fig. 3 zeigt an einem Beispiel die Beleuchtungsstärke und ihre Schwankungen aufgrund von wechselnder Bewölkung im Verlauf eines Tages. Man kann deutlich die starken Schwankungen der Bestrahlungsstärke erkennen, die eine laufende Anpassung des Solarzellenarbeitspunktes erfordern, um der Solarzelle maximale Leistung entnehmen zu können.
Ein weiteres Problem beim Betrieb einer photovoltaischen Solaranlage kann durch wechselnde Verbraucherlasten entstehen. Insbesondere bei "Insellösungen", bei denen ein oder mehrere Verbraucher (z.B. Elektromotoren) direkt von einer Solaranlage betrieben werden, ändert sich bei einer wechselnden Last unmittelbar der Arbeitspunkt der Solaranlage. Auch beim direkten Laden eines Akkumulators beeinflußt der Akkumulatorinnenwiderstand, der vom Ladezustand abhängig ist, die von der Solarzelle erzeugte elektrische Leistung während des Ladevorgangs.
Um Solarzellen jeweils ihre aktuell maximal mögliche Leistung zu entnehmen und sie so optimal nutzen zu können, ist es bekannt, zwischen Solargenerator und Verbraucher eine Anpassungsvorrichtung zu schalten, welche die Impedanz des Verbrauchers adaptiv an den zeitlich wechselnden Innenwiderstand des Solargenerators anpaßt.
In DE 3 245 866 A1 ist eine MPP-Regelung angegeben, bei der zwischen Solargenerator und Lastwiderstand ein steuerbarer Gleichspannungswandler vorgesehen ist, der die Solarzellenspannung in eine am Lastwiderstand anliegende Ausgangsspannung wandelt. Strom- und Spannungsschwankungen auf der Eingangsseite der Anpassungsvorrichtung werden zur Ermittlung des Punktes maximaler Leistung (MPP) genutzt, indem jeweils bei der höchsten und bei der niedrigsten Spannung der Momentanwert der abgegebenen Leistung ermittelt und gespeichert wird. Eine Steuervorrichtung vergleicht die gespeicherten Leistungswerte und gibt die zu dem Leistungsmaximum gehörige Spannung als Sollwert an einen herkömmlichen Regler für den Gleichspannungswandler vor. Da keine gezielte Suche nach dem Leistungsmaximum erfolgt, wird der Arbeitspunkt der Solarzelle lediglich auf den besten, zufällig gefundenen Wert eingestellt. Es kann deshalb relativ lange dauern, bis nach einer Änderung der Umgebungsbedingungen ein entsprechender "optimaler" Arbeitspunkt gefunden wird.
DE 198 37 862 A1 betrifft ein Solarmodul mit einem MPP-Regler, bei dem ein Gleichspannungswandler durch einen Spannungsdetektor mit zwei Schaltschwellen gesteuert wird, wobei die Schaltschwellen derart festgelegt sind, daß der optimale Arbeitspunkt der Solarzellenanordnung zwischen den beiden Schaltschwellen liegt. Der Spannungsdetektor vergleicht die Solarzellenspannung mit den beiden Schaltschwellen und steuert den Gleichspannungswandler so, daß die Quellenspannung fortlaufend zwischen der Einschaltschwelle und der Ausschaltschwelle hin- und herpendelt, wobei jeweils der optimale Arbeitspunkt durchlaufen wird. Problematisch ist jedoch bei diesem Vorschlag das Festlegen der Schaltschwellen, die, um einen weiten Bereich der Bestrahlungsintensität abzudecken, weit auseinander liegen müssen, wodurch eine stark schwankende Quellenspannung bzw. Quellenleistung auftritt. Der optimale Arbeitspunkt wird zwar durchlaufen, die Solarzelle wird aber nicht kontinuierlich in diesem optimalen Arbeitspunkt betrieben.
In US 4 794 272 ist ein Leistungsregler für Solarsysteme mit Batterieladegerät angegeben, mit dem das Leistungsmaximum in Abhängigkeit von Spannungs- und Stromänderungen auf der Quellenseite oder der Lastseite eines Gleichspannungswandlers ermittelt wird. Die Ansteuerung des Gleichspannungswandlers erfolgt dabei über eine Pulsweitensteuerung, die den Arbeitspunkt der Solarzelle ausschließlich in Abhängigkeit vom über den Ladestrom erfaßten Ladezustand der Batterie einstellt.
US 6 281 485 B 1 offenbart einen MPP-Regler für Solarzellen. Der MPP-Regler erfaßt dazu periodisch die Quellenspannung und den Laststrom und ermittelt daraus durch Vergleich eine Quellenspannungsänderung und eine Leistungsänderung. In Abhängigkeit vom Vorzeichen der Quellenspannungsänderung, dem Vorzeichen der Leistungsänderung und dem Absolutwert der Leistungsänderung wird die Steuerspannung eines Gleichspannungswandlers verändert. Dabei wird von der MPP-Schaltung anhand des Vorzeichens von Quellenspannungsänderung und Leistungsänderung die Richtung festgelegt, in der der Arbeitspunkt zu verschieben ist, um eine höhere Leistung zu erzielen. Das Ziel dieses iterativen Vorgehens ist es, die Solarzelle bei der jeweils vorliegenden Zellenspannung mit maximaler Leistung zu betreiben. Anhand des Absolutwerts der Leistungsänderung wird ermittelt, ob bereits der optimale Arbeitspunkt erreicht wurde und keine weiteren Arbeitspunktverschiebungen mehr erfolgen sollen.
Da der in US 6 281 485 beschriebene MPP-Regler den Arbeitspunkt der Solarzelle mit konstanter Schrittweite verschiebt, kann es jedoch eine längere Zeit dauern, bis die MPP-Steuerung den optimalen Arbeitspunkt erreicht hat. Dies wird zudem dadurch erschwert, daß die Leistungs-Kennlinien von Solarzellen in Abhängigkeit von der Quellenspannung bzw. von einem Stellwert - der Steuerspannung des Gleichspannungswandlers - relativ flach sind. Ein Maximum der Leistungs-Kennlinie ist deshalb schwer zu ermitteln, und der tatsächliche Arbeitspunkt der Solarzellen pendelt, ähnlich wie gemäß der Lehre von DE 198 37 862, um den optimalen Arbeitspunkt hin und her. Dieses Problem wird weiterhin durch unvermeidbare Ungenauigkeiten und stets auftretendes Rauschen bei der Erfassung von Strom und Spannung verstärkt. Insbesondere eine Laststrommessung mit ausreichender Genauigkeit für die MPP-Regelung über einen weiten Bereich der zu erfassenden Ströme von beispielsweise 0 bis 25 A stellt hohe Anforderungen an den entsprechenden Sensor. Da die Richtung der Verschiebung des Arbeitspunkts vom Vorzeichen der Leistungsänderung bzw. der Laststromänderung festgelegt wird, können Strommeßfehler zu falschen Arbeitspunktverschiebungen und deshalb zu Problemen bei der Maximalwertsuche führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle anzugeben, bei denen ein scharfer Zusammenhang zwischen einer Steuergröße und der von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung bzw. der an der Last wirkenden Last-Leistung herangezogen wird, um der Stromquelle auf einfache Weise maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen. Insbesondere sollen ein MPP-Regler sowie ein Solarmodul angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungskonzepts.
Gemäß dem Erfindungskonzept weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen, auf:
  • eine Differenziereinrichtung, die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes Ausgangssignal liefert,
    und
  • einen der Differenziereinrichtung nachgeschalteten Verstärker, an dessen Ausgang die Last anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung verstärkt,
    • wobei der Verstärker derart mit der Stromquelle verbunden ist, daß die vom Verstärker aufgenommene Verstärker-Leistung der Stromquelle entnommen wird, und das Ausgangssignal (UA, IA) des Verstärkers Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
    Das Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung, um der Stromquelle maximale Last-Leistung über die Last zu entnehmen, umfaßt folgende Schritte:
  • (I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle oder einer damit korrelierten elektrischen Größe,
  • (II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2),
  • (III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und
  • (IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last,
    • wobei die zum Verstärken in Schritt (III) beim verwendeten Verstärker erforderliche elektrische Verstärker-Leistung der Stromquelle entnommen wird, so daß das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
    Das Erfindungskonzept umfaßt ferner die Anwendung des obigen Verfahrens zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus, wobei die Last insbesondere eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator und/oder ein anderer elektrischer Wandler ist.
    Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Anpassung elektrischer Lasten an eine Stromquelle weist eine Differenziereinrichtung auf, die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle nach der Zeit (t) differenziert. Die Differenziereinrichtung liefert ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes Ausgangssignal. Zur Bildung der zweiten Ableitung können auch zwei einfache Differenzierglieder 1-ter Ordnung in Serie geschaltet werden. Die Differenziereinrichtung kann analog und/oder digital realisiert werden. Sie kann ihre Versorgungsspannung von der Stromquelle beziehen. Durch die Differenzierung wird eine scharfe Relation zwischen einer Steuergröße und der Stromquellen- oder Last-Leistung erzielt.
    Unter einer Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle elektrischen Signalquellen zu verstehen, insbesondere solche, die ein Strom- oder Spannungssignal liefern. Die Stromquelle kann Solarzellen, Brennstoffzellen oder andere elektrische Energie liefernde Quellen aufweisen. Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung der Stromquelle wird meist durch eine entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinie beschrieben, welche die Eigenschaften der Stromquelle kennzeichnet. Abhängig von bestimmten Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Bestrahlungsstärke bei einer photovoltaischen Stromquelle, wird von der Stromquelle bei einem optimalen Arbeitspunkt maximale Stromquellen-Leistung (PQ) erzeugt.
    Der Differenziereinrichtung ist erfindungsgemäß ein Verstärker nachgeschaltet, an dessen Ausgang die Last anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung verstärkt. Der Verstärker kann eine lineare oder nichtlineare Verstärkungskennlinie aufweisen und in einem linearen und/ oder nichtlinearen Kennlinienbereich betrieben werden. Er kann mit einem konstanten oder einem variablen Verstärkungsgrad (F) betrieben werden. Es ist möglich, den Verstärker in analoger und/oder digitaler bzw. hybrider Technik zu realisieren. Verstärker und Differenziereinrichtung können auch gemeinsam, z.B. auf einem Halbleiterchip, vorgesehen werden. Vorteilhafterweise weist der Verstärker einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Verlustleistung auf.
    Der Verstärker ist derart mit der Stromquelle verbunden, daß die vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung (Pv) der Stromquelle entnommen wird. Es ist zweckmäßig, die Versorgungsleitungen des Verstärkers mit der Stromquelle zu verbinden, wobei gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung der Quellenspannung an die benötigte Versorgungsspannung des Verstärkers, z.B. durch einen Spannungswandler, vorgesehen ist. Da eine eventuelle Leistungsaufnahme der Differenziereinrichtung zu vernachlässigen ist, stellt der Verstärker die hauptsächliche direkte Last der Stromquelle dar. Durch die vom Verstärker aufgenommene Verstärkerleistung (Pv) zur Verstärkung des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung wird die Stromquelle belastet. Bedingt durch den in den Kennlinien der Stromquelle ausgedrückten Zusammenhang zwischen Strom und Spannung verringert sich das Ausgangssignals der Stromquelle bei Belastung der Stromquelle durch den Verstärker. Aufgrund dieser Rückkopplung zwischen Verstärker und Stromquelle können Schwingungen des Ausgangssignals (UA, IA) des Verstärkers entstehen.
    Bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors (F) können Resonanzeffekte auftreten, und am Ausgang des Verstärkers können sich Resonanzschwingungen bilden. Die aufgrund des Resonanzeffekts auftreten Resonanzschwingungen können bestimmte charakteristische Frequenzen aufweisen. Stromquelle, Differenziereinrichtung, Verstärker und Last bilden einen Oszillator. Im Resonanzfall entnimmt dieses schwingende System der Quelle maximale Leistung, die an der Last als maximale Last-Leistung (PA) auftritt. Die Stromquelle wird so immer im optimalen Arbeitspunkt (MPP) betrieben.
    Da das Auftreten von Resonanzschwingungen bei einem schwingungsfähigen System von der Erfüllung einer relativ scharf abgegrenzten Schwingungsbedingung abhängt, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers Resonanzschwingungen aufweist, eine einfache Entnahme maximaler Leistung möglich. Zweckmäßigerweise wird somit der Verstärkungsgrad des Verstärkers derart eingestellt, daß die Schwingungsbedingung erfüllt ist und Resonanzschwingungen auftreten. Da die Schwingungen des Verstärkerausgangssignals in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers in einem relativ scharf begrenzten Bereich des Verstärkungsgrads auftreten, ist es erfindungsgemäß sehr einfach, den erforderlichen Verstärkungsgrad einzustellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung keine aufwendige Suche eines Leistungsmaximums in einer relativ flachen Leistungs-Kennlinie.
    Auch eine wechselnde Last hat erfindungsgemäß keinen direkten Einfluß auf den sich ergebenden Arbeitspunkt der Stromquelle und die der Stromquelle entnommene Leistung. Solange die Schwingungsbedingung des Oszillators erfüllt ist, schwingt der Ausgang des Verstärkers, und maximale Leistung wird der Quelle entnommen und der Last zugeführt. Gegebenenfalls ist eine Anpassung des Verstärkungsgrades an einen veränderten Lastwiderstand notwendig, um die Schwingungsbedingung weiter zu erfüllen. Diese Nachführung des Verstärkungsgrades kann, wie bereits erläutert, relativ einfach durchgeführt werden.
    Die Stromquelle kann zweckmäßigerweise eine oder mehrere photovoltaische Zellen (Solarzellen) aufweisen oder daraus bestehen. Die Solarzellen können als Solarpanels ausgebildet sein. Ein Solarpanel weist eine flächige Anordnung von miteinander verschalteten Solarzellen auf. Bevorzugte Solarpanels wie der Typ SM 110 von Siemens sind für eine Nennspannung von 12 V ausgelegt, erzeugen eine Leerlaufspannung von 17,5 V und eine Nennleistung von 110 W (rated power). Um eine höhere Ausgangsspannung und/oder Leistung zu erzielen, ist es vorteilhaft, mehrere Solarpanels in Serie bzw. parallel zu schalten. Auf diese Weise können standardmäßige Ausgangsspannungen von beispielsweise 60 bis 220 V und Nennleistungen von einigen Kilowatt erzielt werden.
    Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch auftretende periodische Modulationen des Sonnenlichts zur Erzeugung von elektrischer Leistung genutzt werden. Diese Modulationen haben ein komplexes Spektrum mit einem Resonanzmaximum. Diese modulierte Strahlung enthält Energie, die zu einer AC-Komponente des von einer Solarzelle als Stromquelle erzeugten Signals führt. Diese AC-Komponente trägt zur Anregung der (Resonanz-)Schwingungen bei und wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt.
    Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung für den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers auf, die auf den Verstärker wirkt. Die Einstelleinrichtung kann eine manuelle Einstellung des Verstärkungsgrads, beispielsweise über ein Potentiometer, ermöglichen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung eine halbautomatische oder automatische Einstellung des Verstärkungsgrads durchführt. Sie kann dabei beispielsweise über ein elektronisches Potentiometer auf den Verstärker wirken und den erforderlichen Verstärkungsgrad einstellen, der die Schwingungsbedingung zum Erhalt von Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang erfüllt. Der Verstärker kann auch einen steuerbaren Vorverstärker (VCA ― Voltage Controlled Amplifier) und einen Leitungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad umfassen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Einstelleinrichtung sieht Mittel vor, die den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers so lange ändern, bis Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang auftreten.
    Um Störsignale zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, eine Filtereinrichtung zwischen dem Ausgang der Differenziereinrichtung und dem Eingang des Verstärkers vorzusehen. Die Filtereinrichtung filtert das Ausgangssignal des Verstärkers nach einer vorgegebenen Durchlaßcharakteristik, wobei es besonders vorteilhaft ist, ein Bandpaßfilter zum Filtern des Verstärkereingangssignals heranzuziehen. Durch ein Bandpaßfilter können niederfrequente Störungen, insbesondere die Netzfrequenz 50 Hz, und hochfrequentes Rauschen im Anregungssignal unterdrückt werden. Durch das Bandpaßfilter wird es auch ermöglicht, die Frequenzen der Resonanzschwingungen zu beeinflussen und eine scharfe Resonanz des schwingenden Systems zu erzielen. Vorteilhafte Bandpaßfilter sind Krohn-Hite-Filter mit Eckfrequenzen von 20 Hz und 200 kHz. Ein besonders vorteilhafter Durchlaßbereich liegt zwischen 1,0 und 5,0 kHz.
    Ein besonders geeigneter Verstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung ist ein Operationsverstärker. Operationsverstärker sind einfach zu beschalten, weisen einen großen Verstärkungsbereich auf und haben einen hohen Wirkungsgrad. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch analoge und/oder digitale Verstärker einer der Klassen A bis T oder einen adaptiven Power-MOSFET-Verstärker aufweisen. Beispiele für bevorzugte Verstärker sind die Tripath Audio-Verstärker der Serie TA, insbesondere der TA3020. Um Resonanzschwingungen über einen breiten Frequenzbereich zu ermöglichen, ist ein breitbandiger Verstärker von Vorteil. Ein besonders zweckmäßiger Übertragungsbereich beträgt 10 Hz bis 100 MHz. Es ist erfindungsgemäß aber auch möglich, Verstärker mit einer Bandbreite im Audiobereich vorzusehen, insbesondere von 20 Hz bis 40 kHz.
    Der Arbeitspunkt des Verstärkers kann auch in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegen, was für die Einstellung des Verstärkungsgrades vorteilhaft sein kann. Durch den nichtlinearen Betrieb des Verstärkers können auch quasi-rechteckige Schwingungsformen erzielt werden.
    Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Einstelleinrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, welche die von der Stromquelle abgegebene Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) und/oder eine mit diesen Leistungen korrelierte elektrische Größe (UA, IA; UQ, IQ) erfaßt.
    Die Erfassungseinrichtung kann insbesondere den Strom und/oder die Spannung der Stromquelle bzw. der Last erfassen, um die stromquellen- bzw. lastseitige Leistung zu ermitteln. Die Meßgrößen können von einem entsprechenden Sensor erfaßt und vor der Bestimmung der Leistung vorverarbeitet werden. Zweckmäßigerweise werden die erfaßten Meßgrößen gefiltert, geglättet und/ oder gewandelt. Insbesondere ist es von Vorteil, den erfaßten Strom und/ oder die erfaßte Spannung in entsprechende Gleichspannungsgrößen (Effektivwerte) zu wandeln. Hierzu kann u.a. ein RMS-Wandler eingesetzt werden. Die äquivalenten Gleichspannungsgrößen können einfacher weiterverarbeitet werden, insbesondere, um den Verstärkungsgrad des Verstärkers einzustellen.
    Anhand der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größe kann die Einstelleinrichtung den erforderlichen Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers einstellen. Die Einstelleinrichtung wertet zweckmäßigerweise die erfaßte Größe aus und bestimmt das Maximum der erfaßten Größe bzw. der Leistung in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad. Aufgrund der scharfen Resonanzbedingung, die für ein schwingungsfähiges System erfüllt sein muß, tritt ein ausgeprägtes Maximum der stromquellen- oder lastseitigen Leistung auf, das einfach zu ermitteln ist. Der entsprechende Verstärkungsgrad kann so auf einfache Weise bestimmt werden.
    Zweckmäßigerweise weist die Einstelleinrichtung einen Regler auf, der die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung als solche oder nach Signalverarbeitung als Istwerte erfaßt und den Verstärkungsgrad des Verstärkers regelt. In diesem Fall stellt die Vorrichtung einen MPP-Regler dar.
    Der Regler der Einstelleinrichtung kann ein beliebiger analoger und/oder digitaler Regler sein. Die Regelcharakteristik des Reglers kann vorteilhafterweise den Eigenschaften der übrigen Komponenten der Vorrichtung, insbesondere den Eigenschaften des Verstärkers, der Stromquelle und/ oder der Last, angepaßt werden. Bevorzugte Regelcharakteristiken sind P-, I-, PI-, PD-, Log- und Exp-Regler. Der Regler kann auch adaptiv sein und seine Kennlinie und/oder Parameter den Arbeitsbedingungen anpassen. Auch eine digitale Regelung des Verstärkungsfaktors, beispielsweise durch einen Mikrokontroller, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein.
    Der Regler ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß er den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers so regelt, daß die Last-Leistung (PA) maximiert wird. Auf diese Weise wird der Stromquelle maximale Leistung über den Lastwiderstand entnommen, wobei die Einstellung des Verstärkungsgrads bedingt durch die Schwingungsfähigkeit des Systems besonders vorteilhaft erfolgen kann.
    Der Regler kann vorteilhafterweise als Maximumregler ausgebildet sein, der einen Sollwertgenerator aufweist, welcher in Abhängigkeit von einem Stellwert des Reglers, insbesondere dem Verstärkungsgrad (F), einen Sollwert für die Regelung erzeugt. Der Sollwertgenerator kann anhand des Reglerstellwerts einen dynamischen Sollwert für den Regler erzeugen, um das Maximum der zu regelnden Größe zu ermitteln. Es ist beispielsweise möglich, den dynamischen Sollwert anhand des Reglerstellwertes - Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers - zu erzeugen. Der dynamische Sollwert kann zweckmäßigerweise mit fortlaufender Zeit ansteigen, solange der Stellwert eine bestimmte vorgegebene Bedingung erfüllt. Die vorgegebene Bedingung ist vorzugsweise ein Grenzwert für den Stellwert, der vom Regler überwacht wird. Durch das Ansteigen des Regelungssollwerts werden auch - soweit durch das gegebene Regelungssystem möglich - der Stellwert und der Istwert der Regelstrecke ansteigen. Überschreitet der Stellwert den vorgegebenen Grenzwert, so wird vom Maximumregler ein mit der Zeit abfallender Sollwert erzeugt. Durch den abnehmenden Sollwert wird auch der Stellwert kleiner und nach einer gewissen Zeit die vorgegebene Bedingung wieder erfüllen, worauf der Maximumregler erneut einen ansteigenden Sollwert erzeugt. Ein derartiger Maximumregler findet automatisch das Maximum der zu regelnden Größe bzw. des Istwerts des Regelsystems. Die zu regelnde Größe, hier die stromquellen- oder lastseitige Leistung, nähert sich in ansteigenden und abfallenden Rampen ihrem maximal möglichen Wert an. Diese Annäherung erfolgt besonders vorteilhaft, wenn die Abnahme des Sollwerts schneller bzw. steiler erfolgt als die Zunahme des Sollwerts. Ein solcher Maximumregler ist per se, jedoch nicht in Verbindung mit dem erfindungsgemäß angewandten Oszillationsprinzip, bekannt (DE 198 46 818 A1).
    Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Einstelleinrichtung einen Vergleicher auf, der zu vorgegebenen Zeitpunkten den Wert einer oder mehrerer der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größen (PQ, PA; UQ, IQ; UA, IA) mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt vergleicht und den jeweiligen Differenzwert bildet. Der Differenzwert der betreffenden Größe gibt die Änderung der Größe in bezug auf den vorhergehenden Zeitpunkt an. Er zeigt an, ob sich beispielsweise die entsprechende Größe infolge einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) vergrößert oder verringert hat. Der Differenzwert kann dem Regler zugeführt werden, der, je nach Art der erfaßten Größe, den Verstärkungsgrad des Verstärkers anhand des Differenzwerts so steuert, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird. Steigt beispielsweise die Leistung infolge einer Änderung des Verstärkungsgrads an, ist es zweckmäßig, den Verstärkungsgrad weiter zu erhöhen, um das Leistungsmaximum und den zugehörigen Verstärkungsgrad zu ermitteln. Umgekehrt kann der Regler, wenn der Wert der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Größe oder das Ausgangssignal des Vergleichers abfällt, den Verstärkungsgrad verringern.
    Der Regler kann den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorzugsweise in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ändern. Um das Maximum der Leistung zu finden, ist es zweckmäßig, daß der Regler den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers erhöht, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird. Der Regler verringert zweckmäßigerweise den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird.
    Eine besonders schnelle Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers kann erzielt werden, wenn die Einstelleinrichtung eine Optimierungseinrichtung aufweist, die ein Optimierungsverfahren ausführt. Das Optimierungsverfahren ermittelt das Maximum der von der Stromquelle abgegebenen Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der von der Last aufgenommenen Last-Leistung (PA) in Abhängigkeit vom Verstärkungsgrad (F). Zur Ermittlung des Maximums der Leistungs-Kennlinie sind eine Reihe bekannter Optimierungsverfahren geeignet. Aufgrund des komplexen Zusammenhangs zwischen Verstärkungsgrad und stromquellen- bzw. lastseitiger Leistung sind besonders iterative Optimierungsverfahren geeignet, die verschiedene Arbeitspunkte bzw. Verstärkungsfaktoren prüfen, um sich dem Maximum iterativ zu nähern.
    Ein besonders bevorzugtes iteratives Optimierungsverfahren ist das Gradientenverfahren (Newton-Verfahren), das die Steigung der Leistungs-Kennlinie auswertet, um das Leistungsmaximum zu bestimmen. Anhand der Steigerung der Leistungs-Kennlinie im aktuellen Arbeitspunkt werden Schrittweite und Richtung für die nächste Änderung des Arbeitspunkts festgelegt. Dabei wertet das Gradientenverfahren den Zusammenhang zwischen Stellgröße (Verstärkungsgrad) und Zielgröße (Leistung) in Form der entsprechenden partiellen Ableitung aus.
    Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Einstelleinrichtung eine Korrektureinrichtung auf, die eine parametrische Größe der Stromquelle erfaßt und in Form eines elektrischen Korrektursignals an den Regler liefert. Der Regler kann ein entsprechend korrigiertes Ausgangssignal bzw. Stellsignal zur Steuerung des Verstärkungsgrads abgeben, um eine Korrektur des Verstärkungsgrades unter Berücksichtigung des erfaßten Stromquellenparameters auszuführen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Stromquellen-Temperatur (TQ) bei der Einstellung des Verstärkungsgrades berücksichtigt werden. Dies ist besonders bei der Verwendung von Solarzellen als Stromquelle von Vorteil, da die Strom-Spannungs-Kennlinien von Solarzellen stark temperaturabhängig sind. Zur Erfassung der Stromquellenparameter können entsprechende Sensoren, beispielsweise ein Temperatursensor zur Erfassung der Solarzellentemperatur, vorgesehen sein.
    Um einen Verbraucher mit Gleichstrom bzw. Gleichspannung zu betreiben, kann zwischen dem Ausgang des Verstärkers und der Last eine Gleichrichteinrichtung vorgesehen sein, die das Ausgangssignal des Verstärkers gleichrichtet. Durch das Vorsehen einer Wechselrichteinrichtung kann aus dem schwingenden Verstärkerausgangssignal ein sinusförmiger Wechselstrom zum Betreiben von entsprechenden Lasten erzeugt werden. Es ist weiterhin möglich, den Wechselstrom über einen Lasttrafo in ein lokales und/ oder öffentliches (Leitungs-)Netz einzuspeisen. Als Last kann insbesondere eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator oder ein anderer elektrischer Wandler vorgesehen sein.
    Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine symmetrische, bipolare Anordnung von Solarpanel, Differenziereinrichtung, gegebenenfalls Filtereinrichtung und Verstärker vor. Durch eine Zweidrahtverkabelung werden der positive und der negative Anschluß eines Solarpanels mit der Differenziereinrichtung verbunden. Auch die anderen Komponenten der Vorrichtung können durch die symmetrische bipolare Zweidrahtverkabelung verbunden werden. Durch die symmetrische Einspeisung können Verstärker (Gegentakt-Verstärker) mit höherem Wirkungsgrad und größerem Ein- und Ausgangswiderstand verwendet werden.
    Eine Solarzelle oder mehrere Solarzellen als Stromquelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein MPP-Regler, können vorzugsweise auch als Solarmodul ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, daß Differenziereinrichtung, gegebenenfalls Filtereinrichtung, Verstärker und Einstelleinrichtung als eine Einheit, insbesondere als ein analoger und/oder digitaler Halbleiterchip, ausgebildet sind. Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch ganz und/oder teilweise durch einen Mikrocomputer realisiert werden.
    Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren erläutert, das die nachstehenden Schritte umfaßt:
  • (I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle oder einer damit korrelierten elektrischen Größe;
  • (II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2);
  • (III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und
  • (IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last.
    • Da die zum Verstärken in Schritt (III) beim verwendeten Verstärker erforderliche elektrische Verstärkerleistung (Pv) der Stromquelle entnommen wird, entsteht eine Rückkopplung des Verstärkers auf die Stromquelle, so daß das verstärkte Ausgangssignal Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
    Vorzugsweise wird zum Verstärken in Schritt (III) ein Verstärker verwendet, dessen aufgenommene elektrische Verstärkerleistung (PV) nicht konstant, sondern von der Größe des verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und/oder von der in Schritt (IV) von der Last aufgenommenen Last-Leistung (PA) abhängig ist, so daß eine zeitlich wechselnde Belastung der Stromquelle auftritt.
    Um störende Signalkomponenten zu unterdrücken, ist es vorteilhaft, das Ableitungssignal nach Schritt (II) und vor Schritt (III) zu filtern. Eine besonders günstige Anregung des oszillierenden Systems kann durch eine Filterung des zu verstärkenden Signals nach einer vorgegebenen Bandpaß-Durchlaßcharakteristik erzielt werden.
    Zweckmäßigerweise wird das Verstärken in Schritt (III) bei einstellbarem Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers vorgenommen, um das rückgekoppelte System zu Schwingungen anzuregen und die Oszillationsbedingung zu erfüllen. Durch das Verändern des Verstärkungsgrades kann das schwingungsfähige System, besonders ein Solarsystem, an die aktuellen Arbeitsbedingungen, wie Beleuchtungsstärke und Lastwiderstand, angepaßt werden. Der Verstärkungsgrad wird vorteilhafterweise so eingestellt, daß die Schwingungsbedingung für die aktuellen Arbeitsbedingungen erfüllt ist.
    Der Verstärkungsgrad (F) wird vorzugsweise so eingestellt, daß die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) maximiert wird. Die Einstellung des Verstärkungsgrads erfolgt zweckmäßigerweise durch einen analogen und/oder digitalen Regler, insbesondere einen Maximalwertregler, der automatisch einen maximalen Wert der zu steuernden Größe ermittelt.
    Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß in Abhängigkeit von einem Stellwert der Regelung, insbesondere dem Verstärkungsgrad (F), ein Sollwert für die Regelung erzeugt wird. Dabei ist es zweckmäßig, einen ansteigenden Sollwert zu erzeugen, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, und im anderen Falle einen zeitlich abfallenden Sollwert zu erzeugen.
    Zur Steuerung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers kann zu vorgegebenen Zeitpunkten der Wert einer oder mehrerer der Größen PQ, PA, UQ, IQ, UA, IA mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt verglichen und der jeweilige Differenzwert gebildet werden. Die Steuerung des Verstärkungsgrades erfolgt zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung dieses Differenzwerts, der die Änderung der entsprechenden Größe im Vergleich zum vorhergehenden Zeitpunkt angibt.
    In Schritt (III) kann ein Optimierungsverfahren angewandt werden, um durch (iterative) Einstellung des Verstärkungsgrades (F) die von der Last aufgenommene Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) zu maximieren. Besonders geeignet zur Optimierung der Leistung sind Gradientenverfahren, die die Ableitung der Leistung bezüglich der einzustellenden Größe (Verstärkungsgrad) berücksichtigen.
    Um parametrische Werte der Stromquelle, insbesondere die Temperatur der Stromquelle, bei der Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers zu berücksichtigen, können die Parameterwerte der Stromquelle durch entsprechende Sensoren erfaßt und für eine Korrektur des Verstärkungsgrades herangezogen werden.
    Vorzugsweise wird der Verstärkungsgrad (F) so eingestellt, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.
    Das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) wird zweckmäßigerweise an eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. einen Akkumulator, ein Ladegerät, einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Transformator oder einen anderen elektrischen Wandler angelegt.
    Das dargestellte Konzept der Erfindung beschränkt sich nicht auf die erläuterten Ausführungsformen, sondern erfaßt das grundsätzliche Prinzip, einer Strom- bzw. Signalquelle über einen Verstärker mit oszillierendem Ausgangssignal maximale Leistung zu entnehmen, wobei der Verstärker als Last auf die Quelle zurückwirkt.
    Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Beispiel für eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzellenanordnung;
  • Fig. 2 ein Beispiel für eine Leistungs-Kennlinie einer Solarzellenanordnung;
  • Fig. 3 ein Diagramm der Strahlungsintensität während des Verlaufs eines Tages;
  • Fig. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • Fig. 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • Fig. 6a ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls für eine Lastbetrachtung zur Erläuterung der Erfindung;
  • Fig. 6b ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls für eine Signalbetrachtung zur Erläuterung der Erfindung;
  • Fig. 7 ein Frequenzdiagramm einer am Verstärkerausgang auftretenden Schwingung;
  • Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Regelung des Verstärkungsgrades F;
  • Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus;
  • Fig. 10 graphische Darstellungen zum Verlauf von Strom, Spannung und Temperatur eines Meßwiderstands und
  • Fig. 11 graphische Darstellungen einer experimentellen Auswertung.
    • Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Anpassung einer elektrischen Last 2 an eine Stromquelle 3. Die Anpassung der elektrischen Last 2 erfolgt nach dem beanspruchten Oszillationsprinzip, um der Stromquelle 3 maximale Last-Leistung PA über die Last 2 zu entnehmen. Die Anpassung kann im Hinblick auf eine wechselnde Lastimpedanz RL und/ oder einen veränderlichen Innenwiderstand RQ der Stromquelle 3 erfolgen.
    Die Stromquelle 3, beispielsweise eine Solarzellenanordnung (Solarpanel), kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bedingungen, z.B. Umgebungsbedingungen, eine wechselnde Stromquellen-Leistung PQ erzeugen. So sind beispielsweise Strom IQ und Spannung UQ einer Solarzelle von der Beleuchtungsstärke und der Solarzellentemperatur TQ abhängig.
    Die Vorrichtung 1 weist eine Differenziereinrichtung 4 auf, welche die Ausgangsspannung UQ der Stromquelle 3 nach der Zeit t differenziert und ein der ersten Ableitung dUQ / dt oder der zweiten Ableitung d2UQ / dt 2 entsprechendes Ausgangssignal liefert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Differenziereinrichtung 4 die zweite Ableitung d 2 UQ / dt 2 der Spannung UQ der Stromquelle. Die Differenziereinrichtung 4 kann beispielsweise durch einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker realisiert werden. Ein typischer Operationsverstärker ist beispielsweise ein LN357N-Baustein.
    Der Differenziereinrichtung 4 ist ein Bandpaßfilter 7 nachgeschaltet, welches das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung 4 nach einer vorgegebenen Bandpaßcharakteristik filtert, um Störsignale zu entfernen und eine scharfe Resonanz des schwingenden Systems zu erzielen. Das Bandpaßfilter 7 kann beispielsweise einen Durchlaßbereich von bis zu 5 kHz aufweisen. Der geeignete Durchlaßbereich ist, gegebenenfalls durch einfache Versuche, leicht zu ermitteln.
    Der Ausgang der Filtereinrichtung 7 ist mit dem Signaleingang eines Verstärkers 5 verbunden. Die Versorgungsspannung des Verstärkers 5 bzw. die Verstärker-Leistung Pv wird der Stromquelle 3 entnommen. Vorzugsweise wird ein digitaler Audioverstärker der T-Klasse mit hohem Wirkungsgrad verwendet. Derartige Verstärker weisen eine geringe Verzerrung, geringes Rauschen, einen großen Dynamikbereich und eine hohe Störfestigkeit gegenüber Störungen oder Rauschen der Versorgungsspannung auf. Verstärker der T-Klasse bestehen aus einem CMOS-Signalverarbeitungsteil und einem DMOS-Leistungstransistor. Ein bevorzugter Verstärker mit hohem Wirkungsgrad ist der Baustein TA3020 von Tripath. Zur Einstellung des Verstärkungsgrades kann beispielsweise der spannungsgesteuerte Vorverstärker ST-VCA2 von Radio Design Labs eingesetzt werden.
    Der Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5 wird von einer Einstelleinrichtung 8 derart geregelt, daß die Last-Leistung PA, die dem Verbraucher 2 zugeführt wird, maximiert wird. Um die von der Last 2 aufgenommene Last-Leistung PA zu erfassen, weist die Einstelleinrichtung 8 eine Erfassungseinrichtung 10 auf, die den durch die Last fließenden Strom IA und die an der Last abfallende Ausgangsspannung UA des Verstärkers 5 erfaßt. Die Erfassungseinrichtung 10 kann durch Multiplikation des Stroms IA und der Spannung UA die von der Last aufgenommene Last-Leistung PA ermitteln. Es ist selbstverständlich auch möglich, nur den Strom IA oder die Spannung UA zu erfassen und die Last-Leistung PA nur anhand der erfaßten Größe zu bestimmen. Dies ist insbesondere bei bekannter und konstanter Lastimpedanz RL vorteilhaft, da nur ein Sensor zur Ermittlung der Last-Leistung PA benötigt wird. Auch bei variabler Lastimpedanz RL kann die Last-Leistung PA geeignet abgeschätzt werden. Anstatt die Last-Leistung PA zu maximieren, ist es weiterhin möglich, eine der mit der Leistung korrelierten elektrischen Größen (UA, IA) zu optimieren.
    Die in Fig. 1 gezeigte Einstelleinrichtung 8 weist weiter einen Vergleicher 6 auf, der zu vorgegebenen Zeitpunkten ti, beispielsweise alle 100 ms, den Wert der von der Erfassungseinrichtung 10 ermittelten Last-Leistung PA (ti) mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt PA (ti-1) vergleicht und einen Differenzwert ΔPA (ti) bildet. Der Differenzwert ΔPA (ti) gibt die Änderung der Last-Leistung PA in bezug auf den vorhergehenden Auswertezeitpunkt ti-1 an. Ein positiver Differenzwert ΔPA (ti) zeigt an, daß die Last-Leistung PA zugenommen hat, beispielsweise infolge einer Änderung des Verstärkungsgrades F, und umgekehrt.
    Der Differenzwert ΔPA wird einem Regler 9 zugeführt, der den Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5 anhand des Differenzwerts derart steuert, daß die Last-Leistung PA maximiert wird. Der Regler 9 kann beispielsweise den Verstärkungsgrad F (ti) in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads ΔF (ti-1) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt ti-1 und dem Betrag der daraus resultierenden Last-Leistungsänderung |ΔPA (ti)| einstellen.
    Um den Einfluß der Zellentemperatur TQ auf die Kennlinie der Stromquelle 3 zu berücksichtigen, ist eine Korrektureinrichtung 11 vorgesehen, welche die Temperatur TQ erfaßt und ein elektrisches Korrektursignal an den Regler 9 liefert. Durch die Korrektureinrichtung 11 ist es beispielsweise möglich, bei der Einstellung des Verstärkungsgrades F den Einfluß der Solarzellentemperatur TQ auf die Strom-Spannungs-Kennlinie von Solarzellen zu berücksichtigen. Bekanntermaßen fällt mit ansteigender Solarzellentemperatur TQ die von der Solarzelle 13 erzeugte Stromquellen-Leistung PQ. Dies kann durch eine entsprechende Erhöhung des Verstärkungsgrads F kompensiert werden.
    Da der Verstärker 5 seine Versorgungsspannung von der Stromquelle 3 bezieht, wird die vom Verstärker 5 aufgenommene Verstärker-Leistung Pv der Stromquelle 3 entnommen. Die Stromquelle 3 wird in Abhängigkeit vom Verstärkerausgangssignal UA bzw. der Last-Leistung PA belastet, und es entsteht eine Rückkopplung zwischen Last 2 bzw. Verstärker 5 und Stromquelle 3, die bei geeigneter Wahl des Verstärkungsfaktors F zu Schwingungen des Ausgangssignals UA des Verstärkers 5 führt. Durch auftretende Resonanzeffekte entstehen am Verstärkerausgang Resonanzschwingungen, die bestimmte charakteristische Frequenzen aufweisen.
    Die Fig. 7 zeigt ein Frequenzdiagramm einer typischen am Verstärkerausgang auftretenden Resonanzschwingung. Man erkennt deutlich das ausgeprägte Frequenzmaximum bei 4,7 kHz. Im Resonanzfall entnimmt dieses schwingende System der Quelle maximale Leistung, die als Last-Leistung PA am Verbraucher 2 zur Verfügung steht. Ein weiteres Maximum der Schwingung am Verstärkerausgang liegt bei 12,3 kHz.
    Da das Auftreten von Resonanzschwingungen am Verstärkerausgang einfach zu erfassen ist, kann die Maximierung der an der Last 2 auftretenden Last-Leistung PA durch das Auswerten einer "scharfen" Kennlinie erfolgen. Eine aufwendige Ermittlung des Leistungsmaximums einer relativ flachen Leistungs-Kennlinie, wie sie nach dem Stand der Technik erfolgt, ist nicht erforderlich. Der Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5 muß nur bei veränderten Stromquellenbedingungen oder einer wechselnden Last 2 nachgeführt werden, damit die Schwingungsbedingung des Oszillators weiter erfüllt ist.
    Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine symmetrische, bipolare Anordnung aufweist, wie sie in der Solartechnik oftmals verwendet wird.
    Die Stromquelle 3 weist mehrere in Serie geschaltete Solarpanels 13 auf. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Solarpanels 13 steht eine positive/negative Ausgangsspannung von beispielsweise ± 6 V oder ± 12 V zur Verfügung. Um eine höhere Nennleistung zu erzielen, können weitere Solarpanels 13 parallel geschaltet werden.
    Die Differenziereinrichtung 4 und der Verstärker 5 sind über eine entsprechende symmetrische Verkabelung mit der Stromquelle 3 verbunden und zur Verarbeitung von bipolaren Signalen geeignet. Durch die in der Solartechnik übliche symmetrische Anordnung der Komponenten kann ein hoher Wirkungsgrad mit hoher Ausbeute für das gesamte Photovoltaik-System erzielt werden.
    Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und der Last 2 ist eine Gleichrichteinrichtung 12 vorgesehen, die den Ausgangsstrom IA bzw. die Ausgangsspannung UA des Verstärkers 5 gleichrichtet. Auf diese Weise kann die Last 2 mit Gleichstrom bzw. Gleichspannung betrieben werden, was besonders zum Laden von Akkumulatoren bzw. Batterien vorteilhaft ist. Um sinusförmige Wechselströme zu erzeugen, kann auch eine Wechselrichteinrichtung vorgesehen sein. Diese kann direkt mit dem Ausgang des Verstärkers 5 oder mit dem Ausgang der Gleichrichteinrichtung 12 verbunden sein. Der erzeugte Wechselstrom kann auch über einen Lasttrafo in ein lokales und/oder öffentliches Netz eingespeist werden. Besonders vorteilhaft ist es, dazu einen dreiphasigen Wechselrichter vorzusehen.
    In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel regelt der Regler 9 den Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5. Dem Regler 9 wird dazu die von der Erfassungseinrichtung 10 ermittelte Stromquellen-Leistung PQ oder eine andere damit korrelierte Größe zugeführt. Der Regler 9 kann beispielsweise als Maximalwertregler ausgebildet sein, der in Abhängigkeit von dem Verstärkungsgrad F einen Sollwert für die Regelung erzeugt. Ein Sollwertgenerator generiert anhand des Verstärkungsfaktors einen mit fortlaufender Zeit ansteigenden Sollwert, bis das Maximum der von der Stromquelle entnommenen Leistung PQ erzielt wird.
    Die Fig. 6a zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls für eine Lastbetrachtung zur Erläuterung des Funktionsprinzips. Die Stromquelle 3 wird dazu durch eine ideale Stromquelle mit eingeprägtem Strom IQ und einem Innenwiderstand RQ dargestellt. Am Ausgang der Stromquelle 3 tritt die Spannung UQ = IQ · RQ auf.
    Da die Leistungsaufnahme der Differenziereinrichtung 4 gegenüber der vom Verstärker aufgenommenen Leistung Pv zu vernachlässigen ist, wird die Stromquelle 3 ausschließlich durch den Verstärker 5 belastet. Für die Stromquelle 3 stellt der Verstärker 5 in Abhängigkeit von der von ihm aufgenommenen Leistung Pv eine variable Last Rv dar. Auf der Ausgangsseite des Verstärkers 5 treten die Spannung UA und der Strom IA auf. Der Verstärker 5 wird durch die Last 2 mit einer Impedanz RL belastet.
    Da der Innenwiderstand RQ der Stromquelle 3 in der Regel sehr viel größer als der Widerstand Rv des Verstärkers ist, gilt näherungsweise: PV = IQ 2 · RV. Auf der Verstärkerausgangsseite ergibt sich PA = UA · IA = UA 2 RL für die Last-Leistung. Unter der Annahme eines verlustlos arbeitenden Verstärkers mit 100 % Wirkungsgrad gilt: PA = PV .
    Somit kann der Widerstand RV des Verstärkers bestimmt werden: RV = UA 2 IQ 2 · RL .
    Die Fig. 6b zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Solarmoduls für eine Signalbetrachtung. Zum Zwecke einer einfachen Erläuterung wird der Verstärker 5 als beschalteter Operationsverstärker (U-U-Wandler) dargestellt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 5 gemäß dieser Beschaltung zu F ist F = UA UV .
    Die am Eingang der Vorrichtung anliegende Stromquellen-Spannung UQ wird von der Differenziereinrichtung 4 zweimal nach der Zeit t differenziert. Am Eingang des Verstärkers 5 liegt demnach die Spannung UV = d 2 UQ dt 2 an. Am Verstärkerausgang ergibt sich die Spannung UA = F · UV.
    Unter Berücksichtigung des durch die Leistungsbetrachtung gewonnenen Ausdrucks für Rv gilt: UQ = UA 2 IQ · RL .
    Für die Spannung am Verstärkereingang ergibt sich:
    Figure 00350001
    Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Verstärkereingangsspannung Uv und Verstärkerausgangsspannung UA wird folgende Differentialgleichung zweiter Ordnung erhalten:
    Figure 00360001
    Diese nichtlineare Differentialgleichung zweiter Ordnung für die Spannung UA (t) am Ausgang des Verstärkers beschreibt ein schwingungsfähiges System bestehend aus Stromquelle 3, Differenziereinrichtung 4, Verstärker 5 und Last 2. Die Lösungen der Differentialgleichung entsprechen komplexen Schwingungen. Mit Eintritt der Schwingungsbedingung treten Resonanzeffekte auf, die zu Resonanzschwingungen der Verstärkerausgangsspannung UA führen. Im Resonanzfall wird der Stromquelle 3 maximale Leistung PQ entnommen und der Last zugeführt.
    Die Resonanzfrequenzen der Schwingung der Ausgangsspannung UA des Verstärkers sind in dem Frequenzdiagramm der Fig. 7 dargestellt. Man kann deutlich das ausgeprägte Maximum der Ausgangsspannung UA bei einer Frequenz von ca. 4,7 kHz erkennen.
    Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Verstärkungsregelung, die automatisch eine derartige Einstellung des Verstärkungsgrades F ermöglicht, um eine Oszillation am Verstärkerausgang zu erzielen.
    Zur Anpassung des Arbeitsbereichs kann der erfaßte Istwert X, beispielsweise die Spannung UA bzw. die Leistung PA, gegebenenfalls nach einer Glättung bzw. Mittelung, fakultativ von einer Normierungseinrichtung 14 normiert bzw. skaliert werden.
    Ein Maximum-Regler 15 ermittelt einen Stellwert Y für die Einstellung des Verstärkungsgrades F des Verstärkers 5, wobei eine mit dem Istwert korrelierte Zielgröße, z.B. die Lastleistung PA, maximiert werden soll. Der Maximum-Regler 15 speichert dazu zum Zeitpunkt t den aktuellen Istwert X und den Stellwert Y. Zum Zeitpunkt t+1 wird der Stellwert Y um den Wert dY erhöht. Durch diese Änderung des Stellwerts wird der Verstärkungsgrad um dF verändert, wodurch sich auch die Spannung UA bzw. die Leistung PA ändert.
    Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t+1 kleiner als der Istwert X zum vorangegangenen Zeitpunkt t ist, wurde der Stellwert in die falsche Richtung verändert. Zum nächsten Zeitpunkt t+2 wird der Stellwert dann um den Wert 2 dY verringert.
    Falls der Istwert X' zum Zeitpunkt t+ 1 größer wird oder gleich bleibt, kann die Änderung wiederholt werden. Zum nächsten Zeitpunkt t+2 wird der Stellwert ein weiteres Mal um den Wert dY erhöht.
    Diese Verfahrensweise wird vom Maximum-Regler 15 ständig wiederholt. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung UA bzw. die Leistung PA laufend maximiert werden.
    Über eine fakultative Kennlinienanpassungseinrichtung 16 kann der berechnete Stellwert Y an die Verstärkungskennlinie des Verstärkers 5 (Verstärkungen Vi) angepaßt werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch eine stückweise lineare Anpassungskennlinie, die z.B. durch Stützpunktpaare (Yi,Vi) beschrieben wird.
    Beispiel 1
    Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur Untersuchung des Leistungsverhaltens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ziel der Versuche war es, einen Gewinn in der von einem Lastwiderstand 2 aufgenommenen Last-Leistung PA durch die Impedanzanpassung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nachzuweisen.
    Dazu wurden insgesamt sechs identische Solarpanels 13 gleich zur Sonne ausgerichtet. Jeweils zwei Panels wurden zusammengefaßt, so daß drei Panelpaare zur Messung zur Verfügung standen. Die ersten beiden Panelpaare (Kanäle a und b) wurden über die Schalter 17a, 17b mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 verbunden. Die Vorrichtung 1 wies zwei unabhängige Kanäle auf, an deren jeweiligen Ausgängen sich Lastwiderstände 2a, 2b befanden. Als Referenz für die qualitative Vergleichsmessung wurde das dritte Solarpanelpaar über einen Schalter 17c mit einem Lastwiderstand 2c verbunden (Kanal c).
    Um Fehler durch fertigungsbedingte Bauteilunterschiede auszuschließen, wurden in Vorversuchen alle Paarungen der Bauteile untersucht. Durch diese Messungen wurde festgestellt, daß der maximale Fehler durch Bauteilunterschiede weniger als 1 % beträgt.
    Zur Messung der Lastleistung PA, die von den jeweiligen Lastwiderständen 2a, 2b, 2c aufgenommen wurde, erfolgte eine kalorimetrische Messung durch Aufzeichnen des Temperaturverlaufs der auf jeweils einem Aluminiumblock als Kühlkörper angeordneten Lastwiderständen 2a, 2b, 2c durchgeführt. In jedem Kühlkörper war dazu in einer zentralen Bohrung jeweils ein Temperatursensor 18a, b, c angeordnet, der die Temperatur Ta, Tb, Tc des Lastwiderstands 2a, b, c erfaßte. Die Daten der Temperatursensoren 18a, 18b, 18c wurden von einer Meßvorrichtung 19 aufgezeichnet. Zusätzlich wurden die Spannungen und Ströme der Lastwiderstände 2a, 2b, 2c erfaßt und aufgezeichnet.
    Bei Beginn der Messung wurden die Schalter 17a, 17b, 17c gleichzeitig eingeschaltet. Für jeden Kanal a, b, c wurden Strom und Spannung sowie die Temperatur des Kühlkörpers für die einzelnen Meßintervalle erfaßt und aufgezeichnet.
    Die Fig. 10 zeigt den Verlauf der Stromstärke, der Spannung und der Temperatur für die Kanäle a, b, c. Strom und Spannung der Kanäle a, b, deren Lasten 2a, 2b über die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 an die zeitlich wechselnden Quellen-Leistungen PQ ihrer Solarpanels angepaßt wurden, waren deutlich größer als Strom und Spannung des Referenzkanals c. Die größere Last-Leistung der Kanäle a, b zeigt sich auch im Temperaturverlauf der Kühlkörper der Lastwiderstände 2a, 2b. Die Temperaturen dieser Kühlkörper stiegen im Verlauf der Messung gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers des Lastwiderstands 2c deutlich an.
    Beispiel 2
    In Fig. 11 sind weitere experimentelle Ergebnisse graphisch dargestellt. Die obere Grafik zeigt den Verlauf der erfaßten Last-Leistung mit und ohne erfindungsgemäße Vorrichtung (MPP-Regler) für vier Zeitbereiche (Bereiche 1, 2, 3 und 4). Die untere Grafik zeigt das Verhältnis der Last-Leistung mit Vorrichtung zur Last-Leistung des Referenzkanals. Dieses Leistungsverhältnis ist für weite Bereiche der Messung größer eins, was einen Leistungsgewinn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bedeutet.
    Der größte Gewinn wurde in Bereich 1 der Messung erzielt. In diesem Zeitabschnitt wurde die Sonne von einer Wolke verdeckt, wodurch nur eine geringe Quellen-Leistung zur Verfügung stand. In diesem Bereich wurde die Last durch die Vorrichtung an den gestiegenen Innenwiderstand der Quelle angepaßt und so die Leistungsentnahme optimiert. Die Last-Leistung mit Vorrichtung 1 ist deutlich größer als ohne.
    Im Bereich 2 änderte sich die Bestrahlungsstärke der Solarpanels. Durch die Einstelleinrichtung 8 wurde der Verstärkungsgrad F des Verstärkers 5 geregelt, um die Schwingungsbedingung des Oszillationssystems den veränderten Beleuchtungsbedingungen anzupassen. Beide Leistungen schwankten in diesem Bereich stark.
    Im Bereich 3 wurde die Sonne wiederum von einer Wolke verdeckt. Die Leistung am direkt an die Solarpanels angeschlossenen Lastwiderstand brach aufgrund der Fehlanpassung an die veränderte Quellenimpedanz zusammen, während die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anpassung an die veränderten Quellenparameter vornahm.
    Im Bereich 4 mit direkter Sonneneinstrahlung schwankte die Quellenleistung relativ stark. Die Leistungen mit und ohne erfindungsgemäße Vorrichtung sind in diesem Bereich ungefähr gleich. Am Ende der Meßdauer wurde die Sonne wieder von Wolken verdeckt, und die erfindungsgemäße Impedanzanpassung führte zu einem erneuten Leistungsgewinn, wie die untere Grafik im Bereich 4 zeigt.
    Die Experimente der Beispiele 1 und 2 zeigen einen deutlichen Leistungsgewinn durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Besonders in Bereichen, in denen die Bestrahlung der Solarpanels von den optimalen Bedingungen, für welche die Solaranlage ausgelegt wurde, abweicht, kann die Vorrichtung trotz Fehlanpassung der Quelle maximale Leistung entnehmen und dem Lastwiderstand zuführen. Dies entspricht einer laufenden adaptiven Anpassung der Last an die Quelle unter Leistungsgewinn.
    Bezugszeichenliste
    1
    Vorrichtung bzw. MPP-Regler
    2
    Last (elektrische)
    3
    Stromquelle
    4
    Differenziereinrichtung
    5
    Verstärker
    6
    Vergleicher
    7
    Filtereinrichtung
    8
    Einstelleinrichtung
    9
    Regler
    10
    Erfassungseinrichtung
    11
    Korrektureinrichtung
    12
    Gleichrichteinrichtung
    13
    Solarzellen (photovoltaische Zellen)
    14
    Normierungseinrichtung
    15
    Maximum-Regler
    16
    Kennlinienanpassungseinrichtung
    UQ
    Spannung der Stromquelle 3
    IQ
    im Stromquellenkreis fließender Strom
    PQ
    Stromquellen-Leistung
    UA
    Ausgangsspannung des Verstärkers 5
    IA
    durch die Last 2 fließender Strom
    PA
    von der Last 2 aufgenommene Last-Leistung
    PV
    Verstärker-Leistung
    F
    Verstärkungsgrad des Verstärkers 5
    TQ
    Stromquellen-Temperatur

    Claims (35)

    1. Vorrichtung (1) zur Anpassung einer elektrischen Last (2) an eine Stromquelle (3) mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung (PQ), um der Stromquelle (3) maximale Last-Leistung (PA) über die Last (2) zu entnehmen, die aufweist:
      eine Differenziereinrichtung (4), die ein Ausgangssignal (IQ, UQ) der Stromquelle (3) nach der Zeit (t) differenziert und ein der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) oder der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2) entsprechendes Ausgangssignal liefert,
      und
      einen der Differenziereinrichtung (4) nachgeschalteten Verstärker (5), an dessen Ausgang die Last (2) anliegt und der das Ausgangssignal der Differenziereinrichtung (4) verstärkt,
      wobei der Verstärker (5) derart mit der Stromquelle (3) verbunden ist, daß die vom Verstärker (5) aufgenommene Verstärker-Leistung (Pv) der Stromquelle (3) entnommen wird, und das Ausgangssignal (UA, IA) des Verstärkers (5) Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung (7), insbesondere ein Bandpaßfilter, zwischen dem Ausgang der Differenziereinrichtung (4) und dem Eingang des Verstärkers (5) vorgesehen ist, die das Ausgangssignal des Verstärkers (5) nach einer vorgegebenen Durchlaßcharakteristik filtert.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einstelleinrichtung (8) für den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) aufweist, die auf den Verstärker (5) wirkt.
    4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) ein Operationsverstärker ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Erfassungseinrichtung (10) aufweist, welche die von der Stromquelle (3) abgegebene Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) und/oder eine mit diesen Leistungen korrelierte elektrische Größe (UA, IA; UQ, IQ) erfaßt.
    6. MPP-Regler, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Einstelleinrichtung (8) einen Regler (9) aufweist, der die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung (10) als solche oder nach Signalverarbeitung als Istwerte erfaßt und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) regelt.
    7. MPP-Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) so ausgebildet ist, daß er den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so regelt, daß die Last-Leistung (PA) maximiert wird.
    8. MPP-Regler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) einen Sollwertgenerator aufweist, der in Abhängigkeit von einem Stellwert des Reglers (9), insbesondere dem Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5), einen Sollwert für die Regelung erzeugt.
    9. MPP-Regler Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgenerator, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, einen zeitlich ansteigenden Sollwert erzeugt und anderenfalls, wenn'der Stellwert die Bedingung nicht erfüllt, einen zeitlich abfallenden Sollwert erzeugt.
    10. MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) einen Vergleicher (6) aufweist, der zu vorgegebenen Zeitpunkten den Wert einer oder mehrerer der von der Erfassungseinrichtung (10) erfaßten Größen (PQ, PA; UQ, IQ; UA, IA) mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt vergleicht und den jeweiligen Differenzwert dem Regler (9) zuführt, der je nach Art der erfaßten Größe den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) anhand des Differenzwerts so steuert, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird.
    11. MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) erhöht, wenn der Wert der von der Erfassungseinrichtung (10) erfaßten Größe oder das Ausgangssignal des Vergleichers (6) ansteigt und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) verringert, wenn die entsprechende Größe abfällt.
    12. MPP-Regler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ändert.
    13. MPP-Regler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) erhöht, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher (6) eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher (6) eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, daß der Regler (9) den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) verringert, wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung erhöht wurde und vom Vergleicher (6) eine negative Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird, oder wenn der Verstärkungsgrad (F) bei der vorhergehenden Änderung verringert wurde und vom Vergleicher (6) eine positive Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) ermittelt wird.
    14. MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Optimierungseinrichtung aufweist, die ein Optimierungsverfahren, insbesondere ein Gradientenverfahren, ausführt, um das Maximum der von der Stromquelle (3) abgegebenen Stromquellen-Leistung (PQ) und/ oder der von der Last (2) aufgenommenen Last-Leistung (PA) zu ermitteln und den Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) entsprechend zu steuern.
    15. Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Verstärkers (5) in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.
    16. Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (8) eine Korrektureinrichtung (11) aufweist, die eine parametrische Größe der Stromquelle (3), insbesondere die Stromquellen-Temperatur (TQ) der Stromquelle (3), erfaßt und in Form eines elektrischen Korrektursignals an den Regler (9) liefert, der ein entsprechend korrigiertes Ausgangssignal bzw. Stellsignal zur Steuerung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) abgibt.
    17. Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verstärkers (5) und der Last (2) eine Gleichrichteinrichtung (12) und/oder eine Wechselrichteinrichtung vorgesehen ist.
    18. Vorrichtung oder MPP-Regler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) ein analoger oder digitaler Verstärker einer der Klassen A bis T oder ein adaptiver Power-MOSFET-Verstärker ist.
    19. Solarmodul, der als Stromquelle (3) eine oder mehrere photovoltaische Zellen (Solarzellen) (13) zur Erzeugung von elektrischer Leistung sowie eine Vorrichtung oder einen MPP-Regler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
    20. Verfahren zur Anpassung einer elektrischen Last (2) an eine Stromquelle (3) mit gegebenenfalls wechselnder Stromquellen-Leistung (PQ), um der Stromquelle (3) maximale Last-Leistung (PA) über die Last (2) zu entnehmen, das folgende Schritte umfaßt:
      (I) Erfassen eines Ausgangssignals (UQ, IQ) der Stromquelle (3) oder einer damit korrelierten elektrischen Größe,
      (II) Erzeugen der ersten Ableitung (dUQ/dt, dIQ/dt) des in (I) erfaßten Signals und gegebenenfalls der zweiten Ableitung (d2UQ/dt2, d2IQ/dt2),
      (III) Verstärken des erhaltenen Ableitungssignals unter Erhalt eines verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und
      (IV) Anlegen des erhaltenen verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) an die Last (2),
      wobei die zum Verstärken in Schritt (III) beim verwendeten Verstärker (5) erforderliche elektrische Verstärker-Leistung (Pv) der Stromquelle (3) entnommen wird, so daß das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, aufweist.
    21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verstärken in Schritt (III) ein Verstärker (5) verwendet wird, dessen aufgenommene elektrische Verstärker-Leistung (PV) nicht konstant ist, sondern von der Größe des verstärkten Ausgangssignals (UA, IA) und/ oder von der in Schritt (IV) von der Last (2) aufgenommenen Last-Leistung (PA) abhängt.
    22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt (II) und vor Schritt (III) das Ableitungssignal gefiltert wird, insbesondere durch ein Bandpaßfilter.
    23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärken in Schritt (III) unter Einstellung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) vorgenommen wird.
    24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) in Schritt (III) so eingestellt wird, daß die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) maximiert wird.
    25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) durch einen Regler eingestellt wird.
    26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einem Stellwert des Reglers, insbesondere dem Verstärkungsgrad (F), ein Sollwert für die Regelung erzeugt wird.
    27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß, solange der Stellwert eine vorgegebene Bedingung erfüllt, ein zeitlich ansteigender Sollwert erzeugt wird und anderenfalls, wenn der Stellwert die Bedingung nicht erfüllt, ein zeitlich abfallender Sollwert erzeugt wird.
    28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) zu vorgegebenen Zeitpunkten der Wert einer oder mehrerer der Größen PQ, PA, UQ, IQ, UA, IA mit dem Wert der betreffenden Größe zum vorhergehenden Zeitpunkt verglichen und der jeweilige Differenzwert gebildet wird, mit dem der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so gesteuert wird, daß die Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) maximiert wird.
    29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit von einer Änderung des Verstärkungsgrads (F) zu einem vorhergehenden Zeitpunkt und dem Betrag der daraus resultierenden Änderung der Stromquellen-Leistung (PQ) und/oder der Last-Leistung (PA) geändert wird.
    30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) ein Optimierungsverfahren, insbesondere ein Gradientenverfahren, angewandt wird, um durch Einstellung des Verstärkungsgrades (F) des Verstärkers (5) die von der Last (2) aufgenommene Last-Leistung (PA) bzw. die Stromquellen-Leistung (PQ) zu maximieren.
    31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) in Abhängigkeit von einem erfaßten Parameterwert der Stromquelle (3), insbesondere der Stromquellen-Temperatur (TQ), eingestellt wird.
    32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (III) der Verstärkungsgrad (F) des Verstärkers (5) so eingestellt wird, daß der Arbeitspunkt in einem nichtlinearen Bereich seiner Verstärkungskennlinie liegt.
    33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (IV) das verstärkte Ausgangssignal (UA, IA) an eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. einen Akkumulator, ein Ladegerät, einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Transformator oder einen anderen elektrischen Wandler als Last (2) angelegt wird.
    34. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 33 zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus.
    35. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 20 bis 33 zur Steuerung oder Regelung von photovoltaischen Anlagen, insbesondere von Solarzellen und Solarpanels sowie Anordnungen daraus, deren Last (2) eine ohmsche Last, eine Batterie bzw. ein Akkumulator, ein Ladegerät, ein Gleichrichter, ein Wechselrichter, ein Transformator und/ oder ein anderer elektrischer Wandler ist.
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