EP1878106A2 - Mehrzahl von solarzellenmodulen, die jeweils über ein schaltelement mit einem spannungswandler gekoppelt sind - Google Patents

Mehrzahl von solarzellenmodulen, die jeweils über ein schaltelement mit einem spannungswandler gekoppelt sind

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EP1878106A2
EP1878106A2 EP06724221A EP06724221A EP1878106A2 EP 1878106 A2 EP1878106 A2 EP 1878106A2 EP 06724221 A EP06724221 A EP 06724221A EP 06724221 A EP06724221 A EP 06724221A EP 1878106 A2 EP1878106 A2 EP 1878106A2
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EP
European Patent Office
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solar cell
cell device
voltage
converter
switching
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Withdrawn
Application number
EP06724221A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Merz
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Universitaet Stuttgart
Original Assignee
Universitaet Stuttgart
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Publication date
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a solar cell device with at least one solar cell module, which is designed to supply a consumer.
  • an output voltage which corresponds to an integer multiple of the voltage of a single cell or of a single module is achieved by series connection of identical, identical individual cells or modules, in which case a monolithic integrated series connection, which is customary in thin-film modules, is carried out.
  • a voltage conversion can be performed via energy transformation.
  • an inductance stores the electrical energy that is supplied to it via a switching transistor and then outputs it again. Depending on the time of the energy release, this is a flux or flyback converter.
  • the weakest cell has the maximum Electricity determined.
  • the weakest cell is the one that provides the lowest power under the given lighting conditions.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved solar cell device in which an adjustment of the output voltage can be made in the lowest possible loss manner.
  • a solar cell device having a plurality of solar cell modules whose voltage outputs are each coupled via a switching element with a switchable voltage converter. In this way, circuit losses that could arise via series circuits and series circuits are basically avoided. Rather, each solar cell module can be controlled via its own switching element in a suitable manner to deliver its power to the Nutzthesesausgang.
  • the switchable voltage converter may in this case be designed, for example, as a flyback converter or as a flux converter.
  • inverting flyback converter also known under inverse boost converter or in English flyback Converter or buck-boost Converter.
  • This has the advantage that also output voltages can be achieved which are higher than the input voltage.
  • it is possible to form the switching elements of the solar cell modules as part of the voltage converter, so that eliminates additional switching elements of the voltage converter.
  • the inverting flyback converter has its own switching element at its input.
  • the flyback converter is designed as a step-up converter (also known as an up-converter or in English under boost converter or step-up converter).
  • the individual solar cell modules are preferably controlled sequentially via the switching elements.
  • a capacitor may be connected parallel to the Nutzthesesausgang, as far as this is preferred for the particular application.
  • the Nutzthesesausgang can be connected directly to a consumer. Alternatively or additionally, it is possible to connect to the NutzSpannungsausgang an accumulator.
  • the voltage converter has a switching element (for example in the form of a FET) for tapping a rectified voltage.
  • a switching element for example in the form of a FET
  • This switching element may be arranged parallel to a rectifier diode of the voltage converter of the voltage converter.
  • the switching element is driven such that a switching occurs when the diode is conductive.
  • the rectifier diode can also be omitted altogether.
  • the voltage drop across the track resistance of the switching element should be less than the voltage drop across the diode.
  • the switching element should be operated in the saturation region.
  • at least one of the solar cell modules is formed as a single solar cell.
  • At least one solar cell module has a plurality of interconnected solar cells.
  • each individual solar cell via a switching transistor or several solar cells together by means of only one switching transistor.
  • the design used depends on the particular application, the total cost being naturally influenced by the number of switching transistors used.
  • the switching transistors have control inputs which are controlled by a central controller, preferably by a microcontroller.
  • the switching times of the individual switching transistors can be optimized, on the one hand to obtain the desired output voltage and on the other hand to ensure the highest possible efficiency.
  • the switching transistors are preferably driven sequentially as a function of the performance data of the solar cell modules.
  • the microprocessor can store data, which are characteristic of the performance of the individual modules, in an internal memory.
  • the central controller is designed to control the ratio of the turn-on times to the ratio of the turn-off times of the switching transistors.
  • the output voltage can be adjusted within a certain frame to a desired setpoint.
  • the choice of switching times should take into account the capacities of the individual solar cell modules. In this case, it may be advantageous to additionally use a capacitor in parallel with its voltage output in one or more of the solar cell modules.
  • the switching transistors are preferably designed as field-effect transistors, in particular as MOS-FET's.
  • At least one solar cell is integrated with at least one switching transistor.
  • the number of solar cells or modules can be limited to only one.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a solar cell device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of the drive signals for a sequential control of the switching transistors used
  • FIG. 3 shows a version of a solar cell device according to the invention, which is generalized with respect to the embodiment according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a modification of the embodiment according to FIG. 3
  • FIG. 1 shows a solar cell device according to the invention is shown schematically and generally designated by the numeral 10.
  • the solar cell device 10 has a plurality of solar cell modules Z1, Z2, Z3,..., Zn.
  • each solar cell module Z1,... Zn is a solar cell, which in each case outputs a voltage U E1 , U E2 , U E3 ,..., UE n .
  • the output of each solar cell module Z1, Z2, Z3,..., Zn is in each case coupled to a flyback converter 12 via a switching element, which is preferably designed as a FET or MOS-FET.
  • the flyback converter 12 is an inverting flyback converter whose input voltage is applied to an inductance Ll in the form of a coil.
  • the voltage across the coil Ll is tapped via a rectifier diode Dl and applied to a capacitor Cl and a Nutzthesesausgang 14, where the useful voltage U A drops and is used by a connected consumer.
  • a switching element TDl is connected, through which the rectifier diode Dl can be supported.
  • a central control in the form of a microprocessor 16, which is connected to the control inputs of the switching elements Tl, T2, T3, ..., Tn and the switching element TDl.
  • the switching elements Tl, T2, T3, ..., Tn are sequentially controlled by the microprocessor 16, whereby both the timing of the flyback converter 12 and a suitable selection of the solar cell modules Zl, Z2, Z3, ..., Zn depending on the respective Performance data is done.
  • the photocurrent charges the self-capacitance of the respective solar cell modules Z1, Z2, Z3,..., Zn.
  • an additional capacitance in the form of a capacitor can be provided parallel to the respective solar cell module.
  • the voltage drop across the track resistance of the switching element TDl should be less than the voltage drop across the diode.
  • the switching elements TDl, Tl, T2, T3, ..., Tn should be operated in the saturation region for this purpose.
  • a possible timing of the solar cell modules Z1, Z2, Z3,..., Zn via a suitable control software is shown by way of example in FIG.
  • all solar cell modules Z1, Z2, Z3,. •. , Zn are sequentially connected in succession, the turn-on time T 3 and the turn-off time T L of each solar cell module being the same.
  • the switching element TDl parallel to the rectifier diode Dl must always conduct when the diode Dl must also turn through to maintain the current flow in the inductance Ll. This is always the case when all switching elements Tl, T2, T3, ..., Tn lock. Possibly. can the diode Dl also completely eliminated.
  • the microprocessor 16 now advantageously records performance data about the individual solar cell modules Z 1,..., Zn and stores them in an internal memory.
  • About the blocking or switching times of the switching elements Tl, ..., Tn the states of the individual solar cell modules Zl, ..., Zn can be detected and so a respective cell more often or longer be selected than the others.
  • the overall system can thus be optimally adapted to the lighting conditions and to a production-related scattering of the characteristic data of individual solar cell modules. In this case, completely shaded or defective solar cell modules can be detected and correspondingly less taken into account or, if necessary, switched off completely.
  • the switching frequency f 1 / (Tl + ... + Tn) of the circuit is determined by the number of solar cell modules Z1,. •., Zn dependent, as well as their own capacity. The optimum switching times can be determined for each application.
  • the output voltage U A can be set within a certain range to any values above and below the individual input voltages U E1 ,..., U En .
  • the duty cycle that is, the ratio between T L and the total duration T of a respective switching cycle must be adjusted. An increase in the duty cycle leads to an increase in the output voltage.
  • each solar cell module Z1, Z2, Z3,..., Zn can be represented by a single solar cell or that a plurality of solar cells are combined to form a solar cell module may be, which is connected via a switching element to the flyback converter.
  • the switching elements can be embodied integrated with the relevant solar cell modules, it also being possible for a plurality of solar cells with switching elements to be accommodated on a single chip or, if appropriate, also for the integration of the voltage converter or the microcontroller. > can be dragged.
  • Fig. 3 shows a modification of the embodiment of the invention, which is generalized with respect to the embodiment of FIG. 1 and is generally designated 10a.
  • the inverting flyback converter 12a has its own switching element Tk. This allows a decoupling of the switching frequencies of the inverting flyback converter and the solar cell modules.
  • a conceivable capacitance is indicated parallel to the input of the flyback converter 12a. Otherwise, the circuit corresponds to the previously described embodiment according to FIG. 1
  • Fig. 4 shows a further modification of the invention, in which the flyback converter 12b is formed as a boost converter. This results in no inverted output voltage as in the above-mentioned embodiments.
  • the output voltage U A can assume no smaller values than the input voltage.

Abstract

Es wird eine Solarzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen (Z1, Z2, Z3,..., Zn) angegeben, deren Spannungsausgänge (UE1, UE2, UE3,..., UEn) jeweils über ein Schaltelement (T1, T2, T3,..., Tn) mit einem schaltbaren Spannungswandler (12) gekoppelt sind, der vorzugsweise als invertierender Sperrwandler oder als Hochsetzsteller ausgeführt ist. Verluste durch Teilabschaltungen der einzelnen Solarzellenmodule werden vermieden, da diese unabhängig voneinander betrieben werden. Durch den Spannungswandler (12) kann die Ausgangsspannung in weiten Grenzen angepasst werden. Durch eine Mikroprozessorsteuerung (16) kann eine optimale Energieausbeute des Gesamtsystems erreicht werden.

Description

Solarzellenvorrichtunq
Die Erfindung betrifft eine Solarzellenvorrichtung mit zumindest einem Solarzellenmodul, das zur Versorgung eines Verbrauchers ausgebildet ist.
Sollen Solarzellen zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden, so ist es in der Regel hierzu notwendig, eine Vielzahl von Solarzellen miteinander zu verschalten. Die Ver- schaltung von einzelnen Solarzellen bzw. Solarzellenmodulen erfolgt üblicherweise in Parallel- oder Reihenschaltung. Durch Abschattungen einzelner Zellen oder Module kann es bei diesen Verschaltungsarten zu starken Einbußen bei Kurzschlussstrom, LeerlaufSpannung und Ausgangsleistung kommen. Um solche Verluste zu vermeiden, werden in der Regel Verschaltungsvarianten mit Bypass- oder Koppeldioden verwendet.
Um Ausgangsspannungen mit höheren Werten als diejenigen einer Einzelzelle bzw. eines einzelnen Moduls zu erhalten, stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung.
Gemäß einer ersten Variante wird durch Reihenschaltung von möglichst gleichartigen, identischen Einzelzellen bzw. Modulen eine Ausgangsspannung erzielt, die einem ganzzahligen Vielfachen der Spannung einer Einzelzelle bzw. eines Einzelmoduls entspricht, wobei insbesondere eine in Dünnschichtmodulen übliche monolithische integrierte Serienverschaltung vorgenommen wird.
Alternativ kann eine Spannungskonvertierung über Energietransformation durchgeführt werden. Hierbei speichert eine Induktivität die elektrische Energie, die ihr über einen Schalttransistor zugeführt wird und gibt sie anschließend wieder ab. Je nach Zeitpunkt der Energieabgabe handelt es sich hierbei um einen Fluss- oder einen Sperrwandler.
Ist keine höhere Ausgangsspannung als die der Einzelzellen bzw. der Module gewünscht, so bedient man sich der Parallelschaltung der Zellen bzw. der Module.
Eine Reihenschaltung von einzelnen Solarzellen oder Modulen besitzt den Nachteil, dass die schwächste Zelle den maximalen Strom bestimmt. Die schwächste Zelle ist dabei diejenige, die unter den gegebenen Beleuchtungsverhältnissen den geringsten Strom liefert.
Bei der monolithische integrierten Serienverschaltung von Solarzellen entstehen beim Verschalten ungewollte Widerstände parallel zur Einzelzelle. Zusätzlich ergibt sich aufgrund von Beleuchtungsunterschieden ein maximaler Ausgangsstrom der verschalteten Zellen bzw. Module, der kleiner oder maximal gleich der Stromabgabe der schwächsten Zelle ist. Gerade wenn Solarzellen oder -module zur mobilen Verwendung beispielsweise in Kleidungsstücke integriert werden, so können nicht alle Einzelzellen bzw. -module gleich beleuchtet sein. Da die Eingangsleistung der Einzelzellen oder -module aufgrund der meist schlechten Beleuchtung sehr gering ist, sind derartige Verluste durch Abschattungen äußerst problematisch. Verschaltet man dagegen die Zellen bzw. Module parallel, so ergeben sich Aus- gleiσhsströme zwischen den Einzelzellen bzw. -modulen. Die Ströme bewirken eine Anpassung der Einzelspannungen, da bei einer Parallelschaltung die Einzelzellen bzw. -module alle das gleiche Potential haben müssen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Solarzellenvorrichtung anzugeben, bei der eine Anpassung der Ausgangsspannung auf möglichst verlustarme Weise vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solarzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen gelöst, deren Spannungsausgänge jeweils über ein Schaltelement mit einem schaltbaren Spannungswandler gekoppelt sind. Auf diese Weise werden Schaltungsverluste, die über Serienschaltungen und Reihenschaltungen entstehen könnten, grundsätzlich vermieden. Vielmehr kann jedes Solarzellenmodul über sein eigenes Schaltelement in geeigneter Weise angesteuert werden, um seine Leistung an den Nutzspannungsausgang zu liefern.
Der schaltbare Spannungswandler kann hierbei etwa als Sperrwandler oder als Flusswandler ausgebildet sein.
Dabei ist eine Ausführung als invertierender Sperrwandler denkbar (auch bekannt unter Invers-Hochsetzsteller oder im Englischen unter flyback Converter oder buck-boost Converter) . Dies hat den Vorteil, dass auch Ausgangsspannungen erzielbar sind, die höher als die Eingangsspannung sind. Außerdem ist es möglich, die Schaltelemente der Solarzellenmodule als Teil des Spannungswandlers auszubilden, so dass zusätzliche Schaltelemente des Spannungswandlers entfallen.
Bei einer alternativen Ausführung weist dagegen der invertierende Sperrwandler an seinem Eingang ein eigenes Schaltelement auf.
Dies hat den Vorteil, dass die Taktung des Sperrwandlers von der Taktung der Solarzellenmodule entkoppelt werden kann.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist der Sperrwandler als Hochsetzsteller ausgebildet (auch bekannt unter Aufwärtswandler oder im Englischen unter boost Converter oder step up converter) . Die einzelnen Solarzellenmodule werden vorzugsweise sequenziell nacheinander über die Schaltelemente angesteuert.
Am Ausgangs des Spannungswandlers kann parallel zum Nutzspannungsausgang ein Kondensator angeschlossen sein, soweit dies für den jeweiligen Anwendungsfall bevorzugt ist.
Der Nutzspannungsausgang kann unmittelbar mit einem Verbraucher verbunden werden. Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, an den NutzSpannungsausgang einen Akkumulator anzuschließen.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist der Spannungswandler ein Schaltelement (etwa in Form eines FET) zum Abgriff einer gleichgerichteten Spannung auf.
Dieses Schaltelement kann parallel zu einer Gleichrichterdiode des Spannungswandlers des Spannungswandlers angeordnet sein. Das Schaltelement wird derart angesteuert, dass eine Durchschaltung dann erfolgt, wenn die Diode leitend ist.
Ggf. kann die Gleichrichterdiode auch ganz entfallen.
Auf diese Weise können Verluste der sonst üblichen Gleichrichterdiode insbesondere für Kleinspannungs- und Kleinleistungsan- wendungen reduziert werden. Hierbei sollte der Spannungsabfall über den Bahnwiderstand des Schaltelementes kleiner als der Spannungsabfall über die Diode sein. Hierzu sollte das Schaltelement (der Transistor) im Sättigungsbereich betrieben werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der Solarzellenmodule als einzelne Solarzelle ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Solarzellenmodul eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Solarzellen auf.
So ist es möglich, jede einzelne Solarzelle über einen Schalttransistor anzusteuern oder aber mehrere Solarzellen gemeinsam mittels nur eines Schalttransistors. Die verwendete Ausführung hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab, wobei die Gesamtkosten naturgemäß durch die Anzahl der verwendeten Schalttransistoren beeinflusst werden.
Die Schalttransistoren weisen in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung Steuereingänge auf, die von einer zentralen Steuerung, vorzugsweise von einem MikroController, angesteuert sind.
Auf diese Weise können die Schaltzeiten der einzelnen Schalttransistoren optimiert werden, um einerseits die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten und um andererseits einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
Hierbei werden die Schalttransistoren vorzugsweise sequenziell in Abhängigkeit von Leistungsdaten der Solarzellenmodule angesteuert. Dazu kann der Mikroprozessor Daten, die charakteristisch für die Leistungsfähigkeit der Einzelmodule sind, in einem internen Speicher ablegen. So sind optimale Anpassungen des Gesamtsystems an die Beleuchtungsverhältnisse und an herstellungsbedingte Streuungen der Kenndaten einzelner Solar- zellen bzw. Module möglich. Völlig abgeschattete oder defekte Zellen bzw. Module können bei Bedarf hierbei auch komplett abgeschaltet werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zentrale Steuerung dazu ausgebildet, das Verhältnis der Einschaltzeiten zum Verhältnis der Ausschaltzeiten der Schalttransistoren zu steuern.
Auf diese Weise kann durch Veränderung des Tastverhältnisses die Ausgangsspannung in einem gewissen Rahmen auf einen gewünschten Sollwert eingestellt werden.
Die Wahl der Schaltzeiten sollte die Kapazitäten der einzelnen Solarzellenmodule berücksichtigen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, bei einem oder mehreren der Solarzellenmodule zusätzlich einen Kondensator parallel zu seinem Spannungsausgang zu verwenden .
Die Schalttransistoren sind vorzugsweise als Feldeffekttransistoren, insbesondere als MOS-FET' s, ausgebildet.
Hiermit lässt sich eine besonders verlustarme Schaltung gewährleisten.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine Solarzelle mit mindestens einen Schalttransistor integriert ausgebildet.
So können durch integrierte Ausführungen von Solarzellen und Schalttransistoren weitere Wirkungsgradverbesserungen erzielt werden. Es kann auch sinnvoll sein, eine ganze Reihe von Solarzellen mit zugehörigen Schalttransistoren als eine einzige integrierte Schaltung auszubilden. Hierzu können ggf. auch Teile des Sperrwandlers oder der gesamte Sperrwandler mit einbezogen werden.
Ferner ist es denkbar, auch eine Kombination mit der Mikroprozessorsteuerung auf einem Chip auszuführen.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann die Anzahl der Solarzellen bzw. -module auf lediglich eines beschränkt werden.
In diesem Fall, der vorzugsweise für besonders einfache und kostengünstige Ausführungen zur Versorgung von Kleinverbrauchern denkbar ist, wird durch das Schaltelement ein höherer Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Anordnungen erzielt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung; Figur 2 eine schematische Darstellung der Ansteuersignale für eine sequenzielle Ansteuerung der verwendeten Schalttransistoren;
Figur 3 eine gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 verallgemeinerte Ausführung einer erfindungsgemäßen Solarzellenvorrichtung;
Figur 4 ein Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 3
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Solarzellenvorrichtung schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
Die Solarzellenvorrichtung 10 weist eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen Zl, Z2 , Z3, ..., Zn auf. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei jedem Solarzellenmodul Zl, ... bis Zn um eine Solarzelle, die jeweils eine Spannung UE1, UE2, UE3, ..., UEn abgibt. Der Ausgang jedes Solarzellenmoduls Zl, Z2, Z3, ... , Zn ist jeweils über ein Schaltelement, das vorzugsweise als FET oder MOS-FET ausgebildet ist, mit einem Sperrwandler 12 gekoppelt.
Bei dem Sperrwandler 12 handelt es sich um einen invertierenden Sperrwandler, dessen Eingangsspannung an eine Induktivität Ll in Form einer Spule gelegt wird. Die Spannung an der Spule Ll wird über eine Gleichrichterdiode Dl abgegriffen und an einen Kondensator Cl und einen Nutzspannungsausgang 14 gelegt, an dem die Nutzspannung UA abfällt und von einem angeschlossenen Verbraucher genutzt wird. Parallel zum Kondensator Cl kann ein Akkumulator vorgesehen sein, der über den Sperrwandler 12 aufgeladen werden kann.
Parallel zur Gleichrichterdiode Dl ist ein Schaltelement TDl geschaltet, durch den die Gleichrichterdiode Dl unterstützt werden kann.
Zur Steuerung des Gesamtsystems dient eine zentrale Steuerung in Form eines Mikroprozessors 16, der mit den Steuereingängen der Schaltelemente Tl, T2 , T3, ..., Tn und des Schaltelements TDl verbunden ist.
Die Schaltelemente Tl, T2, T3, ..., Tn werden vom Mikroprozessor 16 sequenziell angesteuert, wodurch sowohl die Taktung des Sperrwandlers 12 als auch eine geeignete Selektion der Solarzellenmodule Zl, Z2, Z3, ..., Zn in Abhängigkeit von den jeweiligen Leistungsdaten erfolgt. In den Sperrphasen lädt der Fotostrom die Eigenkapazität der jeweiligen Solarzellenmodule Zl, Z2, Z3, ..., Zn auf. Je nach Beschaffenheit der jeweiligen Solarzellenmodule Zl, Z2, Z3, ..., Zn kann eine zusätzliche Kapazität in Form eines Kondensators parallel zum jeweiligen Solarzellenmodul vorgesehen sein.
Durch das zusätzliche Schaltelement TDl parallel zur Gleichrichterdiode Dl werden deren Verluste reduziert, was insbesondere für Kleinspannungs- und Kleinleistungsanwendungen vorteilhaft ist. Hierbei sollte der Spannungsabfall über den Bahnwiderstand des Schaltelements TDl kleiner als der Spannungsabfall über der Diode sein. Die Schaltelemente TDl, Tl, T2, T3, ..., Tn sollten hierzu im Sättigungsbereich betrieben werden. Eine mögliche Taktung der Solarzellenmodule Zl, Z2, Z3, ..., Zn über eine geeignete SteuerungsSoftware ist beispielhaft in Figur 2 dargestellt.
Im einfachsten Fall werden alle Solarzellenmodule Zl, Z2, Z3, . • . , Zn sequenziell nacheinander geschaltet, wobei die Einschaltzeit T3 und die Ausschaltzeit TL eines jeden Solarzellen- moduls gleich ist.
Das Schaltelement TDl parallel zur Gleichrichterdiode Dl muss immer dann leiten, wenn die Diode Dl ebenfalls durchschalten muss, um den Stromfluss in der Induktivität Ll aufrecht zu erhalten. Dies ist immer dann der Fall, wenn alle Schaltelemente Tl, T2, T3, ..., Tn sperren. Ggf. kann die Diode Dl auch ganz entfallen.
Der Mikroprozessor 16 erfasst nun vorteilhaft Leistungsdaten über die einzelnen Solarzellenmodule Zl, ..., Zn und legt diese in einem internen Speicher ab. Über die SteuerungsSoftware können über die Sperr- bzw. Schaltzeiten der Schaltelemente Tl, ..., Tn die Zustände der einzelnen Solarzellenmodule Zl, ..., Zn erkannt werden und so eine jeweilige Zelle öfter oder länger ausgewählt werden als die anderen. Das Gesamtsystem kann so optimal an die Beleuchtungsverhältnisse und an eine herstellungsbedingte Streuung der Kenndaten einzelner Solarzellenmodule angepasst werden. Hierbei können völlig abgeschattete oder defekte Solarzellenmodule erkannt und entsprechend weniger berücksichtigt oder bei Bedarf auch komplett abgeschaltet werden. Die Schaltfrequenz f = 1/(Tl + ... + Tn) der Schaltung ist von der Anzahl der Solarzellenmodule Zl, . •., Zn abhängig, sowie von deren Eigenkapazität. Die optimalen Schaltzeiten können für jeden Anwendungsfall ermittelt werden.
Die Wahl der Schaltzeiten sollte die Zellenkapazität berücksichtigen. Bei hohen Schaltfrequenzen sind evtl. Hochfrequenzeffekte, wie Wellenwiderstände von Zellen, zu berücksichtigen.
Da die Schaltung nach dem Wandlerprinzip arbeitet, kann die Ausgangsspannung UA innerhalb eines gewissen Bereiches auf beliebige Werte oberhalb und unterhalb der einzelnen Eingangsspannungen UE1, ..., UEn eingestellt werden. Hierzu muss lediglich das Tastverhältnis, das heißt das Verhältnis zwischen TL und der Gesamtdauer T eines jeweiligen Schaltzyklus angepasst werden. Eine Vergrößerung des Tastverhältnisses führt hierbei zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung.
Da sich die einzelnen Solarzellenmodule nicht gegenseitig beeinflussen, sind Verluste durch Beleuchtungsunterschiede oder unterschiedliche Kenndaten ausgeschlossen. Leistungsverluste durch Koppel- und Bypassdioden wie im Stand der Technik werden vermieden .
Da sich die Gleichrichterdiode Dl und das dazu parallele Schaltelement TDl in Sperrrichtung befinden, wenn die Regelung abgeschaltet ist und ausgangsseitig ein bereits geladener Akku angeschlossen ist, ist die Entladung des Akkus gering.
Es versteht sich, dass wie vorstehend erläutert, entweder jedes Solarzellenmodul Zl, Z2, Z3, ..., Zn durch eine einzelne Solarzelle repräsentiert sein kann oder dass eine Mehrzahl von Solarzellen jeweils zu einem Solarzellenmodul zusammengefasst sein kann, das über ein Schaltelement an den Sperrwandler angeschlossen ist.
Gleichfalls versteht es sich, dass je nach dem gewünschten Integrationsgrad die Schaltelemente mit den betreffenden Solarzellenmodulen integriert ausgeführt sein können, wobei auch mehrere Solarzellen mit Schaltelementen auf einem einzelnen Chip untergebracht sein können oder dass ggf. auch der Spannungswandler oder der Mikrocontroller in die Integration einbe- > zogen sein können.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführung der Erfindung, die gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 verallgemeinert ist und insgesamt mit 10a bezeichnet ist. Hierbei weist der invertierende Sperrwandler 12a ein eigenes Schaltelement Tk auf. Dadurch ist eine Entkopplung der Schaltfrequenzen des invertierenden Sperrwandlers und der Solarzellenmodule ermöglicht. Zusätzlich ist noch eine denkbare Kapazität parallel zum Eingang des Sperrwandlers 12a angedeutet. Im Übrigen entspricht die Schaltung der zuvor beschriebenen Ausführung gemäß Fig. 1
Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung, bei der der Sperrwandler 12b als Hochsetzsteller ausgebildet ist. Damit ergibt sich keine invertierte Ausgangsspannung wie bei den oben erwähnten Ausführungen. Die AusgangsSpannung UA kann hierbei keine kleineren Werte als die Eingangsspannung annehmen.

Claims

Patentansprüche
1. Solarzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Solarzellenmodulen (Zl, Z2, Z3,..., Zn), deren Spannungsausgänge (UB1, UE2, UE3, ..., UEn) jeweils über ein Schaltelement (Tl, T2, T3, ..., Tn) mit einem schaltbaren Spannungswandler (12, 12a, 12b) gekoppelt sind.
2. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der der Spannungswandler (12, 12a, 12b) als Sperrwandler oder als Flusswandler ausgebildet ist.
3. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Spannungswandler als invertierender Sperrwandler (12, 12a) ausgebildet ist.
4. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltelemente (Tl, T2, T3, ..., Tn) der Solarzellenmodule (Zl, Z2, Z3, ..., Zn) als Teil des Spannungswandlers (12) ausgebildet sind.
5. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Spannungswandler als Hochsetzsteller (12b) ausgebildet ist.
6. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der parallel zu einem NutzSpannungsausgang (14) ein Kondensator (Cl) oder ein Akkumulator angeschlossen ist.
7. Solarzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der Spannungswandler (12, 12a, 12b) ein Schaltelement (TDl) zum Abgriff einer gleichgerichteten Spannung aufweist.
8. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Schaltelement (TDl) parallel zu einer Diode (Dl) angeordnet ist und über eine Steuerung (16) derart angesteuert ist, dass eine Durchschaltung dann erfolgt, wenn die Diode (Dl) leitend ist.
9. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens ein Solarzellenmodul (Zl, Z2, Z3, ..., Zn) als einzelne Solarzelle ausgebildet ist.
10. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens ein Solarzellenmodul (Zl, Z2, Z3,..., Zn) eine Mehrzahl von miteinander verschalteten Solarzellen aufweist.
11. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltelemente (Tl, T2, T3, ..., Tn) Steuereingänge aufweisen, die von einer zentralen Steuerung (16), vorzugsweise von einem MikroController angesteuert sind.
12. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 11, bei der die zentrale Steuerung (16) zur sequentiellen Ansteuerung der Schaltelemente (Tl, T2 , T3, ..., Tn) der Solarzellenmodule (Zl, Z2, Z3, ..., Zn) ausgebildet ist.
13. Solarzellenvorriσhtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die zentrale Steuerung (16) zur Ansteuerung der Schaltele- mente (Tl, T2 , T3, • -., Tn) in Abhängigkeit von Leistungsdaten der Solarzellenmodule (Zl, Z2, Z3, ..., Zn) ausgebildet ist.
14. Solarzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die zentrale Steuerung (16) dazu ausgebildet ist, das Verhältnis der Einschaltzeiten (T3) zum Verhältnis der Ausschaltzeiten (TL) der Schaltelemente (Tl, T2, T3 , ..., Tn) zu steuern.
15. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eines der Solarzellenmodule (Zl, Z2, Z3, ..., Zn) einen Kondensator parallel zum Spannungsausgang (UE1, UE2, üE3, ..., UEn) aufweist.
16. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Schaltelement (Tl, T2, T3, ..., Tn, TDl) als Schalttransistor, vorzugsweise als Feldeffekttransistor, ausgebildet ist.
17. Solarzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Solarzelle mit mindestens einem Schaltelement (Tl, T2 , T3, ..., Tn) integriert ausgebildet ist.
18. Solarzellenvorrichtung mit mindestens einem Solarzellenmodul (Zl, Z2, Z3, ..., Zn), dessen Spannungsausgang (UE1, UE2A UE3, ..., UEn) über ein Schaltelement (Tl, T2, T3, ..., Tn) mit einer Induktivität (Ll) eines schaltbaren Spannungswandlers (12, 12a, 12b) gekoppelt ist, an der die Spannung über einen schaltbaren Gleichrichter (TDl) abge- griffen und mit einem Nutzspannungsausgang (14) gekoppelt ist.
19. Solarzellenvorrichtung nach Anspruch 18 , bei der der schaltbare Gleichrichter (TDl) parallel zu einer Diode (Dl) angeordnet ist und über eine Steuerung (16) derart angesteuert ist, dass eine Durchschaltung dann erfolgt, wenn die Diode (Dl) leitend ist.
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