ES2658299T3

ES2658299T3 - Sistema y método para gestionar la salida de potencia de una célula fotovoltaica

Info

Publication number: ES2658299T3
Application number: ES15707518.5T
Authority: ES
Inventors: Robert P. Mcnamara; Douglas M. Raymond
Original assignee: Solarlytics Inc
Current assignee: Solarlytics Inc
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2015-02-21
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2035-02-21
Also published as: KR102238875B1; EA037333B1; EP3108563A1; EP3108563B1; PH12017501418A1; PH12019500572A1; EP3142210B1; JP6807422B2; HK1246513A1; KR20170024144A; IL247264B; MX2019004373A; PH12017500562B1; MY177400A; EP3142210A1; NZ721992A; US10069306B2; CA2937025A1; IL270113B; IL282331A

Abstract

Un método para gestionar un dispositivo fotovoltaico (200), que comprende: poner en servicio un primer puerto de un interruptor (55) que se debe acoplar al dispositivo fotovoltaico; poner en servicio un segundo puerto de un interruptor (55) que se debe acoplar a una carga (RL) accionada por el dispositivo fotovoltaico (200); poner en servicio un tercer puerto del interruptor (55) que se debe acoplar a una fuente de alimentación (50), donde el interruptor puede operar en una primera posición, para proporcionar un recorrido de la corriente entre el dispositivo fotovoltaico (200) y la fuente de alimentación (50), y una segunda posición, para proporcionar el recorrido de la corriente entre el dispositivo fotovoltaico (200) y la carga (RL); y aplicar una señal de tensión generada por la fuente de alimentación (50) al dispositivo fotovoltaico (200), cuando el interruptor (55) está en la primera posición, teniendo la señal de tensión un primer estado, para generar un campo eléctrico externo en paralelo al dispositivo fotovoltaico (200) cuando el interruptor (55) está en la primera posición, y un segundo estado, para proporcionar aislamiento eléctrico entre la fuente de alimentación (50) y la carga (RL) cuando el interruptor (55) está en la segunda posición.

Description

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Por ejemplo, el interruptor 55 conecta los paneles solares 10 con la fuente de alimentación 50 en una primera posición (tal como se muestra con la flecha en el interruptor 55 de la figura 4). Cuando está conectado en la primera posición, la fuente de alimentación 50 aplica una tensión VAp en paralelo a los electrodos 101a, 101b (mostrados en la figura 1) de los paneles solares 10 e induce el campo eléctrico 250 (mostrado en la figura 3) en paralelo a cada panel solar 10. Una vez que el campo eléctrico 250 se ha establecido en paralelo a los paneles solares 10, el interruptor 55 conmuta de modo que conecte los paneles solares 10 con el inversor 31 (es decir, con la carga RL) en una segunda posición. En consecuencia, la fuente de alimentación 50 puede proporcionar el campo eléctrico 250 sin estar conectada a los paneles solares 10 y al inversor 31 al mismo tiempo. Por lo tanto, haciendo referencia de nuevo a la ecuación 2, la aplicación de la tensión externa VAp no permite que la carga RL (p. ej., el inversor 31) consuma corriente directamente de la fuente de alimentación 50.

La aplicación del campo eléctrico 250 a los paneles solares 10 puede aumentar la salida de corriente y potencia de los paneles solares 10 en una cantidad preestablecida, cuando los paneles solares 10 se conectan posteriormente al inversor 31 en la segunda posición. La cantidad preestablecida depende de una intensidad de luz incidente en los paneles solares 10, la tensión aplicada VAp a los paneles solares 10 por la fuente de alimentación 50, el grosor de los paneles solares 10, la frecuencia f con la que se conecta la fuente de alimentación 50 a los paneles solares 10 y el ciclo de trabajo del proceso de conmutación entre la primera posición y la segunda posición, estando definido el ciclo de trabajo como la cantidad de tiempo que los paneles solares 10 están conectados a la fuente de alimentación 50 dividido por 1/f el tiempo de conmutación (es decir, multiplicado por la frecuencia f o dividido por el período total de la señal). Cabe destacar, que el tiempo de duración de la conmutación D, la frecuencia de conmutación f y el ciclo de trabajo son todas magnitudes interelacionadas, de modo que cuando se cuantifican cualesquiera dos de las magnitudes se puede determinar la tercera magnitud. Por ejemplo, especificando la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo se puede determinar el tiempo de duración de la conmutación D. Por ejemplo, bajo unas condiciones de alta intensidad de luz, la mejora en la salida de potencia puede ser del orden de un 20%; bajo condiciones de baja luz, un 50% o más.

Convenientemente, la realización mostrada en la figura 4 proporciona el campo eléctrico 250 al dispositivo fotovoltaico 200 sin la necesidad de modificar los paneles solares 10 y/o las células solares 100 para incluir electrodos externos adicionales.

En algunas realizaciones, se puede colocar un dispositivo de almacenamiento de energía, tal como, un condensador 41, un inductor 42 y/o una batería 43 antes del inversor 31, para mitigar cualquier desconexión de tensión que se observe en el inversor 31 mientras el interruptor 55 está en la primera posición. En consecuencia, mientras el inversor 31 está desconectado de los paneles solares 10 (es decir, cargado), cuando el interruptor 55 está en la primera posición, y se establece el campo eléctrico 250 en paralelo a los paneles solares 10 (es decir, el tiempo de conmutación D mostrado en las figuras 5A-D), el dispositivo de almacenamiento de energía suministra energía al inversor 31 para mantener el flujo de corriente durante este período conmutado. Dicho de otra manera, el dispositivo de almacenamiento de energía se puede descargar mientras los paneles solares 10 están desconectados del inversor 31.

Por lo tanto, no se necesita aplicar, de manera continúa, una tensión constante desde la fuente de alimentación 50, lo que a su vez crea el campo eléctrico 250, para observar una mejora en la salida de potencia de los paneles solares 10. Por ejemplo, con tiempos de duración de la conmutación D de teóricamente entre 10 y 2000 ns, con VAp de teóricamente entre 100 y 500 o más voltios, y una frecuencia de conmutación f de 20 μ segundos, se puede utilizar el ciclo de trabajo de teóricamente entre un 0.1 y un 10%. El inductor 42, el condensador 41 y/o la batería 43 se eligen de modo que tengan un tamaño suficiente para proporcionar suficiente descarga mientras los paneles solares 10 están desconectados, mientras el campo eléctrico 250 se aplica en paralelo a los paneles solares 10, de modo que no se produzca una desconexión en la salida del inversor 31.

Por ejemplo, el tamaño del condensador 41 que se coloca en paralelo a la carga (p. ej., el inversor 31) se determina a partir de la caída de tensión aceptable que puede tolerar el inversor 31 durante el tiempo de conmutación D. Por ejemplo, si la caída de tensión durante el tiempo de conmutación D no debe ser menor que un 90% de la tensión máxima generada por el dispositivo fotovoltaico 200, se necesita dimensionar el condensador de acuerdo con la ecuación 3:

imagen8(ecuación 3)

En la ecuación 3, D es la duración en la que el interruptor está conectado a la fuente de alimentación 50 y MaxV es el porcentaje de la tensión máxima requerida (p. ej., 90% en el ejemplo anterior). De una manera similar, se pueden calcular la inductancia y/o la batería.

La figura 5A ilustra la tensión de control en función del tiempo del controlador del interruptor 45 para activar y controlar el interruptor 55 utilizando el sistema de gestión de células solares 300 de la figura 4. En este ejemplo, los paneles solares 10 están desconectados del inversor 31 y conectados a la fuente de alimentación 50 en la primera

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(p. ej., mediante la conmutación de la salida de la fuente de tensión alta 69 a los paneles solares 10), mostrado en la figura 6. El generador de impulsos de tensión 60 de la figura 8 contiene un dispositivo que transfiere las señales eléctricas entre dos circuitos, aislados eléctricamente utilizando la luz, tal como un optoacoplador 62 para aislar el generador de impulsos 61 del transistor de conmutación 68 de tensión alta. Convenientemente, el optoacoplador 62 evita que una tensión alta (p. ej., desde la fuente de tensión alta 69) afecte a la señal del impulso 71. El circuito optoacoplador 62 se ilustra con los terminales 1-8 y se muestra como parte del circuito de entrada al generador de impulsos de tensión 60.

Un suministro de tensión de polarización 63 (no se muestra) proporciona tensión (p. ej., 15 VCC) al optoacoplador 62 para suministrar la polarización requerida en el optoacoplador 62. Un condensador 64 aísla el suministro de tensión de polarización 63, lo que crea un recorrido de CA para cualquier señal que no distorsione el suministro de polarización al optoacoplador 62. Los terminales 6 y 7 del optoacoplador 62 son las salidas de la señal de conmutación del optoacoplador 62 utilizados para accionar el transistor de conmutación 68 de tensión alta. Un diodo 66, tal como un diodo Zener, se utiliza para mantener el umbral de conmutación del transistor de conmutación 68 por encima del punto de operación del diodo 66, lo cual elimina que cualquier ruido active de forma involuntaria el transistor de conmutación 68. La resistencia 67 establece el punto de polarización para la puerta G y el emisor E del transistor de conmutación 68. Cuando la tensión aplicada en paralelo a los terminales 6 y 7 del optoacoplador 62 excede el umbral establecido por la resistencia 67, el transistor de conmutación 68 se “activa” y la corriente fluye entre el colector C y el emisor E del transistor de conmutación 68 de tensión alta. En consecuencia, el transistor de conmutación 68 de tensión alta presenta una fuente de tensión alta inyectada a los paneles solares 10 hasta que el impulso de control de entrada desde el generador de impulsos 61 cae por debajo del umbral establecido en la G del transistor de conmutación 68 de tensión alta, lo que detiene el flujo de corriente en paralelo a C-G y “desactiva” el transistor de conmutación 68.

Tal como en las realizaciones previas descritas anteriormente, la aplicación del campo eléctrico 250 a los paneles solares 10 puede aumentar la salida de corriente y potencia de los paneles solares 10, cuando posteriormente se conectan al inversor 31, en una cantidad preestablecida (p. ej., que depende de la intensidad de la luz incidente en los paneles solares 10, la tensión aplicada VAp a los paneles solares 10 por la fuente de alimentación 50, el grosor de los paneles solares 10, la anchura del impulso DP y la frecuencia f con la que se aplica el impulso de tensión 71 a los paneles solares 10, etc.). De manera similar, bajo condiciones de luz de alta intensidad, la mejora en la salida de potencia de los paneles solares 10 puede ser del orden de un 20%; y bajo condiciones de baja luz puede ser de un 50% o más.

La mejora en el comportamiento del dispositivo fotovoltaico 200 trabajando conjuntamente con el campo eléctrico 250 se puede medir como un aumento en la corriente de cortocircuito de la célula solar, Isc, tal como se muestra en la ecuación 5:

Isc = IBase [1 + c(V(τ, f),t, ε) *(pmáx – p)] (ecuación 5)

donde IBase es la corriente de cortocircuito cuando no se aplica ningún campo eléctrico 250 externo y pmáx es la potencia óptica máxima a la cual cualquier potencia adicional no crea ningún par electrón-hueco adicional. Como la mejora en la salida de corriente de la célula solar está accionada por el campo eléctrico 250, la forma de c(V(τ, f),t,ε) se puede describir mediante la ecuación 6:

c(V(τ, f), t, ε) = m(t, ε)VAp*(1-exp(τ/τo ))*exp(-fdet/f)(ecuación 6)

En la ecuación 6, m(t, ε) depende del dispositivo fotovoltaico 200. La mejora en la corriente de cortocircuito Isc debido al campo eléctrico 250 puede ser lineal con respecto a la tensión aplicada VAp. La mejora observada con respecto a la tasa de repetición del impulso tiene una frecuencia característica de deterioro de (1/fdet) y para comportarse exponencialmente con respecto a la tasa del impulso f. La mejora observada con respecto a la anchura del impulso τ también se puede comportar exponencialmente y describe con qué rapidez la tensión aplicada VAp, alcanza toda su magnitud. La mejora observada con respecto a la anchura del impulso τ depende de los detalles del generador de impulsos de tensión 60. El aumento de la corriente de cortocircuito Isc, como una función de la tensión aplicada VAp, la tasa de repetición del impulso f y la anchura del impulso τ, se muestran en las figuras 11A-C respectivamente.

La figura 11A muestra la mejora esperada en la corriente de cortocircuito Isc, para el panel solar 10 (mostrado en la figura 2) como una función de la magnitud del impulso de tensión aplicado VAP. Tal como se muestra, la anchura del impulso y la tasa de repetición del impulso son fijas y la magnitud de la tensión del impulso varía entre 50 y 250 voltios. La mejora en la corriente de cortocircuito ΔISC aumenta teóricamente desde 0.1 hasta 2 amperios. El cambio en la corriente de cortocircuito ΔISC como una función del impulso de tensión aplicado VAp es, en primer orden, aproximadamente lineal. La figura 11B muestra el cambio en la mejora de la corriente de cortocircuito ΔISC como una función de la tasa de repetición del impulso para una anchura de impulso fija y un impulso de tensión fijo. Tal como se muestra en la figura 11B, la mejora en la corriente de cortocircuito ΔISC disminuye desde aproximadamente 1.7 amperios hasta 0.45 amperios, conforme la tasa de repetición del impulso aumenta desde 10 hasta 100 en unas unidades de tiempo arbitrarias. Este comportamiento es aproximadamente exponencial. La figura 11C muestra el cambio en la mejora de la corriente de cortocircuito ΔISC como una función de la anchura del impulso para una tasa

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de repetición del impulso fija y un impulso de tensión fijo. Para este ejemplo, la mejora de la corriente de cortocircuito, ΔISC , aumenta desde 0 hasta 1.2 amperios conforme aumenta la anchura del impulso desde 0 hasta 2000 con el tiempo.

En cada una de las realizaciones descritas, el aumento de la fuerza del campo eléctrico 250 en paralelo a los electrodos 101a, 101b de la célula solar 100 o el panel solar 10, aumenta la eficiencia de la célula solar 100 o el panel 10, por ejemplo, hasta una fuerza máxima del campo eléctrico de Emáx. Dicho de otra manera, una vez que la fuerza del campo eléctrico 250 alcanza una fuerza máxima, se ha minimizado la tasa de recombinación electrónhueco. En consecuencia, puede ser ventajoso configurar el circuito de control del dispositivo fotovoltaico 200 de modo que maximice la corriente y tensión de salida en condiciones operativas variables.

Por ejemplo, volviendo a la figura 9A, se muestran un sensor de corriente 33 y una sonda de tensión 32 acoplados al sistema de gestión de células solares 300 de la figura 4. Tal como se ilustra, el sensor de corriente 33 está acoplado en serie entre el panel solar 10 y el inversor 31. El sensor de corriente 33 puede monitorizar la salida de corriente del panel solar 10. De manera similar, la sonda de tensión 32 está conectada en paralelo a los paneles solares 10 y al inversor 31 para monitorizar la tensión de salida del panel solar 10.

Un circuito de control 35 está acoplado tanto al sensor de corriente 33, por medio de los cables conductores 33a, como a la sonda de tensión 32, por medio de los cables conductores 32a. El sensor de corriente 33 puede ser una unidad de medición en línea o inductiva y mide la salida de corriente de los paneles solares 10. De manera similar, el sensor de tensión 32 se utiliza para medir la salida de tensión de los paneles solares 10. El producto de la corriente medida en el sensor de corriente 33 y la tensión medida en la sonda de tensión 32 es la salida de potencia de los paneles solares 10 al inversor 31.

En algunas realizaciones, la sonda de tensión 32 también puede servir como fuente de potencia para el circuito de control 35 y se activa únicamente siempre que los paneles solares 10 estén iluminados y proporcionen potencia suficiente para activar el circuito de control 35. El circuito de control 35 está acoplado además al interruptor 55 para determinar la frecuencia y los intervalos de conmutación analizados haciendo referencia a la figura 4. La duración de los intervalos de conmutación y la frecuencia se pueden controlar para aplicar la tensión VAp en paralelo a los paneles solares 10, de modo que la corriente generada dentro de la célula solar 100 y medida por el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32 se maximicen en diversas condiciones operativas, tal como en condiciones de iluminación diferentes o variables.

En una realización para aplicar el campo eléctrico 250, el panel solar 10 inicialmente no genera potencia, por ejemplo, durante la noche o con una cobertura densa de nubes. Mientras los paneles solares 10 se iluminan (por ejemplo, durante la mañana), los paneles solares 10 generan tensión y corriente, y los cables conductores 32a comienzan a suministrar corriente y tensión al circuito de control 35. El circuito de control 35 contiene un suministro de energía de la lógica de baja tensión (no se muestra) para accionar la lógica de control dentro del circuito de control 35. El circuito de control 35 también incluye la fuente de alimentación 50 para proporcionar un suministro de energía de tensión alta. La fuente de alimentación 50 tiene una salida variable que se puede regular mediante el circuito de control 35 y es responsable de aplicar VAp en un cable conductor 38. La salida de tensión alta VAp desde el circuito de control 35 acciona el cable conductor 38 y está conectada al interruptor 55. El cable conductor 38 se utiliza para aplicar la tensión VAp a través del interruptor 55 a los paneles solares 10. En este ejemplo, el circuito de control 35 se configura para no aplicar ninguna tensión VAp a los paneles solares 10 hasta que se genere suficiente potencia en los paneles solares 10 como para activar el suministro de energía de la lógica de baja tensión y el suministro de energía de tensión alta.

En una realización alternativa, el circuito de control 35 se puede configurar para aplicar el campo eléctrico 250 y maximizar la salida de potencia mientras la iluminación durante el día aumenta y disminuye. El circuito de control 35 puede proporcionar el campo eléctrico 250 y estabilizar la salida de potencia de los paneles solares 10 de acuerdo con cualquier método descrito anteriormente, que incluye el proceso 9000 mostrado en la figura 9B.

Volviendo a la figura 9B, el proceso 9000 incluye inicializar la potencia en el paso 900. Debe haber suficiente potencia presente procedente de la salida de los paneles solares 10 para activar el suministro de energía de la lógica de baja tensión, que opera la lógica de control en el circuito de control 35, y el suministro de energía de tensión alta, necesaria para aplicar una tensión alta en el cable conductor 38 y a través del interruptor 55. Como alternativa, el circuito de control 35 se puede alimentar desde una fuente externa (no se muestra), por ejemplo, una batería, un condensador de gran tamaño, una fuente de alimentación externa de CA, que permita operar el suministro de energía de la lógica de baja tensión y el circuito de control 35 para monitorizar la salida de potencia de los paneles solares 10, hasta que los paneles solares 10 generen una salida de potencia suficiente de modo que se garantice que la aplicación del campo eléctrico 250 en los paneles solares 10 aumentará su salida de potencia. Como el circuito de control 35 está arrancando, se inicializan todos los parámetros (p. ej., la tensión alta aplicada VAp, el intervalo de duración de la conmutación D y la frecuencia de conmutación f). En una realización, la tensión alta aplicada VAp se fija a cero mientras que la duración de la conmutación D y la frecuencia de conmutación f se fijan en sus valores nominales de D=τo y f = fo. Todos los índices de control, n, i, y j se inicializan a cero.

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A continúación, el circuito de control 35 determina, en el paso 901, si la tensión medida en la sonda de tensión 32 está por encima o por debajo de un mínimo preestablecido, Vmín, y si la corriente tal como se mide en el sensor de corriente 33 está por encima de un mínimo preestablecido, imín. La combinación de Vmín e imín se ha escogido de manera que se determine que los paneles solares 10 están iluminados y generando cierto porcentaje teórico, por ejemplo, un 5%, de su potencia promedio nominal y que hay suficiente potencia generada para suministrar a la fuente de alimentación 50 dentro del circuito de control 35 con el fin de aumentar la salida de los paneles solares 10. Si el circuito de control 35 determina que la corriente y la tensión medidos están por encima de los mínimos preestablecidos respectivos, el circuito de control 35, en ese momento, es operacional y el proceso 9000 continúa al paso 903; en caso contrario, el proceso 9000 entra en un estado de espera, en el paso 902, y vuelve al paso 900.

En el paso 903, el circuito de control 35 mide la corriente que fluye al inversor 31, por medio del sensor de corriente 33, la tensión en paralelo al inversor 31, por medio del sensor de tensión 32, y calcula la potencia (teóricamente, corriente x tensión) que fluye a través del inversor 31. Se incrementa un índice de control n a n+1.

En el paso 904, el circuito de control 35 compara VAp con Vmáx. Vmáx puede ser un valor prefijado y representa la tensión máxima que se puede aplicar a los paneles solares 10 sin dañar ni los paneles solares 10 ni el inversor 31. Dependiendo del tipo de panel solar 10, Vmáx está habitualmente entre 600 V y 1000 V. Si VAp es menor que Vmáx, en ese caso el proceso 9000 continúa al paso 906; en caso contrario, el proceso 9000 espera en el paso 905.

En el paso 906, el circuito de control 35 incrementa la tensión alta aplicada VAp en una cantidad nΔV y activa el interruptor 55. La activación del interruptor 55 desconecta los paneles solares 10 del inversor 31 y conecta los paneles solares 10 a VAp del circuito de control 35 en los cables conductores 38. En este ejemplo, ΔV puede ser un paso de tensión fija de 25 voltios, aunque se pueden utilizar pasos de tensión mayores o menores. La tensión VAp impone el campo eléctrico 250 en los paneles solares 10, de modo que la fuerza del campo eléctrico 250 sea proporcional a la tensión aplicada VAp. La duración de la conexión de los paneles solares 10 a VAp dentro del circuito de control 35 se escoge de modo que no interrumpa el funcionamiento del inversor 31. En este ejemplo, el ciclo de trabajo se escoge de modo que sea un 5% (los paneles solares 10 están conectados un 5% del tiempo a VAp dentro del circuito de control 35) y la duración por defecto del intervalo de conmutación se escoge de modo que sea teóricamente 1000 ns. Se pueden utilizar intervalos de conmutación alternativos según se desee. El circuito de control 35 recibe de nuevo la medición de la corriente que fluye al inversor 31, por medio del sensor de corriente 33, recibe la medición de la tensión en paralelo al inversor 31, por medio del sensor de tensión 32, y vuelve a calcular la potencia que fluye a través del inversor 31.

En el paso 908, el circuito de control 35 compara la salida de potencia de los paneles solares 10, antes de aplicar VAp al panel solar 10, con la medición más reciente. Si la potencia ha aumentado, el proceso 9000 vuelve al paso 901 y se repite. La tensión aplicada al cable conductor 38 aumenta en ΔV hasta que la tensión alta aplicada VAp es mayor que Vmáx o hasta que el aumento de la tensión alta aplicada VAp no genere un aumento en la potencia de salida de los paneles solares 10. Vmáx se define en la presente como la tensión máxima que se puede aplicar a un panel solar sin dañarlo. Dependiendo del tipo de panel solar 10, Vmáx de manera habitual está aproximadamente entre 600 y 1000 V. En ambos casos, el proceso 9000 espera en el paso 905. La duración del estado de espera podría ser desde segundos hasta minutos.

Después del paso de espera 905, el proceso 9000 continúa al paso 907. Si la potencia, según se mide por medio de los cables conductores 32a y 33a, no ha cambiado, se decrementa el índice n (n=n-1), se reduce la tensión aplicada VAp en los cables conductores 38 al panel o paneles solares 10 en la cantidad ΔV, y el circuito de control 35 activa el interruptor 55. El proceso 9000 continúa en el paso 909, donde el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32 miden la salida de potencia. Si la salida de potencia presenta una caída, el proceso 9000 continúa al paso 910. Si ha aumentado la salida de potencia, el proceso 9000 vuelve al paso 907 y se continúa el decremento de la tensión aplicada VAp hasta que la salida de potencia de los paneles solares 10 deje de disminuir. El proceso 9000 continúa al paso 910.

En el paso 910, el circuito de control 35 aumenta la duración que el interruptor 55 está conectado a los paneles solares 10 con el cable conductor 38 en la primera posición analizada anteriormente. La cantidad de tiempo que el interruptor 55 está conectado a la fuente de alimentación 50 aumenta en una cantidad iΔτo. Se activa el interruptor 55 y el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 34 monitorizan de nuevo la salida de potencia de los paneles solares 10. El proceso 9000 continúa al estado 912 para determinar si aumenta la salida de potencia de los paneles solares 10. Si esto es cierto, el proceso 9000 continúa al paso 910 y se aumenta de nuevo la duración que los paneles solares 10 están conectados a la fuente de alimentación 50. La duración de la conmutación aumentará hasta que la potencia de salida de los paneles solares 10 alcance un máximo (o hasta un límite fijo de duración, por ejemplo, cuando se alcancen los 3-5 μsegundos), momento en el cual se detienen los cambios en la duración de la conmutación accionados por el circuito de control 35. No obstante, si en el paso 912, el circuito de control 35 establece que el aumento de la duración de la conmutación D provoca una disminución en la salida de potencia, según se mide mediante el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32, el proceso 9000 continúa al paso 911 y la duración de la conmutación D disminuye al iterar entre los pasos 911 y 913 hasta que se maximice de nuevo la salida de potencia de los paneles solares 10. Después de que el circuito de control 35 haya determinado que la duración de la conmutación se ha optimizado para una potencia de salida máxima de los paneles solares 10,

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mediante la repetición de los pasos 910 a 913, el proceso 9000 continúa al paso 914.

En el paso 914, el circuito de control 35 comienza a aumentar la frecuencia de conexión f, con la cual se conecta el interruptor 55 al circuito de control 35. La frecuencia f con la que el interruptor 55 se conecta a la fuente de alimentación 50 aumenta en jΔf con respecto a la frecuencia de conmutación original fo, de modo que f = fo + jΔf. En el paso 914, el interruptor 55 se conecta entre el cable conductor 38 y los paneles solares 10 a una frecuencia nueva, f, y se vuelve a monitorizar la salida de potencia de los paneles solares 10 mediante el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 34. El proceso 9000 continúa al paso 916. Si ha aumentado la salida de potencia de los paneles solares 10, el proceso 9000 vuelve al paso 914 y se aumenta de nuevo la tasa a la cual los paneles solares 10 se conectan a la fuente de alimentación 50. La tasa de conexión aumentará hasta que la potencia de salida de los paneles solares 10 alcance un máximo o hasta una frecuencia máxima fmáx, momento en el cual el proceso 9000 continúa al paso 915. En el paso 914, la frecuencia con la que el interruptor 55 se conecta a la tensión alta 50 a través del cable conductor 38 disminuye, en ese instante, en una cantidad jΔf y se activa de nuevo el interruptor 55, y el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32 monitorizan de nuevo la salida de potencia de los paneles solares 10. En ese momento, el circuito de control 35 decide si la disminución de la tasa de conexión aumenta la salida de potencia de los paneles solares 10 en el paso 917. Si esto es cierto, el proceso 9000 vuelve al paso 915. Como alternativa, si la frecuencia de conmutación alcanza cierta frecuencia mínima fmín, el proceso 9000 continúa al paso 918 para esperar.

En el 918, una vez que se ha maximizado la salida de potencia de los paneles solares 10, el circuito de control 35 entra en un estado de espera durante un período de tiempo. El período de tiempo puede ser de segundos o minutos. Después de esperar en el paso 918, el proceso 9000 continúa al paso 901 donde el proceso 9000 comienza de nuevo a modificar la tensión, el tiempo de conexión de la conmutación y la tasa de conmutación a partir de los valores previos optimizados para verificar que los paneles solares 10 todavía están operando a sus niveles de salida máximos. La tensión aplicada 50 desde el circuito de control 35, la duración de la conmutación y la tasa de conmutación varían todos durante el transcurso del funcionamiento durante un día para garantizar que los paneles solares 10 están operando con la potencia de salida máxima para las condiciones operativas de ese día en particular.

Si en el paso 901, la tensión, según se mide en el sensor de tensión 32, cae por debajo del mínimo preestablecido Vmín, y la corriente, según se mide con el sensor de corriente 33, cae por debajo de un mínimo preestablecido imín, el circuito de control 35 eliminará cualquier tensión en las líneas 38, y el circuito de control 35 continúará al paso 902 para esperar antes de volver al paso 900 (donde el sistema reiniciará todos los parámetros e índices). El proceso 9000 alternará desde el paso 900 hasta el 901, el 902 y de vuelta al 900 hasta que la tensión, según se mide con la sonda de tensión 32, y la corriente, según se mide con el sensor de corriente 33, estén por encima de Vmín e imín respectivamente, momento en el cual el proceso 9000 continúará desde el paso 901 hasta el paso 903.

Se pueden implementar dentro del circuito de control 35 diferentes máquinas de estado para obtener unos resultados similares y estas están dentro del alcance de esta exposición. No obstante, el proceso 9000 descrito anteriormente minimiza, de manera conveniente, la magnitud de la tensión aplicada VAp al menor valor posible, de modo que se maximice el producto de la corriente medida por la sonda de corriente 33 y la tensión medida por la sonda de tensión 32. La tensión aplicada VAp oscila, es decir, cambia en pequeñas cantidades arriba y abajo, en el transcurso del funcionamiento durante un día para tener en cuenta los cambios de la potencia óptica incidente, p, en la célula solar 100, el panel solar 10 o en la pluralidad de paneles solares 10 durante el transcurso de un día, de modo que se pueda mantener siempre la salida de potencia máxima.

La mayoría de los pasos descritos en el proceso 9000 anterior, se diseñaron para tratar los cambios adiabáticos en la iluminación que tienen lugar lentamente durante períodos de muchos minutos u horas. En una realización alternativa, si tuvieran lugar diferencias de iluminación con una tasa de cambio mayor, el proceso 9000 se podría adaptar de modo que se minimicen las variaciones de alta frecuencia en la salida de potencia de CC al inversor intentando evitar que varíe la potencia de salida de CC a una tasa de cambio demasiado alta, y por tanto mejorar la calidad del inversor.

En otro ejemplo, volviendo a la figura 10A, se muestran el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32 acoplados al sistema de gestión de células solares 300 de la figura 6. Tal como se ilustra, el sensor de corriente 33 está acoplado en serie entre el panel solar 10 y el inversor 31. El sensor de corriente 33 puede monitorizar la salida de corriente del panel solar 10. De manera similar, la sonda de tensión 32 está conectada en paralelo a los paneles solares 10 y al inversor 31 para monitorizar la tensión de salida del panel solar 10.

Un circuito de control 36 está acoplado tanto al sensor de corriente 33, por medio de los cables conductores 33a, como a la sonda de tensión 32, por medio de los cables conductores 32a. El sensor de corriente 33 puede ser una unidad de medición en línea o inductiva y mide la salida de corriente de los paneles solares 10. De manera similar, el sensor de tensión 32 se utiliza para medir la salida de tensión de los paneles solares 10. El producto de la corriente medida en el sensor de corriente 33 y la tensión medida en la sonda de tensión 32 permite un cálculo de la salida de potencia de los paneles solares 10 al inversor 31.

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En algunas realizaciones, la sonda de tensión 32 también puede servir como fuente de potencia para el circuito de control 36 y se activa únicamente siempre que los paneles solares 10 estén iluminados y proporcionen potencia suficiente para activar el circuito de control 36. El circuito de control 36 se acopla además al generador de impulsos de tensión 60 para controlar la amplitud del impulso de tensión VAp, la duración del impulso DP y la frecuencia del impulso f analizados haciendo referencia a la figura 6. La duración del impulso DP, la frecuencia del impulso f y la tensión del impulso VAp aplicados en paralelo a los paneles solares 10 se pueden controlar y regular, de modo que la corriente generada dentro del panel solar 10 y medida por el sensor de corriente 33 y la sonda de tensión 32 se maximicen en diversas condiciones operativas, tal como en condiciones de iluminación diferentes o variables.

En una realización para aplicar el campo eléctrico 250, el panel solar 10 inicialmente no genera potencia, por ejemplo, durante la noche o con una cobertura densa de nubes. Mientras los paneles solares se iluminan (por ejemplo, durante la mañana), los paneles solares 10 generan tensión y corriente, y los cables conductores 32a comienzan a suministrar corriente y tensión al circuito de control 36. El circuito de control 36 contiene un suministro de energía de la lógica de baja tensión (no se muestra) para accionar la lógica de control dentro del circuito de control 36. El circuito de generación de impulsos 60 contiene un suministro de energía de tensión alta y de baja tensión (no se muestran). El suministro de energía de tensión alta en el generador de impulsos de tensión 60 tiene una salida variable que se puede regular mediante un circuito de control 36 y es responsable de aplicar VAp en los paneles solares 10. En este ejemplo, el circuito de control 36 se configura de modo que no aplique ninguna tensión a los paneles solares 10 hasta que se genere suficiente potencia en los paneles solares 10 como para activar el suministro de energía de la lógica de baja tensión y el suministro de energía de tensión alta en el generador de impulsos 60.

En una realización alternativa, el circuito de control 36 se configura para controlar el campo eléctrico 250 y maximizar la salida de potencia mientras la iluminación durante el día aumenta y disminuye. El circuito de control 36 puede controlar el campo eléctrico 250 aplicado por el generador de impulsos de tensión 60 y estabilizar la salida de potencia de los paneles solares 10 de acuerdo con cualquier método descrito anteriormente, que incluye el proceso 10 000 mostrado en la figura 10B.

Volviendo a la figura 10B, el proceso 10 000 incluye inicializar la potencia en el paso 1000. Debe haber suficiente potencia presente procedente de la salida de los paneles solares 10 para activar el suministro de energía de la lógica de baja tensión, que opera la lógica de control en el circuito de control 36, y el suministro de energía de tensión alta y de baja tensión en el generador de impulsos de tensión 60. Como alternativa, el circuito de control 36 se puede alimentar desde una fuente externa (no se muestra), por ejemplo, una batería, un condensador de gran tamaño, una fuente de alimentación externa de CA, que permite operar el suministro de energía de la lógica de baja tensión y el circuito de control 36 para monitorizar la salida de potencia de los paneles solares 10, hasta que tengan una salida de potencia suficiente de modo que se garantice que la aplicación del campo eléctrico 250 en los paneles solares 10 aumentará su salida de potencia. Como el circuito de control 36 está arrancando, se inicializan todos los parámetros (p. ej., la tensión alta aplicada VAp, la duración del impulso DP y la frecuencia de repetición del impulso f). En una realización, la tensión alta aplicada VAp se fija a cero mientras que la duración del impulso DP y la tasa de repetición del impulso f se fijan en sus valores nominales de DP=τo y f=fo. Todos los índices de control, n, i, y j se inicializan a cero.

A continúación, el circuito de control 36 determina, en el paso 1001, si la tensión medida en la sonda de tensión 32 está por encima o por debajo de un mínimo preestablecido, Vmín, y si la corriente tal como se mide en el sensor de corriente 33 está por encima de un mínimo preestablecido, imín. La combinación de Vmín e imín se ha escogido de manera que se determine que los paneles solares 10 están iluminados y generando cierto porcentaje teórico, por ejemplo, un 5%, de su potencia promedio nominal y que se genera suficiente potencia como para proporcionar al suministro de energía de tensión alta con el fin de aumentar la salida de los paneles solares 10. Si el circuito de control 36 determina que la corriente y la tensión medidos están por encima de los mínimos preestablecidos respectivos, entonces el proceso 10 000, en ese momento, es operacional y continúa al paso 1003; en caso contrario, el proceso 10 000 entra en un estado de espera, en el paso 1002, y vuelve al paso 1000.

En el paso 1003, el circuito de control 36 mide la corriente que fluye al inversor 31, por medio del sensor de corriente 33, la tensión en paralelo al inversor 31, por medio del sensor de tensión 32, y calcula la potencia que fluye a través del inversor 31 (teóricamente, I x V). Se incrementa un índice de control n a n+1.

En el paso 1004, el proceso 10 000 compara VAp con Vmáx. Vmáx es un valor prefijado y representa la tensión máxima que se puede aplicar a los paneles sin dañar ni los paneles 10 ni el inversor 31. Si VAp es menor que Vmáx, en ese caso, el proceso 10 000 continúa al paso 1006; en caso contrario, el proceso 10 000 espera en el paso 1005.

En el paso 1006, el circuito de control 36 indica al generador de impulsos de tensión 60 que incremente la tensión alta aplicada VAp en una cantidad nΔV, e indique al generador de impulsos de tensión 60 que aplique el impulso de tensión a los paneles solares 10. En este ejemplo, ΔV puede ser un paso de tensión fija de 25 voltios, aunque se pueden utilizar pasos de tensión mayores o menores. La tensión VAp impone el campo eléctrico 250 en los paneles solares 10 y la fuerza del campo eléctrico 250 es proporcional a la tensión aplicada VAp. En este ejemplo, la anchura del impulso DP se escoge de modo que sea 1000 ns y la tasa de repetición del impulso se escoge de modo que sea

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Claims

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