[go: up one dir, main page]

RU2195754C2 - Device and method for solar-battery electrical energy take-off - Google Patents

Device and method for solar-battery electrical energy take-off Download PDF

Info

Publication number
RU2195754C2
RU2195754C2 RU99119111/09A RU99119111A RU2195754C2 RU 2195754 C2 RU2195754 C2 RU 2195754C2 RU 99119111/09 A RU99119111/09 A RU 99119111/09A RU 99119111 A RU99119111 A RU 99119111A RU 2195754 C2 RU2195754 C2 RU 2195754C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
energy
capacitor
electric
battery
Prior art date
Application number
RU99119111/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99119111A (en
Inventor
Игорь Константинович Чернилевский
Павел Феодосиевич Гнатенко
Original Assignee
Игорь Константинович Чернилевский
Павел Феодосиевич Гнатенко
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 Игорь Константинович Чернилевский, Павел Феодосиевич Гнатенко filed Critical Игорь Константинович Чернилевский
Priority to RU99119111/09A priority Critical patent/RU2195754C2/en
Publication of RU99119111A publication Critical patent/RU99119111A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2195754C2 publication Critical patent/RU2195754C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation and power engineering. SUBSTANCE: electrical energy produced by solar battery is proposed to be stored in advance in 0.01-100 F storage capacitor charged to maximal capacity of solar battery and having internal resistance below 0.15 Ohms. Pre-stored energy is supplied to load resistor or to storage cell with aid of pulse-width modulated DC converter in batches of 1 to 105 J. As compared with methods used earlier proposed one ensures increase in amount of energy picked off solar cell by 17-52% under ground conditions and long-time exposure. EFFECT: enhanced amount of energy picked off solar cell. 2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Область техники. The field of technology.

Изобретение может применяться в энергетике и приборостроении. The invention can be applied in energy and instrumentation.

Уровень техники. The prior art.

Фотоэлектрические преобразователи энергии (далее ФЭП) являются перспективными средствами получения электрической энергии из восстанавливаемого источника. Однако широкое применение ФЭП ограничено как техническими, так и экономическими факторами, а именно:
- неравномерностью электрической мощности ФЭП во времени;
- высокой стоимостью полупроводникового материала.
Photovoltaic energy converters (hereinafter FEP) are promising means of obtaining electrical energy from a renewable source. However, the widespread use of FEP is limited by both technical and economic factors, namely:
- uneven electric power of the solar cell in time;
- the high cost of semiconductor material.

Неравномерность электрической мощности ФЭП во времени определяется:
- изменением величины светового потока за счет неравномерной прозрачности атмосферы;
- изменением угла падения светового потока на поверхность ФЭП, связанного с суточным и сезонным перемещением Солнца;
- суточным и сезонным изменением температуры окружающей среды;
- разогревом ФЭП при возрастании величины светового потока.
The unevenness of the electric power of the solar cells in time is determined by:
- a change in the magnitude of the light flux due to uneven transparency of the atmosphere;
- a change in the angle of incidence of the light flux on the surface of the solar cells associated with the daily and seasonal movement of the Sun;
- daily and seasonal changes in ambient temperature;
- heating the photomultiplier with increasing luminous flux.

Неравномерность электрической мощности ФЭП во времени приводит к ее систематическому рассогласованию с мощностью внешней нагрузки. Для устранения рассогласования внешней нагрузки с мощностью ФЭП применяются: коммутация балластной нагрузки различной мощности [1], включение аккумулятора в буферном режиме [2, 3, 4], широтно-импульсная стабилизация напряжения на нагрузке [5, 6] и комбинация этих приемов [7, 8, 9]. The unevenness of the electric power of the solar cells in time leads to its systematic mismatch with the power of the external load. To eliminate the mismatch between the external load and the photomultiplier power, the following are applied: switching of a ballast load of various power [1], switching on the battery in the buffer mode [2, 3, 4], pulse-width pulse voltage stabilization at the load [5, 6], and a combination of these techniques [7 , 8, 9].

Аналог 1 [1] представляет собой регулятор напряжения для солнечной батареи (СБ). Он состоит из магазина из семи резисторов сопротивлением от 10 Ом до 330 кОм, которые могут быть включены параллельно СБ на основе аморфного кремния. Вследствие большого внутреннего сопротивления СБ разница напряжения холостого хода и напряжения под нагрузкой составляет значительную величину. Для устранения этого параллельно с основной нагрузкой включают шунтирующие балластные резисторы, что позволяет поддерживать напряжение в интервале 13,4-17,6 В. Analog 1 [1] is a voltage regulator for a solar battery (SB). It consists of a store of seven resistors with a resistance of 10 ohms to 330 kOhm, which can be connected in parallel with SBs based on amorphous silicon. Due to the large internal resistance of the SB, the difference between the open circuit voltage and the voltage under load is significant. To eliminate this, shunt resistors are included in parallel with the main load, which allows you to maintain a voltage in the range of 13.4-17.6 V.

Недостатками описанного устройства являются:
- рассеивание избыточной мощности на балластных сопротивлениях нагрузки;
- отсутствие слежения за режимом отбора максимальной мощности СБ;
- дискретный характер регулирования выходной мощности.
The disadvantages of the described device are:
- dissipation of excess power on the ballast resistances of the load;
- lack of monitoring the selection mode of the maximum power of the SB;
- discrete nature of the regulation of output power.

Аналог 2 [2]. Для улучшения согласования мощности СБ с нагрузкой в этом случае применен накопитель энергии, включенный в буферном режиме. Устройство представляет собой СБ из пяти элементов из монокристаллического кремния (Uxx= 2.65 В). Рабочая точка СБ: U=1.9 В, i=40 мА. В качестве накопителя использован никель-кадмиевый аккумулятор напряжением 1.2 В и емкостью 2 А•ч. Для предотвращения разряда аккумулятора через СБ в случае отсутствия освещения последовательно с СБ включен защитный диод. Электрическая энергия, выработанная СБ, поступает на сопротивление нагрузки и заряд аккумулятора. В случае отсутствия напряжения на СБ, энергия аккумулятора также поступает на сопротивление нагрузки. Реальное рабочее напряжение устройства составляет 1.2-1.4 В.Analog 2 [2]. To improve the coordination of the power of the SB with the load, in this case, an energy storage device included in the buffer mode was used. The device is a SB of five elements made of single-crystal silicon (U xx = 2.65 V). SB operating point: U = 1.9 V, i = 40 mA. A nickel-cadmium battery with a voltage of 1.2 V and a capacity of 2 A • h was used as a drive. To prevent battery discharge through the SB in the absence of lighting, a protective diode is connected in series with the SB. The electric energy generated by the SB is supplied to the load resistance and battery charge. In the absence of voltage on the SB, the battery energy is also supplied to the load resistance. The real operating voltage of the device is 1.2-1.4 V.

Недостатками устройства являются:
- значительное превышение Uxx СБ над рабочим напряжением устройства;
- большое (на 1 В рабочего напряжения) количество последовательно коммутированных ФЭП;
- рассеивание мощности на защитном диоде (особенно при больших токах в системе).
The disadvantages of the device are:
- a significant excess of U xx SB over the operating voltage of the device;
- a large (at 1 V operating voltage) number of series-connected PECs;
- power dissipation on the protective diode (especially at high currents in the system).

Аналог 3 [3] - это регулятор заряда аккумуляторной батареи от СБ. Analog 3 [3] is a battery charge regulator from SB.

Устройство состоит из СБ, аккумуляторной батареи (АБ), шунтирующих диодов и управляющего процессора. По мере повышения освещенности управляющий процессор подключает к АБ дополнительные аккумуляторы, а по мере уменьшения освещенности - отключает их. The device consists of an SB, a battery (AB), shunt diodes and a control processor. As the illumination increases, the control processor connects additional batteries to the battery, and as the illumination decreases, it turns them off.

К недостаткам устройства можно отнести:
- рассеивание мощности на защитных и шунтирующих диодах;
- дискретный характер согласования СБ и АБ;
- дискретный характер изменения величины выходного напряжения.
The disadvantages of the device include:
- power dissipation on protective and shunt diodes;
- the discrete nature of the coordination of SB and AB;
- the discrete nature of the change in the magnitude of the output voltage.

Аналог 4 [4] - система на основе СБ, предназначенная для питания датчиков, электромагнитных ключей, таймеров и др. В качестве буфера использован электролитический конденсатор емкостью 1 Ф и запасом энергии 23 Дж. Применение конденсатора большой емкости в качестве буфера позволяет значительно увеличить мощность импульсного потребления энергии СБ нагрузкой. Analog 4 [4] is a SB-based system designed to power sensors, electromagnetic switches, timers, etc. An electrolytic capacitor with a capacity of 1 F and an energy reserve of 23 J is used as a buffer. The use of a large capacitor as a buffer can significantly increase the pulse power power consumption sat load.

Недостатками системы являются отсутствие определенной величины напряжения питания на конденсаторе, что обусловлено временем заряда его большой емкости и неопределенным алгоритмом потребления накопленной энергии. The disadvantages of the system are the absence of a certain value of the supply voltage on the capacitor, which is due to the charge time of its large capacity and the uncertain algorithm for the consumption of stored energy.

Аналог 5 [5] - это регулятор напряжения СБ на сопротивлении нагрузки. Устройство состоит из двух транзисторов, двух конденсаторов, двух диодов и задающего генератора импульсов. Конденсаторы соединены последовательно и заряжаются через соответствующие диоды и транзисторы, которые включаются по очереди. Транзисторы управляются генератором импульсов, задающим их последовательность и длительность, на основании сравнения напряжения выхода и сигнала опорного ФЭП, смонтированного на СБ. Конденсаторы включены параллельно сопротивлению нагрузки и поддерживают напряжение на нем, равное тому, что соответствует максимальной мощности СБ. Analog 5 [5] is a regulator of voltage SB on the load resistance. The device consists of two transistors, two capacitors, two diodes and a master pulse generator. Capacitors are connected in series and are charged through the corresponding diodes and transistors, which are turned on in turn. Transistors are controlled by a pulse generator that sets their sequence and duration, based on a comparison of the output voltage and the signal of the reference photomultiplier mounted on the SB. Capacitors are connected in parallel with the load resistance and maintain a voltage on it equal to what corresponds to the maximum power of the SB.

Недостатками устройства являются:
- в период импульса "включено" ток заряда конденсаторов изменяет свою величину и не всегда соответствует точке максимальной мощности СБ;
- в период импульса "выключено" для обоих транзисторов отбор энергии от СБ не осуществляется;
- при отсутствии сопротивления нагрузки отбор энергии от СБ не осуществляется;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.
The disadvantages of the device are:
- during the pulse period “on” the capacitor charge current changes its value and does not always correspond to the point of maximum power of the SB;
- during the pulse period "off" for both transistors, energy is not taken from the SB;
- in the absence of load resistance, energy is not taken from the SB;
- at low levels of illumination SB efficiency of electric energy conversion is reduced.

Аналог 6 [6] - это устройство, обеспечивающее постоянное напряжение на сопротивление нагрузки СБ. Устройство состоит из СБ, трансформатора постоянного тока на полевых транзисторах и блока управления. Управление транзисторами обеспечивает аналоговая схема, формирующая частотно-модулированный сигнал, длительность которого определяется мощностью СБ в данный момент времени. Для этого проводятся непрерывные измерения значений тока и напряжения СБ, которые умножаются, после чего полученный таким образом сигнал сравнивается с предыдущим, сдвинутым относительно него на минимально возможный промежуток времени. Эта операция позволяет определить тенденции в изменении выходной мощности, согласно с которой осуществляется уменьшение или увеличение длительности управляющего импульса, в результате чего изменяется коэффициент трансформации, а следовательно, режим согласования нагрузки и СБ. Analog 6 [6] is a device that provides a constant voltage to the load resistance of the SB. The device consists of an SB, a DC transformer on field-effect transistors, and a control unit. Transistors are controlled by an analog circuit that generates a frequency-modulated signal, the duration of which is determined by the power of the SB at a given time. For this, continuous measurements are made of the values of the current and voltage of the SB, which are multiplied, after which the signal thus obtained is compared with the previous one shifted relative to it by the minimum possible period of time. This operation allows you to determine the trend in the output power, according to which a decrease or increase in the duration of the control pulse is carried out, as a result of which the transformation coefficient changes, and therefore the load matching mode and SB.

Недостатками устройства являются:
- в период импульса "включено" режим отбора тока фотоносителей не является режимом максимальной мощности СБ;
- в период импульса "выключено" отбор электрической энергии от СБ не осуществляется;
- при отключенном сопротивлении нагрузки отбор электрической энергии от СБ не осуществляется;
- сложность системы управления;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.
The disadvantages of the device are:
- during the pulse period, the “on” mode of taking the current of the photo-carriers is not the maximum power mode of the SB;
- during the pulse period "off", the selection of electric energy from the SB is not carried out;
- when the load resistance is disabled, the selection of electric energy from the SB is not carried out;
- the complexity of the control system;
- at low levels of illumination SB efficiency of electric energy conversion is reduced.

Аналог 7 [7] - это устройство для заряда АБ от СБ. Устройство состоит из СБ, основного силового диода, вольт-добавочного трансформатора, подключенного через транзисторные ключи, вспомогательных диодов и конденсатора. Основной заряд аккумулятора осуществляется через силовой диод в режиме максимальной мощности СБ (аналог 2). В случае, если мощность СБ по какой-либо причине уменьшается и напряжение на ней становится ниже порогового, необходимого для заряда аккумулятора, то заряд продолжается с помощью вольт-добавочного трансформатора, управляемого импульсами (аналог 6). Параллельно СБ включен конденсатор, накапливающий энергию в период заряда АБ через силовой диод и закрытые ключи вольт-добавочного трансформатора и отдает ее в период импульсов тока на вольт-добавочном трансформаторе. Analog 7 [7] is a device for charging a battery from a battery. The device consists of an SB, a main power diode, a voltage-boost transformer connected via transistor switches, auxiliary diodes and a capacitor. The main battery charge is carried out through the power diode in the maximum power mode SB (analogue 2). If for some reason the power of the SB decreases and the voltage on it falls below the threshold required to charge the battery, then the charge continues with the help of a voltage-boost transformer controlled by pulses (analogue 6). In parallel with the SB, a capacitor is switched on, which accumulates energy during the battery charge through the power diode and the private keys of the voltage-boost transformer and gives it during the current pulse on the voltage-voltage transformer.

Предложенное устройство подключения СБ к АБ позволяет снизить требования к соотношению напряжения на СБ и АБ по отношению к аналогу 2, однако, не устраняет всех присущих ему недостатков. Включение параллельно с СБ конденсатора позволяет устранить недостатки, присущие аналогу 6, однако соотношение емкости конденсатора с величиной и длительностью импульсов тока на вольт-добавочном трансформаторе требует дополнительного уточнения. The proposed device for connecting the SB to the AB can reduce the requirements for the ratio of voltage to the SB and the AB in relation to analog 2, however, does not eliminate all its inherent disadvantages. The inclusion of a capacitor in parallel with the SB allows eliminating the disadvantages inherent in analogue 6, however, the ratio of the capacitance of the capacitor to the magnitude and duration of the current pulses on the voltage-boost transformer requires further refinement.

Аналог 8 [8] - это регулятор напряжения СБ для заряда АБ. Устройство состоит из СБ, электронных ключей, АБ и контроллера с широтно-импульсной модуляцией. Два транзисторных ключа с широтно-импульсной модуляцией обеспечивают раздельный контроль и регулирование входного и выходного напряжений. При этом входное напряжение соответствует напряжению максимальной мощности СБ, а выходное напряжение задается оптимальным для зарядки АБ. Таким образом устраняются недостатки аналогов 2, 3, 4. Analogue 8 [8] is a SB voltage regulator for a charge of AB. The device consists of SB, electronic keys, battery and controller with pulse-width modulation. Two transistor switches with pulse-width modulation provide separate control and regulation of input and output voltages. In this case, the input voltage corresponds to the voltage of the maximum power of the SB, and the output voltage is set optimal for charging the battery. This eliminates the disadvantages of analogues 2, 3, 4.

Вместе с тем недостатками устройства являются:
- в период импульса "выключено" на входном ключе отбор энергии от СБ не производится;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.
However, the disadvantages of the device are:
- during the pulse period “off” on the input key, energy is not taken from the SB;
- at low levels of illumination SB efficiency of electric energy conversion is reduced.

Прототип [9] - это регулятор мощности для СБ, который обеспечивает ее работу при различных уровнях освещенности и температурах и предназначен для заряда АБ. Устройство состоит из индуктивности, конденсатора, диода, электронного ключа, блока управления, датчиков тока и освещенности. The prototype [9] is a power regulator for the SB, which ensures its operation at various levels of illumination and temperatures and is designed to charge the battery. The device consists of an inductance, a capacitor, a diode, an electronic key, a control unit, current and light sensors.

Импульс тока с СБ через замкнутый электронный ключ подается на индуктивность (импульс "включено"). При этом датчик тока контролирует его величину i и передает ее в блок управления, куда поступает также информация о напряжении СБ (UСБ), уровне освещенности СБ (Uxx) и напряжении на выходе регулятора (Uо).The current pulse with SB through a closed electronic key is fed to the inductance (pulse "on"). At the same time, the current sensor monitors its value i and transfers it to the control unit, which also receives information about the voltage of the SB (U SB ), the level of illumination of the SB (U xx ) and the voltage at the output of the regulator (U о ).

При размыкании электронного ключа (импульс "выключено") энергия, запасенная индуктивностью, передается через диод на заряд емкости, включенной параллельно с аккумулятором и поддерживающей напряжение на выходе регулятора в период импульса "включено". When the electronic switch is opened (the pulse is “off”), the energy stored by the inductance is transmitted through the diode to the charge of the capacitance, connected in parallel with the battery and supporting the voltage at the output of the regulator during the pulse period “on”.

Напряжение на емкости связано с напряжением на СБ соотношением

Figure 00000002

где t - длительность импульса "включено";
1-t - длительность импульса "выключено".The voltage on the capacitance is related to the voltage on the SB by the ratio
Figure 00000002

where t is the pulse duration "on";
1-t - pulse duration "off".

Соотношение длительности обоих импульсов формируется блоками управления на основе сравнения Uo, Uxx, UСБ и i с целью поддержания постоянного значения Uo.The ratio of the duration of both pulses is formed by the control units based on a comparison of U o , U xx , U SB and i in order to maintain a constant value of U o .

Очевидным преимуществом прототипа по отношению к аналогам 1, 2, 3, 4 и 7 является отсутствие прямой зависимости Uo от UСБ, а следовательно, возможность уменьшения последовательно коммутированных ФЭП. Преимуществом прототипа по отношению к аналогам 5 и 6 является возможность отбора энергии от СБ независимо от подключения сопротивления нагрузки к АБ. И, наконец, наличие в устройстве только одного силового транзисторного ключа упрощает управление им и не требует дополнительного согласования его работы, как в случае аналога 8.The obvious advantage of the prototype in relation to analogues 1, 2, 3, 4 and 7 is the absence of a direct dependence of U o on U SB , and therefore, the possibility of reducing sequentially switched photomultipliers. The advantage of the prototype in relation to analogues 5 and 6 is the ability to take energy from the SB regardless of the connection of the load resistance to the battery. And, finally, the presence of only one power transistor switch in the device simplifies its management and does not require additional coordination of its work, as in the case of analogue 8.

Недостатками устройства являются:
- во время импульса "включено" вследствие изменения величины тока в индуктивности отбор энергии от СБ не всегда соответствует точке ее максимальной мощности;
- в период импульса "выключено" отбор энергии от СБ не проводится;
- при низких уровнях освещенности СБ КПД преобразования электрической энергии уменьшается.
The disadvantages of the device are:
- during the pulse “on” due to a change in the current in the inductance, the energy extraction from the SB does not always correspond to the point of its maximum power;
- during the pulse period “off”, energy is not taken from the SB;
- at low levels of illumination SB efficiency of electric energy conversion is reduced.

Приведенные выше обстоятельства служат причиной потерь электрической энергии СБ, снижения эффективности их применения и повышения стоимости. The above circumstances cause the loss of electrical energy SB, reduce the efficiency of their use and increase cost.

Суть изобретения. The essence of the invention.

Постановка задачи. Formulation of the problem.

В основу изобретения поставлена задача в устройстве для получения электрической энергии от фотоэлектрического преобразователя путем расширения диапазона восприятия потока солнечного излучения, оптимизации условий работы ФЭП и повышения КПД при дальнейших преобразованиях электрической энергии обеспечить уменьшение ее потерь. The basis of the invention is the task of the device for receiving electrical energy from a photovoltaic converter by expanding the range of perception of the solar radiation flux, optimizing the conditions of the photomultiplier and increasing the efficiency with further transformations of electrical energy to reduce its losses.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для отбора электрической энергии от солнечной батареи, состоящей из последовательно коммутируемых фотоэлектрических преобразователей и аккумулятора, согласно изобретению параллельно выходу солнечной батареи включен электрический конденсатор, заряженный до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, внутреннее сопротивление электрического конденсатора значительно меньше внутреннего сопротивления солнечной батареи, а электрическая энергия с него передается на преобразователь постоянного напряжения, содержащий индуктивность, энергоемкость которой меньше энергоемкости электрического конденсатора, силовой диод, интегрирующий конденсатор, электронный ключ, стабилитрон обратной связи, блок управления, представляющий собой генератор прямоугольных импульсов, режим работы которого формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств и тока стабилитрона обратной связи, таким образом, что срабатывание нижнего порогового устройства при нарастании напряжения на электрическом конденсаторе не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления, а при достижении на электрическом конденсаторе напряжения срабатывания верхнего порогового устройства импульсный сигнал на выходе устройства управления приводит к началу цикла отвода электрической энергии от электрического конденсатора, заключающемуся в поочередном открывании и закрывании электронного ключа, причем, при каждом состоянии электронного ключа "включено" энергия электрического конденсатора переходит в энергию индуктивности, а в состоянии электронного ключа "выключено", запасенная в индуктивности энергия через силовой диод поступает на интегрирующий конденсатор и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда аккумулятора, при этом, при возрастании напряжения на интегрирующем конденсаторе до напряжения пробоя стабилитрона обратной связи, ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности состояния "включено" электронного ключа, а при уменьшении напряжения на электрическом конденсаторе до напряжения срабатывания нижнего порогового устройства устанавливает электронный ключ в стабильное состояние "выключено", означающее окончание цикла отвода энергии от электрического конденсатора в аккумулятор, при этом, напряжения срабатывания верхнего и нижнего пороговых устройств равны электрическому напряжению точки максимального отбора мощности солнечной батареи, определяемой из ее вольтамперной характеристики при ее конкретном размещении и при ее максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня, а емкость С электрического конденсатора удовлетворяет условию

Figure 00000003

где С - емкость электрического конденсатора,
Iкз max - ток короткого замыкания солнечной батареи при максимальном уровне освещенности,
τB max - максимальная длительность состояния "выключено" электронного ключа,
Uxx - напряжение холостого хода солнечной батареи.The problem is solved in that in the device for collecting electric energy from a solar battery, consisting of series-switched photoelectric converters and a battery, according to the invention, an electric capacitor is charged parallel to the output of the solar battery, charged to the maximum power output voltage of the solar battery, the internal resistance of the electric capacitor is much less internal resistance of the solar battery, and electric energy is transferred from it to the pre a constant voltage generator containing an inductance whose energy intensity is less than the energy consumption of an electric capacitor, a power diode, an integrating capacitor, an electronic switch, a feedback zener diode, a control unit that is a rectangular pulse generator, whose operation mode is based on digital signals from threshold devices and a zener diode current feedback, so that the lower threshold device is triggered by an increase in voltage on the electric capacitor does not lead to a change in the signal at the output of the control unit, and when the trigger voltage of the upper threshold device is reached on the electric capacitor, the pulse signal at the output of the control device leads to the start of a cycle of electric energy removal from the electric capacitor, which consists in opening and closing the electronic key one by one, and, when in each state of the electronic switch, the energy of the electric capacitor is turned on into the inductance energy, and in the state of the electronic switch "in off ", the energy stored in the inductance through the power diode is fed to the integrating capacitor and charges it to a voltage equal to or greater than the battery charge voltage, while with increasing voltage on the integrating capacitor to the breakdown voltage of the feedback zener diode, the breakdown current of the zener diode leads to reducing the duration of the "on" state of the electronic key, and when reducing the voltage on the electric capacitor to the operating voltage of the lower threshold device, set t the electronic key is in the stable state “off”, which means the end of the cycle of energy removal from the electric capacitor to the battery, while the response voltages of the upper and lower threshold devices are equal to the voltage of the maximum power take-off point of the solar battery, determined from its current-voltage characteristic at its specific location and at its maximum and minimum levels of illumination in daylight conditions, and the capacitance C of the electric capacitor satisfies the condition
Figure 00000003

where C is the capacitance of the electric capacitor,
I KZ max - short circuit current of the solar battery at the maximum level of illumination,
τ B max - the maximum duration of the off state of the electronic key,
U xx - open circuit voltage of the solar battery.

Поставленная задача решается тем, что в способе отбора электрической энергии от солнечной батареи, включающем преобразование энергии солнечного излучения в электрический сигнал и ее аккумулирование, согласно изобретению энергия электрического сигнала солнечной батареи предварительно накапливается с помощью электрического конденсатора емкостью от 0,01 до 100 Ф, заряженного до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, а затем отводится от него на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения порциями от 1 до 105 Дж.The problem is solved in that in a method for collecting electric energy from a solar battery, including converting solar radiation energy into an electrical signal and accumulating it, according to the invention, the energy of the solar battery electric signal is pre-accumulated using an electric capacitor with a capacity of from 0.01 to 100 F, charged to the voltage of selection of the maximum power of the solar battery, and then diverted from it to the load resistance or the battery using a constant converter voltage in portions from 1 to 10 5 J.

Расширение диапазона потока солнечной энергии можно осуществить за счет повышения его интенсивности путем концентрирования с помощью фокусирующих зеркал или линз. Применение концентрирования солнечного излучения в настоящее время является признанным путем [10] снижения стоимости энергии, получаемой прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую. Концентрирование солнечного излучения дает возможность значительным образом повлиять на величину тока короткого замыкания (iкз) ФЭП, который является прямо пропорциональным интенсивности светового потока в пределах 1-2 порядков его величины [11] . При тех же условиях напряжение холостого хода Uxx ФЭП изменяется на 20-30%. Следовательно, концентрирование солнечного излучения позволяет уменьшить количество параллельно коммутированных ФЭП, однако, не позволяет снизить количество последовательно коммутированных, отвечающих за создание и внутреннее сопротивление СБ RСБ.Extending the range of the flow of solar energy can be accomplished by increasing its intensity by concentration using focusing mirrors or lenses. The use of solar radiation concentration is currently a recognized way [10] to reduce the cost of energy obtained by direct conversion of solar energy into electrical energy. Concentration of solar radiation makes it possible to significantly affect the magnitude of the short-circuit current (i cc ) of the solar cells, which is directly proportional to the intensity of the light flux within 1-2 orders of magnitude [11]. Under the same conditions, the open circuit voltage U xx of the solar cell changes by 20-30%. Consequently, the concentration of solar radiation can reduce the number of parallel-switched photocells, however, it does not reduce the number of series-switched, responsible for the creation and internal resistance of SB R SB .

Для уменьшения числа последовательно коммутированных ФЭП и достижения необходимого напряжения выхода предложено применить однотактный преобразователь постоянного напряжения (ППН) с широтно-импульсной стабилизацией (ШИС). ППН с ШИС обладает КПД (70-90)% и позволяет повышать напряжение на выходе по отношению к напряжению входа [12]. При этом величина напряжения выхода задается схемотехническими средствами и остается стабильной при изменении напряжения входа в пределах 3-4 раз, что превышает изменение Uхх от освещенности (40%) и рабочей температуры ФЭП (2 раза) [11].To reduce the number of consecutively switched photomultipliers and to achieve the required output voltage, it is proposed to use a single-cycle DC-DC converter (PPN) with pulse-width stabilization (SIS). PPN with SIS has an efficiency of (70-90)% and allows to increase the output voltage relative to the input voltage [12]. In this case, the value of the output voltage is set by circuitry and remains stable when the input voltage changes within 3-4 times, which exceeds the change in U xx from illumination (40%) and the PEC operating temperature (2 times) [11].

Конструктивно однотактный ППН с ШИС состоит, как и прототип, из индуктивности, диода, конденсатора, электронного ключа и блока управления. Structurally, a single-cycle PPN with SIS consists, like the prototype, of an inductance, a diode, a capacitor, an electronic switch and a control unit.

Применение ППН с ШИС позволяет снизить Uxx СБ до 11-9 В, при этом напряжение на нагрузке может поддерживаться на любом уровне в пределах 6-36 В, что приводит к значительному уменьшению последовательно-коммутированных ФЭП в СБ в 1,5-4 раза.The use of PPN with SIS allows you to reduce U xx SB to 11-9 V, while the voltage at the load can be maintained at any level within 6-36 V, which leads to a significant decrease in series-commutated PEC in SB by 1.5-4 times .

Следовательно, применение ППН с ШИС позволяет:
- уменьшить количество последовательно-коммутированных ФЭП в СБ в 1,5-4 раза, за счет чего уменьшить потери мощности, возникающие на внутреннем сопротивлении СБ и вследствие технологического рассогласования параметров отдельных ФЭП, и повысить надежность СБ;
- стабилизировать напряжение выхода устройства при изменении интенсивности светового потока в пределах до 100 раз и температуры ФЭП в пределах 100oС.
Therefore, the use of PPN with SIS allows you to:
- reduce the number of series-switched PECs in the SB by 1.5-4 times, thereby reducing the power losses that occur on the internal resistance of the SB and due to technological mismatch of the parameters of individual photovoltaic cells, and increase the reliability of the SB;
- to stabilize the output voltage of the device when changing the intensity of the light flux within up to 100 times and the temperature of the solar cells within 100 o C.

Сделанные выводы справедливы также для СБ без концентрирования солнечного излучения, однако, изменение величины светового потока в этом случае несколько меньше. The conclusions made are also valid for solar cells without concentration of solar radiation, however, in this case, the change in the luminous flux is somewhat less.

Как очевидно, предложенная система стабилизации выходного напряжения с помощью ППН с ШИС обладает всеми недостатками систем с импульсной стабилизацией выходного напряжения (аналоги 5, 6, 8 и прототип). Быстродействие таких систем обычно находится в пределах 10-1-10-4 с, при этом быстродействие ФЭП составляет 10-6-10-8 с [13]. Потери электрической энергии в этом случае будут определяться:
- потерями вследствие рассогласования мощности нагрузки и СБ, связанными с недостаточным быстродействием корректирующих устройств, принцип действия которых основывается на измерении и сопоставлении величин токов и напряжений (аналоги 5, 6 и прототип), что составляет временной интервал 10-2-1 с;
- наличием во всех импульсных системах импульса "выключено", соизмеримого по времени с импульсом "включено", т.е. 10-1-10-4 с (аналоги 5, 6, 8 и прототип), во время которого отбор энергии от СБ не производится.
As is obvious, the proposed system for stabilizing the output voltage with the help of PPS with SIS has all the disadvantages of systems with pulse stabilization of the output voltage (analogues 5, 6, 8 and prototype). The speed of such systems is usually in the range of 10 -1 -10 -4 s, while the speed of the solar cells is 10 -6 -10 -8 s [13]. Loss of electrical energy in this case will be determined:
- losses due to the mismatch of the load power and the SB associated with the insufficient speed of corrective devices, the principle of operation of which is based on the measurement and comparison of currents and voltages (analogues 5, 6 and prototype), which is a time interval of 10 -2 -1 s;
- the presence in all pulse systems of the pulse is “off”, commensurate in time with the pulse “on”, i.e. 10 -1 -10 -4 s (analogues 5, 6, 8 and prototype), during which the energy is not taken from the SB.

Для обеспечения постоянного отбора энергии от СБ в условиях, близких к точке максимальной мощности, предложено использовать конденсатор большой емкости, заряженный до напряжения, соответствующего точке максимальной мощности СБ. Напряжение на конденсаторе большой емкости может непрерывно изменяться в пределах от 0 до Uхх СБ, что позволяет схемотехническими средствами легко обеспечить его согласование с точкой максимальной мощности каждой СБ. Такое согласование можно осуществить, например, введением в блок управления пороговых устройств, фиксирующих нижнее и верхнее допустимые значения напряжения на конденсаторе, величины которых определяются из вольт-амперной характеристики СБ. Величина емкости такого конденсатора для СБ определяется формулой:

Figure 00000004

где С - емкость конденсатора;
iСБ - величина максимального тока СБ в точке отбора максимальной мощности (для оценок можно допустить iСБ=iкз);
ΔU - максимально допустимое отклонение напряжения СБ от точки максимальной мощности;
τВ - время импульса "выключено".To ensure constant energy extraction from the SB in conditions close to the maximum power point, it is proposed to use a large capacitor charged to a voltage corresponding to the maximum power point of the SB. The voltage on the capacitor of large capacity can continuously vary in the range from 0 to U xx SB, which allows circuitry to easily ensure its coordination with the maximum power point of each SB. Such coordination can be achieved, for example, by introducing threshold devices into the control unit that fix the lower and upper allowable voltage values on the capacitor, the values of which are determined from the current-voltage characteristics of the SB. The value of the capacitance of such a capacitor for SB is determined by the formula:
Figure 00000004

where C is the capacitance of the capacitor;
i SB - the value of the maximum SB current at the maximum power take-off point (for estimates, i SB = i kz can be assumed);
ΔU is the maximum allowable deviation of the SB voltage from the point of maximum power;
τ In - pulse time "off".

Подставив в формулу (2) значения UСБ=5 В, допустимое отклонение по напряжению не более 3%, т.е. ΔU=0,15 В, ток СБ 10 и 1 А в случаях концентрирования солнечного излучения и без него, при τВ=1 и 0,1 с, соответственно, получим величину емкости конденсатора 67 и 0,67 Ф. При этом разовые потери на начальный заряд емкости конденсатора до напряжения максимальной мощности составят соответственно 837 и 8,4 Дж, что требует работы СБ в соответствующем режиме в продолжении 17 и 1,7 с.Substituting in the formula (2) the values of U SB = 5 V, the permissible voltage deviation is not more than 3%, i.e. ΔU = 0.15 V, SB current 10 and 1 A in cases of concentration of solar radiation and without it, at τ V = 1 and 0.1 s, respectively, we obtain the value of the capacitance of the capacitor 67 and 0.67 F. In this case, one-time losses the initial charge of the capacitor capacitance to the maximum power voltage will be 837 and 8.4 J, respectively, which requires the SB to operate in the corresponding mode for 17 and 1.7 s.

Для сравнения, потери энергии за каждый импульс "выключено" в системах без применения конденсатора большой емкости составят:
E = PСБ•τВ, (3)
соответственно 50 и 0,5 Дж. Потери в результате тока потерь конденсатора при его величине 20 мкА/Ф составит 6,7 и 0,067 мВА и ими можно пренебречь в сравнении с соответствующей мощностью СБ.
For comparison, the energy loss for each pulse "off" in systems without the use of a large capacitor will be:
E = P SB • τ V , (3)
respectively 50 and 0.5 J. Losses as a result of the current loss of the capacitor at its value of 20 μA / F will be 6.7 and 0.067 mVA and they can be neglected in comparison with the corresponding power of the SB.

Энергия, накопленная в конденсаторе большой емкости, может эффективно использоваться при изменении величины тока на индуктивной (аналоги 6, 7 и прототип) и емкостных нагрузках (аналог 5). The energy stored in a large capacitor can be effectively used when changing the current value on the inductive (analogs 6, 7 and prototype) and capacitive loads (analog 5).

Следовательно, применение конденсатора большой емкости в качестве промежуточного накопителя электрической энергии при повышении интенсивности светового потока позволяет:
- стабилизировать работу СБ в точке отбора максимальной мощности с большой точностью (отклонения по напряжению не более 3%);
- обеспечить непрерывный отвод электрической энергии от СБ в периоды, когда потребление ее другими потребителями отсутствует.
Therefore, the use of a large capacitor as an intermediate storage of electrical energy with increasing light intensity allows you to:
- stabilize the SB at the point of selection of maximum power with high accuracy (voltage deviations of not more than 3%);
- to ensure continuous removal of electric energy from the SB in periods when there is no consumption by other consumers.

В случае расширения диапазона потока световой энергии в сторону уменьшения основные изменения происходят с током короткого замыкания iкз (при изменении освещенности в 15 раз iкз изменяется в 12,5 раза, напряжение холостого хода СБ Uxx в 1,2 раза, мощность СБ в 15 раз [11]). Уменьшение iкз при почти постоянном значении Uxx означает увеличение внутреннего сопротивления СБ RСБ, которое обратно пропорционально iкз. В этом случае КПД, определяемый формулой

Figure 00000005
,
где η - КПД при использовании источника электрической энергии;
Rвн, Rн - внутреннее сопротивление источника и нагрузки, соответственно,
резко уменьшается.In the case of expanding the range of the flow of light energy in the direction of decreasing, the main changes occur with a short-circuit current i kz (when the illumination changes by 15 times, i kz changes 12.5 times, open circuit voltage SB U xx by 1.2 times, power SB 15 times [11]). A decrease in i KZ at an almost constant value of U xx means an increase in the internal resistance of the SB R SB , which is inversely proportional to i KZ . In this case, the efficiency determined by the formula
Figure 00000005
,
where η is the efficiency when using a source of electrical energy;
R vn , R n - internal resistance of the source and load, respectively,
decreases sharply.

В случае применения в качестве промежуточного накопителя энергии конденсатора большой емкости внутреннее сопротивление такого комбинированного источника энергии по отношению к внешней нагрузке определяется параллельным соединением внутренних сопротивлений СБ и конденсатора:

Figure 00000006
,
где Rк, RСБ - внутреннее сопротивление конденсатора и СБ, соответственно.In the case of the use of a large-capacity capacitor as an intermediate energy storage device, the internal resistance of such a combined energy source with respect to the external load is determined by the parallel connection of the internal resistance of the SB and the capacitor:
Figure 00000006
,
where R to , R SB - the internal resistance of the capacitor and SB, respectively.

В том случае, если Rк<<RСБ, то RВН≈RК и, соответственно

Figure 00000007

т.е. КПД при преобразовании электрической энергии ФЭП перестает зависеть от уровня его освещенности.In the event that R k << R SB , then R BHR K and, accordingly
Figure 00000007

those. Efficiency in converting electric energy to solar cells ceases to depend on its level of illumination.

Таким образом, необходимым условием пригодности конденсатора большой емкости для использования в качестве промежуточного накопителя энергии является его низкое, по отношению к СБ, внутреннее сопротивление. Thus, a necessary condition for the suitability of a large capacitor for use as an intermediate energy storage device is its low internal resistance with respect to SB.

Следовательно, применение конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением в качестве промежуточного накопителя энергии при снижении интенсивности светового потока позволяет:
- стабилизировать работу СБ в точке отбора максимальной мощности;
- обеспечить непрерывный отвод энергии от СБ в условиях работы с нагрузкой на ППН с ШИС;
- обеспечить высокий и не зависимый от освещенности КПД при преобразовании электрической энергии ФЭП.
Therefore, the use of a large-capacity capacitor with low internal resistance as an intermediate energy storage unit while reducing the light flux intensity allows:
- stabilize the SB at the point of selection of maximum power;
- to provide continuous energy drainage from the SB in the conditions of work with the load on the load-transfer protection device with SIS;
- to provide high and independent of illumination efficiency when converting electric energy to solar cells.

Нами сформулированы некоторые требования к первичному накопителю энергии от СБ. Уточним их. We have formulated some requirements for the primary energy storage from SB. Clarify them.

Возможность непрерывного изменения рабочего напряжения от 0 до Uxx СБ в сочетании с широким диапазоном токов заряда и разряда выгодно отличают конденсатор большой емкости в сравнении с АБ, поскольку последняя обеспечивает возможность только дискретного согласования напряжения с СБ (аналоги 2, 3) и имеет ограниченный диапазон токов заряда.The ability to continuously change the operating voltage from 0 to U xx SB in combination with a wide range of charge and discharge currents favorably distinguishes a large capacitor in comparison with AB, since the latter provides the possibility of only discrete coordination of voltage with SB (analogues 2, 3) and has a limited range charge currents.

Параметры конденсатора по емкости предложено выбирать исходя из величины тока при максимальной освещенности iкз max, максимальной длительности импульса "выключено" τВ max и отклонении значения напряжения ΔUmax по формуле (2).It is proposed to select the capacitor parameters for the capacitance based on the current value at maximum illumination i kz max , maximum pulse duration "off" τ V max and voltage deviation ΔU max according to formula (2).

С другой стороны, фактор времени, необходимого для того, чтобы окупить потери энергии на первоначальный заряд конденсатора может служить критерием для целесообразности введения его в конкретную схему. Допустив, что потери на конденсаторе не должны превышать 1% энергии, выработанной СБ при минимальном уровне освещенности, получим верхнее ограничение емкости

Figure 00000008

где to - общее время непрерывного освещения СБ;
iкз min - ток короткого замыкания СБ при минимальном уровне освещенности;
UСБ - рабочее напряжение СБ.On the other hand, the factor of time required to recoup the energy loss on the initial charge of the capacitor can serve as a criterion for the advisability of introducing it into a specific circuit. Assuming that the losses on the capacitor should not exceed 1% of the energy generated by the SB at a minimum level of illumination, we obtain the upper capacity limit
Figure 00000008

where t o - the total time of continuous lighting SB;
i KZ min - SB short circuit current at a minimum level of illumination;
U SB - operating voltage SB.

Поскольку в условиях ШИС напряжения величина τВ max в значительной степени не определена и может изменятся в диапазоне 10-1-10-5 с [12], то для числовых оценок возьмем ее максимальное значение 0,1 c. В таком случае для ФЭП на основе монокристаллического кремния диаметром 100 мм, напряжением 0,53 В, током 2 А без концентрирования солнечного излучения и 5 А с концентрированием солнечного излучения, отклонением от напряжения максимальной мощности 3%, т.е. 0.016 В, необходимые емкости составят 12.5 Ф и 31.2 Ф соответственно для токов 2 и 5 А. Допустивши, что минимальный ток СБ в 50 раз меньше максимального, т.е. составляет 40 мА, а СБ находится в условиях освещенности 10 часов, получим из формулы (4) величину емкости 54 Ф. В отличие от нижнего ограничения емкости, отвечающего за потери энергии в условиях максимальной электрической мощности СБ, когда продуктивность ее максимальна, верхнее ограничение отвечает за потери энергии при минимальных мощностях СБ и не является жестким.Since under SIS voltage value τ max in a largely undefined and may vary in the range of 10 -1 to 10 -5 to [12], then it will take a maximum value for 0,1 c numerical ratings. In this case, for solar cells based on monocrystalline silicon with a diameter of 100 mm, a voltage of 0.53 V, a current of 2 A without concentration of solar radiation and 5 A with concentration of solar radiation, a deviation from the voltage of maximum power of 3%, i.e. 0.016 V, the required capacities will be 12.5 F and 31.2 F, respectively, for currents 2 and 5 A. Assuming that the minimum SB current is 50 times less than the maximum, i.e. is 40 mA, and the SB is in the conditions of illumination for 10 hours, we obtain from the formula (4) a capacitance value of 54 F. Unlike the lower limit of the capacitance, which is responsible for energy losses in conditions of the maximum electric power of the SB, when its productivity is maximum, the upper limit corresponds for energy loss at minimum SB power and is not tough.

Внутреннее сопротивление RСБ описанного выше ФЭП на основе монокристаллического кремния при определенных ранее условиях его освещенности изменяется в пределах от 13,25 до 0,26 Ом без концентрирования солнечного излучения и от 13,25 до 0,11 Ом при концентрировании солнечного излучения. Для реализации условия Rк<RСБ, необходимого для повышения КПД преобразования электрической энергии при низких уровнях светового потока, в случае описанного выше ФЭП Rк должно быть меньше 0,11 Ом.The internal resistance R SB of the above-described solar cells based on single-crystal silicon under the previously determined conditions for its illumination varies from 13.25 to 0.26 Ohms without concentrating solar radiation and from 13.25 to 0.11 Ohms when concentrating solar radiation. To implement the condition R k <R SB , necessary to increase the efficiency of electric energy conversion at low levels of light flux, in the case of the photomultiplier described above, R k should be less than 0.11 Ohm.

Выполнить условия относительно конденсатора емкостью, большей или равной 31,2 Ф с внутренним сопротивлением меньше 0,11 Ом, можно, применив в качестве первичного накопителя энергии конденсатор на двойном электрическом слое [14] . Например, конденсатор, изготовленный по данной технологии, имел диапазон рабочих напряжений от 0 до 1,25 В, емкость 180 Ф и внутреннее сопротивление 0,02 Ом. The conditions for a capacitor with a capacity greater than or equal to 31.2 F with an internal resistance of less than 0.11 Ohm can be fulfilled by using a double electric layer capacitor as the primary energy storage device [14]. For example, a capacitor manufactured by this technology had a range of operating voltages from 0 to 1.25 V, a capacitance of 180 F, and an internal resistance of 0.02 ohms.

Таким образом, в качестве первичного накопителя энергии предложено использовать конденсатор (конденсаторную батарею) на двойном электрическом слое, емкость и внутреннее сопротивление которого (которой) удовлетворяет следующим условиям:

Figure 00000009

Rк≤RСБ min, (7)
где С - емкость конденсатора (конденсаторной батареи);
iкз max - ток короткого замыкания СБ при максимальном уровне освещенности;
τB max - максимальное значение импульса "выключено" ППН или интервала между двумя измерениями параметров системой управления;
ΔUmax - максимально допустимое отклонение напряжения на конденсаторе от точки максимальной мощности СБ;
Rк - внутреннее сопротивление конденсатора;
RСБ min - минимальное внутреннее сопротивление СБ при максимальной освещенности.Thus, it is proposed to use a capacitor (capacitor bank) on a double electric layer as the primary energy storage device, the capacitance and internal resistance of which (which) satisfies the following conditions:
Figure 00000009

R to ≤R SB min , (7)
where C is the capacitance of the capacitor (capacitor bank);
i KZ max - SB short circuit current at maximum illumination level;
τ B max - the maximum value of the pulse "off" the PPI or the interval between two measurements of parameters by the control system;
ΔU max - the maximum permissible deviation of the voltage across the capacitor from the point of maximum power SB;
R to - the internal resistance of the capacitor;
R SB min - the minimum internal resistance of the SB at maximum illumination.

В том случае, если вольт-амперная характеристика СБ отсутствует, для оценки величины емкости по формуле (6) вместо ΔUmax можно использовать величину 1-3% от напряжения холостого хода СБ.In the event that the SB current-voltage characteristic is absent, to estimate the capacitance value according to formula (6), instead of ΔU max , a value of 1-3% of the SB open circuit voltage can be used.

Расширение диапазона величины светового потока, воспринимаемого системой отбора электрической энергии СБ, до одного-двух порядков величины требует также определенности в выборе мощности ППН. Очевидно, ППН должен обеспечивать эффективный отбор энергии от СБ в точке максимальной мощности при условии максимальной величины светового потока. Следовательно, мощность ППН должна быть большей или равной максимальной мощности СБ. В этом случае, при уменьшении величины светового потока, мощность ППН становится большей, а на нижней границе диапазона светового потока значительно большей, чем мощность СБ. Поскольку в случае применения конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением в качестве первичного накопителя энергии КПД преобразования электрической энергии не зависит от мощности СБ (формула (4)), то при ее уменьшении для поддержания мощности на выходе ППН будет использоваться энергия, собранная первичным накопителем. Это приведет к понижению напряжения на первичном накопителе. Для предотвращения отклонения напряжения на конденсаторе большой емкости от напряжения максимальной мощности СБ в том случае, если мощность ППН больше реальной мощности СБ, предложено с помощью порогового устройства выключать ППН при достижении напряжением на конденсаторе нижнего допустимого значения. При выключенном ППН энергия СБ отводится исключительно в конденсатор большой емкости, что приводит к возрастанию напряжения на нем. При достижении верхнего допустимого значения пороговое устройство включает ППН и обеспечивает отвод энергии от первичного накопителя. В этом случае количество энергии, отводимой с помощью ППН, составляет:

Figure 00000010
,
время отведения этой энергии будет равно
Figure 00000011

а время накопления
Figure 00000012

где Eo - величина энергии, отводимой от первичного накопителя за один раз;
C - емкость конденсатора;
PСБ, Pп - реальная мощность СБ в интервале времени τн и ППН, соответственно;
Uнк, Uвк - нижнее и верхнее допустимые значения напряжения конденсатора, соответственно;
τi, τн - время накопления и отведения энергии СБ, соответственно.Expanding the range of the luminous flux perceived by the SB electric energy extraction system to one or two orders of magnitude also requires certainty in the selection of the power of the PPN. Obviously, the PPN should provide efficient energy extraction from the SB at the point of maximum power under the condition of maximum luminous flux. Therefore, the power of the PPN should be greater than or equal to the maximum power of the SB. In this case, with a decrease in the luminous flux, the power of the PPN becomes larger, and at the lower boundary of the luminous flux range it is much larger than the power of the SB. Since in the case of the use of a large-capacity capacitor with low internal resistance as the primary energy storage device, the efficiency of electric energy conversion does not depend on the power of the SB (formula (4)), then when it is reduced, the energy collected by the primary storage device will be used to maintain the power at the output of the PPN. This will lead to lower voltage on the primary drive. In order to prevent deviation of the voltage across the high-capacity capacitor from the voltage of the maximum power of the SB in the event that the power supply to the power supply is greater than the real power of the power supply, it is proposed to turn off the power supply using a threshold device when the voltage across the capacitor reaches the lower acceptable value. When the PPN is off, the SB energy is diverted exclusively to a large capacitor, which leads to an increase in the voltage on it. Upon reaching the upper permissible value, the threshold device includes an overhead protection circuit and provides energy removal from the primary storage device. In this case, the amount of energy diverted by the PPN is:
Figure 00000010
,
the discharge time of this energy will be equal
Figure 00000011

and accumulation time
Figure 00000012

where E o - the amount of energy diverted from the primary storage device at a time;
C is the capacitance of the capacitor;
P SB , P p - real power SB in the time interval τ n and PPN, respectively;
U nk , U vk - the lower and upper allowable voltage values of the capacitor, respectively;
τ i , τ n - the time of accumulation and removal of energy SB, respectively.

Таким образом, из непрерывного слабого потока световой энергии с произвольным часовым распределением предлагаемое устройство с помощью предварительного накопителя энергии, пороговых устройств и ППН формирует импульсы электрической энергии, величина которых задается емкостью первичного накопителя и напряжениями срабатывания пороговых устройств, а мощность и выходное напряжение - параметрами ППН и не зависят от изменения параметров СБ во времени. Вместе с тем, средняя мощность СБ за время задает τн скважность этих импульсов.Thus, from the continuous weak flow of light energy with an arbitrary hourly distribution, the proposed device with the help of a preliminary energy storage device, threshold devices and an arrester generates pulses of electric energy, the value of which is set by the primary storage capacity and the response voltages of the threshold devices, and the power and output voltage by the parameters of the arrester and do not depend on changes in the SB parameters in time. At the same time, the average SB power over time sets τ n the duty cycle of these pulses.

Следствием приведенных выше особенностей системы отбора энергии ФЭП является:
1) устройство должно иметь основной аккумулирующий узел, которым может служить АБ или электрическая сеть (в этом случае вместо ППН следует применять инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное), что позволяет наиболее полно использовать преимущества первичного накопления электрической энергии.
A consequence of the above features of the PEC energy extraction system is:
1) the device must have a main accumulating unit, which can serve as a battery or an electrical network (in this case, instead of the PPN, an inverter that converts direct voltage to alternating voltage should be used), which makes it possible to take full advantage of the advantages of primary storage of electrical energy.

2) ППН большой мощности может работать с несколькими СБ при произвольной освещенности, осуществляя поочередно отбор энергии от первичного накопителя каждой из них. При этом алгоритм подключения ППН для отбора энергии от каждого из них может быть различным. Например,
- по максимальному значению напряжения в момент переключения ППН;
- по замкнутому циклу;
- по заранее заданному алгоритму работы.
2) PPN of high power can work with several SB in arbitrary illumination, alternately taking energy from the primary drive of each of them. At the same time, the connection algorithm for the PPN for the selection of energy from each of them can be different. For instance,
- according to the maximum voltage value at the time of switching the PPN;
- in a closed cycle;
- according to a predetermined algorithm of work.

Первый алгоритм наиболее целесообразно применять в случае существенной разницы в емкостях первичного накопителя и реальных мощностей СБ, поскольку скважность каждой реальной пары будет разной ((формула (11)). The first algorithm is most appropriate to use if there is a significant difference in the capacities of the primary drive and the real power of the SB, since the duty cycle of each real pair will be different ((formula (11)).

Подключение ППН к первичным накопителям по замкнутому циклу целесообразно при одинаковой скважности работы каждой реальной пары "СБ-первичный накопитель". Connecting PPN to primary drives in a closed loop is advisable with the same duty cycle of each real pair of SB-primary drive.

Третий случай реализуется при необходимости формировать произвольную, заданную наперед, последовательность импульсов. The third case is realized if necessary to form an arbitrary, given in advance, a sequence of pulses.

Таким образом, предложено способ, который предусматривает предварительное накопление заданного количества электрической энергии от СБ в конденсаторе большой емкости с последующим формированием из нее импульса заданной мощности и напряжения, который передается в аккумулирующую систему или сеть переменного тока. Предложенный способ позволяет преобразовать поток электрической энергии от СБ с произвольным временным распределением мощности в широком диапазоне (10-100 раз) в электрические импульсы заданного напряжения, мощности и энергии с максимальным КПД. При этом скважность сформированных импульсов электрической энергии определяется усредненной мощностью СБ за время предварительного накопления заданного количества электрической энергии в конденсаторе. Thus, a method is proposed that provides for the preliminary accumulation of a predetermined amount of electrical energy from the SB in a large capacitor with the subsequent formation of a pulse of a given power and voltage from it, which is transmitted to the storage system or AC network. The proposed method allows you to convert the flow of electrical energy from the SB with an arbitrary temporary power distribution in a wide range (10-100 times) into electrical pulses of a given voltage, power and energy with maximum efficiency. In this case, the duty cycle of the generated pulses of electrical energy is determined by the average power of the SB during the preliminary accumulation of a given amount of electrical energy in the capacitor.

Суммируя сказанное выше, можно констатировать, что предложенное применение конденсатора большой емкости с низким внутренним сопротивлением для первичного накопления электрической энергии от СБ, совмещенное с ППН с ШИС и аккумуляторной батареей, позволяет:
- схемотехническими средствами легко согласовать СБ с нагрузкой в точке отбора максимальной электрической мощности;
- обеспечить непрерывный отбор электрической энергии от СБ в широком диапазоне интенсивностей светового потока;
- повысить и сделать независимым от интенсивности светового потока КПД при дальнейшем преобразовании электрической энергии от СБ в схеме нагрузки;
- при условии слабого светового потока с произвольным часовым распределением осуществить его преобразование в импульсы электрической энергии заданной величины напряжения и мощности.
Summarizing the above, it can be stated that the proposed use of a large capacitor with low internal resistance for the primary accumulation of electric energy from SB, combined with PPN with SIS and a battery, allows you to:
- circuitry means it is easy to coordinate the SB with the load at the point of selection of maximum electric power;
- to provide continuous selection of electrical energy from SB in a wide range of light flux intensities;
- to increase and make the efficiency independent of the light flux intensity during further conversion of electric energy from the SB in the load circuit;
- subject to a weak luminous flux with an arbitrary hourly distribution, to convert it into pulses of electrical energy of a given magnitude of voltage and power.

На фиг.1 дана принципиальная электрическая схема устройства. Figure 1 is a circuit diagram of the device.

На фиг. 2 - временные диаграммы напряжения на конденсаторе большой емкости и электрической мощности на выходе СБ и преобразователя напряжения. In FIG. 2 - time diagrams of the voltage across the capacitor of large capacity and electric power at the output of the SB and voltage converter.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Для экспериментальной проверки изложенных выше положений изобретения было изготовлено устройство, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из СБ 1, конденсатора большой емкости 2, транзисторного ключа 3, силового диода 4, индуктивности 5, интегрирующего конденсатора 6, аккумуляторной батареи 7, стабилитрона обратной связи 8, блока управления 9, нижнего и верхнего 11 пороговых приспособлений. При необходимости к устройству подсоединялась произвольная нагрузка 12. For experimental verification of the above provisions of the invention, a device was manufactured, the circuit diagram of which is shown in figure 1. The device consists of SB 1, a large capacitor 2, a transistor switch 3, a power diode 4, an inductance 5, an integrating capacitor 6, a battery 7, a feedback zener diode 8, a control unit 9, lower and upper 11 threshold devices. If necessary, an arbitrary load 12 was connected to the device.

СБ 1 была изготовлена из 15 последовательно-коммутированных ФЭП на основе монокристаллического кремния размером 80•80 мм. Вместе с механическими креплениями СБ имела габаритные размеры 1230•90 мм и могла быть использована для восприятия как прямого, так и концентрированного солнечного излучения. Для концентрирования солнечного излучения использовалось параболическое зеркало прямоугольной формы размером 1400•900 мм, позволяющее достичь концентрирования солнечного излучения в 4-6 раз. При этом максимальные выходные электрические параметры СБ составляли:
(без концентрирования)
- напряжение холостого хода - 8,1 В;
- ток короткого замыкания - 1,6 А;
(с концентрированием)
- напряжение холостого хода - 8,35 В;
- ток короткого замыкания - 6,2 А.
SB 1 was made of 15 series-commutated solar cells based on single-crystal silicon with a size of 80 • 80 mm. Together with mechanical fastenings, the SB had overall dimensions of 1230 • 90 mm and could be used to perceive both direct and concentrated solar radiation. For the concentration of solar radiation, a rectangular parabolic mirror with a size of 1400 • 900 mm was used, which makes it possible to achieve a concentration of solar radiation by 4-6 times. In this case, the maximum output electrical parameters of the SB were:
(without concentration)
- open circuit voltage - 8.1 V;
- short circuit current - 1.6 A;
(with concentration)
- open circuit voltage - 8.35 V;
- short circuit current - 6.2 A.

Для обеспечения фокусирования концентрированного солнечного излучения на поверхности СБ при длительных экспозициях применялась система слежения за Солнцем по азимуту и углу места. To ensure focusing of concentrated solar radiation on the surface of the SB during long exposures, a tracking system for the Sun in azimuth and elevation was used.

Исходя из параметров СБ и пользуясь формулами (6) и (7), для конденсатора большой емкости 2 должны выполняться следующие требования:
С≥0,66 Ф, Rк≤5 Ом,
для случая без концентрирования солнечного излучения и
С≥2,48 Ф, Rк≤1,38 Ом,
при его концентрировании. Для определенности в дальнейшем мы выбрали более жесткие требования к параметрам конденсатора 2, определенные для условий концентрированного солнечного излучения. Для удовлетворения их нами использовались: конденсаторные батареи на основе стандартных электролитических конденсаторов типа К 50-24 (СССР) и электролитических конденсаторов типа CGS фирмы Mallory (США), конденсаторы на двойном электрическом слое фирмы NЕС (Япония) и фирмы АЦЕР (Украина), никель-кадмиевые аккумуляторы 3НК-22 и 4НК-22. Наиболее полно требования к конденсаторам большой емкости 2 удовлетворяли конденсаторы фирмы АЦЕР. Для экспериментальной проверки было использовано два конденсатора БСК-6-30 и БСК-9-100, основные параметры которых приведены в табл.1.
Based on the SB parameters and using formulas (6) and (7), for a large capacitor 2, the following requirements must be fulfilled:
C≥0.66 F, R to ≤5 Ohm,
for the case without concentration of solar radiation and
C≥2.48 F, R to ≤1.38 Ohm,
when it is concentrated. For definiteness, in the future we chose more stringent requirements for the parameters of capacitor 2, which are determined for the conditions of concentrated solar radiation. To satisfy them, we used: capacitor banks based on standard electrolytic capacitors type K 50-24 (USSR) and electrolytic capacitors type CGS from Mallory (USA), double electric layer capacitors from NEC (Japan) and ACER (Ukraine), nickel -Cadmium batteries 3NK-22 and 4NK-22. The most complete requirements for large-capacity capacitors 2 were met by ACER capacitors. For experimental verification, we used two capacitors BSK-6-30 and BSK-9-100, the main parameters of which are given in Table 1.

Параметры транзисторного ключа 3, силового диода 4, индуктивности 5 выбирались из стандартных радиодеталей и узлов С [12] исходя из необходимости отведения максимальной мощности СБ в конкретном эксперименте. Как правило, они представляли собой:
3 - n-p-n, KT 827 или КТ 829;
4 - 2Д 213 А;
5 - 1,86 или 0,75 мГн.
The parameters of the transistor switch 3, power diode 4, inductance 5 were selected from standard radio components and nodes C [12] based on the need to allocate the maximum power of the SB in a particular experiment. As a rule, they represented:
3 - npn, KT 827 or CT 829;
4 - 2D 213 A;
5 - 1.86 or 0.75 mH.

Емкость интегрирующего конденсатора 6 во всех случаях составляла 500 мкФ. The capacitance of the integrating capacitor 6 in all cases was 500 μF.

В качестве аккумуляторной батареи 7 использовались стандартные никель-кадмиевые аккумуляторные батареи 5НК-80 и 10НК-22. As the battery 7 was used standard Nickel-cadmium batteries 5NK-80 and 10NK-22.

Стабилитрон обратной связи 8 выбирался из ряда стандартных стабилитронов Д814А - Д814 Г, КС 139, КС147, КС156, КС162, КС170, КС175, КС182, КС191 таким образом, чтобы напряжение его пробоя равнялось напряжению заряда соответствующего аккумулятора 7 на уровне 90% его зарядной емкости. Величина этого напряжения выбиралась с помощью зарядной характеристики соответствующего аккумулятора 7. В случае необходимости использовалось последовательное соединение нескольких стабилитронов. Feedback zener diode 8 was selected from a number of standard Zener diodes D814A - D814 G, KS 139, KS147, KS156, KS162, KS170, KS175, KS182, KS191 so that its breakdown voltage was equal to the charge voltage of the corresponding battery 7 at 90% of its charging capacity . The magnitude of this voltage was selected using the charging characteristics of the corresponding battery 7. If necessary, a series connection of several zener diodes was used.

Блок управления 9 представляет собой генератор прямоугольных импульсов, реализованный на логических элементах серии К561 с к-МОП транзисторными структурами и переходных биполярных транзисторах. Режим работы генератора формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств 10, 11 и тока стабилитрона обратной связи 8. The control unit 9 is a rectangular pulse generator implemented on the logic elements of the K561 series with k-MOS transistor structures and transitional bipolar transistors. The operating mode of the generator is formed on the basis of digital signals from threshold devices 10, 11 and the current of the feedback zener diode 8.

Нижний и верхний пороговые устройства 10 и 11 представляют собой аналогово-цифровые датчики, реагирующие на величину напряжения и выдающие на выходе соответствующий цифровой сигнал "ноль" или "единица". Пороговые устройства 10, 11 обеспечивают возможность регулирования своих порогов срабатывания в пределах 3-12 В. Ток, потребляемый пороговыми устройствами 10, 11 и блоком управления 9, зависел от напряжения и составлял соответственно 4-22 мА. The lower and upper threshold devices 10 and 11 are analog-digital sensors that respond to the voltage value and output the corresponding digital signal "zero" or "unity" at the output. The threshold devices 10, 11 provide the ability to control their thresholds within 3-12 V. The current consumed by the threshold devices 10, 11 and the control unit 9, depended on the voltage and was respectively 4-22 mA.

Начальными условиями работы устройства для получения энергии от фотоэлектрического преобразователя (фиг.1) являются:
- отсутствие электрической мощности на выходе СБ 1 РСБ=0;
- конденсатор большой емкости 2 разряжен Uк=0 ;
- интегрирующий конденсатор 6 разряжен или заряжен до напряжения холостого хода АБ 7;
- блок управления 9 на основании сигналов нижнего и верхнего пороговых устройств 10 и 11 держит ключ 3 в закрытом состоянии;
- мощность на выходе ППН равна нулю.
The initial operating conditions of the device for receiving energy from the photoelectric converter (figure 1) are:
- lack of electric power at the output of SB 1 R SB = 0;
- a capacitor of large capacity 2 is discharged U k = 0;
- the integrating capacitor 6 is discharged or charged to the open circuit voltage AB 7;
- the control unit 9 based on the signals of the lower and upper threshold devices 10 and 11 holds the key 3 in the closed state;
- the power at the output of the PPN is zero.

Описанное состояние устройства соответствует точке t=0 на диаграмме (фиг.2). The described state of the device corresponds to the point t = 0 in the diagram (figure 2).

При появлении в начальный момент времени на выходе СБ 1 произвольной электрической мощности начинается процесс заряда конденсатора большой емкости 2 (далее конденсатор 2). Поскольку внутреннее сопротивление конденсатора 2 находится в пределах 0,04-0,12 Ом, то в это время СБ 1 работает в режиме, близком к режиму короткого замыкания. Величина тока, при которой экспериментально фиксировался заряд конденсатора 2, находилась в пределах 15-20 мА, что не превышает 1,5% от максимально возможного тока короткого замыкания для примененной СБ 1. Следовательно, процесс заряда конденсатора 2 осуществляется при минимальных уровнях освещенности СБ 1. When at the initial moment of time at the output of SB 1 any arbitrary electric power starts, the process of charging a large capacitor 2 (hereinafter referred to as capacitor 2) begins. Since the internal resistance of the capacitor 2 is in the range of 0.04-0.12 Ohms, then at this time SB 1 operates in a mode close to the short circuit mode. The current value at which the charge of the capacitor 2 was experimentally recorded was in the range of 15–20 mA, which does not exceed 1.5% of the maximum possible short circuit current for the applied SB 1. Therefore, the process of charging the capacitor 2 is carried out at the minimum illumination levels of SB 1 .

При достижении напряжением на конденсаторе 2 значения Uнк (фиг.2) срабатывает нижнее пороговое устройство 10 и меняется сигнал на его выходе ("единица" на "ноль"). Это изменение сигнала на выходе нижнего порогового устройства 10 не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления 9.When the voltage across the capacitor 2 reaches a value of U nc (Fig. 2), the lower threshold device 10 is triggered and the signal at its output changes ("unit" to "zero"). This change in the signal at the output of the lower threshold device 10 does not lead to a change in the signal at the output of the control unit 9.

При достижении напряжением на конденсаторе 2 значения Uвк срабатывает верхнее пороговое устройство 11 и происходит изменение сигнала на его выходе ("единица" на "ноль"). В результате этого на выходе блока управления 9 появляется импульсный сигнал частотой 3,7 кГц, что приводит к поочередному закрыванию и открыванию ключа 3 (точка t1, фиг.2). В открытом состоянии ключа 3 энергия конденсатора 2 переходит в энергию индуктивности 5. В закрытом состоянии ключа 3 энергия, запасенная индуктивностью 5, через диод 4 поступает в интегрирующий конденсатор 6 и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда АБ 7. Поочередное повторение таких циклов обеспечивает электрическую мощность на выходе ППН. Если эта мощность приводит к возрастанию напряжения на интегрирующей емкости 6 до напряжения пробоя стабилитрона 8, то ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности открывающих импульсов на выходе блока управления 9 и, соответственно, уменьшению мощности на выходе ППН.When the voltage on the capacitor 2 reaches the value of U VK, the upper threshold device 11 is triggered and the signal at its output changes ("unit" to "zero"). As a result of this, a pulse signal with a frequency of 3.7 kHz appears at the output of the control unit 9, which leads to alternately closing and opening the key 3 (point t 1 , FIG. 2). In the open state of the key 3, the energy of the capacitor 2 passes into the energy of the inductance 5. In the closed state of the key 3, the energy stored by the inductance 5 passes through the diode 4 to the integrating capacitor 6 and charges it to a voltage equal to or greater than the charge voltage of the battery 7. Alternately the repetition of such cycles provides electrical power at the output of the PPN. If this power leads to an increase in the voltage at the integrating capacitance 6 to the breakdown voltage of the zener diode 8, then the breakdown current of the zener diode leads to a decrease in the duration of the opening pulses at the output of the control unit 9 and, accordingly, to a decrease in the power at the output of the PPD.

Поскольку энергоемкость индуктивности 5 значительно меньше энергоемкости конденсатора 2, а его внутреннее сопротивление мало, то во время отбора единичной порции энергии (период "включено") существенного изменения напряжения на конденсаторе 2 не происходит. Однако многократное повторение циклов отбора энергии конденсатора 2 при условии Рп>PСБ (интервал от 0 до t3 и от t4 до t5, фиг.2) приводит к плавному понижению напряжения на конденсаторе 2 до значения Uнк (интервал t1-->t2 фиг.2). В момент t2 нижнее пороговое устройство 10 изменяет управляющий сигнал и блокирует управляющий сигнал на выходе блока управления 9. При этом ключ 3 переводится в закрытое состояние. Это приводит к падению мощности на выходе ППН до нулевого значения. В результате описанного выше взаимодействия на выход ППН передается импульс энергии Рп (t2-t1), величина которого задается формулой (9) и для конкретных конденсаторов БСК-6-30 и БСК-9-100 может достигать 600 и 4550 Дж соответственно.Since the energy intensity of the inductance 5 is much lower than the energy intensity of the capacitor 2, and its internal resistance is small, during the selection of a single portion of energy (period “on”), there is no significant change in voltage across the capacitor 2. However, repeated repetition of the cycles of energy extraction of the capacitor 2 under the condition Р п > P СБ (interval from 0 to t 3 and from t 4 to t 5 , Fig. 2) leads to a smooth decrease in the voltage across the capacitor 2 to the value of U nk (interval t 1 -> t 2 figure 2). At time t 2, the lower threshold device 10 changes the control signal and blocks the control signal at the output of the control unit 9. In this case, the key 3 is put into a closed state. This leads to a drop in power at the output of the PPN to zero. As a result of the interaction described above, an energy pulse R p (t 2 -t 1 ) is transmitted to the PPN output, the value of which is given by formula (9) and for specific capacitors BSK-6-30 and BSK-9-100 can reach 600 and 4550 J, respectively .

В случае, если Рн= РСБ, энергия, потерянная конденсатором 2 за период "включено", компенсируется поступлением энергии в конденсатор 2 от СБ 1 за период "выключено". При этом колебания напряжения на конденсаторе 2, определенные по формуле (6), не должны превышать 2.7•10-4 В (интервал t3-->t4 фиг.2).If R n = R SB , the energy lost by the capacitor 2 for the period "on" is compensated by the flow of energy to the capacitor 2 from SB 1 for the period "off". In this case, the voltage fluctuations on the capacitor 2, determined by the formula (6), should not exceed 2.7 • 10 -4 V (interval t 3 -> t 4 of figure 2).

Напряжения срабатывания верхнего 11 и нижнего 10 пороговых устройств выбирались равными напряжению точки отбора максимальной мощности СБ при максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня и конкретном разрешении СБ. The response voltages of the upper 11 and lower 10 threshold devices were chosen equal to the voltage of the maximum power take-off point of the SB at maximum and minimum illumination levels in daylight conditions and at a specific resolution of the SB.

Для экспериментальной проверки эффективности предложенного устройства и способа получения энергии от фотоэлектрического преобразователя СБ 1 была стационарно установлена в вертикальном положении на стене с южной экспозицией. Рядом, в одной плоскости с СБ 1, была установлена эталонная СБ, включенная по традиционной схеме (аналог 2). Эталонная СБ была изготовлена из идентичных пластин монокристаллического кремния с сохранением особенностей технологии оборки СБ 1. Наблюдения проводились с февраля по июль месяц. Время экспозиции 0-->t6, (фиг. 2) изменялось от 4 до 14 часов. Величина энергии, полученной от СБ 1, определялась путем обработки диаграмм напряжения на сопротивлении нагрузки 12 заданной величины или интегрированием по времени экспозиции с помощью аккумулятора 7. Для учета разницы во времени конкретных экспозиций, влиянии температуры и атмосферной обстановки на параметры самой СБ, величина энергии, полученной от СБ 1 с помощью предложенного устройства, нормировалась по результатам, полученным на эталонной СБ. Типичные результаты, полученные для различных вариантов первичного накопителя, а также для прототипа и некоторых аналогов приведены в табл. 2. Полученные экспериментальные результаты подтверждают, что наибольший эффект достигается при применении в качестве первичного накопителя энергии конденсаторов на двойном электрическом слое фирмы "АЦЕР". Результаты, полученные при применении в качестве первичного накопителя конденсаторов фирмы "АЦЕР", превышают результаты классической схемы включения (аналог 2) на 43-52%, прототипа на 35-44%. При применении в качестве первичного накопителя батареи электролитических конденсаторов или никель-кадмиевого аккумулятора этот выигрыш составил соответственно 9-19 и 16%.For experimental verification of the effectiveness of the proposed device and method of generating energy from the photoelectric converter SB 1 was stationary mounted in a vertical position on a wall with a southern exposure. Nearby, in the same plane as SB 1, a reference SB was installed, included in the traditional way (analogue 2). The reference SB was made of identical single-crystal silicon wafers with the features of SB 1. frill technology preserved. Observations were carried out from February to July. The exposure time 0 -> t 6 , (Fig. 2) varied from 4 to 14 hours. The amount of energy received from SB 1 was determined by processing the voltage diagrams of the load resistance 12 of a given value or by integration over the exposure time using battery 7. To take into account the time difference of specific exposures, the effect of temperature and atmospheric conditions on the parameters of the SB itself, the amount of energy received from SB 1 using the proposed device was normalized according to the results obtained on the reference SB. Typical results obtained for various variants of the primary drive, as well as for the prototype and some analogues are given in table. 2. The obtained experimental results confirm that the greatest effect is achieved when using the ACER double electric layer capacitors as the primary energy storage device. The results obtained with the use of ACER capacitors as the primary drive exceed the results of the classical switching circuit (analogue 2) by 43-52%, the prototype by 35-44%. When using a battery of electrolytic capacitors or a nickel-cadmium battery as the primary drive, this gain was 9-19 and 16%, respectively.

Источники информации
1. Sohonhoff K., Battery regulator for solar power system.-Elect.Electron.- 1992, v.18, N 202, pp. 54-55.
Sources of information
1. Sohonhoff K., Battery regulator for solar power system.-Elect.Electron.- 1992, v. 18, N 202, pp. 54-55.

2. Palfy Miklos, 2Ah photovoltaic battery.- PEMC"90: Proс. 6th Conf. Power Electron, and Motion Conf., Budahest, Oct. 1-3, 1990, v.3, pp.926-929. 2. Palfy Miklos, 2Ah photovoltaic battery.- PEMC "90: Proc. 6th Conf. Power Electron, and Motion Conf., Budahest, Oct. 1-3, 1990, v.3, pp. 926-929.

3. Заявка ФРГ N 4234908. Заявлено 16.09.92 г., опубл. 09.06.94 г. 3. Application of Germany N 4234908. Declared September 16, 1992, publ. 06/09/94

4. Патент США N 5229649. Заявлено 04.10.88 г., опубл. 20.07.93 г. 4. US Patent N 5229649. Declared 04.10.88, publ. 07/20/93

5. Патент США N 5027051. Заявлено 20.02.90 г., опубл. 25.01.91 г. 5. US patent N 5027051. Declared 02.20.90, publ. 01/25/91

6. Salameh Z., Taylor D., Step-up maximum power point trucker for photowoltaic arrays.- Sol.Energy, 1990, v.44, N 1, pp.57-61. 6. Salameh Z., Taylor D., Step-up maximum power point trucker for photowoltaic arrays. - Sol. Energy, 1990, v. 44, No. 1, pp. 57-61.

7. Заявка ФРГ N 4101253. Заявлено 17.01.91 г., опубл. 23.07.92 г. 7. Application of Germany N 4101253. It is declared 01/17/91, publ. 07/23/92

8. Патент США N 5270636. Заявлено 18.02.92 г., опубл.14.12.93 г. 8. US patent N 5270636. Declared 02/18/92, publ. 12/14/93.

9. Заявка ФРГ N 4014534. Заявлено 07.05.90 г., опубл.14.11.91 г. 9. Application of Germany N 4014534. Declared 05/07/90, publ. 11/14/91

10. Арбузов Ю. Д., Евдокимов В.М., Принципы и перспективы фотоэлектрического преобразования энергии концентрированного солнечного излучения.- Гелиотехника, 1993, N 1, с.3-22. 10. Arbuzov Yu. D., Evdokimov VM, Principles and prospects of photovoltaic energy conversion of concentrated solar radiation. - Solar technology, 1993, N 1, p.3-22.

11. Чирва В.П., Саидов М.С., Кремниевые планарные фотоэлектрические генераторы.- Гелиотехника, 1993, N 6, с.19-37. 11. Chirva VP, Saidov MS, Silicon planar photoelectric generators. - Solar technology, 1993, N 6, p.19-37.

12. Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А., Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник. Изд. четвертое. Киев, Наукова думка, 1989, 799 с. 12. Tereshchuk P.M., Tereshchuk K.M., Sedov SA, Semiconductor receiving and amplifying devices. Directory. Ed. the fourth. Kiev, Naukova Dumka, 1989, 799 p.

13. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Спектральные и емкостные характеристики нестационарного фотопреобразователя. -Гелиотехника, 1993, N 4, с. 3-10. 13. Arbuzov Yu.D., Evdokimov VM, Spectral and capacitive characteristics of an unsteady photoconverter. -Heliotekhnika, 1993, N 4, p. 3-10.

14. Патент Российской Федерации N 2098879. Приоритет 11.03.94 г., опубл. 10.12.97 г. 14. Patent of the Russian Federation N 2098879. Priority 11.03.94, publ. 12/10/97

Claims (2)

1. Устройство для отбора электрической энергии от солнечной батареи, состоящей из последовательно коммутируемых фотоэлектрических преобразователей и аккумулятора, отличающееся тем, что параллельно выходу солнечной батареи включен электрический конденсатор, заряженный до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, внутреннее сопротивление электрического конденсатора значительно меньше внутреннего сопротивления солнечной батареи, а электрическая энергия с него передается на преобразователь постоянного напряжения, содержащий индуктивность, энергоемкость которой меньше энергоемкости электрического конденсатора, силовой диод, интегрирующий конденсатор, электронный ключ, стабилитрон обратной связи, блок управления, представляющий собой генератор прямоугольных импульсов, режим работы которого формируется на основе цифровых сигналов от пороговых устройств и тока стабилитрона обратной связи, таким образом, что срабатывание нижнего порогового устройства при нарастании напряжения на электрическом конденсаторе не приводит к изменению сигнала на выходе блока управления, а при достижении на электрическом конденсаторе напряжения срабатывания верхнего порогового устройства импульсный сигнал на выходе устройства управления приводит к началу цикла отвода электрической энергии от электрического конденсатора, заключающемуся в поочередном открывании и закрывании электронного ключа, причем при каждом состоянии электронного ключа "включено" энергия электрического конденсатора переходит в энергию индуктивности, а в состоянии электронного ключа "выключено" запасенная в индуктивности энергия через силовой диод поступает на интегрирующий конденсатор и заряжает его до напряжения, равного или большего, чем напряжение заряда аккумулятора, при этом при возрастании напряжения на интегрирующем конденсаторе до напряжения пробоя стабилитрона обратной связи, ток пробоя стабилитрона приводит к уменьшению длительности состояния "включено" электронного ключа, а при уменьшении напряжения на электрическом конденсаторе до напряжения срабатывания нижнего порогового устройства устанавливает электронный ключ в стабильное состояние "выключено", означающее окончание цикла отвода энергии от электрического конденсатора в аккумулятор, при этом напряжения срабатывания верхнего и нижнего пороговых устройств равны электрическому напряжению точки максимального отбора мощности солнечной батареи, определяемой из ее вольтамперной характеристики при ее конкретном размещении и при ее максимальном и минимальном уровнях освещенности в условиях светового дня, а емкость С электрического конденсатора удовлетворяет условию
Figure 00000013

где С - емкость электрического конденсатора,
Iкз max - ток короткого замыкания солнечной батареи при максимальном уровне освещенности,
τB max - максимальная длительность состояния "выключено" электронного ключа,
Uxx - напряжение холостого хода солнечной батареи.
1. A device for collecting electric energy from a solar battery, consisting of series-switched photoelectric converters and a battery, characterized in that an electric capacitor is charged parallel to the output of the solar battery, charged to the maximum power output voltage of the solar battery, the internal resistance of the electric capacitor is much less than the internal resistance of the solar batteries, and electric energy is transferred from it to the DC / DC converter, containing inductance, the energy consumption of which is less than the energy consumption of an electric capacitor, a power diode, an integrating capacitor, an electronic switch, a feedback zener diode, a control unit, which is a rectangular pulse generator, whose operation mode is based on digital signals from threshold devices and a feedback zener diode current, such so that the operation of the lower threshold device when the voltage across the electric capacitor rises does not lead to a change in the signal to ode to the control unit, and when the response voltage of the upper threshold device is reached on the electric capacitor, the pulse signal at the output of the control device leads to the beginning of the cycle of removal of electric energy from the electric capacitor, which consists in opening and closing the electronic key one by one, and each time the electronic key is turned on the energy of the electric capacitor passes into the energy of the inductance, and in the state of the electronic switch "off" stored in the inductance energy is supplied through the power diode to the integrating capacitor and charges it to a voltage equal to or greater than the battery charge voltage, while with increasing voltage on the integrating capacitor to the breakdown voltage of the feedback zener diode, the breakdown current of the zener diode leads to a decrease in the duration of the “on” electronic state key, and when the voltage on the electric capacitor decreases to the response voltage of the lower threshold device, sets the electronic key to a stable state "off’, which means the end of the cycle of energy removal from the electric capacitor to the battery, while the response voltages of the upper and lower threshold devices are equal to the voltage of the maximum power take-off point of the solar battery, determined from its current-voltage characteristic at its specific location and at its maximum and minimum light levels in daylight conditions, and the capacitance C of the electric capacitor satisfies the condition
Figure 00000013

where C is the capacitance of the electric capacitor,
I KZ max - short circuit current of the solar battery at the maximum level of illumination,
τ B max - the maximum duration of the off state of the electronic key,
U xx - open circuit voltage of the solar battery.
2. Способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, включающий преобразование энергии солнечного излучения в электрический сигнал и ее аккумулирование, отличающийся тем, что энергия электрического сигнала солнечной батареи предварительно накапливается с помощью электрического конденсатора емкостью 0,01-100 Ф, заряженного до напряжения отбора максимальной мощности солнечной батареи, а затем отводится от него на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения порциями 1-105 Дж.2. A method of collecting electric energy from a solar battery, including converting the energy of solar radiation into an electric signal and its accumulation, characterized in that the energy of the electric signal of the solar battery is pre-accumulated using an electric capacitor with a capacity of 0.01-100 F, charged to the maximum selection voltage power of the solar battery, and then it is diverted from it to the load resistance or battery using a constant voltage converter in portions of 1-10 5 J.
RU99119111/09A 1999-09-01 1999-09-01 Device and method for solar-battery electrical energy take-off RU2195754C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99119111/09A RU2195754C2 (en) 1999-09-01 1999-09-01 Device and method for solar-battery electrical energy take-off

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA97105048 1997-10-15
RU99119111/09A RU2195754C2 (en) 1999-09-01 1999-09-01 Device and method for solar-battery electrical energy take-off

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99119111A RU99119111A (en) 2001-11-27
RU2195754C2 true RU2195754C2 (en) 2002-12-27

Family

ID=20224643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99119111/09A RU2195754C2 (en) 1999-09-01 1999-09-01 Device and method for solar-battery electrical energy take-off

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2195754C2 (en)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2338312C1 (en) * 2007-09-25 2008-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия" Device of condenser battery booster charge at tapping station
WO2009123495A1 (en) * 2008-04-03 2009-10-08 Basargin Oleg Sergeevich Display device
RU2398707C2 (en) * 2008-06-09 2010-09-10 Юрий Денисович Гончаров "kovcheg-1" type motor sailer
RU2420824C2 (en) * 2006-03-23 2011-06-10 Абб Текнолоджи Лтд Power supply system and methods related to it
RU2479091C1 (en) * 2011-12-28 2013-04-10 Валерий Васильевич Лунин Method of accumulator charging from solar battery and device for implementation thereof
RU2480884C2 (en) * 2008-03-25 2013-04-27 Дельта Электроникс, Инк. System of power converter that efficiently operates in entire range of load modes
RU2497318C2 (en) * 2007-10-09 2013-10-27 Сейфгейт Интернэшнл Аб Aerodrome led lighting
RU2537039C2 (en) * 2009-12-11 2014-12-27 Тоталь Маркетинг Сервисиз Electronic system for controlling photovoltaic cells through adapted thresholds
RU2541094C2 (en) * 2008-12-18 2015-02-10 Сентр Насьональ Де Ла Решерш Сьентифик Photoelectric cells electronic control system
RU2559025C2 (en) * 2014-03-28 2015-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Эфре" Independent direct-current power supply system
RU168024U1 (en) * 2016-01-28 2017-01-17 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Беспроводные и измерительные технологии" Intelligent Autonomous Power Supply
RU2615985C1 (en) * 2016-02-24 2017-04-12 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Беспроводные и измерительные технологии" Autonomous intelligent power source
US10141886B2 (en) 2014-01-24 2018-11-27 Techinvest-Eco, Limited Liability Company Method and apparatus for extracting electrical energy from photovoltaic module
RU2677629C1 (en) * 2017-12-18 2019-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy-conversion equipment for power supply systems for aerospace devices
RU2693020C1 (en) * 2018-10-11 2019-07-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" (ФГУП "НАМИ") Photoelectrical solar energy conversion device
WO2019172861A1 (en) * 2018-03-07 2019-09-12 Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ Battery of semiconductor oscillators
RU2838511C1 (en) * 2024-09-02 2025-04-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" (ФГУП "НАМИ") Device for providing maximum energy output of photoelectric converter (pec) module

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2334647C2 (en) * 2006-09-26 2008-09-27 Евгений Владиславович Двойченко Sun autonomous annunciator

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5027051A (en) * 1990-02-20 1991-06-25 Donald Lafferty Photovoltaic source switching regulator with maximum power transfer efficiency without voltage change
DE4101253A1 (en) * 1991-01-17 1992-07-23 Telefunken Systemtechnik Controlling optimal solar generator working point during battery charging - generating additional voltage when generator maximum efficiency point and battery operating point diverge
US5229649A (en) * 1988-09-28 1993-07-20 Solatrol, Inc. Light-energized electronics energy management system
US5270636A (en) * 1992-02-18 1993-12-14 Lafferty Donald L Regulating control circuit for photovoltaic source employing switches, energy storage, and pulse width modulation controller
RU2059988C1 (en) * 1991-07-12 1996-05-10 Научно-производственное объединение прикладной механики Autonomous power supply for satellite
RU2101831C1 (en) * 1995-11-27 1998-01-10 Государственное научно-производственное предприятие "Полюс" Power system using optimizing power control of photovoltaic battery

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5229649A (en) * 1988-09-28 1993-07-20 Solatrol, Inc. Light-energized electronics energy management system
US5027051A (en) * 1990-02-20 1991-06-25 Donald Lafferty Photovoltaic source switching regulator with maximum power transfer efficiency without voltage change
DE4101253A1 (en) * 1991-01-17 1992-07-23 Telefunken Systemtechnik Controlling optimal solar generator working point during battery charging - generating additional voltage when generator maximum efficiency point and battery operating point diverge
RU2059988C1 (en) * 1991-07-12 1996-05-10 Научно-производственное объединение прикладной механики Autonomous power supply for satellite
US5270636A (en) * 1992-02-18 1993-12-14 Lafferty Donald L Regulating control circuit for photovoltaic source employing switches, energy storage, and pulse width modulation controller
RU2101831C1 (en) * 1995-11-27 1998-01-10 Государственное научно-производственное предприятие "Полюс" Power system using optimizing power control of photovoltaic battery

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ШИНЯКОВ Ю.А. и др. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощных солнечных батарей. Труды ВНИИЭМ. Т.97, 1997, с.83-92. SCHONHOFF К. Battery regulator for solar power system. Elect.Electron. 1992, v.18, № 202, hh.54-55. SALAMEH Z., TAYLOR D. Step-up maximum power point trucker for photowoltaic arrays. Sol.Energy. 1990, v.44, № 1, pp.57-61. *

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2420824C2 (en) * 2006-03-23 2011-06-10 Абб Текнолоджи Лтд Power supply system and methods related to it
RU2338312C1 (en) * 2007-09-25 2008-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия" Device of condenser battery booster charge at tapping station
RU2497318C2 (en) * 2007-10-09 2013-10-27 Сейфгейт Интернэшнл Аб Aerodrome led lighting
RU2480884C2 (en) * 2008-03-25 2013-04-27 Дельта Электроникс, Инк. System of power converter that efficiently operates in entire range of load modes
WO2009123495A1 (en) * 2008-04-03 2009-10-08 Basargin Oleg Sergeevich Display device
RU2398707C2 (en) * 2008-06-09 2010-09-10 Юрий Денисович Гончаров "kovcheg-1" type motor sailer
RU2541094C2 (en) * 2008-12-18 2015-02-10 Сентр Насьональ Де Ла Решерш Сьентифик Photoelectric cells electronic control system
RU2537039C2 (en) * 2009-12-11 2014-12-27 Тоталь Маркетинг Сервисиз Electronic system for controlling photovoltaic cells through adapted thresholds
RU2479091C1 (en) * 2011-12-28 2013-04-10 Валерий Васильевич Лунин Method of accumulator charging from solar battery and device for implementation thereof
US10141886B2 (en) 2014-01-24 2018-11-27 Techinvest-Eco, Limited Liability Company Method and apparatus for extracting electrical energy from photovoltaic module
RU2559025C2 (en) * 2014-03-28 2015-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "Эфре" Independent direct-current power supply system
RU168024U1 (en) * 2016-01-28 2017-01-17 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Беспроводные и измерительные технологии" Intelligent Autonomous Power Supply
RU2615985C1 (en) * 2016-02-24 2017-04-12 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Беспроводные и измерительные технологии" Autonomous intelligent power source
RU2677629C1 (en) * 2017-12-18 2019-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy-conversion equipment for power supply systems for aerospace devices
WO2019172861A1 (en) * 2018-03-07 2019-09-12 Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ Battery of semiconductor oscillators
RU2693020C1 (en) * 2018-10-11 2019-07-01 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" (ФГУП "НАМИ") Photoelectrical solar energy conversion device
RU2838511C1 (en) * 2024-09-02 2025-04-17 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ" (ФГУП "НАМИ") Device for providing maximum energy output of photoelectric converter (pec) module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2195754C2 (en) Device and method for solar-battery electrical energy take-off
CN100384050C (en) Power supply device and control method used in the power supply device
US8013583B2 (en) Dynamic switch power converter
KR101302541B1 (en) Power extractor circuit
US5801519A (en) Self-excited power minimizer/maximizer for switching power converters and switching motor drive applications
JP4353446B2 (en) DC power output device and solar power generation system
US4661758A (en) Solar power supply and battery charging circuit
US20060185727A1 (en) Converter circuit and technique for increasing the output efficiency of a variable power source
US20060174939A1 (en) Efficiency booster circuit and technique for maximizing power point tracking
WO2006071436A2 (en) A converter circuit and technique for increasing the output efficiency of a variable power source
US9785172B2 (en) Switched capacitor DC-DC converter based distributed maximum power point tracking of partially shaded photovoltaic arrays
WO2007084196A2 (en) Dynamic switch power converter
JP6495038B2 (en) Charger
US20180062502A1 (en) Photovoltaic inverter
TW201020712A (en) Frequency-varied incremental conductance maximum power point tracking controller and algorithm for PV converter
JP2010207062A (en) Charging device
JP6935875B1 (en) Solar power system
JP3932196B2 (en) Power supply device control method and power supply device
Kusmantoro et al. Voltage stability in DC micro grid by controlling two battery units with hybrid network systems
Kumar et al. Design and implementation of solar charge controller for photovoltaic systems
JPH11186581A (en) Solar power generating equipment and electric power converter for solar power generation
US12368302B2 (en) Power supply apparatus based on photovoltaic panels
US20250079845A1 (en) Highly efficient apparatus of guaranteed power supply based on photovoltaic panels
RU2811080C1 (en) Power supply device based on photovoltaic panels
RU219061U1 (en) INTELLIGENT POWER SUPPLY DEVICE BASED ON SOLAR BATTERIES

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090902