用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的設(shè)備和方法
【專利摘要】一種用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元（4）的輸出功率的電子設(shè)備（2），其具有串聯(lián)耦合在太陽(yáng)能電池單元和負(fù)載（8）之間的可變電阻器（6）、被配置為控制可變電阻器的控制單元（10）、用于測(cè)量輸出電壓（V）的傳感器（12）和用于測(cè)量太陽(yáng)能電池單元（4）的輸出電流（I）的傳感器（14），其中控制單元（10）被配置為：隨時(shí)間改變串聯(lián)電阻器（6）的電阻，使得輸出電壓（V）對(duì)時(shí)間（t）的一階導(dǎo)數(shù)具有恒定值；同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流（I）對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)；檢測(cè)輸出電流（I）對(duì)時(shí)間（t）的二階導(dǎo)數(shù)是否超過(guò)預(yù)定的閾值；以及將對(duì)應(yīng)的輸出電壓和電流的值識(shí)別為太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)（MPP）。
【專利說(shuō)明】用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于操作優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能電池單元的有利工作點(diǎn)是最大功率點(diǎn)(MPP)，在MPP處太陽(yáng)能電池單元輸送最大輸出功率。圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出了太陽(yáng)能電池單元的典型的電流-電壓特性(1-V特性)。太陽(yáng)能電池單元的輸出功率由I與V的乘積給出，并且其最大值定義MPP。
[0003]用于確定MPP的典型的方法是改變串聯(lián)耦合至太陽(yáng)能電池單元的實(shí)際負(fù)載的測(cè)試負(fù)載。改變測(cè)試負(fù)載的同時(shí)計(jì)算輸出功率。此外，確定I與V的乘積(即太陽(yáng)能電池單元的輸出功率)的一階導(dǎo)數(shù)。正如可以從圖1中的輸出功率曲線中看到的那樣，輸出功率的一階導(dǎo)數(shù)在MPP處改變了其斜率。當(dāng)從很低的電流值處開(kāi)始時(shí)，通過(guò)增加電流I，對(duì)應(yīng)的電壓V增加，直到輸出功率到達(dá)其最大值。電壓V的進(jìn)一步增加導(dǎo)致電流I的值減小。換句話說(shuō)，根據(jù)相應(yīng)的I和V值是位于MPP的左側(cè)還是右側(cè)，一階導(dǎo)數(shù)具有正的或負(fù)的斜率。正的斜率包含將在更高的電流值處找到MPP的信息，而負(fù)的斜率表明MPP位于更低的電流值處。通過(guò)相應(yīng)地調(diào)整電流和電壓，太陽(yáng)能電池單元能夠被設(shè)置到其MPP。
[0004]然而，多個(gè)外部參數(shù)影響太陽(yáng)能電池單元的輸出功率特性。特別地，其對(duì)光的暴露以及電池單元的工作溫度改變輸出功率曲線。因此，MPP也被偏移到不同的電壓和電流值處。這種依賴性導(dǎo)致有必要經(jīng)常調(diào)整太陽(yáng)能電池單元的工作電流和電壓，以便太陽(yáng)能電池單元總是工作在其MPP處。這種調(diào)整通常由按照上述方式操作的微控制器單元或數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)執(zhí)行。這種調(diào)整必須是快速的，因?yàn)椴粌H太陽(yáng)能電池單元的實(shí)際負(fù)載會(huì)迅速變化，而且工作條件，例如曝光量(light exposure)和工作溫度也可能變化。然而,微控制器單元或數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用增加了系統(tǒng)成本，因?yàn)檫@些部件很昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的總體目標(biāo)是提供一種用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的替代的電子設(shè)備。本發(fā)明的進(jìn)一步目標(biāo)是提供一種用于操作所述電子設(shè)備的替代的方法。
[0006]本發(fā)明提供了用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備。該電子設(shè)備包含控制單元和串聯(lián)耦合在太陽(yáng)能電池單元和負(fù)載之間的可變串聯(lián)電阻器?？刂茊卧慌渲脼榭刂瓶勺兇?lián)電阻器，并且進(jìn)而進(jìn)一步包含用于測(cè)量太陽(yáng)能電池單元的輸出電壓和電流的傳感器。控制單元被配置為隨時(shí)間改變串聯(lián)電阻器的電阻，使得輸出電壓對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)具有恒定值。同時(shí)，控制單元監(jiān)測(cè)輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)以便確定其是否超過(guò)預(yù)定的閾值。對(duì)應(yīng)的輸出電壓和電流的值被識(shí)別為太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，所述電子設(shè)備允許可靠且成本有效地控制和優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的工作條件?？梢允÷猿杀靖叩牟考缥⒖刂破鞯取?br> [0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述控制單元被進(jìn)一步配置為通過(guò)檢測(cè)輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)的極值來(lái)識(shí)別太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)。此外，MPP可以被非常精確地定位。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述電子設(shè)備被實(shí)現(xiàn)為模擬集成電路。這允許非常成本有效地實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備。
[0010]本發(fā)明也提供例了用于操作優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備的方法。存在控制單元和串聯(lián)耦合在太陽(yáng)能電池單元和負(fù)載之間的可變串聯(lián)電阻器?？刂茊卧慌渲脼榭刂瓶勺兇?lián)電容器，并且進(jìn)一步包含用于測(cè)量太陽(yáng)能電池單元的輸出電壓和電流的傳感器。隨時(shí)間改變串聯(lián)電阻器的電阻，使得輸出電壓對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)具有恒定值。同時(shí)，監(jiān)測(cè)輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)并確定輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)是否超過(guò)預(yù)定的閾值。對(duì)應(yīng)的輸出電壓和電流的值被識(shí)別為太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]參考附圖描述了示例實(shí)施例，其中:
[0012]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)示出太陽(yáng)能電池單元的典型的電流-電壓特性和對(duì)應(yīng)的輸出功率的簡(jiǎn)化示意圖。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于確定太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)的電子設(shè)備的簡(jiǎn)化電路原理圖。
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步示出輸出電流對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和該電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]圖1是示出暴露在光下的太陽(yáng)能電池單元的典型的電流-電壓特性(1-V特性)的簡(jiǎn)化示意圖。此外，圖1中描述了太陽(yáng)能電池單元的對(duì)應(yīng)的輸出功率。太陽(yáng)能電池單元在輸出功率曲線的極值(其也被稱為最大功率點(diǎn)(MPP))處傳送其最大輸出功率。當(dāng)操作太陽(yáng)能電池單元時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最大效率，期望在MPP處或MPP附近操作太陽(yáng)能電池。
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備2的實(shí)施例的簡(jiǎn)化的電路原理圖。電子設(shè)備2包含可變串聯(lián)電阻器6、用于測(cè)量輸出電壓V的傳感器12和用于測(cè)量太陽(yáng)能電池單元4的輸出電流I的傳感器14。
[0017]可變串聯(lián)電阻器R串聯(lián)耦合在太陽(yáng)能電池單元4和負(fù)載8之間。輸出電壓V和輸出電流I由合適的測(cè)量設(shè)備12、14來(lái)確定。輸出值V、I被饋送到控制單元10。優(yōu)選地，控制單元是被適當(dāng)配置為執(zhí)行將在下面描述的處理步驟的集成模擬電路。
[0018]控制單元10被配置為改變可變電阻器6的電阻R，使得輸出電壓V的一階導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間連續(xù)地變化。換句話說(shuō)，公式dv/dt=常量是成立的。輸出電壓V可以從高的初始值變化到低的值，反之亦然。唯一的要求是輸出電壓V隨時(shí)間連續(xù)地變化。
[0019]圖3是示出從圖1中已經(jīng)得知的太陽(yáng)能電池單元4的1-V特性和輸出功率的進(jìn)一步簡(jiǎn)化的示意圖。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖3中描述了輸出電流I對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，分別稱為dl/dt和d2I/dt2。曲線是非常示意性的并且不指代給定的比例。然而，這是小細(xì)節(jié)，因?yàn)榍€的梯度才是令人感興趣的。
[0020]如前所述，公式dV/dt=常量將是成立的。當(dāng)在接近于開(kāi)路電壓\c的高電壓V處示例性地開(kāi)始時(shí)，電壓V的某個(gè)變化導(dǎo)致電流I的某個(gè)變化。由于在遠(yuǎn)離MPP的區(qū)域中，電壓V和電流I之間的相關(guān)性是近似線性的，因此電流I幾乎與電壓V成比例地變化。當(dāng)在某一時(shí)間段內(nèi)連續(xù)地改變電壓V時(shí)(這意味著dV/dt=常量是成立的)，電流I也將隨時(shí)間連續(xù)地變化，這意味著電流對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)dl/dt是恒定的。在遠(yuǎn)離MPP的區(qū)域中可以看到dl/dt曲線的這種行為。當(dāng)在接近于開(kāi)路電壓Vre的高電壓值處開(kāi)始時(shí)，電流I最初隨變化的電壓V非常細(xì)微地變化。當(dāng)說(shuō)到隨時(shí)間變化并假設(shè)電壓V隨時(shí)間的變化是恒定的，則對(duì)應(yīng)的電流I隨時(shí)間的變化很小，如在dl/dt的圖形的左邊的部分中可見(jiàn)的那樣。
[0021]在MPP區(qū)域中，電流I隨電壓V的變化急劇地變化，因?yàn)?-V曲線的斜率急劇地變化。電壓V的非常小的變化將導(dǎo)致電流I的巨大的變化。同樣，電壓V隨時(shí)間的變化將是恒定的。這意味著對(duì)應(yīng)的電流I隨時(shí)間的變化從中等值變化到明顯更高的值。
[0022]當(dāng)查看二階導(dǎo)數(shù)d2I/dt2時(shí)，電流隨時(shí)間的變化甚至更明顯。當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)從較低的值階躍到較高的值時(shí)，d2I/dt2清楚地示出了最大值。d2I/dt2的曲線在圖3中被描述為虛線。
[0023]已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)的極值(圖3中的最大值)對(duì)應(yīng)于MPP。對(duì)應(yīng)的電流對(duì)應(yīng)于MPP。
[0024]這使得能夠通過(guò)觀察電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)d2I/dt2來(lái)將太陽(yáng)能電池單元4調(diào)整到MPP。隨時(shí)間連續(xù)地變化電壓V，同時(shí)監(jiān)測(cè)d2I/dt2。
[0025]作為第一種方法，應(yīng)假設(shè)當(dāng)d2I/dt2的值超過(guò)某一閾值T時(shí)MPP已經(jīng)被找到。進(jìn)一步的替代方法可以是，檢測(cè)最大值本身-超過(guò)它并后退某一偏移值，以便將太陽(yáng)能電池單元4精確地設(shè)置到MPP。通過(guò)檢測(cè)極值本身，可以非常精確地確定MPP。
[0026]本發(fā)明涉及的本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)所描述的實(shí)施例做出修改，并且許多其它實(shí)施例是可能的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備，所述電子設(shè)備包含: 串聯(lián)耦合在所述太陽(yáng)能電池單元和負(fù)載之間的可變串聯(lián)電阻器； 被配置為控制所述可變電阻器的控制單元； 用于測(cè)量輸出電壓的傳感器；以及 用于測(cè)量所述太陽(yáng)能電池單元的輸出電流的傳感器； 其中所述控制單元被配置為:隨時(shí)間改變所述串聯(lián)電阻器的電阻，使得所述輸出電壓對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)具有恒定值；同時(shí)監(jiān)測(cè)所述輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)；檢測(cè)所述輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)是否超過(guò)預(yù)定的閾值；以及將對(duì)應(yīng)的所述輸出電壓和電流的值識(shí)別為所述太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)(MPP)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述控制單元進(jìn)一步被配置為通過(guò)檢測(cè)所述輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)的極值來(lái)識(shí)別所述太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)(MPP)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是分立的模擬集成電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是分立的模擬集成電路。
5.一種用于操作優(yōu)化太陽(yáng)能電池單元的輸出功率的電子設(shè)備的方法，所述電子設(shè)備包含:串聯(lián)耦合在所述太陽(yáng)能電池單元和負(fù)載之間的可變串聯(lián)電阻器，被配置為控制所述可變電阻器的控制單元，用于測(cè)量輸出電壓的傳感器以及用于所述太陽(yáng)能電池單元的電流的傳感器；所述方法包括: 隨時(shí)間改變所述串聯(lián)電阻器的電阻，使得所述輸出電壓對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)具有恒定值； 同時(shí)監(jiān)測(cè)所述輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)；以及 確定所述輸出電流對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)是否超過(guò)預(yù)定的閾值并將對(duì)應(yīng)的所述輸出電壓和電流的值識(shí)別為所述太陽(yáng)能電池單元的最大功率點(diǎn)(MPP)。
【文檔編號(hào)】G05F1/67GK103688228SQ201280009447
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月17日
【發(fā)明者】M·西威爾 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司, 德克薩斯儀器德國(guó)股份有限公司