Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи
Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к устройствам имитации основных технических характеристик солнечной батареи. Может использоваться при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей. Задача полезной модели - создание устройства имитации с более высоким КПД и повышенной точностью воспроизведения ВАХ солнечной батареи. Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи содержит: источник напряжения постоянного тока, источник постоянного тока; блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами; и блок конденсаторов для имитации выходного сопротивления солнечной батареи. Для решения поставленной задачи в устройство введены разрядный и зарядный модули, связанные с выходом источника напряжения постоянного тока, включенные параллельно нелинейному элементу через первый развязывающий диод, и последовательно с блоком резисторов - через второй развязывающий диод, блок фильтра, включенный параллельно источнику напряжения через указанные разрядный и зарядный модули, а также модуль вольтодобавки, включенный между источником напряжения и источником тока, при этом нелинейный блок соединен параллельно источнику напряжения через блок резисторов и второй развязывающий диод, блок конденсаторов включен параллельно источнику тока, а блок резисторов одним концом соединен с выходом источника постоянного тока, а другим - с блоком фильтра через первый и второй развязывающие диоды.
Полезная модель относится к электротехнике, а именно, к устройствам имитации основных технических характеристик солнечной батареи. Может использоваться при проведении автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры на базе первичных источников в виде солнечных батарей.
Общей практикой для имитации солнечной батареи является использование источника постоянного тока, и такая практика имеет успех, когда напряжение батареи ограничено эффективной нагрузкой до 0,4 В на одну ячейку. При этих условиях токовый выход может легко программироваться для имитации заданной характеристики батареи. Однако эта процедура не дает адекватного результата, например, на спутниках, использующих регуляторы, работающие в очень широком диапазоне напряжений солнечных батарей. Кроме того, активные системы управления температурой, использующиеся в настоящее время, в частности, требуют более точной имитации вольтамперной характеристики (далее ВАХ) солнечной батареи.
Известны устройства со специальной выходной характеристикой, используемые как имитаторы солнечных батарей (SU 818184, RU 2027217). Эти устройства выполнены на основе преобразовательных ячеек - автономных стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питания, выходы всех ячеек зашунтированы транзисторами и подключены через развязывающие диоды к выводам для подключения нагрузки.
Недостатки указанных устройств обусловлены несовпадением структурной схемы силовой части с эквивалентной схемой реальной солнечной батареи, что приводит к несовпадению статической и динамической ВАХ. Отсутствие участка нелинейного сопряжения тока и напряжения не обеспечивает необходимой точности воспроизведения ВАХ, максимально приближенной к ВАХ реальной солнечной батареи.
Известно также устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по патенту US 3325723, выбранное нами за прототип, как наиболее близкое по схеме построения и достигаемому эффекту. Устройство является эквивалентной схемой одной ячейки солнечной батареи, и состоит из источника постоянного тока, с параллельно подключенными резисторами, имитирующими внутреннее сопротивление солнечной батареи, и переменной емкостью, имитирующей емкость р-n перехода диода. Кроме того, устройство содержит нелинейный блок, подключенный параллельно с указанными резисторами и емкостью, состоящий из параллельно-последовательно включенных диодов и переключателя для управления числом диодов, включенных в цепь. Нелинейный блок в данном устройстве аппроксимирует нелинейный участок ВАХ солнечной батареи. Путем
соответствующего выбора элементов схемы и величин переменных элементов, можно имитировать вольтамперные характеристики с учетом таких факторов как освещенность, температура и ориентация батареи, а также число ячеек в батарее.
Недостатками указанного устройства является большая мощность, рассеиваемая нелинейным блоком (особенно в режиме холостого хода), а также ошибка формирования наклона ВАХ на участке напряжения. Наклон на участке напряжения определяется резистором, имитирующим внутреннее сопротивление солнечной батареи, однако, реально к нему прибавляется дифференциальное сопротивление прямосмещенных диодов нелинейного блока.
Задача полезной модели - создание устройства имитации с более высоким КПД и повышенной точностью воспроизведения ВАХ солнечной батареи.
Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи по данной полезной модели, так же как и прототип, содержит: источник напряжения постоянного тока, источник постоянного тока; блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами; и блок конденсаторов для имитации выходного сопротивления солнечной батареи.
В отличие от прототипа, устройство дополнительно содержит: разрядный и зарядный модули, связанные с выходом источника напряжения постоянного тока и включенные параллельно нелинейному элементу через первый развязывающий диод и последовательно с блоком резисторов через второй развязывающий диод, блок фильтра, включенный параллельно источнику напряжения через указанные разрядный и зарядный модули, а также модуль вольтдобавки, включенный между источником напряжения и источником тока. При этом нелинейный блок соединен параллельно источнику напряжения через блок резисторов и второй развязывающий диод, блок конденсаторов включен параллельно источнику тока, а блок резисторов одним концом соединен с выходом источника постоянного тока, а другим - с блоком фильтра через первый и второй развязывающие диоды.
Принцип действия имитатора вольтамперной характеристики солнечной батареи основан на параметрическом формировании ее ВАХ с улучшенными динамическими характеристиками в зоне участка максимального отбора мощности.
Далее принцип действия и отличительные особенности имитатора поясняются с помощью рисунков, на которых представлено:
На Фиг.1 - типичная вольтамперная характеристика имитатора солнечной батареи;
На Фиг.2 - блок-схема устройства имитации ВАХ солнечной батареи по данной полезной модели.
Устройство имитации ВАХ солнечной батареи состоит из источника напряжения постоянного тока, включающего выпрямитель 1, выход которого подключен к блоку конвертора 2, состоящего из конвертора 3 и фильтра конвертора 4. К выходам конвертора подключены: модуль вольтдобавки 5, зарядный 6 и разрядный 7 модули, блок фильтра 8. Выход модуля вольтдобавки подключен к источнику постоянного тока, представляющего собой модуль стабилизатора тока 9, выход которого в свою очередь подключен к блоку резисторов 10. Блок резисторов состоит из резисторов RП и КШ. Блок резисторов через развязывающие диоды VD1 и VD2 блока диодов 11 подключен к блоку фильтра 8, зарядному б и разрядному 7 модулю. А так же через развязывающий диод VD2 подключен к нелинейному элементу 12. Параллельно резистору RШ блока резисторов 10 подключен блок конденсаторов 13.
Устройство работает следующим образом.
Питание от сети поступает на входной выпрямитель 1, выходное напряжение 500 В которого уходит на гальваноразвязанный понижающий блок конвертора 2. С выхода конвертора 3, через фильтр конвертора 4 стабилизированное напряжение U0 поступает на модуль вольтдобавки 5. Модуль вольтодобавки 5 напряжением UВД компенсирует потери первичного источника U0 в нелинейном элементе 12. Модуль стабилизатора тока 9 обеспечивает регулирование и стабилизацию тока 1 К3 короткого замыкания ИБС. Далее стабилизированный ток 1К3 поступает на блок резисторов и блок конденсаторов 13. Блок резисторов состоит из резисторов R П и RШ. Величиной резистора R Ш задается наклон на участке тока (участок а). Резистор Rn задает наклон на участке напряжения (участок b). Конфигурация нелинейного перехода (участок с) между участками напряжения и тока определяется соответствующим набором диодов нелинейного элемента 12. Блок конденсаторов имитирует выходную емкость реальной солнечной батареи.
С целью снижения рассеиваемой мощности на нелинейном элементе 12 при формировании вольт-амперной характеристики имитатора солнечной батареи, через развязывающие диоды VD1 и VD2 блока диодов 11 подключен блок фильтра 8. Зарядный 6 и разрядный 7 модули обеспечивают регулирование и стабилизацию напряжения блока фильтра 8. Величина этого напряжения адекватно меняется в функции текущих уставок ИБС. Разрядный модуль 7 рекуперирует энергию блока фильтра 8 в фильтр конвертора 4. Очевидно, что чем ближе нагрузка ИБС к холостому ходу, тем большая часть энергии возвращается в блок фильтра 8, повышая тем самым КПД устройства в целом.
Модуль разрядный 7 исключают ошибку, вносимую дифференциальным сопротивлением прямосмещенных диодов нелинейного блока 12, тем самым повышается точность воспроизведения ВАХ. При работе разрядного модуля 7 происходит протекание соответствующего начального рабочего тока разряда. Этот ток компенсируется соответствующим зарядным модулем 6, ток которого выбран с небольшим превышением относительно соответствующего начального разрядного тока. Таким образом, разрядный 7 и зарядный б модули отрабатывают наброс и сброс нагрузки имитатора солнечной батареи. Кроме того, данная цепь обеспечивает безопасный режим работы диодов нелинейного блока 12, «откачивая» из него излишки тока.
Очевидно, что чем ближе нагрузка ИБС к холостому ходу, тем большая часть энергии возвращается в фильтр конвертора 4.
Устройство для имитации вольт-амперной характеристики (далее ВАХ) солнечной батареи (СБ), содержащее источник напряжения постоянного тока, источник постоянного тока, блок резисторов, включающий переменные резисторы, имитирующие внутреннее сопротивление солнечной батареи; нелинейный блок, образованный параллельно-последовательно включенными диодами, и блок конденсаторов для имитации выходного сопротивления солнечной батареи, отличающееся тем, что в устройство введены разрядный и зарядный модули, связанные с выходом источника напряжения постоянного тока, включенные параллельно нелинейному элементу через первый развязывающий диод и, последовательно с блоком резисторов, через второй развязывающий диод, блок фильтра, включенный параллельно источнику напряжения через указанные разрядный и зарядный модули, а также модуль вольтдобавки, включенный между источником напряжения и источником тока, при этом нелинейный блок соединен параллельно источнику напряжения через блок резисторов и второй развязывающий диод, блок конденсаторов включен параллельно источнику тока, а блок резисторов одним концом соединен с выходом источника постоянного тока, а другим - с блоком фильтра через первый и второй развязывающие диоды.
