Результат интеллектуальной деятельности: Генератор электромагнитных колебаний с использованием солнечных панелей

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и фотоэлектроники. Устройство предназначено для генерирования электрических напряжений синусоидальной формы с использованием солнечных батарей.

II. Уровень техники

II. 1 Сравнение с предшествующими уровнями техники

Используемые в настоящее время солнечные панели вырабатываю электроэнергию постоянного тока. Для получения переменного напряжения используется аккумуляторная батарея и инвертор, как показано на рисунке фиг. 1.

Фиг. 1 Установка электропитания на солнечных панелях

Предлагаемое устройство позволяет генерировать с использованием стандартных солнечных панелей электроэнергию переменного тока, по форме приближающегося к синусоиде, частота колебания задается используемым в устройстве генератором тактовых импульсов. Устройство может подключаться к промышленной сети переменного тока в качестве генератора электроэнергии, либо использоваться автономно для электроснабжения потребителей переменного тока в сетях энергоснабжения, автоматики, робототехники, сетях "промышленного Интернета вещей, IIOT" и межмашинного взаимодействия, М2М.

II. 2 Цель изобретения

Целью изобретения является разработка устройства для генерирования электрических напряжений и токов синусоидальной формы с помощью панели, на которой располагаются фотопреобразователи световой энергии в электрическую (фотовольтаические или фотоэлектрических преобразователи). Применение устройства возможно как при освещении солнечных панелей солнечной энергией, так и в отсутствии такого освещения. При отсутствии освещения колебания генерируются за счет использования энергии, накопленной в аккумуляторных или конденсаторных батареях. При освещении панелей солнечная энергия расходуется как на генерирование колебаний, так и на зарядку аккумуляторных или конденсаторных батарей. Использование устройства возможно и без использования аккумуляторных батарей только при освещении солнечных панелей энергией Солнца. Получение колебаний синусоидальной формы достигается в результате коммутации отдельных элементов солнечной панели по предлагаемой в работе схеме. Частота генерируемого напряжения (тока) задается генератором тактовых импульсов, входящего в блок управления устройства. Амплитудные значения тока достигаются в результате параллельного соединения фотопреобразователей, амплитудные значения напряжения достигаются в результате последовательного соединения отдельных элементов солнечной панели в модули. Модули между собой соединяются собой так, чтобы получить аппроксимацию синусоидальной функции выходного напряжения последовательностью импульсных функций.

II. 3. Изобретательский уровень.

Предлагаемое устройство для генерирования электромагнитных колебаний с использованием солнечных панелей отличается от используемых в настоящее время устройств тем, что позволяет непосредственно с панелей с солнечными фотоэлементами снимать переменное синусоидальное напряжение. Для районов с гарантированным освещением солнечных батарей генерация синусоидального напряжения возможна без использования аккумуляторной батареи и инвертора. Для использования устройства в периоды отсутствия освещенности солнечной панели требуется использование накопителей энергии, таких как аккумуляторная батарея или блок конденсаторов необходимой емкости. Технические требования к используемым в устройстве накопителям энергии значительно ниже по сравнению с требованиями к аккумуляторной батарее, используемой в решении, показанном на рисунке фиг. 1. При разбиении периода выходного напряжения на 12 интервалов каждый накопитель энергии в предлагаемом устройстве используется только на 1/6 части периода генерируемого переменного напряжения. Вследствие этого снижаются требования к энергоемкости накопителей. 1/3 часть накопителей рассчитывается, проектируется и изготавливается на напряжение, равное 1/3 части амплитуды выходного напряжения, 1/3 часть накопителей изготавливается на напряжение, равное 2/3 амплитуды выходного напряжения и 1/3 часть накопителей изготавливается на напряжение, равное амплитуде выходного напряжения. Вследствие указанных факторов снижаются такие показатели накопителей как габариты, вес, стоимость по сравнению с используемым накопителем, показанным на рисунке фиг. 1.

От описанного в работе [1] предлагаемое устройство отличается тем, что:

- в качестве источников энергии используются солнечные панели, состоящие из однотипных фотопреобразователей с одинаковыми значениями напряжения каждого источника равное Еэл;

- используя последовательное и параллельное соединения фотопреобразователей формируются модули из фотопреобразователей с требуемым значением тока и напряжения, одинакового по величине для каждого модуля. Напряжение одного модуля равно Е=к⋅Еэл, где к - количество последовательно соединенных в модуле элементов или групп из параллельно соединенных элементов. Количество элементов в каждой группе определяется требуемым значением тока, которое необходимо получить от модуля;

- Модули коммутируются в соответствии с предложенной схемой для получения кратных значений напряжений Е. 2Е, 3Е, -Е, -2Е, -3Е. При помощи блока коммутации, содержащем управляемые ключи, источники электрической энергии подключаются в заданной последовательности к выходным полюсам устройства. Управление ключами блока коммутации осуществляется блоком управления. В качестве источников электрической энергии генератора используется электрическая энергия:

- получаемая в результате преобразования световой энергии, падающей на световые панели, в электрическую энергию

- электрическая энергия аккумуляторных батарей или блока конденсаторов, заряжаемых от световой панели.

Генерирование электрических колебаний предлагаемым устройством возможно и без использования аккумуляторных батарей или блока конденсаторов только при освещении солнечной панели солнечной энергией. \

III. Раскрытие сущности изобретения

III. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

На фиг. 2 представлен отрезок синусоидальной функции с амплитудой E_m на интервале 0…2π. Рассмотрим участок этой функции на интервале 0…π/2, который аппроксимируется последовательностью k импульсных функций с кратными амплитудными значениями E₁, 2E₁…kE₁, где Е₁ - амплитудное значение первого импульса, Е₂=2Е₁ - амплитудное значение второго импульса, E_k=kE₁ - амплитудное значение импульса с номером k. Пусть длительность каждого импульса TI одинакова для всех импульсов и равна

Установление зависимости амплитуды синусоиды и амплитуды первого импульса на основе равенства энергий

Потребуем, чтобы площадь, ограниченная синусоидальной функцией на интервале 0…π/2 и горизонтальной осью, была равна на этом же интервале площади, равной сумме площадей импульсных функций

Интеграл

Из соотношений (2) и (3) найдем выражение для амплитудного значения первого импульса:

Для E_m=1 и k=3 (n=12) получим для k=4 (n=16) получим для k=6 (n=24) Е1=4/7π ~0.181

Установление значений амплитуд импульсов для случая n=12

В таблице 1 записаны значения амплитуд импульсов для каждого из 12 интервалов, на которые разбивается синусоидальная функция. Первые три импульса, аппроксимирующие синусоидальное напряжение первой фазы на интервале 0-Т/4, показаны на рисунке фиг. 2. Принято, что период синусоидальной функции Т разбивается на 12 временных интервалов 1…12.

Значения напряжений E₁, Е₂, Е₃ показаны на рисунке фиг. 2.

III. 2. Структурная схема устройства

Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.

Фиг. 3 Структурная схема

На рисунке фиг. 3 показаны следующие блоки устройства:

Б1. Панель с набором фотопреобразователей;

Б2. Блок накопителей энергии. Это может быть либо блок аккумуляторных батарей, либо блок конденсаторов необходимой емкости

Б3. Блок управления. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов. Управляющие импульсы открывают электронные ключи, расположенные в блоке коммутации. При помощи управляемых ключей источники энергии поочередно подключаются к выходным клеммам устройства;

Б4. Блок коммутации. Обеспечивает подключение источников электрической энергии (фотопреобразователей и/или накопителей энергии) к выходным клеммам в соответствии с алгоритмом получения синусоидальной формы выходного напряжения;

Б5. Выходной трансформатор. Обеспечивает изменение величины напряжения (тока) устройства до требуемой величины.

На рисунке фиг. 4 показана структурная схема устройства для случая, когда период синусоидальной Т разбивается на n=12 интервалов одинаковой величины TI=Т/n. На рисунке указаны номера узлов, при помощи которых осуществляется соединение блоков между собой.

Фиг. 4 Структурная схема с указанием внешних полюсов

III. 3 Блок управления

Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5

Фиг. 5 Принципиальна схема блока управления

Блок управления Б3 предназначен для формирования циклической с периодом Т последовательности управляющих импульсов прямоугольной формы. Управляющие импульсы управляют открытием силовых ключей блока коммутации Б4. Силовые ключи подключают на интервал времени TI в заданной последовательности источники энергии к выходным поюсам устройства. Источниками энергии являются фотовольтаичексие преобразователи солнечной батареи и/или накопители электрической энергии. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.

При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники электрической энергии подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Дискретные значения ЭДС для конкретных k=1…n, n=12 приведены в таблице 1. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n - числу импульсных функций на периоде Т. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 81…8n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.

III. 4 Блок коммутации

Принципиальная схема блока коммутации для случая, когда число временных интервалов n на периоде Т равно 12 показана на рисунке фиг. 6. Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации

При помощи блока коммутации Б4 источники напряжений от фотопреобразователей и/или накопителей энергии подключаются в соответствующие интервалы времени (к-1) TI≤t≤kTI, k=1, 2, … n к выходному полюсу блока 10₁, полюс 10₂ постоянно подключен к полюсу 0 блоков Б1 и Б2. В записанном выражении TI - длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т, Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей К1…К6. Импульсы, управляющие открытым состоянием каждого электронного ключа, поступают от блока управления посредством полюсов 8₁…8_n. Первый импульс от блока управления поступает в блок коммутации посредством полюса 8₁, второй импульс посредством полюса 8₂ и т.д.

На принципиальной схеме входными полюсами, от которых поступают управляющие импульсы на открытие электронных ключей, являются полюсы 8₁…8₁₂. Посредством полюсов 11₁…11₆ к блоку коммутации подключаются источники напряжения E₁…Е₆. При этом полагаются следующие обозначения: E₄=-E₁, Е₅=-Е₂, Е₆=-Е₃. Напряжения Е₁…Е₆ снимаются с полюсов 11₁…11₆ и полюса 0. Так, напряжение E₁ снимается с полюсов 11₁ и 0, напряжение Е₂ с полюсов 11² и 0 и т.д. Приняты кратные значения напряжений. Величина E₁ определяется напряжением одного модуля питания, E₂=2E₁, Е₃=3Е₁, Е₄=-Е₁, Е₅=-Е₂, Е₆=-Е₃. Выходными являются полюсы 10₁ и 10₂. При помощи ключа К1 источник E₁ подключается к выходному полюсу 10₁ на первом и шестом интервалах времени. Это достигается тем, что на вход ключа К1 поступают управляющие импульсы с электродов 8₁ и 8₆ через диоды D1,1 и D1,6, на вход ключа К2 поступают управляющие импульсы с электродов 8₂ и 8₅ через диоды D_2,2 и D_2,5 и т.д.

III. 3 Блок фотопреобразователей, блок накопителей энергии, блок диодов

Отдельные элементы панели группируются в модули с одинаковым по величине выходным напряжением равным Е₁. На протяжении первого интервала времени, см. рисунок фиг. 2, на выход устройства к полюсу 11₁ при помощи блока коммутации подключается модуль фотопреобразователей с напряжением E₁. На втором интервале времени длительностью TI к выходным клеммам устройства к полюсу 11₂ подключаются два последовательно соединенных модуля фотопреобразователей с напряжением E₁ каждый. В результате на выходных клеммах устройства на протяжении этого интервала времени напряжение будет равно Е₂=2Е₁. На третьем интервале времени длительностью TI к выходным клеммам устройства к полюсу 11₃ подключаются три последовательно соединенных модуля фотопреобразователей. В результате на выходе устройства на третьем по счету интервале времени длительностью TI будет напряжение Е3=3Е₁. На четвертом, пятом и шестом интервалах времени источники Е₃, Е₂, E₁ подключаются к полюсам 11₃, 11₂, 11₁. Отрицательные значения выходного напряжения получаются в результате подключения источников Е₄, Е₅, Е₆ к выходным полюсам 11₄, 11₅, 11₆. Так, на седьмом интервале времени длительностью TI к полюсу 11₄ подключается источник Е4=-E₁, на восьмом интервале времени к полюсу 11₅ подключается источник E₅=-Е₂, на девятом интервале времени к полюсу 11₆ подключается источник Е₆=-Е₃. На десятом, одиннадцатом и двенадцатом интервалах времени источники Е₄, Е₅, Е₆ подключаются к полюсам 11₆, 11₅, 11₄.

На рисунке фиг. 7 показаны фотопреобразователи П₁₁, П₁₂, … П_1n, образующие первый модуль фотопреобразователей, П₂₁, П₂₂, … П_2n, образующие второй модуль фотопреобразователей, …, П₆₁, П₆₂, …, П_6n, образующие шестой модуль фотопреобразователей. Каждый модуль образуется в результате последовательно - параллельного соединения отдельных фотопреобразователей. Например, один поликристаллический фотопреобразователь при световом потоке 1,0 кВт/м² в соответствии техническими данными, приведенными на сайте Molotok.ru, характеризуется параметрами:

Напряжение: холостого хода - 0,55 В,

рабочее - 0,5 В.

Ток: КЗ - 1,5 А,

рабочий - 1,2 А.

Рабочая мощность - 0,62 Вт.

При последовательном соединении десяти фотоэлементов получим рабочее напряжение одного модуля 5 В, рабочая мощность одного модуля будет составлять 6,2 Вт. Если в каждой группе фотоэлементов (П₁₁, П₁₂ и т.д.) использовать их параллельное соединение, то можно увеличит рабочий ток и мощность одного модуля. Так, если параллельно соединять по 10 фотопреобразователей, то рабочий ток модуля возрастет до 12 А, рабочая мощность до 62 Вт.

Фиг. 7 Панель солнечная с накопителями энергии

Фиг. 8 Панель фотопреобразователей с накопителями энергии и блоком диодов

На рисунке фиг. 7 показан блок фотопреобразователей Б1 и блок накопителей энергии Б2. В качестве накопителей энергии могут использоваться блоки аккумуляторных батарей, либо блоки конденсаторов необходимой емкости. Показаны накопители С₁₀, С₂₀, С₃₀, С₄₀, С₅₀, С₆₀. Накопитель С₁₀ подключается к полюсам 11₁ и 0, С₂₀ к полюсам 11₂ и 0, С₃₀ к полюсам 11₃ и 0, С₄₀ к полюсам 11₄ и 0, С₅₀ к полюсам 11₅ и 0, C₆₀ к полюсам 11₆ и 0.

Для того, чтобы исключить саморазряд накопителей энергии через фотопреобразователи в схему фиг. 7 вводятся полупроводниковые диоды D1, D2, D3, D4, D5, D6. Это показано на рисунке фиг. 8.

Выходными полюсами такой схемы являются полюсы 11₁, 11₂, 11₃, 11₄, 11₅, 11₆, и 0.

III. 4 Трансформатор

Выходной трансформатор, блок Б5, полюсом 10₁ подключается к одноименному полюсу блока коммутации, показанного на рисунке фиг. 6, полюсом 10₂ подключается к полюсу 0 блока источников энергии, показанному на рисунке фиг. 4. Выходными полюсами трансформатора являются полюсы 12₁ и 12₂. Трансформатор предназначен для получения требуемого значения напряжения на выходе устройства.

IV. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Установка электропитания на солнечных панелях

Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

Фиг. 3 Структурная схема устройства

Фиг. 4 Структурная схема с указанием внешних полюсов

Фиг. 5 Принципиальна схема блока управления

Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации Фиг. 7 Принципиальная схема блока питания для n=12

Фиг. 7 Панель солнечная с накопителями энергии

Фиг. 8 Панель фотопреобразователей с накопителями энергии и блоком диодов

V. Осуществление изобретения

Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 5 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из р, р=1…12, его выходов. Единичный сигнал на р-ом (р=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8_р, p=1…12, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей К1…К6. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11_i, i=1…6, к источникам напряжения Е₁…Е₆, а выходы ключей к выходным полюсам блока коммутации 10₁ и 10₂.

В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу блока коммутации 10₁ и 10₂ подключается только один источник постоянного напряжения из набора E₁…Е₆. Значения напряжений источников равны E₁=E, Е₂=2Е, Е₃=3Е, Е₄=-Е, Е₅=-Е₂=-2Е, Е₆=-Е₃=-3Е. На принципиальной схеме блока коммутации, рисунок фиг. 6, показаны для числа временных интервалов на периоде Т равном n=12. Согласно табл. 1, в первый интервал времени к полюсу 10₁ подключается источник ЭДС E₁=E, к полюсу 10₂ подключается полюс 0. Для других интервалов от 2 до 12 коммутации определяются аналогично. Для получения напряжений Е₂ и Е₃ используется последовательно соединение одинаковых по величине напряжения источников с напряжением (модулей) Е. Это показано на рисунке фиг. 7.

Напряжение Е4 снимается с источника ЭДС с величиной напряжения Е при его инверсном включении, т.е. Е₄=-Е. Напряжения Е₅ и Е₆ получаются в результате последовательного соединения инверсно включенных источников с напряжением Е. В результате Е₄=-Е, E₅=-2E, Е₆=-3Е. Это показано на рисунке фиг. 7.

Подключение источников питания с напряжениями E₁…Е₆ к выходным полюсам блока коммутации 10₁…10₂ осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. Сигналы, управляющие на момент времени TI=Т/n открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8₁…8_n. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8_j, j=1…n, следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8_j+1, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8_n включается импульс 8₁. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.

Напряжения, снимаемые с полюсов 10₁ и 10₂, поступают на вход трансформатора. Выходными полюсами трансформатора являются 12₁ и 12₂. Коэффициент трансформации трансформатора определяется требуемым значением напряжения нагрузки.

VI. Литература

1. Патент №2016127384, МПК Н05В 1/00, 2017. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС