Спосіб та пристрій для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля

Реферат: Винахід належить до галузі енергетики, а саме до галузі перетворення електричної енергії, що передбачає генерування постійного струму фотоелектричним перетворювачем з наступним перетворенням його у змінний або постійний струм. Більш конкретно, винахід призначено для використання у складі фотоелектричних станцій та установок, що під’єднані до локальних мереж змінного струму, або використання отриманої електроенергії для накопичення енергії у відомих з рівня техніки накопичувачах. За заявленим способом відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля, за яким енергію сонячного випромінювання перетворюють у електричний сигнал, попередньо накопичують енергію електричного сигналу за допомогою конденсатора ємністю не меншою 0,15 Фарад, зарядженого до напруги максимальної потужності фотоелектричного модуля, визначеної з вольт-амперних характеристик, нормують напругу електричного сигналу за допомогою DC/DC конвертера та акумулюють. При цьому UA 107542 C2 (12) UA 107542 C2 відібрану енергію перетворюють у змінний струм за допомогою DC/AC інвертора та безперервно подають у локальну мережу змінного струму, при цьому потужність DC/DC конвертера та DC/AC інвертора встановлюють на одному з щонайменше трьох рівнів, які є не меншими за потужність фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції. UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід відноситься до галузі енергетики, а саме до галузі перетворення електричної енергії, що передбачає генерування постійного струму фотоелектричним перетворювачем з наступним перетворенням його у змінний або постійний струм. Більш конкретно, винахід призначено для використання у складі фотоелектричних станцій та установок, що під'єднані до локальних мереж змінного струму, або використання отриманої електроенергії для накопичення енергії у відомих з рівня техніки накопичувачах. Стримуючим фактором для розвитку установок, що здійснюють пряме перетворення енергії випромінювання Сонця у електричну енергію, є як висока стартова вартість обладнання, так і притаманний для них порівняно низький коефіцієнт використання встановленої потужності (КВВП). Причини, що лежать в основі низького КВВП фотоелектричних установок (ФЕУ), закладено у природі фотоелектричного перетворювача (ФЕП), а саме: - ФЕП існує лише паралельно з прямо включеним p-n- або гетеропереходом, і, як наслідок, - одинична комірка ФЕП має низьку напругу (як правило 0,7 В), - ФЕП генерує лише постійний струм, - величина генерованого струму прямо-пропорційна рівню освітленості (інсоляції) поверхні ФЕП. Для подолання низької напруги на сьогодні створюються множини ФЕП, розташовані, як правило, в одній площині, механічно з'єднані і підключені електрично в послідовнопаралельному порядку для досягнення необхідної електричної напруги на кінцевих контактах. Такі пристрої випускаються серійно і відомі під назвами фотоелектричних модулів (ФЕМ), фотоелектричних панелей (PV panels). Типовими для ФЕМ є електрична напруга до 50 В, постійний струм до 9 А та потужність до 340 Вт. Як відмічалось вище, ФЕП (і ФЕМ) можуть генерувати лише постійний струм (ПС). Існуючі локальні промислові мережі розподілу енергії працюють на змінному струмі (ЛМЗС). В залежності від стандартів країни або регіону напруга ЛМЗС складає 110-230 В при частоті 50 або 60 Гц. З рівня техніки відома велика кількість технічних прийомів для перетворення ПС у змінний, однак в основі всіх них лежить принцип почергового включення (ВКЛЮЧЕНО - ON) та виключення (ВИКЛЮЧЕНО - OFF) постійного струму, що протікає через зовнішнє навантаження. У випадку ФЕП зовнішнє навантаження підключено паралельно з p-n- переходом у прямому напрямку. Саме цей p-n-перехід поглинає енергію ФЕП у момент ВИКЛЮЧЕНО - OFF для зовнішнього навантаження і є однією з найбільш вагомих причин втрат при перетворенні ПС/ЗС. Пристрої, за допомогою яких здійснюють перетворення ПС/ЗС, відомі під назвою DC/AC інверторів. Прямо пропорційна залежність величини струму ФЕП від рівня інсоляції в умовах наземного базування є причиною постійної зміни вихідної потужності ФЕМ. Це пов'язане як з зміною кута падіння сонячного випромінювання на поверхню ФЕП впродовж доби (прогнозовані зміни), так і зміною прозорості атмосфери (хмарність - слабо прогнозовані зміни). Будь-які відхилення вихідної потужності від потужності навантаження у випадку ФЕП призводить до миттєвих та безповоротних втрат енергії. З метою запобігання цим втратам розроблено та описано більше 25 способів слідкування за точкою максимальної потужності (ТМП) ФЕП (Maximum Power Point Traking-MPPT), які застосовуються у DC/AC інверторах. Загальним для перерахованих способів МРРТ є: - вимірювання реальних параметрів ФЕМ у конкретний момент часу; - систематичне проведення циклу розрахунків потужності ФЕМ; - систематичне введення коректив у потужність DC/AC інвертора. Основними втратами енергії, що вже згенерована ФЕП, є: - втрати за рахунок статистичного розкиду параметрів окремих ФЕП; - втрати за час відключення від навантаження для систематичного вимірювання параметрів ФЕМ; - втрати за рахунок розбалансу між потужністю ФЕМ та DC/AC інвертора, що виникають за час між двома послідовними корегуваннями; - втрати у період ВИКЛЮЧЕНО - OFF DC/AC інвертора. Для подолання зазначених втрат відомо ряд технічних рішень. При аналізі відомих рішень та проведенні винахідником розрахунків, моделювання та експериментів, до уваги бралися наступні фактори: - засіб, запропонований для зменшення зазначених втрат, сам може спричинити додаткові витрати енергії, наприклад для власного живлення; - економічні затрати на реалізацію засобу (вартість пристрою та експлуатаційні витрати) можуть переважати вигоди від отриманої економії енергії. 1 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Авторам відомо багато аналогічних рішень способів відбору електричної енергії від ФЕМ та пристроїв для їх реалізації (надалі спосіб та пристрій відповідно), серед яких за сукупністю суттєвих ознак найближчими є наступні. Відомо пристрій [1] для подолання втрат від статистичного розкиду параметрів ФЕП та при різниці в умовах інсоляції на великих площах, який передбачає створення обхідних каналів для кожного з ФЕМ, що з'єднані у послідовно-паралельні стрінги. При цьому стрінг функціонує у режимі, визначеному найслабкішою ланкою, а додаткова енергія, яка отримується від кожного ФЕМ, що працює в режимі індивідуальної ТМП, через обхідний канал також надходить на вхід інвертора. Відоме рішення зменшує втрати за рахунок статистичного розкиду параметрів ФЕП, при цьому значно ускладнює управління фотоелектричною установкою (ФЕУ), і ніяким чином не впливає на інші причини втрат енергії, яка генерується ФЕМ. Також відомий пристрій [2] для подолання втрат від статистичного розкиду ФЕП, який передбачає індивідуальне підключення ФЕМ до інвертора відповідної потужності і паралельне функціонування виходів кожного з мікроінверторів при під'єднанні до електромережі. Функціонування мікроінвертора передбачає контроль струму і напруги на виході ФЕМ (МРРТ), DC/DC перетворення з метою вирівнювання напруги ФЕМ з амплітудним значенням напруги локальної електричної мережі, DC/AC перетворення енергії, синхронізація кожного мікроінвертора з електромережею. Описане рішення дає виграш енергії у 5…15 % і зберігає працездатність ФЕУ при виході з ладу або втраті потужності будь-яким ФЕМ. До недоліків слід віднести відсутність компенсації втрат енергії, пов'язаних з застосуванням способу МРРТ, підвищену складність системи через необхідність синхронізації великої кількості незалежних джерел змінного струму з електромережею, заміну DC/AC інвертора на DC/DC конвертор, який також працює в режимі ВКЛЮЧЕНО-ВИКЛЮЧЕНО, ускладнює систему, але не зменшує втрати енергії ФЕМ. Також відомо спосіб та пристрій [3], за яким встановлено паралельно до виходу ФЕМ конденсатор для зменшення втрат, пов'язаних з режимом роботи ВКЛЮЧЕНО-ВИКЛЮЧЕНО, характерним для DC/AC та DC/DC перетворювачів. Згідно з зазначеним рішенням, передбачено проведення імпульсного заряду конденсатора від ФЕМ напругою 22 В, струмом до 800 мА та потужністю до 20 Вт. У випадку, якщо напруга конденсатора перевищує наперед визначене значення, здійснюють відведення частини енергії конденсатора за допомогою керованого імпульсного розряду і направляють її на землю. Запропоноване рішення має ряд недоліків та обмежень, а саме відбір енергії ФЕМ відбувається в імпульсному режимі як і у випадку прямого підключення DC/AC та DC/DC перетворювачів. Також частина енергії, накопиченої у конденсаторі, відводиться на землю, що спричиняє додаткові втрати. Зазначений пристрій працює при струмі до 800 мА, що є природним обмеженням для електролітичних конденсаторів. Також відомий пристрій [4], який передбачає підключення конденсатора ємністю 1 Ф паралельно ФЕМ з метою накопичення енергії у світловий час і живлення цифрового годинника або калькулятора при відсутності світла. Очевидним недоліком запропонованого рішення є те, що напруга при такому включенні контролюється виключно рівнем заряду конденсатора і не може бути узгоджена з точкою максимуму потужності (ТМП) ФЕМ. Окрім того такий пристрій є практично не придатним для передачі енергії в мережу змінного струму. Також відомо спосіб та пристрій, описані у [5, 6]. У описаному пристрої застосовано гнучкий текстильний конденсатор з повною енергією від 35 до 112 Дж. При робочій напрузі 5 В така енергія відповідає ємності від 2,8 до 9 Ф. Конденсатор підключають паралельно до виходу ФЕМ і при досягненні зазначеної напруги розряджають на зарядний пристрій для мобільного телефону, який працює за принципом DC/DC перетворювача. При низьких рівнях інсоляції (25 %) система дозволяє отримати ефективність, що у 3-7 разів переважає пряме підключення ФЕП до зарядного пристрою. При інсоляції на рівні 80 % приріст отриманої енергії складає 36 %. Результат досягається за рахунок властивостей конденсатора і полягає у однаково ефективному накопиченні енергію з допомогою струмів, що відрізняються на 2-3 порядки за величиною. Спосіб та пристрій відповідно до [5, 6] дозволяють відбирати енергію ФЕМ з одночасним зменшенням втрат, зумовлених режимом роботи ВКЛЮЧЕНО-ВИКЛЮЧЕНО DC/AC та DC/DC перетворювачів. Разом з тим описані рішення мають достатньо звужену галузь застосування, обмежену малопотужними електронними пристроями та не передбачають можливості експлуатації у режимі передачі енергії до електричних мереж. За прототип прийнято пристрій та спосіб, описані у [7, 8], за якими запропоновано використання конденсатора для відбору енергії, зарядженого до напруги ТМП ФЕМ. Пристрій включає у себе ФЕМ, конденсатор, два порогових давачі напруги, налаштовані на верхнє та нижнє порогові значення, DC/DC перетворювач з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), засіб 2 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зворотного зв'язку по напрузі. При цьому верхнє порогове значення напруги спрацювання давача встановлено рівним напрузі ТМП ФЕМ при максимальному рівні (100 %) інсоляції. Нижнє порогове значення напруги встановлене на 3-5 % меншим від верхнього порогового значення. Ємність конденсатора вибрана у межах 0,02-100 Ф. Внутрішній опір конденсатора вибрано на порядок нижчим від внутрішнього опору ФЕМ в умовах максимальної інсоляції. Потужність DC/DC перетворювача встановлена рівною або дещо більшою від потужності ФЕМ у ТМП при максимальній інсоляції і не змінюється в залежності від потужності ФЕМ у конкретний момент часу. Спосіб відбору електричної енергії за допомогою описаного пристрою передбачає заряд конденсатора до значення напруги Uв, при досягненні якого спрацьовує верхній давач, включення DC/DC перетворювача верхнім давачем при його спрацюванні, нормування енергії, попередньо накопиченої в конденсаторі, та енергії, що постійно надходила від ФЕМ, за допомогою DC/DC перетворювача, по напрузі і потужності, пониження напруги на конденсаторі до значення Uн, при якому спрацьовує нижній давач, при відборі енергії, виключення DC/DC перетворювача при спрацюванні нижнього давача, закінчуючи формування імпульсу енергії, використання імпульсу енергії, нормованого по напрузі та потужності, для заряду електрохімічного акумулятора (АК), повторення циклу відбору енергії від паралельно з'єднаних ФЕМ - конденсатора. Використання способу та пристрою за прототипом завдяки електричній ємності та низькому внутрішньому опору конденсатора забезпечує безперервний відбір енергії від ФЕМ у ТМП при будь-яких режимах роботи DC/DC перетворювача, сприймання потоку електричної енергії у широкому діапазоні потужностей ФЕМ, нормування імпульсу енергії по потужності та напрузі не залежно від миттєвого значення потужності ФЕМ, підвищення ККД при використанні енергії ФЕМ - конденсатор, зменшення втрат енергії ФЕМ на 25-52 % при довготривалих (добових) експозиціях, простоту виконання та функціонування. Недоліком способу та прототипу є періодичний характер передачі енергії на навантаження, необхідність точного налаштування давачів напруги відповідно до вольт-амперних характеристик ФЕМ при різних рівнях інсоляції, що призводить до втрат електричної енергії при відборі електричної енергії від ФЕМ. При цьому отримана енергія придатна тільки для використання у пристроях з періодичним споживанням енергії або в більш потужному накопичувачі та не передбачено перетворення енергії з постійною передачею її в електромережу змінного струму. В основу винаходу поставлена задача забезпечення зменшення втрат електричної енергії при здійсненні відбору електричної енергії від ФЕМ та її перетворення шляхом підвищення ККД системи ФЕМ - пристрій в процесі відбору електричної енергії від ФЕМ при широкому діапазоні зміни рівнів інсоляції та перетворення отриманої за таких умов енергії у енергію, придатну для передачі в електромережу змінного струму, або для живлення накопичувача енергії, які використовують один з багатьох відомих способів накопичення енергії. Поставлена задача вирішується таким чином, що у способі відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля, за яким, виходячи з вольт-амперних характеристик фотоелектричного модуля, підключеного паралельно входу DC/DC конвертора або DC/AC інвертора, з підключеним паралельно конденсатором, засобом для вимірювання напруги, під'єднаним до модуля управління інвертором, визначають напругу Uв в точці максимальної потужності фотоелектричного модуля при максимальній інсоляції, мінімальну напругу Uo, яка складає не менше 5 % напруги холостого ходу фотоелектричного модуля для DC/DC конвертора або не менше 25 % напруги холостого ходу для DC/АС інвертора, напругу U1 в точці максимальної потужності фотоелектричного модуля при щонайменше одному проміжному рівні інсоляції відносно мінімальної та максимальної інсоляції, на DC/DC конверторі або DC/AC інверторі встановлюють рівні потужності Ро, Рв та Р1, які за своєю величиною не менше максимальної потужності фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції між мінімальною та максимальною інсоляціями відповідно, з виникненням та ростом інсоляції енергія з фотоелектричного модуля безперервно подається на конденсатор та накопичується ним, відповідно до винаходу, одночасно вимірюється напруга конденсатора, а після досягнення рівня напруги Uo, з засобу для вимірювання напруги надсилається сигнал включення управляючого модуля, після досягнення рівня напруги U1 з управляючого модуля подається сигнал включення DC/DC конвертера або DC/AC інвертора на рівні потужності Р1, після досягнення рівня напруги Uв з управляючого модуля подається сигнал включення DC/DC конвертера або DC/AC інвертора на рівні потужності Рв, зі зменшенням інсоляції DC/DC конвертер або DC/AC інвертора використовує енергію накопичену в конденсаторі, після зниження напруги на конденсаторі до U1 з управляючого модуля подається сигнал на включення DC/DC конвертера або DC/AC 3 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 інвертора на рівні потужності Р1, з подальшим зменшенням напруги до Uo з управляючого модуля подається сигнал на включення DC/DC конвертора або DC/AC інвертора на рівні потужності Ро, при зниженні напруги на конденсаторі нижче Uo DC/DC конвертор або DC/AC інвертор відключається. Додатково відібрану енергію можуть перетворювати у змінний струм за допомогою DC/AC інвертора та безперервно подавати у локальну мережу змінного струму, при цьому потужність DC/AC інвертора встановлюють на одному з щонайменше трьох рівнів, які є не меншими за потужність фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції. Додатково відібрану енергію можуть перетворювати за допомогою DC/DC конвертора та подавати на накопичувач енергії, при цьому потужність DC/DC конвертера встановлюють на одному з щонайменше трьох рівнів, які є не меншими за потужність фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції. Також в основу винаходу поставлена задача створення пристрою відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля (ФЕМ), який би забезпечував зменшення втрат електричної енергії при її відборі з ФЕМ шляхом підвищення ККД пристрою при широкому діапазоні зміни рівнів інсоляції та перетворення електроенергії ФЕМ у енергію, придатну для передачі в електромережу, або для живлення накопичувана енергії. Поставлена задача вирішується таким чином, що у пристрої для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля, що включає DC/AC інвертор з потужністю не менше номінальної потужності фотоелектричного модуля та з можливістю підключення його виходу до електромережі або DC/DC конвертер з потужністю не менше номінальної потужності фотоелектричного модуля та з можливістю підключення його до входу накопичувача енергії, конденсатор підключений паралельно входу інвертора або конвертера, засіб для вимірювання напруги конденсатора, управляючий модуль з'єднаний з DC/AC інвертором або DC/DC конвертером та засобом для вимірювання напруги конденсатора, відповідно до винаходу, DC/AC інвертор або DC/DC конвертер виконано з можливістю зміни потужності щонайменше на три рівні, засіб для вимірювання напруги виконано з можливістю подачі на управляючий модуль інформації стосовно щонайменше трьох заданих фіксованих значень напруги конденсатора, управляючий модуль виконано з можливістю переключення рівнів потужності DC/AC інвертора або DC/DC конвертера в залежності від рівня напруги на конденсаторі, внутрішній опір конденсатора щонайменше в два рази менше, ніж внутрішній опір фотоелектричного модуля в точці максимальної потужності, а ємність конденсатора визначається як 2 2 С(k*Рв)/(Uв -U1 ), де С - ємність конденсатора в Фарадах, Рв - максимальна потужність фотоелектричного модуля при максимальній інсоляції, Вт; Uв - напруга фотоелектричного модуля в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції, В; U1 проміжна фіксована напруга в точці максимальної потужності при інсоляції меншій ніж максимальна, найближча до напруги Uв, В, k - коефіцієнт з абсолютним значенням 0,3….0,5, с. При цьому як DC/AC інвертора може бути використано комбінований модуль, що складається з не менше ніж одного DC/DC конвертора на вході та DC/AC інвертора на виході. При цьому як засіб для вимірювання напруги може бути використано щонайменше три порогові пристрої, кожен з яких формує сигнал про наявність на конденсаторі певної напруги. При цьому переважним варіантом здійснення управляючого модуля є мікропроцесор. При цьому управляючий модуль переважно побудовано з елементів жорсткої логіки. Між сукупністю суттєвих ознак винаходу та технічним результатом, який досягається при його використанні, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Для перевірки можливості досягнення технічного результату було проведено моделювання та експериментальна перевірка, які дозволили визначити оптимальні параметри конденсатора, зокрема його внутрішній опір та величину ємності. Результати досліджень наведено в таблицях 1-4. 4 UA 107542 C2 Таблиця 1 Залежність ККД системи ФЕП - пристрій від внутрішнього опору конденсатора Rsc при умові рівності внутрішнього опору джерела енергії Rs та навантаження RL η Rs 0,500 1 0,500 0,502 0,524 0,545 0,600 0,667 0,750 0,857 0,917 0,955 0,981 0,990 0,9990 0,9901 0,9091 0,8333 0,6667 0,5000 0,3333 0,1667 0,0909 0,0476 0,0196 0,0099 Інтегральна оцінка роботи системи Rsc Конденсатора немає 1000 100 10 5 2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,01 незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно задовільно добре добре добре добре добре Таблиця 2 Залежність ККД системи ФЕП - пристрій від рівня інсоляції при умові рівності внутрішнього опору джерела енергії Rs та навантаження RL та Rsc=1 Ом для ФЕП з монокристалічного кремнію ККД (η) 0,667 0,655 0,643 0,630 0,615 0,600 0,583 0,565 0,545 0,524 0,512 0,505 Rpv 1 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 2,50 3,33 5,00 10,00 20,00 50,00 Інсоляція 100,0 % 90,0 % 80,0 % 70,0 % 60,0 % 50,0 % 40,0 % 30,0 % 20,0 % 10,0 % 5,0 % 2,0 % Інтегральна оцінка роботи системи незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно незадовільно 5 UA 107542 C2 Таблиця 3 Залежність ККД системи ФЕП - пристрій від рівня інсоляції при умові рівності внутрішнього опору джерела енергії Rs та навантаження RL та Rsc=0,5 Ом для ФЕП з монокристалічного кремнію ККД (η) 1 0,750 0,744 0,737 0,730 0,722 0,714 0,706 0,697 0,688 0,677 0,672 0,669 Rpv 2 1 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 2,50 3,33 5,00 10,00 20,00 50,00 Інсоляція 3 100,0 % 90,0 % 80,0 % 70,0 % 60,0 % 50,0 % 40,0 % 30,0 % 20,0 % 10,0 % 5,0 % 2,0 % Інтегральна оцінка роботи пристрою 4 задовільно задовільно задовільно задовільно задовільно задовільно задовільно задовільно задовільно незадовільно незадовільно незадовільно Таблиця 4 Залежність ККД системи ФЕП - пристрій від рівня інсоляції при умові рівності внутрішнього опору джерела енергії Rs та навантаження RL та Rsc=0,33 Ом для ФЕП з монокристалічного кремнію ККД (η) 0,801 0,797 0,793 0,789 0,784 0,779 0,774 0,769 0,764 0,758 0,755 0,753 5 10 15 20 Rpv 1 1,11 1,25 1,43 1,67 2,00 2,50 3,33 5,00 10,00 20,00 50,00 Інсоляція 100,0 % 90,0 % 80,0 % 70,0 % 60,0 % 50,0 % 40,0 % 30,0 % 20,0 % 10,0 % 5,0 % 2,0 % Інтегральна оцінка роботи пристрою добре добре добре добре добре добре добре добре добре задовільно задовільно задовільно Таким чином виявилось, що технічний результат від здійснення способу та пристрою, що заявляються, який проявляється в суттєвому збільшенні ККД системи порівняно з аналогом та іншими відомими з рівня техніки способами та пристроями виникає вже при величині внутрішнього опору конденсатора щонайменше в два рази меншому від внутрішнього опору ФЕП. Для визначення оптимального значення ємності конденсатора було змодельовано критичні режими роботи пристрою, а саме для роботи при максимальній потужності інвертора Рmах та мінімальній потужності ФЕМ Plow. Максимальна потужність інвертора Рmах є характерною для роботи пристрою при високому рівні інсоляції. Переключення потужності інвертора на його вході повинно забезпечувати виконання умов якісної енергії (Power Quality, PQ) на виході інвертора. Як свідчить практика, час безперервної роботи інвертора на певній потужності має складати в залежності від типу та умов використання мережі від десятих часток до одиниць секунд. Для забезпечення цього конденсатор повинен мати здатність накопичити відповідний запас енергії, необхідним для зміни потужності. Його величину можна оцінити за формулою: Е= Pmax *t, де t - час перехідного процесу при зміні потужності. При роботі пристрою в умовах мінімальної потужності (інсоляції) можливі переривання передачі енергії від ФЕМ до інвертора. У цьому випадку енергія накопичена в конденсаторі 6 UA 107542 C2 5 повинна забезпечити умови енергетичного моста (Bridging Power BP) на виході інвертора. Кількість енергії може бути оцінена за формулою Е= Plow *t, де t - час перерви у надходженнях енергії від ФЕМ. Для визначеності було проведено оцінку для стандартних ФЕМ потужністю 280 Вт (ФЕМ 1), 2-180 Вт (ФЕМ 2), та 20 Вт (ФЕМ 3, Аналог [3]). Результати оцінок приведено в таблиці 5. Таблиця 5 ФЕМ 1 ФЕМ 1 ФЕМ 1 ФЕМ 1 1 ФЕМ 2 ФЕМ 2 ФЕМ 2 ФЕМ 3 ФЕМ 3 ФЕМ 3 10 15 20 25 Режим 2 Рmах Pmid Plow 2 Рmах Pmid Plow Рmах Pmid Plow Потужність Р, Вт 3 280 140 56 3 180 90 36 22 11 4 Вимоги 4 PQ PQ BP 4 PQ PQ BP PQ PQ BP P*t, Дж 5 140 70 112 5 90 45 72 11 6 8 При відборі зазначеної кількості енергії від СК його напруга повинна відхилятись від ТМП ФЕМ на величину, що не перевищує наперед визначеного відхилення, визначеного за допомогою засобу для вимірювання напруги. Дослідження показали, що оптимально таке відхилення знаходиться в межах Δ = 3…5 %. При цьому енергія конденсатора зміниться на величину 2 2 Esc=((Uв -U1 )*C)/2, де С - ємність конденсатора, Uв - напруга ФЕМ в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції; U1 - проміжна фіксована напруга, найближча до напруги Uв. Таким чином, величина ємності конденсатора може бути визначена за формулою 2 2 С(k*Рв)/(Uв -U1 ), де Рв - потужність інвертора, що відповідає напрузі ФЕМ в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції, k - емпіричний коефіцієнт, що має розмірність часу. Абсолютне значення k можна оцінити в залежності від параметрів конденсатора 2 2 k=2*τ*(1-U1 /Uв ), де τ - постійна часу, що залежить від технології виготовлення конденсатора та від внутрішнього опору конденсатора Rsc, алгоритм визначення величини якого приведено вище. Для визначення оптимального значення коефіцієнта k авторами було проведено значну кількість розрахунків з подальшим моделюванням та експериментальною перевіркою пристрою для 1,45 с  τ  4,5 с. Оцінки абсолютного значення k, проведені для ФЕМ, потужністю 280 Вт (ФЕМ 1), 2-180 Вт (ФЕМ 2), та 20 Вт (ФЕМ 3, Аналог [3]). Результати моделювання та експериментів наведені у таблиці 6. 7 UA 107542 C2 Таблиця 6 k 0,141 0,283 0,428 0,707 0,114 0,227 0,344 0,568 0,086 0,171 0,260 0,428 0,266 0,532 0,806 1,330 5 10 15 20 25 30 35 Rpv Rsc τ Uв ΔU Δ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,5 0,33 0,2 1 0,5 0,33 0,2 1 0,5 0,33 0,2 1 0,5 0,33 0,2 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 1,45 4,5 4,5 4,5 4,5 22 22 22 22 33 33 33 33 53 53 53 53 53 53 53 53 1,1 1,1 1,1 1,1 1,32 1,32 1,32 1,32 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 1,59 5,0 % 5,0 % 5,0 % 5,0 % 4,0 % 4,0 % 4,0 % 4,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % 3,0 % Інтегральна оцінка роботи способу та пристрою для його здійснення не задовільно задовільно добре добре не задовільно задовільно добре добре не задовільно задовільно добре добре не задовільно задовільно добре добре В ході перевірки виявилось, що абсолютне значення k, яке забезпечує виникнення технічного результату та визначає величину ємності конденсатора, знаходиться в інтервалі 0,26….0,53. Заявлений винахід ілюструється наступним прикладом виконання способу відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля та пристрою для його здійснення, а також відповідними кресленнями, на яких зображено наступне: - Фіг. 1. Вольт-амперні характеристики ФЕМ при різних рівнях інсоляції, - Фіг. 2. Блок-схема пристрою для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля згідно з винаходом, - Фіг. 3. Блок-схема пристрою для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля при використанні n порогових пристроїв згідно з винаходом, - Фіг. 4. Блок-схема пристрою для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля згідно з винаходом для живлення накопичувача енергії, - Фіг. 5. Вибір різних рівнів напруги для визначення рівнів потужності інвертора (1-й тип ФЕМ - полікристалічний кремній), - Фіг. 6. Вибір різних рівнів напруги для визначення рівнів потужності інвертора (2-й тип ФЕМ - монокристалічний кремній), - Фіг. 7. Блок-схема алгоритму роботи пристрою при n точках управління (n=4), - Фіг. 8. Блок-схема алгоритму роботи пристрою при трьох точках управління. Зображувальні матеріали, що ілюструють заявлений винахід, а також наведений приклад конкретного виконання способу та установки для його здійснення ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть винаходу. Пристрій для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля включає фотоелектричний модуль (ФЕМ) 1, конденсатор 2, DC/AC інвертор 3 (фіг. 2, 3), засіб 4 для вимірювання напруги конденсатора та управляючий модуль 5. Як DC/AC інвертора 3 може бути використано комбінований модуль, що складається з не менше ніж одного DC/DC конвертера на вході та DC/AC інвертора на виході. Як засіб 4 для вимірювання напруги може бути використано щонайменше три порогові пристрої, кожен з яких формує сигнал про наявність на конденсаторі певної напруги (фіг. 3, на якому зображено n порогових пристроїв ППn). Управляючий модуль 5 може бути виконаний як мікропроцесор або побудовано з елементів жорсткої логіки. Максимальна потужність DC/AC інвертора 3 є не меншою номінальної потужності ФЕМ 1. DC/AC інвертор 3 виконано з можливістью зміни потужності від максимальної в сторону зменшення щонайменше на три рівні. Вихід DC/AC інвертора 3 підключений до локальної мережі змінного струму 6 (фіг. 2, 3). Конденсатор 2 підключений паралельно входу DC/AC інвертора 3. Управляючий модуль 5 з'єднаний з DC/AC інвертором 3 та засобом 4 для вимірювання напруги конденсатора. Засіб 4 для вимірювання напруги виконано з можливістю 8 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 подачі на управляючий модуль 5 інформації стосовно щонайменше трьох заданих фіксованих значень напруги конденсатора 2. Управляючий модуль 5 виконано з можливістю переключення рівнів потужності DC/AC інвертора 3 в залежності від рівня напруги на конденсаторі 2. Внутрішній опір конденсатора 2 щонайменше в два рази менше, ніж внутрішній опір ФЕМ 1 в 2 2 точці максимальної потужності. Ємність конденсатора 2 визначається як С(k*Pв)/(Uв -U1 ), де С - ємність конденсатора в Фарадах, Рв - максимальна потужності фотоелектричного модуля при максимальній інсоляції, Вт; Uв - напруга фотоелектричного модуля в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції, В; U1 - проміжна фіксована напруга в точці максимальної потужності при інсоляції меншій, ніж максимальна, найближча до напруги Uв, В, k - коефіцієнт з абсолютним значенням 0,3…0,5, [сек]. Спосіб відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля за допомогою описаного вище пристрою здійснюють наступним чином. Спочатку виходячи з вольт-амперних характеристик ФЕМ 1 визначають напругу Uв ФЕМ 1 в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції, напругу Uo ФЕМ 1, яка складає не менше 25 % напруги холостого ходу ФЕМ 1 для DC/AC інвертора 3 (при підключенні до DC/DC конвертера 3 - не менше 15 % напруги холостого ходу ФЕМ 1), напругу U1 ФЕМ 1 в точці максимальної потужності при щонайменше одному проміжному рівні інсоляції відносно мінімальної та максимальної інсоляції. На DC/AC інверторі 3 встановлюють рівні потужності, які за своєю величиною не менше максимальної потужності ФЕМ 1 при мінімальній інсоляції Ро, максимальній інсоляції Рв та потужності ФЕМ 1 при щонайменше одній проміжній інсоляції між найбільшою та найменшою інсоляціями Р1. З виникненням та ростом інсоляції струм з ФЕМ 1 безперервно подається на конденсатор 2. При цьому одночасно вимірюють напругу конденсатора 2. Після досягнення рівня напруги Uo з засобу 4 для вимірювання напруги надсилається сигнал включення управляючого модуля 5. Після досягнення рівня напруги U1 з управляючого модуля 5 подається сигнал включення DC/AC інвертора 3 на рівні потужності Р1. Після досягнення рівня напруги Uв з управляючого модуля 5 подається сигнал включення DC/AC інвертора 3 на рівні потужності Рв. Лінії сигналів, що відповідають напругам Uo, U1,…, Uв, показані на фіг. 2, поз. 7. Зі зменшенням інсоляції DC/AC інвертор 3 використовує енергію накопичену в конденсаторі 2. Після зниження напруги на конденсаторі 2 до U1 з управляючого модуля 5 подається сигнал на включення DC/АС інвертора на рівні Р1. При подальшому зменшенні напруги до Uo з управляючого модуля 5 подається сигнал на включення DC/AC інвертора 3 на рівні Ро, при зниженні напруги на конденсаторі 2 нижче Uo DC/AC інвертор 3 відключається. Якщо для реалізації способу як засіб для вимірювання напруги може бути використано щонайменше три порогові пристрої 4, то кожен з них формує для управляючого пристрою 5 сигнал про наявність на конденсаторі 2 певної напруги. Наведений приклад конкретного виконання пристрою та реалізації способу за допомогою такого пристрою наведено для пристрою з DC/AC інвертором 3. При цьому для реалізації способу може бути використаний пристрій, у якому передбачено використання DC/DC конвертора 3 (фіг. 4) для забезпечення живлення імпульсного навантаження 6 (фіг. 4) або накопичувача енергії 8. Відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу Для перевірки можливості використання зазначеного способу відбору електричної енергії було використано: - двоканальний стенд, що дозволяв проводити реєстрацію кількості отриманої енергії по двох незалежних каналах у режимі он-лайн; - 2 стандартні ФЕМ SPV-190M-24 (Sinski PV Co., Ltd) номінальною потужністю 190 Вт та напругою Uxx=43,4 В, розташовані стаціонарно, поряд та у одній площині; - Суперконденсатор (далі - СК) електричною ємністю 5,2 Ф та напругою 42 В; - Електронну схему, що здійснювала відбір енергії в режимі постійного навантаження. Як визначення пристрою відповідно до винаходу запропоновано використання абревіатури з перших літер назви англійською мовою: Electrical Energy Take-Off System-EETOS. Приклад 1. Експериментальна перевірка ідентичності роботи каналів щодо реєстрації кількості енергії проводилась в умовах різних рівнів інсоляції. Рівень середньої інсоляції оцінювався шляхом нормування середньої потужності, отриманої для каналу 1 за час конкретної експозиції до номінальної потужності фотовольтаічної панелі (ФВ панелі). Час експозицій вибирався довільно, але був не меншим ніж 60 сек. Результати перевірки приведено у Таблиці 7. Для перевірки ефективності запропонованого способу в канал 2 було включено пристрій EETOS, що тестувався по методиці, аналогічній для каналу 1. Результати тестування також приведено у таблиці 7. Для всіх рівнів інсоляції спостерігалась більш ефективна робота 9 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 каналу 2 з включеним пристроєм EETOS, що складає предмет винаходу. При цьому ефективність роботи пристрою наростала з зменшенням рівня інсоляції від 103,2 % при рівні інсоляції 91,2 % до 3309 % при рівні інсоляції 0,1 % від рівня номінальної потужності ФВ панелі. Приклад 2. Експериментальна перевірка ефективності запропонованого способу проводилась також шляхом цілодобового спостереження за роботою обох каналів. Оцінка середнього рівня інсоляції впродовж дня проводилась шляхом нормування величини енергії, отриманої з каналу 1, до максимальної величини енергії, отриманої за добу з каналу 1 за весь період спостережень при абсолютно безхмарному небі. Канал 2 експлуатувався як з включеним пристроєм EETOS (24 та 25.09), так і без нього. Отримані результати приведено в таблиці 8. Запропонований спосіб дозволив досягнути збільшення кількості енергії, отриманої за добу на 27,8 % та 22,9 % при середній інсоляції 80,1 % та 88,5 % відповідно. Приклад 3. Для експериментальної перевірки можливості створення запропонованого пристрою використано ФЕМ, що виготовлено на основі монокристалічного кремнію. Номінальна потужність ФЕМ 190 Вт, напругою холостого ходу Uxx=43,4 В. Розрахована напруга ТМП ФЕМ Uв=0,8* Uxx=34,7 В, струм короткого замикання - 6,5 А, внутрішній опір - 6,3 Ома. Для ФЕМ на основі монокристалічного кремнію характерною є залежність ТМП від рівня інсоляції, що близька до залежності 2-го типу (Фіг. 6). У цьому випадку спосіб відбору енергії реалізується з допомогою трьох рівнів напруги для порогових пристроїв 4 та трьох рівнів потужності інвертора 3. СК 2 складається з 7 модулів BSC 6-30 виготовлених на основі структурно-досконалих форм вуглецю та водних електролітів. Електрична ємність BSC 6-30 складає 30 Ф, внутрішній опір не перевищує 0,15 Ома, а оптимальний струм - 10 А. У такому випадку електрична ємність СК 24,5 Ф при напрузі 42 В. Внутрішній опір СК 2 дорівнює 1,05 Ома, що у 6 разів нижче внутрішнього опору ФЕМ у ТМП. Як DC/AC інвертор 3 використано мікроінвертор MICRO-0.25-I-OUTD-208/240 виробництва Power-One Inc. (Aurora Micro), призначений для роботи з індивідуальним ФЕМ. Номінальна потужність мікроінвертора на вході складає до 265 Вт, діапазон робочих напруг від 12 до 60 В, максимальний струм - 12,5 А. Мікроінвертор має функцію МРРТ для вхідної напруги в діапазоні від 25 до 50 В, що дозволяє плавно змінювати його потужність від 0,2 до 250 Вт. Мінімальна робоча напруга мікроінвертора, що дозволяє DC/AC перетворення, складає 12 В, або 27,6 % від напруги холостого ходу ФЕМ Uxx=43,4 В, або 20 % від максимальної напруги холостого ходу ФЕМ на його вході мікроінвертора, що допускається специфікацією. На виході мікроінвертор забезпечує змінний струм номінальною потужністю до 250 Вт, напругою 230 В та частотою 50 Гц. При потужностях на виході від 100 до 20 % ККД мікроінвертора складає 94…96 % і різко знижуєтьсяпри потужностях менше 20 % ( 50 Вт) номінального значення. Вимірювання вхідної та вихідної напруги, частоти, струму, потужності та енергії на виході мікроінвертора проводиться штатними засобами мікроінвертора і візуалізовано з допомогою пристрою для збору даних Aurora CDD. Як локальну мережу 6 використано мережу змінного струму напругою 220 В та частотою 50 Гц. Для реалізації пристрою виготовлено три порогових пристрої 4 на основі малопотужних біполярних транзисторів КТ 315Д та логічних мікросхем серії К364, виготовлених за МОП технологією. У відповідності з алгоритмом роботи при трьох рівнях управління порогові пристрої було налаштовано на наступні напруги: Uв=34,7 В, U1=32,0 В, Uн=29,5 В. При досягненні порогового значення відповідний ПП змінює сигнал на виході, на приклад з "1" на "0" або з "0" на "1". Управляючий пристрій 5 виготовлено на основі польових транзисторів MOSFET (IRF3710PBF, STW12NK80Z), що характеризуються низьким спадом напруги у відкритому стані. Управляючий пристрій отримує та опрацьовує сигнали від ПП у стандартній цифровій формі та формує відповідний управляючий сигнал для управління MOSFET'oм також у формі цифрового сигналу (5 В). В залежності від стану MOSFET'y мікроінвертор 3 встановлює відповідне значення потужності, а саме Ро = 50 Вт, Рв = 200 Вт, Р1=100 Вт. Приклад 4. Для експериментальної перевірки створено пристрій у відповідності з Прикладом 3, у якому управляючий пристрій 5 встановлює відповідні значення потужності, а саме Ро = 20 Вт, Рв = 190 Вт, Р1=95 Вт. Приклад 5. Для експериментальної перевірки створено Пристрій у відповідності з Прикладом 3, у якому СК 2 складається з 16 ESHSR-0050C0-002R7 (Nesscap) виготовлених на основі активованих вуглецевих порошків та апротоних електролітів. Електрична ємність Nesscap складає 50 Ф, робоча напруга - до 2,7 В, внутрішній опір не перевищує 0,025 Ом, а оптимальний струм - 10,8 А. У такому випадку електрична ємністю СК 2-2,95 Ф при напрузі 43,2 В. Внутрішній опір СК 2-0,4 Ома, що у 15 разів нижче внутрішнього опору ФЕМ у ТМП. 10 UA 107542 C2 Таблиця 7 Порівняльна таблиця середньої потужності, отриманої від ФВ панелі з номінальною потужністю 190 Вт, при застосуванні системи EETOS Канал 1 та канал 2 навантажено однаково при однакових умовах інсоляції (без Потужність застосування EETOS) ФВ панелі Канал 1 Канал 2 каналу 1, у % Різність до Р Середня Середня потужностей номінального потужність Р1, потужність Р2, Р2/Р1, % Вт Вт 1 0,0 % 0,1 % 0,1 % 1 0,4 % 0,7 % 0,7 % 1,0 % 0,9 % 1,4 % 2,2 % 2,8 % 2,8 % 3,8 % 5,1 % 5,3 % 7,8 % 8,3 % 8,9 % 11,7 % 12,1 % 17,3 % 19,2 % 23,0 % 23,0 % 25,1 % 29,7 % 30,9 % 32,8 % 33,6 % 37,2 % 37,4 % 39,2 % 45,7 % 46,7 % 50,0 % 55,8 % 59,9 % 1 91,2 % 100,0 % 2 * 0,16 * 2 0,8 1,24 1,33 1,83 1,65 2,72 * 5,23 5,41 * 9,77 * * * 16,87 * 22,91 32,96 * 43,61 43,62 * 56,40 58,70 62,27 * 70,75 71,09 74,50 86,74 88,80 * 106,01 113,79 2 * 190,00 3 * 0,23 * 3 1,13 1,61 1,76 2,22 2,16 3,14 * 6,2 6,49 * 11,38 * * * 18,71 * 25,11 35,07 * 45,34 44,45 * 57,37 59,63 63,20 * 71,44 71,98 75,43 87,42 90,13 * 106,98 116,53 3 * номінал 4 * 143,8 % * 4 141,3 % 129,8 % 132,3 % 121,3 % 130,9 % 115,4 % * 118,5 % 120,0 % * 116,5 % * * * 110,9 % * 109,6 % 106,4 % * 104,0 % 101,9 % * 101,7 % 101,6 % 101,5 % * 101,0 % 101,3 % 101,2 % 100,8 % 101,5 % * 100,9 % 102,4 % 4 * - вимірювання не було здійснене 11 Канал 1 та канал 2 навантажено однаково при однакових умовах інсоляції (канал 2 включено через EETOS) Канал 1 Канал 2 Середня потужність Р1, Вт 5 0,02 * 0,21 5 * * * * * * 4,23 * * 7,13 * 10,11 14,86 15,69 * 22,38 * * 36,50 * * 47,71 * * * 63,88 * * * * * 95,04 * * 5 173,31 Середня потужність Р2, Вт 6 2,49 * 6,95 6 * * * * * * 21,19 * * 26,68 * 35,30 40,91 44,11 * 48,84 * 63,57 * 71,14 * * * 83,75 * * * * 104,28 * * 6 178,93 Різність потужностей Р2/Р1, % 7 12450,0 % * 3309,5 % 7 * * * * 500,9 % * * 374,2 % * 349,2 % 275,3 % 281,1 % * 218,2 % * * 174,2 % * * 149,1 % * * * 131,1 % * * * * * 109,7 % * * 7 103,2 % UA 107542 C2 Таблиця 8 Порівняльна таблиця кількості енергії, отриманої від ФВ панелі з номінальною потужністю 190 Вт, при застосуванні системи EETOS Дата (день та місяць) 1 14,9 16,09 19,09 20,09 21,09 Канал 1 та канал 2 навантажено однаково при однакових умовах інсоляції Рівень Канал 1 Канал 2 Різність інсоляції, % енергій Середня Середня Е2/Е1, % енергія, Е1, Дж енергія, Е2, Дж 2 3 4 5 52,8 % 1299161 1326644 102,1 % 24,0 % 591958 614582 103,8 % 73,7 % 1815613 1861046 102,5 % 73,7 % 1815601 1859295 102,4 % 79,8 % 1965744 2074504 105,5 % 24,09 80,1 % 1973170 2521434 127,8 % 1 2 3 4 5 25,09 88,5 % 2180443 2679508 122,9 % 100,0 % 2462440 Номінальна потужність 5 10 15 Примітка 6 Без EETOS Без EETOS Без EETOS Без EETOS Без EETOS Канал 2 підключений через EETOS 6 Канал 2 через підключений EETOS В процесі проведення експериментів було встановлено, що при зниженні напруги холостого ходу ФЕМ нижче 25 % від номінальної робота DC/AC інвертора стає нестабільною, та, відповідно, наявність технічного результату встановити неможливо. Відповідно, при здійсненні способу та пристрою з використанням DC/DC конвертера при зниженні напруги холостого ходу ФЕМ нижче 15 % від номінальної встановити наявність технічного результату також не вдалося через нестабільність роботи конвертера. Також було здійснено експериментальну перевірку досягнення підвищення ККД системи ФЕМ - пристрій у процесі відбору електричної енергії від ФЕМ при широкому діапазоні зміни рівнів шляхом порівняння відбору електроенергії з використанням пристрою з функцією МРРТ та відбору електроенергії з використанням пристрою EETOS. Для експерименту було використано ФВ панелі потужністю 190 Вт та мікроінвертор MICRO0.30-I-OUTD-208/240 виробництва Power-One Inc. (Aurora Micro), використані при реалізації наведених вище прикладів №№ 1-5. Для перевірки ефективності запропонованого способу в канал 1 було включено мікроінвертор з функцією МРРТ, в канал 2 було включено пристрій EETOS. Для обох каналів 1 та 2 були забезпечені однакові рівні інсоляції та тестування за аналогічними методиками. Результати перевірки приведено у Таблиці 9. 20 12 UA 107542 C2 Таблиця 9 Порівняльна таблиця кількості енергії, отриманої від ФВ панелі з номінальною потужністю 190 Вт, при застосуванні пристрою EETOS (канал 1) та при застосуванні пристрою з МРРТ (канал 2) Експозиція початок 9_32 9_41 10_00 10_20 10_40 11_00 11_20 11_40 12_00 12_21 12_40 13_00 13_20 13_40 14_00 14_20 14_40 15_00 15_20 15_40 16_00 16_20 16_40 17_00 17_20 17_40 В цілому 5 10 15 20 час, сек 540 1140 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1260 1140 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 1200 29280 Канал 2 з підключеним мікроінвертором Аurora30 (МРРТ) Потужність на Енергія Е1, Потужність на Енергія виході, Вт Дж виході, Вт Е2,Дж 39,92 21557 0,13 70 73,23 83482 63,60 72504 37,89 45468 2,91 3492 88,16 105792 83,01 99612 86,94 104328 76,86 92232 95,00 114000 94,56 113472 87,45 104940 71,40 85680 65,88 79056 63,09 75708 100,61 126769 83,20 104832 139,36 158870 134,97 153866 130,88 157056 128,52 154224 84,60 101520 75,15 90180 114,73 137676 102,27 122724 94,82 113784 83,22 99864 51,55 61860 10,53 12636 114,54 137448 94,23 113076 43,94 52728 33,51 40212 12,24 14688 7,59 9108 14,68 17616 9,90 11880 21,83 26196 16,62 19944 11,91 14292 7,74 9288 14,12 16944 9,57 11484 10,29 12348 0,24 288 5,52 6624 3,15 3780 1,19 1428 0,27 324 1816470 1500480 Канал 1 з підключеним пристроєм EETOS Відношення Е1/Е2, % 30707,7 % 115,1 % 1302,1 % 106,2 % 113,1 % 100,5 % 122,5 % 104,4 % 120,9 % 103,3 % 101,8 % 112,6 % 112,2 % 113,9 % 489,6 % 121,6 % 131,1 % 161,3 % 148,3 % 131,3 % 153,9 % 147,5 % 4287,5 % 175,2 % 440,7 % 121,1 % Проведені дослідження показали, що для всіх рівнів інсоляції спостерігалась більш ефективна робота каналу 2 з включеним пристроєм EETOS, що складає предмет винаходу. При цьому приріст енергії отриманої від ФВ панелі склав 21,1 %, що свідчить про зменшення втрат електричної енергії при її відборі з ФЕМ, та, відповідно, досягнення технічного результату при використанні способу та пристрою відповідно до винаходу. Моделювання та дослідження також показали, що ефективність роботи пристрою залежить від кількості рівнів потужності інвертора та відповідно визначених для вимірювання напруг ФЕМ при проміжних рівнях інсоляції. Збільшення кількості таких точок регулювання призводить до зменшення різниці між рівнями потужності, встановленими для інвертора або конвертера, та відповідно позитивно впливає на підвищення ККД системи в цілому, однак негативно впливає на вартість пристрою. Проведені експерименти для ФЕМ потужністю до 190 Ватт та напругою холостого ходу 40 вольт показали, що технічний результат проявляється вже при наявності щонайменше трьох рівнів потужності, при цьому різниця між напругами сусідніх точок регулювання встановлювалась від 1 вольта до 2,5 вольт. Зменшення різниці в напругах до величини менше 1 вольт призводить до збільшення ємності конденсатора, ускладнює пристрій в цілому та, відповідно, стає економічно невигідним. Моделювання та експерименти при застосуванні способу та пристрою для ФЕМ з напругами холостого ходу більшими від 43,4 вольт та більшої потужності показали, що варто збільшити кількість рівнів потужності інвертора або конвертера для регулювання. Порівняльні дослідження 13 UA 107542 C2 5 10 15 показали, що для досягнення технічного результату оптимальна величина різниці напруг між напругами сусідніх точок регулювання має бути встановлена в межах від 3 % до 5 % напруги холостого ходу ФЕМ. Джерела інформації: 1. Патент US 7709727-Circuit arrangement for a photovoltaic system. - опубл. 04.05.2010. 2. Патент US 7456523, - Power generation system, and administration apparatus and administration method of power generation system. - опубл. 25.11.2008. 3. Патент US 8400134, - Apparatus and methodology for maximum power point tracking for a solar panel. - опубл. 19.03.2013. 4. Патент GB 2211679 A, - Solar powered current supply circuit. - опубл. 05.07.1989. 5. Патент US 7808213, - Flexible power apparatus. - опубл. 05.10.2010. 6. Патент ЕР 2075895, - Flexible power supply apparatus. - опубл. 05.01.2011. 7. Патент UA 51651, - Пристрій і спосіб відбору енергії від фотоелектричного перетворювача. - опубл. 16.12.2002. 8. Патент RU 2195754, - Устройство и способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, - опубл.27.12.2002. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб відбору електроенергії від фотоелектричного модуля, за яким, виходячи з вольтамперних характеристик фотоелектричного модуля, підключеного паралельно входу DC/DC конвертора або DC/AC інвертора, з підключеним паралельно конденсатором, засобом для вимірювання напруги, під'єднаним до модуля управління інвертором, визначають напругу Uв в точці максимальної потужності фотоелектричного модуля при максимальній інсоляції, мінімальну напругу Uo, яка складає не менше 5 % напруги холостого ходу фотоелектричного модуля для DC/DC конвертора або не менше 25 % напруги холостого ходу для DC/AC інвертора, напругу U1 в точці максимальної потужності фотоелектричного модуля при щонайменше одному проміжному рівні інсоляції відносно мінімальної та максимальної інсоляції, на DC/DC конверторі або DC/AC інверторі встановлюють рівні потужності Ро, Рв та Р1, які за своєю величиною не менше максимальної потужності фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції між мінімальною та максимальною інсоляціями відповідно, з виникненням та ростом інсоляції енергія з фотоелектричного модуля безперервно подається на конденсатор та накопичується ним, який відрізняється тим, що одночасно вимірюють напругу конденсатора, а після досягнення рівня напруги Uo, з засобу для вимірювання напруги надсилають сигнал включення управляючого модуля, після досягнення рівня напруги U1 з управляючого модуля подають сигнал включення DC/DC конвертера або DC/AC інвертора на рівні потужності Р1, після досягнення рівня напруги Uв з управляючого модуля подають сигнал включення DC/DC конвертера або DC/AC інвертора на рівні потужності Рв, зі зменшенням інсоляції DC/DC конвертер або DC/AC інвертор використовує енергію, накопичену в конденсаторі, після зниження напруги на конденсаторі до U1 з управляючого модуля подають сигнал на включення DC/DC конвертера або DC/AC інвертора на рівні потужності Р1, з подальшим зменшенням напруги до Uo з управляючого модуля подають сигнал на включення DC/DC конвертора або DC/AC інвертора на рівні потужності Ро, при зниженні напруги на конденсаторі нижче Uo DC/DC конвертор або DC/AC інвертор відключають. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відібрану енергію перетворюють у змінний струм за допомогою DC/AC інвертора та безперервно подають у локальну мережу змінного струму, при цьому потужність DC/AC інвертора встановлюють на одному з щонайменше трьох рівнів, які є не меншими за потужність фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що відібрану енергію перетворюють за допомогою DC/DC конвертора та подають на накопичувач енергії, при цьому потужність DC/DC конвертера встановлюють на одному з щонайменше трьох рівнів, які є не меншими за потужність фотоелектричного модуля при мінімальній інсоляції, максимальній інсоляції та щонайменше одній проміжній інсоляції. 4. Пристрій для відбору електричної енергії від фотоелектричного модуля, що містить DC/AC інвертор з потужністю не менше номінальної потужності фотоелектричного модуля та з можливістю підключення його виходу до електромережі або DC/DC конвертер з потужністю не менше номінальної потужності фотоелектричного модуля та з можливістю підключення його до входу накопичувача енергії, конденсатор, підключений паралельно входу інвертора або 14 UA 107542 C2 5 10 15 20 25 конвертера, засіб для вимірювання напруги конденсатора, управляючий модуль, з'єднаний з DC/AC інвертором або DC/DC конвертером та засобом для вимірювання напруги конденсатора, який відрізняється тим, що DC/AC інвертор або DC/DC конвертер виконано з можливістю зміни потужності щонайменше на три рівні, засіб для вимірювання напруги виконано з можливістю подачі на управляючий модуль інформації стосовно щонайменше трьох заданих фіксованих значень напруги конденсатора, управляючий модуль виконано з можливістю переключення рівнів потужності DC/AC інвертора або DC/DC конвертера в залежності від рівня напруги на конденсаторі, внутрішній опір конденсатора щонайменше в два рази менше, ніж внутрішній опір фотоелектричного модуля в точці максимальної потужності, а ємність конденсатора визначається як 2 2 C(k*Pв)/(Uв -U1 ), де С - ємність конденсатора в Фарадах, Рв - максимальна потужність фотоелектричного модуля при максимальній інсоляції, Вт; Uв - напруга фотоелектричного модуля в точці максимальної потужності при максимальній інсоляції, В; U1 - проміжна фіксована напруга в точці максимальної потужності при інсоляції меншій ніж максимальна, найближча до напруги Uв, В, k - коефіцієнт з абсолютним значенням 0,3…0,5, с. 5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що як DC/AC інвертора використано комбінований модуль, що складається з щонайменше одного DC/DC конвертера на вході та DC/AC інвертора на виході. 6. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що як засіб для вимірювання напруги використано щонайменше три порогових пристрої, кожен з яких формує сигнал про наявність на конденсаторі певної напруги. 7. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що управляючий модуль являє собою мікропроцесор. 8. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що управляючий модуль виконано на основі елементів жорсткої логіки. 15 UA 107542 C2 16 UA 107542 C2 17 UA 107542 C2 18 UA 107542 C2 19 UA 107542 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 20