Солнечные фотогальванические батареи находятся среди наиболее эффективных, недорогих и масштабируемых «зеленых» альтернатив ископаемому топливу, и практически ежедневно исследователи анонсируют новые достижения фотогальванической технологии. Но успешное применение солнечных батарей все еще зависит от приложения усилий в части эффективности преобразования энергии. На рис. 1 приведена одна из причин такого внимания. Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции – то есть от интенсивности солнечного света – и температуры самой батареи. Работа на кривой зависимости ток/напряжение где либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности приводит к снижению эффективности работы и потере доступной энергии. Следовательно, контроль точки максимальной мощности является необходимой функцией в передовых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практическую эффективность часто на 30 % и более.
Благодаря своей простоте, самым распространенным алгоритмом определения точки максимальной мощности является внесение возмущений и наблюдение реакции, для чего периодически вносят изменения или модулируют напряжение нагрузки; вычисляют, или наблюдают моментальное изменение получаемой мощности; и используют фазовую зависимость между модуляцией нагрузки и вычисляемой мощностью в качестве обратной связи для нахождения максимума отдаваемой мощности на кривой ток/напряжение. Данный алгоритм является основой схемы определения и контроля точки максимальной мощности (рис. 2, желтый фон) но с добавлением (на голубом), которое выполняет функцию обратной связи аналогичную вычислению мощности на основе данных напряжения, тока и времени но без использования сложных обычных умножителей. Данная идея опирается на хорошо известную логарифмическую зависимость транзисторного перехода, VBE=(kT/q)log(IC/IS)=(kT/q)[log(IC)–log(IS)], где VBE - это напряжение база-эмиттер. Кроме того, принимается во внимание тот факт, что сложение логарифмов чисел математически эквивалентно их умножению. Как это реализовано.
Конденсатор C2 обеспечивает 100 Гц модуляцию с амплитудой приблизительно 1 В (амплитудное значение), или возмущающие 1 В импульсы от S2/S3 КМ/ОП генератора на входе напряжения фотогальванического источника, V. В соответствии с кривой ток/напряжение солнечной батареи, входной ток, I, в свою очередь модулируется напряжением V с соответствующим возникновением модуляции входной мощности (ток умноженный на напряжение за заданное время). IC1A усиливает IQ1 до величины I×x1, где I - ток солнечной батареи а x1 - коэффициент усиления. IC1B усиливает IQ2 до величины равной V/499 kΩ, где V - напряжение солнечной батареи. Таким образом, VQ1=(kT1/q)1[log(I)–log(IS1)+log(x1)], и VQ2=(kT2/q)[log(V) –log(IS2)–log(499 kΩ)]. VQ1 - напряжение база-эмиттер Q1; k -константа Больцмана; T1 - температура Q1; q - элементарный заряд электрона; I - величина входного тока от солнечной батареи на отрицательном терминале; IS1 - ток насыщения Q1; x1 - произвольная величина усиления, которую определяет IC3; V напряжение на положительном терминале входа солнечной батареи; IS2 ток насыщения Q2; K температура в градусах Кельвина; VPF - сигнал обратной связи по мощности; и VIP - вычисленный сигнал входной мощности. Так как k, q, IS1, IS2, x1, и 499кОм являются константами, а T1=T2=T, то для задач алгоритма внесения возмущений и наблюдения реакции, в котором важно только изменения тока и напряжения при возмущении, можно принять VQ1=(kT/q)log(I), и VQ2=(kT/q)log(V). Последовательное соединение Q1 и Q2 дает нам VPF=VQ1+VQ2=(kT/q)[log(I)+log(V)]=(kT/q)log(VI), и, так как IC1B имеет величину усиления три без инверсии, VIP=3(kT/q)log(V I)≈765 µV/% при изменении мощности в Ваттах. Сигнал VIP соответствующий логарифму мощности подведен через C1 к синхронному демодулятору S1, а интегратор сигнала ошибки и управляющий операционный усилитель IC1C интегрирует выпрямленный S1 формируя выходной сигнал на C3. Интегрированный сигнал ошибки IC1C замыкает цепь обратной связи на стабилизаторе IC3 и приводит к получению желаемой функции отслеживания точки максимальной мощности. Использование микромощных компонентов и соответствующего подхода к проектированию, удерживает общее потребление энергии схемой отслеживания точки максимальной мощности на уровне приблизительно 1мВт, что исключает существенное влияние схемы на величину повышения эффективности работы – основной цели создания данной схемы. В то же время, упрощение интерфейса между схемой отслеживания точки максимальной мощности и регулятором до всего трех линий подключения - I, V, и F – означает, что вы можете легко приспособить универсальную схему отслеживания точки максимальной мощности к большинству импульсных стабилизаторов и контроллеров. Следовательно, эта идея конструкции обеспечивает улучшение эффективности, благодаря схеме отслеживания точки максимальной мощности, в небольших системах с питанием от солнечных батарей, в которых более сложные, дорогие и менее экономичные решения себя не оправдывают.
