LOPEZ LAPEÑA, Oscar (c/Jordi Girona, 29Edificio Nexus II, Planta Baja Barcelona, E-08034, ES)
PENELLA, María Teresa (c/Jordi Girona, 29Edificio Nexus II, Planta Baja Barcelona, E-08034, ES)
GASULLA FORNER, Manel (c/Jordi Girona, 29Edificio Nexus II, Planta Baja Barcelona, E-08034, ES)
LOPEZ LAPEÑA, Oscar (c/Jordi Girona, 29Edificio Nexus II, Planta Baja Barcelona, E-08034, ES)
PENELLA, María Teresa (c/Jordi Girona, 29Edificio Nexus II, Planta Baja Barcelona, E-08034, ES)
| Reivindicaciones 1 . Método para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores de energía que comprende al menos un transductor, un condensador situado a la salida del transductor, un convertidor conmutado, una carga, y un sistema de control para el seguimiento del punto de máxima potencia del transductor y caracterizado porque: • Cuando la tensión del condensador excede un cierto umbral ( H), el convertidor conmutado situado entre el transductor y la carga que se pretende alimentar, se activa y transfiere la carga eléctrica del condensador a la carga de salida, hasta que la tensión del condensador baja por debajo de otro umbral (VTL), momento en el cual el convertidor se desactiva. • El método minimiza la diferencia de potencia ΔΡ y en concreto el factor 7"2) midiendo los tiempos 7Ί y T2 de carga del condensador C¡n durante dos intervalos de tensión diferentes [Vmi-Vh, Vm1+Vh] y [Vm2-Vh, Vm2+Vh] y siempre dentro del intervalo de inactividad del convertidor. Los valores Vmi y Vm2 se corresponden con dos valores diferentes y próximos de la tensión de salida del transductor, y el valor de Vh es un valor arbitrario y pequeño respecto a Vmi y Vm2. Los valores e intervalos de tensión se fijan a partir de una circuitería de control adecuada que tiene como parámetro de entrada vs y mediante un algoritmo actualiza los nuevos valores de Vm2 y Vmi en función del signo y magnitud de L 2. Método según reivindicación 1 caracterizado porque los dos intervalos de tensión y de tiempo son consecutivos en un mismo período de carga del condensador (rCarga), que se corresponde con el periodo de inactividad del convertidor conmutado, y porque el valor de la tensión de control (Vmc) se actualiza utilizando un control integral. Circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de control comprende: • Un temporizador para medir los tiempos Ti y T2 que serán utilizados después por el algoritmo de control. • Un conversor digital analógico que fija una referencia de tensión que se compara con la caída de tensión del condensador de entrada. • Un microcontrolador que cambia dicha referencia de tensión dinámicamente con el fin de determinar los intervalos de tiempo Ti y T2. • Un puerto digital de salida que habilita o deshabilita el convertidor conmutado. Circuito para la búsqueda y seguimiento del punto de máxima potencia de transductores según reivindicación 2 caracterizado porque el sistema de control comprende: • Tres comparadores CMP-ι, CMP2, y CMP3, y un comparador de histéresis CMP , donde el comparador CMP4 activa el convertidor conmutado durante un tiempo determinado Tóese, donde los comparadores CMP-ι y CMP3, junto con CMP4, habilitan SW2 y seleccionan el terminal 1 de otro interruptor SWi durante los intervalos ΤΊ y T2, y donde el comparador CMP2 conmuta un interruptor SW2. • Dos interruptores SW1 y SW2 que conectan las tensiones Vmc o -Vmc, y \ a un sumador. Un integrador que suma y integra las señales de salida de los interruptores dando lugar a la señal Un circuito Sample&Hold que muestrea la señal viNT al final de TCarga, proporcionando un nuevo valor de Vmc. |
Sector de la técnica Captación de energía, Transductores de energía, Termogeneradores, Células solares, industria fotovoltaica y energía solar
Estado de la técnica
Los transductores de energía, por ejemplo, los térmicos (termogeneradores o termopilas) o los paneles solares, presentan un máximo en la curva potencíatensión. En particular, la Fig. 1 muestra dos curvas genéricas de corriente- tensión y potencia-tensión para un panel solar, donde se aprecia el punto de máxima potencia (MPP, en inglés). El MPP varía con la irradiancia y la temperatura. Las técnicas y circuitos de MPPT son usados para obtener la máxima potencia. La Fig. 2 ilustra el concepto. Un convertidor conmutado (por ejemplo, un convertidor continua-continua) adapta la tensión de salida del transductor (por ejemplo, un panel solar) a una carga (por ejemplo, una batería). Un algoritmo de control (MPPT), que en general requiere la medida de la tensión (v s ) y la corriente (/ s ) que está suministrando el transductor, sitúa a éste en su punto de máxima potencia. Las técnicas de MPPT han sido ampliamente utilizadas para paneles solares, sobre todo de gran potencia, existiendo diferentes métodos (T. Esram, P.L. Chapman, IEEE Trans Energy Conversión, vol. 22, no. 2, pp. 439-449 (2007)), aunque también para transductores mecánicos (G.K. Ottman, H.F. Hofmann, A.C. Bhatt, G.A. Lesieutre, IEEE Trans Power Electr, vol. 17, no. 5 (2002)), termogeneradores (R.Y. Kim, J.S. Lai, IEEE Trans Power Electr, vol. 23, no. 5, pp- 2310-2318 (2008)) y en antenas (T. Paing, J. Shin, R. Zane, Z. Popovic, IEEE Trans Power Electr, vol. 23, no. 3 (2008)). Según el método de control utilizado, estas técnicas pueden clasificarse en indirectas y directas (V. Salas, E. Olías, A. Barrado, A. Lázaro, Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, pp 1555-1578 (2006)). Los métodos indirectos se basan en el uso de bases de datos o funciones matemáticas obtenidas a partir de datos empíricos a fin de estimar el MPP. Uno de los más populares y sencillos es el método FOCV (Fractional Open Circuit Voltage, en inglés) que está basado en el hecho de que el MPP es aproximadamente proporcional a la tensión en circuito abierto del panel (V oc ). Sin embargo, dicho método requiere desconectar el panel de la carga para medir V oc periódicamente, con la consiguiente pérdida de energía, y fijar una constante óptima de proporcionalidad para obtener un valor lo más cercano posible al MPP. El valor de dicha constante cambia según el tipo de panel y la irradiación. Los métodos directos, por el contrario, siguen el verdadero MPP sin tener un conocimiento previo de las características del panel. La desventaja es que suelen requerir la medida de dos parámetros, tensión y corriente, a fin de estimar la potencia del panel. Uno de los métodos más populares de este tipo es el P&O (Perturb and Observe), en el que se mide la potencia antes y después de provocar una perturbación de tensión en el panel. Dependiendo del resultado de la diferencia de potencias, el valor de tensión del panel se incrementará o decrementará a fin de situarse en el MPP.
Descripción de la invención A diferencia de los métodos directos propuestos con anterioridad, el método de la invención que se expone se basa en un principio distinto que no requiere de la medida de la corriente. Puede ser aplicado a todos aquellos transductores de energía que presenten un máximo en su curva potencia-tensión, como por ejemplo a paneles o células solares, transductores térmicos y mecánicos, y antenas.
La energía captada por el transductor se transfiere a un condensador (C in ) conectado en paralelo (Fig. 3). Cuando la tensión en bornes del condensador (v s ) excede un cierto umbral (VTH), un convertidor conmutado, situado entre el transductor y la carga que se pretende alimentar, se activa y transfiere la carga eléctrica del condensador a la carga de salida, hasta que la tensión del condensador baja por debajo de otro umbral (V JL ), momento en el cual el convertidor se desactiva y el proceso se vuelve a repetir. De esta forma, los transistores del convertidor solo conmutan durante un periodo corto de tiempo correspondiente a la descarga del condensador. Por tanto, el coste energético que supone el control del convertidor es muy pequeño.
Durante los tiempos de inactividad del convertidor toda la energía del transductor se acumula en el condensador y, por tanto, la potencia de salida del transductor es igual a la potencia de entrada del condensador. La potencia media en el condensador durante un intervalo de tiempo T dentro del periodo de inactividad del convertidor es igual a ir
P(V m ) = ^V m V h , donde T viene definido como el intervalo de tiempo que tarda la tensión en C¡ n en aumentar desde V m -\ h a V m +\ h.
Si se obtiene la potencia media para dos intervalos de tensión |V m i-Vh, V m1 +Vh] y [V m 2-\ h, Vrr^+Vh] y se calcula su diferencia, se obtiene
ΔΡ = P{V m2 )- P{V ml ) = (V^T, - V ml 7- 2 ) ,
' 2 ' 1 donde 7Ί y T 2 son los intervalos de tiempo respectivos a V m i y V m2 (Fig. 4). En la Fig. 4, Ca rga, que se corresponde con el periodo de inactividad del convertidor conmutado, es el intervalo de tiempo que tarda la tensión de C¡ n en aumentar desde Vm-ViL hasta Vm+VrH, y 7 " DeS c, que se corresponde con el periodo de actividad del convertidor conmutado, es el intervalo de tiempo que tarda la tensión de C¡ n en disminuir desde Vm+ ™ hasta V m -Vj L .
El método propuesto sitúa al transductor en su MPP minimizando ΔΡ y en concreto el factor L≡( V m2 T- \ -V m < \ T 2 ). Para ello, se miden los tiempos 7Ί y T 2 de carga de C¡ n durante dos intervalos de tensión diferentes [Vm-i- ,, y [ Vm2- ¼i , m2 + \/h] y siempre dentro del intervalo de inactividad del convertidor. Los intervalos de tensión se fijan a partir de una circuitería de control adecuada que tiene como parámetro de entrada v s . Un algoritmo actualiza los nuevos valores de V m i y V m2 en función del signo y magnitud de L. El método no precisa de la medida de corriente, presentando, pues, una alternativa a los métodos directos de MPPT propuestos hasta la fecha.
Una particularización del método considera los dos intervalos de tensión y de tiempo consecutivos, tal y como se muestra en la Fig. 5. En este caso: mi me h
y = y +
" m2 v me h
Dando lugar a las siguientes expresiones
ΔΡ =— ¡ (V mc (Γ, - T 2 ) + V h (Γ, + T 2 ))
l 2 l \
L≡V mc {T - T 2 ) + V h {T l + T 2 )
Nuevamente, se miden los tiempos 7Ί y 7 2 y un algoritmo actualiza el nuevo valor de V mc en función de L. El valor de V mc también se puede actualizar utilizando un control integral dado por la expresión:
V mc {¡) ¡dt -V mc (i) ¡dt + V h ¡dt
INT /=1 7 " .( τ,( Τ,(/)+Γ 2 (/) donde V mc (n) se muestrea al final de cada ciclo, q NT es una constante de integración, y n es el número de ciclo. El valor de V mc se incrementará para \Z mc < V MPP , y se decrementará para V mc > V MPP . Breve descripción de los dibujos
Fig. 1 Curvas características corriente-tensión y potencia-tensión de un panel solar.
Fig. 2 Diagrama de bloques de un circuito acondicionador de energía con MPPT convencional.
Fig. 3 Diagrama de bloques de un circuito acondicionador de energía para el MPPT propuesto.
Fig. 4. Evolución de v¾ y definición de los intervalos 7Ί y T 2 .
Fig. 5. Detalle de v¾ cuando los intervalos de \ mi y V m 2 Son consecutivos en un mismo ciclo de carga del condensador.
Fig.6. Implementación del método propuesto mediante un microcontrolador. Fig. 7. Implementación del método propuesto mediante dispositivos analógicos.
Exposición detallada de dos formas de realización de la invención.
Se describen dos maneras de realización particularizadas para células solares, aunque esto no excluye otras alternativas de realización ni otros transductores de energía. Una primera manera de realización implica la medida de los tiempos Ti y T 2 con un contador o temporizador para aplicar después el algoritmo de control. Este temporizador puede o no formar parte de otro dispositivo, como por ejemplo un microcontrolador. Con los tiempos medidos y los valores seleccionados de V m i y V m2 se obtiene el valor de L, a partir del cual, un algoritmo de control actualiza los nuevos valores para V m i y V m2 . Como ejemplo, si V m - \ < V m2 , un valor positivo o negativo de L implicaría respectivamente incrementar o decrementar los valores V m i y V m2 . La Fig. 6 muestra una particularización de la manera de realización propuesta, sin que esto excluya otro tipo de implementación basado en el mismo principio, y que presenta relación con las gráficas mostradas en la Fig. 4. Mediante un conversor digital analógico, externo o integrado en el propio microcontrolador, se fija una referencia de tensión que se compara con v s mediante CMP1. El microcontrolador cambia esta referencia dinámicamente con el fin de determinar los intervalos de tiempo 7Ί y T 2 . La descarga es controlada a partir de un puerto digital de salida que habilita o deshabilita el convertidor conmutado.
Una segunda forma de implementación se basa en el control integral descrito con anterioridad. La Fig. 7 presenta una implementación particular y que presenta relación con las gráficas mostradas en la Fig. 5. El comparador de histéresis CMP 4 activa el convertidor durante T De sc- CMP^ y CMP 3 junto con CMP , habilitan SW 2 y seleccionan el terminal 1 de SWi durante 7Ί y T 2 . El comparador CMP 2 conmuta SW 2 en el instante que v s cruza V mc . Las señales de salida de SWi y SW 2 se suman y se integran y la salida resultante, VINT, se muestrea al final de TOarga, proporcionando un nuevo valor de V mc .
Next Patent: METHOD AND MOULD FOR PRODUCING FOOTWEAR AND FOOTWEAR THUS OBTAINED