Jste zde

Solární panely s jedním nebo více články – jak na to? (3. část: Když je 0,5 V málo)

TI, 7. Duben 2011 - 0:00

Překlad původního materiálu Texas Instruments s názvem Design Considerations for Low-Power Single- and Multi-cell Solar Charging Systems, rozdělený na tři díly, se zabývá klíčovými faktory a také problémy, které provází implementaci systémů s multičlánkovými vs. jednočlánkovými solárními panely, určenými pro nízkopříkonové systémy sběru energie a také aplikace, provozované nezávisle na elektrické síti. Pod textem je podepsána trojice autorů John Carpenter ml., Nagarajan Sridhar a Brian Lum-Shue-Chan.

Elektronika

Společným znakem všech multičlánkových PV řešení je skutečnost, že výstupní napětí bude dostatečně vysoké pro přímé napájení elektroniky. V jednočlánkových PV systémech si výstupní napětí žádá zvýšení na použitelnou úroveň. Upotřebit můžeme kterýkoli typ konstrukce solárního panelu, máme zde však určité kompromisy, závisející na konkrétním řešení systému a rozhraní PV panelu se zátěží, akumulačním prvkem a blokem řízení napájení.

Přímo neboli rovnou

Označením Direct zde rozumíme přímé propojení PV panelu s akumulačním prvkem nebo dokonce i zátěží. Jedná se o nejlevnější řešení, protože zde nepotřebujeme žádnou další elektroniku. Musíme však počítat s proudy, unikajícími do panelu, poklesnou – li jeho možnosti pod úroveň akumulačního prvku, což limituje účelnost řešení, plus s eventuálním přebíjením baterie, máme – li k dispozici víc než dost světla, což zase zkracuje životnost baterie. Pokud není k dispozici žádný akumulační prvek a také žádný zdroj světla, není se o čem bavit – systém nevyužijeme.

Lineárně

Lineární postup znamená levné a také jednoduché elektronické řešení, jak se vypořádat s nedostatky přímé metody. Zvolíme – li vhodný stabilizátor, předejdeme problémům se zpětnými toky proudu. Nicméně, i tak se můžeme částečně potýkat s problémy zpětného toku proudu, budeme – li PV systém provozovat ve tmě. Zvolíme – li lineární stabilizátor, stejně tak jako určité řešení nabíjení, dosáhne již akumulační prvek nebo také baterie plné životnosti. Systémové náklady se v souvislosti s předpokládanou životností následně podaří udržet na nižší úrovni, takže určitě stojí za to, vyčlenit na podpůrnou elektroniku o něco málo více prostředků.

Snižujeme (Buck)

Snižující (Step Down nebo také Buck) regulátory v porovnání s předchozími případy možná stojí o něco málo více, máme zde však hned několik výhod. Pokud uvážíme nadměrné vstupní napětí, dokáže snižující měnič konvertovat takový výkon nárůstem výstupního proudu. Bude – li např. PV článek dodávat 5 V @ 100 mA a akumulační prvek je na 4 V, dodává pak snižující regulátor do akumulačního prvku 125 mA. Vzhledem k dříve zmíněným podmínkám se tak jedná o přírůstek 25 %. V systémech, ve kterých můžeme realizovat výkonovou konverzi prostřednictvím aktivní součástky typu indukčnosti, využívané v souvislosti s většinou snižujících struktur, pak může systém navíc získávat z PV článku maximální výkon změnou pracovního bodu PV (viz obr. 8).

Obr. 8: Bod maximálního výkonu

Společným nedostatkem každého jednotlivého krystalu, resp. obdobných vícečlánkových PV struktur, je docela zásadní změna s teplotou, jak jsme již ostatně viděli na obr. 6. To pak může způsobit pokles napětí pod využitelnou úroveň. Z tohoto důvodu bude většina systémů obsahovat větší počet článků, než kolik je za normálních okolností nezbytné, což ovšem zvyšuje cenu a snižuje dosažitelný vstupní proud. Teprve se snižujícím měničem můžeme využít takového dodatečného výkonu k výrobě vyššího výstupního proudu. Kromě toho, vybereme – li snižující měnič a související řešení, zajišťující nabíjení, nebudeme zbytečně zkracovat životnost připojeného akumulačního prvku či baterie. Systémové náklady se tak v souvislosti s předpokládanou životností podaří udržet na nižší úrovni, takže opět určitě stojí za to, vyčlenit na podpůrnou elektroniku o něco málo více prostředků.

Zvyšujeme (Boost)

Vzhledem k tomu, že výstupní napětí, dodávané panely s jediným článkem, bude nízké (přibližně 0,5 V), musíme počítat s určitými komplikacemi, provázejícími elektronicky řešené rozhraní mezi panelem a aplikací – zátěží. Přesněji řečeno, malé vstupní napětí si žádá jednotku „studeného startu“ a zvyšující měnič, který musí být i na těchto malých vstupních napětích dostatečně účinný.

Většina systémů pro sběr energie využívá akumulační prvek, sloužící k nahromadění a také vyrovnání energie, dodávané zátěži. Je to důležité, protože energie ze solárního panelu nebude ve většině případů k dispozici trvale a neomezeně. Zátěž si třeba bude žádat přísun energie v případech, kdy panel není osvětlen, nebo jen velmi málo. Velikost panelu také není automaticky navržena tak, aby vyhověla požadavkům zátěže na špičkové výkony. Od toho zde totiž máme akumulační prvek.

Jednotky studeného startu jsou nezbytné, byl – li akumulační prvek během provozu vybit. Může se jednat o případ, kdy baterii provozujeme s podpětím. Nebude - li tedy akumulační prvek použitelný, musí být elektronika rozhraní solárního panelu schopna napájení z panelu samotného. Obr. 9 znázorňuje typické rozhraní pro řízení napájení s jediným PV článkem. Nepůjde – li využít napětí na akumulačním prvku, bude muset panel dodat energii, potřebnou k napájení rozhraní a také nabití akumulačního prvku. Na 0,5 V se přitom jedná o mimořádně obtížnou úlohu, vezmeme – li v úvahu, že většina elektronických systémů při 0,5 V napájení fungovat prostě nebude. Dobíjecí časy za těchto podmínek navíc budou pravděpodobně velmi dlouhé, protože účinnost přenosu energie je na těchto nízkých napětích značně omezena.

Jakmile dojde k nabití akumulačního prvku a ten se tak stává připraveným k použití, může být využit k napájení elektronických struktur, připojených k panelu. Přesně tak, rozhraní musí umět získat energii z velmi malého napětí a zajistit konverzi na vyšší napětí, aby bylo možné dodávat výkon do zátěže, resp. akumulačního prvku. Je tudíž nezbytné opatřit si zvyšující měnič, který bude účinný i pro malá vstupní napětí. Účinnost většiny komerčně dostupných zvyšujících měničů prudce klesá se snižujícím se vstupním napětím. Vysoká účinnost se přitom žádá s ohledem na maximalizaci přenosu výkonu do systému. Prodlužujeme tím životnost aplikace.

Stejně jako v případě snižujícího měniče vykazuje i zvyšující regulátor výhodu v podobě provozování PV panelu v bodu maximálního výkonu a to za všech podmínek. Zvyšující měnič však mívá ve srovnání se svým snižujícím protějškem nižší účinnost. Další nevýhoda v souvislosti s nasazením jediného PV článku a obvodů zvyšujícího měniče spočívá ve vstupním proudu, který může být ve srovnání s výstupním proudem docela velký. Máme – li například k dispozici panel s výstupem 0,5 V @ 100 mA a naše zátěž vyžaduje 5 V, budeme schopni ze zvyšujícího měniče dodat pouhých 10 mA. Takový velký proud na vstupu zvyšujícího měniče může navyšovat cenu elektronických obvodů, které jej musí ustát. Velký proud rovněž může stát za celkově nižší účinností.

Obr. 9: Typické rozhraní řízení napájení s jediným článkem

Shrnutí

Konečné řešení závisí na všech faktorech, které jsme zmínili. Celá optimalizace PV systému se přitom bude odvíjet od konkrétního modelu a také světelných podmínek. Ve srovnání s vícečlánkovým PV systémem, ve kterém je vstupní napětí větší než požadované interní napájení, bude podpůrná elektronika, vyžadovaná pro jediný PV článek, mnohem složitější, přičemž může strádat z titulu omezené účinnosti, způsobené větší změnou proudu při průchodu ze vstupu na výstup. Snížená účinnost může způsobit kratší dobu provozuschopnosti dané aplikace, což však lze vyvážit lepšími parametry ve věci teplotní závislosti nebo vlivu zastínění. Výkonnost jednočlánkového systému lze vhodně podpořit navýšením rozměrů panelu, umožní – li nám to podmínky v dané aplikaci. Takový postup může rovněž znamenat nižší cenu systému za předpokladu, že jediný PV článek bude mít menší výrobní náklady. Je proto důležité zvážit vlastnosti celého systému a to ještě dříve, než se rozhodneme, která varianta se pro danou aplikaci bude hodit nejlépe.

Download a odkazy:

Více informací o dalších solárních řešeních TI naleznete na www.ti.com/solar-ca.

Poděkování

Autoři by rádi poděkovali několika lidem z Battery Charge Management Group a Solar Lab za jejich pomoc a podporu.

Něco o autorech

John Carpenter ml.

je systémovým inženýrem Texas Instruments pro nano – příkonová a související řešení sběru energie, kde odpovídá za integraci na systémové úrovni a také návrh integrovaných obvodů s mnohostrannými prvky pro aplikace se smíšenými signály v rámci procesů BICMOS. Své MSEE a BSEE získal na University of South Florida, Tampa. John je držitelem 13 patentů a také Senior Member v IEEE, Senior Member Technical Staff (Texas Instruments), resp. služebním důstojníkem US Navy Reserves – námořní inženýrství v penzi. Johna zastihnete na emailu ti_johncarpenter@ list.ti.com (pozor, mezery za zavináčem).

Nagarajan Sridhar

je momentálně technologem, pracujícím s obchodními jednotkami TI na strategiích generování energie a managementu, zejména pak v případě slunce a jeho významu. Nagarajan sloužil jako projektový manažer ve skupině Texas Instruments Interface and Clocks a také jako manažer výnos navyšujícího inženýrství a činností jak pro KFAB tak i DMOS6 (technické prostředky TI pro vývoj čipů a výrobu), kde řídil aktivity, spojené se zlepšováním výtěžnosti 130, 90, 65 a 45 nm technologií procesů CMOS. Nagarajan je vydávaným autorem a také přednáší v oblastech, zahrnujících materiály a návrh solárního článku, generování energie a management či řízení zisku. Svou hodnost B. Tech získal na Indian Institute of Technology, MS a Ph.D. pak na State University of New York a na MBA čeká na Indiana University, Bloomington. Nagarajana zastihnete na emailu ti_sridhar@ list.ti.com.

Brian Lum-Shue-Chan

je návrhovým manažerem skupiny Battery Management při Texas Instruments, kde se nyní zaměřuje na integrované obvody pro nano – příkonové a související aplikace sběru energie. S více než 10letými zkušenostmi byl zvolen jako Distinguished Member - Technical Staff (TI). Své tituly BS a MS z elektro inženýrství Brian získal na Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia. Briana zastihnete na emailu ti_brianchan@ list.ti.com.

Hodnocení článku: