Rys. 1. Superkondensator jako bufor przekazywania energii
Istnieje wiele małych i tanich aplikacji, które da się zasilać ogniwami fotowoltaicznymi, mimo że źródła takie mają małą moc. Okazuje się, że z wykorzystaniem superkondensatorów można zapewnić skuteczne działanie z ominięciem konieczności przyłączania się do sieci energetycznej czy używania wymienialnych baterii, które trzeba potem utylizować.
Małe panele fotowoltaiczne, używane na słońcu lub we wnętrzach, mogą dostarczać mocy od ułamków do dziesiątków miliwatów. To niewiele, gdyż szczytowa moc pobierana przez moduły komunikacyjne rozciąga się od ok. 50 mW dla łączności przez Bluetooth, do nawet 7 W dla łączności przez sieć komórkową.
Ich działanie można zapewnić dzięki wykorzystaniu superkondensatorów, magazynujących energię do wykorzystania w krótkim czasie. W zakresie aplikacji elektronicznych tego typu widoczne są dwa podejścia. Pierwsze stosowane jest w aplikacjach małej mocy w pomieszczeniach wewnętrznych, zasilanych z wykorzystaniem światła zastanego, w których superkondensator dostarcza energii dla sygnałów nadawanych przez moduł komunikacyjny (zwykle BLE).
Do takiego zastosowania, zwłaszcza w małych czujnikach zwartej konstrukcji, np. noszonych, nadają się niewielkie, cienkie, superkondensatory pryzmatyczne. Drugie podejście stosowane jest w aplikacjach zewnętrznych o większej mocy, zasilanych dziennym światłem słonecznym i muszących działać całą dobę. W nich superkondensator dostarcza energii dla modułu GSM. Do tego zastosowania nadają się duże superkondensatory cylindryczne, o pojemności do 400 F.
Superkondensator jest doskonałym buforem ładunku
Rys. 2. Schemat zastępczy obwodu ogniwa fotowoltaicznego
Dla przykładu można rozpatrzyć czujnik, który co godzinę sygnalizuje do hosta swój status za pomocą trwającej 3 s transmisji komunikatu SMS przez sieć komórkową i modem GPRS klasy 8 (transmisja jedno slotowa - z jedną szczeliną czasową). Podczas nadawania pobierana moc wynosi 7-8 W, a energia trójsekundowej emisji ok. 2,6 J.
Bez superkondensatora konieczny jest panel fotowoltaiczny stale ładujący akumulator, ale można zastąpić go superkondensatorem stanowiącym idealny bufor, dostarczający dużej energii z pozyskującego ją źródła o małej mocy. System taki ilustruje rysunek 1. Źródło widzi swoje obciążenie wraz z obwodem elektronicznego interfejsu jako stały odbiornik o małej mocy.
Obciążenie zaś widzi niską impedancję źródła, mogącego dostarczać potrzebną energię przez czas nadawania sygnału o wymaganej mocy. Jedynym ograniczeniem jest konieczność przewyższania średniej mocy obciążenia przez średnią moc panelu fotowoltaicznego, z uwagi na ograniczoną sprawność konwersji energii (ładowarki kondensatora).
Rys. 3. Charakterystyki prądu i mocy panelu fotowoltaicznego w funkcji napięcia pod oświetleniem pokojowym
Ładunek jest przechowywany w superkondensatorach w formie fizycznej, nie chemicznej, jego cykl życia jest więc nieograniczony. Temperaturowy zakres ich działania jest szeroki, a zastępcza rezystancja szeregowa ESR, w temperaturze -40°C jest dwukrotnie wyższa niż w pokojowej. Superkondensatory wykazują wysoką sprawność ładowania/rozładowywania, doskonałą dla funkcji bufora energii i mają małe straty ładowania/rozładowywania (I²ESR).
W przypadku systemu pokazanego na rysunku 1 w najmniej korzystnym przypadku superkondensator zasilając moduł GSM jest rozładowywany prądem 2 A z napięcia początkowego 3,8 V do 3,2 V. Jeżeli jego ESR = 100 mΩ, sprawność rozładowania wynosi 95%. Gdy panel fotowoltaiczny ładuje go prądem 50 mA, czyli maksymalnym prądem ładowania według rysunku 4, to sprawność ładowania wynosi 99,9%.
Warto pamiętać, że superkondensatory bardzo łatwo ładują się w systemie stałoprądowym, nie stałonapięciowym, co wymaga ochrony nadnapięciowej.
Charakterystyka panelu fotowoltaicznego
Rys. 4. Charakterystyki prądu i mocy panelu fotowoltaicznego w funkcji napięcia pod oświetleniem słonecznym
Dane techniczne ogniw fotowoltaicznych zawierają zwykle ich charakterystykę prądowo-napięciową i szczytową moc w warunkach oświetlenia słonecznego o mocy 1 kW/m² lub 100 000 lx. Ocena dostarczanej w bieżących warunkach oświetleniowych mocy jest trudna, warto więc zdjąć aktualną charakterystykę ogniwa, co łatwo wykonać zgodnie ze schematem z rysunku 2.
Wraz ze zmianą rezystancji potencjometru zmieniają się napięcie i natężenie prądu ogniwa. Rysunek 3 przedstawia charakterystyki prądu i mocy w funkcji napięcia małego panelu fotowoltaicznego, złożonego z pięciu równolegle połączonych sekcji pod słabym oświetleniem wewnętrznym, około 100 lx, średnim około 600 lx i silnym około 1500 lx. Panel ten pod słabym oświetleniem 100 lx dostarcza 0,15 mW, a pod silnym 1500 lx 1,5 mW.
Natomiast na rysunku 4 umieszczono analogiczne charakterystyki dla tego samego panelu fotowoltaicznego pod oświetleniem zewnętrznym. Panel ten w warunkach pełnego oświetlenia słonecznego 83000 lx udostępnia pod napięciem 1,25 V moc 62 mW, a w warunkach zachmurzenia (22000 lx) daje 1,155 V i moc 17 mW.
Dobieranie pojemności superkondensatora
Rys. 5. Schemat zastępczy obwodu superkondensatora rozładowywanego stałą mocą
Kondensator w analizowanym rozwiązaniu musi zapewniać napięcie zasilania aplikacji, od wartości minimalnej do maksymalnej, gromadzić ładunek potrzebny do wyemitowania sygnału transmisji o wymaganej mocy i czasie trwania i wystarczający do podtrzymywania działania aplikacji przez czas braku dostępu do światła. Niezbędny jest też margines dodatkowego ładunku na przewidywany okres starzenia się.
Dopuszczalne napięcie pracy superkondensatora jest niskie, do około 2,7 V. Podwoić je można łącząc szeregowo ze sobą dwa elementy. Zwiększa to koszt i zajmowaną objętość oraz wymaga równoważenia (balansu) rozkładu napięcia pomiędzy oboma kondensatorami.
Jeśli minimalne napięcie aplikacji wynosi na przykład 3 do 2 V, a moduł BLE działa pod obniżonym napięciem, powiedzmy 2,7 do 2,0 V, wystarczy kondensator pojedynczy. Jeśli minimalne napięcie aplikacji, np. 3,2 V dla modułu GSM/GPRS, jest wyższe od dopuszczalnego napięcia kondensatora, dostarczający prądu kondensator musi zostać złożony z dwóch elementów.
ESR i prąd upływu superkondensatora
Rys. 6. Przebieg prądu upływu superkondensatora GA 109 pod napięciem 2,5 V w funkcji czasu
Często superkondensatory dobiera się na podstawie uproszczonego bilansu energetycznego, pomijając straty przesyłania energii, a więc istnienie ESR pomniejszającego sprawności ładowania i rozładowywania oraz obniżającego napięcie wyjściowe.
Prąd upływu powinien być znacznie mniejszy od zapewnianego przez ogniwa fotowoltaiczne prądu ładowania. W przeciwnym razie jego ładowanie będzie trwało długo, a nawet okaże się niemożliwe. Natężenie prądu upływu superkondensatora jest wprost proporcjonalne do jego pojemności.
W znacznym stopniu zależy także od materiału folii elektrodowej (węgiel aktywowany, spoiwo) i separatora. W małych pryzmatycznych superkondensatorach wynosi on około 1 μA/F. Na rysunku 6 przedstawiono charakterystykę zmniejszania się prądu dla elementu GA109, 180 mF, 40 mΩ, 2,5 V, w funkcji czasu po jego pełnym naładowania.
Natężenie prądu upływu ustala się w tym przypadku po tygodniu na poziomie ok. 1 μA, podobnie jak w większości superkondensatorów elektrolitycznych, znacznie poniżej natężenia prądu ładowania przez ogniwo fotowoltaiczne. Te z elektrolitem wodnym osiągają stan równowagi od razu po naładowaniu, ale ich prąd upływu jest o rząd wielkości wyższy niż wersji z elektrolitem organicznym.
Starzenie się
Rys. 7. Najprostszy schemat obwodu ładowania superkondensatora prądem ogniwa fotowoltaicznego
Wszystkie superkondensatory starzeją się z upływem czasu, co objawia się spadkiem pojemności i zwiększaniem się ESR. Tempo starzenia się zależy od ich właściwości napięciowych i temperaturowych. Wymagane wartości pojemności i ESR powinny uwzględniać przewidywaną utratę pojemności i wzrost ESR przez cały spodziewany okres użytkowania. Ładowarki muszą zatem:
- rozpoczynać ładowanie od 0 V. Rozładowane superkondensatory początkowo wykazują objawy zwarcia, co ładowarki uznają za uszkodzenie i ładowania nie rozpoczynają,
- zapewniać ochronę nadnapięciową,
- zapobiegać w razie spadku oświetlenia wstecznemu rozładowywaniu się elementu przez ogniwo fotowoltaiczne,
- zapewniać maksymalną sprawność ładowania.
Tabela 1. Funkcjonalność dwóch przykładowych ładowarek scalonych dla superkondensatora ładowanego z panelu PV
Na rysunku 7 jest pokazany najprostszy układ ładowania, w którym dioda Schottky’ego BAT54, o małym napięciu przewodzenia, chroni słabo oświetlone ogniwo fotowoltaiczne przed prądem wstecznym.
Układ jest bardzo prosty, ale gdy napięcie ogniwa jest mniejsze od napięcia superkondensatora, jego ładowanie nie jest możliwe. Konieczne jest zatem użycie podwyższającego albo podwyższająco-obniżającego układu ładującego.
Rodzaje scalonych ładowarek
Rys. 8. Prądowe i napięciowe charakterystyki w funkcji czasu sygnałów emitowanych przez moduł BLE
Jałowe napięcie panelu fotowoltaicznego zależy od liczby szeregowych sekcji PV, a od liczby równoległych sekcji wydajność prądowa. Jeśli napięcie panelu fotowoltaicznego przewyższa napięcie obciążenia jedynie przy małym poborze prądu, ładowarka musi działać w trybie podwyższająco-obniżającym. Przy zwiększonej liczbie równoległych sekcji można zastosować prostsze, jedynie podwyższające rozwiązanie.
Przykładem może być tutaj bateria fotowoltaiczna KXOB22-4X3L składająca się z trzech ogniw połączonych szeregowo. Napięcie jałowe tej baterii osiąga wielkość około 1,2 V w pomieszczeniach wewnętrznych i około 1,8 V w słońcu na zewnątrz. W obu środowiskach wymagany jest więc konwerter podwyższający.
Do testów dla rozwiązania z oświetleniem wewnętrznym wybrano układ AEM10940, a do rozwiązania z oświetleniem zewnętrznym ładowarkę LTC3105. Tabela 1 zawiera kryteria charakterystyczne dla tych układów i może być punktem odniesienia do wyboru innych układów i porównań.
Właściwości układu dla oświetlenia wewnętrznego
Rys. 9. Schemat układu ładowania z AEM10940
Do testów użyto małego panelu fotowoltaicznego przy słabym oświetleniu wewnętrznym 100 lx, z superkondensatorem GA109 (180 mF/40 mΩ) firmy CAP-XX i modułem BLE, co sekundę informujący o temperaturze, wilgotności względnej i poziomie oświetlenia. Napięcie zasilania modułu wynosi 2-3 V, użyty więc został pojedynczy superkondensator, o napięciu pracy 2,5 V.
Rysunek 8 przedstawia przebiegi napięcia i prądu czujnika w funkcji czasu w trakcie zbierania i transmisji danych. Szczytowe natężenie prądu w impulsach 1 ms wynosi około 22 mA, w dłuższych impulsach 12 ms 4,5 mA, a w końcowych 5 mA.
Rys. 10. Charakterystyka ładowania superkondensatora GA109 pod oświetleniem 100 lx w funkcji czasu
Zgodnie z rysunkiem 5 natężenia te są znacznie wyższe od 260 μA prądu panelu fotowoltaicznego pracującego w punkcie mocy maksymalnej. Napięcie USC na kondensatorze po 1 ms impulsu 22 mA obniża się o 1 mV. Napięcie USC na kondensatorze po 12 ms impulsu 4,5 mA, zakończonego impulsem 5 mA, obniża się o 6 mV. Spadek ten jest pomijalnie mały co pozwala na wielokrotną transmisję.
Na rysunku 9 pokazano schemat czujnika, w którym zasilana przez pięć potrójnych sekcji ogniw fotowoltaicznych KXOB22-4X3L ładowarka na układzie AM10940 ładuje superkondensator GA109. Gdy napięcie superkondensatora osiąga 2,4 V, zostaje włączony MOSFET M1, który uruchamia moduł BLE. Pośredniczy w tym sterujący komparator U1 z histerezą.
Gdy superkondensator rozładuje się do 2,2 V, M1 zostaje zablokowany, wyłączając moduł na czas doładowania superkondensatora, po czym moduł BLE zostaje reinicjowany. Inicjalizacja wymaga prądu 12 mA i trwa 2,1 s. W tym czasie napięcie superkondensatora GA109 spada o 117 mV.
Rys. 11. Charakterystyk ładowania superkondensatora GA109 pod oświetleniem 650 lx w funkcji czasu
Histereza 200-miliwoltowa umożliwia GA109 inicjalizację modułu oraz wysłanie przez niego kilku impulsów transmisji.
Pod oświetleniem 100 lx skuteczność ładowania GA109 i podtrzymywania następnie transmisji jest przedstawiona na rysunku 10. 100 luksów jest oświetleniem słabym, utrudniającym czytanie, ale dostarczającym panelowi fotowoltaicznemu mocy, wystarczającej do zasilania czujnika.
Rysunek 10 dokumentuje, że pod tak słabym oświetleniem ładowanie superkondensatora od 0 V do wysłania pierwszego sygnału trwa około 45 godzin, a ponowne ładowanie do wysyłania kolejnych zabiera już tylko ok. 2,6 h. Wykres na rysunku 11 pokazuje skuteczność działania czujnika w dobrze oświetlonym biurze (650 lx), gdy moc PV przekracza 0,4 mW, pierwsze ładowanie trwa tylko 32 min, a transmisje są ponawiane co ok. 2 min. Inicjalizacja wraz z wysłaniem impulsu zabiera 2,9 s.
Rys. 12. Przebieg prądu upływu podwójnego superkondensatora 50 F w czasie
Testy te wykazują, że niewielki panel fotowoltaiczny jest zdolny do skutecznego ładowania superkondensatora zasilającego czujnik małej mocy, który gromadzi i wysyła dane. Ładowarka AM10940 może ładować superkondensator mocą jedynie 150 μW przy słabym oświetleniu, a sprawniej mocą 400 μW przy silnym słonecznym. Mały superkondensator GA109 o niskiej ESR ma pojemność dostateczną dla potrzeb takich czujników.
Zasilanie panelami fotowoltaicznymi, gdy oświetlenie nie jest dostępne ciągle wymaga użycia supekondensatorów o większej pojemności. Do testowania takiego przypadku użyto tego samego panelu fotowoltaicznego, jak poprzednio, jednak pod oświetleniem słonecznym, co umożliwia wysyłanie co pół godziny SMS-ów z 2-sekundową pracą modułu GSM. Sygnał radiowy jest nadawany impulsami 1,1 ms, przy poborze prądu 2 A w 25-procentowym cyklu roboczym. Zakres napięć na kondensatorze wynosi 3,8-3,0 V, czas podtrzymania działania w ciemności to 12 h.
Rys. 13. Test upływu podwójnego superkondensatora 50 F z aktywnym układem balansera w funkcji czasu
Charakterystyki na rys. 4 wykazują, że użyty panel fotowoltaiczny pod oświetleniem słonecznym 83 000 lx dostarcza 62 mW maksymalnej mocy, przy 1,26 V i 49 mA. Ładowarka z LTC3105 o sprawności ~80% dostarcza zatem superkondensatorowi prądu ładowania o natężeniu 13 mA, a średni prąd obciążenia w tej aplikacji wynosi 0,56 mA.
Oznacza to, że w ciągu dnia czujnik jest samowystarczalny, pobierając prąd o średnim natężeniu mniejszym od średniego natężenia prądu ładowania superkondensatora. Nawet w dzień pochmurny prąd ten jest większy od 4 mA, co tę samowystarczalność potwierdza.
Wybierając superkondensator trzeba równocześnie brać pod uwagę jego pojemność, ESR i prąd upływu. Duży prąd obciążenia i napięcie 3,8 V skłaniają do wyboru dwóch pojemności w połączeniu szeregowym, dostarczających maksymalnego prądu 2 A, co pozwala czujnikowi działać bez oświetlenia przez 12 godzin. Pojemność kondensatora powinna więc być większa od:
|
Rys. 14. Charakterystyki ładowania podwójnego superkondensatora 50 F pod oświetleniem 83000 lx w funkcji czasu
Z zapasem i po uwzględnieniu ESR, konieczności użycia układu balansera można zatem użyć dwóch pojemności po 100 F (razem 50 F). Wykres na rysunku 13 obrazuje prąd upływu superkondensatora 50 F. Szeregowe połączenie dwóch kondensatorów wymaga użycia obwodu wyrównującego ich napięcia. Standardowo stosowany do tego celu dzielnik rezystorowy pobierałby szkodliwy w czasie braku oświetlenia pr ąd rozładowujący. Zastosowany obwód balansujący (IC2, rys. 16) pobiera tylko 3 μA i jest uwzględniony w przebiegach na rysunkach 13 i 14.
Częstym błędem przy ocenie upływu kondensatora jest zakładanie stałości natężenia prądu upływu lub stałej obciążającej rezystancji, która wynosiłaby w tym przypadku 3,8 V/130 μA=29,2 kΩ. Niemniej upływność jest procesem dyfuzyjnym, w którym jony migrują z porów elektrody węglowej. Dyfuzja jest proporcjonalna do pierwiastka z czasu, zależy też od temperatury.
Rys. 15. Przebieg ładowania superkondensatora 50 F od napięcia 0 V
Rysunek 14 przedstawia w funkcji czasu zarówno zmierzony prąd upływu dwóch superkondensatorów po 100 F, jak i jego obliczone przybliżenia. W razie, gdy upływność ma w aplikacji większe znaczenie, warto zmierzyć ją doświadczalnie. Poszczególne egzemplarze kondensatorów mogą się pod tym względem znacznie różnić.
W modelowym układzie zastosowano aktywny obwód wyrównywania napięć na szeregowo połączonych superkondensatorach, przy minimalnym prądzie upływu. Jest to wtórnik napięciowy, wymuszający napięcie pomiędzy kondensatorami, wyznaczone dzielnikiem R3/R5. Wzmacniacz operacyjny MAX4470 w układzie wtórnika pobiera 0,75 μA, dzielnik 3,8 V/2 MΩ=0,19 μA, razem 0,94 μA. Wraz z kompensowaną różnicą prądów upływu obu kondensatorów, układ wtórnika wyrównującego obciąża kondensator prądem kilku mikroamperów.
Rys. 16. Przebieg impulsów GPRS emitowanych przez czujnik dużej mocy
Wykres na rysunku 15 przedstawia przebieg ładowania superkondensatora pod oświetleniem słonecznym od 0 V. Panel fotowoltaiczny w trakcie zimnego rozruchu LTC3105 dostarcza superkondensatorowi ~13 mA. Natężenie tego prądu w momencie, gdy układ wszczyna działanie podwyższające wzrasta do 20 mA, a po osiągnięciu napięcia 3,8 V, spada do 13 mA. W słonecznym oświetleniu zajmuje to około 3,5 h.
Potem, jak to ilustruje rys. 16, co pół godziny moduł transmisyjny emituje 2-sekundowe impulsy GPRS (kolor niebieski). Wstawka (kolor zielony) szczegółowo pokazuje ciąg impulsowy GPRS, z 1,15 ms impulsami 2 A co 4,6 ms. Na rysunkach 16 i 17 dają się zaobserwować:
- bardzo słabo zaznaczone obniżenia napięcia USC, wywołane obciążającymi superkondensator impulsami prądu od moduły GSM (rys. 16, krzywa czerwona)
- zwiększony przez LTC3105 pobór prądu ładowania superkondensatora z panelu słonecznego po impulsach transmisji (rys. 16, krzywa zielona)
- spadek prądu Isol do zera, gdy superkondensator jest całkowicie naładowany i LTC3105 zostaje wyłączony (rys. 14, krzywa zielona). W miarę powolnego rozładowywania się superkondensatora przez pół godziny pomiędzy impulsami funkcja histeretyczna LTC3105 włącza ładowanie, które trwa aż do pełnego naładowania (rys. 16, krzywa czerwona).
Rysunek 17 pokazuje napięcie superkondensatora 50 F w ciągu 12-godzinnego działania w ciemności, podtrzymującego wysyłanie co pół godziny impulsów GPRS. Mierzone napięcie systematycznie maleje od początkowej wartości 3,8 V do końcowej 3 V, która jest nieco mniejsza od oczekiwanej dla ESR=30 mΩ.
Podsumowanie
Rys. 17. Przebieg rozładowywania superkondensatora 50 F przez impulsy GPRS w trakcie 12 godzin braku oświetlenia
Zademonstrowane testy pokazują, jak użyć superkondensator o dużej pojemności z małym panelem fotowoltaicznym do zasilania czujnika stosunkowo dużej mocy, nawet okresowo pozbawianego oświetlenia.
Przewaga zasilania superkondensatorowego takiego czujnika nad bateryjnym polega na fizycznym przechowywaniu ładunku, nieograniczonym czasie działania, małej ESR umożliwiającej dużą moc chwilową, oraz doskonałym właściwościom termicznym w środowisku zewnętrznym nawet w zimie.
Wyniki doświadczalne (rys. 17) sugerują potrzebę zidentyfikowania przyczyny strat większych od spodziewanych oraz ewentualnego zwiększenia pojemności superkondensatora.
