Superkondensatory w systemach komunikacji bezprzewodowej

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.