Wykorzystanie energii słonecznej w systemach embedded

Panele słoneczne to urządzenia wykorzystujące efekt fotowoltaiczny, czyli generowania nośników ładunku w ciele stałym (półprzewodniku) pod wpływem promieniowania słonecznego. Padający na powierzchnię półprzewodnika strumień fotonów niesie ze sobą pewną energię – część tej energii zostaje pochłonięta przez znajdujące się w strukturze materiału elektrony, które przechodzą na wyższy poziom energetyczny. W konsekwencji nośniki te zaczynają poruszać się, tworząc na końcach półprzewodnika (elektrodach) różnicę potencjałów, czyli napięcie elektryczne.

W bardzo schematyczny i uproszczony sposób zjawisko to zilustrowane zostało na rysunku 1. Najpopularniejszym materiałem stosowanym do produkcji paneli fotowoltaicznych pozostaje krzem, chociaż nie jest to jedyny możliwy do wykorzystania surowiec. Zaletami krzemu pozostaje niska cena wynikająca z dużej dostępności i łatwości produkcji. Do wad zaliczyć można małą efektywność przy niewielkich natężeniach światła, charakterystycznych dla sztucznego oświetlenia wewnątrz budynków.

 

Rys. 1. Schematyczna ilustracja efektu fotowoltaicznego oraz generowania energii elektrycznej w panelach słonecznych

Wygenerowane na wyjściu panelu napięcie może posłużyć do zasilania obciążenia, będącego dowolnym odbiornikiem energii elektrycznej. Ze względu na zmienny charakter sygnału wejściowego, czyli strumienia fotonów, jak również zmienność otoczenia, parametry sygnału wyjściowego ogniwa fotowoltaicznego charakteryzują się dużą dynamiką. Z tego powodu nie jest raczej możliwe bezpośrednie połączenie ogniwa z odbiornikiem energii elektrycznej – konieczne jest zastosowanie obwodów konwersji.

Zdolność ogniwa do konwersji padającej na niego energii słonecznej w energię elektryczną określana jest mianem sprawności układu. Sprawność ta zależy od wielu czynników, zarówno związanych z charakterystykami samego ogniwa i materiału wykorzystanego do jego konstrukcji, jak i wspomnianymi już warunkami zewnętrznymi. Do głównych czynników wewnętrznych zaliczyć można rodzaj materiału, jego strukturę krystaliczną, właściwości zastosowanych powłok antyrefl eksyjnych oraz jakość połączeń pomiędzy ogniwami (panel fotowoltaiczny składa się z dużej liczby połączonych ze sobą ogniw). Podstawowym czynnikiem zewnętrznym są warunki atmosferyczne, szczególnie w przypadku układów zamontowanych na wolnym powietrzu. Dużym problemem korzystania z efektu fotowoltaicznego jest podatność tego procesu na zmiany temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury maleje sprawność generowania energii elektrycznej. W panelach słonecznych monokrystalicznych można obserwować spadek sprawności sięgający nawet 0,5% na każdy dodatkowy stopień Celsjusza.

Technologia energy harvesting w systemach embedded

Wraz z rozwojem technologii IoT obserwować można coraz większe nasycenie środowiska różnego typu układami i urządzeniami elektronicznymi, realizowanymi zazwyczaj w formie niezależnie pracujących modułów, komunikujących się za pomocą określonych interfejsów ze sobą wzajemnie, z centralnym elementem sterującym oraz z użytkownikiem. Jednym z obszarów intensywnego wzrostu wykorzystania tego typu układów jest budownictwo. Systemy typu smart home znajdują coraz szersze zastosowanie zarówno w konstrukcjach realizowanych przez inwestorów indywidualnych, jak i w dużych przestrzeniach publicznych. Korzyści płynące z użycia tego typu rozwiązań są niepodważalne i objawiają się możliwością lepszego wykorzystania dostępnych zasobów. Przekłada się to na zauważalny wzrost komfortu użytkowników pomieszczeń, a także na istotne oszczędności kosztów utrzymania. Wynika to m.in. z redukcji zużycia energii elektrycznej np. poprzez wyłączanie niewykorzystywanych odbiorników energii (automatyczne sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem oraz klimatyzacją).

Skomunikowana ze sobą sieć czujników wymaga zapewnienia odpowiedniego sposobu zasilania oraz przesyłania danych. Obie te potrzeby zaspokoić można jednocześnie poprzez połączenie układu przewodami elektrycznymi. Z wielu powodów rozwiązanie to może być jednak nieefektywne – podstawowe z nich to wysoki koszt instalacji, konieczność jej okresowego przeglądu, możliwość awarii oraz trudność wprowadzania późniejszych modyfikacji. Problem komunikacyjny rozwiązać można poprzez wykorzystanie protokołów komunikacji bezprzewodowej. W połączeniu z zasilaniem bateryjnym pozwala to na eliminację połączeń kablowych. Baterie wymagają jednak okresowej wymiany, co również wiąże się z pewnym nakładem pracy oraz kosztami, może być również szczególnie uciążliwe w przypadku umieszczenia niektórych urządzeń w trudno dostępnych miejscach.

Wraz z ciągła poprawą energooszczędności współczesnych mikroprocesorów oraz innych układów elektronicznych, coraz bardziej atrakcyjną alternatywą staje się zbieranie energii dostępnej w bezpośrednim otoczeniu układu oraz konwersja jej do postaci energii elektrycznej, możliwej do wykorzystania przez urządzenie. Technikę taką określa się mianem energy harvesting i jest ona z powodzeniem stosowana w coraz większej rzeszy różnego typu układów. Rozwiązanie takie pozwala na praktyczną eliminację okresowych czynności obsługowych oraz wieloletnią nieprzerwaną pracę systemu bez konieczności jakiekolwiek fizycznej ingerencji z zewnątrz.

Panele słoneczne w układach embedded

Jednym z najlepiej znanych i najbardziej rozpowszechnionych sposobów pozyskiwania energii elektrycznej z otoczenia jest wykorzystanie paneli fotowoltaicznych. Układy te świetnie sprawdzają się w przypadku instalacji zewnętrznych. Światło słoneczne jest przewidywalnym oraz stabilnym źródłem energii, w bardzo niskim stopniu podatnym na zakłócenia.

Typowy schemat blokowy modułu IoT korzystającego z energii słonecznej przedstawiono na rysunku 2. W przypadku układów IoT, w przeciwieństwie do domowych oraz przemysłowych instalacji fotowoltaicznych, realizowany jest model off-grid. Polega on na tym, że generowana przez ogniwa energia elektryczna magazynowana jest lokalnie. Funkcję magazynu energii pełni zazwyczaj akumulator lub superkondensator, w zależności od wymogów aplikacji.

 

Rys. 2. Typowy schemat blokowy układu korzystającego z energii słonecznej

Większość modułów IoT przez znaczącą część swojej pracy przebywa w stanie czuwania, charakteryzującego się bardzo niskim poborem energii. Okresowo lub na skutek zaistnienia zdarzeń wyzwalających załączają się one w celu wykonania określonej czynności, np. realizacji transmisji radiowej. Stan czuwania charakteryzuje się bardzo niskim poborem energii, powstała w tym czasie nadwyżka generowana przez ogniwo fotowoltaiczne może być zatem gromadzona w magazynie. Jest ona następnie wykorzystywana do zasilania układu w czasie podwyższonej aktywności. Powodzenie tego typu koncepcji zależy od trzech podstawowych czynników – przeciętnej zdolności układu do gromadzenia energii elektrycznej w danym okresie, średniego zużycia energii przez układ w tym samym czasie oraz pojemności magazynu. Odstępy czasowe pomiędzy kolejnymi aktywacjami urządzenia muszą być na tyle długie, aby możliwe było ponowne uzupełnienie energii w magazynie.

W przypadku układów umieszczonych na wolnym powietrzu podstawowym dostawcą energii będzie światło słoneczne, z dużym prawdopodobieństwem układ będzie zatem gromadził nadwyżki energii od wschodu do zachodu słońca. Pojemność magazynu musi być na tyle duża, aby zapewnić urządzeniu zdolność do pracy w pozostałej części doby.

W przypadku układów umieszczonych wewnątrz pomieszczeń głównym źródłem energii będzie sztuczne oświetlenie. Charakteryzuje się ono znacznie niższym natężeniem niż światło słoneczne (rzędu kilkudziesięciu do kilkuset luksów, w porównaniu do ponad 10 000 luksów dla światła słonecznego). Stanowi to spory problem dla tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych wykonanych z krzemu. Urządzenia takie charakteryzują się dużym spadkiem sprawności podczas pracy ze strumieniem światła o niskim natężeniu. Na rynku pojawiają się jednak alternatywne rozwiązania, pozwalające na bardziej efektywne wykorzystanie sztucznego oświetlenia. Do najbardziej interesujących zaliczyć można ogniwa uczulane barwnikiem oraz ogniwa organiczne.

Ogniwa uczulane barwnikiem

Technologia DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell) to jedna z technik wytwarzania niedrogich oraz przyjaznych dla środowiska ogniw fotowoltaicznych. Ich zaletą, oprócz niskiej ceny, jest także przezroczystość, dzięki czemu mogą one spełniać funkcję szyb lub innych szklanych powierzchni. Ich zasada działania jest całkowicie odmienna od tradycyjnych paneli krzemowych. Po części naśladują one procesy zachodzące w przyrodzie. Światło słoneczne wzbudza elektrony obecne w barwniku, takim jak np. chlorofil, występującym też naturalnie w roślinach, to zaś powoduje generowanie energii elektrycznej. Efektywność ogniwa w dużej mierze zależy zatem od rodzaju zastosowanego barwnika.

Do zalet tego typu konstrukcji, oprócz wspomnianych już niskich kosztów i przezroczystości, należą także prostota wytworzenia, dobry stosunek wydajności do ceny, możliwość pracy przy szerokim kącie padania promieni słonecznych i niskim natężeniu oświetlenia, a także stosunkowo długa żywotność (około 10 lat) oraz odporność na uszkodzenia mechaniczne. Przezroczystość pozwala również na implementację tego rozwiązania w atrakcyjnej wizualnie formie.

Z punktu widzenia systemów embedded technologia ta ma duży potencjał, zarówno ze względu na niski koszt, jak i możliwość pracy przy niskich natężeniach oświetlenia, zatem również przy sztucznym świetle, we wnętrzach budynków.

Ogniwa organiczne

Kolejnym rodzajem paneli fotowoltaicznych wykazującym cechy sprzyjające zastosowaniu w pomieszczeniach są ogniwa organiczne. Układy te zbudowane są ze związków organicznych, czyli zawierających w swojej strukturze atomy węgla. Dominującym materiałem wykorzystywanym w ich konstrukcji są polimery, czyli związki tworzące również niezwykle popularny i rozpowszechniony plastik.

Do głównych zalet tego typu technologii zaliczyć można niski koszt wytworzenia, możliwość formowania ogniw elastycznych (o określonych kącie zginania), małą masę oraz zdolność do pracy przy słabym natężeniu oświetlenia. Na rynku dostępne są już gotowe panele tego typu wraz z układami kontroli, do wykorzystania w systemach embedded. Ich wydajność przy oświetleniu o natężeniu 500 luksów sięga wartości 18 μW na każdy cm² powierzchni panelu.

Problem MPPT

Jak już wspomniano, sygnał wyjściowy z paneli fotowoltaicznych charakteryzuje się dużą niestałością, związaną ze zmiennymi warunkami atmosferycznymi oraz natężeniem oświetlenia. W dodatku wartości napięcia uzyskiwanego na wyjściu układu są często całkowicie odmienne od potrzeb zasilanego obciążenia. W przypadku systemów embedded rozmiar wykorzystywanych ogniw jest zazwyczaj mocno ograniczony wymaganiami aplikacji, generowane przez nie wartości napięcia oraz mocy są zatem dość niskie. Uzyskana z odnawialnego źródła energia elektryczna nie tylko zasila bezpośrednio układ, ale wykorzystywana jest również do ładowania magazynu energii – akumulatora lub superkondensatora. Wszystko to powoduje, że nie ma możliwości bezpośredniego podłączenia obciążenia do wyjścia panelu – konieczne jest zastosowanie odpowiednich obwodów konwertujących.

Aby ograniczyć straty mocy związane z konwersją sygnału, układ konwertera charakteryzować się musi odpowiednimi parametrami – niskim poborem mocy oraz stosunkowo szerokim pasmem pracy, w związku ze zmieniającymi się warunkami pracy ogniwa fotowoltaicznego. Musi być również w stanie kontrolować proces ładowania magazynu energii, aby nie doprowadzić do jego uszkodzenia wskutek nadmiernego naładowania lub rozładowania.

Jednym z elementów układu sterowania pracą paneli jest moduł MPPT (Maximum Power Point Tracking), czyli układ śledzenia maksymalnego punktu mocy ogniw. Pracę panelu fotowoltaicznego opisać można za pomocą charakterystyki prądowo-napięciowej, określanej skrótowo jako IV (I – natężenie prądu, V – napięcie elektryczne). Przykłady takich charakterystyk przedstawiono na rysunku 3. Dla każdego panelu istnieje nieskończona liczba takich charakterystyk, w zależności od stanu, w jakim układ znajduje się w danej chwili – na jej kształt wpływ mają przede wszystkim temperatura urządzenia oraz wartość natężenia promieniowania słonecznego. Dla danych warunków otoczenia wszystkie punkty chwilowej charakterystyki IV stanowią potencjalnie poprawne stany pracy układu. Oznacza to, że w danej sytuacji panel może generować sygnał o jednej z wielu określonych par wartości natężenia i prądu. Każda z tych par charakteryzuje się inną wartością mocy sygnału. Zadaniem układu MPPT jest wymuszenie takich parametrów pracy, aby moc sygnału wyjściowego była jak największa. Dla każdej krzywej IV istnieje jeden punkt maksymalnej mocy, na rysunku 3 zaznaczony symbolem trójkąta. Punkt ten leży na załamaniu krzywej. W praktyce konwerter przesuwa punkt pracy panelu poprzez zmianę swojej impedancji wejściowej – w taki sposób, aby uzyskać dopasowanie do impedancji wyjściowej panelu.

 

Rys. 3. Przykładowe charakterystyki IV paneli fotowoltaicznych w zależności od temperatury (a) oraz natężenia (b)

Zadanie znalezienia maksymalnego punktu mocy panelu nie jest trywialne, ponieważ wartości tej nie da się wyliczyć z góry. Istnieje wiele różnych algorytmów poszukiwania tej liczby. Układ MPPT pozwala znacząco zwiększyć wydajność paneli fotowoltaicznych – szacuje się, że o wartość rzędu od kilkunastu do kilkudziesięciu procent.

W przypadku systemów embedded na rynku dostępne są zintegrowane układy pełniące zarówno funkcję jak i układu regulacji napięcia wyjściowego, pozwalające między innymi na zarządzanie procesem ładowania akumulatorów. W praktyce zrealizowane są one zazwyczaj jako obwody podwójnej konwersji – napięcie DC z paneli fotowoltaicznych konwertowane jest na szybkozmienny sygnał AC, ten zaś następnie zamieniany jest z powrotem na sygnał DC optymalny z punktu widzenia obciążenia. Sprawność tego typu konwersji potrafiosiągać wartości rzędu 97%.

Podsumowanie

Koncepcja zbierania energii wolnodostępnej z otoczenia, określana terminem energy harvesting, jest jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju systemów IoT. Wśród różnych źródeł energii dostępnych w bezpośredniej bliskości układów elektronicznych, energia świetlna jest zapewne najpowszechniejszym, najbardziej przewidywalnym i najczęściej występującym. Ograniczenia współczesnych paneli fotowoltaicznych to głównie mała wydajność przy niewielkim natężeniu światła, kłopotliwa przede wszystkim w przypadku systemów umieszczanych wewnątrz budynków, rozmiar ogniw oraz konieczność przetworzenia pochodzącego z nich sygnału wyjściowego. Problem niskiej efektywności przy sztucznym oświetleniu rozwiązać może wprowadzenie nowych typów ogniw, opartych na materiałach innych niż krzem – takich jak związki organiczne czy szkło uczulane barwnikiem. Znaczna część nowych rodzajów paneli charakteryzuje się także elastycznością, co upraszcza radzenie sobie z problemem dużych rozmiarów – możliwe jest dostosowanie kształtu panelu do potrzeb aplikacji poprzez jego częściowe wygięcie.

Sygnał wyjściowy z panelu wymaga specjalnego traktowania – nie tylko poprzez konwersję do postaci wymaganej przez obciążenie, lecz również w celu maksymalnego wykorzystania mocy oferowanej przez ogniwa. Do tego celu służą układy MPPT, optymalizujące dopasowanie obciążenia do źródła energii. Ich wykorzystanie pozwala znacząco poprawić sprawność systemu odzyskiwania energii, nawet o wartości rzędu kilkudziesięciu procent.

Damian Tomaszewski