Energy harvesting w Twojej aplikacji
| TechnikaEnergy harvesting (zasilanie energią wolno dostępną) pozwala zrealizować zasilanie urządzenia bez konieczności użycia baterii lub wydłużyć czas pracy bez jej wymiany. W artykule prezentujemy krótki opis oferty rynku w zakresie układów półprzewodnikowych do pozyskiwania energii oraz przykładowe rozwiązania wraz z kluczowymi parametrami pracy.
Postęp technologiczny w zakresie minimalizacji poboru energii przez urządzenia elektroniczne oraz zwiększenie efektywności pozyskiwania energii ze źródeł wolno dostępnych sprawiły, że wiele współczesnych urządzeń o małym poborze mocy może pracować bez użycia baterii.
Rozwój takich rozwiązań to trwa już ponad dekadę, niemniej główną przeszkodą uniemożliwiającą szybką ewolucję rynku była kiepska efektywność przetworników pozyskujących energię z otoczenia i jednocześnie relatywnie duże zużycie energii elektrycznej przez "pseudo" niskoenergetyczne rozwiązania sprzętowe. Dopiero obecnie w opisywanym temacie zaczyna się możliwość realizacji profesjonalnych aplikacji, gdyż giganci technologiczni oraz firmy innowacyjne przygotowały wydajne kontrolery i przetworniki. Docelowo przyniesie to znaczące zmniejszenie zapotrzebowania na baterie jako źródła energii oraz umożliwi produkcję "autonomicznych" oraz bezobsługowych rozwiązań sprzętowych. Pewne jest, że aspekt innowacyjności w postaci całkowicie bezobsługowego produktu na pewno będzie miał znaczenie dla klientów końcowych przy wyborze tego typu rozwiązania.
Przetwarzanie i zarządzanie odzyskaną energią – układy PMIC firmy E-peas
Pierwszym istotnym aspektem w tym temacie jest zapewnienie efektywnego przetwarzania i zarządzania pozyskaną energią. W tym celu wykorzystywane są wysokosprawne przetwornice DC-DC działające z napięciami wejściowymi o bardzo małej wartości. Początkowo używano do tego celu typowe podzespoły o uniwersalnym przeznaczeniu, niemniej oczekiwania rynku doprowadziły do powstania odrębnej grupy produktów dedykowanych wyłącznie zastosowaniom energy harvesting (EH).
Takie produkty proponuje E-peas Semiconductors, specjalizująca się w układach do przetwarzania oraz zarządzania energią wolnodostępną. W ofercie są rozwiązania specjalizowane pod kątem współpracy z przetwornikami energii termicznej (generatory termoelektryczne), świetlnej oraz ze źródeł RF (rys. 2). W zależności od wymagań aplikacji i jej zapotrzebowania energetycznego dostępne są różne warianty topologii konwersji: boost/buckboost/buck-boost battery charger/boost battery charger wearable itp. Z tego powodu określenie charakteru pracy urządzenia jak również wybranie właściwego układu PMIC powinno odbyć się na podstawie analizy bilansu energetycznego urządzenia oraz stosownie do ilości energii dostarczanej przez przetwornik.
Kolejnym istotnym aspektem jest rodzaj źródła wykorzystywanego do odzyskiwania energii (przetwornika), a w tym jego sprawność oraz dzienna dostępność energii. Obecnie najszersze zastosowanie w praktyce, głównie ze względu na sprawność konwersji oraz wielkość mocy, mają rozwiązania współpracujące ze źródłami solarnymi.
Na rysunku 3 pokazano schemat blokowy najbardziej zaawansowanego rozwiązania tego rodzaju, natomiast tabela 1 zawiera zestawienie kluczowych parametrów układów PMIC do przetworników PV.
W dalszej kolejności rozważyć trzeba warunki pracy oraz parametry brzegowe, które definiują działanie układu EH oraz możliwą do uzyskania sprawność.
Zasilanie z ogniw PV
Istotnym elementem systemu pozyskiwania energii często jest ogniwo fotowoltaiczne. W przypadku omawianych aplikacji EH, a więc o małej mocy, zasilanych z baterii, a także użytkowanych wewnątrz pomieszczeń, ogniwa te są oświetlone głównie przez światło sztuczne.
Z dostępnych rozwiązań rynkowych dużą sprawnością oraz możliwością dopasowania do wymaganych zastosowań warto zwrócić uwagę na produkty Epishine. Portfolio tego producenta zawiera sześć standardowych rozwiązań o różnej liczbie ogniw PV oraz wielkości powierzchni aktywnej, co przekłada się na parametry (tabela 2).
W zależności od powierzchni aktywnej wybranego modułu PV (liczby ogniw) oraz właściwości elementu magazynującego energię, aplikacja będzie charakteryzowała się daną funkcjonalnością, ceną i możliwościami pracy w danym środowisku. W tabeli 3 zebrane zostały przykłady zastosowań dla modułów fotowoltaicznych wraz z elementami magazynującymi w ujęciu ich zalet oraz wad pracy.
Warunki pracy modułu ogniwa PV, takie jak natężenie oświetlenia, temperatura otoczenia oraz powierzchnia aktywna, definiują charakterystyki elektryczne modułów. Przedstawione na rysunku 4 zestawienie charakterystyk pozwala na dobranie rozwiązania do obwodu zasilanego oraz natężenia oświetlenia dostępnego w pomieszczeniu.
Czułość oraz efektywność użytych ogniw fotowoltaicznych ma kluczowe znaczenie podczas działania w warunkach skrajnych, np. przy niskim natężeniu oświetlenia, dużych zmianach temperatury, ostrym kącie padania światła oraz szerokim spektrum barw światła. Dostarczane przez producenta tabele porównawcze oraz wykresy obrazują efektywność oraz czułość proponowanych rozwiązań w zależności od zmiany warunków pracy ogniw.
W warunkach słabego oświetlenia, gdy nie jest możliwe zapewnienie natężenia oświetlenia powyżej dolnej granicy, duże znaczenie odgrywa czułość ogniw PV. Porównanie mocy wyjściowej dla wybranych modułów PV oraz bardzo niskich wartościach natężenia oświetlenia zebrane jest w tabeli 4.
Kolejnym ważnym czynnikiem środowiskowym mającym na sprawność ogniwa PV jest temperatura otoczenia, która przekłada się na straty mocy oraz wartość napięcia wyjściowego (rys. 5). Dla modułu LEH3_50×50_6_10 w pełnym spektrum badanego zakresu temperatury, wahania mocy oraz napięcia nie przekraczają ±20%.
Duże znaczenie w zakresie zachowania sprawności konwersji energii ma również kąt padania światła, który po przekroczeniu granicznej wartości powoduje duży spadek efektywności. Rysunek 6 przedstawia zależność pracy modułów w funkcji kąta padania, z którego wywnioskować można, iż powinny pracować do ±30°.
Ostatnim istotnym czynnikiem jest barwa światła padającego na moduł PV. Na rysunku 7 zobrazowano możliwości pracy modułów fotowoltaicznych przy różnych barwach. Ogniwa pracują w zakresie 300–700 nm, zachowując przy tym praktycznie stały i maksymalny współczynnik wydajności.
Podsumowanie
Rynek elektroniki cały czas stawia nowe wyzwania i zmusza do zmian. Liczba urządzeń zasilanych z baterii rośnie w szybkim tempie, co powoduje dodatkowe zapotrzebowanie i koszty oraz sprawia problemy z serwisowaniem każdego urządzenia po zadeklarowanym czasie pracy.
W dzisiejszych czasach problemów z alokacją komponentów i częstą koniecznością przeprojektowywania urządzeń dobrym pomysłem jest rozpatrzenie alternatywnych możliwości w zakresie zasilania. Innowacyjne podejście do tematu rozwiązań zasilania wraz z rozwojem technologii EH będzie miało coraz większy wpływ na minimalizowanie zapotrzebowania na energię.
Kamil Prus
Business Development Manager/Field
Application Engineer Poland and Baltic States
Computer Controls Sp. z o.o.
ul. Pańska 98/4
00-837 Warszawa
tel. 660 141 060
www.ccontrols.pl
kamil.prus@ccontrols.pl
