Systemy dla Internetu Rzeczy (55). Pozyskiwanie energii słonecznej z zestawem ewaluacyjnym EVK10330 firmy E-peas

Podczas projektowania systemów do pozyskiwania energii najważniejszym etapem jest analiza budżetu mocy. Aby system był rentowny, musi zebrać taką ilość energii, żeby zasilić docelową aplikację. Badanie to składa się z kilku etapów, które mają na celu określenie parametrów przydatnych w wyborze sposobu przechowywania i źródła. Nie ma ustalonej kolejności działania, istnieją różne sposoby, niemniej istotny wpływ na budżet mocy ma dobór odpowiednich elementów.

Analiza budżetu mocy systemu pozyskiwania energii

Pierwszym sposobem analizy jest określenie poziomu obciążenia w celu wybrania źródła pozyskiwania energii i elementu magazynującego energię. Drugim sposobem analizy jest rozpoczęcie od źródła w celu oszacowania jego dostępnej mocy i wydajności elementu magazynującego energię.

Poszczególne etapy postępowania zostały pokazane na rysunku 1. Energia ze źródła jest przesyłana (poprzez przetwornicę DC/DC) do elementu gromadzącego energię (Krok SRC). Tam energia jest magazynowana i przechowywana (Krok STORE). Następnie energia jest pobierana (poprzez kolejną przetwornicę DC/DC) z elementu gromadzącego energię i podawana na obciążenie (Krok EC).

Rysunek 1. Analiza budżetu mocy systemu pozyskiwania energii [1]

W opisach:

• TS – reprezentuje czas z mocą dostępną ze źródła,
• TNS – reprezentuje czas bez zasilania dostępnego ze źródła.

Rozpoczęcie analizy od określenia obciążenia (od końca łańcucha zasilania)

KROK EC (Energy consumption): Oceń energię zużywaną przez obciążenie w powtarzalnym okresie (dzień, tydzień, miesiąc, itd.). Okres ten musi być wybrany tak, aby obejmował cały czas TS i TNS. Na przykład jeden dzień jest typowym okresem dla zastosowań zasilania słonecznego na zewnątrz, ponieważ światło powraca każdego dnia. Tydzień może być odpowiedni do stosowania w pomieszczeniach bez światła w weekend. Zużycie aktywne – wynika (typowo) głównie z komunikacji radiowej lub przetwarzania. Zużycie pasywne – to moc pobierana w stanie uśpienia lub stałe zużycie wymagane przez obciążenie.

Rysunek 2. Typowy sposób poboru mocy przez układ IoT [1]

Wzór na energię obejmuje dwa różne szczyty prądu czynnego [A1 i A2] i prąd bierny [P] (rysunek 2):

EC = (IA1 × V A1 × T A1 + I A2 × V A2 × T A2) + (IP × VP × TP) [J]

(jednostki: Amper dla prądu, Volt dla napięcia i sekunda dla czasu)

KROK E BOOST: Oblicz energię E BOOST, która ma zostać zebrana w celu zasilania obciążenia. Wzór uwzględnia sprawność η przetwornicy używanej między elementem magazynującym a obciążeniem. Należy też wziąć pod uwagę stratę energii spowodowaną upływnością wewnętrzną elementu magazynującego.

E BOOST = EC / ηDC/DC (lub ηLDO) + Eleak [J]

KROK E STORE: Oblicz wymaganą energię E STORE, która ma być przechowywana. W oparciu o planowany czas pracy autonomicznej i zużycie obciążenia należy określić pojemność elementu magazynującego energię. Wzór implikuje, że czas pracy autonomicznej jest równy TNS – czas bez prądu ze źródła.

E STORE = (TNS / (TNS + TS)) × E BOOST [J]

W przypadku dłuższego/krótszego czasu pracy autonomicznej należy zastosować współczynnik korekcji r.

E STORE = R × E BOOST [J]

Jeśli wymagany czas wynosi 2 dni, współczynnik R definiuje się jako:

2 × 864000 / (TNS+TS) = 2 dni / 1 dzień = 2

KROK P SRC: Oszacuj moc źródła P SRC wymaganą do zasilania obciążenia. Na podstawie czasu TS z dostępną mocą ze źródła i wydajności ładowania, obliczana jest wymagana moc ze źródła. Należy pamiętać, że jeśli wymagany jest dłuższy czas pracy autonomicznej, dodatkowa energia, która ma być przechowywana, musi być najpierw pozyskana. Energia potrzebna do zasilania obciążenia:

E BOOST* = E BOOST + E BOOST_ADD.

Dodatkowa energia dla wymaganego czasu pracy autonomicznej:

E BOOST_ADD = E BOOST* × Z

gdzie:

Z = dodatkowy czas / (TNS+TS)

Jeśli dodatkowy czas wynosi jeden dzień:

E BOOST* = 2 × E BOOST

Wzór na moc źródła P SRC uwzględnia sprawność „ηBoost” przetwornicy używanej między źródłem a elementem magazynującym:

P SRC = E BOOST* / (TS × ηBoost ) [W]

Rozpoczęcie analizy od źródła zasilania

W takim przypadku najpierw trzeba oszacować moc P SRC dostępną ze źródła. Ta informacja jest podana w karcie katalogowej panelu słonecznego, termicznego lub wibracyjnego.

KROK BOOST: Oszacuj moc E BOOST pobieraną ze źródła:

E BOOST = P SRC × TS × ηBoost [J]

KROK EC: Oceń dostępną energię dla obciążenia na podstawie zebranej energii:

EC = E BOOST × ηDCDC – Eleak [J]

Pojemność elementu magazynującego energię jest szacowana na podstawie E STORE = E BOOST.

Oszacowanie minimalnej pojemności elementu magazynującego energię

Oszacowanie minimalnej pojemności różni się w zależności od typu elementu magazynującego energię. Kondensator i superkondensator przechowują i oddają energię między poziomami napięcia VOVCH (maksymalny) i VOVDIS (minimalny) (najlepsza konfiguracja dla układu AEM10330). Oszacowanie minimalnego rozmiaru superkondensatora:

Cmin = 2 × E STORE / (Vovch2 – Vovdis2) [F]

Akumulator przechowuje i oddaje energię przy (prawie) stałym napięciu – zwanym napięciem nominalnym. Oszacowanie minimalnego rozmiaru akumulatora:

Batt min = E STORE / (Vnominal × 3600 [mAh]

Należy uważać na wartości szczytowe impulsów prądowych, ponieważ mogą one mieć krytyczne znaczenie dla określenia rozmiaru pamięci. Powyższe szacunki opierają się na średnim zużyciu. Jednak niektóre profile zużycia mogą obejmować wysoki prąd szczytowy i bardzo mały prąd pasywny. Element magazynujący musi być w stanie wytrzymać taki szczyt prądu bez nadmiernego spadku napięcia (istotny parametr ESR dla akumulatora lub spadek napięcia dla superkondensatora).

W takim przypadku duże znaczenie ma rodzaj zastosowanej przetwornicy. Praca z LDO oznacza pracę z transferem prądu (dla lepszej stabilności wyjścia). Praca z przetwornicą DC/DC oznacza pracę z transferem energii. Wzory teoretyczne na minimalną pojemność dla LDO i przetwornic DC/DC szacują minimalną wielkość jednego piku prądu:

Cmin LDO = Ip1 × Tp1 / (Vovch – Vovdis) [F]
Cmin DC/DC = 2 × Ip1 × TP1 × VP1 / (Vovch2 – Vovdis2) [F]

gdzie: Ip – prąd szczytowy wyrażony w Amperach, Tp – czas trwania szczytu wyrażony sekundach i Vp – napięcie robocze. Jeżeli element magazynujący musi wytrzymywać więcej niż jeden pik prądu, należy wzory dostosować.

Układ AEM10330 firmy E-peas

Nazwa firmy „E-peas” (e-groszek) to skrót od Electronic Portable Energy Autonomous Systems [1]. Firma E-peas opracowała rodzinę układów o nazwie AEM (Ambient Energy Managers). Zarządzają one pozyskiwaną energią dostarczaną do elementu magazynującego i ostatecznie do urządzenia sprzętowego o niskiej mocy. Układy AEM zarządzając dostępną mocą przy niskich stratach, umożliwiają pozyskiwanie energii ze źródeł otoczenia dostosowanych do urządzeń IoT.

Do pozyskiwania energii słonecznej firma E-peas opracowała w roku 2016 układ AEM10900, a w roku 2018 układ AEM10941 o ulepszonej wydajności. Nowy układ AEM10330 firmy E-peas [2], zaoferowany w połowie roku 2021, jest znaczącym postępem w stosunku do układów poprzedniej generacji.

Rysunek 3. Schemat blokowy układu AEM10330 firmy E-peas [3]

Wejściowy sygnał DC jest dołączony do wyprowadzenia SRC (rysunek 3). Obsługę wejścia zapewnia moduł śledzenia maksymalnego punktu mocy MPPT (Maximum Power Point Tracking) oraz moduł sterowania zimnym startem. Sposób działania MPPT został opisany w poprzednim artykule [S49].

Poprzez ustawienie cyfrowych wejść konfiguracji wybierany jest punkt pracy wejścia R_MPP[2:0] (35%...80%) oraz parametry czasowe T_MPP[1:0]. Możliwa jest też praca ze stałą rezystancją poprzez dołączenie rezystora RZMPP. Sposób rozpoczęcia pracy układu AEM10330 został pokazany na rysunku 4.

Rysunek 4. Sposób rozpoczęcia pracy układu AEM10330 [3]

Układ jest w stanie RESET gdy wszystkie wyprowadzenia energetyczne są na niskim poziomie napięcia (rozładowane kondensatory). Gdy napięcie wejściowe przekroczy 275 mV a moc 3 μW (zimny start) to układ wchodzi w stan WAKE-UP. Teraz układ zapewnia pracę w bardzo dużym zakresie napięcia VIN od 100 mV do 4,5 V.

Gdy napięcie VINT, na wyjściu przetwornicy, osiągnie 2,2 V układ przechodzi do stanu START. Teraz w zależności od ustawienia wejścia STO_PRIO wyjście przetwornicy jest dołączane do wyjścia obciążenia LOAD lub wyjścia ładowania elementu magazynującego energię STO. Przy preferencji wyjścia LOAD, po osiągnięciu na nim ustawionego napięcia roboczego i nadwyżce mocy dostarczanej z wejścia, wyjście przetwornicy jest cyklicznie dołączane do wyprowadzenia STO. Przy preferencji wyjścia STO też działa ładowanie, ale przy odłączonym wyjściu LOAD. Po naładowaniu elementu magazynującego energię układ przechodzi do podstawowego stanu SUPPLY. Jeśli obciążenie dołączone do wyjścia LOAD pobiera więcej mocy niż dostarczane jest z wejścia SRC (na przykład nagły impuls prądowy), to przetwornica DC/DC automatycznie pobiera energię z wyprowadzenia STOR. Jeśli napięcie na tym wyprowadzeniu spadnie poniżej progu (nawet do 0,2 V dla kondensatorów) to układ przechodzi w stan SHUTDOWN, a potem RESET (rysunek 5). Układ można wprowadzić w stan SLEEP z wyłączoną przetwornicą.

Rysunek 5. Sposób zakończenia pracy układu AEM10330 [3]

Układ można skonfigurować (STO_CFG[3:0]) z różnymi napięciami (od 1,50 V do 4,35 V) do pracy z pojedynczym lub podwójnym superkondensatorem (stos), akumulatorami, jak: Li-Ion, LiFePO4, Ni-MH, NGK, Ni-Cd, Tadiran TLI1020A oraz HLC1020. Układ zawiera balanser zapewniający wyrównanie napięcia na dwóch szeregowo połączonych (tanich) superkondensatorach.

Konfigurowanie wyjścia (LOAD_CFG[2:0]) pozwala ustawić napięcie wyjściowe 1,20/1,61/1,79/2,5/3,28 V. Wbudowane są konfigurowane mechanizmy zabezpieczające przed nadmiernym naładowaniem i nadmiernym rozładowaniem. Jest możliwość zastosowania niestandardowych ustawień przy użyciu zewnętrznych rezystorów (R1...R4).

Przetwornica DC/DC bardzo niskiej mocy może pracować w trzech konfiguracjach, automatycznie przełączanych:

• tryb podwyższania, gdy VIN < VOUT – 250 mV,
• tryb obniżania, gdy VIN > VOUT + 250 mV,
• tryb podwyższania-obniżania, w pozostałym zakresie napięć.

Wejście EN_HP wybiera tryb pracy przetwornicy DC/DC optymalizowany dla niskiego i wysokiego poboru mocy: LOW PWER – 30 mA, HIGH PWER – 60 mA.

Układ integruje wszystkie elementy aktywne potrzebne do zasilania typowego modułu czujnikowego Internetu Rzeczy. Wystarczy dołączyć trzy kondensatory i jeden dławik. Do wyprowadzenia STO musi być dołączony akumulator lub kondensator o pojemności minimum 100 μF. W przeciwnym wypadku układ może zostać uszkodzony. Kondensator na wyjściu LOAD (min 40 μF) redukuje poziom tętnień oraz poprawia pracę przy obciążeniach impulsowych. Układ ma cztery wyprowadzenia z sygnałami statusu. Sygnały statusu ST_STO, ST_STO_RDY and ST_STO_OVDIS dostarczają informacji o poziomie napięcia na elemencie magazynującym energię, a sygnał ST_LOAD na wyjściu LOAD:

ST_STO:

• Poziom wysoki (VSTO) gdy napięcie VSTO zwiększy się powyżej VCHRDY.
• Poziom niski (GND) gdy napięcie VSTO spadnie poniżej VOVDIS.

ST_STO_RDY:

• Poziom wysoki (VLOAD) gdy napięcie VSTO jest powyżej VCHRDY.
• Poziom niski (GND) gdy napięcie VSTO jest poniżej VCHRDY.

ST_STO_OVDIS:

• Poziom wysoki (VLOAD) gdy napięcie VSTO spadnie poniżej VOVDIS. Oznacza to rozładowanie elementu magazynującego energię i układ wchodzi w stan SHUTDOWN. Wyjście jest ustawione w stan wysoki cały czas, gdy układ jest w stanie SHUTDOWN.
• Poziom niski (GND) gdy napięcie VSTO jest powyżej VOVDIS.

ST_LOAD:

• Poziom wysoki (VLOAD) gdy napięcie VLOAD zwiększy się powyżej VLOAD,TYP.
• Poziom niski (GND) gdy napięcie VLOAD spadnie poniżej VLOAD,MIN

Gdy układ jest w stanie RESET wszystkie sygnały statusu mają poziom niski.

Układ AEM10330 jest dostarczany w obudowie QFN40 z zakresem temperatur roboczych od –40°C do 125°C. Układ AEM10300 jest uproszczoną wersją (w obudowie QFN28) bez wyprowadzenia LOAD i z bardzo zbliżonymi możliwościami funkcjonalnymi oraz parametrami pracy. Dla obu układów dostępny jest fabryczny zestaw uruchomieniowy udostępniający wszystkie wyprowadzenia układu scalonego na standardowych pinach, z możliwością łatwej konfiguracji pracy [3].

Zestaw ewaluacyjny EVK10330

E-peas oferuje zestawy ewaluacyjne przeznaczone do pozyskiwania energii słonecznej z układami AEM10900 i AEM10941 a także nowej generacji AEM10300 [1]. Dla układu AEM10330 jest przeznaczona płytka EVK10330 [2]. Płytka jest już dostępna u dwóch dystrybutorów: Mouser i DigiKey. Szczegółowy opis płytki zawiera dokument „AEM10330 Evaluation Board User Guide” [4]. Jednak do skonfigurowania płytki trzeba także korzystać z opisu układu scalonego w dokumencie AEM10330 DATASHEET [3].

Rysunek 6. Złącza płytki EVK10330 firmy E-peas [4]

Na rysunku 6 zostały pokazane wszystkie złącza płytki, zworki oraz punkty testowe z opisami ich funkcji i sposobem podłączenia elementów zewnętrznych.

Kolejność postępowania przy pracy z płytką EVK10330

1. Zresetuj płytkę – dołącz do GND następujące punkty testowe: VINT, LOAD, STO oraz SRC. Spowoduje to rozładowanie kondensatorów na płytce.

2. Skonfiguruj współczynnik MPP według tabeli 1 (typowe ustawienie: R_MPP[2:0] = 110 (90%); pozostaw wyprowadzenie ZMPP nie podłączone).

Jeśli wybrana jest pozycja ZMPP to zamiast pracować ze stosunkiem napięcia obwodu otwartego, AEM10330 może regulować impedancję wejściową konwertera DC/DC tak, aby pasował do stałej impedancji RZMPP podłączonej do wyprowadzenia ZMPP (rysunek 3).

W tym przypadku AEM10330 reguluje napięcie VSRC na poziomie, który jest iloczynem rezystancji RZMPP i prądu dostępnego na wejściu SRC gdzie:

10 Ω ≤ RZMPP ≤ 100 kΩ

3. Skonfiguruj czasy T_MPP dla MPP według tabeli 2 (typowe ustawienie: T_MPP[1:0] = 01 (okres próbkowania MPP 4,5 s; czas próbkowania MPP 70,8 ms).

4. Skonfiguruj parametry napięciowe LOAD_CFG wyjścia LOAD według tabeli 3 (typowe ustawienie: LOAD_CFG[2:0]=000 (VLOAD = 3,3 V).

5. Skonfiguruj STO_CFG – parametry elementu magazynującego energię (akumulator/kondensator) STO_CFG według tabeli 4 (typowe ustawienie: STO_CFG[3:0] = 0011 (superkondensator dwukomorowy 2,7 V), wymaga skonfigurowania wyprowadzenia BAL).

6. Skonfiguruj wyprowadzenie BAL:

• jeśli używany jest akumulator lub pojedynczy superkondensator to wyprowadzenie BAL należy dołączyć do GND. Na płytce należy założyć zworę pomiędzy pozycję BAL i GND;
• w przypadku stosowania podwójnego superkondensatora wyprowadzenie BAL należy dołączyć do środka szeregowego połączenia kondensatorów (rysunek 2). Na płytce należy założyć zworę pomiędzy pozycję BAL i ToCN;
• oba szeregowo połączone superkondensatory powinny mieć tą samą pojemność. W praktyce, nawet elementy tej samej serii mają rozrzut pojemności. Należy tak je dobrać aby spełniona była zależność (C2/C1) × VCHRDY ≥ 0,9V.

7. Skonfiguruj EN_HP – tryb pracy przetwornicy DC/DC. Wejście EN_HP wybiera tryb pracy przetwornicy DC/DC optymalizowany dla niskiego i wysokiego poboru mocy:

• EN_HP = GND: LOW PWER 30 mA,
• EN_HP = VINT: HIGH PWER 60 mA.

8. Skonfiguruj STO_PRIO – priorytet wyboru wyprowadzenia dołączonego do wyjścia DC/DC w stanie START:

• STO_PRIO = VINT: wyjście przetwornicy dołączone do wyjścia STO ładowania elementu magazynującego energię;
• STO_PRIO = GND: wyjście przetwornicy dołączone do wyjścia LOAD.

9. Skonfiguruj EN_STO_FT – możliwość pracy przetwornicy DC/DC z bezpośrednim połączeniem:

• EN_STO_FT = GND: praca normalna;
• EN_STO_FT = VINT: gdy napięcie VSRC >4 V układ monitoruje wejście SRC. Gdy napięcie zwiększy się powyżej 5 V elementu magazynującego energię dołączony do wyprowadzenia STO jest ładowany bezpośrednio z wejścia SRC. Do czasu gdy napięcie VSRC spadnie poniżej 5 V lub element magazynujący zostanie w pełni naładowany.

Uwaga: Połączenie nie jest aktywne w trakcie próbkowania MPP. Dlatego wejście SRC powinno być dodatkowo zabezpieczone przed przepięciem powyżej 5,5 V, np. z zastosowaniem diody Zenera.

10. Skonfiguruj EN_STO_CH – wyłączenie ładowania elementu magazynującego energię:

• EN_STO_CH = LOAD: normalne ładowanie STO;
• EN_STO_CH = GND: ładowanie elementu magazynującego energię dołączonego do wyprowadzenia STO jest wyłączone. Układ dalej zasila wyprowadzenie LOAD z wejścia SRC lub wyprowadzenia STO.

Uwaga: Podczas pracy układu w stanie START element magazynujący energię dołączony do wyprowadzenia STO jest ładowany do napięcia VCHRDY. Oznacza to jednokrotne naładowanie elementu magazynującego energię dołączonego do wyprowadzenia STO podczas startu pracy.

11. Skonfiguruj EN_SLEEP – wyłączenie możliwości przejścia w stan SLEEP:

• EN_SLEEP = LOAD: jeśli VLOAD > VLOAD,MIN oraz VINT > 2,2 V to układ przechodzi do stanu SLEEP. Jeśli któreś napięcie spadnie to układ powraca do podstawowego stanu SUPPLY;
• EN_SLEEP = GND: układ nie wchodzi w stan SLEEP.

12. Dołącz element magazynujący energię (akumulator/kondensator) do wyprowadzenia STO według ustawienia parametrów elementu magazynującego energię STO_CFG.

13. Dołącz obciążenie do wyprowadzenia LOAD.

14. Dołącz źródło energii (DC) do wyprowadzenia SRC.

Uwagi:

• Płytka drukowana zestawu EVK jest przeznaczona dla różnych układów scalonych. Wersja dla układu AEM10330 nie obsługuje wejścia PRIM i zworki PRIM_FB.
• Nie pozostawiaj niepodłączonych wyprowadzeń PRIM_FB, PRIM, BAL oraz EN_SLEEP.
• Wartości w tabeli 3 i tabeli 4 zamieszczone w AEM10330 Datasheet [3] i AEM10330 Evaluation Board User Guide [4] są różne. Nie udało się ustalić które bardziej odpowiadają rzeczywistości.
• Rekomendowane ustawienia napięć wejść konfiguracyjnych układu AEM10330 są zamieszczone w tabeli 5.

Skonfigurowanie pracy płytki EVK10330 z superkondensatorem

Opis przykładowej konfiguracji pracy z superkondensatorem jest zamieszczony w rozdziale 9 dokumentu AEM10330 DATASHEET [3]. Tam jest także pokazane przykładowe skonfigurowanie pracy z akumulatorem. Próby zostały przeprowadzone z płytką EVK10330 w następującej konfiguracji:

• R_MPP[2:0] = 110: współczynnik MPP 90%;
• T_MPP[1:0] = 01: okres próbkowania MPP 4,5 s; czas próbkowania MPP 70,8 ms;
• STO_CFG[3:0] = 0011: superkondensator (dwukomorowy): VOVCH = 4,65 V; VCHRDY = 1,00 V; VOVDIS = 0,20 V;
• BAL: Zwora pomiędzy pozycje BAL i ToCN (środek szeregowego połączenia superkondensatorów);
• LOAD_CFG[2:0] = 000: VLOAD = 3,3 V;
• STO_PRIO = H (dołączony do VINT): ładuj wyprowadzenie STO przed LOAD;
• EN_SLEEP = L (dołączony do GND): układ AEM10330 nie wchodzi w stan SLEEP;
• EN_STO_CH = H (dołączony do LOAD): Normalne ładowanie STO;
• EN_HP = H (dołączony do VINT): HIGH PWER 60 mA;
• EN_STO_FT = L(dołączony do GND): Praca normalna.

Zastosowane elementy zewnętrzne:

• STOR: do wyprowadzenia STOR zostały dołączone dwa szeregowo połączone superkodensatory 60 F (2,8 V). Miejsce ich połączenia zostało dołączone do wyprowadzenia BAL;
• SRC: do wejścia SRC został dołączony panel słoneczny;
• LOAD: do wyjścia LOAD został dołączony rezystor 10 kΩ.

Uwaga: Aby szybko przejść do podstawowego trybu pracy układu AEM10330 to element magazynujący energię (akumulator/kondensator), dołączony do wyprowadzenia STO, powinien być wstępnie naładowany.

Praca z płytką EVK10330

Zostały przeprowadzone próby z płytką EVK10330 dołączoną do różnych paneli słonecznych. Panele umieszczone były za szybą w oknie z wystawieniem południowo-zachodnim w terenie częściowo ocienionym drzewami. Na początku zastosowano panel monokrystaliczny DFR0579 (DFRobot): rozmiar 50×50 mm, napięcie obwodu otwartego Voc = 2,4 V, prąd zwarciowy Isc = 190 mA. W warunkach sporego zaciemnienia okazał się zbyt mało wydajny.

Następnie został zastosowany panel 1 W, 5 V (AliExpress) o rozmiarach 60×110 mm. Pomimo dobrej pracy w cieniu problemem okazała się praca z dużym oświetleniem. Napięcie na panelu w trakcie próbkowania MPPT przekraczało dopuszczalny poziom 4,5 V (absolutne maksimum 5,5 V). W celu zabezpieczeniu wejścia została zastosowana równolegle do panelu dioda Zenera 4,7 V. Dioda skutecznie ograniczała napięcie wejściowe w trakcie próbkowania MPPT do 4,7 V ale powodowało to ustawienie zbyt niskiego napięcia pracy panelu, jak na warunki oświetlenia. W rezultacie skuteczność poboru mocy była kiepska. Zresztą, automatyka układu AEM10330 nie działała w tych warunkach zbyt pewnie.

Rysunek 7. Praca zestawu EVK10330 z panelem słonecznym LL200-24-75

Kolejny zastosowany panel elastyczny z krzemu amorficznego to LL200-2.4-75 (PowerFilm) o rozmiarach 94,0×73,0×0,22 mm, Voc = 3,7 V. Panel jest przeznaczony do pracy we wnętrzach i ma dobre parametry w warunkach niskiego poziomu oświetlenia: 200 Lux 1,6 V, 0,181 mA (średnie Voc: 2,4 V, Isc: 0,2 mA), 1000 Lux 2,1 V, 0,904 mA (średnie Voc: 2,7 V, Isc: 1,2 mA). Na rysunku 7 (CH1 Vin, CH2 Vstor, CH3 Vout) została pokazana praca zestawu EVK10330 z panelem słonecznym LL200-2.4-75 o godz. 8 rano w cieniu. Napięcie z panelu ok. 1,295 V i prąd ok. 0,12 mA. Zastosowano dwa superkondensatory 60 F połączone szeregowo. Pomimo niedługiego czasu od rozpoczęcia ich ładowania (Vstor ok. 1,753 V) układ dostarcza napięcia wyjściowego Vout ok. 3,26 V. Po godzinie 10 panele zostały oświetlone co spowodowało o godz. 15 naładowanie kondensatorów do napięcia 4,26 V (czyli prawie pełne).

Rysunek 8. Praca zestawu EVK10330 z dwoma panelami słonecznym LL200-24-75

Została podjęta próba zwiększenia wydajności pozyskiwania energii poprzez zastosowanie dwóch takich samych paneli połączonych równolegle i wystawionych obok siebie na podobne warunki oświetlenia. Rezultat jest pokazany na rysunku 8 przy pracy w warunkach zmiennego oświetlenia południowym słońcem (machają gałęzie). W przebiegu napięcia wejściowego i Vstor widać czasami dużą amplitudę szybkich zmian impulsowych wywołanych pracą przetwornicy podwyższającej. Przy napięciu Voc = 3,4 V prąd wejściowy osiąga ponad 25 mA. Układ raczej tylko doładowuje naładowane kondensatory (4,37 V). Dlatego pomimo dosyć wysokiego poziomu mierzonego napięcia Voc = 3,41 V (wysokie szpilki) automatyka MPPT utrzymuje poziom pracy z dosyć niskim napięciem. W napięciu wyjściowym występuje zwiększony poziom tętnień (32 mV). Sugeruje to konieczność dodatkowej filtracji napięcia wyjściowego w praktycznych zastosowaniach zasilania układów elektronicznych.

Podsumowanie

Układ EVK10330 ma olbrzymią zaletę w stosunku do innych testowanych układów pozyskiwania energii fotowoltaicznej poprzez brak konieczności stosowania rezystorów konfiguracyjnych o wysokiej rezystancji [S51]. Cała konfiguracja (w typowych warunkach pracy) jest zadawana cyfrowo. Układ jest kompatybilny z układem AEM30330 pozyskiwania energii z sygnału elektromagnetycznego (RF) oraz energii wibracyjnej (piezo). Właściwie jedyna różnica dotyczy parametrów pracy automatyki MPPT – zmiana parametrów czasowych dwóch ustawień w tabeli 2.

Układ EVK10330 jest pierwszym z kilku testowanych układów pozyskiwania energii fotowoltaicznej, który działa zgodnie z obietnicami producentów. Układ uzyskał imponujący wynik, którego nie udało się uzyskać przez inne testowane układy pozyskiwania energii. Przez 10 dni zestaw z czterema kondensatorami 60 F pracował z obciążeniem 10 kΩ (0,33 mA) bez przerwy. Większość dni był zacieniona lub pochmurna. Tylko nieliczne okresy były słoneczne. Na pięcie na kondensatorach osiągnęło maksymalny poziom 4,48 V ze spadami po nocy do typowo ok. 3,9 V. Zastosowane obciążenie odpowiada pracy typowego układu IoT z rzadkim powtarzaniem pomiaru i transmisji wyników. Przeprowadzone próby pokazują realną możliwość zastosowania energii solarnej do zasilania urządzeń IoT (już teraz).

Henryk A. Kowalski
Instytut Informatyki
Politechnika Warszawska