Przetwornice w systemach pozyskiwania energii

Przetwornice w systemach pozyskiwania energii

Łańcuch jest tylko tak wytrzymały, jak wytrzymałe jest jego najsłabsze ogniwo. Analogicznie jest w systemach zasilania – będzie on na tyle energooszczędny i wysoko sprawny, na ile pozwoli jego najmniej wydajny energetycznie element. Jest to szalenie istotne w systemach pozyskujących energię z otoczenia, gdyż każdy miliwat mocy jest na wagę złota. Nie marnujmy go na kiepskie przetwornice.

Pozyskiwanie energii z otoczenia stosowane jest bardzo dawna. Większość z nas wciąż powinna pamiętać kieszonkowe kalkulatory z lat 80. i 90. z ogniwami słonecznymi, zasilającym jednostkę obliczeniową oraz wyświetlacz LCD urządzenia. A jeszcze znacznie wcześniej energia była pozyskiwana we wczesnych dniach rewolucji elektrycznej, poprzez generatory elektryczne umieszczane w młynach rzecznych zasilanych spiętrzoną wodą.

Dzisiaj, kiedy mówimy o pozyskiwaniu energii, zwykle mamy na myśli zastąpienie baterii w sprzęcie elektronicznym innym systemem, który uzyska energię z najbliższego otoczenia. W tym kontekście przykład kalkulatora zasilanego ogniwem fotowoltaicznym pasuje idealnie i niewiele różni się od tego, co próbujemy osiągnąć dzisiaj dzięki pozyskiwaniu energii.

Konfiguracja systemu pozyskiwania energii

Najważniejszym elementem w systemach pozyskiwania energii jest sam element zbierający energię. Najpowszechniejszym z nich jest nadal ogniwo słoneczne. Energia elektryczna wytwarzana przez ten element musi następnie zostać przekształcona w użyteczne napięcie lub prąd do zasilania systemu lub ładowania pośrednich komponentów magazynujących energię, takich jak na przykład superkondensatory czy akumulatory.

Rysunek 1. Konfiguracja systemu pozyskiwania energii

Aby system był poprawnie zasilany, konieczne jest ustabilizowanie prawidłowego napięcia dla elektroniki. Na rysunku 1 został pokazany moduł zarządzania zasilaniem, który realizuje wiele różnych zadań. Pierwszym jego zadaniem jest dopasowanie impedancji wejściowej w celu uzyskania maksymalnej ilości zebranej energii. Kolejne zadania to ładowanie pośredniego magazynu energii, kierowanie mocy z konwencjonalnej baterii pierwotnej (jeśli takowa występuje w systemie) i finalnie stabilizowanie docelowego napięcia wyjściowego dla systemu oraz monitorowanie przepływów prądu i napięć w celu zwiększenia niezawodności całego systemu.

Wszystkie te zadania muszą być zrealizowane przy bardzo małej mocy zasilania, aby system mógł współpracować z małym systemem pozyskiwania energii i energooszczędnymi sensorami. Wysoki poziom integracji tych funkcji w przetwornicy DC/DC może pomóc w zmniejszeniu mocy potrzebnej do takich zadań.

System z rysunku 1 to typowy układ pozyskiwania energii dla bezprzewodowego czujnika środowiskowego. Czujniki te są zwykle używane do pomiaru temperatury, wilgotności lub stężenia albo obecności różnych gazów w atmosferze, takich jak np. CO2. Istnieje wiele innych zastosowań systemów do pozyskiwania energii. Zastosowania przemysłowe można znaleźć np. w systemach bezpieczeństwa i nadzoru w postaci bezprzewodowych czujników obecności lub w monitorowaniu przemysłowym, takim jak śledzenie zasobów i monitorowanie stanu maszyn. Pozyskiwanie energii jest również stosowane w elektronice użytkowej, na przykład w urządzeniach przenośnych i elektronice do noszenia. W systemach domowej opieki zdrowotnej bezprzewodowe monitorowanie pacjenta musi działać zupełnie bez baterii lub pozwolić na znaczne wydłużenie jej żywotności.

Współcześnie pozyskiwanie energii jest bardzo popularnym zagadnieniem. Wielu inżynierów musi analizować, czy rozwiązanie do pozyskiwania energii może zastąpić lub uzupełnić istniejące rozwiązanie zasilania w jego systemie. Powodem, dla którego takie systemy są dziś tak popularne, jest to, że w końcu osiągamy punkt przecięcia, w którym rosnąca cały czas moc, pobierana ze stosunkowo tanich i niewielkich systemów do zbierania energii wystarcza do zasilania mikrokontrolerów i obwodów RF, których pobór mocy cały czas maleje, dzięki rozwojowi nowoczesnych technologii półprzewodnikowych itp. To, co dziesięć lat temu było nierealistyczne, obecnie nie dość, że jest technicznie możliwe, to w dodatku jest to ekonomicznie wykonalne.

Różne źródła energii

Istnieją różne źródła energii w otoczeniu urządzeń elektronicznych, jakie mogą posłużyć do ich zasilania. Najpopularniejsze systemy zbierania energii to fotowoltaika (PV), generatory termoelektryczne (TEG), a w dalszej kolejności energia elektromagnetyczna, piezoelektryczna i promieniowania fal radiowych.

Systemy fotowoltaiczne i termoelektryczne generują napięcie stałe, podczas gdy komponenty elektromagnetyczne, piezoelektryczne i RF generują napięcia zmienne lub przemienne. To sprawia, że wymagania dotyczące technologii konwersji mocy są nieco inne.

Rysunek 2. Różne źródła energii i wymagania energetyczne różnych aplikacji

Na rysunku 2 pokazano różne rodzaje źródeł energii i związane z nimi ilości energii, którą można z grubsza wytworzyć przy użyciu systemu o wielkości 10 cm2. Po lewej stronie pokazano źródła energii, a po prawej zużycie energii przez różne rodzaje urządzeń. Skala (na środku) jest skalą logarytmiczną, co podkreśla ogromne różnice pomiędzy poszczególnymi rodzajami źródeł energii. Ten schemat jest bardzo ważny, ponieważ pozwala uzyskać realistyczne wyobrażenie o wykonalności danego pomysłu. Często projektanci wkładają sporą pracę i wysiłek w ocenę rozwiązania do pozyskiwania energii tylko po to, aby dowiedzieć się, że zebrana przez nie energia nijak nie wystarczy do zasilania projektowanego systemu.

Znaczenie przetwornicy impulsowej DC/DC

Przetwarzanie energii i zarządzanie to podstawowe zadania nowoczesnych systemów pozyskiwania energii. Niektóre aplikacje nie korzystają z zaawansowanych urządzeń zasilających, jednak większość z nich tak właśnie działa.

Przykładami systemów bez inteligentnego zarządzania energią są stosy połączonych szeregowo ogniw słonecznych generujących stosunkowo wysokie napięcie prądu stałego do bezpośredniego zasilania systemu lub z prostym stabilizatorem liniowym pomiędzy nimi.

Takie systemy zwykle nie mają optymalnej sprawności energetycznej lub nie mają dokładnie stabilizowanego napięcia zasilania. Podczas gdy niektóre obciążenia mogą działać przy bardzo zmiennym napięciu zasilania, inne nie. Nowoczesne, bardzo zaawansowane systemy wymagają jakiejś formy przetwornicy napięcia i bloku zarządzania zasilaniem.

Rysunek 3. Schemat blokowy urządzenia do zarządzania energią do zastosowań związanych z gromadzeniem energii

Na rysunku 3 został pokazany schemat blokowy nowoczesnego systemu do zarządzania energią do zastosowań związanych z gromadzeniem energii zbieranej z otoczenia. Zawiera obwód rozruchowy z pompą ładującą umożliwiającą osiągnięcie napięcia startu równego 380 mV na wejściu. Gdy system jest uruchomiony, wewnętrzne obwody ADP5090 są zasilane z napięcia wyjściowego ADP5090. Jest to punkt, który zasila również obciążenie sekcji pozyskiwania energii. Gdy wartość napięcia w tym punkcie przekracza 1,9 V, napięcie wejściowe może spaść nawet do 80 mV, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości pozyskiwania energii. Jest to bardzo pomocne w systemach, które spędzają dużo czasu w nieoptymalnych warunkach. Na przykład czujnik wewnętrzny zasilany ogniwami słonecznymi.

W godzinach porannych i wieczornych na ogniwie słonecznym może być bardzo mało światła, które wytwarza bardzo mało energii elektrycznej. Wykorzystanie tego czasu do zebrania pewnej ilości energii może pomóc w całkowitym budżecie mocy w danym okresie.

Rysunek 4. Typowy czas, jaki czujnik spędza w ciemności w różnych lokalizacjach budynków mieszkalnych

Innym aspektem, który pomaga w takich sytuacjach, jest niski prąd spoczynkowy układu ADP5090. Podczas stanu alarmowego, pobór prądu wynosi tylko 260 nA. Na rysunku 4 pokazano typową aplikację takiego systemu w rzeczywistym układzie. Wykres zawiera różne miejsca w budynku mieszkalnym i typowe czasy, jakie czujnik z ogniwem słonecznym spędza w ciemności w danej lokalizacji. Oczywiście, są to tylko typowe, średnie wartości. Realnie, ilość światła, jaką zobaczy konkretny moduł, zależy ściśle od rozkładu domu, liczby okien, ilości używanego światła elektrycznego i dokładnej lokalizacji czujników. Również pora roku i lokalizacja domu będą miały wpływ na przedstawione zależności. W tak zmiennych warunkach oświetleniowych niski pobór mocy układu ADP5090 ogromnie pomaga w oszczędzaniu energii, szczególnie w systemach, które spędzają większość czasu w ciemności.

Sekcja przetwornicy DC/DC w ADP5090 jest dość interesująca. Ma ona pętlę regulacyjną, tak jak większość układów przetwornic impulsowych, nie reguluje ona jednak ani napięcia ani prądu wyjściowego. Pętla regulacji jest przede wszystkim skonfigurowana tak, aby stabilizować impedancję wejściową przetwornicy. Wynika to z charakteru ogniw fotowoltaicznych i innych źródeł energii, zbieranej z otoczenia.

Rysunek 5. Wykres napięcia i prądu typowego ogniwa fotowoltaicznego

Zachowanie typowego ogniwa fotowoltaicznego w funkcji natężenia i napięcia, pokazano na rysunku 5. W warunkach otwartej pętli, bez przepływu prądu, napięcie na ogniwie jest maksymalne. Następnie, gdy prąd zaczyna płynąć, napięcie spada. Przy bardzo wysokich prądach napięcie bardzo gwałtownie spada. W środku krzywej znajduje się punkt przegięcia, które jest punktem, w którym występuje maksymalna moc. Jest to punkt, w którym napięcie jest nadal stosunkowo wysokie, ale także, w którym pobierany jest dość duży prąd.

Aby działać w pobliżu maksymalnego punktu mocy szczytowej, układ musi cały czas śledzić ten punkt. Samo ustawienie stałej wartości prądu, którą jest pobierany z ogniwa, nie zadziała, ponieważ krzywa danego ogniwa słonecznego (rysunek 5) będzie się przesuwać w zależności od różnych warunków oświetlenia. Aby śledzić MPP (maksymalny punkt mocy szczytowej), układ ADP5090 przestaje przewodzić prąd na wejściu, sprawdza napięcie ogniwa słonecznego bez obciążenia, a następnie ustawia MPP na następne 16 sekund.

Po upływie tego czasu kontrola napięcia w otwartej pętli jest wykonywana ponownie. Szesnaście sekund okazuje się być dobrym kompromisem między oddalaniem się od MPP a zbyt częstym przerywaniem zbierania energii.

Śledzenie MPP zapewnia, że maksymalizowana jest ilość energii, pobierana ze źródła, takiego jak ogniwo fotowoltaiczne lub generator termoelektryczny. Jednak jednostka zarządzania energią ma również dodatkowe zadania. Na przykład musi kontrolować napięcie wyjściowe. ADP5090 działa jak źródło prądu do ładowania superkondensatorów lub akumulatorów. Ten element jest ważny, gdyż pozwala oddzielić pozyskiwanie energii od jej zużycia. Dzięki temu wiele systemów, które nie mają stałego źródła dostępnej energii, może zbierać i wykonywać określone zadania systemowe w określonych odstępach czasu. Na przykład czujnik w bezprzewodowej sieci czujników, który musi wysyłać wartości temperatury, co pięć minut. Jeśli czujnik jest zasilany ogniwem słonecznym, może nadal działać w czasie ciemności, dzięki zgromadzonej w ogniwach czy kondensatorach energii elektrycznej.

Dość popularna obecnie architektura omawianych systemów bazuje na dołączaniu pozyskiwania energii do systemów zasilanych baterią z ogniwami do magazynowania energii. Tego rodzaju produkty zawierające jednorazową baterię (bez możliwości ładowania) mogą przedłużyć żywotność systemu dzięki zbieraniu energii z otoczenia, co pozwala na oszczędzanie energii baterii. Zapewnia to wydłużony czas pracy bez pogorszenia niezawodności systemu. W przypadku systemów hybrydowych układy takie jak ADP5090 oferują możliwość sterowania ogniwem podstawowym. Gdy nie ma wystarczającej ilości zebranej energii, ścieżka zasilania jest kierowana do bezpośredniego zasilania obciążenia z baterii.

Kompletny stopień mocy do pozyskiwania energii, poza głównym układem scalonym do zbierania energii ADP5090 MPPT, zawiera także układ ADP5310. Jest to przetwornica impulsowa DC/DC, która bardzo wydajnie generuje dwa napięcia wyjściowe. Sprawność jest bliska 90% przy prądzie wyjściowym na poziomie 100 μA. Dodatkowo przetwornica ADP5310 ma również zintegrowany jeden przełącznik obciążenia. Ten klucz może być używany do wyłączania obciążeń, które w przeciwnym razie stale zużywałyby energię, nawet, gdy nie są używane.

Przetwornica obniżająca napięcie ADP5310 może przyjmować napięcia wejściowe do 15 V. Dzięki temu urządzenie może być używane bezpośrednio w generatorach napięcia przemiennego, takich jak generatory piezoelektryczne lub elektromagnetyczne. Potrzebny jest tylko mostek prostowniczy, a napięcie wyjściowe może być podawane bezpośrednio do ADP5310.

Obecnie dostępnych jest na rynku wiele układów scalonych do zarządzania zasilaniem, które zostały specjalnie zaprojektowane do użytku w zastosowaniach związanych z gromadzeniem energii i pozyskiwaniem jej z otoczenia. Umożliwiają one pracę systemów z mniejszymi systemami do zbierania energii lub umożliwiają wykorzystanie rozwiązań w zakresie systemów pozyskiwania energii, których nie można było zaprojektować jeszcze kilka lat temu. Projektanci systemów mają świetne pomysły, które są obecnie wdrażane i które będziemy mogli zobaczyć i podziwiać w niedalekiej przyszłości.

Nikodem Czechowski, EP

Źródło: https://bit.ly/3If88a2

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
grudzień 2021

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń - luty 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje grudzień 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów