Управление питанием от одиночного фотоэлемента

Источниками внешней энергии, которую можно аккумулировать, является электрическая энергия, механические вибрации, разность температур и свет. Компания Linear Technology поставляет решения по управлению питанием, которые позволяют решать задачи, специфичные для приложений по аккумуляции энергии. К этим решениям относится LTC 3588 для работы с источниками вибраций, LTC3108/LTC3109 — для источников тепловой энергии и LTC3105 — для фотоэлектрических систем.
Фотоэлектрические системы нашли широкое применение благодаря повсеместному распространению света. Их стоимость относительно невелика, и они генерируют достаточно большое количество энергии по сравнению с другими решениями по аккумуляции энергии из внешней среды. Благодаря относительно высокой выходной мощности фотоэлектрические установки используются для питания беспроводных датчиковых сетей и как зарядные устройства, которые позволяют увеличить срок службы батарей.
Если высоковольтные батареи последовательно соединенных фотоэлементов нашли широкое применение, решения на основе одного фотоэлектрического элемента по-прежнему редки из-за сложностей, связанных с поддержанием на шине питания стабильного напряжения при очень низком напряжении, которое фотоэлемент создает под нагрузкой. Выпускается лишь несколько повышающих преобразователей, способных работать при таком низком напряжении и высоком импедансе фотоэлектрического элемента, однако с этой целью применяется специально разработанная микросхема LTC3105. Благодаря очень низкому напряжению запуска величиной 250 мВ и программируемому управлению максимальной величиной мощности LTC3105 устанавливает типовое напряжение в диапазоне 1,8–5 В, пригодное для питания большинства приложений.

Эквивалентная схема фотоэлектрического источника питания в первом приближении представлена на рисунке 1. Более сложные модели, учитывающие вторичные эффекты, в этой публикации не рассматриваются.

Рис. 1. Эквивалентная схема простейшего фотоэлемента

Фотоэлемент характеризуют два стандартных параметра — напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Типичные кривые тока и напряжения фотоэлемента представлены на рисунке 2. Следует заметить, что ток короткого замыкания представляет собой ток генератора (см. рис. 1), а напряжение холостого хода — прямое напряжение диода. При увеличении светового потока ток от генератора увеличивается, и вольтамперные кривые располагаются выше по оси y.

Рис. 2. Типичные ВАХ фотоэлемента

Рис. 3. Типичная кривая мощности фотоэлемента

Для извлечения максимальной мощности от фотоэлемента входное напряжение преобразователя мощности следует согласовать с выходным сопротивлением элемента. На рисунке 3 показана кривая мощности для типичного одноэлементного преобразователя. Для извлечения максимальной энергии выходное напряжение фото­элемента должно соответствовать пиковой мощности. LTC3105 подстраивает поступающий на нагрузку выходной ток таким образом, чтобы поддержать напряжение фотоэлемента на уровне, установленном на управляющем выводе. Таким образом, с помощью одного программирующего резистора задается максимальное значение мощности, обеспечивается ее максимальное извлечение и поступление наибольшего зарядного тока в батарею.

Величина генерируемой фотоэлементом мощности зависит от ряда факторов. Выходная мощность пропорциональна освещенности, площади фотоэлемента и эффективности. Большинство фотоэлементов рассчитано на использование в условиях, когда солнечный свет попадает на поверхность под прямым углом (1000 Вт/м2), однако такие идеальные условия на практике встречаются редко. Максимальная выходная мощность устройств за несколько дней может измениться в 10 раз, что определяется климатическими и сезонными условиями, а также воздействием пыли или изменением угла падения солнечных лучей. Типичное значение выходной мощности кристаллического фотоэлемента в условиях максимального светового потока составляет около 40 мВт/кв. дюйм. Следует заметить, что фотоэлемента площадью в несколько квадратных дюймов достаточно для питания многих датчиков и подзарядки батареи.
В то же время устройства, генерирующие энергию под воздействием искусственного освещения, например, в домах или офисах, вырабатывают в несколько раз меньшую энергию. Даже кристаллический фотоэлемент с высоким КПД и площадью 4 кв. дюйма генерирует не больше 860 мкВт в условиях офисного освещения.

На рисунке 4 показан механизм управления максимальным значением мощности, который реализован в LTC3105. Поскольку спад кривой мощности фотоэлемента (см. рис. 3) после пика намного круче, чем ее нарастание, лучше ошибиться в сторону меньших напряжений, чем оказаться в области правее пика.
При установке рабочей точки на управляющем выводе MPPC (maximum power point control) нельзя забывать о том, что внешние условия эксплуатации фотоэлемента меняется. Как правило, значение максимальной мощности существенно не меняется при изменении освещения, что позволяет установить единственную величину управляющего напряжения в широком диапазоне освещенности. Даже если рабочая точка при максимальной освещенности не вполне совпадает с пиковым значением, выходная мощность отличается от идеального значения в пределах лишь 5–10%.
Для кривой мощности рисунка 5 выбор напряжения на выводе MPPC равным 0,4 В позволяет работать вблизи точки максимальной мощности при любой интенсивности света. Отклонение напряжения от рабочей точки на 20 мВ в обе стороны приводит к потере мощности менее чем на 3%.

Рис. 4. Механизм контроля точки максимальной мощности

Рис. 5. Чтобы избежать резкого падения мощности в условиях неяркого освещения, следует выбирать рабочую точку максимальной мощности в области нарастания кривой

Как правило, управляющее напряжение точки максимальной мощности выбирается равным в диапазоне 75–80% от напряжения холостого хода фотоэлемента. В результате его выходной ток составляет 75–80% от тока короткого замыкания.

Приложения, питающиеся от фотоэлектрических источников света, испытывают нехватку энергии в условиях темноты или слабой освещенности. В большинстве случаев эта проблема решается с помощью накопителей энергии — суперконденсаторов или перезаряжаемых батарей достаточно большой емкости.
На рисунке 6 представлены результаты измерения тока поликристаллического фотоэлемента площадью 50×25 мм, который заряжает литиево-ионную батарею при использовании схемы LTC3105 (см. рис. 7). Верхняя кривая тока зарядки соответствует яркому солнечному дню, тогда как кривая ниже наблюдается в пасмурные дни. Даже в условиях низкой освещенности ток зарядки превышал 250 мкА, благодаря чему суммарный заряд аккумулятора составил 6 мА∙ч.

Рис. 6. Профили заряда литиево-ионной батареи

Рис. 7. Схема зарядки литиево-ионного аккумулятора

Для хранения собранной энергии используются перезаряжаемые батареи и конденсаторы с высокой плотностью энергии. Ни одна из этих технологий не оптимальна для всех приложений. При выборе устройства хранения следует учитывать ряд факторов, в т.ч. скорость саморазряда, максимальные токи заряда и разряда, чувствительность к напряжению и срок службы.
Скорость саморазряда имеет особенное значение в фотоэлектрических системах. В условиях ограниченного в большинстве случаев зарядного тока высокая скорость саморазряда может стать причиной потребления большого количества энергии от фотоэлектрической установки. Ток саморазряда некоторых элементов, используемых для хранения энергии, например суперконденсаторов, может превышать 100 мкА, что значительно снижает заряд, накопленный за весь день.
Другой важной характеристикой устройства для хранения энергии является ток, которым его можно зарядить. Например, при использовании дискового литиевого аккумулятора с максимально допустимым зарядным током в 300 мкА между аккумулятором и выходом LTC3105 требуется установить резистор с большим сопротивлением во избежание перегрузок по току. В результате количество запасенной энергии, доступной для приложения, уменьшается.
Во многих случаях величина зарядного тока непосредственно определяет срок службы устройства для хранения энергии, т.е. время, в течение которого оно функционирует в полевых условиях без обслуживания. Как правило, с увеличением токов заряда и разряда срок службы элемента сокращается. Суперконденсаторы допускают большое количество циклов перезаряда, тогда как батареи, заряжаемые относительно высоким током, характеризуются меньшим сроком службы. Помимо зарядных токов на срок службы оказывает влияние глубина цикла разряда и заряда — чем она больше, тем меньше время жизни устройства для хранения энергии.
Для некоторых типов батарей, в первую очередь, литиевых и тонкопленочных, требуется точный контроль максимального и минимального напряжений. Максимальное напряжение хорошо отслеживается с помощью преобразователя LTC3105, который прекращает заряд, когда на ее выходе начинается процесс регулирования. Для предотвращения чрезмерного разряда батареи LTC3105 используется в паре с шунтовым регулятором заряда LTC4071 (см. рис. 8).

Рис. 8. Литиево-ионное устройство непрерывно заряжается малым током от одиночного фотоэлемента

Преобразователь LTC3105 является законченным однокристальным решением, которое применяется для сбора энергии от недорогих одиночных фотоэлементов. Эта ИС имеет схему контроля точки максимальной мощности и запускается при низком напряжении, что обеспечивает оптимальное извлечение энергии. Преобразователь LTC3105 может применяться не только для питания схем напрямую, но и для зарядки устройств хранения энергии (см. рис. 9) для поддержания работоспособности приложений в темноте или в условиях недостаточной освещенности. Эти ИС позволяют создавать полностью автономные удаленные датчиковые узлы (см. рис. 10), системы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к энергосети и требующие минимального обслуживания.

Рис. 9. Схема заряда NiMH-аккумулятора от одиночного фотоэлемента

Рис. 10. Схема питания беспроводного удаленного датчика от одиночного фотоэлемента