Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Postępy w zakresie systemów zbierania energii

ghost666 01 Lis 2015 22:12 2190 3
  • Zbieranie energii to funkcja, w którą układy elektroniczne wyposażone są od dawna. Kalkulatory z lat '80 XX wieku mają wbudowane ogniwa fotowoltaiczne, które zasilały procesor i wyświetlacz takiego urządzenia, jednakże już przed erą kalkulatorów ludzie starali się wykorzystać każdą, dostępną w przyrodzie energię. Stawiano koła wodne, które generowały prąd etc. Dzisiaj, gdy mówimy o zbieraniu energii, zazwyczaj mamy na myśli źródła, które pozwolić mogą na wyeliminowanie baterii w urządzeniach elektrycznych. Przykład kalkulatora kieszonkowego z ogniwem fotowoltaicznym idealnie wpasowuje się w definicję zbierania energii z otoczenia.

    Budowa układu zbierania (odzyskiwania) energii

    Najważniejszym elementem opisywanego układu jest oczywiście sam element zbierający energię. Najpopularniejszym elementem tego rodzaju jest ogniwo słoneczne. Energia elektryczna wygenerowana przez ten element jest następnie konwertowana to użytecznego poziomu np. napięcia i zasila system lub wykorzystywana jest do doładowywania np. akumulatorów w układzie. Rysunek 1 pokazuje system zarządzania zasilaniem, spełniający wiele różnych zadań. Układ ten dopasowuje impedancje różnych elementów toru zasilania, ładuje pośredni element pozwalający na przechowywanie wygenerowanej energii i przekierowuje ją do ładowania baterii układu lub, po dopasowaniu napięcia do wymaganego poziomu, bezpośrednio do zasilania urządzenia elektronicznego. Wszystkie te zadania muszą być zrealizowane przy bardzo małym poborze energii. Wysoki poziom integracji tych funkcji, wraz z przetwornicą DC/DC pozwala na daleko idące ograniczenie zużycia energii.

    System pokazany na rysunku 1 to typowy układ zbierania energii, jaki spotkać można np. w sensorach bezprzewodowych. Elementy takie zazwyczaj monitorują temperaturę, wilgotność czy stężenie gazów, takich jak np. CO2. Istnieje oczywiście szereg innych aplikacji tej technologii. W przemyśle często używa się bezprzewodowych systemów zabezpieczających czy śledzących pracę maszyn itp.

    Zbieranie energii realizowane może być także w urządzeniach komercyjnych, szczególnie w urządzeniach mobilnych czy elektronice noszonej. Niektóre systemy medyczne, np. dedykowane do monitorowania stanu pacjenta, muszą pracować bez baterii lub z wydłużonym czasem jej użytkowania.

    W dzisiejszych czasach temat zbierania energii z otoczenia jest ogromnie popularny. Wielu inżynierów musi analizować czy w projektowanych przez nich systemach, układ odzyskiwania energii z otoczenia nie mógłby zastąpić aktualnie zastosowanego źródła zasilania. Przyczyną, dla której systemy te są tak popularne, jest fakt, że aktualnie osiągnięty został optymalny stan równowagi pomiędzy wielkością układów do zbierania energii, a ich wydajnością i ilością produkowanej energii. Ilość generowanej energii przez te elementy jest na tyle duża, że mogą one zasilać nowoczesne układy np. nadajniki RF. Dzięki postępowi w tej dziedzinie, stosowanie opisanych systemów stało się ekonomicznie uzasadnione - jeszcze 10 lat temu sytuacja była zgoła odmienna.





    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 1. Przykładowy system zbierania energii.


    Różne rodzaje energii

    Dookoła naszych układów istnieją różne źródła energii, którą można zbierać. Najczęściej układy wykorzystują systemy fotowoltaiczne, termoelektryczne, elektromagnetyczne, piezoelektryczne i RF. Systemy fotowoltaiczne i termoelektryczne z samej swojej zasady działania generują prąd stały, a pozostałe - napięcie zmienne. Oznacza to, że wymagania co do elektroniki im towarzyszącej są odrobinę inne.

    Rysunek 2 pokazuje różne rodzaje zbieranej energii na skali jej ilości generowanej z 10 cm?. Po lewej stronie obrazka wypisane są różne układy do zbierania energii, a po prawej różne systemy (uszeregowane w/g zużycia energii elektrycznej w urządzeniu). Warto zauważyć, że pokazana na środku obrazka skala energii jest logarytmiczna. Dzięki tej ilustracji można łatwo uzmysłowić sobie ile energii można wygenerować i ile energii jest zużywane przez różne elementy układu elektronicznego. Bardzo często jest tak, że projektanci starają się implementować jakiś system zbierania energii w projektowanym układzie, tylko po to, żeby odkryć, że nie produkuje on jej dostatecznie dużo, aby system mógł poprawnie działać.

    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 2. Różne źródła energii do odzyskiwania i różne elementy urządzenia elektrycznego, uszeregowane na logarytmicznej skali zużycia energii.


    Dlaczego przetwornice DC/DC są tak istotne

    Konwersja i zarządzanie energią elektryczną jest zasadniczo głównym zadaniem systemu zbieranie energii elektrycznej z otoczenia. Jakkolwiek część systemów nie używa zbyt wyrafinowanych systemów zarządzania zasilaniem, to większa część jednak je wykorzystuje. Przykładem mogą być inteligentne moduły fotowoltaiczne, które można spinać razem, ze sobą, tak aby wygenerowały odpowiednio duże napięcie stałe, mogące bezpośrednio zasilać jakieś urządzenie ze zwykłym stabilizatorem liniowym. Niektóre odbiorniki z powodzeniem działać będą z niestabilizowanym napięciem stałym, a z kolei inne wymagają napięcia zasilania o dokładnie opisanym napięciu.

    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 3. Diagram blokowy systemu zarządzania zasilania w układzie wykorzystującym systemy zbierania energii.


    Rysunek 3 pokazuje diagram blokowy układu do zbierania energii w nowoczesnym urządzeniu elektronicznym, wykorzystującym tego rodzaju systemy. Zawiera on w sobie element pozwalający na rozruch w postaci pompy ładunku, wymagającej wejścia na poziomie jedynie 380 mW. Gdy urządzenie już działa wewnętrzne systemy układu ADP5090 zasilane są z napięcia wyjściowego z tego układu. Element ten jest odpowiedzialny za zasilanie całego systemu zbierania energii. Gdy napięcie zasilania wzrośnie powyżej 1,9 V napięcie wejściowe może spaść, nawet do poziomi 80 mV, a układ nadal będzie poprawnie działał. Takie zachowanie jest bardzo przydatne, szczególnie dla układów, które pracują w dalekich od optymalnych warunkach. Na przykład sensor z zasilaniem fotowoltaicznym pracujący w pomieszczeniu. O poranku lub wieczorem ilość energii świetlnej może być niewielka, jednakże jej efektywne zbieranie nadal poprawia 'budżet' energetyczny układu w ujęciu dobowym. Jednym z aspektów wspomnianego układu, jest bardzo niskie zużycie prądu - jedyne 260 nA. Rysunek 4 pokazuje realną aplikację tego układu. Wykres pokazany na tym rysunku prezentuje dane na temat tego ile układ spędzał w ciemności w różnych miejscach budynku. Jest to dosyć typowy przypadek. Ilość światła, która dociera do sensora zależeć będzie od bardzo wielu czynników, a co za tym idzie zależeć będzie od tego ilość generowanej energii elektrycznej. Wniosek jednak z zaprezentowanego wykresu jest dosyć prosty - pomimo niskiego poziomu produkcji energii w niektórych okresach, jej zbieranie, przetwarzanie i magazynowanie nadal jest istotne, zwiększając sumaryczną, dostępną ilość energii.

    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 4. Typowy odsetek czasu spędzany przez układ w ciemności w zależności od typu pomieszczenia domu, w którym się znajduje.


    Przetwornica DC/DC w układzie ADP5090 jest bardzo interesującym jego elementem. Posiada ona system stabilizacji pracy, jak większość przetwornic tego rodzaju, jednak nie stabilizuje on ani napięcia ani prądu na wyjściu. Stabilizuje wejściową impedancję układu.

    Na Rysunku 5 zaprezentowano charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa fotowoltaicznego. Gdy jest ono rozwarte i nie płynie prąd, napięcie jest maksymalne. Gdy prąd zaczyna płynąć, napięcie spada, a przy bardzo dużych prądach załamuje się zupełnie. Na środku krzywej jest fragment o bardzo dużym nachyleniu - tam moc układu jest największa - napięcie nadal jest dosyć wysokie, podobnie jak prąd. Aby móc pobierać prąd z ogniwa w sposób optymalny, należy utrzymywać system w tym punkcie. Stabilizacja samego prądu nie będzie dobrym rozwiązaniem, gdyż charakterystyka ta przesuwa się w zależności od warunków oświetlenia. Aby działać optymalnie układ ADP5090 co 16 sekund mierzy napięcie na rozwartym ogniwie i dostosowuje pobierany prąd. Czas co jaki sprawdzane jest napięcie jest kompromisem pomiędzy szybkim reagowaniem na zmiany oświetlenia, a efektywnym zbieraniem energii z ogniwa.

    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa typowego ogniwa fotowoltaicznego.


    Śledzenie punktu optymalnej mocy zapewnia, że zbiera się możliwie największą ilość energii z ogniwa fotowoltaicznego lub termogeneratora. Oczywiście układ ma także inne funkcje - stabilizuje napięcie wyjściowe w pewnym zakresie, działa jak źródło prądowe ładujące superkondensator lub baterię etc. Element przechowujący zebraną energię jest konieczny w systemie, aby odbiorniki energii mogły działać niezależnie od systemu zbierania energii. Na przykład sensor wysyła wartość temperatury co pięć minut, dzięki przechowywaniu energii może on to robić nawet, gdy w danym momencie układ nie jest oświetlony.

    Bardzo często stosowaną architekturą systemu, jest łączenie baterii i systemu zbierania energii, który pozwala na przedłużenie czasu życia układu pomiędzy wymianami baterii w znaczny sposób, dodając do puli energii także energię zebraną z otoczenia. Pozwala to na przedłużenie żywotności układów, bez zmniejszania ich niezawodności - gdy nie można zbierać energii z otoczenia, jest ona po prostu pobierana z baterii w sposób bezpośredni/

    Postępy w zakresie systemów zbierania energii
    Rysunek 6. Przykładowy system zarządzania zasilaniem w urządzeniu z systemem do zbierania energii.


    Rysunek 6 pokazuje kompletny system zbierania energii, wykorzystujący nie tylko ADP5090, ale także ADP5310, stabilizujący dwa napięcia. Wydajność tego drugiego układu jest bliska 90% przy prądzie wyjściowym równym 0,1 mA. Dodatkowo wykorzystano przełącznik znajdujący się w ADP5310 do odłączania elementów pobierających prąd, gdy nie są one w użyciu.

    ADP5310 to przetwornica step-down z napięciem wejściowym do 15 V. Pozwala to na podłączenie jej do wielu źródeł zasilania, takich jak generatory piezoelektryczne czy elektromagnetyczne, jeśli doda się do tego mostek prostowniczy przed przetwornicę.

    Na rynku dostępne jest wiele układów dedykowanych do systemów zbierania energii, co umożliwia projektowanie systemów stricte do tego przeznaczonych. Pozwalają one na wykorzystywanie np. mniejszych ogniw fotowoltaicznych, niż byłoby to możliwe jeszcze kilka lat temu. Branża ta cały czas się rozwija, co pozwoli na urzeczywistnienie kolejnych, lepszych pomysłów projektantów w ciągu kilku kolejnych lat.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-09/energy-harvesting.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 02 Lis 2015 18:26
    japko1024
    Poziom 17  

    Kiedyś zmierzyłem napięcie na ogniwie fotoelektrycznym z zepsutego kalkulatora i zauważyłem coś dziwnego: było ono wyższe (wartość bezwzględna) wtedy, kiedy zasłaniałem ogniwo przed światłem. Wie ktoś, z czego mogło to wynikać?

  • #3 04 Lis 2015 12:59
    Lazer
    Poziom 23  

    ... lepiej sobie radziło ze światłem rozproszonym niż bezpośrednim ... :) takie czary potrafi fotodioda BPYP30 CEMI i 4 takie potrafią odpalić stary kalkulator zastępując fotoogniwo diodami :)

  • #4 04 Lis 2015 13:06
    japko1024
    Poziom 17  

    Tylko, że z tego co pamiętam ogniwo było oświetlone rozproszonym światłem, a zasłaniałem je poprzez położenie wierzchnią stroną na stole (tak, że praktycznie nie docierało do niego światło). W dodatku woltomierz pobiera jakiś niewielki prąd.