LinTai: качественные китайские корпуса и каркасы
РадиоЛоцман - Все об электронике

Получение энергии от одиночного фотоэлектрического элемента. Часть 2

Linear Technology LTC3105

Получение энергии от одиночного фотоэлектрического элемента. Часть 1

Nathan Bourgoine, Linear Technology

Выбор управляющего напряжения точки максимальной мощности

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Рисунок 4 иллюстрирует модель механизма управления точкой максимальной мощности, используемого в микросхеме LTC3105. Аббревиатура MPPC означает «Maximum Power Point Controller» – название одного из функциональных узлов микросхемы LTC3105, управляющего положением рабочей точки на кривой мощности, а также, название соответствующего вывода микросхемы, к которому подключается программирующий резистор. На Рисунке 3 изображена кривая максимальной мощности фотоэлектрической ячейки. Обратите внимание, что спад кривой после пика выглядит намного круче, чем область нарастания. Из этого следует, что при выборе рабочей точки лучше ошибиться в строну меньших напряжений, чем оказаться правее пика.  

Механизм контроля точки максимальной мощности 
Рисунок 4. Механизм контроля точки максимальной мощности.

При установке рабочей точки нельзя забывать о том, что внешние условия работы ФЯ меняются от яркого солнечного света до сумерек. В типичном случае, при изменении засветки, точка максимальной мощности смещается незначительно, что позволяет устанавливать единственную рабочую точку для широкого диапазона освещенностей. Даже если рабочая точка при максимальном уровне освещенности оказывается не точно на пике, снижение выходной мощности, по сравнению с идеальным случаем, обычно не превышает 5…10%.

Для показанной на Рисунке 5 кривой мощности выбор напряжения 0.4 В на выводе MPPC позволяет работать вблизи точки максимальной мощности при любой интенсивности освещения. Существующее смещение от пика порядка 20 мВ не приводит к существенным потерям мощности, которые составляют менее 3%.

Получение энергии от одиночного фотоэлектрического элемента 
Рисунок 5. Чтобы избежать резкого падения мощности при
снижении уровня освещенности, выбирайте
рабочую точку максимальной мощности на восходящей
части кривой.

Опыт показывает, что управляющее напряжение точки максимальной мощности должно выбираться равным примерно 75…80% от напряжения холостого хода ФЯ. При этом выходной ток ФЯ составит 75…80% от тока короткого замыкания.

Зарядка Li-Ion аккумуляторов от естественного света

Приложения, питающиеся от фотогальванических источников, в темноте или при слабой освещенности испытывают нехватку энергии. В большинстве случаев проблема решается использованием накопителей энергии, таких как ионисторы или аккумуляторы, емкость которых рассчитывается исходя из наибольшего ожидаемого времени слабой освещенности.

Схема зарядки Li-ion аккумулятора 
Рисунок 6. Схема зарядки Li-ion аккумулятора.

Рисунок 7 демонстрирует измеренный профиль зарядного тока, поступающего из поликристаллической ФЯ площадью 2” × 1” (50×25 мм) в Li-Ion аккумулятор при использовании схемы, изображенной на Рисунке 6. Верхняя кривая на Рисунке 7 соответствует ясному солнечному дню. Нижняя кривая снималась в течение дня, бóльшая часть которого была пасмурной. Но, даже в такой пасмурный день, средний ток 250 мкА обеспечил суммарный заряд аккумулятора 6 мА•ч.

Профили заряда для фотоэлектрической ячейки площадью 2 квадратных дюйма 
Рисунок 7. Профили заряда для фотоэлектрической ячейки
площадью 2 квадратных дюйма.

Как правильно выбрать устройство для хранения энергии

Для хранения получаемой от ФЯ энергии можно использовать много альтернативных устройств, включая разнообразные аккумуляторы и конденсаторы с высокой плотностью энергии. Не один из накопителей не может быть оптимален для любого приложения. При выборе устройства хранения нужно принимать в расчет многие факторы, включая уровень саморазряда, максимальные токи заряда и разряда, чувствительность к напряжению и срок службы.

Уровень саморазряда имеет исключительное значение в фотогальванических приложениях. При ограниченной в большинстве случаев величине зарядного тока, саморазряд может потреблять весьма существенную часть тока, поступающего от ФЯ. Некоторые используемые для накопления энергии элементы, такие, например, как ионисторы, могут иметь ток саморазряда, превышающий 100 мкА, что может значительно уменьшить количество энергии, накопленной в течение дневного цикла.

Другим ключевым параметром устройства хранения энергии является ток, которым его можно заряжать. К примеру, максимально допустимый ток заряда плоского дискового литиевого аккумулятора равен 300 мкА. Такое ограничение вынуждает для предотвращения перегрузки по току устанавливать между выходом LTC3105 и аккумулятором резистор с большим сопротивлением, что, очевидным образом, ограничивает количество извлекаемой энергии, уменьшая количество энергии, доступной приложению.

Во многих случаях величина зарядного и разрядного токов напрямую определяет срок службы устройства хранения энергии, т.е. времени, в течение которого оно способно функционировать в полевых условиях без обслуживания. Как правило, с увеличением токов заряда и разряда срок службы сокращается. Ионисторы являются устройствами с очень большим допустимым количеством циклов перезаряда, в то время как аккумуляторы, заряжаемые относительно большим током (> 1C), деградируют достаточно быстро. Помимо токов, на срок службы влияет глубина заряда и разряда. Чем она больше, тем меньше время жизни устройства хранения.

Для некоторых типов аккумуляторов, в особенности, литиевых и тонкопленочных, требуется точный контроль максимального и минимального напряжений. Что касается максимального напряжения заряда, оно хорошо отслеживается микросхемой LTC3105, прекращающей заряд, как только начинается процесс регулирования напряжения на ее выходе. А для предотвращения чрезмерного разряда аккумулятора совместно c LTC3105 можно использовать микросхему шунтового регулятора заряда LTC4071, как это показано на Рисунке 8.

Капельный подзаряд Li-ion аккумулятора происходит от одной фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 8. Капельный подзаряд Li-ion аккумулятора происходит от одной фотоэлектрической ячейки.

 

Схема заряда NiMH аккумулятора от одиночной фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 9. Схема заряда NiMH аккумулятора от одиночной фотоэлектрической ячейки.

 

Беспроводной удаленный датчик с питанием от одиночной фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 10. Беспроводной удаленный датчик с питанием от одиночной фотоэлектрической ячейки.

Заключение

Микросхема LTC3105 – завершенное однокристальное решение для получения энергии от дешевых одиночных фотоэлектрических ячеек. Микросхема содержит схему контроля точки максимальной мощности и способна запускаться при низком напряжении, что гарантирует извлечение энергии из ячейки в оптимальном режиме. LTC3105 может использоваться как для непосредственного питания схем, так и в качестве источника напряжения зарядки аккумуляторов для поддержания работоспособности устройств в темноте или в условиях недостаточной освещенности. Микросхемы позволяют создавать полностью автономные удаленные датчики, узлы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к электрической сети и требующие минимального обслуживания.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Harvest Energy from a Single Photovoltaic Cell. Part 2

28 предложений от 18 поставщиков
400mA Step-Up DC-DC Converter with Maximum Power Point Control and 250mV Start-Up_x0000__x0000_
AliExpress
Весь мир
QFN LTC3105EDD # PBF LTC3547BEDDB # TRPBF LTC3850EUF # TRPBF LTC3105EDD LTC3547BEDDB ltc3850lteuf C3105 LTC3547 LTC3850
249 ₽
ЧипСити
Россия
LTC3105EDD#TRPBF
Linear Technology
294 ₽
AiPCBA
Весь мир
LTC3105EDD#TRPBF
Linear Technology
311 ₽
Flash-Turtle
Весь мир
LTC3105EDD#PBF
Analog Devices
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Очень даже интересно! А сколько стоит одна ячейка и чип