Солнечные фотогальванические батареи, кажется, с каждым днем становятся дешевле и эффективнее, что делает их все более практичными для приложений возобновляемых и/или удаленных источников питания. При этом напряжение, вырабатываемое любой батареей, значительно зависит от нагрузки, интенсивности падающего света и температуры, поэтому часто требуется та или иная форма регулирования.
Как показано в более ранней статье [1], отслеживание точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT) и импульсная стабилизация могут значительно улучшить характеристики фотогальванической системы.
Но для небольших солнечных батарей дополнительная сложность схем MPPT и импульсного преобразователя может показаться неоправданной, что делает линейное регулирование более простым и разумным выбором. В данной статье рассматриваются именно такие системы в плане сравнительных преимуществ двух топологий регуляторов – последовательной и шунтовой.
Давайте начнем с гипотетической небольшой солнечной батареи, оптимизированной для выходной мощности 12 Вт (при полном прямом солнечном свете ~1 кВт/м2) с током 1 А при напряжении 12 В, эффективностью преобразования света в электричество 20% и, следовательно, с расчетной площадью ~0.06 м2. Затем добавим к ней схему линейного регулятора для поддержания постоянного выходного напряжения 12 В при изменении тока нагрузки от 0 до 1 А.
 |
|
| Рисунок 1. | Вариант последовательного регулятора для небольших солнечных батарей. |
На Рисунке 1 показан отвечающий этим требованиям последовательный регулятор, а на Рисунке 2 – сопоставимая топология с шунтом. Чтобы упростить сравнение преимуществ параллельного регулирования по сравнению с последовательным, в обоих регуляторах используется идентичная схема измерения и управления, основанная на почтенной комбинированной микросхеме LM10, содержащей операционный усилитель и источник опорного напряжения.
 |
|
| Рисунок 2. | Вариант шунтового регулятора для небольших солнечных батарей. |
На этих рисунках внутренний источник опорного напряжения 200 мВ микросхемы LM10 (выводы 1 + 8) подключен к инвертирующему входу операционного усилителя (вывод 2) через резистор R1, обеспечивающий компенсацию входного тока смещения, сопротивление которого рассчитывается как
тогда как неинвертирующий вход (вывод 3) подключается к VOUT через делитель напряжения 60:1, образованный резисторами R2 и R3, выходное напряжение VSETPOINT которого равно
Это значит, что напряжение на выходе операционного усилителя (вывод 6) будет отрицательным, когда VOUT < VSETPOINT, и положительным, когда VOUT > VSETPOINT.
На Рисунке 1 (последовательный регулятор) вывод 6 чрез токоограничительный резистор R4 подключен к базе мощного p-n-p проходного транзистора D45H8, что увеличивает управляющее напряжение и ток нагрузки, когда VOUT < VSETPOINT, и уменьшает их, когда VOUT > VSETPOINT. На Рисунке 2 (шунтовой регулятор) вывод 6 подключен к базе n-p-n шунтирующего транзистора D44H8, отводящего больше тока солнечной батареи на землю, когда VOUT < VSETPOINT, и меньше, когда VOUT > VSETPOINT.
Итак, какой тип регулирования, шунтовой или последовательный, лучше, и когда, и почему? Чтобы ответить на этот общий вопрос, мы рассмотрим три конкретные характеристики схемы:
- КПД регулятора (максимальная доля мощности батареи, отдаваемая в нагрузку при пике потребления).
- Проблемы управления температурным режимом (в первую очередь определяемые требуемой теплоемкостью радиатора силового транзистора, которая, в свою очередь, определяется максимальной рассеиваемой мощностью транзистора).
- Влияние способа регулирования на температуру солнечной батареи и, соответственно, на эффективность преобразования энергии.
КПД регулятора
При полной нагрузке (1 А) КПД последовательной топологии, когда транзистор D45H8 включен и работает вблизи насыщения, ограничивается тремя факторами:
- Типовое значение тока, потребляемого микросхемой LM10 и делителем напряжения R2R3, равно 312 мкА.
- Базовый ток транзистора D45H8 при токе коллектора 1 А равен 10 мА.
- Типовое падение напряжения на насыщенном транзисторе D45H8 при токе коллектора 1 А равно 100 мВ.
Суммирование этих потерь дает оценочное значение типового КПД, равное 98%.
В отличие от этого, в шунтовой топологии силовой транзистор D44H8 при максимальной нагрузке полностью закрыт, а батарея напрямую подключена к выходу, что оставляет только один из трех перечисленных выше конкурирующих факторов, а именно, первый: ток 312 мкА, потребляемый микросхемой LM10. Это дает почти идеальный КПД 99.97%.
Вывод. С точки зрения КПД последовательная топология очень хороша, но шунтовая (практически) идеальна. Обратите внимание, что этот результат отличается от основанных на общих соображениях ожиданий, что КПД последовательного регулирования обычно должно быть выше, чем шунтового.
Проблемы управления тепловым режимом
Максимальная мощность, рассеиваемая проходным транзистором D45H8 последовательного регулятора, составляет примерно 1.33 Вт при токе нагрузки 0.66 А, что может быть компенсировано небольшим радиатором. Напротив, шунтирующим транзистором D44H8 максимальная мощность рассеивается при нулевом токе нагрузки, причем в намного большем количестве – около 4.5 Вт, что требует дорогого и громоздкого экструдированного радиатора для ограничения повышения температуры до приемлемого значения (порядка 40 °C) в условиях естественной конвекции и излучения.
По этому критерию последовательное регулирование является очевидным победителем с преимуществом более чем в 3 раза.
Влияние типа регулятора на температуру солнечной батареи
Полная солнечная энергия, поглощаемая солнечной батареей, может уходить только по двум путям:
- Преобразовываться в электрическую мощность, подаваемую в подключенную схему;
- Рассеиваться батареей в виде тепла.
Первый закон термодинамики гласит, что сумма двух последних всегда должна в точности равняться первому. Следовательно, чем меньше электрической энергии потребляется подключенной нагрузкой, тем больше ее должно выделяться батареей в виде тепла, что неизбежно повышает температуру батареи.
При последовательном регулировании бóльшая часть мощности, не принимаемой нагрузкой, рассеивается батареей (помните, насколько холодным остается D45H8), в то время как при шунтовом регулировании лишняя мощность рассеивается транзистом D44H8 и резистором R4. Таким образом, при частичной нагрузке солнечная панель с шунтовым регулированием, имеющая эффективность 20%, работает при температуре на целых 10 °C более низкой, чем панель с последовательным регулированием. Эффективность преобразования солнечной батареи с повышением температуры снижается на 0.3–0.4% на каждый градус Цельсия, так что в некоторых обстоятельствах панель с шунтовым регулированием может быть на 3% или 4% эффективнее, чем панель с последовательным регулированием.
По этому критерию шунтовой регулятор явно лучше.
Подводя итог, мы видим неоднозначную картину: выигрывают ли шунтовые регуляторы в дерби конструкций, побеждая последовательные в двух заездах из трех? На этот вопрос нет однозначного ответа. Уравновешивание конфликтующих критериев при выборе разработчиком типа регулятора будет зависеть от конкурирующих приоритетов, поскольку именно они будут определяться в подробных требованиях к конкретному приложению. Вот почему мы, инженеры-конструкторы, зарабатываем большие деньги! Кхм…
