Когда на улице светит солнце и нужно осветить полутемное внутреннее пространство, популярным, проверенным и высокоэффективным решением является использование энергии доступного солнечного света самым простым и экологичным способом, который только можно себе представить: открыть окно.
Однако иногда особенности доступа на улицу делают это традиционное решение неудобным, непрактичным или просто невозможным. Тогда может потребоваться более топологически гибкий подход, даже если он сложнее и менее эффективен, чем оконный гамбит: создать дневную лампу с солнечным питанием.
Дневная лампа с солнечным питанием – это система освещения, состоящая из установленной снаружи солнечной фотоэлектрической панели, которая устойчиво преобразует солнечный свет в электрическую энергию, отрезка провода для передачи этой энергии внутрь, а также подходящей схемы и светодиодов для преобразования полученной энергии обратно в полезный источник света.
Это, конечно, сложнее, чем окно, но все же лучше, чем спотыкаться в темноте!
Чтобы такая схема двойного преобразования, где свет преобразуется в электричество, а затем обратно в свет, работала с солнечной панелью разумного размера (и стоимости!) и при этом была достаточно яркой, чтобы быть полезной, необходимо особое внимание уделить достижению высокой эффективности на обоих этапах преобразования. В этой статье (см. Рисунок 1) представлены некоторые способы достижения этих императивов проектирования.
 |
|
| Рисунок 1. | Дневная лампа с солнечным питанием с функцией отслеживания точки максимальной мощности и высоковольтным драйвером светодиодов со стабилизацией тока. |
По определению фотоэлектрические панели работают путем преобразования света в электрическую энергию. Из этого следует, что количество энергии, которую может произвести панель, зависит от количества падающего на нее света. Ну кто бы сомневался! Возможно, менее очевидно то, что выходная мощность панели также зависит от напряжения, на которое она нагружена, и что напряжение, при котором эффективность преобразования и выходная мощность максимальны, (напряжение точки максимальной мощности, maximum power point voltage, MPPV) значительно зависит от количества света и (в меньшей степени) температуры.
Например, в технических характеристиках показанной на схеме панели приведены значения «30 Вт» и «12 Вольт». Но это ни в коем случае не следует понимать как то, что она может выдавать 30 Вт при нагрузке 12 В, потому что этого не произойдет даже под прямыми солнечными лучами. На самом деле, максимум, что от нее можно получить при 12-вольтовой нагрузке, – это едва ли 20 Вт. Чтобы рассчитывать на получение номинальной мощности 30 Вт, необходимо позволить напряжению нагрузки подняться до 156% от номинального значения 12 В – до 18.7 В (так называемое напряжение максимальной мощности, MPV). Что происходит?
Такая ситуация на самом деле типична для технических характеристик солнечных панелей. Номинальное выходное напряжение обычно намеренно занижают. Это учитывает тот факт, что панели редко оказываются под прямым солнечным светом, и что пользователь предпочитает получать хоть что-то, а не ничего в плане полезной мощности (например, достаточной для зарядки аккумулятора 12 В) в далеко не идеальных условиях.
И на самом деле, «ничего» – это примерно все, что эта панель могла бы выдать на нагрузку 18.7 В, если бы, например, на нее падало менее 20% полного солнечного света.
Чтобы извлечь из панели максимальную мощность, оптимальная нагрузка должна меняться в зависимости от падающего света и температуры. Эта стратегия обычно называется отслеживанием точки максимальной мощности (maximum power point tracking, MPPT) и является целью микросхем U2, A1 и окружающих их компонентов.
Элементы U2a и U2b генерируют прямоугольные импульсы «возмущения» частотой порядка 100 Гц, которые суммируется с сигналом управления коэффициентом заполнения, подаваемым на таймер U1. Это приводит к периодическому изменению напряжения нагрузки солнечной панели. Поэтому выход мощности панели также изменяется, создавая сигнал на выводе 4 синхронного выпрямителя U2c, где он выбирается и подается на интегратор обратной связи A1. Результирующий сигнал MPPT накапливается и становится сигналом обратной связи для 25-килогерцового генератора умножителя напряжения U1, который увеличивает или уменьшает коэффициент заполнения U1 в нужном направлении, чтобы максимально увеличить мощность, получаемую от солнечной панели.
Обобщенное подробное описание того, как работает активное MPPT по принципу «возмущай и наблюдай», дано в статье «Контроллер солнечной батареи не использует умножителей для получения максимальной мощности» [1].
Полученная от панели энергия, разумеется, должна быть подана на светодиодную матрицу и использована для создания полезного освещения. Для этого светодиоды, как правило, соединяются в низковольтную последовательно-параллельную матрицу. К сожалению, этой топологии внутренне присуща неэффективность из-за необходимости использования балластных резисторов для выравнивания токов, которые компенсируют неизбежное несоответствие между прямыми напряжениями светодиодов. Обычно таким образом теряется около 10% или более от общей доступной мощности.
Показанная схема позволяет уйти от этой неэффективности за счет повышения напряжения панели до значения, достаточно высокого (порядка 90 В), чтобы обеспечить чисто последовательное соединение тридцати одноваттных светодиодов. Таким образом, отпадает необходимость в балластных резисторах вместе с их неприятными потерями мощности, что приводит к значительному дальнейшему повышению эффективности ламп.
Однако возникает осложнение. Что делать, если целостность цепочки светодиодов будет нарушена и току, подаваемому через диод D1, станет некуда идти?
Если это произойдет и не будет обеспечено безопасное управление накоплением заряда на конденсаторе C8, напряжение на нем будет опасно возрастать (теоретически неограниченно), пока разрушение, возможно, жесткое, многих компонентов, включая Q1, D1 и C8, не станет неизбежным. Транзистор компаратора напряжения Q2 настроен на предотвращение этой катастрофы, устанавливая низкий уровень на входе RESET таймера U1 и отключая управление транзистором Q1 при угрозе возникновения опасного перенапряжения.
Ссылка
- Stephen Woodward. Контроллер солнечной батареи не использует умножителей для получения максимальной мощности
Купить CD4053B на РадиоЛоцман.Цены
