Фотоволтаични клетки за енергоспестяващи приложения
Решения на Microchip за измерватели на ресурси
Статията описва семействата микроконтролери Microchip PIC16 и PIC18, използвани за изграждане на измерватели на потребление на ресурси. Дадени са основните им параметри.
Разработване на типичен измервателен уред за интелигентни електрически мрежи
Защо се обръща толкова голямо внимание на електромерите от хардуерните и софтуерните компании? Отговорът е прост - производството на тези устройства обещава големи печалби. За да бъдете част от предстоящата революция на интелигентните измервателни уреди, са необходими някои основни познания за интелигентните измервателни уреди. Статията разглежда изискванията за проектиране на съвременни стандартни измервателни уреди, както и перспективите за тяхното подобряване.
Нов клас сензори за променлив ток, базирани на намотки на Rogowski
Контролът на потреблението на енергия се превръща в ключов фактор при управлението на електрическите мрежи както в индустриалния, така и в търговския сектор (промишлени сгради, информационни центрове, хранително-вкусова промишленост, търговия на дребно, медицински и образователни институции). Статията подробно описва постигнатите предимства на сензори, базирани на намотки на Rogowski, които по отношение на набор от параметри могат успешно да се конкурират с най-добрите токови трансформаторни сензори в сектора за измерване на електрическа енергия.
Реклама на нашите партньори
Тази статия представя енергоспестяващия DC/DC преобразувател LTC3105 на Linear Technology, предназначен да решава проблемите с енергоспестяването и контрола на мощността на алтернативни източници на енергия с висок импеданс и ниско напрежение (фотоволтаични клетки, термоелектрически генератори и горивни клетки).
Устройствата с ултра ниска мощност могат да се използват в голямо разнообразие от безжични приложения, включително транспортна инфраструктура, медицински устройства, монитори за налягане в гумите, индустриални сензори, сградна автоматизация и оборудване за проследяване. Такива системи прекарват по-голямата част от живота си в режим на готовност в латентно състояние, като същевременно консумират малко количество микровати. При излизане от този режим сензорът измерва параметри като налягане, температура или механично отклонение и предава получените данни безжично към система за управление, разположена на известно разстояние. Обикновено отнема около десет милисекунди за измерване, обработка и предаване на данни, но няколкостотин mW енергия могат да бъдат изразходвани за този кратък период от време.
Тъй като тези приложения имат ниски работни цикли, средната консумация на енергия също може да бъде относително ниска. Източникът на захранване в този случай може да бъде обикновена батерия, но след като се разреди, тя ще трябва да бъде заменена. В някои приложения може да е физически невъзможно да се смени батерията, така че използването на външно захранване е по-приемлива алтернатива.
Появата на безжични измервателни системи с ниска мощност
В сградната автоматизация устройства като сензори за заетост, термостати и превключватели за осветление могат да работят без традиционни захранващи или контролни кабели. Вместо това могат да се използват механични или енергоспестяващи системи. В допълнение към елиминирането на необходимостта от окабеляване или редовна смяна на батерията в безжичните приложения, този алтернативен подход намалява разходите за типична работа, обикновено свързана с кабелни системи.
Безжична мрежа, използваща енергоспестяващи техники, може да комбинира произволен брой сензори, инсталирани в сграда, за да контролира системата за отопление, вентилация и климатизация (HVAC), както и да намали разходите за осветление чрез изключване на захранването на несъществени зони на сградата, които в момента не са заети.
Типична енергоспестяваща конфигурация или безжичен сензорен възел се състои от четири блока, показани на фигура 1:
– външен източник на енергия, като слънчева клетка;
– устройства за преобразуване на енергия за захранване на всички компоненти на възела;
– чувствителен елемент за свързване на възела с физическия свят и изчислителна единица, състояща се от микропроцесор или микроконтролер, който обработва измерените данни и ги съхранява в паметта;
– комуникационна единица, състояща се от късовълново радио устройство за безжична комуникация със съседни възли и външния свят.
| Ориз. 1. Основните блокове на типична енергоспестяваща система или възел от безжични сензори |
Примери за системи с външни източници на енергия са термоелектрически генератори (TEG) или термодвойки, свързани към източник на топлина, като например HVAC канал; пиезоелектрични преобразуватели, прикрепени към вибромеханичен източник (прозоречно стъкло), както и панели със слънчеви клетки. С компактно термоелектрическо устройство (обикновено наричано преобразувател), малка температурна разлика може да се преобразува в електрическа енергия. Пиезоелектричен преобразувател се използва за преобразуване на механични вибрации или напрежение в електрическа енергия. И накрая, фотоволтаичните клетки се използват за преобразуване на светлината.елементи, които са в състояние да генерират повече от 50 mW електроенергия на 1 cm2 при пряка слънчева светлина и до 100 μW при стайно осветление.
Енергоспестяваща верига преобразува електрическата енергия във форма, която е подходяща за захранване на електрически вериги надолу по веригата. След това микропроцесорът може да "събуди" сензора, за да вземе показания или измервания, които след това се преобразуват в ADC за предаване на данни чрез безжичен приемо-предавател със свръхниска мощност.
Всеки блок в тази верига има определени ограничения, които доскоро намаляваха търговската им стойност. Въпреки че евтини сензори и микроконтролери с ниска мощност са на пазара от дълго време, едва наскоро трансивърите с ултра ниска мощност, съчетани с микроконтролери, навлязоха на пазара, стимулирайки развитието на безжични системи с ниска мощност. Все още обаче има недостиг на енергоспестяващи интегрални схеми (ИС).
Съществуващите реализации на блока: веригата за пестене на енергия и устройството за управление не са достатъчно ефективни дискретни системи, обикновено състоящи се от 30 или повече компонента. Такива устройства се характеризират с ниска ефективност на преобразуване на енергия и високи токове на покой. И двата недостатъка водят до необходимостта от използване на скъпи и мощни батерии и соларни клетки, което влошава работата на системата като цяло.
Без големи елементи за съхранение, лошата ефективност на преобразуване ще доведе до по-дълго време за включване на системата, което от своя страна увеличава времето между отчитането на сензора и предаването. Големите токове на покой във веригите за преобразуване на мощност могат сериозно да намалят количеството "полезна" енергия,които могат да бъдат запазени и прехвърлени в схемите на приложението. Постигането на ниски работни токове на покой и висока ефективност на преобразуване на мощност също изисква много точен опит в импулсните захранвания, което рядко е възможно. „Липсващата“ връзка беше силно интегриран DC/DC преобразувател, който можеше да пести енергия от захранвания с ултра ниска мощност и да управлява освободената енергия.
Спестяване на енергия по казус
Като пример, помислете за енергоспестяваща индустриална система за наблюдение на тръбопровод, положен в отдалечен пустинен район. На всеки 50 m тръба е необходимо да се измерват скоростта на потока, температурата и налягането в тръбопровода. Всеки възел е оборудван със сензори за температура, налягане и поток, вградени в стените на тръбопровода. Данните трябва да се предават на всеки 5 s. Тъй като тръбопроводът е дълъг стотици мили, полагането на захранващи линии и линии за данни е много скъп проект и изисква постоянни разходи за поддръжка и ремонт с периодична смяна на батериите на всеки възел. Необходим е източник на енергия, способен да генерира достатъчно мощност, прост и надежден в експлоатация. Един от най-популярните и лесни за поддръжка източници на енергия са малките слънчеви клетки, комбинирани с устройства за съхранение (батерии или суперкапачки), които служат за непрекъснато доставяне на енергия през нощта и при лоши метеорологични условия.
Енергоспестяваща IC
Linear Technology наскоро пусна LTC3105 IC, усилващ преобразувател с ултра ниско напрежение, специално проектиран да опрости задачата за пестене на енергия и управление на мощността на алтернативни захранвания с висок импеданс,приложения с ниско напрежение като фотоволтаични клетки, ТЕГ и горивни клетки. Тяхното синхронно усилващо действие започва при входно напрежение от 250 mV, което ги прави идеални устройства за пестене на енергия дори при неидеални условия на осветление.
Големият обхват на входното напрежение от 0,2…5 V позволява новите устройства да се използват в широк спектър от приложения. Интегрираният контролер за проследяване на максимална мощност (MPPC) позволява директна работа от източници с висок импеданс (фотоволтаични клетки), без да позволява входното напрежение на захранването да падне под нивото, зададено от MPPC. Ограниченията на пиковия ток се настройват автоматично, за да се получи максимална мощност от захранването, докато операцията Burst Mode® намалява само тока на покой до 18 µA, за да оптимизира ефективността на преобразувателя.
Схемата, показана на фигура 2, използва LTC3105 за зареждане на едноклетъчна литиево-йонна (Li-Ion) батерия от една фотоволтаична клетка. Тази схема поддържа батерията заредена, когато има слънчева светлина, което от своя страна позволява да се подава захранване към електрическите вериги на приложението, като например безжичния сензорен възел, и да съхранява енергия за работа на приложението при липса на светлина.
| Ориз. 2. Зарядно устройство за литиево-йонна батерия от една фотоволтаична клетка |
 |
LTC3105 ви позволява да започнете работа при напрежения от порядъка на 250 mV. По време на стартиране AUX изходът първоначално се зарежда с деактивиран синхронен токоизправител. След като VAUX стане приблизително 1,4 V, преобразувателят излиза от стартов режим и влиза в нормална работа. MPPC режимстартирането не е свързано. Текущите стойности обаче са ограничени до достатъчно ниски нива, което прави възможно започването на работа дори от слаби входни източници. Докато преобразувателят е в стартов режим, вътрешната връзка между AUX и VOUT остава отворена и LDO изходът е деактивиран. Фигура 3 показва пример за типична стартова последователност.
| Ориз. 3. Типична последователност при стартиране на LTC3105 |
 |
Когато изходното напрежение е по-голямо от входното напрежение и по-голямо от 1,2 V, синхронният токоизправител се включва. В този режим N-каналният MOSFET между SW и GND ще работи, докато токът, протичащ през индуктора, достигне границата на пиковия ток. След като това се случи, N-каналният MOSFET ще се изключи и P-каналният MOSFET между SW и контролирания изход ще се включи. Този ключ остава отворен, докато токът, протичащ през индуктора, падне под минималната граница на пиковия ток, след което цикълът се повтаря. Когато VOUT достигне точката на настройка, N- и P-каналните MOSFET, свързани към SW щифта, се изключват и преобразувателят влиза в режим на заспиване.
За захранване на микроконтролери и външни сензори от LDO изхода се подава регулиран ток от 6 mA. Интегрираният MPPC контролер позволява на потребителите да задават оптималната работна точка на входното напрежение за дадено захранване. Освен това, MPPC динамично регулира средния ток през индуктора, предотвратявайки падането на входното напрежение под прага на напрежението на MPPC щифта.
Заключение
Енергийният мениджмънт е ключов аспект при изграждането на безжични измервателни системи и трябва да се има предвид при разработването на концепция за проектиране. Разработчиции системните дизайнери трябва да дадат приоритет на този проблем от самото начало, за да създадат ефективен дизайн, предназначен за успешна и дългосрочна работа.
Енергоспестяващият DC/DC преобразувател LTC3105 е специално проектиран да опрости задачата за пестене на енергия и управление на мощността на алтернативни източници на енергия с ниско напрежение и висок импеданс (фотоволтаични клетки, TEG и горивни клетки). Интегрираният контролер за максимална мощност оптимизира енергията, извлечена от най-широка гама източници.
Публикувано от Джеф Грютер, старши маркетинг специалист, линейни технологии