Prikupljanje energije: Kako riješiti problem trajanja baterije

Autor: Kamil Prus, svibanj 2022.; Komponente, Napajanje, Internet stvari

Ovaj blog sadrži kratak opis trenutne situacije na tržištu prikupljanja energije, trenutne trendove i primjere rješenja s ključnim parametrima izvedbe.

Tehnološki napredak u smanjenju potrošnje energije i povećanju učinkovitosti prikupljanja energije iz vanjskih izvora omogućio je da sadašnji niskoenergetski uređaji rade bez baterija. (Slika 1).

Tehnologije za prikupljanje energije iz neovisnih izvora koriste se više od desetljeća. Glavna prepreka razvoju tržišta bila je učinkovitost ovakvih rješenja i potrošnja električne energije s “pseudo” niskoenergetskim rješenjima. Trenutačno tržište predstavlja rješenje koje štedi energiju s obzirom na sve probleme pri dostupnosti sirovina i povećanjem optimizacije i tehnološke učinkovitosti na rubu svoje ljestvice.

Tehnološki divovi i inovativne tvrtke počele su ugrađivati ​​takva rješenja u svoje proizvode kako bi eliminirali baterije ili produžili vijek trajanja uređaja. U masovnim razmjerima, ovaj potez značajno će smanjiti potrebu za baterijama kao izvorom energije i omogućiti proizvodnju “autonomnih” rješenja bez održavanja. Inovativni aspekt proizvoda bez održavanja svakako će biti važan za krajnje kupce pri odabiru ovakvog rješenja.

Pretvorba i upravljanje energijom iz topline, svjetlosti i izmjeničnih izvora

Prvi aspekt proizvodnje energije je učinkovita pretvorba i upravljanje proizvedenom energijom. U tu svrhu koriste se DC-DC pretvarači s vrlo malim gubicima i velikom učinkovitošću. Mnogo veća tržišna očekivanja dovela su do razvoja posebne skupine proizvoda namijenjenih isključivo proizvodnji energije.

Snažan igrač na tržištu rješenja za prikupljanje energije je tvrtka  E-peas Semiconductors, specijalizirana za sustave za obradu i upravljanje energijom. Proizvođač nudi rješenja dizajnirana za dobivanje energije iz toplinskih, svjetlosnih i RF izvora (slika 2). E-peasova posebna PMIC rješenja osmišljena su za jednostavno i učinkovito upravljanje dobivenom energijom. Dostupne su različite verzije topologija ovisno o dizajnu uređaja, koji se uglavnom temelji na energetskim potrebama. (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost punjači baterija, / Boost punjači baterija  za naprave i senzoje, koje nosimo na tijelu). Određivanje prirode rada uređaja i odabir pravog PMIC rješenja treba se temeljiti na energetskoj analizi plana rada uređaja i količini energije koja se može dobiti.

Drugi aspekt koji je važan za odluku je vrsta izvora koji se koristi za proizvodnju energije, pri čemu svaki pojedinačni izvor zahtijeva različite kriterije odabira. Glavni čimbenici koji karakteriziraju različite izvore su njihova učinkovitost i dnevna dostupnost energije. Trenutno se u praksi, uglavnom zbog učinkovitosti i djelotvornosti, najviše koriste rješenja vezana uz solarne izvore.

Portfelj proizvođača uključuje rješenja s različitim topologijama rada, što omogućuje razmatranje različitih verzija uređaja. Blok dijagram najnaprednijeg rješenja prikazan je na slici 3, a u tablici 1 prikazani su ključni parametri solarnih rješenja.

Vrlo važan kriterij pri odabiru rješenja su uvjeti rada i kritični (rubni) parametri koji određuju rad sustava i učinkovitost koja se može postići.

Prikupljanje svjetlosne energije fotonaponskim (PV) ćelijama

Važan dio jedinice za proizvodnju energije za izvore svjetlosti je fotonaponska ćelija. Kada je riječ o uređajima male snage koji rade na baterije iu zatvorenom prostoru, kao izvor energije koristi se umjetna svjetlost.

U usporedbi s rješenjima dostupnim na tržištu, Epishine proizvode karakterizira visoka učinkovitost i fleksibilnost prema primjeni. Portfelj proizvođača uključuje šest standardnih rješenja s različitim brojem fotonaponskih ćelija za unutarnju uporabu i aktivnu površinu, koja određuju izlazne parametre (tablica 2).

Ovisno o aktivnoj površini odabranog fotonaponskog modula (broj ćelija) i elementu za pohranu energije, konačni uređaj će se odlikovati posebnom funkcionalnošću, cijenom i mogućnošću rada u specifičnom okruženju. Tablica br. 3 prikazuje primjere korištenja fotonaponskih modula zajedno s primjerima elemenata za pohranu energije prema njihovim prednostima i nedostacima.

Radni uvjeti modula fotonaponskih ćelija, kao što su intenzitet svjetla, temperatura okoline i aktivna površina, određuju električna svojstva modula. Sažetak glavnih značajki prikazanih na slici 4 omogućuje ispravan izbor rješenja za strujni krug i intenzitet svjetla dostupnog u prostoriji.

Osjetljivost i učinkovitost fotonaponskih ćelija presudni su u teškim uvjetima kao što su slab intenzitet svjetla, promjene temperature, svjetlosni kut i boja svjetla. Usporedne tablice i grafikoni koje je dao proizvođač ilustriraju učinkovitost i osjetljivost rješenja na promjene radnih uvjeta.

U uvjetima slabog intenziteta svjetlosti, gdje se ne mogu osigurati uvjeti za minimalnu razinu osvjetljenja, osjetljivost fotonaponskih ćelija će igrati važnu ulogu. Primjer usporedbe izlazne snage za odabrane PV module i vrlo niske vrijednosti osvjetljenja sažet je u tablici 4.

Drugi važan čimbenik okoliša koji utječe na učinkovitost fotonaponskih ćelija je temperatura okoline, koja utječe na gubitke snage i napona (slika 5.). Kod odabranog rješenja modula LEH3_50x50_6_10 fluktuacije snage i napona nisu prelazile +/- 20% u cijelom spektru ispitivanog temperaturnog raspona.

Za održavanje učinkovitosti vrlo je važan i upadni kut čije prekoračenje dovodi do drastičnog smanjenja učinkovitosti. Na slici 6 prikazana je ovisnost učinkovitosti modula o promjeni upadnog kuta, što pokazuje da moduli moraju raditi na vrijednostima od +/- 30⁰.

Posljednji važan čimbenik je boja svjetlosti koju proizvodi određena vrsta izvora. Slika 7 prikazuje kako fotonaponski moduli mogu raditi s različitim izvorima svjetlosti i bojama. Ćelije rade u rasponu valnih duljina svjetlosti od> 300 nm do> 700 nm, uz održavanje gotovo konstantnog i maksimalnog faktora konverzije.

Zaključak

Tržište elektronike i zahtjevi tvrtki koje isporučuju gotove proizvode donose nove izazove i promjene. Promjene koje diktira tehnologija često su spore, a njihovi rezultati manje učinkoviti. U slučaju gore opisanih uređaja za prikupljanje energije i baterija na baterije, problemi sa sirovinama potaknut će brže odluke i radnje. Broj uređaja koji se napajaju baterijama ubrzano raste, što stvara dodatne zahtjeve za napajanje i probleme s servisiranjem takvog uređaja nakon deklariranog vijeka trajanja.