Zbiranje energije: Kako odpraviti težave z življenjsko dobo baterije

Avtor: Kamil Prus, Maj 2022; Komponente, Napajanje, Internet stvari

Ta blog vsebuje kratek opis trenutnega stanja na trgu zbiranja energije, trenutne trende in primere rešitev s ključnimi parametri delovanja.

Tehnološki napredek pri zmanjševanju porabe energije in povečevanju učinkovitosti zbiranja energije iz zunanjih virov je omogočil, da lahko sedanje nizkoenergijske naprave delujejo tudi brez baterij. (Slika 1).

Tehnologije za zbiranje energije iz neodvisnih virov se uporabljajo že več kot desetletje. Glavna ovira, ki je preprečevala razvoj trga, je bila učinkovitost takšnih rešitev in poraba električne energije s “psevdo” nizkoenergijskimi rešitvami. Trenutno je trg rešitev za zbiranje energije glede na vse težave z razpoložljivostjo surovin ter povečanjem optimizacije in tehnološke učinkovitosti na robu svoje razsežnosti.

Tehnološki velikani in inovativna podjetja so začeli v svoje izdelke vključevati tovrstne rešitve, da bi odpravili baterije ali podaljšali življenjsko dobo naprav. V množičnem obsegu bo ta poteza bistveno zmanjšala potrebo po baterijah kot viru energije ter omogočila izdelavo “avtonomnih” rešitev brez vzdrževanja. Inovacijski vidik izdelka, ki ne potrebuje vzdrževanja, bo zagotovo pomemben za končne stranke pri izbiri tovrstne rešitve.

Pretvarjanje in upravljanje energije iz toplotnih, svetlobnih in izmeničnih virov

Prvi vidik pridobivanja energije je učinkovita pretvorba in upravljanje pridobljene energije. V ta namen se uporabljajo pretvorniki DC-DC z zelo majhnimi izgubami in visokim izkoristkom. Veliko večja pričakovanja trga so privedla do razvoja ločene skupine izdelkov, namenjenih izključno pridobivanju energije.

Močan igralec na trgu rešitev za zbiranje energije je podjetje E-peas Semiconductors, specializirano za sisteme za obdelavo in upravljanje pridobljene energije. Proizvajalec ponuja rešitve, namenjene pridobivanju energije iz toplotnih, svetlobnih in radijskih virov (slika 2). Posebne rešitve PMIC podjetja E-peas so zasnovane za enostavno in učinkovito upravljanje pridobljene energije. Glede na zasnovo naprave, ki izhaja predvsem iz potreb po energiji, so na voljo različne različice topologij (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost polnilniki baterij, / Boost polnilnik baterij za naprave in senzorje, ki jih nosimo na telesu). Določitev narave delovanja naprave in izbira prave rešitve PMIC morata temeljiti na energetski analizi načrta delovanja naprave in količine energije, ki jo je mogoče pridobiti.

Drugi vidik, ki je pomemben za odločitev, je vrsta vira, ki se uporablja za pridobivanje energije, pri čemer vsak posamezen vir zahteva drugačna merila za izbiro. Glavna dejavnika, ki zaznamujeta različne vire, sta njihova učinkovitost in dnevna razpoložljivost energije. Trenutno se v praksi, predvsem zaradi učinkovitosti in uspešnosti, najbolj množično uporabljajo rešitve, vezane na sončne vire.

V portfelju proizvajalca so rešitve z različnimi topologijami dela, kar omogoča upoštevanje različnih različic delovanja naprave. Blokovni diagram najnaprednejše rešitve je prikazan na sliki 3, v preglednici 1 pa so predstavljeni ključni parametri solarnih rešitev.

Zelo pomembno merilo pri izbiri rešitve so pogoji delovanja in kritični (robni) parametri, ki določajo delovanje sistema in učinkovitost, ki jo je moč doseči.

Zbiranje svetlobne energije s fotovoltaičnimi (PV) celicami

Pomemben del enote za proizvodnjo energije za svetlobne vire je fotovoltaična celica.  Ko gre za naprave z majhno močjo, ki delujejo na baterije in v zaprtih prostorih, se kot vir energije uporablja umetna svetloba.

V primerjavi z rešitvami, ki so na voljo na trgu, se izdelki Epishine odlikujejo po visoki učinkovitosti in prilagodljivosti glede na aplikacijo. Portfelj proizvajalca vključuje šest standardnih rešitev z različnim številom fotovoltaičnih celic za uporabo v notranjih prostorih in aktivno površino, ki določajo izhodne parametre (preglednica 2).

Glede na aktivno površino izbranega fotonapetostnega modula (število celic) in elementa za shranjevanje energije bodo za končno napravo značilni posebna funkcionalnost, cena in možnost delovanja v določenem okolju. Preglednica št. 3 prikazuje primere uporabe fotonapetostnih modulov skupaj s primeri elementov za shranjevanje energije glede na njihove prednosti in slabosti delovanja.

Pogoji delovanja modula PV celic, kot so intenzivnost osvetlitve, temperatura okolice in aktivna površina, določajo električne lastnosti modulov. Povzetek glavnih značilnosti, prikazan na sliki 4, omogoča pravilno izbiro rešitve za napajano vezje in intenzivnost svetlobe, ki je na voljo v prostoru.

Občutljivost in učinkovitost fotovoltaičnih celic sta ključnega pomena v težkih pogojih, kot so nizka jakost svetlobe, spremembe temperature, kot svetlobe in barva svetlobe. Primerjalne tabele in grafi, ki jih zagotovi proizvajalec, ponazarjajo učinkovitost in občutljivost rešitev glede na spremembe pogojev delovanja.

Občutljivost in učinkovitost fotovoltaičnih celic sta ključnega pomena v težkih pogojih, kot so nizka jakost svetlobe, spremembe temperature, kot svetlobe in barva svetlobe. Primerjalne tabele in grafi, proizvajalca ponazarjajo učinkovitost in občutljivost rešitev glede na spremembe pogojev delovanja.

V pogojih nizke jakosti svetlobe, kjer ni mogoče zagotoviti pogojev za minimalno raven osvetljenosti, bo občutljivost PV celic igrala pomembno vlogo. Primer primerjave izhodne moči za izbrane PV module in zelo nizke vrednosti osvetlitve je zbran v preglednici 4.

Drug pomemben okoljski dejavnik, ki vpliva na učinkovitost PV celic, je temperatura okolja, ki vpliva na izgube moči in napetosti (slika št. 5). Pri izbrani rešitvi modula LEH3_50x50_6_10 nihanja moči in napetosti niso presegla +/-20 % v celotnem spektru preizkušenega temperaturnega območja.

Za ohranjanje učinkovitosti je zelo pomemben tudi vpadni kot, katerega prekoračitev povzroči drastično zmanjšanje učinkovitosti. Slika 6 prikazuje odvisnost učinkovitosti modula od spreminjanja vpadnega kota, iz katere je razvidno, da morajo moduli delovati pri vrednostih +/-30⁰.

Zadnji pomemben dejavnik je barva svetlobe, ki jo proizvaja določena vrsta vira. Slika 7 prikazuje, kako lahko fotonapetostni moduli delujejo z različnimi viri svetlobe in barvami. Celice delujejo v območju valovnih dolžin svetlobe od >300 nm do >700 nm, pri čemer ohranjajo praktično konstanten in največji pretvorbeni faktor.

Zaključek

Trg elektronike in zahteve, ki jih imajo podjetja, ki dobavljajo končne izdelke, prinašajo nove izzive in spremembe. Spremembe, ki jih narekuje tehnologija, so pogosto počasne, njihovi rezultati pa manj učinkoviti. V primeru zgoraj opisanih naprav za zbiranje energije in naprav z baterijskim napajanjem bodo vprašanja surovin spodbudila hitrejše odločitve in ukrepe. Število naprav, ki se napaja z baterijami  hitro narašča, kar ustvarja dodatne zahteve za napajalnike in težave s servisiranjem takšne naprave po izteku deklariranega časa delovanja.