Zbiranje energije: Kako rešiti problem trajanja baterije

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

Ta blog vsebuje kratek opis trenutne situacije na trgu zbiranja energije, trenutne trende in primere rešitev s ključnimi parametri zmogljivosti.

Tehnološki napredek pri zmanjšanju porabe energije in izboljšanju učinkovitosti zbiranja energije iz zunanjih virov je omogočil, da zdajšnji nizkoenergijski naprav delujejo brez baterij. (Slika 1).

Tehnologije za zbiranje energije iz neodvisnih virov se uporabljajo več kot desetletje. Glavna ovira za razvoj trga je bila učinkovitost tovrstnih rešitev in poraba električne energije s ‘pseudo’ nizkoenergijskimi rešitvami. Trenutni trg predstavlja rešitev, ki varčuje energijo glede na vse težave s dostopnostjo surovin in povečano optimizacijo ter tehnološko učinkovitostjo na robu svoje zmogljivosti.

Tehnološki velikani in inovativna podjetja so začela vključevati takšne rešitve v svoje izdelke, da bi odpravili baterije ali podaljšali življenjsko dobo naprav. V množičnem obsegu bo ta poteza bistveno zmanjšala potrebo po baterijah kot viru energije in omogočila proizvodnjo ‘avtonomnih’ rešitev brez vzdrževanja. Inovativni vidik izdelkov brez vzdrževanja bo zagotovo pomemben za končne kupce pri izbiri takšne rešitve.

Pretvorba in upravljanje energije iz toplote, svetlobe in izmeničnih virov

Prvi vidik proizvodnje energije je učinkovita pretvorba in upravljanje proizvedene energije. Za ta namen se uporabljajo DC-DC pretvorniki z zelo majhnimi izgubami in veliko učinkovitostjo. Velika pričakovanja trga so pripeljala do razvoja posebne skupine izdelkov, namenjenih izključno proizvodnji energije.

Močan igralec na trgu rešitev za zbiranje energije je podjetje E-peas Semiconductors, specializirano za sisteme za obdelavo in upravljanje energije. Proizvajalec ponuja rešitve, zasnovane za pridobivanje energije iz toplotnih, svetlobnih in RF virov (slika 2). Posebne PMIC rešitve E-peas so zasnovane za enostavno in učinkovito upravljanje pridobljene energije. Na voljo so različne različice topologij, odvisno od zasnove naprave, ki temelji predvsem na energetskih potrebah. (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost polnilci baterij, / Boost polnilci baterij za naprave in senzorje, ki jih nosimo na telesu). Določanje narave delovanja naprave in izbira prave PMIC rešitve morata biti temelji na energetski analizi delovnega načrta naprave in količini energije, ki jo je mogoče pridobiti.

Drugi vidik, ki je pomemben za odločitev, je vrsta vira, ki ga uporabljamo za proizvodnjo energije, pri čemer vsak posamezni vir zahteva različne kriterije izbire. Glavni dejavniki, ki značilno določajo različne vire, so njihova učinkovitost in dnevna dostopnost energije. Trenutno se v praksi, predvsem zaradi učinkovitosti in uspešnosti, najbolj uporabljajo rešitve, povezane s solarnimi viri.

Portfelj proizvajalca vključuje rešitve z različnimi topologijami delovanja, kar omogoča razmislek o različnih različicah naprav. Blok-diagram najbolj napredne rešitve je prikazan na sliki 3, tabela 1 prikazuje ključne parametre solarnih rešitev.

Zelo pomemben kriterij pri izbiri rešitve so delovni pogoji in kritični (robni) parametri, ki določajo delovanje sistema in dosegljivo učinkovitost.

Zbiranje svetlobne energije s fotonapetostnimi (PV) celicami

Pomemben del enote za proizvodnjo energije za svetlobne vire je fotonapetostna 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, izdelke podjetja Epishine zaznamuje visoka učinkovitost in prilagodljivost uporabi. Portfelj proizvajalca vključuje šest standardnih rešitev z različno številom fotonapetostnih celic za notranjo rabo in aktivno površino, ki določa izhodne parametre (tabela 2).

Glede na aktivno površino izbranega fotonapetostnega modula (število celic) in element za shranjevanje energije se bo končna naprava odlikovala s posebno funkcionalnostjo, ceno in možnostjo delovanja v specifičnem okolju. Tabela št. 3 prikazuje primere uporabe fotonapetostnih modulov skupaj s primeri elementov za shranjevanje energije glede na njihove prednosti in slabosti.

Delovni pogoji modulov fotonapetostnih celic, kot so intenzivnost svetlobe, temperatura okolice in aktivna površina, določajo električne značilnosti modula. Povzetek glavnih značilnosti prikazan na sliki 4 omogoča pravilno izbiro rešitve za tokokrog in intenzivnost svetlobe v prostoru.

Občutljivost in učinkovitost fotonapetostnih celic sta ključnega pomena v težkih pogojih, kot so nizka intenziteta svetlobe, spremembe temperature, svetlobni kot in barva svetlobe. Primerjalne tabele in grafikoni, ki jih je pripravil proizvajalec, prikazujejo učinkovitost in občutljivost rešitev na spremembe delovnih pogojev.

V pogojih nizke intenzivnosti svetlobe, kjer ni mogoče zagotoviti pogojev za minimalno raven osvetlitve, bo občutljivost fotonapetostnih celic igrala pomembno vlogo. Primerjava izhodne moči izbranih PV modulov in zelo nizkih vrednosti osvetlitve je povzeta v tabeli 4.

Drugi pomemben okoljski dejavnik, ki vpliva na učinkovitost fotonapetostnih celic, je temperatura okolice, ki vpliva na izgube moči in napetosti (slika 5). Pri izbrani rešitvi modula LEH3_50x50_6_10 nihanja moči in napetosti niso presegala +/- 20 % v celotnem preučenem temperaturnem območju.

Za ohranjanje učinkovitosti je zelo pomemben tudi vpadni kot, katerega preseganje vodi do drastičnega zmanjšanja učinkovitosti. Na sliki 6 je prikazana odvisnost učinkovitosti modula od spremembe vpadnega kota, kar kaže, da morajo moduli delovati pri vrednostih od +/- 30⁰.

Zaključek

Trg elektronike in zahteve podjetij, ki dobavljajo končne proizvode, 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 baterij na baterije bodo težave s surovinami spodbudile hitrejše odločitve in ukrepe. Število naprav, napajanih z baterijami, hitro narašča, kar ustvarja dodatne zahteve za napajanje in težave s servisiranjem takšnih naprav po deklarirani življenjski dobi.