Postęp technologiczny w zakresie minimalizacji poboru energii oraz zwiększenie efektywności pozyskiwania energii ze źródeł zewnętrznych sprawił, że obecne urządzenia nisko-energetyczne mogą pracować przy zasilaniu bezbateryjnym.

Rysunek 1. Koncepcja pozyskiwania energii – Energy Harvesting

Wdrażanie technologii pozyskiwania energii ze źródeł niezależnych odbywa się od ponad dekady. Główną przeszkodą uniemożliwiającą rozwój rynku była efektywność takich rozwiązań oraz konsumpcja energii elektrycznej przez „pseudo” nisko-energetyczne rozwiązania. Obecnie rynek rozwiązań Energy Harvesting w obliczu wszelkich problemów z dostępnością surowców oraz wzrostu optymalizacji i efektywności technologicznej stoi na progu swojej świetności.
Giganci technologiczni oraz firmy innowacyjne rozpoczęły wdrażanie rozwiązań tego typu do swoich produktów celem wyeliminowania baterii lub wydłużenia czasu pracy urządzenia. W ujęciu masowym ruch taki przyniesie znaczące zmniejszenie zapotrzebowania na baterie jako źródła energii oraz produkcję „autonomicznych” oraz bezobsługowych rozwiązań.
Aspekt innowacyjności bezobsługowego produktu na pewno będzie miał znaczenie dla klientów końcowych przy wyborze tego typu rozwiązania.

Przetwarzanie i zarządzanie odzyskaną energią => układy PMIC

E-peas – rozwiązania PMIC do łatwego i efektywnego zarządzania pozyskaną energią
Pierwszym aspektem w zakresie odzyskiwania energii jest efektywne przetwarzanie i zarządzanie pozyskaną energią. W tym celu wykorzystywane są przetwornice DC-DC o bardzo niskich stratach, oraz dużej sprawności. Dużo wyższe oczekiwania rynku doprowadziły do powstania odrębnej grupy produktów dedykowanych wyłącznie kwestii Energy Harvesting (EH).
Na pozycję silnego gracza na rynku rozwiązań dedykowanych do EH wysuwa się firma E-peas Semiconductors, specjalizująca się w układach do przetwarzania oraz zarządzania odzyskaną energią. Producent w swojej ofercie posiada rozwiązania dedykowane dla pozyskiwania energii ze źródeł termalnych, świetlnych oraz RF (rys nr 2). W zależności od konstrukcji urządzenia wynikającej głównie z zapotrzebowania energetycznego dostępne są różne warianty topologii układów (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost Battery Charger / Boost Battery Charger Wearable). Sprecyzowanie charakteru pracy urządzenia jak również wybranie właściwego rozwiązania PMIC powinno odbyć się na podstawie analizy energetycznej planu pracy urządzenia oraz ilości energii możliwej do odzyskania.

Rysunek 2. Rozwiązania układów PMIC producenta E-peas

Kolejnym aspektem istotnym dla podjęcia decyzji jest rodzaj źródła wykorzystywanego do odzyskiwania energii, gdzie każde z poszczególnych źródeł wymaga zastosowania odmiennych kryteriów selekcji. Głównymi czynnikami charakteryzującymi poszczególne źródła jest ich efektywność oraz dzienna dostępność energii. Obecnie, najszersze zastosowanie w praktyce, głównie ze względu na sprawność oraz efektywność, mają rozwiązania dedykowane do źródeł solarnych.
W portfolio producenta dostępne są rozwiązania o różnych topologiach pracy, umożliwiających opracowanie różnych wariantów pracy urządzenia. Diagram blokowy najbardziej zaawansowanego rozwiązania przedstawia rys nr 3, natomiast tabela nr 1 zawiera zestawienie kluczowych parametrów rozwiązań solarnych.

Rysunek 3. Diagram blokowy konfiguracji układu AEM10941

Podczas doboru rozwiązania bardzo ważnym kryterium są warunki pracy oraz parametry brzegowe, które definiują działanie układu oraz możliwą do uzyskania sprawność.

Tabela 1. Zestawienie kluczowych parametrów rodziny AEM10xxx
Zbieranie energii świetlnej => ogniwa PV
Epishine – ogniwa fotowoltaiczne do zastosowań ze światłem sztucznym

Istotnym elementem jednostki do pozyskiwania energii w przypadku źródeł świetlnych jest ogniwo PV. W przypadku urządzeń niskiej mocy, zasilanych bateryjnie, a także użytkowanych wewnątrz pomieszczeń, jako źródło energii wykorzystywane jest światło sztuczne.
Z dostępnych rozwiązań rynkowych dużą sprawnością oraz możliwością dopasowania do zastosowań odznaczają się produkty Epishine. Portfolio producenta zawiera sześć standardowych rozwiązań z różną ilością ogniw PV oraz powierzchnią aktywną, co przekłada się na osiągalne parametry wyjściowe (tabela nr 2).

Tabela 2. Zestawienie dostępnych rozwiązań modułów PV


W zależności od powierzchni aktywnej wybranego modułu PV (liczby ogniw) jak też elementu magazynującego energię, urządzenie końcowe będzie charakteryzowało się konkretną funkcjonalnością, ceną i możliwościami pracy w danym środowisku. W tabeli nr 3 zebrane zostały przykłady zastosowań modułów fotowoltaicznych wraz z przykładowymi elementami magazynującymi w ujęciu ich zalet oraz wad pracy.

Tabela 3. Wybrane przykłady zastosowania modułów PV

Warunki pracy modułu ogniwa PV takie jak natężenie oświetlenia, temperatura otoczenia oraz powierzchnia aktywna, będą definiowały charakterystyki elektryczne modułów. Przedstawione na rysunku nr 4 zestawienie głównych charakterystyk, pozwala na odpowiednie dobranie rozwiązania do obwodu zasilanego oraz natężenia oświetlenia dostępnego w pomieszczeniu.

Rysunek 4. Specyfikacja elektryczna modułów fotowoltaicznych firmy Epishine

Czułość oraz efektywność ogniw fotowoltaicznych ma kluczowe znaczenie w warunkach pracy brzegowej np. przy niskim natężeniu oświetlenia, zmianach temperatury, kąta padania światła oraz barwy światła. Udostępnione przez producenta tabele porównawcze oraz wykresy obrazują efektywność, oraz czułość rozwiązań w zależności od zmiany warunków pracy.
W warunkach słabego oświetlenia, gdy nie jest możliwe zapewnienie natężenia oświetlenia powyżej granicy dolnej brzegowej, duże znaczenie będzie odgrywać czułość ogniw PV. Przykładowe porównanie mocy wyjściowej dla wybranych modułów PV oraz bardzo niskich wartościach natężenia oświetlenia zebrane jest w tabeli nr 4.

Tabela 4. Porównanie mocy wyjściowej przy słabym natężeniu oświetlenia

Kolejnym ważnym czynnikiem środowiskowym mającym wpływ na sprawność ogniwa PV jest temperatura otoczenia, która wpływa na straty mocy oraz napięcia (rys nr 5). Dla wybranego rozwiązania modułu LEH3_50x50_6_10 w pełnym spektrum badanego zakresu temperatury, wahania mocy oraz napięcia nie przekroczyły +/-20%.

Rysunek 5. Straty mocy wyjściowej od temperatury otoczenia

Duże znaczenie w zakresie zachowania sprawności ma również kąt padania światła, który po przekroczeniu granicznej wartości powoduje drastyczny spadek efektywności. Rysunek 6 przedstawia zależność pracy modułów od zmienności kąta padania, z którego wywnioskować można, iż moduły powinny pracować w wartościach +/-30⁰.

Rysunek 6. Zależność strat od kąta padania światła

Ostatnim istotnym czynnikiem jest barwa światła wytwarzana przez konkretny rodzaj źródła. Na rysunku nr 7 zobrazowano możliwości pracy modułów fotowoltaicznych przy różnych źródłach jak i barwach światła. Ogniwa pracują w zakresie długości światła od >300 nm do >700 nm, zachowując przy tym praktycznie stały i maksymalny współczynnik konwersji.

Rysunek 7. Czułość modułu względem barwy światła

Rynek elektroniki oraz wymagania stawiane przed firmami dostarczającymi produkty końcowe stawia nowe wyzwania i zmusza do zmian. Zmiany wywołane przez technologie są często powolne oraz mniej efektywne w swoich rezultatach. W przypadku opisanego powyżej pozyskiwania energii oraz zasilania urządzeń bateryjnych, problemy związane z surowcami będą mobilizowały do szybszych decyzji oraz działań. Liczba urządzeń bateryjnych rośnie w szybkim tempie, co powoduje dodatkowe zapotrzebowanie na źródła zasilania oraz sprawia problemy z serwisowaniem każdego urządzenia po zadeklarowanym czasie pracy.
W świetle obecnie dostępnej technologii, problemów z alokacją komponentów jak również koniecznością przeprojektowywania urządzeń, dobrym pomysłem jest (rozpatrzenie alternatywnych możliwości) wzięcie poprawki na temat zasilania. Innowacyjne podejście do tematu rozwiązań zasilania wraz z rozwojem technologii EH będzie miało coraz większy wpływ na minimalizowanie zapotrzebowania na energię.

Wszystkie materiały oraz informacje użyte w tekście dostępne są na stronach producentów:
e-peas, epishine

Kamil Prus | BDM & FAE Poland and Baltic States
Computer Controls Sp. z o.o.
ul. Pańska 98/4
00-837 Warszawa, tel. 660 141 060
kamil.prus@ccontrols.pl
www.ccontrols.pl