Tehnici de conversie a energiei pentru iluminarea cu LED-uri alimentate solar

10 DECEMBRIE 2013

Îmbunătăţirile de performanţe în cazul LED-urilor şi celulelor solare fotovoltaice datorate dezvoltărilor tehnologice au condus evident la îmbunătăţiri ale performanţelor produselor finale. În aplicaţii care implică o combinaţie a ambelor tehnologii de mai sus, precum iluminarea cu alimentare solară, este loc pentru o îmbunătăţire substanţială a performanţelor produselor finale. De exemplu, este posibilă reducerea suprafeţei celulei solare datorită noilor celule solare de înaltă eficienţă care convertesc mai mult din energia soarelui în electricitate şi datorită LED-urilor de înaltă eficienţă care operează mai mult şi mai strălucitor în noapte. Producătorii de soluţii de iluminare cu alimentare solară caută să beneficieze de aceste avantaje repede şi economic; o cale pentru a obţine rezultatul dorit este utilizarea unei strategii de conversie a energiei care să permită dezvoltarea rapidă şi implementarea soluţiilor care utilizează cele mai noi tehnologii. Acest articol va trece în revistă componentele necesare pentru dezvoltarea unui astfel de sistem, şi analizează impactul noilor abordări.

de Stephen Stella, Product Marketer, Analog & Interface Products Division, Microchip Technology Inc.

Descrierea problemei

Iluminarea alimentată solar ocupă o plajă de aplicaţii de la lanterne încărcate solar şi utilizate pe timp de noapte pentru citire în zone fără reţele de alimentare cu energie, până la dezvoltarea de sisteme de iluminare stradală complete. Aplicaţiile diverse pentru sistemele de iluminare solar/LED sunt larg răspândite şi globale; singura diferenţă o reprezintă scara aplicaţiei finale. Componentele de bază pentru toate aceste sisteme sunt:
• Celule solare – colectoare de energie
• Baterii – stocare de energie
• LED-uri – emiţătoare de energie
Acest lucru se poate observa în schema din figura 1a.

Figura 1: Configuraţiile a două sisteme

Pentru ca această implementare să funcţioneze, comportamentul fiecărui element trebuie să fie compatibil, ceea ce înseamnă că tensiunea/curentul de ieşire al celulei solare trebuie să se alinieze cu profilul de încărcare al bateriilor, iar profilul de descărcare al bateriilor trebuie să se potrivească cu cerinţele driverului LED.

Prezentare generală a componentelor

Figura 2 oferă o prezentare generală a caracteristicilor de performanţă pentru fiecare componentă. Atâta vreme cât fiecare componentă poate fi făcută să fie apropiată de celelalte într-o configuraţie limitată, este aproape imposibil să fie garantată performanţa.
Tensiunea maximă pe celula solară este în jur de 1V, în vreme ce bateriile NiMH operează în gama de la 0.9V la 1,4V, iar LED-urile necesită o sursă de curent constant, deşi tensiunea lor directă este tipic de peste 3V. Mai mult, bateriile NiMH au câteva cerinţe de încărcare specifice pentru a extinde durata de viaţă.
Un sistem care interfaţează direct toate aceste componente are o limitare semnificativă, cu efecte asupra eficienţei globale a sistemului şi a robusteţii sale.
Figura 1b prezintă diagrama unui sistem alternativ care ia în considerare aceste limitări. Interfaţa electronicii de putere dintre aceste 3 componente de bază permite un grad mult mai mare de flexibilitate, şi dă posibilitatea ca performanţele globale ale sistemului să fie optimizate. Microcontrolerul nu este esenţial; un circuit integrat (IC) independent pentru încărcarea bateriei poate răspunde necesităţilor profilului de încărcare pentru NiMH, iar circuitul integrat al driverului LED poate converti tensiunea bateriei într-o sursă de curent constant.

Figura 2: Caracteristicile tensiune-curent ale componentelor şi cerinţele driverului

Totuşi, flexibilitatea unei configuraţii fără un microcontroler este limitată; dispozitivele au adesea un domeniu de operare îngust, care limitează abilitatea de a răspunde la schimbări. Dacă configuraţia cu celulă solară este schimbată, circuitul integrat responsabil cu încărcarea bateriei va trebui înlocuit. Atât circuitul integrat pentru încărcarea bateriei, cât şi cel de driver LED trebuie înlocuite în cazul schimbării tehnologiei de stocare sau a configuraţiei dispozitivului de stocare. În final, dacă tipul LED-ului sau configuraţia LED-urilor se modifică, atunci driverul LED trebuie reconfigurat. Având în vedere ritmul de inovare, flexibilitatea standard permite reacții mai rapide la cerințele în schimbare și oferă noi oportunități. Flexibilitatea sistemului vine de la faptul că cele mai multe modificări pot fi încorporate în interiorul microcontrolerului, în loc de a forţa modificări hardware semnificative, care necesită reproiectare intensivă și recalificare.
O soluţie bazată pe componente discrete ar avea dificultăți în a ține pasul cu ritmul de inovare fără o componentă de optimizare a sistemului. Un circuit integrat de încărcare a bateriei nu ar maximiza ieşirea din celula solară în acelaşi fel cum o face un microcontroler ce are inclus un algoritm MPPT (Maximum Peak Power Tracking).

Implementare propusă

Un microcontroler poate permite proiectanţilor avantajul creşterii performanţelor fiecărei componente de bază, dând posibilitatea ca arhitectura fundamentală să fie reutilizată. Figura 3 prezintă implementarea propusă. Există trei avantaje pentru această abordare.

1. Optimizare rapidă şi simplă a sistemului
Există patru sisteme primare în această soluţie: LED, baterie, celula solară şi electronica de putere. Profilul de încărcare a bateriei trebuie controlat pentru a îmbunătăți atât eficienţa încărcării, cât şi durata de viaţă a bateriei, dar eficienţa globală a încărcării este de asemenea dependentă de eficienţa celulei solare. Încorporând în algoritmul conversiei de putere un profil MPPT ar trebui să crească eficienţa globală a conversiei de putere SolarElectric. Rezultatul este o reducere a dimensiunii matricei de elemente solare păstrând aceleaşi obiective de încărcare. Reducerea dimensiunilor are impact asupra factorului de formă al produsului, şi oferă proiectanţilor opţiuni de îmbunătăţire a aspectului vizual. Calitatea luminii poate fi una dintre caracteristicile critice în aplicaţia ţintă, precum cazul utilizării pentru citire. Calitatea luminii poate fi atribuită formei de undă a curentului, conducând la o toleranţă mică pentru curentul driverului LED sau incluzând capabilitate de reducere a luminii. Implementarea cu un microcontroler permite inginerilor proiectanţi să optimizeze totul, de la eficienţa componentelor la robusteţea globală a sistemului şi durata sa de viaţă.

Figura 3: Arhitectura propusă pe bază de MCU

2. Scalabilitate şi funcţionalitate pe un domeniu larg de tensiune
O singură celulă solară, baterii reîncărcabile NiMH şi câteva LED-uri utilizând curent de comandă de 20-75 mA pot forma un dispozitiv de iluminare compact şi portabil pentru citire. Înlocuirea componentelor de putere, precum şi a transformatoarelor şi MOSFET-urilor de putere disponibile asigură că acest design poate scala rapid puterea nominală pentru a îndeplini cerinţele aplicaţiilor de iluminare comerciale şi de securitate. Numărul de celule solare poate fi crescut, bateriile NiMH de la raft pot fi înlocuite de pachete de baterii particularizate, şi pot fi utilizate LED-uri de înaltă intensitate, curent ridicat ce necesită un curent de comandă de peste 350 mA.

3. Flexibilitatea platformei de a se adapta la schimbările rapide ale tehnologiilor
Evoluţia celulelor solare sau a noilor LED-uri cu cerinţe de comandă specifice pot fi rapid adoptate, iar noile produse lansate. Odată lansate aceste produse, feedback-ul de la clienţi poate conduce la cerinţe suplimentare, chiar dacă acestea nu sunt de bază.
Flexibilitatea trece dincolo de performanţă în funcţionalităţi de diagnosticare care permit unui dispozitiv să anticipeze şi să comunice când va necesita operaţii de întreţinere.

Concluzii

O soluţie de convertor de putere bazată pe microcontroler oferă o flexibilitate extinsă atunci când este utilizată cu două tehnologii emergente precum PV solar şi LED-uri.
Soluţia permite implementarea rapidă a îmbună­tă­ţirilor, ceea ce satisface necesităţile clienţilor şi ţine pasul cu avansul acestor tehnologii emergente.

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre