Области применения солнечной энергии варьируются от переносных дорожных знаков и сигнальных огней в зонах строительства до удаленных насосных станций и вышек связи. Фактически, солнечная энергия становится жизнеспособным источником энергии для целого нового поколения автономных приложений.
Всегда найдётся причина, по которой то или иное устройство не может питаться напрямую от электросети: оборудование может быть портативным, например, дорожные знаки или сигнальные огни в зонах строительства; или, как в случае с подстанциями и телекоммуникационными вышками, его местоположение может быть просто слишком удалённым для доступа к сети.
Некоторые из наиболее важных проектных решений для питания автономных устройств солнечной энергией связаны с присущими самой системе электроснабжения преимуществами и недостатками. Эти аспекты будут определяться в первую очередь типом нагрузки и характером потребления, которые специфичны для каждого конкретного устройства.
Анализ нагрузки.
На рисунке 1 представлена блок-схема высокоуровневой системы, которая лежит в основе всех проектов солнечных энергетических установок. Тщательное понимание основных характеристик нагрузки и их поведения во времени имеет важное значение на начальном этапе проектирования, чтобы для каждого применения можно было достичь баланса между получаемой, накопленной и потребляемой энергией.
Нагрузки бывают разных форм и размеров: они могут быть постоянными или переменными, днем или ночью; они могут быть прерывистыми или работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
Анализ типа и характера нагрузки каждого приложения определит подходящую реализацию системы. Например, аварийные огни, используемые в зонах строительства, имеют постоянную, импульсную и ночную нагрузку. Такая нагрузка может заряжаться в течение дня, и можно выбрать емкость батареи, чтобы обеспечить достаточную мощность для работы аварийных огней всю ночь. В отличие от этого, дорожный светофор должен иметь импульсную нагрузку, работающую как днем, так и ночью. В этом случае батарея и система должны быть рассчитаны на поддержку постоянной нагрузки в течение дня и одновременную подзарядку аккумуляторной батареи, чтобы светофор продолжал функционировать ночью.
Насос также должен работать днем и ночью, но его нагрузка будет скорее прерывистой, чем постоянной. В этом случае необходимо оценить возможность отказа системы, и система должна быть спроектирована таким образом, чтобы справляться с наихудшим сценарием, включая резервную систему на случай, если солнечной энергии будет недостаточно для питания системы. Например, насосная станция для сбора дождевой воды нуждается в резервной системе, потому что во время дождя солнечного света для зарядки аккумуляторов очень мало, и именно в это время система будет использоваться наиболее интенсивно: во время или после дождя.
Каждое автономное приложение будет иметь свой тип нагрузки, но на рисунке 2 показаны схемы нагрузки для аварийного сигнала, дорожного информационного знака и насоса.
Ключевым моментом является знание среднесуточной нагрузки, исходя из ее величины и частоты, а также режима работы. После того, как нагрузка и условия ее работы известны, определение требований к хранению энергии становится относительно простым.
Накопление энергии:
Базовую потребность в накоплении энергии можно рассчитать с помощью простого метода энергетического баланса за 24-часовой период. На рисунке 3 показаны условия эксплуатации и их влияние на размер батареи. Емкость накопителя энергии будет определяться по данным, представленным в левой части этой таблицы.
Нагрузка может быть предсказуемой, как, например, в случае с мигающими светофорами на автомагистрали, или сильно изменчивой, как в насосных установках. Управление переменными нагрузками включает два возможных сценария: нормальный режим работы, охватывающий 95% случаев, и наихудший сценарий работы, охватывающий оставшийся процент. В нормальных условиях элемент накопления энергии может заряжаться в течение дня и иметь достаточную емкость для питания нагрузки всю ночь. Однако в наихудшем сценарии насос может начать работать с наступлением сумерек и работать на полной нагрузке всю ночь. Следующее уравнение показывает потребность в накоплении энергии в наихудшем случае, суммируя максимальную почасовую энергию нагрузки за период времени, в течение которого зарядка не производилась.
Требуемый запас энергии = Максимальная энергия, потребляемая нагрузкой в час * (24 часа - Время нагрузки)
В наихудшем сценарии предполагается, что в батарее или накопительном элементе остается некоторое количество энергии, но следует учитывать последствия неполного заряда батареи перед началом работы.
Во всех приложениях важным фактором является влияние и стоимость отказа, например, потенциальное влияние неработающего аварийного сигнала или неисправного насоса. Один из очевидных способов смягчения этого — увеличение размера накопительного элемента. Однако всегда существует абсолютный наихудший сценарий. В ситуациях, когда отказ недопустим или когда максимальная мощность требуется редко, может быть возможно рассчитать систему для нормальной работы и добавить резервную систему, такую как дизель-генератор.
Левая часть рисунка 3 показывает требования к накопителю энергии, а правая часть может быть использована для расчета солнечной батареи.
Расчет размеров солнечных панелей:
Если требования к нагрузке хорошо изучены, размеры солнечных панелей можно скорректировать. Как показано на рисунке 3, размеры солнечных панелей следует рассчитывать таким образом, чтобы они покрывали емкость накопителя энергии в течение заданного времени нагрузки, а также обеспечивали среднюю выходную мощность нагрузки за тот же период. Эта общая зависимость определяется следующим уравнением:
Выходная мощность солнечной панели =
Размер накопителя энергии +
Время зарядки
+ Средняя мощность зарядки
Используя упрощенный метод энергетического баланса, можно оценить размеры компонентов системы хранения энергии и солнечных панелей. Однако для уточнения расчетных размеров необходимо учитывать и другие внутренние и внешние факторы.
Одним из важнейших внешних факторов является местоположение, а точнее, широта места установки автономной системы. Только это определит ожидаемый пиковый уровень солнечной радиации, а также его изменение в течение года. Минимальный уровень солнечной радиации будет наблюдаться в зимние месяцы, а максимальный — летом, в зависимости от положения местоположения относительно солнца.
К другим внешним факторам относятся облачность и температура окружающей среды, которые также могут негативно влиять на количество солнечного света, которое, как ожидается, будет получать система, а также на эффективность преобразования энергии. Эти внешние факторы неизбежно будут различаться в зависимости от конкретного применения и местоположения.
Внутренние факторы, такие как архитектура системы и ее интерфейсы, также будут влиять на размер компонентов системы. В предыдущих примерах размер накопителя энергии и солнечных панелей определял количество энергии и мощности, которые могут быть получены. Однако, поскольку достижение 100% эффективности преобразования просто невозможно, эти неизбежные потери необходимо учитывать. Это означает, что при расчете необходимой выработки энергии крайне важно учитывать силовую электронику.
Силовая электроника:
Хотя блок-схема системы на рисунке 1 объясняет энергетический баланс, для рассмотрения внутренних факторов, влияющих на размер компонентов, необходима дополнительная информация. На рисунке 4 представлены более подробные сведения о реализации системы, а также вопросы, влияющие на стратегию в области силовой электроники.
Стратегия управления питанием основана на микроконтроллере, обеспечивающем высокую гибкость. Она позволяет использовать стандартную эталонную схему для широкого спектра применений, одновременно удовлетворяя специфические потребности приложений и добавляя расширенные функции. Схема управления питанием на базе микроконтроллера не только поддерживает базовое преобразование энергии, но и предлагает гибкость в выборе ключевых компонентов; она позволяет вносить изменения и оптимизировать различные режимы работы. Кроме того, расширенные функции, такие как связь и диагностика, которые были бы невозможны для специализированного автономного преобразователя энергии, могут быть легко реализованы с помощью схемы на базе микроконтроллера.
В данной реализации основные вопросы связаны с нагрузкой: какова природа нагрузки и как она будет управляться? Потребуется ли напряжение или ток, и какова будет необходимая точность заданного значения тока или напряжения? Управление нагрузкой может быть как простым, например, с помощью реле, так и сложным, например, с помощью трехфазного инвертора, но оба варианта требуют функции зарядного устройства, использующего солнечную энергию для зарядки накопителя энергии и, по возможности, обеспечивающего отслеживание максимальной пиковой мощности (MPPT).
Возможно, одним из первых решений будет использование архитектуры с общей шиной питания или распределенной шиной питания. На рисунке 5 показана разница между этими архитектурами, хотя основным фактором, влияющим на это проектное решение, будет поведение нагрузки. Если нагрузка требует постоянного напряжения, то шина питания, показанная на рисунке 5a, будет наилучшим выбором. В этом случае контроллер заряда становится простым реле или твердотельным переключателем. Солнечный DC/DC-преобразователь поддерживает напряжение на общей шине питания на заданном уровне, а зарядное устройство для аккумулятора питается от шины для зарядки накопителя энергии. Преимущества и недостатки этого решения заключаются в этапах преобразования мощности: при средней эффективности преобразования мощности 85% все равно будут потери при преобразовании в 15%. Если солнечный DC/DC-преобразователь может справиться с нагрузкой, то это будет один этап преобразования. Однако зарядка аккумулятора требует двух этапов преобразования для поддержки нагрузки: первый — от солнечного DC/DC-преобразователя к общей шине питания, второй — от общей шины питания к двунаправленному DC/DC-преобразователю, и второй — от двухстороннего CC/CC к общей шине.
Общая шина питания также может использоваться, если зарядка требуется только ночью, когда солнечный DC/DC-преобразователь не работает. В этом случае солнечный DC/DC-преобразователь можно исключить, и для зарядки батареи от солнечных панелей можно использовать двунаправленный DC/DC-преобразователь устройства хранения энергии; или же для питания нагрузки можно использовать альтернативный источник питания. В этом сценарии энергетические потребности включают всего два этапа преобразования: от солнечного DC/DC-преобразователя к двунаправленному DC/DC-преобразователю и от двунаправленного DC/DC-преобразователя к нагрузке.
Распределенная архитектура, показанная на рисунке 6, более гибкая и может обрабатывать различные требования к зарядке. Солнечный DC/DC-преобразователь может использоваться, например, для поддержки накопления энергии для нагрузки, в то время как DC/DC-преобразователь может быть адаптирован к требованиям нагрузки. Недостатком этого варианта является то, что всегда происходит два преобразования, хотя это лучшее решение, если предполагается одновременная работа солнечных панелей и нагрузки.
Предлагаемая схема.
Этот общий обзор архитектуры питания может быть применен к простому примеру маломощной системы аварийной сигнализации, используемой в строительных зонах. С точки зрения общего устройства, сигнализаторы работают только ночью, а в остальное время батарея полностью их заряжает. Такое поведение позволяет использовать общую шинную архитектуру, и поскольку сигнализаторы только заряжаются или мигают, топологию можно упростить, объединив солнечный DC/DC преобразователь, двунаправленный DC/DC преобразователь и управление нагрузкой в один двунаправленный преобразователь. На рисунке 6 показана предлагаемая схема.
Данная схема использует микроконтроллер Microchip PIC16F690 и два аналоговых ШИМ-контроллера MCP1630 для управления двунаправленным обратноходовым преобразователем. В течение дня солнечная энергия используется для зарядки аккумулятора; когда на солнечной панели появляется предупреждение о «низком или нулевом заряде», преобразователь начинает подавать питание на светодиод, используя запрограммированный режим мигания. Предположения и расчеты, лежащие в основе этой схемы, приведены в таблице 1.
Выводы:
Снижение стоимости солнечных установок позволит большему числу автономных систем использовать солнечную энергию. Успех этих новых солнечных энергетических систем будет зависеть от баланса между преимуществами и недостатками, размером и стоимостью, а также от выбора подходящей топологии для каждого конкретного применения.
Использование микроконтроллера в качестве основы для преобразования энергии обеспечивает высокую гибкость. Это не только поддерживает широкий спектр конечных приложений на основе стандартной эталонной конструкции, но и гарантирует жизнеспособность конструкции в будущем по мере развития следующего поколения фотоэлектрических солнечных технологий.
Автор:
Автор: Стивен Стелла, директор по маркетингу продуктовой линейки подразделения аналоговых и интерфейсных продуктов компании Microchip Technology Inc.
