Підвищення ефективності використання сонячних батарей

Для зарядки акумуляторів від сонячних батарей використовуються різні схеми: від випрямних діодів до перетворювачів МРР (Maximum Power-Point), основне призначення яких — максимальне збільшення потужності, віддаваної сонячними батареями, в широкому діапазоні зміни освітленості та струму навантаження. Однак ККД таких схем рідко перевищує 69%. Крім того, робота в неоптимальному режимі може викликати прискорене зношування сонячних батарей. У статті викладено деякі способи підвищення ефективності використання сонячних батарей і збільшення їх терміну служби.

А. Мельниченко

Прості схеми зарядки

У найбільш простому випадку сонячні батареї підключають до акумуляторів через випрямні діоди, що запобігають подачі зворотної напруги на батареї, коли вони не освітлені сонцем. Недоліком такої схеми є те, що в цьому випадку батареї працюють в неоптимальному режимі, оскільки їх ККД залежить від ступеня освітленості. Крім того, навіть якщо акумулятори повністю заряджені, струм через них продовжує протікати, що негативно впливає на термін їх служби.

Перетворювачі МРР

Для підвищення ККД схем зарядки акумуляторів використовують перетворювачі МРР. Вони являють собою імпульсні перетворювачі, доповнені елементами регулювання вихідного струму. Ці перетворювачі встановлюють такий струм зарядки, при якому потужність, що відбирається від сонячної батареї, максимальна. Для стабілізації напруги на навантаженні між ним та акумулятором вмикають звичайний імпульсний стабілізатор (рис. 1).

Сумарний ККД схеми обчислюється як добуток ККД окремих її складових:

КПД заг = КПД сонц. бат × КПД мрр × КПД акк × КПД перетв.

КПД сонц. бат становить порядку 25%, сумарний ККД решти схеми не перевищує 69%.

Недоліки схеми з МРР

Схема, представлена на рис. 1, не позбавлена недоліків. Потужність, що віддається в навантаження, повністю залежить від стану акумулятора. Якщо в акумуляторі виникає несправність у вигляді обриву ланцюга, то напруга на вході імпульсного стабілізатора змінюється в широких межах залежно від освітленості сонячної батареї та струму навантаження перетворювача. Якщо ж в акумуляторі виникає коротке замикання, весь струм перетворювача МРР протікає через замкнутий ланцюг, і система стає непрацездатною.

Удосконалена схема живлення

Усунути цей недолік можна, забезпечивши живлення імпульсного стабілізатора безпосередньо з виходу перетворювача МРР напругою, дещо вищою, ніж напруга повністю зарядженого акумулятора (рис. 2). Для зарядки акумулятора використовується додаткова мікросхема зарядного пристрою, живлення якої здійснюється з виходу перетворювача МРР. При достатній освітленості сонячних батарей така схема продовжує функціонувати і в разі виникнення дефектів в акумуляторі.

Аналізуючи роботу схеми, зображеної на рис. 2, можна зробити висновок, що її ККД може змінюватися в широких межах залежно від освітленості. Вдень, коли напруга сонячних батарей порівняно висока і живлення імпульсного стабілізатора здійснюється безпосередньо від перетворювача МРР, ККД схеми вищий, ніж попередньої і становить приблизно 72%. Коли ж освітленість сонячних батарей мала, на навантаження подається напруга від акумулятора через імпульсний стабілізатор. У цьому випадку через втрати потужності в додаткових елементах (зарядному пристрої та діоді) в навантаження надійде всього 55% енергії, відданої сонячними батареями при зарядці акумулятора.

Таким чином, середній ККД буде залежати від співвідношення інтервалів часу роботи схеми в цих двох режимах. Наприклад, при рівності цих інтервалів (режим «день-ніч») середній ККД становитиме близько 64%, що дещо менше, ніж у попередній схемі. Якщо ж пристрій встановлено на супутнику з періодом обертання 10 годин, з яких усього 2 години він перебуває в тіні, його середній ККД становитиме близько 69%.

Шляхи підвищення ККД системи

Виникає питання: чи можна збільшити ККД схеми? Відповідь, швидше за все, буде ствердною, що підтверджується наведеними нижче прикладами.

Перетворювач МРР з двома виходами

Схема перетворювача МРР наведена на рис. 3. Вона багато в чому аналогічна схемі звичайного підвищувального перетворювача. Перетворювач працює таким чином. Транзистор періодично підключає котушку індуктивності до потенціалу «землі», в результаті чого струм у ній зростає. Коли він досягає певної величини, транзистор запирається, і струм котушки надходить через діод на вихідний конденсатор. Напруга зворотного зв’язку через підсилювач надходить на ШІМ-модулятор, що регулює тривалість імпульсів, які відкривають транзистор.

Для регулювання потужності, що віддається сонячними батареями, в схему додано ще один компаратор і схему керування, яка визначає необхідність генерації чергового імпульсу струму, що накопичує енергію магнітного поля в котушці індуктивності.

Нерідко для підвищення ККД таких перетворювачів замість діода використовують другий транзистор, який відкривається в той час, коли перший транзистор закритий. Падіння напруги на ньому, а отже, і втрати енергії менші, ніж при використанні діода.

Заміна діода транзистором дозволяє створити перетворювач МРР з двома виходами (рис. 4). У ньому замість діода встановлено два транзистори. У результаті енергія, накопичена в котушці, може надходити на один із двох виходів: або для зарядки акумулятора, або для живлення імпульсного стабілізатора. Алгоритм роботи схеми такий. Якщо напруга живлення стабілізатора менша заданого, накопичена в котушці енергія надходить на його вхід, в іншому випадку вона спрямовується в акумулятор.

В результаті модернізації перетворювача МРР необхідність в окремому зарядному пристрої відпадає, і ККД схеми при роботі від акумулятора збільшується з 55 до 65%. Відповідно, в режимі «день-ніч» середнє значення ККД збільшується до 67%.

Подальші шляхи оптимізації

Одним зі шляхів подальшої оптимізації системи може бути доробка схем перетворювача МРР та імпульсного стабілізатора для забезпечення можливості їх роботи на спільне навантаження (рис. 5). У цьому випадку при живленні навантаження від сонячних батарей імпульсний стабілізатор не використовується, в результаті чого загальний ККД системи підвищується.

Після нескладної доробки можна також відмовитися від зарядного пристрою, якщо заряджати акумулятор безпосередньо від перетворювача МРР. Для цього необхідно доповнити перетворювач МРР логічною схемою, що керує прохідним транзистором (рис. 6).

Деякою мірою підвищити ККД системи можна також шляхом оптимізації алгоритму роботи перетворювача МРР. Напруга на виході сонячної батареї змінюється, головним чином, з двох причин: або через зміну струму навантаження, або (при незмінному навантаженні) внаслідок зміни освітленості. Якщо ж напруга на сонячній батареї залишається постійною, схема оптимізації потужності, що віддається нею, може бути переведена в режим очікування з малим споживанням. Крім того, в алгоритмі стеження можна передбачити два етапи: спочатку стрибкоподібний перехід у режим, близький до оптимального, потім — плавна і точніша підстройка. У результаті тривалість процесу оптимізації режиму роботи перетворювача МРР і, відповідно, витрата енергії при цьому можуть бути зменшені.

Останній резерв підвищення ККД полягає в оптимізації навантаження. Якщо струм навантаження змінюється в часі нерівномірно, то в періоди його максимуму збільшуються втрати енергії на внутрішньому опорі сонячних батарей. Шляхом перерозподілу струму, що споживається окремими елементами навантаження, можна зменшити цю нерівномірність, а отже, і втрати в сонячних батареях.