Повышение эффективности использования солнечных батарей

Для зарядки аккумуляторов от солнечных батарей используются различные схемы: от выпрямительных диодов до преобразователей МРР (Maximum Power-Point), основное назначение которых – макси­мальное увеличение мощности, отдаваемой солнечными батареями, в широком диапазоне изменения освещенности и тока нагрузки. Однако КПД таких схем редко превышает 69%. Кроме того, работа в неопти­мальном режиме может вызвать ускоренный износ солнечных батарей. В статье изложены некоторые способы повышения эффективности ис­пользования солнечных батарей и увеличения их срока службы.

А. Мельниченко

В наиболее простом случае солнечные бата­реи подключают к аккумуляторам через вы­прямительные диоды, предотвращающие по­дачу обратного напряжения на батареи, когда они не освещены солнцем. Недостатком такой схемы является то, что в этом случае батареи работают в неоптимальном режиме, так как их КПД зависит от степени освещенности. Кроме того, даже если аккумуляторы полностью за­ряжены, ток через них продолжает протекать, что отрицательно влияет на срок их службы.

Для повышения КПД схем зарядки аккуму­ляторов используют преобразователи МРР. Они представляют собой импульсные преобразова­тели, дополненные элементами регулировки выходного тока. Эти преобразователи устанав­ливают такой ток зарядки, при котором мощ­ность, отбираемая от солнечной батареи, макси­мальна. Для стабилизации напряжения на на­грузке между ней и аккумулятором включают обычный импульсный стабилизатор (рис. 1).

Суммарный КПД схемы вычисляется как произведение КПД отдельных ее составляющих:

КПД общ = КПДсолн.бат X КПДмрр X КПДакк X КПДпреобр.

Рис. 1. Схема питания от солнечных батарей с использованием преобразователя МРР

КПД_{солн.бат} составляет порядка 25%, сум­марный КПД остальной схемы не превышает 69%.

Схема, представленная на рис. 1, не лишена недостатков. Мощность, отдаваемая в нагруз­ку, всецело зависит от состояния аккумулято­ра. Если в аккумуляторе возникает неисправ­ность в виде обрыва цепи, то напряжение на входе импульсного стабилизатора изменяется в широких пределах в зависимости от освещен­ности солнечной батареи и тока нагрузки пре­образователя. Если же в аккумуляторе возни­кает короткое замыкание, весь ток преобразо­вателя МРР протекает через замкнутую цепь, и система становится неработоспособной.

Устранить этот недостаток можно, обеспечив питание импульсного стабилизатора непосред­ственно с выхода преобразователя МРР напря­жением, несколько более высоким, чем напря­жение полностью заряженного аккумулятора (рис. 2). Для зарядки аккумулятора использу­ется дополнительная микросхема зарядного устройства, питание которой осуществляется с выхода преобразователя МРР. При достаточной освещенности солнечных батарей такая схема продолжает функционировать и в случае воз­никновения дефектов в аккумуляторе.

Рис. 2. Схема с непосредственным питанием импульсного стабилизатора от преобразователя МРР

Анализируя работу схемы, изображенной на рис. 2, можно сделать вывод, что ее КПД может изменяться в широких пределах в зависимости от освещенности. Днем, когда напряжение сол­нечных батарей сравнительно велико и питание импульсного стабилизатора осуществляется не­посредственно от преобразователя МРР, КПД схемы выше, чем предыдущей и составляет примерно 72%. Когда же освещенность солнеч­ных батарей мала, на нагрузку подается напря­жение от аккумулятора через импульсный ста­билизатор. В этом случае из-за потерь мощнос­ти в дополнительных элементах (зарядном уст­ройстве и диоде) в нагрузку поступит всего 55% энергии, отданной солнечными батареями при зарядке аккумулятора.

Таким образом, средний КПД будет зави­сеть от соотношения интервалов времени рабо­ты схемы в этих двух режимах. Например, при равенстве этих интервалов (режим “день- ночь”) средний КПД составит около 64%, что несколько меньше, чем в предыдущей схеме. Если же устройство установлено на спутнике с периодом обращения 10 часов, из которых все­го 2 часа он находится в тени, его средний КПД будет составлять около 69%.

Возникает вопрос: можно ли увеличить КПД схемы? Ответ, скорее всего, будет утвер­дительным, что подтверждается приведенны­ми ниже примерами.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МРР С ДВУМЯ ВЫХОДАМИ

Схема преобразователя МРР приведена на рис. 3. Она во многом аналогична схеме обыч­ного повышающего преобразователя. Преобра­зователь работает следующим образом. Тран­зистор периодически подключает катушку индуктивности к потенциалу “земли”, в ре­зультате чего ток в ней возрастает. Когда он достигает определенной величины, транзистор запирается, и ток катушки поступает через ди од на выходной конденсатор. Напряжение об­ратной связи через усилитель поступает на ШИМ-модулятор, регулирующий длитель­ность импульсов, открывающих транзистор.

Для регулировки мощности, отдаваемой солнечными батареями, в схему добавлен еще один компаратор и схема управления, опреде­ляющая необходимость генерации очередного импульса тока, накапливающего энергию маг­нитного поля в катушке индуктивности.

Нередко для повышения КПД таких преоб­разователей вместо диода используют второй транзистор, открывающийся в то время, когда первый транзистор закрыт. Падение напряже­ния на нем, а, значит, и потери энергии мень­ше, чем при использовании диода.

Замена диода транзистором позволяет создать преобразователь МРР с двумя выходами (рис. 4). В нем вместо диода установлены два транзистора. В результате энергия, накопленная в катушке, может поступать на один из двух выходов: либо для зарядки аккумулятора, либо для питания импульсного стабилизатора. Алгоритм работы схемы следующий. Если напряжение питания стабилизатора меньше заданного, накопленная в катушке энергия поступает на его вход, в против­ном случае она направляется в аккумулятор.

В результате модернизации преобразовате­ля МРР необходимость в отдельном зарядном устройстве отпадает, и КПД схемы при работе от аккумулятора увеличивается с 55 до 65%. Соответственно, в режиме “день-ночь” среднее значение КПД увеличивается до 67%.

Рис. 3. Схема преобразователя МРР

Рис. 4. Преобразователь МРР с двумя выходами

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КПД СИСТЕМЫ

Одним из путей дальнейшей оптимизации системы может быть доработка схем преобра­зователя МРР и импульсного стабилизатора для обеспечения возможности их работы на об­щую нагрузку (рис. 5). В этом случае при пита­нии нагрузки от солнечных батарей импульс­ный стабилизатор не используется, в результа­те чего общий КПД системы повышается.

Рис. 5. Схема объединения выходных цепей преобразователя МРР и импульсного стабилизатора при работе на общую нагрузку

После несложной доработки можно также отказаться от зарядного устройства, если заря­жать аккумулятор непосредственно от преобра­зователя МРР. Для этого необходимо дополнить преобразователь МРР логической схемой, уп­равляющей проходным транзистором (рис. 6).

Рис. 6. Схема зарядки аккумулятора от преобразователя МРР

Несколько повысить КПД системы можно также путем оптимизации алгоритма работы преобразователя МРР. Напряжение на выходе солнечной батареи изменяется, главным обра­зом, по двум причинам: либо из-за изменения тока нагрузки, либо (при неизменной нагруз­ке) в результате изменения освещенности. Ес­ли же напряжение на солнечной батарее оста­ется постоянным, схема оптимизации отдавае­мой ею мощности может быть переведена в ждущий режим с малым потреблением. Кроме того, в алгоритме слежения можно предусмот­реть два этапа: сначала скачкообразный пере­ход в режим, близкий к оптимальному, за­тем – плавная и более точная подстройка. В ре­зультате длительность процесса оптимизации режима работы преобразователя МРР и, соот­ветственно, расход энергии при этом могут быть уменьшены.

Последний резерв повышения КПД кроется в оптимизации нагрузки. Если ток нагрузки из меняется во времени неравномерно, то в перио­ды его максимума увеличиваются потери энер­гии на внутреннем сопротивлении солнечных батарей. Путем перераспределения тока, пот­ребляемого отдельными элементами нагрузки, можно уменьшить эту неравномерность, а, зна­чит, и потери в солнечных батареях.