Compromisurile de proiectare necesare şi strategiile energetice sunt subliniate de Stephen Stella, Product Line Marketing Manager, Departamentul de Produse Analogice & Interfaţare, Microchip.
Costul panourilor solare cade către punctul în care nu mai sunt bariere către ceea ce se numesc aplicaţii off-grid (adică neracordate la reţeaua de alimentare cu electricitate). Aceste aplicaţii pornesc de la semnalizatoare portabile pe autostrăzi şi semnalizatoare de avertizare în zonele de construcţii, până la staţii de pompare cu comandă de la distanţă şi turnuri de comunicaţii.
De fapt, panourile solare devin o sursă viabilă de energie pentru o întreagă nouă generaţie de aplicaţii ce nu necesită racordare la reţeaua naţională de alimentare cu energie electrică. Există întotdeauna un motiv pentru care o aplicaţie nu este alimentată direct de la reţeaua de energie electrică: poate că echipamentul trebuie să fie portabil, precum în cazul semnelor de pe autostrăzi sau a semnalizatoarelor luminoase de avertizare în zonele de construcţii; sau se poate ca staţiile de putere şi turnurile de comunicaţii să fie pur şi simplu prea departe pentru a avea acces la reţeaua de alimentare cu energie electrică.
Unele dintre cele mai critice decizii în alimentarea aplicaţiilor fără conectarea la reţeaua de alimentare cu energie electrică constau în compromisuri inerente în cadrul sistemului de alimentare cu energie. Aceste compromisuri sunt determinate de tipul de sarcină şi modul în care este nevoie de energie, elemente specifice fiecărei aplicaţii.
Analiza sarcinii
Figura 1 prezintă o diagramă bloc la nivel de sistem care stă la baza tuturor proiectelor cu alimentare solară. Sarcina este caracteristica cheie şi comportamentul în timp, care trebuie clar înţeles la începutul procesului de proiectare astfel încât să fie stabilit echilibrul între energia primită, stocată şi consumată, potrivit pentru fiecare aplicaţie.
Sarcinile vin într-o gamă largă de forme şi dimensiuni: ele pot fi constante sau variabile; pe timp de zi sau pe timp de noapte; pot fi intermitente sau cu funcţionare continuă 24/7.
Analiza tipului de sarcină şi a comportamentului sarcinii fiecărei aplicaţii vor determina modul în care trebuie implementat sistemul. De exemplu, semnalele luminoase de avertizare în zonele de construcţii necesită o sarcină constantă şi pulsatorie pe durata nopţii. Acest tip de sarcină poate fi încărcată pe durata zilei, iar mărimea acumulatorului poate fi selectată pentru a asigura că semnalele luminoase de avertizare dispun de energia necesară pentru funcţionarea pe întreaga perioadă a nopţii. Prin contrast, un semn pentru autostradă poate avea o sarcină pulsatorie ce trebuie să opereze zi şi noapte. În acest caz, acumulatorul şi sistemul trebuie să fie dimensionate pentru a suporta sarcina constantă din timpul zilei, dar încărcând simultan şi acumulatorul pentru ca semnul indicator să poată funcţiona şi în timpul nopţii.
O pompă trebuie de asemenea să funcţioneze atât ziua, cât şi noaptea, dar sarcina sa va fi mai degrabă intermitentă decât constantă. În acest caz trebuie luată în considerare producerea unei funcţionări defectuoase a sistemului, iar sistemul trebuie proiectat pe baza scenariului celui mai rău caz, incluzând un sistem de rezervă pentru momentul în care nu este suficientă energie solară pentru a alimenta sistemul. De exemplu, în cazul unei pompe pentru îndepărtarea apei de ploaie, va fi nevoie de un sistem de alimentare de rezervă atunci când lumina soarelui este foarte redusă pentru a încărca acumulatorii în momentele de sarcină maximă: în timpul şi după ploaie.
Fiecare aplicaţie fără racordare la reţeaua de alimentare cu energie electrică va avea propriul său tip de sarcină, figura 2 prezentând sarcinile în cazurile tipice de sisteme de iluminare de avertizare, semne de informare pe autostradă şi pompe.
Cheia este de a înţelege sarcina medie zilnică, pe baza mărimii şi frecvenţei, precum şi comportamentul de operare. Odată înţelese complet condiţiile de operare şi sarcina, stabilirea cerinţelor de stocare a energiei este relativ directă.
Stocarea energiei
O cerinţă de bază a stocării energiei poate fi calculată folosind o metodă simplă de echilibru energetic pe o perioadă de 24 de ore. Figura 3 prezintă condiţiile de operare şi impactul acestora asupra dimensiunii acumulatorului. Capacitatea de stocare energetică va fi determinată de partea din stânga a acestei diagrame.
Sarcina poate fi predictibilă, precum în cazul sistemelor de avertizare de pe autostradă, sau foarte variabilă, precum este în cazul aplicaţiei de pompare. Gestionarea sarcinilor variabile înseamnă considerarea a două scenarii: operare normală ce acoperă 95% din operaţii şi operare în cel mai rău caz. Conform scenariului funcţionării normale, elementul de stocare a energiei va fi încărcat pe durata zilei, şi va avea suficientă capacitate de stocare pentru a comanda sarcina pe durata nopţii.
Totuşi, în cazul cel mai rău, pompa va trebui să pornească la asfinţit şi să lucreze la sarcină maximă pe durata nopţii. Ecuaţia de mai jos prinde şi cerinţele legate de stocarea energiei pentru cazul cel mai rău, prin consolidarea energiei de sarcină orară maximă pe durata de timp când sistemul nu se încarcă.
Energia stocată necesară = Energia de sarcină orară maximă *(24 ore – Timp Încărcare)
Scenariul cazului cel mai rău presupune că acumulatorul sau sistemul de stocare au ceva energie, dar trebuie de asemenea luată în considerare şi situaţia de a nu avea un acumulator complet încărcat înainte de începerea operării.
În toate aplicaţiile, un element cheie îl reprezintă impactul şi costul defectelor de funcţionare, precum impactul potenţial al nefuncţionării luminilor de avertizare sau al neoperării pompei. Una dintre soluţii este de a creşte dimensiunea elementului de stocare a energiei. Există întotdeauna însă condiţii de cel mai rău caz absolut. În situaţiile în care funcţionarea defectuoasă nu poate fi tolerată, sau în care cerinţele de energie maximă sunt rare, este posibilă dimensionarea sistemului pentru scenariul de funcţionare normală şi adăugarea unui sistem de rezervă precum un generator diesel.
În vreme ce partea stângă a figurii 3 oferă cerinţele de stocare energetică, partea din dreapta poate fi utilizată pentru a dimensiona matricea de celule solare.
Dimensionarea matricei de celule solare
Înţelegerea completă a cerinţelor de sarcină permite dimensionarea precisă a matricelor de celule solare. Pe baza figurii 3, matricea de celule solare trebuie astfel dimensionată, încât să refacă energia stocată în timpul specificat pentru încărcare, suportând în acelaşi timp sarcina medie pe durata aceleiaşi perioade. Această relaţie de nivel înalt poate fi identificată în următoarea ecuaţie:
Putere de ieşireMatrice solară = (Dimensiune de stocare energie / TimpÎncărcare) + Energie sarcinăMedie
Utilizând o abordare simplificată a echilibrului energetic, este posibilă estimarea dimensiunii elementului de stocare a energiei şi a componentelor matricei de celule solare. Există totuşi factori suplimentari interni şi externi ce trebuie luaţi în considerare şi înţeleşi pentru a estima dimensiunea cu precizie.
Unul dintre factorii externi cei mai critici este locul, şi mai specific latitudinea, aplicaţiei off-grid. Aceasta va determina durata de vârf a expunerii solare ce poate fi obţinută, precum şi variaţia sa pe parcursul unui an. Durata minimă a expunerii solare va fi pe perioada lunilor de iarnă, iar expunerea maximă pe timpul verii.
Printre alţi factori externi pot fi menţionaţi acoperirea de nori şi temperatura ambientală, care pot de asemenea afecta cantitatea de lumină solară pe care sistemul se poate aştepta să o primească, precum şi randamentul conversiei energiei. Aceşti factori externi variază în funcţie de fiecare aplicaţie şi de locul în care aceasta este implementată.
Factorii interni, precum arhitectura sistemului şi în particular interfaţa sa, vor avea de asemenea impact asupra dimensiunilor elementelor sistemului individual. În exemplul de mai sus, dimensiunile elementului de înmagazinare a energiei şi ale matricei de celule solare determină energia şi puterea ce pot fi furnizate. Totuşi, de vreme ce un randament de conversie a energiei de 100% nu poate fi atins, trebuie avute în vedere şi pierderi inevitabile. Acest lucru înseamnă electronica de putere care este esenţială atunci când se calculează puterea necesar a fi generată.
Electronica de putere
În vreme ce diagrama bloc a sistemului din figura 1 oferă înţelegerea echilibrului energetic, considerarea factorilor interni ce afectează dimensionarea componentelor necesită mai multă informaţie. Figura 4 oferă o vedere mai în detaliu asupra implementării sistemului şi ridică de asemenea întrebări cu efect asupra strategiei electronicii de putere.
O strategie energetică bazată pe un microcontroler oferă inerent un înalt nivel de flexibilitate. Ea permite utilizarea unui proiect de referinţă standard pentru o varietate de aplicaţii, putându-se rezolva în acelaşi timp necesităţi specifice aplicaţiei şi putându-se adăuga funcţii avansate. Nu numai că un astfel de proiect bazat pe microcontroler suportă conversia energetică de bază, ci oferă şi flexibilitatea de selecţie a componentelor nucleului; suportă schimbări care permit optimizare pentru o varietate largă de condiţii de operare. Suplimentar, cu ajutorul unui sistem bazat pe microcontroler pot fi implementate cu uşurinţă caracteristici avansate precum comunicaţii şi diagnosticare, ceea ce nu este posibil cu convertoare dedicate, de sine stătătoare.
În cazul acestei implementări, cea mai mare întrebare vine dinspre sarcină: care este natura sarcinii şi cum va fi controlată? Este necesară o tensiune sau un curent şi cât de precis trebuie să fie punctul de reglare a tensiunii sau curentului?
Controlul poate fi simplu ca un releu sau complex precum un inversor trifazat, dar ambele cazuri vor necesita o funcţie de încărcare ce utilizează energia solară pentru încărcarea dispozitivului de stocare şi, dacă este posibil, să furnizeze urmărirea energiei de vârf MPPT (Maximum Peak Power Tracking).
Poate că una dintre primele decizii este aceea când să fie utilizată o arhitectură de putere comună sau distribuită. Diferenţa dintre aceste arhitecturi este prezentată în figura 5, deşi comportarea sarcinii va fi principalul element în această decizie de proiectare. Dacă sarcina necesită o tensiune constantă, atunci linia comună arătată în figura 5a poate fi cea mai bună alegere. În acest caz, controlerul sarcinii devine un simplu releu sau un comutator cu semiconductor.
Convertorul DC/DC solar ţine linia comună la tensiunea stabilită, iar încărcătorul acumulatorului preia energie de pe magistrală pentru a încărca dispozitivul de stocare energetică. Avantajele şi dezavantajele acestei abordări sunt date de paşii conversiei energetice: presupunând un randament mediu al conversiei energetice de 85%, aceasta însemnă că va fi o pierdere de energie de 15% în urma conversiei. Dacă convertorul solar DC/DC este capabil să suporte sarcina, atunci este vorba despre o singură treaptă de conversie. Totuşi, încărcarea acumulatorului necesită două trepte de conversie energetică pentru a suporta sarcina: prima treaptă este de la convertorul DC/DC la linia comună şi de la linia comună la convertorul DC/DC bidirecţional; iar cea de a doua de la convertorul bidirecţional DC/DC la linia comună.
O linie comună poate fi de asemenea utilizată dacă sarcina este solicitată numai noaptea, atunci când convertorul DC/DC solar nu este operaţional. În acest caz, DC/DC solar este eliminat, iar convertorul DC/DC bidirecţional de pe dispozitivul de stocare a energiei poate fi utilizat pentru a încărca bateria de la matricea de celule solare; ca alternativă, sursa poate fi utilizată pentru a alimenta sarcina. Aici energia trebuie să treacă numai prin două trepte de conversie de energie: de la DC/DC solar la DC/DC bidirecţional şi de la DC/DC bidirecţional la sarcină.
Arhitectura distribuită, prezentată în figura 6 este mult mai flexibilă şi poate suporta diferite cerinţe de sarcină. Convertorul DC/DC solar poate fi de exemplu utilizat pentru a suporta linia de stocare a energiei pentru încărcare, iar convertorul DC/DC poate suporta cerinţele de sarcină. Dezavantajul acestei abordări este că există întotdeauna două conversii de energie, deși aceasta este cea mai bună soluție în cazul în care se aşteaptă operarea simultană a matricei de celule solare şi a sarcinii.
Un proiect de circuit propus
Această propunere de arhitectură de putere poate fi aplicată unui exemplu simplu de semnalizator luminos de avertizare de joasă putere utilizat în construcţii. Dintr-o perspectivă de nivel înalt, semnalizatorul luminos lucrează doar noaptea, iar acumulatorul se va încărca în toate celelalte momente. Acest comportament permite utilizarea unei arhitecturi cu magistrală comună şi, deoarece semnalizatorul luminos de avertizare fie luminează fie se încarcă, topologia poate fi simplificată prin combinarea convertorului solar DC/DC, a celui bidirecţional DC/DC şi a controlului sarcinii într-un singur convertor bidirecţional. Schema circuitului propus poate fi observată în figura 6.
Această schemă utilizează un microcontroler Microchip PIC16F690 şi două controlere PWM analogice MCP1630 pentru comanda convertorului bidirecţional. Pe timpul zilei, energia solară este utilizată ca intrare şi încarcă acumulatorul; când noaptea este detectată prin scăderea energiei solare către 0, convertorul începe să furnizeze energie LED-urilor după comanda programată.
Ipotezele şi calculele pe care se bazează această schemă sunt evidenţiate în tabelul 1.
Concluzii
Scăderea costului instalaţiilor solare va permite ca tot mai multe aplicaţii fără conectare la reţeaua de alimentare cu energie electrică să aibă acces la energia solară. Succesul acestor noi sisteme bazate pe energie solară va depinde de compromisurile dintre performanţă, dimensiune şi cost.
Sistemele vor utiliza topologia potrivită pentru fiecare aplicaţie.
Utilizarea unui microcontroler ca bază a conversiei energetice oferă un înalt nivel de flexibilitate. Acesta nu numai că suportă o gamă largă de aplicaţii bazate pe un proiect de referinţă, ci permite şi utilizarea noilor generaţii de tehnologii solare fotovoltaice ￭
Microchip Technology
www.microchip.com