Hogyan lehet kiküszöbölni az akkumulátor élettartamának problémáját?

Több mint egy évtizede zajlik a független környezeti forrásokból származó energiagyűjtési technológiák fejlesztése. A piac fejlődésének legfőbb akadálya az ilyen megoldások hatékonysága, illetve az „álalacsony” energiafelhasználású megoldások általi villamosenergia-fogyasztás volt. Jelenleg a környezeti energiagyűjtési megoldások piaca a nyersanyagok elérhetőségével, valamint a megoldások optimalizálásával és a technológiai hatékonyság növelésével a rohamos fejlődés küszöbén áll.

Az alábbiakban a környezeti energiatermelés aktuális trendjeit, valamint néhány lehetséges alkalmazási példát mutatunk be.
Az energiafogyasztás minimalizálásában, és a külső/környezeti forrásokból történő energiagyűjtés hatékonyságának növelésében elért technológiai fejlődés lehetővé tette a jelenlegi alacsony energiafogyasztású eszközök akkumulátormentes működését (1. ábra).

1. ábra A környezeti energiagyűjtés alapelve

 
A technológiai óriáscégek és innovatív cégek elkezdték beépíteni az ilyen típusú megoldásokat termékeikbe, hogy kiiktassák az akkumulátorokat, elemeket vagy meghosszabbítsák azok élettartamát. Ez jelentősen csökkentheti az elemek és akkumulátorok iránti keresletet, ezenfelül „autonóm”, karbantartást nem igénylő megoldásokat eredményezhet, csökkentve a veszélyeshulladék-kibocsátást.
Az innovatív, karbantartást nem igénylő megoldások a végfelhasználók számára is egyre fontosabbá válnak a jövőben.

Energiaátalakítás és -menedzsment hő-, fény- és AC forrásból

Az energia-visszanyerésben az első szempont a megszerzett energia hatékony átalakítása és kezelése. Erre a célra nagyon alacsony veszteségű és nagy hatásfokú DC-DC átalakítókat alkalmaznak. A magasabb piaci elvárások egy külön termékcsoport kifejlesztéséhez vezettek, amely kizárólag az energiagyűjtésre szolgál.
A környezeti energiagyűjtési megoldások piacának fontos szereplője az E-peas Semiconductors, a visszanyert energia feldolgozására és kezelésére szakosodott cég. A gyártó megoldásokat kínál a hő-, fény- és rádiófrekvenciás forrásokból származó energia gyűjtésére (2. ábra). Az E-peas speciális PMIC (Power Management IC)-megoldásai a „begyűjtött” energia egyszerű és hatékony kezelését szolgálják. A megoldások energiaigényétől függően különböző topológiák állnak rendelkezésre (Boost / Buck-Boost / Buck-Boost akkumulátortöltő / Viselhető/Wearable Boost akkumulátortöltő). A megfelelő topológia, és PMIC-megoldás kiválasztása a készülék pontos alkalmazásának és a szükséges energia mennyiségének függvényében történik.

2. ábra E-peas PMIC megoldások

 
A döntés szempontjából lényeges, hogy milyen típusú energiát kívánunk használni, mivel minden egyes forrás más-más kiválasztási szempontot igényel. A különböző forrásokat jellemző főbb tényezők a hatékonyság és a napi rendelkezésre állás. Jelenleg, a gyakorlatban legszélesebb körben – elsősorban a hatékonyság és az eredményesség miatt – a napenergia-forrásokon alapuló megoldások alkalmazhatóak.
A gyártó portfóliójában különböző topológiájú megoldások találhatók, lehetővé téve egy eszköz többféle alkalmazását. A legfejlettebb megoldás blokkdiagramja a 3. ábrán látható, amíg az 1. táblázat a szoláris megoldások legfontosabb paramétereit mutatja be.

3. ábra Az AEM10941 chip konfigurációjának blokkvázlata

 
A megoldás kiválasztásánál nagyon fontos szempontok az üzemi feltételek és a kritikus paraméterek, amelyek meghatározzák a rendszer működését és az elérhető hatékonyságot.

1. táblázat

Fényenergia begyűjtése fotovoltaikus (PV) cellákkal

A fényforrások energiatermelő egységének fontos része a PV cella. Az alacsony fogyasztású, elemmel működő, valamint a beltéri készülékeknél a mesterséges fényt használják energiaforrásként. A piacon elérhető megoldásokhoz képest az Epishine termékek magas hatékonyságukkal és jó adaptálhatóságukkal tűnnek ki. A gyártó portfóliója hat szabványos megoldást tartalmaz különböző számú PV cellával, beltéri fényviszonyokhoz, aktív felülettel, amelyek meghatározzák az elérhető kimeneti paramétereket (2. táblázat).

2. táblázat Az elérhető kimeneti paraméterek

 
A kiválasztott PV modul aktív területétől (a cellák számától), valamint az energiatároló elemtől függően a végső készüléket specifikus funkcionalitás, ár és meghatározott környezetben történő működési lehetőség jellemzi. A 3. táblázat példákat mutat be a fotovoltaikus modulok alkalmazására, valamint példákat tároló elemekre – a működés előnyei és hátrányai tekintetében.

3. táblázat Válogatott példák PV-modulalkalmazásokra

 
A napelemes modul működési feltételei, mint például a megvilágítás erőssége, a környezeti hőmérséklet és az aktív felület határozzák meg a modulok elektromos jellemzőit. A 4. ábrán látható fő jellemzők összefoglalása lehetővé teszi a megfelelő megoldás kiválasztását az áramkörhöz és a helyiségben elérhető fényintenzitáshoz.

4. ábra A PV főbb jellemzőinek összefoglalása

 
A PV-cellák érzékenysége és hatékonysága döntő fontosságú olyan nehéz körülmények között, mint az alacsony fényintenzitás, a hőmérséklet, a fényszög és a fény színének változása. A gyártói összehasonlító táblázatok és grafikonok szemléltetik a megoldások hatékonyságát és érzékenységét az üzemi körülmények változásától függően.
Gyenge fényviszonyok között, ahol a minimális megvilágítás nehezen garantálható, a PV cellák érzékenysége fontos szerepet fog játszani. A kiválasztott PV-modulok és a nagyon alacsony megvilágítási értékek kimeneti teljesítményének összehasonlítását a 4. táblázat tartalmazza.

4. táblázat A kimeneti teljesítmény összehasonlítása gyenge fényviszonyok mellett

 
A PV cella hatásfokát befolyásoló másik fontos környezeti tényező a környezeti hőmérséklet, amely befolyásolja a teljesítmény- és feszültségveszteséget (5. ábra). A kiválasztott LEH3_50x50_6_10 modulmegoldás esetén a teljesítmény- és feszültségingadozások nem haladták meg a +/-20%-ot a vizsgált hőmérséklet-tartomány teljes spektrumában.

5. ábra A környezeti hőmérséklet befolyásolja a teljesítmény- és feszültségveszteséget

 
A hatásfok megőrzése szempontjából is nagy jelentősége van a beesési szögnek, amelynek túllépése komoly hatékonyságcsökkenést okoz. A 6. ábra mutatja meg, hogy a modul teljesítménye hogyan függ a beesési szög változásától, amelyből arra lehet következtetni, hogy a moduloknak +/-30° értékeken célszerű működniük.

6. ábra A modul teljesít­ményének függősége

 
Az utolsó fontos tényező az adott típusú forrás által kibocsátott fény színe. A 7. ábra szemlélteti, hogyan működhetnek a foto­voltaikus modulok különböző fényforrásokkal és színekkel. A cellák a >300 nm és >700 nm közötti fényhullámhossz-tartományban működnek, miközben gyakorlatilag állandó és maximális konverziós tényezőt tartanak fenn.

7. ábra A fotovoltaikus modulok különböző fényforrásokkal és színekkel működnek

 

Összegzés

Az elektronikai piac és a végtermékeket szállító cégekkel szemben támasztott igények új kihívásokat támasztanak és változásokat kényszerítenek ki. A technológia által vezérelt változások gyakran lassúak és kevésbé hatékonyak. A fent leírt energiagyűjtő és akkumulátoros készülékek esetében a nyersanyagproblémák gyorsabb döntéseket és cselekvéseket eredményeznek. Mivel az akkumulátorral működő eszközök száma rohamosan növekszik, ez további igényeket támaszt a tápegységekkel szemben, és problémákat okoz a készülékek várható élettartama utáni szervizelésben.
Figyelembe véve a jelenlegi technológiát, az alkatrész-ellátási problémákat, ami sok esetben hardveres újratervezést eredményez, érdemes alternatív megoldásokat is fontolóra venni, illetve javítani a tápellátási megoldásokon. Az energiagyűjtési technológia folyamatosan fejlődik, ami egyre nagyobb hatással lesz az energiaigény minimalizálására.

Szerző: Kamil Prus – Computer Controls, Components, Power, IoT

Computer Controls Kft.
1037 Budapest, Montevideó u. 3/A
Tel.: +36 1 339 5219
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ccontrols.hu