Исследование параметров повышающего преобразователя напряжения для солнечных батарей

Проблема сокращения запасов углеводородов на нашей планете давно известна, и настанет момент, когда потребность в альтернативных источниках энергии может приобрести колоссальные масштабы по всему миру. В отдельных странах, таких как США и Канада особое внимание отводится солнечной энергетике, а в нашей стране уже работают заводы по производству солнечных панелей [1-2].

Известно, что в летнее время на земную поверхность попадает значительно большее количество солнечной энергии, чем в зимнее. Также известно, что количество солнечной энергии, падающее на единицу земной поверхности, зависит от широты местности и угла падения солнечных лучей. Таким образом, месячная сумма прямой радиации на горизонтальную поверхность существенно различается не только от сезона к сезону, но и по широте. Например, в г. Саранск (54º с.ш.) - 676,1 МДж/м2 в июле против 53,6 МДж/м2 в декабре, а в г. Якутск (62º с.ш.) - 594,2 МДж/м2 в июле против 6,5 МДж/м2 в декабре [1].

Поэтому использование солнечных элементов питания наиболее оправдано в летнее время преимущественно для южных районов России.

Развитие солнечной энергетики привело к появлению высокоэффективных солнечных элементов и новой элементной базы. Уже существуют солнечные установки, которые в летнее время могут полностью обеспечить суточной электроэнергией небольшой дом. Работа установок основана на преобразовании мощности солнечной батареи в энергию, запасенную в аккумуляторах, и преобразовании последней в мощность переменного тока, сбрасываемого в сеть 220 В частотой 50 Гц. Преобразование мощности солнечной батареи в энергию, запасенную в аккумуляторе, выполняет повышающий преобразователь напряжения (ППН).

Существует множество ППН для солнечных батарей разной мощности и рассчитанных на работу с разными аккумуляторами. Одним из них является микросхема SPV1040 фирмы ST Microelectronics [2]. Это интеллектуальный ППН, предназначенный для заряда компактных никель-металл-гидридных или литий-ионных аккумуляторов с напряжением 1,25 и 3,7 В, соответственно. Основное преимущество данной микросхемы перед аналогами, например, перед микросхемами MAX866 и TPS61200 заключается в особом интеллектуальном алгоритме работы. Он позволяет передать наибольшую мощность от солнечной батареи в нагрузку при изменении освещенности и температуры, с чем и достигается максимальная эффективность преобразования 95%.

Схема включения микросхемы построена на основе классической схемы ППН (рисунок 1).

а)                                               б)

Рис. 1. Принцип работы ППН: а – ключ открыт; б – ключ закрыт

В микросхеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для регулировки среднего значения выходного напряжения и мощности на нагрузке. Длительность включенного состояния интегрированного в микросхему ключа или скважность импульсов может меняться в соответствие с изменением уровня напряжения солнечной батареи. Кроме этого в микросхеме предусмотрен режим запуска в случае разряда аккумулятора до 0,8 В, при котором ток на выход протекает через внутренний диод, и напряжение на выходе повторяет напряжение на входе микросхемы. Также микросхема имеет защиту от перегрузки, от смены полярности солнечной батареи и от превышения температуры.

Схема включения микросхемы SPV1040, на основе которой был сконструирован макет

ППН, приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема включения микросхемы SPV1040

Схема содержит элементы обратной связи, с помощью которых микросхема контролирует выходное напряжение и выходной ток. Микросхема работает в нескольких режимах: запуск, плавный старт, слежение за точкой максимальной мощности, экономичный режим и режим сна. Питание осуществляется выходным напряжением, которое смещает синхронный p-канальный MOSFET транзистор, а при выходном напряжении от 0,8 до 2 В интегрированный n-канальный MOSFET ключ работает с фиксированной скважностью импульсов и среднее напряжение на выходе не меняется. Режим слежения за точкой максимальной мощности включается при выходном напряжении от 2 В. Максимальный ток, который микросхема способна пропускать через себя при использовании солнечных батарей с напряжением не более 5 В может достигать 1,8 А. Выходной ток протекает через внутренний диод p-канального MOSFET транзистора, а максимальный выходной ток определяется токовым резистором R S (рисунок 2) по соотношению I OUT = 50 мВ / R S .

Когда напряжение аккумулятора достигает зарядного напряжения, а напряжение на выводе MPPT-SET падает ниже 450 мВ, микросхема уменьшает скважность импульсов до 10% и переходит из режима слежения в экономичный режим. В этом случае период повторения импульса включенного состояния в 2-16 раз больше периода самого импульса.

В исходную схему между выводами солнечной батареи был добавлен делитель напряжения с потенциометром, задающим потенциал на входе MPPT-SET для регулировки зарядного напряжения. Также был удален диод Шоттки между входом Lx и выходом VOUT, который необходимо включать, если зарядное напряжение выше 4,8 В. Диод Шоттки, включенный параллельно встроенному p-канальному MOSFET транзистору, уменьшает падение напряжения между входом и выходом с 0,7 до 0,3 В когда транзистор закрыт.

Проводилось исследование работы макета ППН с двумя солнечными батареями мощностью 5 мВт. Результаты измерений показали, что в условиях непрямого солнечного света в дневное зимнее время при напряжении двух последовательно соединенных солнечных батарей 3,2 В выходное напряжение ППН можно регулировать с 2 до 5,2 В. Это позволяет осуществлять зарядку трех никель-металл-гидридных или одного литий-ионного аккумулятора с напряжением 3,7 В.