Stephen Stella, Microchip Technology Inc.
שיפורים בביצועים של ה-Light Emitting Diodes () ותאי שמש פוטו-וולטאיים בגין הפיתוחים בטכנולוגיה משפרים את הביצועים של היישום-הסופי. ביישומים המשתמשים בשתי טכנולוגיות-ליבה אלו בשילוב, דוגמת תאורה מוזנת בשמש, קיים פוטנציאל להשגת שיפור משמעותי בביצועי היישום-הסופי. לדוגמה, ניתן להקטין את שטח תאי השמש מאחר שתאי-שמש יעילים יותר ממירים יותר מאנרגיית השמש לחשמל וה-LEDs היעילים פועלים יותר זמן וביתר בהירות בחשיכה. יצרני תאורת השמש שואפים למנף התקדמויות אלו במהירות וביעילות-לעלות; דרך אחת להשיג זאת היא השימוש באסטרטגיית המרת-הספק המאפשרת פיתוח ופריסה מהירים של פתרונות המשתמשים בטכנולוגיות החדשות ביותר. מאמר זה יסקור את הרכיבים הדרושים לשם פיתוח מערכת כעין זו, וינתח את ההשפעה של גישה זו.
רקע
תאורה באנרגיית השמש נעה בין פנסים מוזני-שמש המשמשים כמנורות קריאה ליליות באזורים בעלי הזנת כוח בלתי-אמינה ועד הפיתוח של תאורת רחובות מלאה ברמה של יישוב. היישומים השונים של מערכות תאורת שמש/LED הם נרחבים ועולמיים; הם רק שונים ברמת היישום הסופי.
רכיבי הליבה של כל אחת ממערכות אלו הם:
1. תאי שמש – קולטי האנרגיה
2. סוללה – אחסון האנרגיה
3. LEDs – פולטי אנרגיה
כמתואר בדיאגרמת תצורת המערכת באיור 1a.
כדי שמימוש זה יעבוד, ההתנהגויות של כל אחד מהמרכיבים צריכות להיות תואמות, וזה אומר שהתנהגות המתח/הזרם במוצא של תא השמש צריכה להתאים לפרופיל טעינת הסוללה, ופרופיל פריקת הסוללה צריך להתאים לדרישות הזנת ה-LED.
סקירת הרכיבים
איור 2 מספק סקירה על מאפייני הביצועים של כל רכיב. בשעה שניתן להכתיב לכל רכיב התנהגות קרובה בין אחד לשני במסגרת מערך עיצובים מוגבל, כמעט בלתי-אפשרי להבטיח את הביצועים. מתח תא-שמש מרבי (לתא יחיד) הוא כ-1 וולט, בעוד סוללת NiMH פועלת בתחום של 9. וולט עד 1.4 וולט, וה-LEDs דורשים מקור זרם קבוע, על אף שהמתח-קדימה שלהם הוא לרוב מעל 3 וולט. יתר על כן, לסוללת ה-NiMH יש כמה דרישות טעינה מיוחדות כדי להגדיל את משך החיים השימושי שלה.
למערכת הממשקת את כל הרכיבים הללו ישירות יש מגבלות משמעותיות, כמו גם הסתעפויות למען יעילות וחוסן המערכת במלואה.
איור 1b מציג דיאגרמת מערכת חילופית העונה למגבלות אלו. ממשק אלקטרוניקת ההספק בין כל אחד משלושת מרכיבי הליבה מרשה דרגה הרבה יותר גבוהה של גמישות, ומאפשר את ייטובם של ביצועי המערכת המלאה. המיקרו-בקר איננו חיוני; מעגל משולב
(integrated circuit – ) טוען סוללה עצמאי יכול לענות לצורכי פרופיל הטעינה של ה-NiMH, ו-ICs מזיני LED יכולים להמיר את מתח הסוללה למקור זרם קבוע.
אולם, גמישות התצורה ללא מיקרו-בקר היא מוגבלת; להתקנים יהיה טווח פעולה יחסית צר, המגביל את יכולתם להגיב לשינויים. אם עיצוב תא-השמש יעבור שינוי, יהיה צורך להחליף את ה-IC הטוען את הסוללה. במקרה שמחליפים את טכנולוגיית אחסון-האנרגיה או העיצוב יהיה צורך להחליף הן את ה-IC הטוען את הסוללה והן את ה-IC המזין את ה-LED. לבסוף, אם סוג ה-LED או העיצוב מוחלפים, אזי יהיה צורך לעצב מחדש את ה-IC המזין את ה-LED. בהתחשב בקצב החידושים, הגמישות התקנית מאפשרת תגובות מהירות יותר לדרישות המשתנות וההזדמנויות החדשות. הגמישות במערכת נובעת מהעובדה שניתן לכלול את רוב השינויים בתוך המיקרו-בקר, במקום לדרוש שינויים משמעותיים בחומרה המחייבים תכנון מחדש וסיווג מחדש מוגברים.
פיתרון על-בסיס דיסקרטי יתקשה לשמור על קצב החידושים ללא רכיב ייטוב במערכת. IC טוען סוללות גנרי לא ירבב את המוצא של תא השמש באותה הצורה כמו פיתרון עם מיקרו-בקר שכלל גם אלגוריתם של Maximum Peak Power Tracking
().
מימוש מוצע
מיקרו-בקר יכול לאפשר למתכנן לנצל את הביצועים הגדלים של כל אחד מרכיבי הליבה תוך שהוא מאפשר שימוש חוזר של הארכיטקטורה היסודית.
ישנם שלושה יתרונות לגישה זו
1. ייטוב מהיר וקל של המערכת
ישנם ארבע מערכות ראשוניות בתוך פיתרון זה: LED, סוללה, תא-שמש ואלקטרוניקת הספק. יש לבקר את פרופיל טעינת הסוללה כדי לשפר הן את יעילות הטעינה והן את משך החיים שלה, אולם יעילות הטעינה הכוללת תלויה גם ביעילות תא-השמש. הכלת פרופיל MPPT בתוך אלגוריתם המרת-ההספק עשויה להגדיל את היעילות הכוללת של המרת ההספק שמש כנגד חשמל. התוצאה היא הקטנה של ממד מערך השמש תוך שמירה על השגת משימות הטעינה. הקטנת הגודל משפיעה על גורם הצורה של המוצר, ומספקת אופציות למתכנן להגביר את ההיבט הראייתי. איכות האור עשויה להיות מאפיין קריטי ביישום המטרה, כמו במקרה של שימוש לצורכי קריאה. איכות האור יכולה להיות תלויה בצורת הגל של הזרם, תוך נקיטת סיבולת מחמירה עבור זרם ההזנה של ה-LED או הכללת יכולת עמעום.
היישום עם מיקרו-בקר מאפשר למהנדסי התכנון לייטב את הכול החל מיעילות הרכיב ועד לחוסן ומשך החיים הכולל של המערכת.
2. אפשרות לשינוי הממד והפונקציה בתחום הספק רחב
תא-שמש יחיד, סוללות NiMH נטענות מהמדף ו-LEDs אחדים הצורכים 20-75 מילי-אמפר של זרם הזנה יכולים לצייד פנס קומפקטי, נייד למטרות קריאה. החלפת רכיבי הפעלת הכוח, כולל MOSFETs הספק ושנאים הזמינים בנקל מבטיחה שתכנון זה יכול להגביר את דרגת ההספק כדי למלא את הצרכים של התאורה המסחרית והמבוססת-ציבור. ניתן להגדיל את מספר תאי-השמש, ניתן להחליף סוללות NiMH מהמדף על-ידי מערכי סוללה מיוחדים וניתן להשתמש ב-LEDs רבי-עצמה, רבי-זרם הדורשים מעל 350 מילי-אמפר של זרם הזנה.
3. גמישות הפלטפורמה לשם התאמה לשינוי טכנולוגי מהיר
ניתן לאמץ במהרה תאי-שמש מתפתחים או LED חדש בעל דרישות הזנה מיוחדות וכן לחנוך מוצרים חדשים. בשעה שמשתמשים במוצרים אלה, משוב של יישומי הלקוח עשוי ליצור דרישות נוספות, ללא-ליבה. לכן הגמישות נעה מעבר לביצועים ולתוך פונקציונליות האבחון, המאפשרת להתקן לחזות ולתקשר כאשר דרושה תחזוקה.
סיכום
פיתרון של ממיר-הספק מבוסס מיקרו-בקר מציע גמישות מורחבת כאשר משלבים שתי טכנולוגיות צומחות כגון PV שמש ו-LEDs. הפיתרון מאפשר מימוש מהיר של שיפורים המספקים את צורכי הלקוח ומתחבר עם ההתקדמות של טכנולוגיה חדשה זו.
