התקדמות בהמרת חשמל מקציר אנרגיה

קציר אנרגיה קיים כבר זמן רב. אני עוד זוכר את מחשבון הכיס שלי משנות ה-80 של המאה הקודמת בעל התא הסולרי שסיפק חשמל ליחידת החישוב וגם לתצוגת הגביש הנוזלי שלו. אך עוד זמן רב לפני כן, אנרגיה שימושית נקצרה בימים הראשונים של מהפכת החשמל על ידי התקנת גנרטורים בטחנות על גדות נהרות, אשר קיבלו את אספקת החשמל שלהם על ידי שימוש בכוח המים הזורמים. היום, כאשר אנו מדברים על קציר אנרגיה, אנו משתמשים במושג הזה עבור מקור חשמל להחלפת סוללות בציוד חשמלי. כך שהדוגמה של מחשבון הכיס משנות ה-80′ של המאה הקודמת מתאימה די טוב למה שאנו מנסים להשיג היום באמצעות “קציר אנרגיה”.

הקמת מערכת קצירת אנרגיה

הדבר החשוב ביותר במערכת קצירת אנרגיה, הוא בוודאי המקצרה. המקצרה הנפוצה ביותר היא התא הסולרי. החשמל הנוצר על ידי המקצרה צריך לעבור המרה למתח או לזרם הניתנים לשימוש על מנת לספק חשמל למערכת או להטעין התקני ביניים לאחסון אנרגיה, כגון קבלי על וסוללות. כאשר המערכת מקבלת חשמל, יש ליצור את המתח הנכון להתקנים האלקטרוניים.

איור 1 מציג את יחידת ניהול צריכת החשמל המבצעת מטלות שונות רבות: התאמת אימפדנס הכניסה על מנת לאפשר קציר מרבי של אנרגיה, הטענת התקן ביניים לאחסון אנרגיה, אספקת חשמל מסוללה ראשית קונבנציונלית, יצירת מתח היציאה הנכון עבור המערכת, ובקרת זרימת הזרם והמתח על מנת ליצור מערכת אמינה. את כל המטלות הללו, יש לבצע עם אספקת חשמל מאד קטנה, כך שהמערכת תוכל לעבוד עם מקצרה או חיישן קטנים. אינטגרציה גבוהה של פונקציות אלו בממיר הDC ל-DC, עשויה לעזור בהקטנת כמות החשמל הנחוצה עבורן.

המערכת באיור 1 מציגה מערכת קצירת אנרגיה אופיינית עבור חיישן סביבתי אלחוטי. חיישנים אלו משמשים בדרך כלל לחישת טמפרטורה, לחות או גזים שונים, כגון CO2. קיימים יישומים רבים אחרים לקצירת אנרגיה. ניתן למצוא יישומים תעשייתיים בתחום הביטחון והפיקוח, בחיישנים אלחוטיים לחישת נוכחות אדם או בפיקוח תעשייתי כגון מעקב אחר רכוש ובקרת מכונות.

קצירת אנרגיה משמשת גם במוצרי צריכה אלקטרוניים, כגון התקנים נישאים או לבישים. ביישומי טיפולים בריאותיים ביתיים, התקנים של בקרת חולה אלחוטית זקוקים מאד לפעולה ללא סוללה או לפעולה הנהנית מהארכת חיי הסוללה.

כיום, קצירת אנרגיה היא נושא מאד פופולרי. מהנדסים רבים שואלים אם פתרון קצירת אנרגיה עשוי להחליף פתרון חשמלי קיים. הסיבה לכך שמערכות מסוג זה כה פופולריות כיום, היא שאנו מגיעים סוף-סוף לנקודת שיווי משקל, אשר בה החשמל הנקצר באמצעות מקצרות זולות יחסית וקטנות-מידה, מספיק להפעלת מיקרו-בקרים הצורכים מעט מאד אנרגיה ומעגלי RF. בשנים האחרונות נעשתה התקדמות בשני הצדדים של הנושא – יצירת אנרגיה וצריכת אנרגיה, כך שהיום, יישומים רבים אפשריים והם גם בעלי הגיון כלכלי, יישומים אשר לא היו מציאותיים לפני 5 או 10 שנים.

מקורות אנרגיה שונים

קיימים מקורות אנרגיה רבים ושונים. הנפוצים ביותר הנם התא הפוטו-וולטאי (photo voltaic – PV), תרמו-אלקטרי (thermoelectric – TEG), אלקטרומגנטי, פיאצו-אלקטרי ו-RF. מקצרות תרמו אלקטריות ופוטו-וולטאיות, מייצרות מתח DC. מקצרות אלקטרומגנטיות, פיאצו-אלקטריות ו-RF, יוצרות מתח ז”ח ומתחים משתנים. דבר זה הופך את הדרישה לטכנולוגיה להמרת חשמל למשהו שונה במקצת.

איור 2 מראה סוגי קציר שונים וכמות האנרגיה המקורבת אשר ניתן לייצר באמצעות מקצרה ב גודל 10 סמ”ר. האיור מציג יצירת אנרגיה בצד שמאל וצריכת אנרגיה של מטלות שונות בצד ימין. שים לב כי טבלת מידות כמות החשמל באמצע הנה לוגריתמית. לוח זה חשוב מאד לקבלת מושג מציאותי אודות היתכנות רעיון. לעתים קרובות, המתכננים משקיעים עבודה ומאמצים בהערכת פתרון קציר אנרגיה רק כדי למצוא כי האנרגיה הנקצרת אינה מספיקה להפעיל מערכת נתונה.

חשיבותו של ממיר DC/DC

המרה וניהול צריכת החשמל הם בדרך כלל הדברים המצויים בלב מערכות קצירת האנרגיה המודרניות. בעוד יישומים מסוימים אינם משתמשים בהתקני חשמל מתוחכמים, רבים אחרים עושים זאת. דוגמה למערכות ללא ניהול חכם של צריכת חשמל, הנה מחסנית דייזי של שרשרת תאים סולריים, המייצרים מתח DC גבוה יחסית לאספקת מתח למערכת כלשהיא, באופן ישיר או באמצעות וסת ליניארי פשוט באמצע. מערכות כאלה חסרות בדרך כלל את יעילות האנרגיה האופטימלית או שאין להן אספקת מתח מווסתת היטב. בעוד עומסים מסוימים יכולים לעבוד עם מתח עבודה משתנה בתחום רחב, אחרים אינם יכולים. מערכות עתידיות, מתקדמות יותר, נוטות יותר להיות זקוקות לצורה כלשהיא של ממיר מתח ויחידת ניהול.

איור 3 מראה תרשים מלבנים של התקן מודרני לניהול צריכת חשמל ליישומי קציר אנרגיה. הוא כולל מעגל אתחול עם משאבת טעינה על מנת לאפשר מתח אתחול של 380 מיליוולט בכניסה. ברגע שהמערכת פועלת, המעגל הפנימי של ההתקן ADP5090 מופעל על ידי מתח היציאה של ADP5090. זוהי הצומת המספקת חשמל לעומס מערכת קצירת האנרגיה. ברגע שהצומת עולה ל-1.9 וולט, מתח הכניסה יכול לרדת עד 80 מיליוולט, והוא עדיין יהיה מסוגל לקצור אנרגיה.

הדבר עוזר מאד במערכות הנמצאות הרבה זמן במצבים שאינם אופטימליים כל כך. למשל, חיישן פנימי המופעל על ידי תא סולרי. בשעות הבוקר והערב, מעט מאד אור יכול להגיע לתא הסולרי, וכך נוצר מעט מאד חשמל. שימוש בזמן זה גם לקצירת מעט אנרגיה, יכול לסייע לתקציב האנרגיה הכללי בזמן נתון כלשהוא. היבט אחר המסייע במצבים מעין אלו, הנו זרם הרוגע הנמוך של ADP5090. בעת פעולה, צריכת הזרם הנה רק 260 ננואמפר. איור 4 מראה יישום ממשי אופייני. העקומה מפרטת מקומות שונים בבניין מגורים ומשך הזמן האופייני שבו חיישן בעל תא סולרי הנמצא בהם, מצוי בחושך. בוודאי שמקרה זה הנו מקרה אופייני בלבד.

לראות את האור

כמות האור אותה יקלוט החיישן, תלויה בארכיטקטורה של הבית, כולל כמות החלונות, כמות האור המגיע מאספקת חשמל והמיקום המדויק של החיישנים. על תרשים זה, ישפיעו, כמו כן, עונת השנה והמיקום של הבית. בכל אופן, בתנאי אור משתנים כגון אלו, הנקודה החשובה היא כי צריכת החשמל הנמוכה של ADP5090 מסייעת לתקציב הכללי באופן משמעותי מאד, במיוחד במקומות הנמצאים רוב הזמן בחושך.

דרגת הממיר DC ל-DC ב-ADP5090, מעניינת מאד: יש לה לוּפּ ויסות בדיוק כמו לרוב ממירי הDC ל-DC, אך היא אינה מווסתת את מתח היציאה וגם לא את זרם היציאה. לוּפּ הוויסות מותקן בעיקר כך שהוא מווסת את אימפדנס הכניסה.

לתאים הסולריים יש התנהגות זרם ומתח כפי שמוצג באיור 5.

בתנאי לוּפּ פתוח, ללא זרימת זרם, המתח המסופק הנו בנקודת השיא. בנקודה זו, עם התחלת הזרם, המתח יורד. בזרמים גבוהים מאד, המתח נופל בחדות. באמצע העקומה, קיימת ברך המסמלת את נקודת שיא אספקת החשמל. זו הנקודה שבה המתח עדיין גבוה יחסית, אך גם הנקודה שבה מופק זרם רב. על מנת לפעול קרוב לנקודת שיא אספקת החשמל, עלינו לעקוב אחריה. על ידי קביעת ערך זרם קבוע בלבד, הדבר לא יצלח, כיוון שהעקומה באיור 5, של תא סולרי כלשהוא, תשתנה בהתאם לתנאי אור שונים.

על מנת לעקוב אחרי נקודת שיא אספקת החשמל, ההתקן ADP5090 מפסיק להוליך זרם בכניסה, בודק את מתח התא הסולרי ללא עומס, ואז הוא קובע את נקודת שיא אספקת החשמל למשך 16 השניות הבאות. לאחר זמן זה, מתבצעת שוב בדיקת לוּפּ פתוח. משך הזמן של 16 השניות נראה כפשרה טובה בין התרחקות מנקודת שיא אספקת החשמל והפסקת פעולת הקציר לעתים קרובות מדי.

מעקב אחרי נקודת שיא אספקת החשמל מוודא כי נקצרת רוב האנרגיה ממקור חשמל כגון תא פוטו-וולוטאי או גנרטור תרמו-אלקטרי. אך ליחידת ניהול צריכת החשמל יש מטלות נוספות. היא צריכה לפקח על מתח היציאה בחלון מתח מסוים. ההתקן ADP5090 פועל כמקור זרם כדי לטעון קבל – על או סוללה. אלמנט זה חשוב לניתוק פעולת קצירת האנרגיה מצריכת האנרגיה. דבר זה מאפשר הפעלת מערכות רבות החסרות מקור אנרגיה קבוע לקצירת אנרגיה ממנו, אך הן צריכות לבצע מטלות מסוימות בהפרשי זמן קצובים. למשל, חיישן ברשת חיישנים אלחוטית אשר צריך לשלוח ערכי טמפרטורה כל 5 דקות. אם החיישן מופעל באמצעות תא סולרי, הוא עדיין יכול לפעול בעת זמני חושך עקב איחסון הביניים של אנרגיה.

הארכת פעילות עם אנרגיה שנקצרה

ארכיטקטורה די פופולרית היום היא צירוף קצירת אנרגיה למערכות המופעלות על ידי סוללה ראשית. מוצרים טובים, המשתמשים בסוללה בלתי נטענת, יכולים להאריך את אורך החיים של המערכת באמצעות הוספת קצירת אנרגיה. הדבר מביא להארכת משך הפעילות ללא פגיעה באמינות המערכת. עבור מערכות היברידיות מסוג זה, ההתקן ADP5090 מציע את היכולת לפקח על סוללה ראשית. ברגע שאין מספיק אנרגיה קצורה זמינה, מסלול צריכת החשמל מהסוללה הראשית, מכוּון ישירות לאספקת חשמל לעומס.

איור 6 מציג דרגת צריכת חשמל שלמה של אנרגיה קצורה לא רק עם המעגל המשולב הראשי לקצירת אנרגיה של ADP5090 MPPT, אלא גם מעגל משולב נוסף, ה-ADP5310. זהו ממיר DC ל-DC המייצר שני מתחי יציאה באופן יעיל ביותר. היעילות קרובה ל-90% בזרם יציאה של 100 מיקרואמפר. בנוסף לכך, להתקן ADP5310 יש מתג עומס אחד המשולב בו. ניתן להשתמש במתג עומס זה להפסקת עומסים אשר אחרת היו צורכים חשמל באופן קבוע, אף כאשר הם אינם בשימוש. הממיר ADP5310 יכול לקבל ערכי מתח כניסה של עד 15 וולט. דבר זה מאפשר להתקן להיות בשימוש באופן ישיר במחוללי מתח ז”ח כגון מחוללים פיאצו-אלקטריים או אלקטרומגנטיים. כל מה שנחוץ הוא מיישר גשר ומתח היציאה יכול להיות מוזן ישירות לתוך ADP5310.

קיימים כיום מעגלים משולבים רבים לניהול צריכת חשמל אשר תוכננו באופן מיוחד לשימוש ביישומי קצירת אנרגיה. הם מאפשרים הפעלת מערכות עם קוצרים קטנים יותר או פתרונות קצירת אנרגיה אשר אי אפשר היה לתכנן כמותם לפני מספר שנים בלבד. למתכנני מערכות יש רעיונות מעניינים מאד המיושמים כבר עתה ואשר נוכל לראות ולהתפעל מהם בקרוב מאד.