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Energy Harvesting semplificata nella gestione dei pannelli solari [Video Sub Ita]

Energy Harvesting nei pannelli solari

L'Energy Harvesting semplificata grazie all'LTC3105 che ottimizza la conversione, in questo esempio, di energia prodotta dai pannelli solari.

Salve, sono Fran Hoffart. Ingegnere per Applicazioni prodotti elettrici presso LinearTechnology.
Oggi vi parlerò dei nostri prodotti Linear Technology progettati per l'energy harvesting!
Con energy harvesting è possibile ricavare energia dall'ambiente circostante e convertirla in una forma facilmente utilizzabile. Ma con molti dei metodi impiegati questa energia non è fruibile il 100% del tempo!
Per cui è necessario un metodo per immagazzinarla: in genere le batterie ricaricabili! Linear technology dispone di una serie di prodotti ottimizzati per l'energy harvesting di energia elettrica tra cui LTC3108, LTC3109, LTC3588 ed LTC3105 su cui mi soffermerò proprio oggi.
Ma prima di cominciare con LTC3105 vorrei parlarvi brevemente di una fonte energetica quasi inesauribile che ci circonda da sempre: l'energia solare! In più, siccome la fonte della tensione in ingresso del circuito che vi descriverò è costituita da celle solari, vi mostrerò degli schemi di circuiti di celle solari e come LTC3105 massimizzi la potenza in uscita. L'energia solare è una fonte energetica illimitata che genera circa 1000 W per mq in piena luce solare.

Generare energia usando le celle solari è una tecnica molto comune per la loro capacità di generare tensione direttamente dalla luce del sole. Tuttavia è necessario un circuito aggiuntivo per ricavare la tensione massima dalla cella e per controllare l'immagazzinamento di questa energia. Il pannello solare consta di celle fotovoltaiche individuali connesse in serie o in una combinazione di serie in parallelo. Il pannello solare provvede alla tensione in uscita in WATT, ciascuna cella nel pannello produce una tensione a circuito aperto di circa 550 mV a 25° C che scende a 500 mV a 45° C e che può ancora scendere sottocarico. La massima tensione in uscita è individuata come corrente in corto circuito e dipende dalle dimensioni fisiche della cella, il tipo di cella ed il modo in cui la luce solare colpisce la cella stessa.

Il primo grafico mostra la lenta diminuzione della tensione in uscita di celle solari connesse in 2 serie in piena radiazione solare, e l'aumento del carico di corrente in 5 secondi, Quando la corrente si avvicina al punto massimo di corrente in uscita o corrente di corto circuito della cella la tensione della cella comincia ad abbassarsi sempre più velocemente ed il carico di corrente è uguale alla massima corrente in uscita della cella la tensione dlla cela scende quasi a 0. Osservate la parte sinistra del grafico: abbiamo tensione ma non corrente, 0 all'avvio... nella parte destra abbiamo corrente ma una tensione minima sempre prossima allo 0.
Tra questi due punti estremi esiste un livello di tensione e corrente in cui il pannello solare produce un picco di corrente in uscita. Sebbene le celle solari in commercio siano pressoché inefficienti dal 6 al 15% esiste un piccolo range di tensione e corrente all'interno del quale le celle solari forniscono la massima energia in uscita. Questo secondo grafico mostra la corrente e la tensione in uscita di un pannello solare ed in più una curva dell'energia in uscita. Questa curva mostra chiaramente la tensione in uscita del pannello solare che offre la massima energia in uscita.
Mantenendo l'energia in uscita tra 700 ed 800 mV si può ricavare la potenza massima dal pannello solare. Questa è la teoria alla base del MPPC: maximum power point control utilizzato da LTC3105. LTC3105 è un convertitore AC/DC di tipo step-up usato nel MPPC (dispositivo per MPPT).

Questo convertitore è utilizzato principalmente per produrre energia dalle fonti di energia nell'ambiente quali celle solari a tensione di carico e generatori termoelettrici. Altre straordinarie funzioni sono: switch sincroni da 400mA, con disposito di disconnessione (output disconnect), startup da 215 V che permette a convertitore di operare da una cella solare singola, un regolatore LDO da 6 mA uscita Power-good funzionamento in modalità BURST e la tensione in uscita può essere più alta o più bassa di quella in entrata.
Tutto questo in un package DFN da 10 pin 3x3 mmo un MSOP package da 12 pin.

Il circuito mostrato qui usa un convertitore BOOST LTC3501 attivato da un pannello solare a 2 celle che carica una piccola batteria agli ioni di litio. Incluso nel circuito c'è anche LTC4070 con SHUNT per ridurre la corrente in tensione sulla batteria e per indicare quando la batteria è completamente carica. Un resistore da 75 K fissa il punto di massima potenza del LTC3105 a circa 750 mV, La potenza in ingresso è assolutmente necessaria quando un pannello solare fornisce elettricità in ingresso ad un convertitore DC/DC come mostra il pannello seguente. Il grafico a sinistra mostra la corrente e la tensione in uscita per un pannello a 2 celle, mentre l'intensità di irraggiamento diminuisce dal 100% a meno del 20% e sale di nuovo al 100% come accadrebbe al passaggio di una nuvola. Ancora incluso in questo grafico c'è la corrente in uscita del LTC3105 che carica una batteria agli ioni di litio. Osservate che se la luce solare diminuisce del 10% la corrente e la tensione in uscita diminuiscono allo stesso modo.
Ma l' LTC3105 per il controllo del MPP impedisce la caduta di tensione del pannello al di sotto dei prefissati 750 mV. Questo è possibile riducendo la corrente di carico in uscita del LTC3105 per impedire che il pannello solare cada repentinamente a quasi 0 volt come mostrato nel grafico a destra.
In questo grafico le condizioni sono le stesse fatta eccezione per la disattivazione del MPP collegando a massa il pin MPPC per dimostrare l'importanza del maximum power point control (MPPC) Osservate che per una caduta del 10% di luce solare dello stesso tipo la tensione del pannello in uscita cade a circa 200 mV che è al di sotto della tensione in entrata minima del convertitore con una conseguente caduta della corrente in uscita. Ora osserviamo nuovamente il circuito del caricabatterie solare. La tensione in uscita del convertitore è programmata per 4,35 V anche se non raggiungerà mai una tensione di questo tipo grazie al caricatore LTC4070 con shunt. L'uscita del convertitore è collegata direttamente alla batteria ed al caricatore LTC4070.
Il caricatore shunt livella la tensione in uscita del convertitore ad tensione variabile dell'1% di 1 dei 3 PIN 4 volts, 4,1 o 4,2 V per impedire il sovraccarico della batteria Il regolatore LDO è impostato a 2,2 V attraverso pin GND e FB LDO

Altre tensioni LDO possono essere ottenute attraverso resistori di feedback, in questo circuto l'uscita LDO viene usata solo per il funzionamento del LED di stato, assicurando che sia spento quando non c'è elettricità in ingresso. Il pannello solare utilizzato in questo esempio eroga più di 70 mA di corrente di carico sotto irraggiamento diretto scendendo fino a 17 mA per il 20% di luce solare.
Altre funzionalità includono la possibilità di determinare la temperatura della batteria usando un termistore NTC Questo riduce la tensione di mantenimento (float) della batteria a temperature più elevate ed include anche un indicatore in uscita quando la batteria è entro i 400 mV di tensione float o é quasi carica ed un'uscita per batteria scarica che aziona un MOSFET per disconnettere il carico e prevenire l'esaurimento della batteria a ioni di litio.

In conclusione LTC3105 ha caratteristiche davvero uniche che la rendono ideale per applicazioni ad energia solare. il MPPC permette al convertitore di ricavare la assima potenza disponibile in condizioni solari variabili mentre LTC4070 permette una tensione di float precisa, necessaria per le batterie a ioni di litio e funzioni aggiuntive.

Veniteci a trovare su www.linear.com per maggiori informazioni. Grazie a tutti.

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ritratto di Vittorio Crapella

Energia solare

Un piccolo approfondimento per i non addetti ai lavori
http://www.csvaltellina.it/solare.html

ritratto di Emanuele

Video transcription

L'idea di tradurre, trascrivere e poi sottotitolare i vari video in inglese, di applicazioni (come in questo caso dell'energy harvesting applicata ai pannelli solari) è nata con l'intento di diffondere il know-how dell'elettronica.

Quanti di voi comprendono il 100% dei video originali dei FAE per lo più americani?

ritratto di divivoma

Sarebbe anche bello vedere

Sarebbe anche bello vedere come riportare il tutto su un esempio pratico da realizzare...magari può essere una buona idea da proporre al prossimo meeting ;)

ritratto di Emanuele

Si certo

Si certo,
l'incontro
(http://it.emcelettronica.com/forum/incontro-tra-gli-utenti-dellelettronica-open-source)
oltre alla premiazione di Oscillandia, potrà essere anche un'occasione di scambio idee e collaborazioni.

ritratto di Vittorio Crapella

Step-up controllo di carica

Mi chiedevo quali altri integrati step-up esistono per il controllo di carica per batterie Pb a 12V nominali basati sullo stesso principio del LTC3105

Una risposta lo trovata
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq24650.pdf
http://www.ti.com/lit/an/slyt424/slyt424.pdf

ritratto di Emanuele

Energy Harvesting

Tramite l'etichetta (tag) energy harvesting puoi trovare molti articoli relativi spesso con link ai componenti e/o alle case che più stanno investendo in questa direzione.
http://it.emcelettronica.com/tag/energy-harvesting

 

 

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