Ładowanie smartfonów przy wykorzystaniu energii słonecznej

ŁADOWANIE SMARTFONÓW PRZY WYKORZYSTANIU

ENERGII SŁONECZNEJ

W pracy przedstawiono zaprojektowaną i skonstruowaną przez autora ładowarkę do smartfonów, wykorzystującą energię pobieraną z panelu fotowoltaicznego. Zaprezentowano schemat ładowarki wraz z opisem funkcjonalności poszczególnych jej elementów, a także zmierzone charakterystyki statyczne i dynamiczne tejże ładowarki. Przedyskutowano też możliwości zastosowania takiego układu do systemów ładowania urządzeń mobilnych udostępnianych w przestrzeni publicznej.

Słowa kluczowe: fotowoltaika, przetwornice, smartfon.

WSTĘP

Jeszcze do niedawna w celu dostosowania energii uzyskiwanej z paneli fotowoltaicznych do wymagań użytkownika wykorzystywano niemal wyłącznie falowniki [9]. Typowo do wyjścia falownika dołączano prostownik przekształcający napięcie zmienne w napięcie stałe, wymagane przez odbiornik. Rozwiązanie to generowało zbędne koszty oraz powodowało obniżenie sprawności energetycznej systemu przetwarzania energii. Obecnie można zaobserwować na rynku wzmożone zainteresowanie układami przetwarzającymi napięcie z panelu fotowoltaicznego bezpośrednio na napięcie stałe wymagane przez odbiornik. Dzięki zastosowaniu dedykowanych przetwornic DC/DC można uzyskać wyższą sprawność energetyczną, mierzoną na drodze od panelu fotowoltaicznego do odbiornika, niż przy zastosowaniu dwuetapowego przetwarzania DC/AC oraz AC/DC.

Z drugiej strony, w ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost liczby osób noszących ze sobą ładowarki do smartfonów. Ze względu na częste używanie telefonu oraz wymaganie przezeń coraz większych mocy pobieranych z wbudo-wanych akumulatorów niezbędne jest częstsze niż kiedyś ich ładowanie. Możliwości ładowania telefonów są ograniczone, zwłaszcza poza pomieszczeniami, liczbą przyłączy do sieci elektroenergetycznej.

W okresie letnim, gdy występuje silne nasłonecznienie, łatwo dostępnym źródłem energii mogą być panele fotowoltaiczne [7]. Dynamiczny rozwój techno-logii wykonywania fotoogniw sprawia, że z roku na rok są one coraz bardziej atrakcyjnym źródłem energii elektrycznej, charakteryzującym się coraz wyższymi wartościami sprawności energetycznej procesu konwersji fotowoltaicznej [1, 5, 7, 8].

W pracach [2, 4, 6, 9] prezentowane są rozwiązania licznych układów przetwornic dc-dc, ale bez opisów szczegółowych rozwiązań technicznych syste-mów ładowania smartfonów z ogniw fotowoltaicznych. Z kolei w pracy [3] opisany został układ służący do zasilania laptopów przy wykorzystaniu energii z paneli fotowoltaicznych.

W niniejszym artykule przedstawiono projekt i wyniki testów ładowarki smartfonów, wykorzystującej energię uzyskiwaną z paneli fotowoltaicznych. Poniżej omówiono projekt ładowarki, a w drugim rozdziale zaprezentowano zmie-rzone charakterystyki statyczne i dynamiczne skonstruowanego układu pracującego z obciążeniem rezystancyjnym i docelowym w postaci smartfonu.

1. UKŁAD ŁADOWARKI

Układ ładowarki został zaprojektowany tak, by na jego wyjściu uzyskiwane było napięcie wyjściowe o wartości równej 5 V, przy dostarczanym napięciu wejściowym w zakresie od 6 V do 35 V. W celu uzyskania wysokiej sprawności energetycznej niezbędne było zastosowanie stabilizatorów impulsowych z przetwor-nicą buck. W trakcie projektowania uwzględniono również fakt, że maksymalny prąd ładowania smartfonów nie przekracza 1 A.

W rozważanej ładowarce, której schemat pokazano na rysunku 1, oprócz obwodu mocy w postaci przetwornicy buck, występuje blok sterownika. Blok sterownika umożliwia regulację współczynnika wypełnienia sygnału sterującego obwód mocy w taki sposób, aby uzyskać stałą wartość napięcia na wyjściu przetwornicy. W charakterze sterownika zastosowano układ scalony L4962, z wbudowanym tranzystorem kluczującym [10].

VIN VFB FC GND OSC SS OUT NC

U

Rys. 1. Schemat ładowarki Fig. 1. The charger diagram

Napięcie wyjściowe jest stabilizowane przez układ sterownika, który poprzez sprzężenie napięciowe reguluje wartość współczynnika wypełnienia generowanego sygnału PWM. Zwarcie wejścia VFB sterownika z wyjściem ładowarki zapewnia pracę sterownika z minimalnym napięciem wyjściowym układu sterownika równym 5 V, zgodnym ze standardem złączy USB. Kondensator C3 i rezystor R2 odpo-wiadają za częstotliwość wewnętrznego sygnału PWM sterującego tranzystor kluczujący, która w prezentowanym rozwiązaniu wynosi 100 kHz. Układ zasilany jest stałym napięciem wejściowym z panelu fotowoltaicznego.

W tabeli 1 podano wartości poszczególnych elementów wchodzących w skład układu ładowarki.

Tabela 1. Wartości elementów ładowarki

Table 1. Values of the charger components

R1 R2 R3 C1 C2 C3 C4 C5 L1

15 kΩ 4,7 kΩ 4,7 kΩ 680 µF 3,3 nF 2,2 nF 22 µF 22 µF 22 mH

W celu obniżenia napięcia generowanego przez panel fotowoltaiczny do poziomu pozwalającego ładować akumulator smartfona niezbędne było zastoso-wanie stabilizatora z przetwornicą buck obniżającą napięcie. Napięcie wyjściowe

VBUS udostępniane jest na wyjściu USB.

Typ diody D1 w obwodzie mocy wybrano ze względu na wymagania dotyczące jej wytrzymałości napięciowej i prądowej. Musi ona wykazywać dopuszczalną wartość prądu przewodzenia przekraczającą 1 A, przy której nie zostanie przekro-czona dopuszczalna temperatura pracy oraz dopuszczalne napięcie w stanie wyłą-czenia większe od 30 V, co wynika z wymagań projektowych. Wymagania te spełnia m.in. dioda 1N5822zastosowana w skonstruowanym układzie.

2. WYNIKI TESTÓW

Zaprojektowana ładowarka została skonstruowana i uruchomiona przez autora. W celu zweryfikowania poprawności procesu projektowania ładowarki zmierzono jej podstawowe charakterystyki. Charakterystyki statyczne zmierzono, korzystając z multimetrów UNI-T UT804 i pirometru Optex PT-3S, a dynamiczne – korzystając z oscyloskopu Rigol DS1052E i sondy prądowej Tektronix TCPA 300. We wszyst-kich pomiarach źródłem napięcia wejściowego był zasilacz Array 3645A.

Na rysunku 2 pokazano zależność sprawności energetycznej ładowarki od rezystancji obciążenia przy napięciu wejściowym równym UIN = 30 V. Sprawność energetyczną obliczono jako iloraz mocy wyjściowej ładowarki do mocy wejścio-wej. Sprawność idealnego stabilizatora obniżającego, którym jest ładowarka, jest malejącą funkcją rezystancji obciążenia. Jednak w układach rzeczywistych funkcja ta ma wyraźne maksimum dla prądu obciążenia zbliżonego do maksymalnego

dopuszczalnego prądu układu, co wynika z parametrów zastosowanych elementów, w szczególności układu scalonego L4962 i dławika. Maksimum to wystąpiło dla obciążenia rezystancją poniżej 5 Prądy w zakresie rezystancji obciążenia mniej-szych od 5  przekraczają maksymalną wartość prądu ładowania smartfonów. Warty podkreślenia jest również fakt, że maksymalna sprawność całego układu ładowarki, przy napięciu wejściowym równym 30 V, odpowiadającym napięciu znamionowemu panelu o mocy 240 W, wynosi ponad 64% i jest niższa zaledwie o niecałe 6% od maksymalnej sprawności sterownika deklarowanej przez producenta [10].

Rys. 2. Zmierzona zależność sprawności energetycznej ładowarki od rezystancji obciążenia Fig. 2. Measured dependence of the watt-hour efficiency of the charger

on load resistance

Na rysunku 3 przedstawiono zależność napięcia wyjściowego ładowarki od rezystancji obciążenia. W oczekiwanym zakresie pracy ładowarka wykazuje bardzo dobrą stabilizację napięcia – odchyłki od oczekiwanej wartości napięcia wego nie przekraczają 50 mV. Spadek wartości stabilizowanego napięcia wyjścio-wego w zakresie rezystancji poniżej 5 Ω nie jest istotny z punktu widzenia użyt-kownika, gdyż do ładowania smartfonów nie są używane prądy wyższe od 1 A.

Na rysunku 4 pokazano zależność temperatury obudowy sterownika (krzywa niebieska), temperatury maksymalnej dławika (krzywa czerwona) oraz temperatura diody (krzywa zielona) w funkcji rezystancji obciążenia. Pomiary temperatury wykonano pirometrem Optex ST-3, który charakteryzuje się błędem ±2o_{C. W} do-puszczalnym zakresie pracy układu elementy nie osiągają temperatury zagrażającej poprawności działania układu.

Rys. 3. Zmierzona zależność napięcia wyjściowego ładowarki od rezystancji obciążenia

Fig. 3. Measured dependence of the output voltage of the charger on load resistance

Rys. 4. Zmierzone wartości temperatury sterownika, dławika i diody w funkcji rezystancji obciążenia

Fig. 4. Measured dependence of controller, coil and diode temperature of the charger on load resistance

Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę przejściową ładowarki. Widać, że oczekiwane napięcie wyjściowe jest uzyskiwane przy napięciu wejściowym większym od 7 V.

Uin = 30 V

Rys. 5. Charakterystyka przejściowa ładowarki

Fig. 5. Measured transfer characteristic of the charger

Na rysunku 6 przedstawiono zależność sprawności engetycznej od napięcia wejściowego. Widać, że maksimum sprawności energetycznej przypada na taką wartość napięcia wejściowego, przy której uzyskiwana jest oczekiwana wartość napięcia wyjściowego.

Rys. 6. Zmierzona zależność sprawności energetycznej od napięcia wejściowego ładowarki

Fig. 6. Measured dependence of the watt-hour efficiency of the charger on input voltage

RL=10 Ω

Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przebiegi czasowe prądu wyjściowego ładowarki obciążonej smartfonem HTC Wildfire przy różnym naładowaniu akumu-latora wewnątrz smartfona.

Jak widać, wbudowany w smartfon układ wymusza generację impulsów prądowych. Generowany sygnał ma częstotliwość ok. 75 kHz i amplitudę ok. 100 mA, które są niezależne od poziomu naładowania akumulatora. W zależności od poziomu naładowania akumulatora zmienia się składowa stała prądu ładującego oraz jego kształt.

Analizując krzywe, przedstawione na rysunkach 7 i 8, należy pamiętać, że są ujęte w różnych skalach. Informacja o skali znajduje się u dołu rysunków.

Rys. 7. Zmierzona charakterystyka prądu wyjściowego ładowarki od czasu

w stanie ustalonym przy akumulatorze w smartfonie naładowanym do 23% Fig. 7. Measured dependence of the output current on time in steady state

Rys. 8. Zmierzona charakterystyka prądu wyjściowego ładowarki od czasu w stanie ustalonym przy akumulatorze w smartfonie naładowanym do 99% Fig. 8. Measured dependence of the output current on time in steady state

in the case of 23 % charged battery

PODSUMOWANIE

W pracy przedstawiono zaprojektowaną i skonstruowaną przez autora łado-warkę smartfonów z panelu fotowoltaicznego. Ładołado-warkę tę poddano testom weryfikującym poprawność jej działania. Czas ładowania zaproponowaną łado-warką nie różni się od czasu ładowania ładołado-warką sieciową dostarczoną przez producenta.

Zaprezentowana tu ładowarka pozwala zasilać smartfony wszystkich popular-nych marek dopuszczopopular-nych do sprzedaży w Unii Europejskiej ze względu na standaryzację złącza zasilającego.

Można się spodziewać, że ładowarki o podobnej konstrukcji do przedstawionej w artykule w ciągu najbliższych lat mogą stać się standardowym wyposażeniem wielu miejsc w przestrzeni publicznej, takich jak np. porty lotnicze, dworce kolejowe czy parkingi przy autostradach.

LITERATURA

1. Castaner L., Silvestre S., Modelling Photovoltaic Systems Using Pspice, John Wiley&Sons, New York 2002.

2. Ericson R., Maksimovic D., Fundamentals of Power Electronics, Norwell, Kluwer Academic Publisher, 2001.

3. Górecki P., Voltage Regulators for the Laptop’s Power Supply Station with Photovoltaic Modules, Proceedings of the 22th _{International Conference „Mixed Design of Integrated Circuits and}

Systems”, Łódź 2015, s. 405– 408.

4. Kazimierczuk M.K., Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters, John Wiley &Sons, Ltd, New York 2008.

5. Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2010.

6. Mohan N., Robbins W.P., Undeland T.M., Nilssen R., Mo O., Simulation of Power Electronic and Motion Control Systems – An Overview, Proceedings of the IEEE, Vol. 82, 1994, s. 1287–1302. 7. Mulvaney D., Solar’s Green Dilemma, IEEE Spectrum, Vol. 9, 2014, s. 26–29.

8. Piotrowicz M., Marańda M., Sizing of Photovotaic Array for Low Feed-in Tariffs, Proceedings of the 21th _{International Conference „Mixed Design of Integrated Circuits and Systems”, Łódź 2014,}

s. 405–408.

9. Rashid M.H., Power Electronic Handbook, Academic Press, Elsevier, 2007. Źródła internetowe

10. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/22494/STMICROELECTRONICS/L4962.html.

SMARTPHONE CHARGER WITH PHOTOVOLTAIC MODULE

In this paper, designed and constructed by the author, the smartphone charger with photovoltaic module is presented. The operating correctness of this charger was tested. A charging time using designed charger is the same as using grid charger which was delivered with the smartphone. The charger presented in the paper can supply smartphones produced by all well-known producers for the European Union market because all these smartphones have standardised supply voltage. It can be expected that chargers similar to the one presented in this paper could become a standard equipment for many places in a public area.