Przetwornice do paneli fotowoltaicznych

265

W ostatnich latach możemy zaobserwować rosnące zainteresowanie „zieloną energią”. Mnożą się liczne aplikacje umożliwiające pozyskanie energii ze źródeł wolno dostępnych, z których największą popularnością cieszą się instalacje paneli fotowoltaicznych. Ich ceny stały się na tyle przystępne, że takie panele są chętnie instalowane nawet na ogródkach działowych po to, aby w warunkach zwykle utrudnionego dostępu do sieci elektrycznej mieć altankę zaopatrzoną w energię elektryczną. Jednak budując instalacje tego typu trzeba zdać sobie sprawę ze specyfiki źródła energii, którym jest panel fotowoltaiczny lub wiatrak oraz z tego, jakie wyzwania tworzą one dla twórców urządzeń zasilanych z tych źródeł.

Panel fotowoltaiczny wykorzystywany jako źródło energii jest bardzo kapryśny, ponieważ moc prądu elektrycznego pozyskiwanego z panelu jest zależna od natężenia padającego światła. Jednak napięcie na jego zaciskach będzie zależało nie tylko od oświetlenia, ale również od prądu obciążenia (ze względu na rezystancję wewnętrzną) i będzie największe przy braku obciążenia, to jest w stanie jałowym, przy rozwartych zaciskach panelu. Jako użytkownik takiego źródła energii w większości wypadków nie jesteśmy w stanie zagwarantować ani stałego oświetlenia, ani też stałego obciążenia. Zwykle panele są zamontowane na stałe – rzadko kiedy na obrotnicach podążających za słońcem. Powoduje to, że światło słoneczne pada na powierzchnię panelu pod różnym kątem. Ponadto, słońce może być przysłonięte przez chmury. Podobnie obciążenie – zwykle nie ma stałego charakteru, ale zmienia się zależnie od potrzeb użytkowników sieci elektrycznej. W takich warunkach użytkowania również napięcie dostępne na zaciskach panelu będzie zmieniało się w szerokim zakresie.

Zwykle użytkownik sieci elektrycznej oczekuje, że jest w niej dostępne stałe (w rozumieniu wartości) napięcie i nie trzeba przejmować się jego fluktuacjami. Jeśli, na przykład, wynosi ono 12 V DC, to oczekuje się, że zmiany będą raczej niewielkie, najwyżej 2-3% wartości nominalnej. Jak wspomniano, źródła energii wolno dostępnej rzadko kiedy są w stanie zapewnić takie warunki zasilania. Dlatego jako pośredników pomiędzy nimi a użytkownikiem stosuje się odpowiednio skonstruowane przetwornice napięcia.

AM40W-80024S-NZ-ST

Inaczej niż „zwykłe” przetwornice DC/DC przeznaczone do zasilania i zależnie od aplikacji docelowej, takie przetwornice współpracujące z odnawialnymi źródłami energii muszą odznaczać się odpowiednimi parametrami, dopasowanymi do „kaprysów” źródła. Wśród nich najważniejsze to szeroki zakres napięcia wejściowego, odpowiednia rezystancja wejściowa oraz duże napięcie przebicia pomiędzy wejściem a wyjściem, zwykle wynoszące co najmniej kilkaset woltów.

Popyt na „zieloną energię” spowodował, że przeznaczone jej aplikacji urządzenia i produkty są wytwarzane przez wiele konkurujących ze sobą firm. Przeciętnego użytkownika panelu zainteresują przede wszystkim gotowe moduły typu plug&play dołączane do paneli, jednak elektroników konstruktorów i inne osoby budujące źródło zasilania do znaków drogowych, urządzeń monitorujących czy budowanych do zastosowania w sieciach IoT, mogą zainteresować przede wszystkim moduły przetwornic przeznaczone do wbudowania we własne urządzenie. W tej grupie produktów warto wyróżnić wyroby kanadyjskiej firmy Aimtec, które przebojem wdzierają się na rynki europejskie.

AM10W-60009S-NZ

Aimtec jest globalnym przedsiębiorstwem zajmującym się opracowywaniem i produkcją modułowych systemów zasilania AC/DC i DC/DC, włączając w to zasilacze LED. Główna siedziba przedsiębiorstwa mieści się w Montrealu, ale ma ono też liczne biura w Europie oraz Azji. Wyroby Aimteca są cenione głównie za unikatowe opcje oraz stosunek jakości do ceny.

Przetwornice do paneli fotowoltaicznych

Przetwornice do paneli fotowoltaicznych produkowane przez Aimtec zainteresują przede wszystkim konstruktorów urządzeń zasilanych napięciem stałym z zakresu od 5 do 48 V DC. Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby takim napięciem ładować baterię akumulatorów, z której jest pozyskiwane napięcie 230 V AC za pomocą kolejnej przetwornicy, ale będzie to działo się kosztem znacznej utraty sprawności źródła zasilania.

W związku z tym, że napięcie występujące na zaciskach paneli fotowoltaicznych oraz generatorów napędzanych energią wiatru będzie miało zbliżone parametry, firma poleca serię swoich produktów do współpracy z obydwoma rodzajami źródeł energii. Mowa tu o rodzinie przetwornic AM5W…AM200W, w których to liczba następująca po przedrostku „AM” określa maksymalną, ciągłą moc zasilania dostępnego na wyjściu. Następnie, zgodnie z nomenklaturą producenta, podawane są: nominalne napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe oraz typ obudowy. I tak dla przykładu, symbol AM15W-60015S-NZ oznacza przetwornicę o mocy 15 W, napięciu wyjściowym 15 V DC, nominalnym napięciu wejściowym do 600 V DC, w obudowie przeznaczonej do wlutowania w płytkę drukowaną. Oprócz obudów tego typu, oferowane są również moduły z zaciskami śrubowymi, zewnętrznym bezpiecznikiem i filtrem EMC (-ST), do montażu na szynę TH/TS35 z bezpiecznikiem i filtrem EMC (-STD, -STS) lub bez bezpiecznika (-STF). Po szczegóły oznaczeń warto sięgnąć do kart katalogowych dostępnych na stronie internetowej producenta lub dystrybutora – firmy TME z Polski.

Największym zainteresowaniem użytkowników OEM cieszą się przetwornice o mocy z zakresu od 5 do 40 W, w obudowie o wymiarach 70 mm×48 mm×23,5 mm, przeznaczonej do wlutowania w płytkę drukowaną. Co bardzo ważne, oferowane w ramach tej rodziny przetwornice są umieszczone w obudowach o takich samych wymiarach i są kompatybilne pod względem rozmieszczenia wyprowadzeń, co pozwala na łatwe rozszerzenie funkcjonalności źródła zasilania bez zmiany płytki drukowanej. Przetwornice o większej mocy, to jest 45 W i 200 W mają obudowę typu open frame i są dołączane do współpracujących obwodów za pomocą zacisków śrubowych, co na pewno docenią montażyści i serwisanci. Warto przy tym przypomnieć, że również przetwornice o mniejszej mocy (o czym była już mowa wcześniej) są oferowane w wariancie do montażu poza płytką drukowaną, z bezpiecznikiem, z filtrem EMC, z zaciskami śrubowymi.

AM40W-80012S-NZ

Nominalne napięcie wejściowe jest zależne od typu i wynosi od 200 do 1500 V DC, a jego zakres jest bardzo szeroki, bo wynosi aż 10:1. Napięcie wyjściowe jest niezmienne, ustalane przez producenta na etapie produkcji. Największy wybór wariantów jest w ramach serii przetwornic o mocy do 40 W. Wśród nich są oferowane przetwornice o napięciu wyjściowym wynoszącym 5, 9, 12, 15 lub 24 V DC. Przetwornica o mocy 45 W ma dwa wyjścia 15-woltowe, natomiast przetwornica 200-watowa dostarcza napięcie 24 lub 48 V DC. Wszystkie mogą być użytkowane w temperaturze otoczenia od -40 do +70°C bez pogorszenia parametrów użytkowych. Największa sprawność energetyczna wynosi około 80%, co w aplikacji przekłada się na niewielkie straty mocy oraz brak konieczności stosowania wymuszonego chłodzenia.

Podstawowe parametry przetwornic z omawianej serii wymieniono w tabeli 1.
Po szczegółowe opisy parametrów należy sięgnąć do kart katalogowych.

Seria Moc wyjściowa

[W]

Nominalne napięcie wejściowe

[V DC]

Napięcie wyjściowe

[V DC]

Opcje zabezpieczeń
AM5W-NZ 5 100…1000 5 CSP1), OCP2), OVP3), RPP4)
AM10W-NZ 10 100…1000

200…1500

5, 9, 24
AM10WM-NZ 10 200…1500 5
AM15W-NZ 15 100…1000

200…1500

12, 15, 24
AM15WM-NZ 15 200…1500 12, 15, 24
AM40W-NZ 40 100…1000

200…1500

12, 15, 24
AM45W-NST 45 150…1500 2×15
AM200W-NZ 200 300…1500 24, 48

Tabela 1. Podstawowe parametry przetwornic oferowanych przez Aimtec do paneli fotowoltaicznych oraz turbin

1) CSP – Continous Shortcircuit Protection (ochrona przed zwarciem)
2) OCP – Over Current Protection (ochrona przed przetężeniem)
3) OVP – Over Voltage Protection (ochrona przed przepięciem)
4) RPP – Reverse Polarity Protection (ochrona przed odwróceniem polaryzacji zasilania)

Wszystkie omawiane produkty spełniają surowe wymagania norma bezpieczeństwa odnośnie do urządzeń współpracujących z panelami fotowoltaicznymi. Mają dopuszczenia CSA (CSA-C22.2 No.107.1-01), UL (1741), znak CE nadany zgodnie z normami europejskimi (ich szczegółowy wykaz jest dostępny w karcie katalogowej każdej przetwornicy). Standardowe opcje zabezpieczeń obejmują ochronę przed przepięciem i zwarciem na wyjściu, przed zwarciem i przegrzaniem, przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilającego.

Do startu przetwornicy nie jest wymagane obciążenie minimalne, a samo jej uruchomienie w warunkach bez obciążenia następuje w czasie poniżej 1 sekundy. Typowe napięcie przebicia pomiędzy wejściem a wyjściem dla większości przetwornic wynosi 4 kV.

Źródło: www.tme.eu