2010.07_Bateria słoneczna.pdf

2944

Bateria słoneczna

Do czego to służy?

Ludzkość od dawna marzy o skonstruowa-

niu perpetuum mobile. Niestety fizycy dość

skutecznie zniechęcają twierdząc, że nie jest

to możliwe. Urządzenie będące przedmiotem

niniejszego artykułu nie jest tym najbardziej

pożądanym wynalazkiem ludzkości, ale jest

jego dalekim przybliżeniem – pozwala uzyski-

wać energię za darmo i teoretycznie w nieskoń-

czoność. Jej ilość nie jest porażająca, ale powin-

na umożliwić ładowanie komórek, odtwarzaczy

MP3, zapewnić światło po zmierzchu, etc.

Opisywany projekt jest połączeniem aku-

mulatora oraz ogniwa słonecznego. Temat

wydał mi się na tyle interesujący, że postano-

wiłem sprawdzić, ile energii można uzyskać z

ogniwa fotowoltaicznego, kosztującego mniej

więcej równowartość trzech biletów do kina.

W urządzenie wbudowana jest przetwornica

podwyższająca napięcie do wartości 5V. Po

przylutowaniu gniazda USB można w ten spo-

sób uzyskać prostą ładowarkę USB, gdyż sprzęt

elektroniczny jest coraz częściej ładowany w

taki właśnie sposób. Maksymalny pobór prądu

zależy od właściwości akumulatora. Układ nie

oferuje rewelacyjnych parametrów. Prąd łado-

wania ogniwa, jaki udało się osiągnąć, docho-

dził do 40mA. Latem wynik może być lepszy,

gdyż testy były prowadzone na początku

marca. Zwykła, biurkowa lampka halogeno-

wa umożliwiała osiągnięcie prądu ładowania

na poziomie 5mA.

W urządzeniu znajduje się mikrokontroler

z rodziny AVR. Wymagane jest jego zaprogra-

mowanie. Mniej doświadczone osoby mogą

poprosić o pomoc bardziej zaawansowanych

kolegów. W skrajnym wypadku można go w

ogóle pominąć – szczegóły na końcu artykułu.

Jak to działa?

Schemat urządzenia przedstawiono na rysun-

ku 1 . Najważniejszy element stanowi w tym

przypadku ogniwo fotowoltaiczne SP201.

Zapewnia ono ładowanie akumulatora przy-

łączonego do złącza Z201. Tranzystor T201

umożliwia odłączenie ogniwa po stwierdze-

niu, że akumulator jest w pełni naładowany.

Rezystor R201 podciąga bazę tranzystora do

plusa zasilania, więc dopóki na porcie mikro-

kontrolera nie pojawi się zero logiczne (baza

ściągnięta do masy), będzie on przewodził

i ładował akumulator. Jest to rozwiązanie o

tyle pożądane, że po kompletnym rozłado-

waniu ogniwa porty mikrokontrolera przejdą

w stan wysokiej impedancji i wymusi to jego

ładowanie.

Elementy z sygnaturami zaczynającymi się

od cyfry 1 (np. U101, T101, C101, etc) sta-

nowią przetwornicę podwyższającą napięcie

do 5V. Jest to typowa aplikacja producenta.

Zamiast pojedynczego kondensatora wyjścio-

wego została zastosowana bateria kondensa-

torów C103…C107, co obniża wypadkową

impedancję i wydłuża ich żywotność.

Mikrokontroler zapewnia odrobinę auto-

matyki. W związku z tym konieczny jest

pomiar zewnętrznego oświetlenia oraz napię-

cia akumulatora (dokonuje się to za pomo-

cą dzielników napięcia). Funkcję interfej-

su spełniają diody LED D301...D308, D310

oraz przyciski S1 i S2. Do programowania

mikrokontrolera przeznaczone zostało złą-

cze JP301. W układzie znajduje się źródło

napięcia odniesienia LM285Z-1.2 o napięciu

1,2V. Nie można było do tego celu wyko-

rzystać napięcia zasilania, ponieważ stanowi

je napięcie akumulatora, które zmienia się

w zależności od stopnia

naładowania.

Obsługa

urządzenia

Do obsługi urządzenia

przeznaczone zostały dwa

przyciski. Pierwszy z nich

(S1) służy do uruchamia-

nia przetwornicy. Po jego

naciśnięciu i przytrzyma-

niu przez trzy lub wię-

cej sekund przetwornica

zostanie uruchomiona, a czerwona dioda LED

(D310) zacznie pulsować. Krótkie naciśnięcie

S1 (około sekundy) wyłączy przetwornicę.

Zatrzymanie przetwornicy następuje również

po wyładowaniu baterii.

Przycisk S2 umożliwia kontrolę stanu aku-

mulatora oraz napięcia ogniwa fotowoltaicz-

nego. Krótkie naciśnięcie S2 (około sekundy)

spowoduje, że na kilkanaście sekund włączą

się zielone diody LED. Im mniej się ich

zaświeci, tym bardziej wyładowany jest aku-

mulator. Dłuższe przytrzymanie S2 (ponad trzy

sekundy) spowoduje zaświecenie jednej zielo-

nej diody. Jeżeli w czasie kilkunastu sekund

napięcie na ogniwie fotowoltaicznym zwięk-

szy się, zaświeci się ich więcej (jedna dioda na

każde 100mV). W ten sposób można szukać

optymalnego położenia urządzenia. Kolejne

długie naciśnięcie S2 spowoduje, że znowu

włączy się tylko jedna dioda LED, a następnie

włączą się, gdy zwiększy się napięcie.

Warto wspomnieć, że wyłączenie przetwor-

nicy nie powoduje odcięcia napięcia na wyjściu

(złącze Z101), a jedynie jego zmniejszenie do

wartości odpowiadającej napięciu na zaciskach

akumulatora minus spadek napięcia na diodach

D102 i ewentualnie D101. Niemniej pozwala

to znacząco oszczędzić prąd, gdyż przetwor-

nica wprowadza straty energii. Warto zatem

pamiętać o odłączaniu sprzętu, gdy nie jest on

użytkowany. Co więcej, przetwornica może

nie wystartować, jeżeli obciążenie nie zostanie

Elektronika dla Wszystkich

Lipiec 2010

odłączone. Pojawia się tu pewna subtelność

– przetwornica jest zasilana napięciem, które

sama wytwarza! Jest to podyktowane koniecz-

nością dostarczenia „wysokiego” napięcia ste-

rującego dla tranzystora MOSFET. Napięcie z

baterii przestaje w pewnym momencie wystar-

czać i przy około 3,5V nie można włączyć

przetwornicy. Sytuację pogarsza właśnie dołą-

czone obciążenie, które zmniejsza napięcie

akumulatora („przysiada”). Dobrym wyjściem

prawdopodobnie będzie zastosowanie tranzy-

stora o znacznie niższym napięciu włączenia

bramki, ale niestety nie miałem takowego i nie

mogłem tego sprawdzić.

Pracujący układ zużywa trochę energii

(około 1mA), więc przy dłuższym nieużytko-

waniu warto odłączyć akumulator.

Montaż i uruchomienie

Urządzenie zostało zmontowane na płytce

przedstawionej na rysunku 2 . Większość

zastosowanych elementów jest wykonana w

technologii SMD. W dużej mierze wynika to z

poważnej wady użytego ogniwa fotowoltaicz-

nego, jaką jest brak przewodów zasilających

– są jedynie pola kontaktowe. Brakuje rów-

nież otworów mocujących. Najlepszy spo-

sób, jaki udało mi się wymyślić, polega na

wlutowaniu dwóch zworek z drutu w płytkę

drukowaną i położeniu na nich ogniwa. Pola

kontaktowe powinny dotykać wyprowadzeń z

drutu. Jak widać, panel został przymocowany

gumkami. Zmniejszają one co prawda nie-

znacznie powierzchnię wystawioną na ekspo-

zycję promieni słonecznych, ale dzięki temu

montaż jest nieinwazyjny – można szybko

i łat wo zabrać ogniwo, aby wykorzystać je

do czegoś innego. Należy zwrócić baczną

uwagę na POLARYZACJĘ ogniwa. Niestety

nie jest ona w żaden sposób zaznaczona i

przed zamontowaniem panelu trzeba posłu-

żyć się multimetrem i sprawdzić, gdzie jest

plus, a gdzie minus. Warto też wspomnieć,

że ogniwo przychodzi zabezpieczone folią

samoprzylepną, przynajmniej te zamówione

przez mnie takie było. Przed umieszczeniem

go na płytce należy usunąć przezroczystą

folię samoprzylepną.

Dioda D101 nie musi być lutowana. W

początkowej fazie została ona przewidziana

jako element obniżający napięcie wejściowe,

gdyż obawiałem się, że w przypadku trzech

paluszków może ono być za wysokie. Moje

obawy się nie sprawdziły, więc spokojnie

można wlutować zworkę. Może okaże się to

przydatne, gdy ktoś będzie chciał wykorzy-

stać ogniwa o napięciu wyższym niż 5V.

Co do obudowy, to spośród dostępnych na

rynku propozycji nie znalazłem żadnej sen-

sownej przezroczystej obudowy. Moje opory

wzbudziło również używanie obudów z pane-

lami, gdyż część modułu fotowoltaicznego

będzie i tak zasłonięta. Jedynym sensownym

wyjściem wydaje się zakup kawałka plek-

siglasu i wykonanie obudowy samodziel-

nie. Od biedy można poszukać rozwiązań

„nieelektronicznych”, takich jak pudełka do

żywności, etc.

Rezystor R104 można spokojnie zastąpić

rezystorem 0Ω (zworką w obudowie 1206),

gdyż jest on znacznie

łatwiej dostępny. Podana

wartość 0,1Ω została

wzięta z aplikacji produ-

centa i najprawdopodobniej jest podykto-

wana chęcią ograniczenia emisji zaburzeń

elektromagnetycznych generowanych przez

przetwornicę.

zawierająca stałą POWER_

BATTERY_LEVELS określa kolejne stadia

wyładowania akumulatora. Pierwsza wartość

odpowiada całkowitemu wyładowaniu ognia

(wszystkie zielone diody po krótkim naciśnię-

ciu S1 są wygaszone), natomiast ostatnia – stan

pełnego naładowania (wszystkie zielne LED-

y włączone). Zmieniając te wartości, można

uwiarygodnić pomiary wykonywane przez

urządzenie. Kolejna stała ( POWER_BATTERY_

CHARGING_VOLTAGE ) określa próg ładowa-

nia akumulatora.

Warto wspo-

mnieć, że w urzą-

dzeniu uwzględ-

niona została 5%

histereza, tzn. od

podanej warto-

ści jest odejmo-

wane 2,5% oraz

jest dodawane

2,5%. Powstają

w ten sposób

dwie nowe war-

tości. Mniejsza z

nich określa, kiedy włą-

czyć ładowanie, a większa

– kiedy je zakończyć. W

przypadku listingu 1 włą-

czenia ładowania nastąpi w

sytuacji, gdy napięcie aku-

mulatora spadnie poniżej

4095mV, a jego wyłącze-

nie po przekroczeniu progu

4305mV. Dalej znajduje się

stała POWER_BATTERY_

CONVERTER_VOLTAGE

define

Rys. 1

D101

L101

3,3uH

D102

+5V

C103

10u

C104

10u

C105

10u

C107

10u

C108

100n

100k 1%

+5V

*patrz tekst

C102

100u

1N5818

T101

B UZ11

R102

Z 101

R101

10R

8 U101

Vin

R103

33k 1%

R104

0,1R

C10 1

100n

C S

SHDN

EXT

JP301

ISP

GND

MCP1650R-E/MS

SHDN

MOSI

MISO

RESET

SCK

Rys. 2 Płytka w skali 50%

T201

B C 84 7

R301

1 k

SP201

ASI30004097080M

R201

3 30R

LED_8

V+

R309

10k

D301

GREEN

R202

100k 1%

CHARGE_OFF

R302

1 k

LED_7

CHARGE_V

RESET

V-

D302

GREEN

R303

1 k

R203

8,2k 1%

LED_6

C301

100n

C302

100n

C306

100n

U301

ATMEGA48V

D303

GREEN

R304

1 k

PD0/RXD

LED_5

R204

1 00k 1%

PD1/TXD

C305

100n

PD2/INT0

AKUM_V

R205

22k 1%

D304

GREEN

R305

1 k

PD3/OC2B/INT1

C201

100u

C202

100n

LED_2

Z201

AKUM

PD4/XCK/T0

LED_4

LED_3

LED_4

LED_5

LED_6

LED_7

LED_8

MOSI

MISO

SCK

LED_1

SHDN

PD5/OC0B/T1

PC0/ADC0

CHARGE_OFF

PD6/OC0A/AIN0

PC1/ADC1

D305

GREEN

CHARGE_V

R306

1 k

PD7/AIN1

PC2/ADC2

Uref

PC3/ADC3

LED_3

AKUM_V

PB0/CLKO/ICP1

PC4/ADC4/SDA

określająca napięcie, po

przekroczeniu którego

nastąpi automatyczne

wyłączanie przetwornicy.

Ostatnie dwie stałe określa

się następująco:

PB1/OC1A

PC5/ADC5/SCL

MISO

D306

GREEN

Uref

R307

1 k

PB2/SS/OC1B

ADC6

PB3/OC2A/MOSI

ADC7

LED_2

PB4/MISO

MOSI

PB5/SCK

AVCC

D307

GREEN

LED_R

R308

1 k

PB6/XTAL1/TOSC1

AREF

R311

3,3k

R310

1 k

PB7/XTAL2/TOSC2

GND

LED_1

LED_R

D308

GREEN

C304

100n

D310

RED

C303

100n

D311

LM 285Z-1.2

Lipiec 2010

Elektronika dla Wszystkich

Możliwości zmian

Pierwszą możliwością zmiany jest wyposa-

żenie urządzenia w obwód pomiaru prądu

ładowania akumulatora. Pozwoli to uzyskać

bardziej wiarygodne dane o efektywności

konwersji energii słonecznej na elektryczną.

W obecnej wersji oprogramowania zielone

diody LED obrazują względną efektywność

ogniwa, gdyż jego napięcie jest w dużej mie-

rze uzależnione od napięcia panującego na

złączu Z201.

Być może niektórzy Czytelnicy zechcieli-

by zastosować inny akumulator niż szerego-

we połączenie trzech ogniw w rozmiarze AA,

np. akumulator polimerowy. W takiej sytua-

cji należy zmodyfikować plik power.h , który

został przedstawiony na listingu 1 . Pierwsza

instrukcja

C106

10u

//power.h

#ifndef jb_power_h

#deﬁ ne jb_power_h

//----------------------------

#deﬁ ne sbi(p,b) p|=(1<<b) ;

#deﬁ ne cbi(p,b) p&=~(1<<b) ;

#include <avr/io.h>

#include “delay.h”

//”konﬁ guracja” akumulatora

//-------------------------------------

//progi wyladowania akumulatora [mV]

#deﬁ ne POWER_BATTERY_LEVELS 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4200, 4300,

4500

//napiecie, przy jakim rozpoczyna sie ³adowanie akumulatora

[mV]

#deﬁ ne POWER_BATTERY_CHARGING_VOLTAGE 4200

//napiecie, przy jakim nasteuje odlaczenie przetwornicy [mV]

#deﬁ ne POWER_BATTERY_CONVERTER_VOLTAGE 3000

//stale

#deﬁ ne POWER_CHARGING_V_FACTOR 15834 //Uref [mV] * dzielnik

#deﬁ ne POWER_BATTERY_V_FACTOR 6654 //Uref [mV] * dzielnik

//--------------------------------------

class power {

unsigned int batteryVoltage ; //napiecie akumulatora

public :

power () ; //konstruktor

//zwraca napiecie panelu fotowoltaicznego (w mV)

unsigned int getPhotoCellVoltage () ;

//zwraca stopien naladowania akumulatora (w mV)

unsigned char getBatteryState () ;

//kontroluje prace akumulatora

void doWork () ;

//steruje przetwornica (wl/wyl)

void setStepUpConverter ( bool state ) ;

//sprawdz, czy przetwornica jest wlaczona

bool getStepUpConverter () ;

} ;

extern power pwr ;

#endif

Wykaz elementów

D101 . . . . . . . . . . . . . . . . . .* patrz tekst

D102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N5818

D301-D308 . . . . . . . . . . . . . LED GREEN

D310 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED RED

D311 . . . . . . . . . . . . . . . . . LM285Z-1.2

T101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUZ11

T201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC847

U101 . . . . . . . . . . . . . MCP1650R-E/MS

U301 . . . . . . . . . . . . . . . . . .ATmega48V

JP301 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ISP

L101 . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3 μ H SMD

SP201 . . . . . . . . . . . ASI30004097080M

Z101,Z201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2

ZW1-ZW6 . . . . . . . . . . . . . . . .0 Ω 1206

R101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Ω 1206

R102,R202,R204 . . . . . .100k Ω 1% 0805

R103 . . . . . . . . . . . . . . . 33k Ω 1% 0805

R104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1 Ω 1206

R201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Ω

R203 . . . . . . . . . . . . . . 8,2k Ω 1% 0805

R205 . . . . . . . . . . . . . . . 22k Ω 1% 0805

R301-R308,R310. . . . . . . . . . 1k Ω 0805

R309 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10k Ω 0805

R311 . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,3k Ω 0805

C101,C108,C202,C301-C306 . . .100nF 0805

C102,C201 . . . . .100 μ F tantalowy SMD

C103-C107 . . . . . .10 μ F tantalowy SMD

Płytka drukowana jest dostęp na

w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2944.

cji i dobiera-

jąc zgodnie

z wynikami

wartości tych

stałych, można

otrzymać

zadowalające

rezultaty.

Mikrokontroler w zasadzie nie pełni

funkcji kluczowych, a jedynie pomocni-

cze. Można zrezygnować z jego lutowania.

Należy jednak zewrzeć linię SHDN prze-

twornicy do plusa zasilania. Prąd uzyski-

wany z ogniwa (teoretyczne maksimum to

108mA) nie powinien uszkodzić akumula-

tora na skutek przeładowania. Należy jed-

nak pamiętać, że praca przetwornicy może

spowodować ich rozładowanie do poziomu,

w którym staną się one bezwartościowe.

Gdyby jednak opisane urządzenie miało

służyć jedynie do ładowania akumulatora,

to w zasadzie wystarczą elementy SP201,

R201, T201, C202 i C201. Warto jednak

wykonać płytkę drukowaną, gdyż dzię-

ki temu montaż panelu słonecznego jest

znacznie prostszy.

Kupując diody LED, warto zaopatrzyć się

w diody hiperjasne, gdyż światło emitowane

przez te zwykłe jest praktycznie niewidoczne

w pełnym słońcu.

Listing 1

POWER_CHARGING_V_FACTOR =

(R202+R203)/R203*Uref

POWER_BATTERY_V_FACTOR

(R204+R205)/R205*Uref

gdzie Uref to napięcie odniesienia LM285Z,

czyli 1200mV. W zasadzie można zrezygno-

wać z lutowanie elementu D311 i wykorzystać

wewnętrzne napięcie odniesienia 1100mV.

Dokonując wstępnych pomiarów, kalibra-

Jakub Borzdyński

jakub.borzdynski@elportal.pl

R E K L A M A

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: