Dispositivo de armazenamento de energia híbrida como backup para células solares

A coleta de energia usa energia natural para estender a energia disponível além dos limites do que fontes de energia finitas, como baterias, podem fornecer. Essa abordagem melhora a eficiência geral da fonte de energia, prolongando o tempo entre as cargas e melhorando o desempenho do dispositivo a partir de fontes de energia renovável não confiáveis. O movimento em direção a soluções mais sustentáveis ​​motiva os engenheiros de projeto a ir além dessas fontes de energia finitas para uma solução totalmente renovável: células solares. Também chamados de células fotovoltaicas (PV), esses dispositivos convertem a energia do sol em energia elétrica utilizável em uma etapa através do efeito fotovoltaico. Este efeito contata o silício carregado positivamente e negativamente para criar um campo elétrico.

Esses microgeradores independentes alimentam cargas locais exclusivamente para reduzir as demandas do sistema de rede, além de reduzir as contas de serviços públicos dos proprietários. As aplicações de células solares incluem residências “fora da rede” e cargas menores, como sinalização eletrônica na estrada e equipamentos de IoT – incluindo sensores e atuadores – que são instalados remotamente e se conectam sem fio. Como a fonte de energia das células solares é gratuita, o estado ideal desse tipo de energia é “instalá-la e esquecê-la”, utilizando o sol como um reservatório infinito de fonte de energia. No entanto, os engenheiros devem superar vários desafios para realizar essa abordagem na IoT.

O maior desafio é saber as demandas e os balanços de energia em várias condições de uso. Sensores de IoT de curto e longo alcance podem exigir entre 7 e 16,4uA de energia em média. Os engenheiros de projeto otimizam as células fotovoltaicas para uma determinada fonte de energia e adicionam capacitores para reduzir a dependência da energia auxiliar ou completar os períodos escuros. Os capacitores, por sua vez, são otimizados para minimizar a corrente de fuga. E os projetos também pedem uma interface de sensor para amostragem de dados, armazenamento e transmissão de informações.

Felizmente, uma solução de produto inovadora e uma compreensão fundamental dos detalhes dos desafios podem resolver esses problemas.

Superando desafios

O conversor DC-DC recebe energia da matriz fotovoltaica e produz eletricidade disponível para alimentar dispositivos em um pequeno microgerador solar. Duas das métricas de desempenho críticas são a alta eficiência energética e a qualidade da energia. Essas métricas são essenciais porque o usuário espera um dispositivo pequeno que ofereça desempenho consistente. No entanto, a variabilidade da energia solar fornecida à célula fotovoltaica apresenta três desafios principais para os sensores IoT fotovoltaicos autossustentáveis:

  • Energia de entrada insuficiente através da radiação fotovoltaica
  • Capacidade limitada de armazenamento e unidade através do capacitor
  • Corrente de pico excessiva ocorrendo com muita frequência por meio de amostragem do sensor, armazenamento de dados ou dispositivo de transmissão

Outros desafios são limites de temperatura, tensões que não são adequadas, perda de conversão, descarga de energia em momentos errados e envelhecimento/degradação do sensor. Com essas ineficiências e perdas, a fonte de alimentação fica instável e pode conter sag ou ripple.

Além disso, a energia solar é fornecida apenas parte do dia e entra na célula fotovoltaica em intensidades variadas. Essas inconsistências reduzem ainda mais a qualidade de desempenho do dispositivo IoT. Desafios com energia de entrada baixa ou consistente, juntamente com armazenamento limitado e corrente de pico excessiva, criam a necessidade de uma solução de backup para nivelar a carga de energia.

Integrando uma solução de armazenamento de coleta de energia

Um coletor de energia fotovoltaica pode fornecer esse backup crítico/energia aumentada usando um supercapacitor avançado, como o Capacitor Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP™. O ENYCAP é um dispositivo de armazenamento híbrido, que armazena energia eletrostática e eletroquímica capaz de fornecer energia de backup. Com flexibilidade de tensão robusta de 1,4 V para células únicas até 8,4 V para múltiplas, o ENYCAP está disponível nas orientações radial (furo de passagem empilhado), montagem em superfície plana ou plana.

É polarizado com alta capacitância e oferece alta densidade de energia de 13Ws/g para minimizar o espaço ocupado. O capacitor também tem duração de até 1000 horas de funcionamento a 85°C sem manutenção ou serviço. Além disso, o 196 HVC ENYCAP não requer balanceamento de célula, o que é uma vantagem de economia de tempo em relação aos supercapacitores tradicionais, e contém um eletrólito que não traz risco. Ele também apresenta uma autodescarga menor quando comparado aos supercapacitores existentes no mercado.

O 196 HVC ENYCAP é mais do que um capacitor tradicional adequado para coleta de energia. É um capacitor de armazenamento de energia híbrido, um sistema de backup para aplicações como sistemas miniaturizados, controladores de memória, SRAM/DRAM, proteção de cache, PC/controles industriais e luzes de emergência e fontes de energia micro UPS.

O ENYCAP pode fornecer até 2mA de potência de coleta de energia solar com perda ultrabaixa no aplicação do sensor IoT descrito acima. Este nível de desempenho minimiza a corrente reversa para melhorar o desempenho e a eficiência.

Conclusão

À luz da crescente participação de mercado de energia solar renovável em eletrônicos de consumo e industriais, os fabricantes de dispositivos devem garantir que seus produtos ofereçam consistentemente alto desempenho. Além disso, os projetistas precisam considerar a variabilidade da energia renovável, bem como seu principal benefício de fornecimento gratuito e quase infinito. A incorporação de um capacitador de coleta de energia como o capacitor de armazenamento híbrido Vishay 196 HVC ENYCAP fornece uma solução de armazenamento híbrido de alto desempenho e backup de células solares.

Artigo escrito por Adam Kimmel e publicado no blog da Mouser Electronics: Hybrid Energy Storage Device as Backup to Solar Cells

Traduzido por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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