Měniče pro fotovoltaické panely

V posledních letech lze pozorovat rostoucí zájem o „zelenou energii”. Množí se četné aplikace umožňující získávat energii z volně dostupných zdrojů, mezi kterými se největší oblibě těší instalace fotovoltaických panelů. Jejich ceny se staly natolik přístupné, že jsou s oblibou instalovány i na zahrádkách. Při stavbě instalace tohoto typu je třeba si uvědomit specifikum zdroje energie, jakým je fotovoltaický panel nebo větrná turbína. A také mít na paměti výzvy, které stojí před tvůrci zařízení napájených z takových zdrojů.

Fotovoltaický panel je jako zdroj energie velmi náladový, protože výkon elektrického proudu získávaného z panelu závisí na intenzitě dopadajícího světla. A to není všechno: důležitým faktorem zůstává také zatěžovací proud. Jako uživatelé takového zdroje energie nejsme schopni ve většině případů zaručit ani stabilní osvětlení, ani stabilní zátěž. Panely se obvykle instalují napevno – málo kdy na otočné stojany, které sledují slunce. To způsobuje, že sluneční světlo dopadá na povrch panelu pod různým úhlem. Kromě toho může být slunce zastíněno mraky. Podobně zatížení nemá konstantní charakter, ale mění se v závislosti na potřebách uživatelů elektrické sítě. Při takových podmínkách užívání se rovněž napětí na svorkách panelu bude měnit v širokém rozmezí.

Obr. 1. AM5W-60005S-NZ-ST, převodník: DC/DC; 5 W; U_vst: 100÷1 000 V; 5 V DC; I_výst: 1 A

Uživatel elektrické sítě obvykle očekává, že napětí v ní je stabilní a není třeba se zatěžovat fluktuacemi. Je-li, například, použito napětí 12 V DC, očekává se, že jeho změny budou spíše nevelké, nejvíce 2 až 3 % nominální hodnoty. Jak bylo uvedeno, zdroje volně dostupné energie jsou zřídkakdy schopny zajistit takové podmínky napájení. Proto se jako zařízení-prostředníky mezi nimi a uživatelem používají patřičně zkonstruované měniče napětí.

Měniče spolupracující s obnovitelnými zdroji energie musejí mít příslušné parametry, přizpůsobené „vrtochům“ zdroje, jiné než „obyčejné“ měniče DC/DC určené k napájení a závislé na cílové aplikaci. K nejdůležitějším patří široký rozsah vstupního napětí, vhodný vstupní odpor a velké průrazné napětí mezi vstupem a výstupem, obvykle obnášející přinejmenším několik stovek voltů.

Poptávka po „zelené energii“ způsobila, že zařízení a výrobky určené k jejímu získávání vyrábí mnoho konkurenčních firem. Průměrného uživatele panelu zaujmou především hotové moduly typu plug & play připojované k panelům, avšak elektroniky-konstruktéry mohou zaujmout především moduly měničů určené k vestavbě do vlastního zařízení. Cílovými aplikacemi mohou být podsvětlené dopravní značky, monitorovací zařízení nebo obvody pracující v sítích IoT. Mezi výrobky pro takové použití lze vyzdvihnout produkty kanadské firmy Aimtec, které se těší uznání konstruktérů po celém světě.

Aimtec je globální společnost zabývající se návrhem a výrobou modulových systémů napájení AC/DC a DC/DC, včetně napájecích zdrojů pro LED. Globální sídlo společnosti se nachází v Montrealu, ale společnost má také četné kanceláře v Evropě a Asii. Výrobky Aimtecu jsou ceněny jak za unikátní opce, tak i pro poměr kvality k ceně.

Obr. 2. AM10W-60009S-NZ, převodník: DC/DC; 10 W; U_vst: 100÷1 000 V; 9 V DC; I_výst: 1,11 A

Měniče pro fotovoltaické panely

Měniče pro fotovoltaické panely, které vyrábí Aimtec, zaujmou především konstruktéry zařízení napájených stejnosměrným napětím od 5 do 48 V DC. Nic však nepřekáží tomu, aby se takovým napětím nabíjela baterie akumulátorů, z níž se pomocí dalšího měniče bude získávat napětí 230 V AC, to ale za cenu značné ztráty účinnosti napájecího zdroje.

V souvislosti s tím, že napětí, které je na svorkách fotovoltaických panelů a generátorů poháněných větrnou energií, má podobné parametry, doporučuje firma řadu svých výrobků pro spolupráci s oběma druhy zdrojů energie. Je zde řeč o rodině měničů AM5W… AM200W, u nichž číslo za předponou AM určuje maximální stálý výkon napájení, které je k dispozici na výstupu. Dále, v souladu s nomenklaturou výrobce, se uvádějí: nominální vstupní napětí, výstupní napětí a typ pouzdra. Například označení AM15W-60015S-NZ znamená měnič s výkonem 15 W, výstupním napětí 15 V DC, nominálním vstupním napětí 600 V DC, v pouzdru určeném k zapájení do plošného spoje. Kromě pouzder tohoto typu se nabízejí rovněž moduly se šroubovými svorkami, vnější pojistkou a filtrem EMC (-ST), pro montáž na lištu TH/TS35 s pojistkou a filtrem EMC (-STD, -STS) nebo bez pojistky (-STF). Pro podrobnosti označení stojí za to sáhnout po katalogových listech dostupných na internetové stránce výrobce nebo distributora, firmy TME.

Obr. 3. AM40W-80012S-NZ, převodník: DC/DC; 40 W; U_vst: 200÷1 500 V; 12 V DC; I_výst: 3,33 A

Největšímu zájmu uživatelů OEM se těší měniče s výkonem v rozmezí od 5 do 40 W, v pouzdru s rozměry 70 × 48 × 23,5 mm, určeném k zapájení do plošného spoje. Je velmi důležité, že měniče nabízené v rámci této rodiny jsou umístěny v pouzdrech stejných rozměrů a jsou kompatibilní s ohledem na rozmístění vývodů, což dovoluje snadné rozšíření funkčnosti zdroje napájení beze změny plošného spoje. Měniče s větším výkonem, to je 45 a 200 W, mají kryt typu open frame a připojují se ke spolupracujícím obvodům pomocí šroubových svorek, což ocení montéři a opraváři. Stojí za připomenutí, že rovněž měniče s menším výkonem (o nichž byla zmínka dříve) se nabízejí ve variantě pro montáž mimo plošný spoj, s pojistkou, s filtrem EMC a se šroubovými svorkami.

Nominální vstupní napětí závisí na typu, je od 200 do 1 500 V DC a jeho rozmezí je velmi široké, až 10:1. Výstupní napětí je neměnné, nastavované výrobcem v průběhu výroby. Největší výběr variant je v rámci řady měničů s výkonem do 40 W. Mezi nimi jsou nabízeny měniče s výstupním napětím 5, 9, 12, 15 nebo 24 V DC. Měnič s výkonem 45 W má dva patnáctivoltové výstupy, dvěstěwattový měnič pak dodává napětí 24 V DC nebo 48 V DC. Všechny se mohou používat při teplotě okolí od –40 do +70 °C bez zhoršení parametrů. Nejvyšší energetická účinnost je kolem 80 %, což se při aplikaci projeví nevelkými ztrátami výkonu a tím, že není třeba použít nucené chlazení.

Všechny představované výrobky splňují přísné nároky bezpečnostních norem pro zařízení spolupracující s fotovoltaickými panely. Mají certifikát CSA (CSA-C22.2 No.107.1-01), UL (1741), značku CE vydanou v souladu s evropskými normami (jejich podrobný seznam je dostupný v katalogovém listu každého měniče). Standardní možnosti ochran zahrnují ochranu proti přepětí (OVP) a zkratu na výstupu (CSP), přehřátí (OCP) a proti přepólováním napájecího napětí (RPP) .

Obr. 4. AM40W-80024SNZ-ST, převodník: DC/DC; 40 W; U_vst: 200÷1 500 V; 24 V DC; I_výst: 1,67 A

Pro start měniče není vyžadována minimální zátěž a vlastní uvedení do provozu bez zátěže proběhne v čase kratším než 1 sekunda. Typické průrazné napětí mezi vstupem a výstupem je u většiny měničů 4 kV.

Základní parametry měničů z popisované řady jsou uvedeny v tabulce. Pro podrobné popisy parametrů je třeba sáhnout do katalogových listů.

https://www.tme.eu/cz/katalog/menice-dc-dc_100320/