Aurinkosähkö pienelektroniikassa : laitesuunnittelu ja aurinkopaneelin mitoittaminen

Abstract

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin ja kehitettiin aurinkosähköllä toimivia elektroniikkalaitteita. Työssä käsiteltiin aurinkopaneelin mitoitukseen vaikuttavia tekijöitä, aurinkosähkön regulointia ja rakennettiin prototyyppejä aurinkopaneelia teholähteenä käyttävistä laitteista. Opinnäytetyön tarkoitus oli määrittää raja-arvot aurinkopaneelin mitoitukseen ja rakentaa toimivat prototyypit aurinkovoimaa käyttävistä pienelektroniikkalaitteista. Sääolojen vaihtelut vaativat aurinkopaneelin tehon ylimitoitusta, jotta se voi tuottaa tarpeeksi tehoa optimiolosuhteiden ulkopuolella. Pilvet ja auringon säteilykulman pienentyminen vaimentavat auringosta saatavaa säteilytehoa. Säteilyn vaimentumisen määrittämiseen käytettiin pilville tehtyjä meteorologisia tutkimustuloksia uv-säteilystä. Työssä suunniteltuihin elektroniikkalaitteisiin kuuluivat hakkuritekniikalla toteutettu 12 V:n jänniteregulaattori, matkapuhelimen latauslaite, AA-akkujen latauslaite, ladattava akuilla toimiva matkapuhelimen latauslaite ja kaksi erilaista aktiivikaiutinta. Jänniteregulaattorille ja ladattavalle matkapuhelinlaturille suunniteltiin piirilevyt, ja muut laitteet rakennettiin reikälevylle. Kaikki työn prototyypit saatiin toimimaan. Aurinkopaneelin jänniteregulaattorilla saavutettiin 90 %:n hyötysuhde. Matkapuhelinlaturi toimi usean valmistajan älypuhelimen yhtäaikaisessa latauksessa. Aurinkopaneelin maksimimitoitustarpeen todettiin olevan noin nelinkertainen kuormalaitteen tarvitsemaan tehoon verrattuna. Vaadittu toiminta-alue, paneelin hinta ja koko ratkaisevat lopullisen ylimitoituksen. Aurinkopaneelin mitoitukseen ei saatu tarkkoja raja-arvoja käytettyjen tutkimustulosten luonteen takia, joten tutkimusta sääolojen vaikutuksesta piipohjaisten aurinkokennojen tehontuottoon voisi vielä jatkaa. Opinnäytetyön tulokset osoittavat että oikein mitoitetut aurinkopaneelit soveltuvat yksinään pienelektroniikan teholähteiksi, ja että korkeiden hyötysuhteiden saavuttaminen on mahdollista.

The purpose of this bachelor's thesis was to study and develop electronic devices powered by photovoltaic systems. The work consisted of determining the factors for measuring a solar panel for a known load, regulation of solar panel, and designing and building electronic devices which can be solely powered by a solar panel. The changes in weather conditions require over-measuring the power of a solar panel, for it to be able to produce enough electricity outside of optimal conditions. Clouds, and the decreasing angle between the sun and the horizon, both attenuate the solar radiation which reaches the ground. Meteorological studies of clouds and UV radiation were used to determine the factors for the total attenuation. The electronic devices designed in this thesis consisted of a 12 V switching regulator, mobile phone charger, AA battery charger, chargeable mobile phone charger, and two different active speakers. Printed circuit boards were designed for the voltage regulator and chargeable phone charger, and the rest of the devices were built on a breadboard. All the prototype devices worked as planned. An efficiency of 90 % was achieved with the voltage regulator. The mobile phone charger worked with different smart phone models of several manufacturers. The maximal over-measuring factor for the solar panel was determined to be about four times the power of what is needed for the load. Exact limit values for the measuring of a solar panel could not be determined with certainty, due to the nature of the research data that was used. Therefore, the study on the effects of weather on silicon based photovoltaic cells could be continued. The results of this thesis show that correctly measured solar panels can be used as the sole power supplies of small electronic devices, and that it is possible to achieve high efficiencies.