Imagen de Jeremy Cook
Las luces que se encienden de manera automática en la noche son cada vez más populares y, normalmente, tienen su propia capacidad de captura y almacenamiento de energía. Tanto las luces de paisajismo, las decoraciones de jardín, como la iluminación de seguridad, se pueden clasificar en esta categoría, en cualquier lugar donde desee iluminar sin cables.
Un panel solar normalmente carga una batería que alimenta a una luz LED. Un controlador de carga garantiza que el panel solar cargue correctamente la batería y un circuito controlador LED CC a CC conecta la batería a la luz. Un sensor de luz ambiente alerta al sistema cuando está lo suficientemente oscuro como para encender la luz y volver a apagarla cuando sale el sol.
Los avances en la captura de energía de los paneles solares, el almacenamiento de baterías y la eficacia de los LED, junto con reducciones de costos en los tres, permiten versiones cada vez más capaces y rentables de estos productos. Mientras que antes las luces alimentadas por energía solar iluminaban tenuemente un camino durante un par de horas, ahora pueden iluminarlo completamente durante toda la noche.
Ya que el almacenamiento de energía de los supercapacitores ha aumentado y los costos han disminuido, observamos que se utilizan como alternativas válidas a las baterías en ciertas aplicaciones (principalmente aplicaciones de descarga rápida/alta). Ofrecen beneficios para mantener la capacidad de almacenamiento durante los ciclos de carga y descarga, y se pueden cargar y descargar más rápido que muchas tecnologías de baterías. Este artículo demuestra estos conceptos a pequeña escala mediante la creación de un circuito de iluminación con microcontrolador ATtiny con supercapacitor alimentado por energía solar que se activa cuando está oscuro.
A partir de esta pequeña demostración, uno podría pasar a sistemas con IoT. Sería posible sustituir un ESP32 u otro dispositivo con capacidad inalámbrica por el ATtiny45V que se utiliza aquí, mediante la utilización potencial de componentes adicionales como un controlador de carga o un controlador LED CC a CC. Estas adiciones podrían habilitar la funcionalidad básica de la IoT para una interfaz de usuario, coordinación de colores y configuración de escenas, o para configurar luces para que se enciendan de manera automática.
El almacenamiento de energía del supercapacitor solar actúa como un conmutador que se enciende con la oscuridad
Imagen de Jeremy Cook
En este artículo anterior, exploramos el uso de un LDR para detectar la luz externa. Con la adición de un diodo y un transistor PNP BJT, un panel solar puede cargar supercapacitores (o una batería), o se puede usar como conmutador para un LED o microcontrolador. La iluminación de paisajismo y de seguridad usa este tipo de configuración de carga o conmutador.
El circuito que se muestra a continuación usa una celda fotovoltaica (PV, por sus siglas en inglés), idealmente clasificada para 5,5 V, aunque esto puede variar, para enviar energía a un banco de dos supercapacitores de 10 F y 2,7 V idénticos a través de un diodo. Estos supercapacitores conectados en serie tienen un potencial combinado de 5,4 V y una capacitancia de 5 F. El diodo significa que la corriente solo puede fluir hacia los capacitores desde el sistema fotovoltaico, pero puede salir de los capacitores por el transistor para alimentar el circuito ATtiny/LED.
Cuando la tensión del panel (y por lo tanto, el nivel de luz) alcanza un valor máximo, carga la batería del supercapacitor hasta este máximo, menos la caída de tensión del diodo. Cuando la salida del panel cae por debajo del umbral de tensión del sistema, los supercapacitores (y el emisor) son suficientemente positivos con respecto a los paneles (y la base), lo que permite que la corriente fluya desde la base y encienda el transistor.
Con el transistor activado, la corriente también puede fluir del emisor al colector y así alimentar el ATtiny45 y los LED. La celda solar, junto con los supercapacitores, el diodo, y (2N3906) el transistor PNP, actúa como sensor y aparato de carga.
El código del proyecto se encuentra aquí. Más información sobre la programación del ATtiny se encuentra disponible en este tutorial, aunque usa el IDE Arduino 1.x. Si usa el IDE 2.x más nuevo, deseará seleccionar ATtiny45 como su procesador y Cargar usando el programador, como se muestra a continuación.
Diseño eficaz con supercapacitores
A diferencia de las baterías LiPo, los supercapacitores se pueden cargar prácticamente a cualquier velocidad y descargar por completo sin problemas. No hay necesidad de preocuparse por circuitos de gestión de carga de la batería ni de las pérdidas respectivas. La eficacia es muy importante para las aplicaciones de energía solar. Reducir algunos componentes en esta sencilla aplicación puede significar considerables ahorros monetarios y de eficacia en términos porcentuales.
El ATtiny45V, por su parte, puede funcionar entre 1,8 V y 5,5 V, lo que es prácticamente perfecto para el rango de tensiones que proporcionan los supercapacitores. Como se ve en la Figura 22-4 en la hoja de datos de ATtiny25/45/85, el uso actual varía según el nivel de tensión de entrada, pero será inferior a un solo miliamperio durante la mayor parte del tiempo que los LED estén activos. Como los LED consumen algo en el rango de 20 mA, usar el ATtiny45V para encenderlos y apagarlos debiera ahorrar energía en comparación con tener los LED encendidos en todo momento.
Lo que aquí se presenta es un prototipo y su funcionamiento podría optimizarse aún más. Podría considerar usar un MOSFET de canal P en lugar de un transistor PNP BJT o modificar los valores de resistencia que se usan en el circuito. PWM se podría usar para atenuar el brillo de cada LED, potencialmente incluso al compensar diferentes niveles de carga. Finalmente, se podrían implementar varias metodologías de baja potencia en el ATtiny45 para ahorrar energía.
Llevamos el almacenamiento de energía de supercapacitadores más allá
Como ejemplo del mundo real de energía remota a través de energía solar, el We Care Solar Suitcase proporciona energía para iluminación y carga de teléfonos para clínicas remotas en un paquete portátil. Este tipo de paquete de potencia portátil también podría actuar como un punto de acceso inalámbrico, lo que permite la comunicación con personal médico remoto e incluso el monitoreo de telemetría del dispositivo (p. ej., la duración de la batería, el estado de las herramientas, el uso de insumos). Un tablero de mando también podría mostrar el estado y la ubicación de las maletas solares en el área, lo que permitiría una mejor distribución de recursos durante una emergencia.
Si bien la energía solar a pequeña escala no es apropiada para todas las situaciones, tiene una amplia gama de usos prácticos. También es una tecnología muy accesible, lo que permite a los diseñadores experimentar con la generación de energía desde el cielo y el almacenamiento de energía. Agregue conectividad inalámbrica y conceptos de IoT, ¡y el cielo será el límite!
Ver Productos relacionados
Ver Productos relacionados
