Image de Jeremy Cook
Les lampes qui s’allument automatiquement la nuit sont de plus en plus populaires et contiennent souvent leurs propres capacités de captage et de stockage de l’énergie. Les éclairages paysagers, les décorations de jardin et les éclairages de sécurité peuvent tous entrer dans cette catégorie - partout où vous souhaitez obtenir de la lumière sans avoir à poser de câbles.
Un panneau solaire charge généralement une batterie qui alimente une lampe LED. Un contrôleur de charge veille à ce que le panneau solaire charge correctement la batterie, et un circuit d’attaque CC-CC LED connecte la batterie à la lampe. Un capteur de lumière ambiante avertit le système lorsqu’il fait suffisamment sombre pour allumer la lumière et l’éteindre lorsque le soleil se lève.
Les progrès réalisés dans le domaine du captage de l’énergie des panneaux solaires, du stockage des batteries et de l’efficacité des LED, combinés à la réduction des coûts dans ces trois domaines, permettent d’obtenir des versions de plus en plus performantes et rentables de ces produits. Alors que les lampes solaires n’éclairaient que faiblement un sentier pendant quelques heures, elles peuvent désormais l’éclairer complètement pendant toute la nuit.
Avec l’augmentation du stockage d’énergie des supercondensateurs et la baisse de leur coût, ils deviennent des alternatives valables aux batteries dans certaines applications (principalement les applications à décharge rapide/élevée). Elles offrent l’avantage de maintenir la capacité de stockage au cours des cycles de charge/décharge et peuvent se charger et se décharger plus rapidement que de nombreuses technologies de batteries. Cet article démontre ces concepts à petite échelle en construisant un circuit d’éclairage à supercondensateur ATtiny microcontrôleur alimenté par l’énergie solaire qui s’active lorsqu’il fait sombre.
À partir de cette petite démonstration, il est possible de passer aux systèmes IoT. Il serait possible de remplacer l’ATtiny45V utilisé ici par un ESP32 ou un autre dispositif sans fil, en utilisant éventuellement des composants supplémentaires tels qu’un contrôleur de charge ou un pilote de LED DC-DC. Ces ajouts pourraient permettre une fonctionnalité IoT de base pour une interface utilisateur, la coordination des couleurs et le réglage des scènes, ou encore l’allumage automatique des lumières.
Le stockage d’énergie par supercondensateur solaire fonctionne comme un interrupteur d’obscurité
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Dans cet article précédent, nous avons évoqué l’utilisation d’un LDR pour détecter la lumière externe. Avec l’ajout d’une diode et d’un transistor PNP BJT, un panneau solaire peut charger des supercondensateurs (ou une batterie) ou être utilisé en tant qu’interrupteur pour une LED ou un microcontrôleur. Les éclairages paysagers et de sécurité utilisent ce type de configuration charge/interrupteur.
Le circuit schématisé ci-dessous utilise une cellule photovoltaïque (PV), idéalement calibrée pour 5,5 V, même si cela peut varier, pour envoyer de l’énergie à une banque de deux supercondensateurs identiques de 10 F, 2,7 V, via une diode. Ces supercondensateurs connectés en série offrent un potentiel combiné de 5,4 V et une capacité de 5F. La diode signifie que le courant ne peut circuler vers les condensateurs qu’à partir du PV, mais qu’il peut sortir des condensateurs par le transistor pour alimenter le circuit ATtiny/LED.
Lorsque la tension du panneau (et donc le niveau de lumière) atteint un maximum, il charge la batterie du supercondensateur jusqu’à ce niveau maximum, moins la chute de tension de la diode. Lorsque la sortie du panneau passe en dessous du seuil de tension du système, les supercondensateurs (et l’émetteur) sont suffisamment positifs par rapport aux panneaux (et à la base), ce qui permet au courant de circuler à partir de la base et d’activer le transistor.
Lorsque le transistor est activé, le courant peut également circuler de l’émetteur au collecteur et ainsi alimenter l’ATtiny45 et les LED. La cellule solaire, associée aux supercondensateurs, à la diode et au transistor PNP (2N3906), sert à la fois de capteur et d’appareil de charge.
Le code du projet est disponible ici. Plus d’informations sur la programmation de l’ATtiny sont disponibles dans ce tutoriel, bien qu’il utilise l’IDE Arduino 1.x. Si vous utilisez l’IDE 2.x plus récent, vous devrez sélectionner l’ATtiny45 comme processeur et charger en utilisant le programmateur, comme indiqué ci-dessous.
Conception efficace avec des supercondensateurs
Contrairement aux batteries LiPo, les supercondensateurs peuvent être chargés à quasiment n’importe quelle vitesse et déchargés complètement sans problème. Nul besoin de circuit de gestion de la charge de la batterie et des pertes correspondantes. L’efficacité est particulièrement cruciale en ce qui concerne les applications d’énergie solaire. La réduction de quelques composants dans cette application simple peut se traduire par des économies considérables en termes d’argent et d’efficacité, en pourcentage.
L’ATtiny45V, quant à lui, peut fonctionner entre 1,8 V et 5,5 V, ce qui est presque parfait pour la gamme de tensions assurées par les supercondensateurs. Comme le montre la figure 22-4 de la fiche technique de l’ATtiny25/45/85, l’utilisation du courant varie en fonction du niveau de tension d’entrée, mais elle sera inférieure à un milliampère pendant la majeure partie du temps où les DEL sont actives. Comme les LEDs consomment environ 20 mA, l’utilisation de l’ATtiny45V pour les allumer et les éteindre devrait permettre d’économiser de l’énergie par rapport à des LEDs allumées en permanence.
Il s’agit d’un prototype, et son fonctionnement pourrait être encore optimisé. Vous pourriez envisager d’utiliser un MOSFET à canal P au lieu d’un transistor BJT PNP ou de changer les valeurs de résistance utilisées dans le circuit. La modulation de largeur d’impulsion (PWM) pourrait être utilisée pour atténuer la luminosité de chaque DEL, voire pour compenser les différents niveaux de charge. Enfin, diverses méthodologies de faible consommation pourraient être mises en œuvre sur l’ATtiny45 afin d’économiser de l’énergie.
Aller plus loin dans le stockage de l’énergie par supercondensateurs
Exemple concret d’alimentation à distance par l’énergie solaire, la valise solaire We Care fournit de l’énergie pour l’éclairage et le chargement des téléphones dans les cliniques éloignées, le tout dans un emballage portable. Ce type de bloc d’alimentation portable pourrait également servir de point d’accès sans fil, ce qui permettrait de communiquer avec le personnel médical à distance et même de contrôler la télémétrie de l’appareil (par exemple, la durée de vie de la batterie, l’état de l’outil, l’utilisation des fournitures). Un tableau de bord pourrait également indiquer l’état et l’emplacement des valises solaires dans la région, ce qui permettrait d’améliorer la distribution des ressources en cas d’urgence.
Bien que l’énergie solaire à petite échelle ne convienne pas à toutes les situations, elle a un large éventail d’utilisations pratiques. Il s’agit également d’une technologie très accessible, qui permet aux concepteurs d’expérimenter la production d’énergie à partir du ciel et le stockage de l’énergie. Ajoutez à cela la connectivité sans fil et les concepts IoT, et le ciel est sans limite !
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