Immagine di Jeremy Cook
Le luci che si accendono automaticamente di notte stanno diventando sempre più di uso comune e spesso dispongono di capacità autonome di acquisizione e accumulo di energia. In questa categoria possono essere classificate sia le luci paesaggistiche che le decorazioni da giardino e l'illuminazione di sicurezza: ovunque si desideri illuminare senza cavi.
Un pannello solare in genere carica una batteria che alimenta una luce LED. Un controller di carica garantisce che il pannello solare carichi correttamente la batteria e un circuito di driver LED CC-CC collega la batteria alla luce. Un sensore luce d'ambiente avvisa il sistema quando è sufficientemente buio da accendere la luce e spegnerla quando sorge il sole.
I progressi nella cattura dell'energia dei pannelli solari, nell'accumulo delle batterie e nell'efficacia dei LED, combinati con la riduzione dei costi in tutti e tre, consentono versioni sempre più potenti ed economiche di questi prodotti. Mentre una volta le luci a energia solare illuminavano debolmente un percorso per alcune ore, ora possono illuminarlo completamente per l'intera notte.
Poiché l'accumulo di energia dei supercondensatori è aumentato e i costi sono diminuiti, vediamo che ora vengono utilizzati come valide alternative alle batterie in determinate applicazioni (principalmente in applicazioni a scarica rapida/elevata). Offrono vantaggi nel mantenimento della capacità di immagazzinamento durante i cicli di carica/scarica e possono caricarsi e scaricarsi più velocemente di molte tecnologie di batterie. In questo articolo si dimostrano questi concetti su piccola scala creando un circuito di illuminazione a microcontroller ATtiny con supercondensatore alimentato a energia solare che si attiva quando è buio.
Sulla base di questa piccola dimostrazione si potrebbero sviluppare i sistemi IoT. Si potrebbe sostituire l'ATtiny45V qui utilizzato con un ESP32 o un altro dispositivo con funzionalità wireless, utilizzando potenzialmente anche componenti aggiuntivi come un controller di carica o un driver LED CC-CC. Questi componenti aggiuntivi potrebbero abilitare funzionalità IoT di base per un'interfaccia utente, la coordinazione dei colori e l'impostazione della scena oppure per impostare l'accensione automatica delle luci.
L'accumulo di energia del supercondensatore solare agisce come interruttore di accensione al buio
Immagine di Jeremy Cook
Nell'articolo precedente abbiamo esaminato l'utilizzo di un LDR per rilevare la luce esterna. Con l'aggiunta di un diodo e di un transistor PNP BJT, un pannello solare può caricare supercondensatori (o una batteria) o essere utilizzato come interruttore per un LED o un microcontroller. L'illuminazione paesaggistica e di sicurezza utilizza questo tipo di configurazione di carica/commutazione.
Nel circuito mostrato di seguito viene utilizzata una cella fotovoltaica (PV), idealmente classificata per 5,5 V, anche se può variare, per inviare energia a un banco di due supercondensatori identici da 10 F e 2,7 V attraverso un diodo. Questi supercondensatori collegati in serie hanno un potenziale combinato di 5,4 V e una capacità di 5 F. Il diodo implica che la corrente può fluire nei condensatori solo dal sistema fotovoltaico, ma può uscire dai condensatori attraverso il transistor per alimentare il circuito ATtiny/LED.
Quando la tensione del pannello (e quindi il livello di luce) raggiunge il valore massimo, carica la batteria del supercondensatore fino a questo valore massimo, meno la caduta di tensione del diodo. Quando la tensione di uscita del pannello scende al di sotto della soglia di tensione del sistema, i supercondensatori (e l'emettitore) sono sufficientemente positivi rispetto ai pannelli (e alla base), consentendo alla corrente di fluire dalla base e accendere il transistor.
Con il transistor attivato, la corrente può anche fluire dall'emettitore al collettore e quindi alimentare l'ATtiny45 e i LED. La cella solare, in combinazione con i supercondensatori, il diodo e il transistor PNP (2N3906), funge sia da sensore che da apparecchio di ricarica.
Il codice del progetto si trova qui. Maggiori informazioni sulla programmazione dell'ATtiny sono disponibili in questo tutorial, sebbene venga utilizzato l'IDE Arduino 1.x. Se si utilizza il nuovo IDE 2.x, consigliamo di selezionare ATtiny45 come processore e caricare utilizzando il programmatore, come mostrato di seguito.
Design efficiente con supercondensatori
A differenza delle batterie LiPo, i supercondensatori possono essere caricati praticamente a qualsiasi velocità e scaricati completamente senza problemi. Non è necessario preoccuparsi dei circuiti di gestione della carica della batteria o delle relative perdite. L'efficienza è particolarmente importante per le applicazioni a energia solare. Ridurre alcuni componenti in questa semplice applicazione può significare un notevole risparmio economico e di efficienza in termini di percentuale.
L'ATtiny45V, invece, può funzionare tra 1,8 V e 5,5 V, un valore quasi perfetto per l'intervallo di tensioni fornito dai supercondensatori. Come mostrato nella figura 22-4 nella scheda tecnica dell'ATtiny25/45/85, l'utilizzo di corrente varia a seconda del livello di tensione in entrata, ma sarà inferiore a un singolo milliampere per la maggior parte del tempo in cui i LED sono attivi. Poiché i LED consumano nell'ordine dei 20 mA, l'utilizzo dell'ATtiny45V per accenderli e spegnerli dovrebbe effettivamente consentire di risparmiare energia rispetto all'avere i LED sempre accesi.
Ciò che viene presentato qui è un prototipo e il suo funzionamento potrebbe essere ulteriormente ottimizzato. Si potrebbe prendere in considerazione l'utilizzo di un MOSFET a canale P anziché un transistor PNP BJT o di modificare i valori del resistore utilizzato nel circuito. Si potrebbe utilizzare il PWM per attenuare la luminosità di ciascun LED, potenzialmente anche compensando i diversi livelli di carica. Infine, sull'ATtiny45 potrebbero essere implementate varie metodologie a basso consumo per risparmiare energia.
Un ulteriore passo avanti nell'accumulo di energia tramite supercondensatori
Come esempio reale di energia remota tramite energia solare, la We Care Solar Suitcase fornisce energia per l'illuminazione e la ricarica del telefono per cliniche remote in un pacchetto portatile. Questo tipo di pacchetto di alimentazione portatile potrebbe anche fungere da hotspot wireless, consentendo la comunicazione con personale medico remoto e persino il monitoraggio della telemetria del dispositivo (ad esempio, durata della batteria, stato degli strumenti, utilizzo dei materiali di consumo). Un pannello di controllo potrebbe anche mostrare lo stato e la posizione delle valigie solari nell'area, consentendo una migliore distribuzione delle risorse durante un'emergenza.
Sebbene l'energia solare su piccola scala non sia adatta a ogni situazione, ha un'ampia gamma di usi pratici. È anche una tecnologia molto accessibile, che consente ai progettisti di sperimentare la generazione di energia dal cielo e l'accumulo di energia. Con l'aggiunta della connettività wireless e dei concetti IoT, le possibilità saranno infinite!
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