ジェレミー・クックによる画像
夜間に自動的に点灯する照明はますます人気が高まっており、独自のエネルギー捕捉機能とエネルギー貯蔵機能を備えているものも多くあります。景観照明、庭の装飾、防犯照明はすべてこのカテゴリに分類されます。配線せずに照明が必要な場所であればどこでも使用できます。
ソーラーパネルは通常、LEDライトに電力を供給するバッテリーを充電します。充電コントローラはソーラーパネルがバッテリーを適切に充電することを保証し、DC-DC LEDドライバ回路はバッテリーをライトに接続します。周囲光センサーは、ライトをオンにするのに十分暗くなったときにシステムに警告し、太陽が昇るとライトを再びオフにします。
太陽光パネルのエネルギー捕捉、バッテリー貯蔵、LED効率の向上と、これら3つすべてにおけるコスト削減により、これらの製品の機能とコスト効率がさらに向上します。かつて太陽光発電のライトは、道を数時間薄暗く照らすだけでしたが、今では一晩中明るく照らすことができます。
スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵量が増加し、コストが下がったため、特定の用途（主に高速/高放電用途）では、バッテリーの有効な代替品としてスーパーキャパシタが使用されるようになっています。充電/放電サイクルにわたってストレージ容量を維持するという利点があり、多くのバッテリー技術よりも高速に充電および放電できます。この記事では、暗いときに作動する太陽光発電スーパーキャパシタATtinyマイクロコントローラ照明回路を構築することで、これらの概念を小規模で実証します。
この小さなデモから、 IoTシステムへと発展していくことができます。ここで使用されている ATtiny45V の代わりに、充電コントローラやDC-DC LEDドライバなどの追加コンポーネントを使用して、ESP32またはその他のワイヤレス対応デバイスを使用することもできます。これらの追加機能により、ユーザー インターフェイス、カラー調整、シーン設定、またはライトの自動点灯の設定など、基本的なIoT機能が有効になります。
太陽光発電スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵は暗時オンスイッチとして機能する
画像提供: Jeremy Cook
前回の記事では、LDRを使用して外部光を感知する方法について説明しました。ダイオードとPNP BJTトランジスタを追加することで、ソーラーパネルはスーパーキャパシタ (またはバッテリー) を充電したり、LEDやマイクロコントローラのスイッチとして使用したりできます。景観照明やセキュリティ照明では、このタイプの充電/スイッチ設定が使用されます。
下図の回路は、理想的な定格電圧は5.5Vですが変動する可能性のある太陽光発電セル (PV) を使用して、ダイオードを介して2つの同一の10F、2.7Vスーパーキャパシタのバンクに電力を送ります。これらの直列接続されたスーパーキャパシタは、合計電位が5.4V、静電容量が5Fです。ダイオードは、電流がPVからコンデンサにのみ流れ、トランジスタを介してコンデンサから出てATtiny/LED回路に電力を供給できることを意味します。
パネル電圧（つまり光レベル）が最大に達すると、ダイオードの電圧降下を差し引いた最大値までスーパーキャパシタ バッテリーが充電されます。パネル出力がシステムの電圧しきい値を下回ると、スーパーキャパシタ（およびエミッタ）はパネル（およびベース）に対して十分に正となり、ベースから電流が流れてトランジスタがオンになります。
トランジスタがアクティブになると、電流がエミッタからコレクタに流れ、ATtiny45とLEDに電力が供給されます。太陽電池は、 スーパーキャパシタ、 ダイオード、そして (2N3906) PNPトランジスタセンサーと充電装置の両方の役割を果たします。
の プロジェクトコードはここにあります。ATtinyのプログラミングに関する詳細情報は、 このチュートリアルを通じてただし、Arduino 1.x IDEを使用します。新しい2.x IDEを使用する場合は、プロセッサとしてATtiny45を選択し、 プログラマーを使用してアップロード以下のように表示されます。
スーパーキャパシタを使用した効率的な設計
LiPoバッテリーとは異なり、スーパーキャパシタは実質的に任意の速度で充電でき、問題なく完全に放電できます。バッテリー充電管理回路とそれに伴う損失は必要ありません。太陽光発電の用途では効率が特に重要です。このシンプルなアプリケーションでいくつかのコンポーネントを削減すると、割合ベースでかなりの金銭的および効率的な節約が可能になります。
一方、ATtiny45Vは1.8V ～ 5.5Vの範囲で動作することができ、これはスーパーキャパシタによって提供される電圧の範囲にほぼ最適です。ATtiny25/45/85データシートの図22-4に示されているように、電流使用量は入力電圧レベルによって異なりますが、LEDがアクティブな時間の大半は1ミリアンペア未満になります。LEDは20mA程度を消費するため、ATtiny45Vを使用してLEDを点滅させると、LEDを常時オンにしておく場合よりも実際に電力を節約できます。
ここで紹介しているのはプロトタイプであり、その動作はさらに最適化される可能性があります。PNP BJTトランジスタの代わりにPチャネルMOSFETを使用するか、回路で使用される抵抗値を変更することを検討してください。PWMを使用すると、各LEDの明るさを暗くすることができ、異なる充電レベルを補正することもできます。最後に、ATtiny45では電力を節約するためにさまざまな低電力手法を実装できます。
スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵をさらに進める
太陽光による遠隔地電力供給の実例として、 We Care Solar Suitcase は、ポータブルパッケージで遠隔地の診療所の照明や携帯電話の充電用の電力を供給します。このタイプのポータブル電源パッケージは、ワイヤレス ホットスポットとしても機能し、遠隔地の医療従事者との通信や、デバイスの遠隔測定監視 (バッテリー寿命、ツールの状態、消耗品の使用状況など) も可能になります。ダッシュボードには、エリア内のソーラースーツケースの状態と場所も表示され、緊急時にリソースの配分を強化できます。
小規模太陽光発電はあらゆる状況に適しているわけではありませんが、実用的には幅広い用途があります。これは非常に取り組みやすい技術でもあり、設計者は空からの発電やエネルギー貯蔵の実験を行うことができます。ワイヤレス接続とIoTコンセプトを追加すれば、可能性は無限大です。
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