이미지: Jeremy Cook
밤에 자동으로 켜지는 조명이 점점 인기를 얻고 있으며, 이러한 조명은 자체 에너지 포집 및 에너지 저장 기능을 포함하는 경우가 많습니다. 조경 조명, 마당 장식 및 보안 조명 모두 이 범주에 속할 수 있습니다. 전선을 연결하지 않고도 원하는 모든 곳에서 조명을 사용할 수 있는 형태입니다.
태양광 패널은 일반적으로 LED 조명에 전원을 공급하는 배터리를 충전합니다. 충전 컨트롤러는 태양광 패널이 배터리를 적절하게 충전하도록 하고, DC-DC LED 드라이버 회로는 배터리를 조명에 연결합니다. 주위 조명 센서는 조명을 켜야 할 정도로 어두워지면 시스템에 경고를 보내고, 해가 뜨면 조명을 다시 끄도록 합니다.
태양광 패널 에너지 포집, 배터리 저장 및 LED 효율의 발전과 세 가지 모두의 비용 절감이 결합되면서 이러한 제품의 성능과 비용 효율성이 한층 더 높은 버전이 가능해졌습니다. 태양광 발전 조명은 한때 몇 시간 동안 길을 어둑하게 비추는 수준이었지만 이제는 밤새 매우 밝게 비출 수 있습니다.
슈퍼커패시터의 에너지 저장량이 증가하고 비용이 감소함에 따라 이러한 슈퍼커패시터가 특정 응용 분야(주로 고속/고방전 응용 분야)에서 배터리에 대한 유효한 대안으로 사용되고 있습니다. 충전/방전 주기 동안 저장 용량을 유지하는 데 이점이 있으며, 여러 배터리 기술에 비해 더 빠르게 충전 및 방전할 수 있습니다. 이 문서에서는 어두울 때 활성화되는 태양광 구동 슈퍼커패시터 ATtiny 마이크로컨트롤러 조명 회로를 구축하여 이러한 개념을 소규모로 시연합니다.
이 소규모 데모에서는 IoT 시스템으로 분기할 수 있습니다. 여기에서 사용된 ATtiny45V의 ESP32 또는 기타 무선 지원 기기는 대체할 수 있습니다. 이때 잠재적으로 충전 컨트롤러나 DC-DC LED 드라이버와 같은 추가 구성 요소를 사용합니다. 이러한 구성 요소 추가를 통해 사용자 인터페이스, 색상 조정 및 장면 설정을 위한 기본 IoT 기능을 활성화하거나 조명이 자동으로 켜지도록 설정할 수 있습니다.
암전 스위치 역할을 하는 태양광 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치
이미지: Jeremy Cook
이 이전 문서에서는 LDR을 사용하여 외부 빛을 감지하는 방법을 살펴보았습니다. 태양광 패널은 다이오드와 PNP BJT 트랜지스터를 추가하면 슈퍼커패시터(또는 배터리)를 충전하거나 LED 또는 마이크로컨트롤러용 스위치로 사용할 수 있습니다. 조경 및 보안 조명에서 이러한 유형의 충전/스위치 설정을 사용합니다.
아래 다이어그램의 회로는 다이오드를 통해 두 개의 동일한 10F, 2.7V 슈퍼커패시터 뱅크에 전력을 전송하기 위해 광전지(PV)(이상적으로 정격 5.5V, 정격은 다를 수 있음)를 사용합니다. 이처럼 직렬 연결된 슈퍼커패시터는 결합 전위가 5.4V, 정전용량이 5F입니다. 다이오드는 전류가 PV에서 커패시터로만 흐를 수 있지만 ATtiny/LED 회로에 전력을 공급하기 위해 트랜지스터를 통해 커패시터에서 나갈 수 있음을 의미합니다.
패널 전압(및 조명 수준)이 최대값에 도달하면 다이오드의 전압 강하를 뺀 최대값까지 슈퍼커패시터 배터리를 충전합니다. 패널 출력이 시스템의 전압 임계값 아래로 떨어지면 슈퍼커패시터(및 이미터)는 패널(및 베이스)에 대해 충분히 양극이 되고, 이에 따라 베이스에서 전류가 흘러 트랜지스터를 켤 수 있습니다.
트랜지스터가 활성화되면 전류가 이미터에서 컬렉터로 흘러 ATtiny45와 LED에 전력을 공급할 수도 있습니다. 태양광 전지를 슈퍼커패시터, 다이오드 및 (2N3906) PNP 트랜지스터와 함께 사용하면 전지가 센서와 충전 장치 역할을 모두 수행합니다.
프로젝트 코드는 여기에서 확인할 수 있습니다. ATtiny 프로그래밍에 대한 자세한 내용은 이 자습서를 통해 확인할 수 있습니다. 단, 여기에서는 Arduino 1.x IDE를 사용합니다. 최신 2.x IDE를 사용하는 경우 아래와 같이 ATtiny45를 프로세서로 선택하고 프로그래머를 사용하여 업로드하십시오.
슈퍼커패시터를 사용한 효율적인 설계
LiPo 배터리와 달리 슈퍼커패시터는 거의 모든 속도로 충전할 수 있으며 문제 없이 완전히 방전될 수 있습니다. 배터리 충전 관리 회로가 필요하지 않으며 그에 따른 손실 또한 발생하지 않습니다. 태양광 발전 응용 분야에서는 효율성이 특히 중요합니다. 이 간단한 응용 분야에서 몇 가지 구성 요소를 줄일 수 있다면 백분율 기준으로 상당한 금전적 및 효율성 절감을 의미할 수 있습니다.
ATtiny45V는 1.8~5.5V 사이에서 작동할 수 있는데, 이는 슈퍼커패시터가 제공하는 전압 범위에 거의 완벽합니다. ATtiny25/45/85 데이터시트의 그림 22-4에서 볼 수 있듯이 전류 사용량은 입력 전압 레벨에 따라 다르지만 LED가 활성화되는 대부분의 시간 동안 1밀리암페어 미만입니다. LED의 소비량은 20mA 범위에 속하므로 ATtiny45V를 사용하여 LED가 깜박이도록 하면 LED를 항상 켜 두는 것에 비해 실제로 전력이 절약됩니다.
여기에 제시된 것은 프로토타입이며, 그 작동은 더욱 최적화될 수 있습니다. PNP BJT 트랜지스터 대신 P 채널 MOSFET을 사용하거나 회로에 사용되는 저항기 값을 수정하는 것을 고려할 수 있습니다. PWM을 사용하여 각 LED의 밝기를 낮출 수 있으며, 이 방식을 통해 상이한 충전 수준을 잠재적으로 보상할 수도 있습니다. 마지막으로 ATtiny45에서는 다양한 저전력 방법론을 구현하여 전력을 절약할 수 있습니다.
슈퍼커패시터 에너지 저장의 더 큰 발전
태양광을 통한 원격 전력의 실제 사례에 해당하는 We Care 태양광 여행 가방은 휴대용 패키지 형태로 원격 진료소를 위한 조명 및 전화 충전용 전원을 공급해 줍니다. 이러한 유형의 휴대용 전원 패키지는 무선 핫스팟 역할도 할 수 있어 원격 의료진과의 통신은 물론 기기 원격 측정 모니터링(예: 배터리 수명, 도구 상태, 소모품 사용)도 가능합니다. 또한 대시보드에는 해당 지역 내 태양광 여행 가방의 상태와 위치가 표시되어 비상시 자원 분배를 한층 강화할 수 있습니다.
소규모 태양광 발전이 모든 상황에 적합한 것은 아니지만, 광범위한 실제 용도가 분명히 존재합니다. 또한 매우 접근하기 쉬운 기술이므로 설계자가 태양빛으로 전력을 생성하고 에너지 저장을 실험할 수 있습니다. 여기에 무선 연결과 IoT 개념까지 추가하면 사실상 날씨 외에 한계가 없다고 할 수 있습니다.
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