Come costruire un alimentatore solare

Oggi è possibile acquistare per pochi euro dei piccoli pannelli solari fotovoltaici, come quelli usati per mantenere in carica la batteria dell’automobile. Noi possiamo utilizzarli per realizzare un alimentatore solare con batteria di riserva, utile per alimentare i nostri apparati outdoor senza necessità di portare la tensione di rete lontano dalla nostra casa, dove sarebbe scomodo e pericoloso. Ma come possiamo progettare e dimensionare il sistema? E quali batterie possiamo utilizzare? Lo scopriremo in questo articolo, che vi illustrerà i segreti di un impianto fotovoltaico “in miniatura” assai utile.  

Spesso, avere un alimentatore solare – ovvero fotovoltaico – può rivelarsi estremamente utile. Ad esempio, se avete realizzato una stazione meteorologica per monitorare continuamente la pioggia, la luce del giorno e la temperatura, poiché l’apparato è posizionato lontano da casa, è più conveniente utilizzare una batteria per fornirgli energia, piuttosto che adoperare una lunga e pericolosa prolunga.

Durante il giorno, la stazione meteorologica – o l’apparato che vi interessa alimentare – dovrebbe funzionare il più possibile con il pannello solare per evitare di consumare la batteria. E, anziché avere una persona che controlla occasionalmente i livelli della batteria e sostituisce le batterie, il circuito dovrebbe ricaricare il pacco batterie con l’energia solare in eccesso dal pannello solare.

Un alimentatore solare con batteria di riserva

La figura qui sotto mostra lo schema di un semplice circuito di alimentatore senza backup basato sui pannelli solari. Un pannello solare si trova sul lato sinistro dello schema. Un diodo (D1) protegge il dispositivo target da una tensione negativa nel caso in cui il pannello solare sia installato al contrario. Il diodo è di tipo Schottky (come l’1N5817), in modo da perdere pochissima tensione.

Schema di un semplice circuito basato su piccoli pannelli solari, come quelli che puoi trovare con un ottimo rapporto qualità/prezzo qui.

Il dispositivo stesso contiene i soliti circuiti di un alimentatore, come condensatori per stabilizzare la fonte di alimentazione e un regolatore di tensione per stabilire un livello di tensione utilizzabile da tutti i chip e altri componenti. Il problema con il funzionamento di un dispositivo alimentato solo da un pannello fotovoltaico è, naturalmente, che non riceve energia durante la notte.

E, infatti, a meno che il dispositivo non abbia un condensatore abbastanza grande, potrebbe spegnersi anche durante il giorno nel momento in cui una nuvola passa sopra il pannello solare. Per mantenere il dispositivo in funzione quando il sole non c’è o viene parzialmente a mancare, è possibile collegare una batteria in parallelo come fonte di alimentazione di backup, cioè di riserva.

Il diodo D2 ha lo stesso scopo di base del diodo D1, in quanto il dispositivo non sarà danneggiato se la batteria è installata al contrario. Tuttavia, il diodo impedisce alla batteria di ricevere energia dal pannello solare, poiché un diodo è una valvola unidirezionale. Pertanto, con questo tipo di circuito le pile o batterie non possono ricaricarsi con l’elettricità prodotta dalle celle fotovoltaiche.

Circuito schematico del pannello solare con batteria di riserva.

Un circuito solare che non è in grado di ricaricare la batteria è utile se si desidera installare batterie standard non ricaricabili come fonte di alimentazione di backup del dispositivo. Ad esempio, è possibile utilizzare questo circuito con pile AA alcaline. Le pile alcaline sono più economiche delle pile ricaricabili e durano più a lungo per un singolo utilizzo, come ad esempio un esperimento una tantum.

Quando il pannello solare riceve abbastanza luce, il dispositivo funziona interamente dal pannello solare. Supponiamo che il pannello solare fornisca 5 V, meno 0,1 V per la caduta di tensione del diodo, il che significa che su TP3 si avranno 4,9 V. Se il pacco batterie alcalino è composto da tre pile AA nuove, può arrivare a 1,6 V × 3 = 4,8 V. Che cosa implica in pratica tutto ciò?

Poiché il pacco batteria da 4,8 V è inferiore ai 4,9 V forniti dal pannello solare, l’energia non fluirà dal pacco batteria. La corrente scorre solo da una tensione superiore a una tensione inferiore. Pertanto, non viene utilizzata alcuna pila alcalina: quando c’è il sole l’elettricità viene fornita quasi esclusivamente dal pannello solare. Cosa succede, invece se pannello FV e batteria sono alla stessa tensione?

Vari tipi di piccole celle fotovoltaiche in vendita sul web, ad esempio qui.

In tal caso, entrambi le sorgenti di energia contribuiranno al funzionamento del dispositivo. Questo è un trucco per estendere la vita di un dispositivo con un pannello solare altrimenti sottodimensionato. Infine, quando il pannello solare non riceve abbastanza luce, la sua tensione scende al di sotto della tensione del pacco batteria. In tal caso, la batteria fornisce tutta la tensione attraverso D2.

In tutti i casi, non vi è alcuna transizione percepita dal dispositivo nel passaggio tra le fonti di alimentazione. Il dispositivo riceve sempre energia. Supponendo che il pannello solare abbia una capacità in eccesso in vari momenti (o perché il dispositivo target non sta consumando la sua potenza di picco o perché il pannello solare sta ricevendo ulteriore luce), sarebbe bello immagazzinare la potenza extra.

Schema di un semplice circuito di ricarica del pannello solare.

Per fare ciò, aggiungiamo semplicemente un altro diodo (D3) e un percorso dalla fonte solare alla fonte ricaricabile. Come in precedenza, il pannello solare fornisce energia al dispositivo tramite D1 o la batteria fornisce energia tramite D2, a seconda della fonte di alimentazione che ha una tensione maggiore. Quando il pannello solare ha una tensione più elevata, l’energia solare scorre attraverso D1 per alimentare il dispositivo e attraverso D3 per ricaricare la batteria.

Perché aggiungere il diodo D3 invece di rimuovere semplicemente D2 per consentire la ricarica della batteria? Beh, ciò eliminerebbe la protezione della batteria qualora venisse per errore invertita. Perché non aggiungere D3 ma quindi rimuovere completamente il percorso D1? Beh, in tal caso l’energia del pannello solare dovrebbe passare attraverso due diodi per raggiungere il dispositivo, il che richiederebbe un pannello solare con una tensione leggermente superiore rispetto a prima.

I diodi Schottky sono caratterizzati da una bassa caduta di tensione.

Il diodo extra costa meno di 25 centesimi. Data la versatilità del diodo 1N5817, un acquisto di gruppo di quantità 1000 porterà il prezzo a un centesimo ciascuno. Il costo di un diodo è molto più piccolo della sostituzione di un dispositivo a causa di un errore della batteria invertita o dell’acquisto di un pannello solare più potente a causa di una caduta di tensione del doppio diodo.

Limitazione significativa del circuito di ricarica

La maggior parte dei caricabatterie in commercio sono caricabatterie cosiddetti “intelligenti”, che forniscono tensione costante o corrente costante nel modo preferito dalla chimica specifica della batteria. Questi caricabatterie interrompono anche la ricarica a una certa tensione, temperatura, tempo o quando rilevano che la batteria cambia il livello di consumo.

Inoltre, il semplice circuito di ricarica solare non ha alcuna protezione contro il sovraccarico, né si preoccupa della durata ottimale della batteria. Per cavartela con un circuito così semplice, devi scegliere un pannello solare la cui tensione operativa è attorno alla tensione della batteria desiderata e la cui potenza totale non supera la massima velocità di carica di mantenimento.

Uno dei tanti piccoli pannelli fotovoltaici per la ricarica della batteria auto che puoi usare per questo progetto. Li trovi ad un buon prezzo online, ad es. qui

Per le pile nichel-metal-idruro (NiMH), la tensione di carica massima è di 1,6 V e la corrente massima è di 0,05 C per un massimo di 20 ore. Per un pacchetto da tre pile, la tensione di carica max sarebbe di 4,8 V (3 × 1,6 V) e la corrente 125 mA (2500 mAh × 0,05 C = 125 mA). Non sono preoccupato per il numero massimo di ore di ricarica, perché la luce solare non supererà le 20 ore in Italia.

Supponiamo che il pannello solare utilizzato per il mio dispositivo fornisca una tensione massima (a circuito aperto) di 5,5 V e una corrente massima (a cortocircuito) di 43 mA. Inizialmente questo sembrerebbe superare la massima tensione di carica. Tuttavia, la tensione misurata nel mondo reale durante la carica non supera mai i 4,25 V, perché la tensione misurata ai capi di un pannello fotovoltaico diminuisce in modo significativo quando questo viene collegato a un carico.

In effetti, la tensione operativa ufficiale è solo 3,4 V, che è leggermente inferiore alla tensione operativa desiderata di 3,6 V. Dunque, in sintesi, un semplice circuito di ricarica solare diretta funziona in modo sicuro solo se il pannello solare è significativamente meno potente della batteria. Ciò garantisce che l’energia solare non sia mai troppa da sovraccaricare la batteria e quindi non è necessario monitorare il tutto elettronicamente per disconnettersi quando la batteria è piena.

Esempio di alimentatore solare con batteria al litio per stazione meteorologica fai-da-te, che sfrutta una scheda di ricarica TP4056. La scheda Wi-Fi Wemos D1, invece, trasmette il segnale del sensore meteo (temperatura, pressione barometrica e umidità) BME280. 

Francamente, non userei questo circuito con batterie al litio, con qualsiasi chimica volubile o con batterie costose. Le pile al NiMH sono probabilmente le ricaricabili meno costose e le più compatibile, anche se pure le batterie al piombo-acido possono funzionare. Puoi sempre aggiungere un regolatore di limitazione della corrente se non sei sicuro se il tuo pannello solare è troppo potente o meno.

Andamento della ricarica in un caso reale

In questo esperimento, una stazione meteorologica viene alimentata da un pannello solare con un backup fornito dalla batteria ricaricabile. La stazione meteorologica registra i dati ogni minuto, richiede una tensione di ingresso non regolata non inferiore a 3,5 V e consuma in media 1,3 mA di corrente. Questo è considerato un dispositivo a basso consumo o bassa potenza.

Il circuito di ricarica è stato descritto nell’ultimo schema elettrico. Il pacco batterie contiene tre pile ricaricabili al nichel-metallo idruro (NiMH) AA. Sebbene la loro tensione nominale sia di soli 1,2 V ciascuno (3,6 V nominali per il pacchetto di tre), partono da poco più di 1,33 V ciascuna (4 V per il pacchetto) dopo essere state ricaricate da un caricabatterie ufficiale. Ogni pila ha una capacità di 2500 mAh.

Grafico del pannello solare che carica le batterie ricaricabili NiMH attraverso un diodo Schottky.

Dunque, il solo pacco batteria potrebbe far funzionare il dispositivo continuamente per diversi mesi. Il grafico mostra la tensione del pacco batteria e del pannello solare per tre notti e due giorni. Durante la notte, la tensione della batteria scende da un massimo di 4,05 V a un minimo di 3,95 V a causa dell’alimentazione del dispositivo e dell’autoscarica.

Durante il giorno, la tensione del pannello solare oscilla tra 3,9 V (il pacco batteria alimenta il dispositivo) e 4,25 V (il pannello solare alimenta il dispositivo e ricarica il pacco batteria). Tuttavia, a volte, a causa di ombre o nuvole, il pacco batteria subentra perfettamente alimentando il dispositivo. Poiché la forma della tensione del pannello solare appare simile per ogni giorno, è probabile che le ombre degli oggetti fissi vicini siano la causa principale della caduta di tensione del nostro pannello solare.

La batteria dovrebbe eseguire il backup del pannello solare. Nel grafico precedente, vediamo che la batteria fa un ottimo lavoro in questo ruolo di notte e quando il pannello solare è parzialmente oscurato. Ma il pannello solare continuerà a far funzionare il dispositivo se la batteria si guasta? Ho avuto la sfortuna di testare questa circostanza a causa di un filo del pacco batteria che soffriva di affaticamento del metallo. Il filo si è interrotto inaspettatamente durante il funzionamento del dispositivo.

Grafico della tensione del pannello solare durante la ricarica delle batterie rispetto alla mancata ricarica.

A partire dal lato sinistro del grafico a linee, nota che la tensione del pannello solare è compresa tra 0,1 e 0,2 volt sopra quella della batteria. Inoltre, la tensione del pannello solare oscilla mentre quella della batteria aumenta lentamente o è costante. Improvvisamente, tra le misurazioni campionate alle 12:46 e le misurazioni alle 12:47, entrambe le tensioni salgono a circa 5 V. Anche se è diventato molto soleggiato, il pannello solare è troppo piccolo per caricare la batteria così rapidamente.

Invece, come ora sappiamo, il filo del pacco batteria si è rotto. Senza le batterie da caricare, il pannello solare ha avuto un carico significativamente più leggero, causando un aumento della tensione. Possiamo confermare che il pacco batteria non è più nel circuito, poiché la tensione della batteria rispecchia senza indugio la tensione del pannello. La differenza tra le tensioni è la caduta del diodo D3.

Ciò dimostra che il circuito consente al pannello solare di continuare a fornire energia anche senza le batterie. L’effetto di ombre e nuvole luminose non ha influito sul funzionamento del dispositivo, poiché il pannello solare aveva ancora una capacità sufficiente ora che non era necessario ricaricare le batterie. Naturalmente, il dispositivo si spegne di notte a causa del filo del pacco batteria rotto.