Collegare un carico a un pannello solare con un convertitore DC-DC

Come fonte di energia, il sole offre alcuni vantaggi impressionanti rispetto alle tipiche celle della batteria: genera energia praticamente illimitata, non richiede ricarica e dovrebbe durare per altri cinque miliardi di anni circa. Le celle solari più efficienti e meno costose di oggi forniscono un mezzo pratico per convertire l’energia solare in elettricità per far funzionare i nostri gadget. Poiché le nuvole spesso oscurano il sole, è difficile progettare un sistema in grado di fornire energia in modo affidabile. Un convertitore step-down consente di collegare un carico direttamente a un pannello solare fotovoltaico.

Tensione e corrente variabile prodotte da un pannello solare

La corrente di uscita per le tipiche celle solari in silicio monocristallino dipende direttamente dalla quantità di luce solare incidente. Ad esempio, una tipica cella al silicio delle dimensioni di una carta di credito per hobby ha una tensione a circuito aperto di 0,55 V. La resistenza interna provoca una caduta di tensione mentre si assorbe corrente dalla cella; ma, poiché l’energia luminosa scende al di sotto del livello necessario per supportare il carico di uscita, la corrente della cella si limita a una tensione quasi costante.

Per un livello di luce di un pieno sole (irraggiamento solare di 1 kW/m²), la cella fornisce una corrente di cortocircuito tipica di 0,3A. La massima potenza di uscita si verifica nel passaggio dalla tensione costante alla corrente costante, tipicamente 0,484 V e da 0,25 a 0,275 A in un pieno sole. Questo 0,484 V è troppo basso per la maggior parte delle applicazioni, quindi i pannelli solari di solito collegano le celle in una combinazione serie/parallelo che fornisce diversi ampere di corrente a circa 12 V.

Tali uscite sono utili per molte applicazioni, supponendo che sia disponibile la piena luce solare ogni volta che l’applicazione è attiva. Sfortunatamente, questo imperativo è difficile da realizzare nella maggior parte delle località. La variazione della luce solare ha un effetto minore sulla tensione a circuito aperto ma ha un effetto diretto sulla corrente massima disponibile. Questa caratteristica è fondamentale nella progettazione di un’elettronica che ottimizzi l’uso della potenza disponibile in un dato momento.

Impiego di un convertitore di tensione step-down o step-up

La maggior parte delle applicazioni include un dispositivo di accumulo di energia intermedio, come una batteria ricaricabile al piombo-acido o al nichel-cadmio (NiCd), per garantire una fonte di alimentazione sempre pronta. Quando la luce è sufficiente, la cella solare carica la batteria, che fornisce quindi al carico un’alimentazione stabile. Caricare la batteria direttamente dal pannello solare (tramite un diodo in serie) è difficile o almeno inefficiente, perché la tensione della batteria cambia notevolmente man mano che la batteria si carica.

Per ottenere tutta l’energia disponibile da un pannello solare, oltre alla batteria, sono necessari un convertitore step-up o down-mode e un caricabatteria. Il convertitore deve garantire che ogni bit di energia prelevata dal pannello solare sia immagazzinata in modo efficiente nella batteria per un uso futuro. Un convertitore switch-mode funziona in due cicli.

Un convertitore switch-mode funziona in due cicli. Innanzitutto collega un induttore a una fonte di alimentazione, consentendo un accumulo di corrente dell’induttore che immagazzina energia nell’induttore. Nel secondo ciclo, una variazione del percorso di corrente consente all’induttore di trasferire l’energia accumulata al carico. La tensione di carico può essere superiore o inferiore a quella della fonte di alimentazione dell’induttore.

Il collegamento dell’induttore direttamente a un pannello solare è inefficiente. A seconda dei livelli di luce, la capacità della corrente di uscita del pannello può variare da microampere a diversi ampere. Un approccio molto migliore consiste nel collegare un condensatore del serbatoio al pannello solare.

Monitorando la tensione su questo condensatore, è quindi possibile accendere il convertitore in modalità commutazione solo quando l’uscita del pannello è ottimale, ovvero 0,484 V volte il numero di celle collegate in serie nel pannello. Questo ingresso è adeguato per avviare il convertitore e il condensatore fornisce un percorso a bassa impedenza per la corrente dell’induttore.

Inoltre, il condensatore supporta cicli completi di funzionamento del convertitore senza che la tensione di ingresso del convertitore scenda al di sotto della sua tensione operativa. Quando la tensione del condensatore scende al di sotto di un livello predeterminato (la tensione operativa minima del convertitore o superiore), il convertitore si spegne finché il condensatore non si carica nuovamente alla tensione ottimale.

Come scegliere il convertitore DC-DC adatto

Un convertitore buck/boost utilizzerà transistor, condensatori e induttori in una disposizione particolare per creare una modifica della tensione. Un convertitore buck abbasserà la tensione, ma aumenterà la corrente disponibile, mentre un convertitore boost aumenterà la tensione, ma ridurrà la quantità di corrente disponibile. Molti convertitori buck/boost hanno un’efficienza compresa tra l’85 e il 95%.

Tutti i convertitori DC-DC (anche quelli ad alta efficienza) hanno un consumo minimo di corrente in ingresso. Ma nella maggior parte dei casi sarà abbastanza basso (rispetto all’attuale capacità del pannello solare) da essere considerato quasi zero.

Pertanto, il tuo convertitore CC-CC deve essere in grado di accettare la piena tensione a circuito aperto al suo ingresso, nel caso in cui non abbia un carico collegato all’uscita. Il convertitore CC-CC dovrebbe essere in grado di gestire la variazione della tensione di linea imposta dal pannello (anche la maggior parte di loro è in grado di farlo).

Inoltre, dovresti prendere in considerazione un convertitore DC-DC con un range di ingresso più ampio di quello nominale richiesto, per evitare brutte sorprese. La tensione a circuito aperto dipende dalla temperatura e da altri fattori ambientali e operativi, quindi prendere adeguati margini di progettazione in questo caso sarà sicuramente una buona idea.

Dovresti assicurarti che il convertitore sia in grado di gestire la corrente massima che il pannello solare può produrre. Detto questo, c’è un potenziale problema nell’abbinare il carico che viene alimentato dal convertitore alla potenza disponibile dal pannello. Se “succhi” troppa potenza, la tensione dal pannello verrà abbassata. Quindi il carico deve essere adattato alla potenza disponibile per ottimizzare la raccolta.

Una volta che l’intensità del sole è elevata, il pannello solare produce la potenza sufficiente per la tensione. Un pannello solare 12v produce più di 12v. usalo per alimentare il tuo convertitore DC-DC. Uno svantaggio di questo sistema è che non funziona 24 ore su 24. Funziona solo in presenza di raggi del sole.