La energía solar es una excelente opción para alimentar aplicaciones de baja potencia utilizando pequeñas celdas fotovoltaicas y supercondensadores como almacenamiento de energía.
El problema
Imagina dispositivos portátiles y aplicaciones de Internet de las cosas (IoT) que funcionan con energía solar; no hay necesidad de recargar o reemplazar baterías; teóricamente tienen una vida útil infinita y no requieren mantenimiento. Sería genial incluir pequeñas celdas fotovoltaicas en tu proyecto y olvidarte de tener que cargarlo.
El problema aquí es que la potencia de salida de los paneles solares pequeños suele estar en el rango de milivatios y es altamente variable dependiendo de las condiciones de iluminación. Estas limitaciones impiden el uso directo de los paneles fotovoltaicos y señalan la necesidad de almacenar la energía solar recolectada.
Las opciones disponibles para el almacenamiento incluyen baterías tradicionales como NiMh o LiPo, pero también supercondensadores.
Las baterías tienen una gran capacidad y retienen la carga durante largos períodos. Sin embargo, generalmente necesitan circuitos dedicados para la carga y la descarga debe ser controlada. Además, tienden a deteriorarse con el tiempo y pueden necesitar ser reemplazadas en algún momento.
Los supercondensadores, por otro lado, son más duraderos, se pueden cargar y descargar fácilmente y no suelen explotar o incendiarse.
Otra gran diferencia es la densidad de energía: los supercondensadores suelen ser voluminosos y no pueden competir con las baterías en la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen, aunque pueden proporcionar hasta 100 veces más energía que los supercondensadores del mismo tamaño.
Las propiedades de los supercondensadores los hacen útiles para aplicaciones de baja potencia que requieren energía entregada en ráfagas cortas.
¿Qué se puede alimentar con supercondensadores?
La energía almacenada en un supercondensador se puede estimar utilizando la siguiente fórmula:
\[E = \frac{1}{2}C{V}^2\]
Aquí, \(C\) es la capacitancia en Faradios y \(V\) es el voltaje. Es poco probable que puedas utilizar toda la energía hasta que el condensador esté completamente descargado. Por lo tanto, la energía utilizable es más probable que sea la diferencia entre el voltaje inicial y el voltaje en el que la carga deja de funcionar:
\[E = \frac{1}{2}C({V_f}^2-{V_i}^2)\]
Por ejemplo, algunos microcontroladores se apagan a 8V. Con un rango de voltaje de 3V a 8V, un supercondensador de 1 Faradio (uno bastante grande) puede suministrar aproximadamente 6J.
La corriente consumida por un ATtiny85 en estado activo funcionando a 8MHz y 3V es de aproximadamente 5mA. Esto significa un consumo de energía de aproximadamente 8mW.
Para una estimación aproximada, asumiendo que se consume una corriente constante, el microcontrolador puede funcionar durante aproximadamente 12 minutos. La realidad estará lejos de esto, pero da una idea de la utilidad y puede ayudar con el dimensionamiento de los componentes del circuito.
¿Cómo utilizar supercondensadores?
El circuito más simple
El circuito más simple para cargar un supercondensador con energía solar consiste en conectar directamente el supercondensador a los paneles solares. El único otro componente importante es un diodo para evitar que el supercondensador se descargue hacia los paneles solares. El diodo debe tener una caída de voltaje directo baja, como un diodo Schottky.
Conectado al supercondensador hay una carga que utilizará su energía cuando sea necesario.
Un circuito ligeramente más elaborado
Si las celdas fotovoltaicas son pequeñas debido a restricciones de diseño, su voltaje máximo puede ser demasiado bajo para cargar el supercondensador a niveles utilizables. Por lo tanto, debe haber una forma de aumentar el voltaje del supercondensador. Para mejorar el circuito básico anterior, podemos agregar un convertidor elevador entre el panel solar y el supercondensador. Para esta aplicación, el regulador elevador debe tener un voltaje de arranque bajo. Un buen ejemplo es el MCP1640, que tiene un voltaje de arranque de 0.7V y un voltaje de operación de solo 0.5V.
La salida del convertidor elevador se puede ajustar a 5V, que es una tensión máxima habitual para los supercondensadores.
Prototipo de circuito utilizando dos celdas IXOLAR KXOB25-04X3F en paralelo y un supercondensador de 0.22F
Probé este circuito con dos celdas IXOLAR KXOB25-04X3F en paralelo y también una celda fotovoltaica de tamaño 25x30 mm comprada en una conocida tienda en línea china. Se supone que esta última tiene un voltaje de circuito abierto de 1V y una corriente de cortocircuito de 80mA.
La celda fotovoltaica única de China funciona ligeramente mejor con una superficie aproximadamente un 50% más grande. Con esto, el circuito puede cargar el condensador de 0.22F de 0 a 5V en aproximadamente dos minutos con luz solar directa. Una vez que el condensador se haya cargado por primera vez, su voltaje no caerá por debajo de 1V, ya que es probable que la carga deje de funcionar antes. Esto significa que el convertidor elevador ya estará activo con el voltaje de salida regulado y el tiempo para recargar el supercondensador será mucho menor. Tres celdas IXOLAR en paralelo proporcionarían resultados similares. Las dos celdas IXOLAR son suficientes para obtener los 0.7V requeridos para el arranque del MCP1640 y solo funcionan con luz solar directa intensa.
Obviamente, cuanto más grande sea el panel solar, mejores serán los resultados. Mi intención era entender el tamaño mínimo requerido para alimentar aplicaciones pequeñas.
Circuitos de captación de energía
Los circuitos pueden ser más complicados que los anteriores. Pueden tener varios condensadores. En este caso, es posible que necesites un cargador balanceado. A veces se requiere un circuito de sobretensión para proteger los condensadores.
También existen muchos circuitos integrados específicamente diseñados para aplicaciones de captación de energía. Estos pueden funcionar con voltajes de entrada muy bajos y tienen una eficiencia muy alta. Aquí tienes una selección:
- Texas Instruments TPS61201
- STMicroelectronics SPV1040
- Analog Devices Inc. LTC3105EMS
- Texas Instruments BQ25570RGRT
- Maxim MAX17710
Estos deberían poder mejorar en gran medida el rendimiento del cargador, incluso en condiciones de poca luz. La desventaja de usar estos circuitos integrados es el costo y, a veces, la complejidad del circuito, ya que pueden requerir varios componentes externos.
Esta es mi primera aproximación al uso de celdas fotovoltaicas para alimentar aplicaciones pequeñas. El objetivo fue explorar la posibilidad de alimentar sistemas integrados con energía solar, algo de lo que no estaba seguro. Está claro que se puede hacer de forma económica y con circuitos simples. Las celdas solares muy pequeñas que utilicé son suficientes para alimentar microcontroladores, aplicaciones de radiofrecuencia e incluso pequeñas pantallas (más sobre esto en otro artículo).
A partir de aquí, hay margen para varias mejoras destinadas a aumentar la eficiencia y la robustez del sistema. Mi lista de tareas pendientes incluye probar el circuito integrado TPS6120
Notas
Algunas lecturas útiles aquí, aquí y aquí.