Linee Guida di Progettazione PCB per Progettare Sistemi Integrati ad Energia Solare

Person with an umbrella in the rain

Sei mai andato in vacanza e hai sentito come se ne avessi bisogno di un'altra subito dopo? Io sì, dopo che la mia ultima vacanza al mare è stata rovinata dai continui temporali. Le condizioni meteorologiche imprevedibili sono sempre un dilemma nel momento in cui sto pianificando la mia prossima vacanza, soprattutto se si tratta di attività all'aria aperta.

Predispongo lo stesso tipo di precauzioni quando progetto sistemi solari integrati destinati ad essere utilizzati all'esterno. Rispetto ai sistemi integrati che funzionano con un alimentatore dedicato, si tratta di una realtà completamente diversa. Come al solito, ho dovuto imparare ad essere cauto con l’esperienza, dato che il mio primo prototipo ad energia solare non è durato neanche un giorno sotto la pioggia.

Ci sono molti aspetti da considerare e pianificare se volete assicurarvi che il vostro sistema integrato alimentato ad energia solare continui a funzionare per diversi giorni anche senza luce solare.

Considerazioni per la progettazione di sistemi integrati fotovoltaici

1. Pannelli Solari

Va da sé che il pannello solare è la parte più importante di un sistema ad energia solare. Il monocristallino è la scelta preferibile tra i pannelli solari in quanto è più efficiente del policristallino o di quelli a film sottile, inoltre garantisce ottime prestazioni nella stagione calda. Ci sono pannelli che possono convertire fino al 22% della luce solare in energia elettrica. Detto questo, l'efficienza energetica del monocristallino e del policristallino può variare a seconda del produttore, quindi è bene conoscere questi dettagli in anticipo.

2. Durata della Batteria

Quando si tratta di un sistema integrato ad energia solare, un importante fattore è la durabilità dell'impianto quando l'efficienza del pannello solare è ridotta allo 0%. Le condizioni atmosferiche possono far sì che il pannello solare non riceva alcuna luce solare per giorni o settimane. Avrete bisogno di una batteria che disponga di una adeguata capacità e dovrete anche assicurarvi che il tasso di carica del pannello solare sia superiore a quello di utilizzo della batteria. Per esempio, non conviene certo una batteria che si carica in 5 ore ma si scarica completamente in 2.

3. Esposizione al Sole

Per certi versi, la tecnologia solare è piuttosto semplice. Senza luce solare non si genera elettricità. Tuttavia, avere a disposizione 8 ore di luce diurna non significa che il vostro pannello solare produca elettricità efficientemente per tutte le 8 ore. C'è un altro concetto chiamato "ore di picco del sole", quando il sole si trova nel punto più alto del cielo e il pannello solare è al massimo dell'efficienza energetica. È bene essere consapevoli di questa variabile e calcolare quali siano le ore di picco del sole.

4. Polvere ed Ostruzioni

Ci è capitato che uno dei nostri tachimetri alimentati ad energia solare continuasse a rimanere senza corrente. Dopo molte ore spese a controllare ogni singolo componente hardware, ci siamo resi conto che la macchina era installata sotto ad un albero e che le ombre coprivano una parte del pannello solare. L'efficienza dei pannelli solari può essere drasticamente ridotta anche se solo una minima parte di essi è ostruita da polvere, ombre o foglie cadute. Ecco perché è bene progettare il vostro impianto per la posizione specifica in cui verrà utilizzato.

Car parking machine

Una sola foglia può ridurre l’efficienza del vostro pannello solare a zero percento

5. Moduli ad Alto Consumo

I moduli ad alto consumo energetico scaricano più velocemente la batteria. Tuttavia, alcune applicazioni necessitano per forza di moduli ad alta potenza come stampanti termiche, antenne WiFi o un modulo GSM. In questi casi, è necessario capire e prevedere il consumo energetico del modulo in modo da poter prevedere la capacità del pannello solare e della batteria. Ad esempio, un sistema può aver bisogno di attivare il modulo GSM solo due volte al giorno per trasmettere le informazioni al centro dati. Un calcolo appropriato della dimensione stimata dei dati e della velocità di trasmissione fornirà una stima di quanta energia sarà consumata durante la trasmissione.

6. Architettura del Firmware

Sebbene i programmatori di firmware possano permettersi di spingere i microcontrollori al loro limite nelle installazioni normali, l'utilizzo dell'energia solare rende questo processo decisamente più delicato. Concedetevi tutto il tempo necessario per scrivere la giusta architettura del firmware. Ciò può far sì che il vostro sistema integrato ad energia solare duri settimane invece che pochi giorni in condizioni nuvolose. Il miglior approccio nello sviluppo del firmware per un sistema ad energia solare è quello di mettere il microcontrollore in modalità deep sleep quando non è in uso. Il microcontrollore si sveglierà dalla modalità deep sleep solo a seguito di particolari interrupt programmati con un timer.

7. Progettazione di Hardware a Risparmio Energetico

È essenziale ridurre al minimo il consumo energetico in idle quando si progetta l'hardware per un sistema integrato ad energia solare. Anche se risparmiare 1 mA potrebbe essere insignificante in un sistema non alimentato ad energia solare, in un sistema fotovoltaico può estendere notevolmente il tempo di operatività durante una giornata nuvolosa. È buona norma fornire un canale di alimentazione separato per le operazioni logiche e per i circuiti integrati periferici controllati dal microcontrollore. In questo modo si elimina il consumo energetico non necessario quando il sistema non è in uso, indipendentemente dalla modalità operativa dei microcontrollori.

microchip on a PCB

Il miglior sistema alimentato da energia solare consuma poca corrente in idle.

Perchè devi Analizzare la rete di distribuzione di corrente

Quando si è intrappolati nel deserto, ci si rende conto di quanto sia preziosa l'acqua, soprattutto quando si è quasi all'ultima goccia. Lo stesso principio si applica all'efficienza energetica nei sistemi integrati ad energia solare. L'analisi del PDN (Power Delivery Network) consente di valutare se i circuiti in rame sul PCB siano sufficienti per fornire abbastanza energia rispetto al carico necessario. Si consiglia di evitare la presenza di spazi ristretti di rame o di vias troppo piccoli tra gli strati di rame, perché possono comportare perdite resistive e generano calore inutile. Dato che è possibile prevenire questo potenziale spreco di energia in fase di progettazione, è doveroso analizzare questi particolari comportamenti se il vostro software ne è in grado.

Se state progettando un sistema integrato alimentato ad energia solare, strumenti integrati come l'analizzatore PDN di Altium vi aiuteranno ad assicurarvi che il vostro progetto non superi il suo dispendio energetico prima della produzione.

Stai cercando aiuto per la progettazione di sistemi integrati ad energia solare? Contatta un esperto di Altium.

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