Alimentazione solare per Arduino, ESP8266 e IoT: guida completa all’indipendenza energetica

Introduzione

Nell’era dell’Internet delle Cose (IoT) e della tecnologia embedded, i sistemi di alimentazione solare per Arduino e altri tipi di dispositivi (come, per esempio, ESP8266 e ESP32) sono diventati una priorità fondamentale per garantirne il funzionamento continuo. Progetti distribuiti in luoghi remoti, lontani dalla rete elettrica, richiedono una fonte di energia sostenibile e affidabile. È qui che entra in gioco l’energia solare.

L’energia solare offre una soluzione eco-sostenibile per l’alimentazione di questi dispositivi, consentendo loro di operare in modo indipendente e a lungo termine senza la necessità di costose sostituzioni di batterie o cablaggio elettrico. In questo articolo, esploreremo in modo esaustivo il mondo dell’alimentazione solare per progetti Arduino, ESP8266 e IoT, offrendo consigli pratici, suggerimenti di progettazione e informazioni chiare su come sfruttare al meglio questa tecnologia rivoluzionaria.

Imparerai come dimensionare correttamente il tuo sistema solare in base alle esigenze specifiche, scegliere i componenti giusti come pannelli fotovoltaici, regolatori di carica e batterie, e configurare il tutto per garantire un funzionamento affidabile. Le applicazioni più comuni dell’alimentazione solare nei progetti IoT comprendono anche sensori remoti, stazioni meteorologiche autonome, sistemi di monitoraggio ambientale e così via.

La transizione all’energia solare non solo riduce i costi operativi a lungo termine, ma contribuisce anche alla sostenibilità ambientale e all’accesso all’energia in aree remote e rurali.

Preparati a scoprire come l’energia solare può rivoluzionare i tuoi progetti Arduino, ESP8266 e IoT, offrendo un’indipendenza energetica duratura e responsabile. Continua a leggere per acquisire tutte le conoscenze necessarie per sfruttare appieno il potenziale del sole e portare i tuoi progetti a nuovi livelli di autonomia ed efficienza.

Quali vantaggi portano tali sistemi?

Da tempo assistiamo ad una crescente richiesta di sistemi di alimentazione basati su pannelli solari per progetti Arduino, ESP8266, e altri dispositivi simili nell’ambito dell’Internet delle cose (IoT) e delle applicazioni embedded. I motivi sono molteplici:

  • Sostenibilità: l’energia solare è una fonte di energia rinnovabile e pulita, il che la rende una scelta sostenibile per alimentare dispositivi a basso consumo energetico come Arduino, ESP8266 e simili. Questi sistemi possono funzionare in modo autonomo per lungo tempo senza la necessità di cambiare batterie o collegarli a una rete elettrica.
  • Applicazioni remote: molte applicazioni IoT e embedded si trovano in posizioni remote o inaccessibili. L’utilizzo dell’energia solare elimina la necessità di cablaggio elettrico e rende possibile la distribuzione di dispositivi in luoghi remoti come stazioni meteorologiche, sensori agricoli, sistemi di monitoraggio ambientale, irrigatori automatici, ecc.
  • Risparmio energetico: Arduino, ESP8266 e simili sono progettati per funzionare a basso consumo energetico. Questo li rende ideali per sistemi alimentati a energia solare, poiché richiedono meno energia rispetto a dispositivi più potenti.
  • Affidabilità: con la corretta progettazione e implementazione, i sistemi alimentati a energia solare possono essere molto affidabili, riducendo la necessità di manutenzione frequente.
  • Riduzione dei costi operativi: se hai una rete di dispositivi distribuiti su un’area vasta, l’uso dell’energia solare può ridurre notevolmente i costi operativi a lungo termine, come la sostituzione delle batterie.
  • Applicazioni in aree senza elettricità: in molte parti del mondo, ci sono aree rurali o remote che non hanno accesso all’elettricità dalla rete. L’energia solare offre un’opportunità di alimentare dispositivi per scopi utili in queste comunità.

Come è generalmente composto un sistema di alimentazione solare per Arduino?

  • Pannello fotovoltaico: il pannello fotovoltaico va scelto in base alla quantità di energia di cui hai bisogno e alla posizione in cui lo installerai. Bisogna verificare che il pannello abbia una tensione e una corrente nominali compatibili con il sistema da alimentare.
  • Regolatore di carica solare: un regolatore di carica è necessario per gestire la carica della batteria e proteggerla da sovraccarichi e scariche profonde. È necessario che il regolatore sia compatibile con la tensione e la capacità della batteria.
  • Batteria: la batteria deve essere adatta alle esigenze di capacità e tensione (cioè i mAh erogati e la tensione in volt). Le batterie al litio sono spesso una buona scelta per tali applicazioni. La batteria serve ad alimentare il nostro dispositivo (Arduino, ESP8266 etc) quando l’apporto di energia da parte del pannello fotovoltaico è insufficiente (per esempio in giornate particolarmente nuvolose e di notte).
  • Un convertitore DC/DC (opzionale): nel caso la tensione erogata dalla batteria sia inferiore a quella di esercizio del dispositivo da alimentare, è bene utilizzare un convertitore DC/DC che eleva la tensione al valore desiderato. Tipico caso è quello della batteria che eroga 3.7V ma il dispositivo necessita di 5V per funzionare. In questo caso il modulo eleverà i 3.7V continui della batteria a 5V continui.
  • Inverter (opzionale): se il dispositivo che desideri alimentare richiede una tensione alternata invece che continua, potresti aver bisogno di un inverter per convertire la tensione continua della batteria in tensione alternata (ma non è il nostro caso).
  • Arduino, ESP8266 o ESP32: il dispositivo che desideri alimentare.
  • Cavi e connettori: avrai bisogno di cavi per collegare tutti i componenti e connettori per facilitare le connessioni.

Vediamo più in dettaglio il funzionamento di tali componenti

Il pannello fotovoltaico

Il pannello fotovoltaico è il componente principale di un sistema di energia solare e funziona per convertire l’energia solare in energia elettrica utilizzabile. Ecco una descrizione del funzionamento di un pannello fotovoltaico:

  • Cellule Fotovoltaiche: un pannello fotovoltaico è composto da numerose celle fotovoltaiche. Queste celle sono realizzate principalmente con materiali semiconduttori. Le celle sono progettate per catturare la luce solare e sfruttare l’effetto fotovoltaico per generare corrente continua (DC).
  • Assorbimento di Luce Solare: quando la luce solare colpisce il pannello fotovoltaico, i fotoni (particelle di luce) interagiscono con gli atomi nel materiale semiconduttore delle celle. Questa interazione provoca il rilascio di elettroni dai loro legami atomici, generando così cariche positive e negative all’interno della cella.
  • Creazione di Campo Elettrico: all’interno della cella, esiste un campo elettrico creato da una differenza di potenziale tra le cariche positive e negative. Questo campo elettrico forza gli elettroni liberati a fluire in una direzione specifica, creando una corrente elettrica. Questa corrente è inizialmente in corrente continua (DC).
  • Circuiti Interni: i circuiti interni nel pannello fotovoltaico raccolgono la corrente continua generata da tutte le celle e la fanno convergere verso un’unica uscita. Questo è il punto in cui la corrente continua prodotta dal pannello viene resa disponibile per essere utilizzata in un sistema di alimentazione o per caricare una batteria.
  • Tensione e Corrente: la tensione e la corrente prodotte dal pannello dipendono dalla quantità di luce solare che colpisce il pannello e dalla configurazione delle celle. Tipicamente, un pannello fotovoltaico produce una tensione nominale di circa 12V, ma questo può variare a seconda del design. La corrente è determinata dalla dimensione e dalla quantità di celle nel pannello.
  • Produzione di Energia Elettrica: l’energia elettrica prodotta dal pannello fotovoltaico può essere utilizzata direttamente per alimentare apparecchiature elettriche o caricare batterie. Inoltre, se la produzione di energia supera il consumo, l’energia in eccesso può essere immagazzinata in batterie o restituita alla rete elettrica in un sistema di alimentazione solare collegato ad essa collegato.

In breve, il pannello fotovoltaico funziona convertendo la luce solare in energia elettrica mediante l’effetto fotovoltaico all’interno delle sue celle. È una fonte di energia rinnovabile e pulita che può essere sfruttata per alimentare elettricamente una vasta gamma di dispositivi e sistemi.

Vediamo nelle foto successive il comportamento del pannello a seconda dell’illuminazione:

Con illuminazione scarsa il pannello genera circa 2.7V
Con illuminazione scarsa il pannello genera circa 2.7V

Con illuminazione maggiore il pannello genera circa 4.4V
Con illuminazione maggiore il pannello genera circa 4.4V

Questo pannello, quando esposto alla luce solare piena genera una tensione a vuoto compresa fra i 5Ve i 6V.

Il regolatore di carica

Il regolatore di carica (noto anche come controller di carica solare) è un componente critico in un sistema di alimentazione solare. Il suo scopo principale è gestire la carica delle batterie collegate ai pannelli solari, garantendo che le batterie siano caricate in modo sicuro ed efficiente. Di seguito le principali caratteristiche:

  • Regolazione della Tensione: il regolatore di carica è progettato per adattare la tensione del pannello solare alla tensione di carica necessaria per la batteria. Questo è importante perché i pannelli solari possono produrre tensioni variabili a seconda delle condizioni di luce solare, ma la batteria deve essere caricata a una tensione specifica (ad esempio, 3.7V per una batteria al litio). Il regolatore di carica abbasserà o aumenterà la tensione del pannello solare in modo da corrispondere alla tensione di carica della batteria.
  • Monitoraggio della Tensione della Batteria: il regolatore di carica monitora costantemente la tensione della batteria. Questo permette al regolatore di sapere quando la batteria è scarica o piena.
  • Gestione della Carica: durante il giorno, quando il pannello solare produce energia, il regolatore di carica decide quanta parte di questa energia deve essere utilizzata per caricare la batteria. Di solito, carica la batteria fino a un certo “voltaggio di assorbimento” e successivamente cambia a una modalità di “flottazione” per mantenere la batteria completamente carica senza sovraccaricarla.
  • Protezione della Batteria: un regolatore di carica solare offre anche protezione alla batteria. Evita la sovraccarica della batteria, che può danneggiarla o causare un surriscaldamento pericoloso. Inoltre, impedisce la scarica eccessiva, che può ridurre la vita utile della batteria. Alcuni regolatori di carica offrono anche protezione contro la polarità invertita e altre condizioni di guasto.
  • Indicatori e Monitoraggio: molti regolatori di carica sono dotati di indicatori LED o schermi LCD che mostrano lo stato della carica solare e della batteria. Questi possono essere utili per il monitoraggio e il debug del sistema solare.
  • Modalità di Carica Programmabili: alcuni regolatori di carica consentono agli utenti di programmare le modalità di carica in base alle loro esigenze specifiche. Ad esempio, è possibile configurare il regolatore per funzionare in modalità di carica rapida o carica lenta, a seconda delle esigenze del sistema.

In sintesi, il regolatore di carica solare svolge un ruolo cruciale nella gestione dell’energia solare e nella protezione delle batterie. Assicura che l’energia solare venga utilizzata in modo efficiente per caricare la batteria e previene danni dovuti a sovraccarica o scarica eccessiva. È quindi un componente essenziale in un sistema di alimentazione solare affidabile.

La batteria

Una batteria al litio è un tipo comune di batteria ricaricabile che funziona grazie a reazioni chimiche all’interno delle sue celle. Ecco una descrizione del funzionamento di una batteria al litio:

  • Composizione delle Celle: una batteria al litio è composta da una o più celle, e ogni cella è costituita da diversi componenti chiave:
    • Catodo: il catodo è una delle due estremità della cella e contiene un materiale al litio che può cedere e ricevere elettroni durante le reazioni chimiche.
    • Anodo: l’anodo è l’altra estremità della cella e contiene un materiale diverso che può cedere e ricevere elettroni. Nelle batterie al litio, il materiale dell’anodo è spesso la grafite.
    • Elettrolita: l’elettrolita è un liquido o un polimero ionico che consente il passaggio degli ioni di litio tra il catodo e l’anodo. L’elettrolita è fondamentale per il funzionamento della batteria poiché facilita la conduzione degli ioni di litio.
  • Carica e Scarica: il funzionamento di una batteria al litio si basa sul processo di carica e scarica. Quando si carica la batteria, viene applicata una tensione esterna alla cella che spinge gli ioni di litio dal catodo all’anodo attraverso l’elettrolita. Gli ioni di litio vengono quindi immagazzinati nell’anodo sotto forma di litio metallico.
  • Rilascio di Energia: quando la batteria viene utilizzata per alimentare un dispositivo, gli ioni di litio iniziano a fluire dall’anodo al catodo attraverso l’elettrolita. Questo flusso di ioni genera una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare il dispositivo collegato.
  • Reazioni Chimiche: durante il processo di carica e scarica, si verificano reazioni chimiche reversibili all’interno della cella. Queste reazioni coinvolgono la migrazione degli ioni di litio tra il catodo e l’anodo attraverso l’elettrolita. Durante la carica, gli ioni di litio si spostano dall’anodo al catodo. Durante la scarica, il processo è inverso, con gli ioni di litio che si spostano dal catodo all’anodo.
  • Cicli di Carica e Scarica: una batteria al litio può essere ricaricata e scaricata molte volte prima che la sua capacità diminuisca in modo significativo. Questo è noto come ciclo di carica e scarica. La vita utile complessiva di una batteria al litio dipende dal numero di cicli che può sopportare prima di perdere capacità.
  • Gestione della Sicurezza: le batterie al litio richiedono una gestione attenta della sicurezza poiché possono diventare instabili se sovraccaricate, scaricate eccessivamente o danneggiate fisicamente. Pertanto, sono spesso dotate di sistemi di gestione della batteria (BMS) che monitorano e regolano la tensione, la corrente e la temperatura per prevenire situazioni pericolose come il surriscaldamento o l’esplosione.

In sintesi, il funzionamento di una batteria al litio si basa su reazioni chimiche di ioni di litio tra il catodo e l’anodo attraverso un elettrolita. Queste reazioni producono energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare dispositivi. La capacità di ricaricare e scaricare ciclicamente rende le batterie al litio un’opzione popolare per una vasta gamma di applicazioni, dalle batterie per telefoni cellulari agli accumulatori per veicoli elettrici.

Il convertitore DC/DC

Il convertitore DC/DC, noto anche come convertitore di tensione o regolatore DC/DC, è un componente fondamentale quando devi adattare la tensione della batteria (3.7V) ai 5V richiesti dal tuo dispositivo (ad esempio, Arduino, ESP8266 o ESP32). Ecco una descrizione di come funziona un convertitore DC/DC:

  • Regolazione della Tensione: il convertitore DC/DC è progettato per aumentare o diminuire la tensione in ingresso (in questo caso, i 3.7V dalla batteria) per ottenere la tensione desiderata in uscita (in questo caso, 5V). È un regolatore di tensione che assicura che la tensione in uscita sia stabile e adatta alle esigenze del dispositivo.
  • Topologia del Convertitore: esistono diverse topologie di convertitori DC/DC, ma una comune è il convertitore Buck (o regolatore di tensione discendente). In un convertitore Buck, la tensione in ingresso viene ridotta a quella desiderata in uscita. Altri tipi di convertitori DC/DC, come il convertitore Boost, aumentano la tensione in ingresso a quella desiderata in uscita.
  • Controllo del Ciclo di Lavoro: il convertitore DC/DC regola la tensione di uscita manipolando il ciclo di lavoro (duty cycle). Il ciclo di lavoro si riferisce alla frazione di tempo in cui il convertitore è attivo rispetto al suo ciclo di commutazione totale. Regolando il ciclo di lavoro, il convertitore può aumentare o diminuire la tensione in uscita.
  • Regolazione dell’Efficienza: i convertitori DC/DC sono progettati per essere efficienti, il che significa che minimizzano le perdite di energia durante la conversione di tensione. Questo è particolarmente importante in un sistema alimentato a batteria, poiché un convertitore inefficiente potrebbe causare un utilizzo eccessivo di energia.
  • Protezione e Sicurezza: alcuni convertitori DC/DC incorporano funzioni di protezione, come la protezione da sovratensione, la protezione da cortocircuito e la protezione da surriscaldamento, per garantire un funzionamento sicuro e affidabile.
  • Regolazione della Corrente: alcuni convertitori DC/DC possono anche regolare la corrente in uscita, se necessario per il tuo dispositivo.

In sintesi, un convertitore DC/DC è un componente elettronico che modifica la tensione in ingresso per adattarla alle specifiche di tensione richieste dal tuo dispositivo. Assicura che il tuo dispositivo riceva la tensione corretta, consentendo il corretto funzionamento anche quando la tensione della batteria è diversa dalla tensione richiesta dal dispositivo. Questo è essenziale per garantire un funzionamento stabile e affidabile dei tuoi progetti alimentati a batteria.

L’inverter

Un inverter (che non rientra però in questo progetto in quanto non ci serve una tensione di alimentazione alternata) è un dispositivo elettronico utilizzato per convertire la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). Questo è utile quando si desidera alimentare apparecchiature elettriche che richiedono corrente alternata da una fonte di energia che fornisce corrente continua, come ad esempio batterie o pannelli solari. Ecco come funziona:

  • Ingresso DC: l’inverter riceve una tensione continua (DC) in ingresso da una fonte di energia, come una batteria o un pannello solare. Questa tensione DC può variare a seconda della fonte e può essere a bassa tensione (ad esempio, 12V o 24V) o a tensione più alta.
  • Convertitore DC/DC (opzionale): in alcuni casi, soprattutto quando la tensione DC in ingresso è molto bassa, può essere necessario utilizzare un convertitore DC/DC per aumentare la tensione prima di inviarla all’inverter. Questo è comune in sistemi solari, dove i pannelli solari possono produrre una tensione DC relativamente bassa.
  • Inversione della Tensione: il cuore dell’inverter è un circuito di commutazione che inverte la tensione DC in una tensione alternata sinusoidale o modificata (a onde quadre o a onde sinusoidali modificate) in uscita. La frequenza della tensione alternata prodotta (ad esempio, 50 Hz o 60 Hz) è generalmente compatibile con quella della rete elettrica locale.
  • Amplificazione e Controllo: l’inverter amplifica la tensione DC in ingresso alla tensione AC desiderata in uscita. Questo amplificatore può essere controllato in modo da fornire la tensione AC necessaria per alimentare dispositivi elettrici specifici.
  • Uscita AC: l’inverter fornisce quindi la tensione alternata in uscita, che può essere utilizzata per alimentare apparecchiature elettriche come dispositivi domestici, elettronica, elettrodomestici, strumenti elettrici e così via. L’uscita AC è generalmente fornita attraverso prese standard o connettori appropriati.
  • Forma d’Onda: la forma d’onda dell’uscita AC può variare a seconda del tipo di inverter. Alcuni inverter producono una tensione AC a onda sinusoidale pura, che è ideale per alimentare dispositivi sensibili come computer e apparecchiature audio. Altri inverter possono produrre una tensione AC a onde quadre o a onde sinusoidali modificate, che possono essere adatti per dispositivi meno sensibili ma possono causare interferenze su dispositivi più sofisticati.
  • Protezioni e Funzionalità Aggiuntive: gli inverter possono includere funzionalità di protezione come la protezione da sovratensione, la protezione da sovracorrente e il rilevamento di temperatura per garantire un funzionamento sicuro. Alcuni inverter possono anche offrire funzionalità avanzate come l’interfaccia di comunicazione con un sistema di monitoraggio.

In sintesi, un inverter è un dispositivo che converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) per consentire l’alimentazione di apparecchiature elettriche che richiedono corrente alternata (AC) da una fonte di energia a corrente continua (DC). È ampiamente utilizzato in applicazioni come sistemi solari, sistemi di backup di emergenza, per citarne alcuni esempi.

Dimensionamento dei componenti

Per capire quali caratteristiche debbano avere i componenti del sistema dobbiamo necessariamente fare delle assunzioni. Supponiamo di voler alimentare un ESP8266 che trasmetta dati per 5 secondi ogni 10 minuti e che per il resto del tempo riceva dati sporadicamente. Per calcolare la durata della batteria per questo scenario, dobbiamo considerare il consumo medio di corrente durante il funzionamento e il tempo totale di funzionamento al giorno. Ecco come eseguire il calcolo:

  • Consumo Medio di Corrente: supponiamo che il tuo dispositivo assorba circa 70 mA durante la trasmissione e riceva sporadicamente durante il resto del tempo, con un assorbimento medio di corrente di circa 50 mA. Tieni presente che questi valori sono stime approssimative e possono variare in base alla configurazione specifica del tuo dispositivo.
  • Tempo di Funzionamento al Giorno: il dispositivo trasmette dati per 5 secondi ogni 10 minuti. Quindi, ogni ciclo di trasmissione dura 5 secondi + il tempo di ricezione sporadica. Il tempo di funzionamento al giorno è dato da: Tempo di funzionamento al giorno = (5 secondi di trasmissione + tempo di ricezione) x Numero di cicli al giorno. Il numero di cicli al giorno è dato da (60 minuti / 10 minuti) * 24 ore, quindi ci sono 144 cicli al giorno. Quindi Tempo di funzionamento al giorno = (5 secondi + tempo di ricezione) x 144
  • Consumo di Corrente Totale al Giorno: moltiplica il consumo medio di corrente per il tempo di funzionamento al giorno: Consumo di corrente totale al giorno = Consumo medio di corrente x Tempo di funzionamento al giorno
  • Durata della Batteria: per calcolare la durata della batteria, dividiamo la capacità della batteria per il consumo di correntemedio orario: Durata della batteria (in ore) = Capacità della batteria (in mAh) / Consumo di corrente medio orario

Pertanto, con i valori di consumo e l’intervallo di trasmissione specificati, puoi calcolare la durata approssimativa della batteria da 2000mAh per il tuo dispositivo. Ad esempio, supponiamo che il tempo di ricezione sporadica sia di 2 secondi (quindi il ciclo totale è di 7 secondi) e che il consumo medio sia effettivamente di 50 mA:

Calcolo esemplificativo:

Tempo di funzionamento al giorno = (5 secondi + 2 secondi) x 144 cicli al giorno = 1008 secondi al giorno

Consumo di corrente totale al giorno = 50 mA x 1008 secondi = 50400 mAs (o 14 mAh)

Durata della batteria = 2000 mAh / 14 mAh = circa 5.95 giorni (circa 143 ore)

Quindi, con il profilo di utilizzo specificato, la tua batteria da 2000mAh dovrebbe durare circa 143 ore prima di richiedere una ricarica. Tieni presente che questi calcoli sono approssimativi e potrebbero variare in base alle condizioni effettive di utilizzo e alle specifiche esatte del tuo dispositivo.

Che assorbimento di corrente ha una ESP8266 a riposo e in trasmissione?

Il consumo di corrente di un modulo ESP8266 varia notevolmente in base alle modalità di funzionamento. Ecco una stima approssimativa del consumo di corrente per una ESP8266:

  • A Riposo (Deep Sleep): in modalità di “deep sleep”, la ESP8266 è in uno stato di basso consumo energetico. Il consumo di corrente può essere ridotto a pochi microampere (µA), a seconda delle impostazioni specifiche e del design del circuito. Questa modalità è ideale quando si desidera conservare l’energia e si può programmare il dispositivo per “svegliarsi” a intervalli specifici o in risposta a determinati eventi.
  • In Standby (Modalità Wi-Fi attiva ma non in trasmissione/ricezione): quando il modulo è attivo ma non sta trasmettendo o ricevendo dati, il consumo di corrente è generalmente nell’ordine di alcune decine di milliampere (mA). Il consumo può variare in base a vari fattori, tra cui la potenza di trasmissione Wi-Fi e la frequenza di aggiornamento di eventuali sensori. In questa modalità, la ESP8266 sta ancora consumando energia, quindi è importante gestire il consumo di corrente in modo efficiente.
  • In Trasmissione: durante la trasmissione dati tramite Wi-Fi, il consumo di corrente della ESP8266 aumenta significativamente. A seconda della potenza di trasmissione e della durata dell’attività di rete, il consumo può variare da circa 70 mA a più di 100 mA o anche di più. Questa è la modalità più esigente in termini di consumo di corrente.
  • In Ricezione: il consumo di corrente durante la ricezione dati tramite Wi-Fi è simile o leggermente inferiore rispetto alla modalità di trasmissione, ma può comunque superare i 70 mA.

Queste sono stime approssimative e il consumo effettivo può variare in base a numerosi fattori, tra cui il firmware specifico, la potenza di trasmissione Wi-Fi, la frequenza di operazione, la distanza dal modem, l’uso di componenti esterni, e così via. Per ottimizzare l’efficienza energetica è consigliabile considerare attentamente come gestire il dispositivo in modo da minimizzare il tempo trascorso nelle modalità ad alto consumo energetico e massimizzare il tempo trascorso in modalità di basso consumo, come il “deep sleep” quando possibile.

I componenti scelti per il progetto

Date le considerazioni fatte, la scelta è caduta sui seguenti componenti:

  1. Pannello fotovoltaico (5V, 3W): il pannello fotovoltaico è in grado di generare 5V a 3W quando è pienamente illuminato. Ciò corrisponde ad una corrente erogata pari a 600mA (dato che P = V * I si ricava che I = P/V cioè I = 3W/5V = 0.6A. Il pannello fotovoltaico è utilizzato sia per alimentare il dispositivo (Arduino, ESP8266 etc) sia per ricaricare la batteria. Per gestire questi aspetti viene collegato ad un regolatore di carica come quello al passo successivo.
  2. Regolatore di carica TP4056: il chip TP4056 è un regolatore di carica con funzione di protezione per batterie al litio. L’uscita del pannello fotovoltaico è collegata all’ingresso del TP4056, la batteria è collegata all’uscita del modulo TP4056. Questo modulo caricherà la batteria da 3,7V e 2000mAh in modo sicuro. Il modulo dispone di due LED, uno rosso e uno blu. Quando è in funzione, il led rosso si accenderà indicando che la batteria è in carica. Una volta che il modulo ha caricato completamente la batteria, interromperà automaticamente la ricarica e il LED rosso si spegnerà. Contemporaneamente il LED blu si accenderà per indicare il completamento della carica.
  3. Batteria (3.7V, 2000mAh): la batteria va collegata all’uscita del TP4056. Occorre, ovviamente, rispettare la polarità corretta durante il collegamento.
  4. DC/DC Converter: il convertitore DC/DC è collocato tra la batteria e il dispositivo che desideri alimentare. Si basa sul chip MT3608 che, stando al datasheet, è in grado di erogare tensioni fino a 28V con corrente massima di 4A (anche se difficilmente tale modulo arriva a erogare correnti di tale intensità). Esso dispone di una vitina di regolazione. Si regola quindi tale vitina in modo da elevare la tensione da 3.7V a 5V. Il convertitore deve essere in grado di gestire la corrente richiesta dal tuo dispositivo (Arduino, ESP8266 o ESP32). Collega l’uscita del convertitore DC/DC al tuo dispositivo.
  5. Dispositivo (Arduino, ESP8266 o ESP32): Collega il tuo dispositivo alla tensione di uscita del convertitore DC/DC, che ora è di 5V.

NOTA: è ovviamente possibile aumentare la corrente erogata dal pannello fotovoltaico collegandogliene un altro uguale in parallelo. In questo modo, con piena illuminazione, si avranno 5V e 6W corrispondenti ad una corrente massima di 1.2A. È chiaro che, data la maggiore corrente disponibile, il tempi di caricamento della batteria diminuiranno considerevolmente.

Vediamo ora i componenti scelti.

Il pannello fotovoltaico da 5V e 3W:

Il pannello fotovoltaico da 5V e 3W
Il pannello fotovoltaico da 5V e 3W

Il regolatore di carica TP4056:

Il regolatore di carica TP4056
Il regolatore di carica TP4056

La batteria da 3.7V e 2000mAh:

La batteria da 3.7V e 2000mAh
La batteria da 3.7V e 2000mAh

Il convertitore DC/DC:

Il convertitore DC/DC
Il convertitore DC/DC

Lo schema elettrico

Per realizzare questo sistema è necessario collegare i vari componenti saldando dei fili. Se non sei pratico di saldatura ti consiglio di dare un’occhiata all’articolo Un altro tutorial su come saldare. Vedrai che è un’operazione abbastanza semplice. Ti raccomando di prestare attenzione alla polarità della batteria (e di tutti i collegamenti).

Come al solito lo schema elettrico è realizzato tramite Fritzing:

Schema elettrico completo del sistema di alimentazione solare per Arduino
Schema elettrico completo del sistema di alimentazione solare per Arduino

Una volta realizzato, se non hai commesso errori, il circuito dovrebbe funzionare subito. Quando misurerai la tensione in uscita dal convertitore DC/DC noterai che essa è quasi uguale a quella di ingresso. Questa situazione è comune, ed è dovuta al fatto che il potenziometro è, di fabbrica, regolato al minimo. Infatti il trimmer è di tipo multigiri e ha una corsa di regolazione molto breve. Quindi, sarà necessario ruotarlo un po’ prima di raggiungere il punto di taratura desiderato. Questa caratteristica può trarre in inganno e far pensare che il modulo sia difettoso, ma in realtà è una normale operazione di regolazione (questa è la mia esperienza personale).

Test e collaudo del sistema

In questo video sono presenti tre simulazioni:

  • Luminosità insufficiente: per simulare l’assenza di luminosità, il pannello fotovoltaico è girato verso il piano del tavolo. Misurando ai suoi capi la tensione generata, essa è infatti pari a circa 0.55V ma la tensione in uscita dal convertitore DC/DC è di circa 5V. In questo caso è la batteria a fornire la tensione a 3.7V che poi sarà elevata a 5V
  • Luminosità media: in questo caso ho capovolto il pannello in modo da esporre alla luce ambientale i suoi elementi sensibili. La tensione generata ora è di circa 3.5V. La tensione all’uscita del convertitore DC/DC continua ad essere di circa 5V.
  • Luminosità piena (o quasi): in questo caso espongo il pannello alla luce di una lampada da tavolo. La tensione generata è pari a poco più di 4V mentre la tensione all’uscita del convertitore DC/DC continua ad essere di circa 5V.

In condizioni di luce veramente piena (pannello esposto alla luce solare piena) la tensione a vuoto generata è tra 5 e 6V.

Suggerimento di utilizzo

Questo progetto si sposa particolarmente bene con quello descritto nell’articolo Come creare un sistema di irrigazione automatica con ESP8266 controllato da Arduino Cloud e consente di rendere il sistema di irrigazione indipendente da fonti di alimentazione esterne. Tutto ciò che devi fare è collegare l’uscita del convertitore DC/DC all’alimentazione del sistema e in particolare:

  • scollegare il cavetto USB in quanto non più necessario
  • collegare il polo negativo (filo nero) alla massa dell’irrigatore
  • collegare il polo positivo (filo rosso) al terminale Vin dell’ESP8266

Ecco come si presenta il sistema di irrigazione automatica alimentato dal sistema fotovoltaico (in questa foto l’elettrovalvola è disabilitata):

Il sistema alimentato con l'energia solare (in questa foto sta lavorando solo la parte datalogger mentre l'elettrovalvola è disabilitata)
Il sistema alimentato con l’energia solare (in questa foto sta lavorando solo la parte datalogger mentre l’elettrovalvola è disabilitata)

La dashboard mostra i valori rilevati in tempo reale dal dispositivo alimentato col sistema fotovoltaico
La dashboard mostra i valori rilevati in tempo reale dal dispositivo alimentato col sistema fotovoltaico

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