Directives sur la conception de circuits imprimés pour les systèmes à énergie solaire embarqués

Êtes-vous déjà rentré de vacances avec le sentiment d'avoir besoin de repartir immédiatement ? Moi oui. Les orages incessants ont complètement ruiné mes dernières vacances à la mer. Les aléas de la météo me donnent toujours du fil à retordre lorsque je planifie mes vacances à l'avance, surtout pour les activités de plein air.

Je fais preuve d'autant de prudence lorsque je conçois des systèmes à énergie solaire embarqués destinés à des applications extérieures. Rien à voir avec les systèmes embarqués qui fonctionnent sur alimentation stabilisée. Comme souvent, j'ai appris à être prudent à mes dépens, mon premier prototype à énergie solaire n'ayant même pas tenu un jour sous la pluie.

Il y a de nombreux éléments à prendre en compte et à prévoir afin que votre système à énergie solaire embarqué continue de fonctionner pendant plusieurs jours sans soleil.

Les variables entrant en ligne de compte lors de la conception de systèmes à énergie solaire embarqués

1. Les panneaux solaires

Il va sans dire que, dans un système alimenté par énergie solaire, le panneau solaire est l'élément le plus important. On privilégie les panneaux monocristallins car ils sont plus efficaces que les polycristallins ou que ceux à couche mince et offrent de bons résultats par temps chaud. Certains panneaux peuvent convertir jusqu'à 22 % de lumière solaire en électricité. Cela dit, l'efficacité des panneaux mono et polycristallins peut varier en fonction du fournisseur, il est donc conseillé de vérifier ces détails à l'avance.

2. La capacité de la batterie

Dans le cas de systèmes à énergie solaire embarqués, un paramètre important est l'autonomie du système lorsque le rendement du panneau solaire est réduit à zéro. Certains facteurs environnementaux peuvent priver votre panneau solaire de lumière directe pendant des jours ou des semaines. Il vous faudra donc disposer d'une batterie dotée d'une capacité adaptée, et veiller à ce que le taux de charge du panneau solaire soit supérieur au taux d'utilisation de la batterie. Votre système ne sera guère efficace si cela prend 5 heures pour charger la batterie et seulement 2 heures pour la vider.

3. L'exposition solaire

Dans un sens, la technologie solaire est plutôt simple : pas de soleil, pas d'électricité générée. Toutefois, bénéficier de 8 heures d'ensoleillement ne veut pas forcément dire que votre panneau solaire produit de l'électricité pendant 8 heures de manière efficace. Ainsi, l'expression « heures d'ensoleillement maximum » désigne le moment où le soleil est au plus haut dans le ciel et où votre panneau solaire offre le meilleur rendement. Il est important de tenir compte de cette variable et de calculer les heures d'ensoleillement maximum dans votre région.

4. L'occultation et la poussière

Il est arrivé qu'un de nos horodateurs solaires extérieurs se retrouve sans cesse à court d'énergie. Après des heures d'inspection, nous avons réalisé que l'appareil était installé sous un arbre et que l'ombre recouvrait une partie du panneau solaire. L'efficacité d'un panneau solaire peut être considérablement réduite si une petite partie est masquée par la poussière, l'ombre ou une feuille morte. C'est pourquoi il est conseillé de concevoir vos dispositifs solaires en fonction de leur lieu d'utilisation.

Une seule feuille peut réduire l'efficacité d'un panneau solaire quasiment à zéro.
 

5. Les modules à haute intensité

Les modules à haute intensité réduiront la durée de vie de votre batterie. Mais certaines applications requièrent de tels modules comme les imprimantes thermiques, le Wi-Fi  ou les modules GSM. Dans ce cas, il faut comprendre et prévoir la consommation énergétique du module pour déterminer la capacité du panneau solaire et celle de la batterie. Par exemple, un système peut avoir besoin d'activer le module GSM seulement deux fois par jour pour transmettre les informations au datacentre. En déterminant avec précision le volume prévisionnel de données ainsi que la vitesse de transmission, vous pouvez calculer une estimation de la consommation énergétique lors de la transmission.

6. L'architecture du firmware

Alors que les programmeurs de firmwares peuvent se permettre d'exploiter au maximum les microcontrôleurs destinés aux systèmes non solaires, cela s'avère bien plus délicat avec l'énergie solaire. Prenez le temps de mettre au point la structure de firmware la plus adaptée. Cela permettra à votre système à énergie solaire embarqué de durer des semaines, plutôt que quelques jours, par temps couvert. La meilleure solution consiste à développer le firmware de manière à faire basculer le microcontrôleur en mode veille prolongée lorsqu'il n'est pas utilisé. Ce dernier sortira de veille par le biais d'interruptions définies ou d'une minuterie programmée.

7. La conception matérielle à faible consommation d'énergie

Il est primordial de minimiser le courant réactif lors de la conception matérielle des systèmes solaires embarqués. Économiser 1 mA peut être insignifiant pour un système non solaire, mais dans le cas d'un système solaire, cela peut prolonger la durée de fonctionnement au cours d'une journée nuageuse. Il est bon de fournir un circuit d'alimentation séparé aux CI logiques et périphériques contrôlés par le microcontrôleur. Cela évite de consommer de l'énergie inutilement lorsque le système est au repos, quel que soit le mode de fonctionnement des microcontrôleurs.

Les meilleurs systèmes à énergie solaire embarqués consomment très peu d'énergie lorsqu'ils sont au repos.
 

Pourquoi vous devrez analyser votre réseau de distribution électrique

Lorsque vous êtes coincé en plein désert, vous réalisez à quel point l'eau est précieuse, surtout lorsque vous êtes presque à sec. Le même principe s'applique à l'efficacité énergétique des systèmes solaires embarqués. L'analyse du réseau de distribution électrique vous permet de déterminer si les traces de cuivre sur le circuit imprimé sont suffisantes pour alimenter efficacement la charge. Il faudra éviter les interstices de cuivre ou les vias trop petits entre les plans de cuivre. Autrement, cela se traduira par des pertes résistives et un surplus de chaleur. Il est possible de prévenir ces pertes d'énergie potentielles lors de la phase de conception, d'où l'importance de profiter de cette fonctionnalité si elle est inclue dans votre logiciel.

Si vous concevez un système à énergie solaire embarqué, les outils intégrés tels que PDN Analyser d'Altium vous aideront à respecter le budget fixé pour l'alimentation avant de passer à sa fabrication.

Besoin d'aide pour concevoir un système solaire embarqué ? Contactez un expert Altium.