Wytyczne projektowania PCB dla systemów wbudowanych zasilanych energią słoneczną

Czy kiedykolwiek wyjechałeś na wakacje i czułeś, że potrzebujesz kolejnych zaraz po powrocie? Ja na pewno, moje ostatnie wakacje na plaży zostały całkowicie zrujnowane przez ciągłe burze. Nieprzewidywalna pogoda zawsze stanowi dylemat, gdy planuję kolejny urlop, szczególnie jeśli wiąże się z aktywnościami na świeżym powietrzu.

Podejmuję takie samo ostrożne podejście, gdy projektuję systemy wbudowane zasilane energią słoneczną przeznaczone do zastosowań zewnętrznych. To zupełnie inna bestia niż systemy wbudowane, które działają na regulowanym zasilaniu. Jak zwykle, nauczyłem się być ostrożnym w trudny sposób, ponieważ mój pierwszy prototyp zasilany energią słoneczną nie przetrwał nawet dnia w deszczu.

Istnieje wiele aspektów do rozważenia i zaplanowania, aby zapewnić, że Twój system wbudowany zasilany energią słoneczną będzie działał przez dni bez światła słonecznego.

Zmienne do rozważenia podczas projektowania systemów wbudowanych zasilanych energią słoneczną

1. Panele słoneczne

Nie trzeba chyba mówić, że panel słoneczny jest najważniejszą częścią systemu zasilanego energią słoneczną. Monokrystaliczne panele słoneczne są preferowanym wyborem, ponieważ są bardziej wydajne niż polikrystaliczne lub cienkowarstwowe, a także dobrze sprawdzają się w gorącym klimacie. Istnieją panele, które mogą przekształcić do 22% światła słonecznego w energię elektryczną. Mimo to, wydajność energetyczna paneli monokrystalicznych i polikrystalicznych może różnić się w zależności od dostawcy, więc dobrze jest wcześniej potwierdzić te szczegóły.

2. Pojemność baterii

Jeśli chodzi o system wbudowany zasilany energią słoneczną, ważnym parametrem jest czas działania systemu, gdy wydajność panelu słonecznego spada do 0%. Czynniki środowiskowe mogą spowodować, że panel słoneczny nie otrzyma światła słonecznego przez dni lub tygodnie. Będziesz potrzebować baterii o odpowiedniej pojemności, a także musisz upewnić się, że szybkość ładowania panelu słonecznego jest wyższa niż szybkość zużycia energii przez baterię. Nie jest to zbyt wydajne, jeśli naładowanie baterii zajmuje 5 godzin, a system zużywa ją w ciągu tylko 2 godzin.

3. Ekspozycja na światło słoneczne

W pewnym sensie, technologia solarna jest dość prosta. Bez światła słonecznego nie jest wytwarzana elektryczność. Jednak posiadanie 8 godzin światła dziennego nie oznacza, że Twój panel słoneczny wytwarza energię elektryczną efektywnie przez 8 godzin. Istnieje inny termin, nazywany „godzinami szczytowego nasłonecznienia”, kiedy słońce jest najwyżej na niebie, a Twój panel słoneczny jest najbardziej efektywny energetycznie. Dobrze jest być świadomym tej zmiennej i obliczyć, ile wynoszą Twoje godziny szczytowego nasłonecznienia.

4. Zablokowanie i kurz

Był taki moment, kiedy jedna z naszych maszyn do parkowania na otwartej przestrzeni zasilanych energią słoneczną ciągle traciła moc. Po wielogodzinnym sprawdzaniu każdego elementu sprzętu, zrealizowaliśmy, że maszyna została zainstalowana pod drzewem, a cienie nakładały się na część panelu słonecznego. Efektywność paneli słonecznych może być drastycznie zmniejszona, jeśli mała część jest zablokowana przez kurz, cienie lub opadły liść. Dlatego dobrze jest planować przewodnik projektowania energii słonecznej specjalnie dla miejsca, w którym będzie używany.

Pojedynczy liść może zmniejszyć efektywność panelu słonecznego prawie do zera procent.

5. Moduł intensywnie pobierający energię

Moduły o dużej mocy szybciej wyczerpują baterię. Jednak pewne aplikacje wymagają modułów o dużej mocy, takich jak drukarki termiczne, WiFi lub moduł GSM. W takim przypadku konieczne jest zrozumienie i przewidywanie zużycia energii przez moduł, aby można było zaplanować pojemność panelu słonecznego i baterii. Na przykład system może potrzebować aktywować moduł GSM tylko dwa razy dziennie, aby przesłać informacje do centrum danych. Prawidłowe obliczenie przewidywanego rozmiaru danych i prędkości transmisji dostarczy informacji o tym, ile energii zostanie zużyte podczas transmisji.

6. Architektura Firmware

Podczas gdy programiści firmware mają luksus wykorzystywania mikrokontrolerów do granic możliwości w aplikacjach niezasilanych energią słoneczną, energia słoneczna czyni ten proces bardziej delikatnym. Poświęć czas na opracowanie odpowiedniej struktury firmware. Może to sprawić, że Twoje urządzenie wbudowane zasilane energią słoneczną będzie działało tygodniami zamiast dni w pochmurną pogodę. Najlepsze podejście do opracowywania firmware dla systemu zasilanego energią słoneczną polega na umieszczeniu mikrokontrolera w trybie głębokiego snu, kiedy nie jest używany. Mikrokontroler będzie budził się z trybu głębokiego snu tylko na wybrane przerwania lub zaplanowane timery.

7. Projektowanie sprzętu z myślą o efektywności energetycznej

Jest niezbędne, aby zminimalizować prąd jałowy, gdy projektujesz sprzęt dla systemu wbudowanego zasilanego energią słoneczną. Oszczędność 1mA może być nieistotna w systemie niezasilanym energią słoneczną, ale w systemach solarnych może to przedłużyć czas pracy w pochmurny dzień. Dobrą strategią jest zapewnienie oddzielnego kanału zasilania dla logiki i peryferyjnych układów scalonych, które są kontrolowane przez mikrokontroler. Eliminuje to niepotrzebne zużycie energii, gdy system nie jest używany, niezależnie od trybu pracy mikrokontrolera.

Najlepsze systemy wbudowane zasilane energią słoneczną zużywają minimalną moc, gdy są w stanie jałowym.

Dlaczego musisz analizować swoją sieć dostarczania energii

Gdy utkniesz na pustyni, zdasz sobie sprawę, jak cenna jest woda, zwłaszcza gdy jesteś prawie przy ostatniej kropli. Ta sama zasada dotyczy efektywności energetycznej w systemach wbudowanych zasilanych energią słoneczną. Analiza sieci dostarczania energii () pozwala ocenić, czy ścieżki miedziane na PCB są wystarczające do efektywnego dostarczania energii do obciążenia. Będziesz chciał unikać wąskich przestrzeni miedzi lub zbyt małych przelotek między płaszczyznami miedzi. Spowoduje to straty rezystancyjne i generuje niepotrzebne ciepło. Możesz zapobiec temu potencjalnemu marnowaniu energii już na etapie projektowania, więc warto skorzystać z tej funkcji, jeśli twoje oprogramowanie ją oferuje.

Jeśli projektujesz system wbudowany zasilany energią słoneczną, wbudowane narzędzia takie jak PDN Analyzer^™ od Altium pomogą upewnić się, że Twój projekt nie przekroczy swojego budżetu energetycznego przed wyprodukowaniem.

Potrzebujesz więcej pomocy przy projektowaniu systemu wbudowanego zasilanego energią słoneczną? Skontaktuj się z ekspertem w Altium.