Hướng dẫn Thiết kế PCB cho Việc Thiết kế Hệ thống Nhúng Sử dụng Năng lượng Mặt Trời

Bạn đã bao giờ đi nghỉ mà cảm thấy như mình cần một kỳ nghỉ khác ngay sau đó chưa? Tôi đã từng, kỳ nghỉ biển cuối cùng của tôi hoàn toàn bị hỏng bởi những cơn bão sấm sét liên tục. Thời tiết không thể đoán trước luôn là một bài toán khó khi tôi lên kế hoạch cho kỳ nghỉ tiếp theo của mình, đặc biệt là khi nó liên quan đến các hoạt động ngoài trời.

Tôi áp dụng cùng một thái độ thận trọng khi tôi thiết kế các hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời dành cho ứng dụng ngoài trời. Đó là một thách thức hoàn toàn khác so với các hệ thống nhúng chạy bằng nguồn cung cấp điện được điều chỉnh. Như thường lệ, tôi đã học được cách thận trọng theo cách khó khăn, vì nguyên mẫu sử dụng năng lượng mặt trời đầu tiên của tôi thậm chí không tồn tại qua một ngày dưới mưa.

Có nhiều khía cạnh cần xem xét và lên kế hoạch để đảm bảo rằng hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời của bạn tiếp tục hoạt động trong nhiều ngày không có ánh sáng mặt trời.

Các biến số cần xem xét khi thiết kế hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời

1. Tấm pin mặt trời

Không cần phải nói, tấm pin mặt trời là bộ phận quan trọng nhất của một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời. Monocrystalline là lựa chọn ưu tiên của tấm pin mặt trời vì nó hiệu quả hơn polycrystalline hoặc tấm mỏng, và nó hoạt động tốt trong thời tiết nóng. Có những tấm pin có thể chuyển đổi tới 22% ánh sáng mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên, hiệu suất năng lượng của monocrystalline và polycrystalline có thể khác nhau tùy thuộc vào nhà cung cấp của chúng, vì vậy việc xác nhận những chi tiết này trước là tốt.

2. Dung lượng Pin

Khi nói đến một hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời, một thông số quan trọng là thời gian hoạt động của hệ thống khi tấm pin mặt trời giảm xuống 0% hiệu suất. Các yếu tố môi trường có thể dẫn đến việc tấm pin mặt trời của bạn không nhận được ánh sáng mặt trời trong nhiều ngày hoặc tuần. Bạn sẽ cần một pin có dung lượng đủ lớn, và bạn cũng cần đảm bảo rằng tốc độ sạc của tấm pin mặt trời cao hơn tốc độ tiêu thụ năng lượng của pin. Nó không hiệu quả nếu mất 5 giờ để sạc pin và chỉ mất 2 giờ để hệ thống tiêu thụ hết năng lượng của pin.

3. Tiếp xúc với Ánh sáng Mặt trời

Một cách nào đó, công nghệ năng lượng mặt trời khá là đơn giản. Không có ánh sáng mặt trời, không có điện được sản xuất. Tuy nhiên, việc có 8 giờ ánh sáng ban ngày không có nghĩa là tấm pin mặt trời của bạn đang sản xuất điện một cách hiệu quả trong suốt 8 giờ đó. Có một thuật ngữ khác được gọi là “giờ cao điểm mặt trời” khi mặt trời ở vị trí cao nhất trên bầu trời và khi tấm pin mặt trời của bạn đạt hiệu suất năng lượng cao nhất. Việc nhận biết biến số này và tính toán giờ cao điểm mặt trời của bạn là điều tốt.

4. Vật Cản và Bụi

Có một lần, một trong những máy đậu xe ngoài trời sử dụng năng lượng mặt trời của chúng tôi liên tục hết năng lượng. Sau hàng giờ kiểm tra từng bộ phận phần cứng, chúng tôi nhận ra rằng máy được lắp đặt dưới một cái cây và bóng của cây che khuất một phần của tấm pin mặt trời. Hiệu suất của tấm pin mặt trời có thể giảm đáng kể nếu một phần nhỏ của nó bị che khuất bởi bụi, bóng râm hoặc một chiếc lá rơi. Đó là lý do tại sao việc lập kế hoạch hướng dẫn thiết kế năng lượng mặt trời cụ thể cho địa điểm sử dụng là điều tốt.

Một chiếc lá có thể giảm hiệu suất của tấm pin mặt trời xuống gần như không phần trăm. 

5. Mô-đun Tiêu Thụ Năng Lượng Cao

Các mô-đun tiêu thụ năng lượng cao sẽ làm cạn kiệt pin nhanh hơn. Tuy nhiên, một số ứng dụng đòi hỏi phải có các mô-đun tiêu thụ năng lượng cao như máy in nhiệt, WiFi hoặc một mô-đun GSM. Nếu đây là trường hợp, việc hiểu và dự đoán lượng năng lượng tiêu thụ của mô-đun là cần thiết để bạn có thể dự trù dung lượng của tấm pin mặt trời và pin. Ví dụ, một hệ thống chỉ cần kích hoạt mô-đun GSM hai lần mỗi ngày để truyền thông tin đến trung tâm dữ liệu. Việc tính toán chính xác kích thước ước lượng của dữ liệu và tốc độ truyền sẽ cung cấp một con số về lượng năng lượng sẽ được tiêu thụ trong quá trình truyền.

6. Kiến trúc Firmware

Trong khi các lập trình viên firmware có đặc quyền đẩy microcontroller đến giới hạn trong các ứng dụng không sử dụng năng lượng mặt trời, việc sử dụng năng lượng mặt trời khiến quá trình này trở nên tinh tế hơn. Dành thời gian để có được cấu trúc firmware phù hợp. Điều này có thể khiến hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời của bạn kéo dài hàng tuần thay vì chỉ vài ngày trong thời tiết u ám. Cách tiếp cận tốt nhất trong việc phát triển firmware cho một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời là đặt microcontroller vào chế độ ngủ sâu mỗi khi nó không được sử dụng. Microcontroller chỉ sẽ thức dậy từ chế độ ngủ sâu của mình bởi các ngắt được chọn hoặc bộ hẹn giờ đã lập trình.

7. Thiết kế Phần Cứng Tiết Kiệm Năng Lượng

Việc giảm thiểu dòng điện không tải là rất quan trọng khi bạn thiết kế phần cứng cho hệ thống nhúng được cung cấp năng lượng bằng năng lượng mặt trời. Việc tiết kiệm 1mA có thể không đáng kể trong một hệ thống không sử dụng năng lượng mặt trời, nhưng trong hệ thống năng lượng mặt trời, nó có thể kéo dài thời gian hoạt động trong một ngày u ám. Một chiến lược tốt là cung cấp một kênh nguồn riêng biệt cho logic và các IC ngoại vi được điều khiển bởi vi điều khiển. Điều này loại bỏ việc tiêu thụ năng lượng không cần thiết khi hệ thống không được sử dụng, bất kể chế độ hoạt động của vi điều khiển.

Các hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời tốt nhất là những hệ thống tiêu thụ ít năng lượng khi chúng ở trạng thái không tải.

Tại sao bạn cần phải Phân tích mạng lưới cung cấp năng lượng của mình

Khi bạn mắc kẹt trong sa mạc, bạn sẽ nhận ra nước quý giá như thế nào, đặc biệt là khi bạn gần như cạn kiệt nguồn nước. Cùng một nguyên tắc áp dụng cho hiệu quả năng lượng trong các hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời. Phân tích mạng lưới cung cấp năng lượng () cho phép bạn đánh giá xem các đường dẫn đồng trên PCB có đủ khả năng cung cấp năng lượng một cách hiệu quả cho tải hay không. Bạn sẽ muốn tránh các khoảng trống hẹp của đồng hoặc các vias quá nhỏ giữa các mặt phẳng đồng. Điều này sẽ dẫn đến tổn thất điện trở và tạo ra nhiệt không cần thiết. Bạn có thể ngăn chặn sự lãng phí năng lượng tiềm ẩn này trong giai đoạn thiết kế, vì vậy nó đáng để tận dụng tính năng này nếu phần mềm của bạn cung cấp.

Nếu bạn đang thiết kế một hệ thống nhúng được cung cấp năng lượng mặt trời, các công cụ tích hợp như PDN Analyzer^™ của Altium sẽ giúp đảm bảo thiết kế của bạn không vượt quá ngân sách năng lượng trước khi được sản xuất.

Bạn cần thêm sự giúp đỡ để thiết kế một hệ thống nhúng sử dụng năng lượng mặt trời? Liên hệ với chuyên gia tại Altium.