Recogida de energía con paneles solares de baja potencia

Como la demanda mundial de energía sigue haciendo subir los precios del petróleo, los ingenieros de diseño de todos los espacios de aplicación están investigando técnicas para aprovechar la energía «gratuita». Las células solares fotovoltaicas proporcionan la energía alternativa más común. Se han realizado innumerables trabajos y estudios sobre los algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para extraer la máxima energía de una fuente solar. Sin embargo, estas técnicas son demasiado complicadas, demasiado caras y, francamente, demasiado intensivas en energía para ser muy útiles en aplicaciones solares de baja potencia.

Piensa en una aplicación que requiera un raíl de alimentación de 3,3 V que proporcione una potencia media de sólo unas decenas de microvatios con una potencia de pico de decenas de milivatios. Algunos ejemplos son un sensor inalámbrico remoto que funciona de forma intermitente, una cerradura de puerta de hotel, un dispositivo de control industrial, etc. Este diseño tendrá en cuenta el dispositivo de captación de energía (panel solar), un dispositivo de almacenamiento de energía (batería), un cargador de batería y un convertidor de tensión.

Figura 1. Cargador de baterías de captación de energía

Muchos fabricantes producen dispositivos fotovoltaicos de baja potencia, como G24i (www.g24i.com), IXYS (www.ixys.com) y la serie Panasonic Amorton (www.anasonic.net/energy/amorton/en/). Tengo cierta experiencia con los productos G24i, así que me centraré en sus módulos fotovoltaicos sensibilizados por colorante. El Indy4050 está pensado para aplicaciones de interior. Su 3050mm2 proporcionan unos 90mW a 200 lux y 465mW a 1000 lux. Recuerda que la iluminación típica de una oficina oscila entre 320 y 500 lux. Para las aplicaciones de baja potencia, la otra especificación clave es la tensión de salida a la que se alcanza la máxima potencia (VMP). Para el Indy4050, el VMP es de 1,8V a 200 lux y de 2,0V a 1000lux. Si se conectan dos módulos en serie, esta tensión máxima de alimentación se ajusta muy bien a una batería de iones de litio de una sola célula.

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Se pueden encontrar baterías de polímero de litio pequeñas (tanto en tamaño físico como en capacidad) de muchas fuentes. He comprado pilas en www.batteryspace.com, www.gmbattery.com y www.powerstream.compero hay muchos otros. Considera la batería PGEB016144 de 3,7V/200mAh de PowerStream. La capacidad de 740mWh puede alimentar una carga media de cientos de microvatios durante miles de horas, dando al panel solar tiempo suficiente para recargar la batería. Sólo mide 1 mm × 44 mm × 61 mm. Además, la tensión de alimentación máxima de 3,6 – 4,0V de dos módulos solares G24i conectados en serie coincide perfectamente con la tensión de carga necesaria de la batería.

Esto puede parecer una solución excelente tal y como está, pero todavía hay algunos problemas críticos de gestión de la energía. La tensión en circuito abierto de ambos módulos es de unos 5V a 1000 lux, más que suficiente para dañar la batería. Además, la tensión variable de la batería debe estar regulada a 3,3V. Dada la baja potencia disponible del panel solar y la cantidad de almacenamiento de energía que proporciona la batería, es esencial que el resto de las funciones de gestión de la energía requieran la menor corriente de reposo posible.

El sistema de cargador de baterías en derivación LTC4070 y el regulador reductor de alta eficiencia LTC3388 de Linear Technology cumplen perfectamente estos requisitos. Consulta la Figura 2 para ver el diagrama final de la aplicación. Con una tensión de batería de 3,7V y sin carga en la alimentación de 3,3V, la corriente de reposo combinada del LTC4070 y el LTC3388 es de sólo 1,2µA Prácticamente todos los electrones generados por las células fotovoltaicas llegan a la batería para su almacenamiento.

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Figura 2. Sistema de captación de energía LTC4070 y LTC3388

Hice funcionar esta configuración sin el LTC3388 durante algo más de dos días en condiciones miserables para comprobar el rendimiento. En lugar del LTC3388, simplemente cargué la batería directamente con una carga de 4kΩ (algo menos de 1mA – casi 4mW) y dejé el montaje fuera. Llovió casi continuamente durante las 52 horas que duró la prueba; algunas pausas en la lluvia, pero nunca el sol. Incluso con estas condiciones adversas, estaba claro que la batería estaba en carga neta. Con más experimentación y optimización, estoy seguro de que esta aplicación de carga constante de ~4mW podría alimentarse con un módulo solar más pequeño y una batería de menor capacidad. Aquí están los datos (no hay ningún sistema automatizado de adquisición de datos, simplemente me acerqué a la instalación y medí algunos puntos durante el experimento):

Figura 3: Carga de la batería

Te preguntarás por qué sólo hice este experimento durante 52 horas Pues bien, fui víctima de un gran robo (vale, quizá eso no se ajuste a la definición legal de «gran», pero en mi mente fue grande). Decidí dejar mi instalación fuera durante el fin de semana sin asegurar y a la vista. El lunes por la mañana había desaparecido sin dejar rastro. En resumen, es realmente posible utilizar productos fotovoltaicos de baja potencia con una eficiencia extremadamente alta (después de que el rendimiento de la energía solar a la eléctrica sea escaso, no puedo hacer nada al respecto). La clave es utilizar el menor número posible de circuitos integrados y asegurarse de que estos circuitos hacen su trabajo con el menor número posible de electrones. La otra clave es hacer coincidir el panel solar con el elemento de almacenamiento de energía. No se necesitan sofisticados algoritmos de MPPT si el elemento de almacenamiento de energía obliga al panel solar a funcionar siempre a su máxima tensión de alimentación o cerca de ella.

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