Energia dal sole

Le piccole lampadine da posizionare in giardino che caricano una piccola batteria tramite una cella solare sono di tendenza da tempo, ma come si può davvero sfruttare l'energia del sole? Abbiamo provato a raccogliere l'energia solare con un paio di pratiche soluzioni portatili.
Il funzionamento di una cella solare si basa sul fenomeno fotoelettrico, in cui un fotone, o quanto di luce, quando viene assorbito da un atomo, ne strappa un elettrone. Tutta l'energia del fotone viene trasferita all'elettrone, e l'elettrone risultante è chiamato fotoelettrone. Il materiale assorbente utilizzato in una cella solare è spesso un semiconduttore, come il silicio. Affinché il fenomeno si verifichi, l'energia e la lunghezza d'onda del fotone devono essere compatibili con il materiale semiconduttore utilizzato. Diverse sorgenti luminose producono risultati diversi con diversi tipi di celle solari. Lo spettro continuo del sole contiene molta energia a tutte le lunghezze d'onda, quindi funziona bene con tutti i tipi di celle solari. Ad esempio, i piccoli dispositivi elettronici come le calcolatrici tascabili utilizzano celle in silicio amorfo, che sono sensibili nella gamma della luce visibile. Pertanto, possono essere utilizzate bene in ambienti interni. Le celle ad alta potenza sono basate su silicio mono- e policristallino, dove la sensibilità è massima nella gamma dell'infrarosso. Tuttavia, producono energia su un'ampia gamma di lunghezze d'onda, quindi la loro efficienza al sole è significativamente migliore rispetto alle celle amorfe. La tensione prodotta da una singola cella solare è solitamente molto bassa, quindi le celle vengono collegate in serie per aumentarne la tensione. Queste celle collegate in serie sono comunemente chiamate pannelli solari.

Non collegato direttamente al dispositivo

Il problema dei pannelli solari è la forte fluttuazione della tensione che producono, che dipende sia dalla quantità di luce che dal carico collegato al pannello. Pertanto, i pannelli solari non possono solitamente essere collegati direttamente a un dispositivo elettrico con una tensione di funzionamento limitata. Lo stesso vale per il collegamento diretto del pannello a una batteria. Poiché la tensione prodotta da molti pannelli in condizioni ottimali può raggiungere i 21 volt, nella maggior parte dei casi è necessario un regolatore di carica. Questo garantisce che la corrente e la tensione di carica non diventino troppo elevate e, ad esempio, interrompe la carica di una batteria al piombo quando la tensione della batteria raggiunge i 14,4 volt. Alcuni dispositivi progettati per utilizzare i pannelli solari hanno un regolatore di carica integrato, quindi possono essere collegati direttamente al pannello. Oltre alle celle, i pannelli solari per uso domestico più economici contengono anche un circuito elettronico che regola, o mantiene, la tensione stabile. Questo circuito è spesso collegato tramite una porta USB, dove la tensione si mantiene tra i quattro e i cinque volt circa. Poiché la quantità di luce solare varia notevolmente, è consigliabile collegare sempre il pannello solare a una batteria o a una fonte di alimentazione di riserva. In questo modo, l'elettricità è disponibile anche quando il cielo è nuvoloso. Nelle condizioni finlandesi, la potenza prodotta dai pannelli solari in caso di cielo nuvoloso è praticamente nulla. Ottenere la massima potenza da un pannello solare non è affatto semplice. A seconda delle celle, la potenza prodotta dal pannello raggiunge il suo valore massimo solo con un determinato carico. Se il carico, ovvero la corrente, è troppo elevato, la tensione di uscita diminuisce significativamente. Se il carico è troppo basso, la potenza non viene sfruttata. A questo scopo, sono stati sviluppati i cosiddetti regolatori di carica MPTT (Maximum Power Point Tracking), che ottimizzano in modo intelligente il carico in diverse condizioni per ottenere la massima potenza. I regolatori MPTT possono raggiungere un'efficienza superiore di diverse decine di punti percentuali rispetto ai regolatori di base. La potenza può essere ulteriormente migliorata con supporti motorizzati per l'inseguimento solare.


Pannello da viaggio pieghevole

Con un pannello solare USB per uso mobile, le sfide sono più semplici rispetto al raggiungimento della massima potenza. Il problema principale riguarda il dispositivo da caricare, come un telefono, un tablet o un power bank, e il suo circuito di ricarica. Quando un telefono con ricarica intelligente viene collegato a un caricabatterie USB o a un pannello solare, verifica innanzitutto la codifica della connessione USB, ovvero se il caricabatterie è progettato per erogare, ad esempio, uno o due ampere di corrente di carica. Il circuito di ricarica eroga quindi al caricabatterie tale corrente. Se la tensione di carica diminuisce significativamente in questa fase, come spesso accade con pannelli solari a bassa potenza o in caso di maltempo, riduce la corrente di carica per riportare la tensione al livello desiderato (spesso intorno ai 4-5,5 volt). Dopodiché, la ricarica prosegue normalmente alla velocità selezionata. A seconda dell'elettronica di ricarica, il telefono può monitorare la tensione di carica in tempo reale e regolare la corrente di carica se necessario. Tuttavia, spesso la corrente di carica impostata inizialmente può solo essere ridotta. Questo è il motivo per cui si possono verificare inefficienze con i pannelli solari quando il sole si oscura brevemente per poi tornare a splendere un attimo dopo. La potenza di carica, che si è ridotta quasi a zero, non torna alla normalità e la batteria del telefono non si carica. Il modo più semplice per risolvere la situazione è utilizzare la funzione di reset del regolatore di carica del pannello solare. Quando rileva un calo di tensione dal pannello in condizioni di ombra, disattiva completamente l'uscita USB e la riattiva quando torna il sole. In questo caso, il telefono in carica ripeterà i passaggi iniziali e si caricherà rapidamente. La soglia di reset può variare e, in alcune situazioni, un'ombra parziale, ad esempio causata dal passaggio lento di una persona davanti al pannello, potrebbe non attivare il reset, anche se la potenza diminuisce significativamente. In questo caso, la corrente di carica potrebbe non tornare al livello originale prima della successiva ombra completa.

Studiare il funzionamento del pannello

Un metodo efficace per analizzare il funzionamento di una cella solare è utilizzare un misuratore di carica, che permette di individuare eventuali problemi in base alla corrente di carica misurata. Un misuratore da collegare tra un caricabatterie USB e il dispositivo può essere acquistato per meno di dieci euro. Il misuratore KCX-017 che abbiamo testato visualizza i milliampere-ora (mAh) trasferiti, oltre a tensione e corrente. Poiché la lettura dei milliampere-ora non tiene conto della tensione, un contatore di wattora sarebbe una funzione aggiuntiva auspicabile. Abbiamo misurato la precisione del misuratore e siamo rimasti piacevolmente sorpresi. Nel suo intervallo operativo, l'errore era di solo lo 0,5% circa sia per la corrente, sia per la tensione, sia per i milliampere-ora. A una tensione di cinque volt, il dispositivo indicava 4,98 volt. La corrente indicata era inferiore di 0,01 ampere rispetto al valore misurato per quasi tutto l'intervallo operativo. A una corrente massima di 3,0 ampere, il risultato era perfettamente corretto. Poiché il contatore di milliampere-ora funziona in base alla misurazione della corrente, l'errore era lo stesso. La capacità effettiva trasferita di 1.000 mAh veniva visualizzata sul misuratore come 996 mAh. Un misuratore che mostra corrente e tensione istantanee è certamente comodo, ma rende difficile osservare successivamente l'effetto della posizione del sole e delle ombre, a meno che non si tenga d'occhio il misuratore e si annotino le letture. A questo scopo, è preferibile un misuratore che registra i dati in un file di log o li trasferisce a un computer tramite connessione USB, ma i loro prezzi sono decisamente più elevati.

Download funzionante

Il caricabatterie solare a quattro pannelli che abbiamo testato si basa sulle collaudate celle Sunpower. Oltre a una connessione USB, offre anche un'uscita CC nominale di circa 12 volt. La tensione di una connessione standard da 5,5 x 2,1 millimetri è soggetta a forti fluttuazioni, pertanto è consigliabile utilizzare un modello compatibile. Abbiamo misurato una potenza massima in uscita CC di circa 10 watt e una media di circa otto watt nell'arco di tre ore, in condizioni di cielo quasi sereno. La funzionalità dell'uscita USB è stata testata caricando un iPad Mini. L'elettronica del pannello ha funzionato correttamente e abbiamo raggiunto una velocità di carica massima di circa 1,5 ampere. Non siamo riusciti a raggiungere la velocità di carica massima dell'iPad con i cavi utilizzati, nemmeno sotto il sole di una mattina di giugno. Il tempo nuvoloso e piovoso poco prima della stampa di questo articolo ha impedito test più approfonditi. Poiché la tensione di uscita del pannello solare e la potenza di carica che riceve variano notevolmente, il modo migliore per utilizzare il pannello è quello di collegare un alimentatore di backup tra esso e il dispositivo da caricare. La soluzione migliore è quella in cui l'alimentatore di backup non disattiva permanentemente l'uscita USB all'avvio o alla fine della ricarica. In questo modo, si ottiene una ricarica continua e stabile dall'alimentatore di backup, ad esempio, per il telefono, e, quando la luce solare lo richiede, un'integrazione all'alimentatore di backup che funge da UPS. Tra gli alimentatori di backup che funzionano come UPS si annoverano, ad esempio, il Blitzwolf BW-P3 da 10.000 mAh (solo uscita QC3.0) testato nel numero di gennaio di AVPlussa e lo Xiaomi PLM01ZM da 10.000 mAh. Anche il Biltema Powerpack da 10.400 mAh funziona in questo modo, sebbene disattivi brevemente l'uscita USB quando il pannello solare inizia a caricare l'alimentatore di backup. Tuttavia, il telefono può riprendere la ricarica normalmente dopo l'interruzione.

Pannello e banca in uno

Ma che dire della combinazione di un pannello solare e di una fonte di alimentazione di riserva? L'idea sembra improvvisamente geniale, dato che è significativamente più piccola di un pannello pieghevole e non richiede un cavo aggiuntivo tra i due dispositivi. Tuttavia, c'è un compromesso da considerare: la superficie del pannello è solo una frazione di quella di un pannello autonomo. E ovviamente, l'idea di posizionare una batteria agli ioni di litio in un involucro sigillato sotto il sole cocente per ore e ore è del tutto assurda.
Abbiamo testato un power bank da 8.000 mAh con un pannello solare che occupa gran parte della superficie superiore. Il power bank è sigillato con bordi in silicone, quindi dovrebbe resistere anche a condizioni di elevata umidità. I ​​coperchi delle porte USB non sembrano molto ermetici, quindi si sconsiglia di immergere il dispositivo in acqua, nonostante le promesse di impermeabilità. Abbiamo misurato la temperatura superficiale del pannello solare del power bank alla luce diretta del sole, riscontrando 63 gradi. All'interno del dispositivo, la temperatura sale piuttosto rapidamente a livelli dannosi per la batteria, riducendone la durata o, nel peggiore dei casi, creando una situazione di pericolo. Il dispositivo non dovrebbe assolutamente essere lasciato sul cruscotto di un'auto parcheggiata. Un aspetto positivo è che il power bank offre effettivamente la capacità dichiarata. La batteria interna da 29,6 wattora ha una capacità che supera leggermente tale valore, poiché con una corrente di scarica di un ampere dalla connessione USB, l'energia totale erogata è stata di 29,4 wattora. Considerando le perdite di conversione di tensione, il risultato è molto buono. Una ricarica completa dell'alimentatore di backup con un buon caricabatterie USB richiede circa cinque ore e mezza. I componenti elettronici si surriscaldano parecchio durante la ricarica. La corrente massima di una connessione USB più potente da due ampere è di circa 2,2 ampere e il circuito di protezione interrompe l'erogazione a 2,4 ampere.
L'alimentatore di backup testato è davvero buono in termini di capacità e corrente di carica. La gomma morbida migliora la resistenza agli urti e le guarnizioni riducono il rischio di bagnarsi. Allo stesso prezzo si possono trovare power bank migliori. Non vale la pena pagare di più per una funzione di pannello solare inutilizzabile.

L'articolo è una versione abbreviata di un test pubblicato sul numero 5/2017 di AVPlus.
TESTO E FOTO: Marko Auvinen

Testilaitteet
Caricabatterie solare con quattro pannelli (Pacchetto solare 24 W)
Prezzo: €69,99

Dimensioni: Aperto: 72 x 27 cm, chiuso: 16 x 27 cm
Peso: 560 gr
Connessioni: USB, CC

Caricabatterie di emergenza con cella solare e batteria di grande capacità (Caricabatterie solare da 8000 mAh)
Prezzo: €39,99

Dimensioni: 14 x 7,5 x 1,8 cm
Peso: 217 gr
Porta di ricarica: Micro-USB

Connessione di uscita: 2x USB

Corrente di uscita massima: 2,2 A
Corrente di carica: 1,8 A

Multimetro per la misurazione di corrente e tensione USB (KCD-017)
Prezzo: €7,99 Dimensioni: 6 x 2,9 x 1,5 cm
Peso: 26 gr
Connessioni: ingresso Micro-USB e USB-A, uscita USB-A

Variazione: visualizza tensione, corrente e milliampere-ora accumulati

Lisatietoja: teknikmagasinet.fi