Techniques de conversion de puissance dans l'éclairage LED à énergie solaire

Les améliorations des performances des diodes électroluminescentes (LED) et des cellules solaires photovoltaïques grâce au développement de la technologie ont à leur tour augmenté les performances de l'application finale. Dans les applications qui combinent ces deux technologies, telles que l'éclairage à énergie solaire, il est possible d'améliorer considérablement les performances de l'application finale.

Par exemple, il est possible de réduire la surface de la cellule solaire car les cellules solaires à haut rendement convertissent une plus grande partie de l'énergie du soleil en électricité, et les LED à haut rendement peuvent fonctionner plus longtemps et plus lumineuses la nuit.

Les fabricants de solutions d'éclairage solaire essaient de profiter de ces avancées rapidement et à moindre coût ; Une façon d'y parvenir est d'utiliser une stratégie de conversion de puissance qui permet un développement et une mise en service rapides de solutions utilisant les dernières technologies. Cet article passera en revue les composants nécessaires pour développer un tel système et analysera les conséquences de cette approche.

L'éclairage à énergie solaire va des lanternes utilisées la nuit comme lampes portables dans les zones où les réseaux électriques ne sont pas fiables à l'installation de systèmes d'éclairage public à grande échelle.

Les différentes applications des systèmes d'éclairage solaire/LED sont utilisées massivement et globalement ; ils ne diffèrent que par l'échelle de l'application finale.

Les principaux composants de chacun de ces systèmes sont :

• Cellules solaires Collecteurs d'énergie

• Tambours. Stockage d'Energie

• DEL. émetteurs d'énergie

Comme le montre le schéma de configuration du système de la figure 1a.

Pour que cette implémentation soit fonctionnelle, le comportement de chaque élément doit être compatible avec les autres, ce qui signifie que l'évolution de la tension/courant de sortie de la cellule solaire doit être en ligne avec le profil de charge de la batterie, et le profil de décharge de la batterie doit répondre aux exigences de contrôle des LED.

La figure 2 indique les caractéristiques de chaque composant. S'il est possible de faire en sorte que le comportement de chaque composant se rapproche de celui de l'autre dans les limites d'une configuration donnée, il est presque impossible de garantir les performances.

La tension maximale de la cellule solaire (par cellule) est proche de 1 V, tandis que la batterie NiMH fonctionne dans la plage de 0,9 V à 1,4 V, et les LED ont besoin d'une source de courant constante, bien que leur tension directe ait généralement une valeur supérieure que 3V. De plus, la batterie NiMH a des exigences de charge spécifiques pour prolonger sa durée de vie utile.

Un système qui se connecte directement à tous ces composants présente des limites importantes, ainsi que des ramifications pour l'efficacité et la robustesse du système dans son ensemble.

La figure 1b présente un schéma de système alternatif qui répond à ces limitations. La connexion de l'électronique de puissance entre chacun des trois éléments principaux permet une plus grande flexibilité et optimise les performances du système dans son ensemble. Le microcontrôleur n'est pas critique ; un circuit intégré de charge de batterie autonome peut répondre aux besoins du profil de charge NiMH, et les circuits intégrés de contrôle LED peuvent convertir la tension de la batterie en une source de courant constant.

Cependant, la flexibilité d'une configuration sans microcontrôleur est limitée ; Les appareils sont susceptibles d'avoir une plage de fonctionnement très étroite, ce qui limite leur capacité à réagir aux changements. Si la configuration de la cellule solaire est modifiée, le circuit intégré de charge de la batterie devra être changé. Si la technologie ou la configuration de stockage d'énergie est modifiée, le circuit intégré de charge de la batterie et le circuit intégré du pilote LED devront être remplacés. Enfin, si le type de LED ou sa configuration est modifié, le circuit intégré du pilote de LED devra être reconfiguré. En raison du rythme de l'innovation, une flexibilité standard offre des réponses plus rapides aux exigences changeantes et aux nouvelles opportunités. La flexibilité du système découle du fait que les modifications peuvent être incorporées, pour la plupart, à l'intérieur du microcontrôleur sans qu'il soit nécessaire d'introduire des modifications importantes dans le matériel, ce qui nécessite une reconception et une approbation intensives.

Une solution basée sur des composants discrets aurait du mal à suivre l'innovation sans un composant qui optimise le système. Un circuit intégré de charge de batterie à usage général ne maximiserait pas la sortie de la cellule solaire de la même manière qu'une solution intégrée à un microcontrôleur qui comprenait également un algorithme MPPT (Maximum Peak Power Tracking).

Un microcontrôleur permet au concepteur de profiter des capacités croissantes de chacun des composants principaux, tout en permettant la réutilisation de l'architecture fondamentale. La figure 3 présente une implémentation proposée. Cette approche présente trois avantages.

Cette solution comprend quatre systèmes principaux : LED, batterie, cellule solaire et électronique de puissance. Le profil de charge de la batterie doit être contrôlé pour améliorer l'efficacité de charge et sa durée de vie, mais l'efficacité de charge dans son ensemble dépend également de l'efficacité de la cellule solaire. L'incorporation d'un profil MPPT dans l'algorithme de conversion devrait augmenter l'efficacité de la conversion Solaire -> Électricité. Le résultat est une réduction de la taille des panneaux solaires pour atteindre les objectifs de charge. La réduction de la taille influence le format du produit et offre au concepteur plusieurs options pour améliorer l'attrait visuel. La qualité de la lumière peut être une caractéristique extrêmement importante dans l'application cible, telle que son utilisation pour la lecture. La qualité de la lumière peut être attribuée à la forme d'onde du courant, à une tolérance étroite pour le courant de commande de la LED ou à l'ajout d'une gradation. La solution comprenant un microcontrôleur permet aux ingénieurs de conception d'optimiser tout, de l'efficacité des composants à la robustesse et à la durée de vie opérationnelle du système dans son ensemble.

Une seule cellule solaire, des piles rechargeables NiMH de qualité commerciale et quelques LED utilisant un courant d'entraînement de 20 à 75 mA peuvent alimenter une lanterne de lecture compacte et portable. La substitution de composants dans l'étage d'alimentation, tels que les MOSFET de puissance et les transformateurs, garantit que cette conception peut fournir une alimentation adaptée aux besoins d'éclairage de sécurité commerciaux et communautaires.

Le nombre de cellules solaires peut être augmenté, les batteries NiMH de qualité commerciale peuvent être remplacées par des batteries personnalisées et des LED à courant élevé nécessitant un courant de commande supérieur à 350 mA peuvent être utilisées.

Des cellules solaires de nouvelle génération ou une nouvelle LED avec certaines exigences de contrôle peuvent être rapidement adoptées pour le développement de nouveaux produits. Pour l'utilisation de ces produits, le client peut présenter d'autres exigences qui ne sont pas essentielles. Sa flexibilité va donc au-delà des avantages et entre dans la fonctionnalité de diagnostic, qui permet à un appareil d'anticiper et de communiquer lorsqu'il nécessite une maintenance.

Une solution de conversion de puissance basée sur un microcontrôleur offre une grande flexibilité en combinant deux technologies émergentes telles que le solaire photovoltaïque et les LED. La solution permet une mise en œuvre rapide des avancées qui répondent aux besoins des clients et adoptent les avancées de cette technologie émergente.