Energia Solare per un robot tagliaerba-Ecologico, economico, semplice!

Un robot tagliaerba è un oggetto bello, comodo e pratico. In termini ecologici, però, vi è ancora spazio per l'ottimizzazione, dato che per funzionare necessita costantemente di energia elettrica. Inoltre, posare il cavo 230 V per la fornitura di energia non è fattibile dappertutto. Ma un sistema a energia solare su misura può risolvere entrambi i problemi.

C'era una volta (3 anni fa) un ragazzino, il figlio dei vicini, che mi tagliava l'erba. Da quando però è diventato un giovane studente preferisce investire il suo tempo studiando, piuttosto che occupandosi del mio giardino. Così, ho comprato un robot tagliaerba, decisione che comportava anche un vantaggio addizionale: l'erba tagliata e i relativi nutrienti potevano così essere riciclati, anziché trasformarsi in poco tempo da un mucchio a una grande montagna di compost. Dopo le prime difficoltà nello stabilire i confini e trovare un cavo compatibile con la forma (piuttosto) complessa del giardino, il robot fece quello che avrebbe dovuto fare e, se non fosse che si è rotto, taglierebbe l'erba tuttora.

Operazione Solare

Tutto sarebbe stato meraviglioso e la favola sarebbe finita qui, se non fosse che la mia fidanzata, che ha un dottorato in chimica, non mi avesse di recente messo alla prova. Qualche tempo fa un mio buonissimo amico decise di equipaggiare il suo motoscafo con un frigorifero elettrico alimentato attraverso energia solare. Essendo "l'electricus" del mio clan, ero io ovviamente il responsabile dei calcoli di base necessari alla progettazione di questo sistema a energia solare. Non appena Alexandra venne a conoscenza di questa storia, assunse un'espressione di finta innocenza e mi chiese: E perché il tuo robot tagliaerba non è ancora alimentato a energia solare?" Bang! Ovviamente, dopo una domanda del genere, non potevo restarmene lì seduto indifferente. Così feci un rapido check mentale per valutare la validità di un progetto del genere, una ricerca su Internet per identificare i componenti necessari e i relativi prezzi e, giusto mezz'ora dopo, me ne tornai dalla mia ragazza piuttosto entusiasta dicendole: "è facile da realizzare e costa anche relativamente poco. Basteranno circa 100 €!" Lei sorrise, scettica, perché essendo una scienziata convinta, il sistema operativo installato nella sua mente operava "alla Goethe" secondo il motto "il messaggio lo sento bene, è la fede che mi manca!" Non sono di certo le belle parole a contare per lei, ma solo i fatti. E dunque avrei dovuto dimostrarglielo.

Considerazioni di base

Il mio robot tagliaerba è firmato Gardena, che sarebbe la versione economica del più conosciuto Husquarna. Per un giardino di circa 550 m2, deve poter lavorare per circa 4 h al giorno durante la fase di crescita - primavera e autunno; invece, durante il periodo estivo più secco, 2h al giorno o poco meno di lavoro saranno sufficienti. Fortunatamente, in questo caso, la luce solare abbonda proprio nel momento del bisogno. Il robot ha una batteria della durata di circa un'ora, dopodiché deve tornare alla stazione di base per ricaricarsi per un'ora, prima di continuare a falciare. Se voglio che lavori per due ore al giorno, devo programmarlo (wireless) impostando una finestra di tempo di 3 h perché devo includere l'ora necessaria di ricarica. Al fine di poter calcolare la quantità di energia necessaria per un ciclo di ricarica, ho fatto la seguente ricerca su Internet: presumibilmente, l'unità di alimentazione corrispondente fornisce 28 V a un max di 1.3 A. Siccome HTML è paziente, l'ho misurata e di fatto la mia alimentazione fornisce una tensione di 28.1 V (DC) quando non è in modalità di ricarica. Quando la batteria del robot è sotto carica, la mia pinza amperometrica indica una corrente di 1.29 A. Durante la fase di ricarica la tensione scende a 26.5 V. Ho pensato subito che "l'alimentazione fosse soft", cosa che più tardi si è rivelata falsa!

In ogni caso: 26.5 V x 1.3 A dà un risultato di circa 35 W, secondo la formula della potenza di A. Ries. Questo significa che servono circa 35 Wh per una ricarica della durata di 1 h. Dunque, per effettuare una falciatura in 4 sessioni una mattina d'estate, serviranno circa 140 Wh. Questa è la quantità di energia elettrica che questo sistema ad alimentazione solare dovrebbe riuscire a fornire (e immagazzinare) anche nel caso in cui il sole non sia proprio dei più splendenti. In aggiunta a tutto ciò, bisogna considerare i requisiti energetici della stazione di base, la quale alimenta i fili perimetrali con un segnale ad impulsi tutto il giorno e il relativo campo magnetico viene rilevato dal robot durante le operazioni (vedere il mio articolo [1]). Ho rilevato una corrente di riposo (non in carica) di 85 mA a 28.1 V. Di conseguenza, sono necessari circa altri 2.4 W  (≈ 58 Wh/d ) per le fasi di ricarica. Anche se questi valori sono validi specificamente per il mio tagliaerba, risultano più o meno validi anche per la maggioranza dei dispositivi reperibili al giorno d'oggi in commercio. Il mio robot è adatto per aree equivalenti a 1.100 m2 ed è quindi catalogato nella classe media. Robot dalle dimensioni più ridotte necessiteranno sicuramente di meno energia, mentre i modelli più grandi ne richiederanno quantità maggiori. In ogni caso, eseguire i calcoli per ogni singolo modello è l'idea migliore.

Sistema a energia solare

Se calcolo 200 giorni con una media di lavoro di 3 h/d per un anno, ottengo 600 cicli di carica, che si traducono in un fabbisogno energetico annuale di 21 kWh. Se aggiungiamo a ciò 11.5 kWh calcolando che 2.4 W x 24 h x 200 d ≈ 11.5 kWh otteniamo come risultato il costo dell'elettricità, pari a 9.75 € (30 ¢/kWh). Un sistema a energia solare di 100 €  permetterebbe al costo di rientrare nel giro di dieci anni. Conviene? In termini economici forse no, ma in termini ecologici di certo sì perché nello stesso lasso di tempo evita l'immissione di 105 kg di CO2 nell'atmosfera. Inoltre, potrete scegliere liberamente dove posizionare la stazione di ricarica, data l'indipendenza del device dalle connessioni elettriche principali. Terzo punto, Alexandra...Il sistema a energia solare per il robot tagliaerba necessita di quattro componenti (Figura 1): in aggiunta al pannello solare, è necessario procurarsi una batteria per l'accumulo energetico, per permettere al robot di ricaricarsi anche nelle giornate più nuvolose. Poi è necessario equipaggiarsi anche di un regolatore di carica, che permetta il trasferimento dell'energia dal pannello alla batteria, tenendo in considerazione la tensione della batteria al termine delle fasi di carica e di scarica. Ultimo ma non meno importante, serve un convertitore DC/DC per aumentare la tensione della batteria al livello richiesto dalla stazione di ricarica. Al fine di individuare i componenti più adatti è consigliato eseguire le giuste considerazioni e qualche calcolo approssimativo. Tutti i calcoli si basano sulla quantità massima di energia necessaria per un giorno, che nel mio caso è ≤200 Wh. Che inizino i calcoli!

Pannello solare

Idealmente, il pannello dovrebbe essere in grado di fornire in due ore la quantità energetica necessaria a un'ora di lavoro, tenendo in considerazione la fase di ricarica di 1 h. Calcolando la perdita energetica del 15% causata dal regolatore di carica e dal convertitore DC/DC, si arriva a circa 40 W per 2 h = 20 W di potenza continua durante il lasso di tempo in cui il tagliaerba lavora (e si ricarica). Dopo di ciò, se il sole splende, la batteria dovrebbe rimanere carica. Siccome la potenza in uscita da un pannello solare si misura in Wpeak, e raramente avrete le condizioni ottimali senza oscurare e inclinare propriamente il pannello, raddoppiare la potenza di output non è di certo sbagliato. È sufficiente un pannello con 40 Wpeak?

Secondo la mia opinione non lo è, dato che i raggi solari risultano piuttosto obliqui in primavera e autunno. Un fattore di sicurezza in più non è un'esagerazione. Dunque 80 Wpeak è nel mio caso il minimo. Ho ordinato un pannello del genere su eBay spendendo 55 € (Figura 2), perché il modello - che coincidenza! - possiede le dimensioni esatte, 77 x 66,5 cm, per essere posizionato sul tetto della cuccia del cane, che ho trasformato in un mini garage per il tagliaerba. I calcoli hanno dimostrato come in Germania, nella zona meridionale del Baden-Württemberg, a fine ottobre verso mezzogiorno, il pannello fornisce una potenza di output di circa 22 W, se montato orizzontalmente. I calcoli approssimativi erano corretti!

Batteria

L'energia accumulata dalla batteria dovrebbe essere sufficiente per almeno un giorno molto nuvoloso. Dunque, deve poter immagazzinare ≥140 Wh. Una batteria al piombo-acido AGM 12 V con 12 Ah ≈ 150 Wh costa circa 25 € su eBay. Una AGM è necessaria per poter compiere il maggior numero possibile di cicli di carica garantendo così una lunga vita all'applicazione. Un pannello 80 W fornisce una corrente di picco poco inferiore a 6 A. Dunque, la batteria si ricarica con un massimo di 0.5 C (solitamente di meno; vedere Box Currents in C), aspetto positivo per la durabilità. Si scarica a circa 40 W, che corrispondono a 0.25 C. Siccome avvengono anche molti cicli di ricarica parziale, è legittimo aspettarsi diversi anni di durata. Il minimo per questa applicazione è una batteria 12 Ah - di più sarebbe meglio - ma volevo testare la correttezza dei valori minimi ottenuti dal calcolo e ho quindi ordinato la batteria illustrata in Figura 3.

Regolatore di carica solare

Il mercato è saturo di piccoli regolatori di carica economici e compatibili con il mio progetto. Ne ho scelto uno tra i più costosi, 13,50 €, perché ha un alloggiamento in metallo e delle alette di raffreddamento posizionate sul lato posteriore. Forse ho esagerato, dato che il mio sistema utilizza solo il 20% dei 30 A disponibili. Queste unità poco costose funzionano tutte con un controllo PWM semplice, che non rientra però tra i migliori. Se volete un controller MPPT migliore (Maximum Power Point Tracking), e ottenere la miglior efficienza possibile, dovrete spendere almeno 75 €. Per poter restare nel budget di 100 € che mi ero prefissato all'inizio, ho optato per una versione più economica, Figura 4.

Convertitore DC/DC

Inizialmente ho pensato che un sistema a energia solare di 24 V con 2 batterie di 12 V connesse in serie sarebbe stata la soluzione più semplice. La stazione di ricarica del tagliaerba funziona probabilmente bene a 24 V, anche se è progettata per 28 V. Questo ci eviterebbe di dover impiegare un convertitore step-up che sarebbe altrimenti necessario per incrementare la tensione di esercizio della batteria 12 V, eliminando al contempo la perdita di conversione e la corrente di riposo del convertitore. Comunque, un pannello a 24 V ha un costo maggiore. È venuto a galla più tardi che avevo fatto bene a optare per una tecnologia a 12 V. Dovevo quindi trovare un convertitore step-up con potenza sufficiente per portare i 12 V/14 V della batteria ai 28 V richiesti. Doveva essere in grado di fornire almeno 40 W. Su Internet trovate moltissimi moduli adeguati al caso. Io ho deciso di comprare un modulo a 150 W, dalla riserva sufficiente, per meno di 10 €. La Figura 5 mostra la versione modificata e allocata in un supporto di plastica. È promessa un'efficienza del 95%. Cosa poi risultata vera, come dimostrato dalle mie misurazioni. Non è una sorpresa, è risaputo che il modello UC3843 è una buona soluzione per un IC1. In totale ho speso 55 € + 25 € + 13.50 € + 10 € per un totale di 103,50 € - avevo indovinato, giusto? - In aggiunta, ho dovuto spendere un paio di euro per le piccole parti, chiodi in acciaio inossidabile, cerniere e alloggiamento in plastica.

Conversione con ostacoli

Per prima cosa ho dovuto fare il lavoro meccanico, non propriamente amato dal mio cuore elettronico: il passaggio della stazione di base, dall'alloggiamento precedente al garage con pannello solare sul tetto. Le 4 immagini parziali rappresentate nella Figura 6 illustrano il procedimento.

Per prima cosa, le due metà del tetto (a) sono state tolte e gli abbaini rimossi come mostrato in (b). Dopodiché sono stati impiegati dei profili in alluminio per conferire stabilità ai resti traballanti della cuccia, infine il pannello solare è stato collocato per mezzo di cerniere (c). La scelta dell'acciaio inossidabile per le cerniere e i chiodi non è esagerata, si tratta di prevenire la formazione di ruggine. In (d) il risultato con il tagliaerba parcheggiato al suo interno. Nella Figura 7 viene illustrato come ho fatto a chiudere il pannello antivento, passaggio essenziale.

Dallo step successivo le cose cominciarono a diventare più interessanti: finalmente si poteva installare e collegare batteria, regolatore di carica e convertitore boost. La luce LED verde della stazione di ricarica si è subito illuminata, anche se il convertitore era stato settato a soli 27 V, considerando la caduta di tensione dell'alimentatore originale. Inizialmente tutto sembrava funzionare, il robot riconosceva i cavi perimetrali installati e funzionava perfettamente. Per testare se anche il sistema di ricarica funzionasse, l'ho poi posizionato nella sua stazione di carica. Il mio smartphone iniziò a suonare immediatamente e ricevetti un messaggio di errore sull'app del tagliaerba... sul display: "corrente di ricarica troppo alta". "Oh! Questo può causare un disastro!" Ho pensato mentre toglievo il tagliaerba dalla stazione di carica.  Quella sera Alexandra mi chiese se tutto fosse andato come previsto con il tagliaerba. Ho dovuto ammettere che in modalità inattiva il dispositivo funzionava bene, ma ricevere subito dopo quel messaggio non era stato per niente soddisfacente. Avrei dovuto sospettare che l'alimentatore del robot aveva un limitatore di corrente incorporato al suo interno e che quindi si ricaricava semplicemente con corrente costante. Domani misurerò l'alimentatore di corrente e, se necessario, aggiornerò il convertitore boost con un limitatore di corrente, oppure ne potrei costruire una replica. Se avessi connesso i 24 V delle batterie senza usare direttamente un limitatore di corrente, ci sarebbero state nuvole di fumo. Fortunato nella sfortuna.

Limiti di corrente

Il giorno seguente ho potuto appurare che le mie supposizioni erano state corrette. Con un carico di 24 Ω l'alimentatore originale forniva una corrente di 1.17 A a una tensione stabile di 28.05 V. Con un carico di 12 Ω ho potuto misurare solo 15.5 V. La corrente corrispondeva a 1.29 A. In un secondo test con 15 Ω il risultato è stato di 19.4 V per un'intensità stabile di 1.29 A. Dunque si trattava davvero di un alimentatore 28 V con un limitatore di corrente incorporato da circa 1.3 A. Dopodiché ho preso in esame la scheda di circuito del convertitore (Figura 8) estraendo il circuito quando necessario.

La metà superiore rappresentata in Figura 9 mostra il circuito originale. La metà inferiore mostra le mie modifiche in rosso.

La tensione di output viene regolata da IC1 cosicché i suoi input VFB ottengono una tensione di 2.5 V. Ciò è regolabile da P1 tra Vin e 34 V. La tensione in uscita di questo tipo di convertitore non può essere inferiore alla tensione in ingresso, perché, anche nei momenti in cui la conversione è spenta, vi è un passaggio di corrente verso l'output attraverso L1 e D1. Ma pensavo fosse sufficiente per una tensione di output variabile tra 14 V e 28 V. Così dovrete solo introdurre un resistore in parallelo (R6) e aumentare la tensione al polo VFB in caso di sovraccarico con un transistor PNP, al fine di ridurre la tensione di output. Prima cosa, ho rimpiazzato P1 con un resistore a valore resistivo fisso di 6.8 kΩ. Questo è risultato in un adattamento a 27 V. Dopodiché il sensore R1 per la corrente di input è stato sostituito da una resistenza superiore 0.22 Ω (SMD 2512) perché 150 W non sono necessari. Con 0.47 Ω per R6 e una tensione BE di circa 650 mV dell'addizionale T2, ci si può aspettare una limitazione di corrente di 1.38 A, che comunque non rappresenterebbe un grosso problema. Così ho installato i componenti in rosso (T2, R7, R8 direttamente sulla parte bassa della scheda) e preso l'amperometro: esattamente 1.30 A. Perfetto!

Tutto è bene quel che finisce bene!

Ho ricollocato il convertitore modificato all'interno del suo alloggiamento, per poi riposizionarlo nel garage del tagliaerba (Figura 10), e acceso: il LED verde si è acceso e tadaaaah! Nessun messaggio di errore dopo aver inserito il robot nella sua stazione di ricarica. Il regolatore di carica indicava che approssimativamente 37 W stavano alimentando il robot. Che cosa volevo di più? Prima di condividere il mio successo con Alexandra, ho testato il tagliaerba facendolo lavorare e ricaricandolo un paio di volte. Non si è verificato nessun problema. E se vi state domandando cosa succede nei periodi autunnali e primaverili, in cui piove per settimane intere - domanda legittima - con un tempo di lavoro di 2 h al giorno, la batteria dura solo 1.5, max 2.5 giorni, dopodiché si scarica e il robot deve stare in garage fino al prossimo giorno sufficientemente soleggiato. Anche se il cielo è leggermente nuvoloso, la luce che giunge è sufficiente per permettergli di accendersi. Se volete una riserva energetica maggiore, dovrete optare per una batteria e, possibilmente, per un pannello di dimensioni maggiori. Non sarà dunque esagerato scegliere un pannello 100 W e una batteria 20 Ah. Sia il regolatore di carica, sia il convertitore sono in grado di sopportare potenze molto più elevate. L'inverno non è un problema, è il periodo in cui il robot (batteria inclusa) vengono trasferiti dal mini garage al mio garage.

Appendice

La tensione di una batteria al piombo viene influenzata dalla temperatura. Di conseguenza, alcuni regolatori di carica hanno un sensore di temperatura per monitorare tale fattore. Il mio regolatore di carica include un connettore jack 3.5 mm apparentemente vuoto (Figura 11a). Quando ho svitato la custodia ho trovato un diodo semplice di silicone (b). Ovviamente, una giunzione PN ha un coefficiente termico di circa -1.7 mV/K e questo è sufficiente. Ma la prima costruzione non è risultata una buona idea per via dell'umidità e dei molti animali che la usavano come rifugio provvisorio. Dunque ho semplicemente tagliato le protezioni e ho riempito il gommino con colla a caldo (c). Ora è a prova di acqua e di animali. Se avete qualcosa di simile nella testa, sappiate che esistono dei convertitori step-up/down o boost/buck già pronti con possibilità di regolazione della corrente, basta spendere qualche euro in più. Così potrete evitare di fare le modifiche che ho fatto io.

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Riferimenti

[1] Articolo Elektor “Locating Wayward Wires”:
www.elektormagazine.com/magazine/elektor-141/57129

WEB LINK

ARTICOLO ORIGINALE IN INGLESE AL LINK: Solar Power for Mowing Robots | Elektor Magazine

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