Alimentare con l'energia solare il mio sensore di umidità Wemos

Dopo aver costruito il mio sensore di umidità con Wemos, volevo renderlo indipendente dal portatile e dalla rete elettrica. Per farlo avevo bisogno di una batteria, di un modulo di ricarica e di un pannello solare.

Prima di scegliere i componenti, però, dovevo capire quanto consumava il Wemos durante un ciclo di misurazione e quanto consumava in un giorno.

Consumo giornaliero

Quando il Wemos si collega, la corrente sale a circa 0,07 A, cioè 70 mA. Ho considerato una tensione di 5 V e un tempo di esecuzione di circa 5 secondi.

Cinque secondi corrispondono a circa 0,00139 ore, quindi il consumo di un ciclo è:

0,07 A × 0,00139 h = 0,000097 Ah
                         = 0,097 mAh

Con due cicli al giorno:

0,097 mAh × 2 = 0,194 mAh al giorno

In deep sleep ho considerato un assorbimento di circa 0,15 mA:

0,15 mA × 24 h = 3,6 mAh al giorno

Sommando il deep sleep e i due cicli attivi, negli appunti ho stimato un consumo di circa 3,8 mAh al giorno.

Progettazione energetica

Per una settimana il calcolo diventa:

3,8 mAh × 7 giorni = 26,6 mAh

Non volevo scegliere una batteria al limite, perché in inverno c'è meno sole, il Wi-Fi crea dei picchi di corrente e la batteria non deve essere scaricata completamente. Per avere un margine ho moltiplicato il risultato per dieci:

26,6 mAh × 10 = 266 mAh

Avrei quindi potuto scegliere una batteria da 1000 mAh oppure una da 2600 a 3000 mAh. La seconda opzione mi sembrava molto buona per costo e durata, anche perché la batteria non sarebbe stata scaricata completamente.

Scegliere la batteria

Ho scelto la batteria considerando tre criteri:

1. la tensione;
2. la capacità;
3. la corrente massima che può fornire.

Il Wemos lavora a 3,3 V. Per questo ho considerato una singola cella agli ioni di litio, cioè una batteria 1S, con tensione nominale di 3,7 V e tensione massima di 4,2 V quando è completamente carica.

La batteria deve inoltre sopportare i picchi del Wi-Fi, che possono arrivare a circa 250 o 300 mA. Negli appunti ho scelto una Samsung 18650 da 3000 mAh, perché ha una capacità molto superiore al minimo calcolato e un costo contenuto.

Scegliere il pannello solare

Per passare dai milliampereora ai wattora ho usato questa formula:

Wh = (mAh × V) / 1000

Negli appunti il calcolo è:

3,8 mAh × 3,7 V / 1000 = 0,01406 Wh al giorno

Ho quindi considerato un pannello da 2 W. Con sette ore di sole, il calcolo ideale è:

2 W × 7 h = 14 Wh

Nei calcoli avevo annotato un pannello da 2 W e 6 V, mentre nello schema finale ho scritto 2 W e 5 V. Questo valore va quindi controllato sul componente scelto.

Modulo di ricarica e convertitore step-up

Il pannello non può essere collegato direttamente alla batteria, perché la batteria potrebbe sovraccaricarsi, durare meno o danneggiarsi. Serve quindi un modulo di ricarica tra il pannello e la batteria.

Negli appunti ho scelto un TP4056 con USB-C, adatto alla ricarica di una singola cella agli ioni di litio fino a 4,2 V. Ho inoltre annotato le protezioni DW01A e FS8205A contro sovracorrente e cortocircuito.

La tensione della batteria diminuisce durante la scarica, mentre il Wemos ha bisogno di una tensione costante. Per questo ho aggiunto un convertitore step-up, che porta l'uscita della batteria a 5 V stabili.

Il percorso completo che avevo immaginato era questo:

sole → pannello solare → modulo di ricarica → batteria
     → convertitore step-up a 5 V → Wemos → sensore di umidità

Il pannello fornisce energia, il modulo gestisce la ricarica, la batteria la accumula e il convertitore mantiene costante la tensione che alimenta il Wemos.