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3 façons d’alimenter un Arduino en énergie solaire (étape par étape !)

Dans ce tutoriel, je vais vous présenter 3 façons d’alimenter un Arduino (ou un Raspberry Pi) à l’énergie solaire.

Ces méthodes sont toutes :

  • Utilisent une batterie de 3.7V ou 12V
  • Alimenter la carte via le port USB
  • Ne nécessitent pas de soudure

Commençons.

1. DFRobot Solar Power Manager 5V

Cette petite carte est le DFRobot Solar Power Manager 5V, et c’est actuellement mon moyen préféré pour alimenter un Arduino à l’énergie solaire. Elle est bon marché et fonctionne avec les piles au lithium 3,7V courantes – comme les piles 18650 et LiPo. Et il n’y a pas de soudure ou de petits composants nécessaires.

Pièces

  • DFRobot Solar Power Manager 5V
  • Panneau solaire 5V
  • Pile au lithium 3,7V avec un support de pile compatible (ou pile LiPo 3,7V avec connecteur JST)
  • Arduino avec câble USB

Outils

  • Tournevis plat de précision

Etape 1 : Connecter la batterie au Solar Power Manager

Localisez les bornes de la batterie sur le Solar Power Manager. Il y a deux jeux. Les bornes de batterie blanches à gauche sont destinées à une batterie avec un connecteur JST. Les vertes à droite sont des bornes à vis pour les fils de la batterie. Dans cet exemple, j’utilise une batterie 18650 dans un support de batterie, donc j’utiliserai les vertes sur la droite.

Connectez les fils du support de batterie aux bornes vertes de la batterie. Ou, si vous utilisez une batterie avec un connecteur JST, branchez-la sur les bornes blanches de la batterie.

Remarque : lorsque j’utilise un porte-pile, j’aime connecter les fils de la pile avant d’insérer la pile pour limiter les risques de court-circuit accidentel de la pile.

Mettez la pile dans le support de pile. La carte ne s’allumera pas tout de suite.

Localisez le bouton BOOT sur la carte. Il se trouve à côté du port JST.

Appuyez sur le bouton BOOT pour allumer la carte. Une fois que vous l’avez fait, vous devriez voir la lumière ON s’allumer.

Étape 2 : Connectez le panneau solaire au Solar Power Manager.

Localisez les bornes solaires sur le Solar Power Manager. Il s’agit de l’autre série de bornes à vis vertes.

Connectez les fils du panneau solaire aux bornes solaires.

Placez le panneau solaire à l’extérieur, à la lumière directe du soleil.

Confirmez que le voyant rouge CHG s’allume.

Votre panneau solaire est en train de charger votre batterie de 3,7V. Il ne reste plus qu’à connecter l’Arduino.

Étape 3 : Branchez l’Arduino sur le port USB

Branchez votre Arduino sur le port USB du Solar Power Manager. Il devrait s’allumer et commencer à exécuter votre code ! Pour illustrer que mon Arduino fonctionne, j’ai téléchargé un programme simple pour allumer une LED. Comme vous pouvez le voir, la LED est allumée .

C’est fait !

Le Solar Power Manager va continuer à charger la batterie de façon solaire jusqu’à ce qu’elle soit complètement chargée.

Remarque : vous pouvez également utiliser cette carte pour charger votre batterie au lithium via micro USB. Il suffit de la brancher sur le port USB IN.

2. Contrôleur de charge solaire avec port USB

Un contrôleur de charge solaire se trouve entre le panneau solaire et la batterie. Il régule la tension et le courant du panneau solaire pour charger la batterie en toute sécurité et éviter les surcharges.

Les régulateurs de charge sont incroyablement courants dans les systèmes d’alimentation solaire 12V (et plus). Certains d’entre eux, comme le Wanderer 10A de Renogy, très abordable, disposent d’un port USB que vous pouvez utiliser pour alimenter votre Arduino ou Raspberry Pi.

L’inconvénient de cette approche est qu’elle est plus coûteuse et un peu plus complexe que la première méthode.

Pièces

  • Petit panneau solaire 12V
  • Régulateur de charge PWM 12V avec port USB
  • Petite batterie 12V
  • Câbles adaptateurs de la batterie au contrôleur de charge avec fusible
  • Arduino avec câble USB

Outils

  • Tournevis

Étape 1 : Connectez le contrôleur de charge à la batterie

Localisez les bornes de la batterie sur votre contrôleur de charge. Elles comportent généralement une icône de batterie ou les lettres « BAT » ou « BATT ».

Remarque : si vous n’avez jamais travaillé avec un contrôleur de charge, il est utile de savoir que vous connectez presque toujours la batterie au contrôleur de charge avant de connecter le panneau solaire. Et vous devez presque toujours déconnecter le panneau solaire avant de déconnecter la batterie.

Connectez les câbles adaptateurs du contrôleur de charge à la batterie aux bornes de la batterie sur le contrôleur de charge. Le câble positif doit être muni d’un fusible. Consultez le manuel de votre contrôleur de charge pour connaître la taille de fusible recommandée.

Remarque : comme précédemment, je préfère connecter les câbles de la batterie au contrôleur de charge en premier afin de limiter les risques de court-circuit accidentel de la batterie.

Connectez les câbles de la batterie aux bornes de la batterie. Votre contrôleur de charge devrait s’allumer lorsque vous le faites. (Dans cet exemple, j’utilise une grande batterie 12V 33Ah que j’avais déjà. Votre batterie 12V sera probablement plus petite et aura des bornes différentes des miennes).

Sélectionnez votre type de batterie. Suivez les instructions du manuel de votre contrôleur de charge pour sélectionner votre type de batterie (par exemple, scellée, au gel, inondée, au lithium). Dans cet exemple, j’utilise une batterie plomb-acide scellée, j’ai donc réglé mon type de batterie sur scellée.

Remarque : Cette étape est importante ! Les régulateurs de charge utilisent différents profils de charge avec des points de consigne de tension différents en fonction de la composition chimique de la batterie. Si vous ne sélectionnez pas le bon type de batterie, cela peut réduire la durée de vie de votre batterie.

Sélectionnez les bons paramètres de charge. Dans certains régulateurs de charge, vous pouvez choisir quand et pendant combien de temps le port USB est activé. J’ai réglé le mien sur le paramètre 17, ce qui, pour mon contrôleur, signifie que le port USB sera toujours activé.

Note : Si votre régulateur de charge a des bornes de charge, les paramètres de charge les contrôleront également.

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Étape 2 : Connecter le panneau solaire au contrôleur de charge

Localisez les bornes solaires sur le régulateur de charge solaire. Elles portent généralement l’icône d’un panneau solaire ou les lettres « PV ». (PV fait référence aux modules PV, ce qui est une autre façon de dire panneaux solaires).

Connectez les câbles du panneau solaire aux bornes solaires. Si votre panneau est suffisamment grand (50 W ou plus), ses câbles sont probablement équipés de connecteurs MC4. Si c’est le cas, vous devrez utiliser des câbles adaptateurs entre le panneau solaire et le contrôleur de charge pour connecter votre panneau.

Placez le panneau solaire à l’extérieur, à la lumière directe du soleil.

Confirmez que la batterie commence à se charger. Une fois que votre panneau reçoit suffisamment de soleil, le contrôleur de charge doit indiquer d’une manière ou d’une autre que la batterie est en train de se charger. Il peut le faire en faisant clignoter une LED ou en affichant une icône de charge sur son écran. De nombreux régulateurs de charge avec écran ont également un écran de courant PV qui indique le courant de charge. Par exemple, le mien affiche un courant PV de 0,2A, je sais donc que la batterie est en train de se charger.

Étape 3 : Brancher l’Arduino sur le port USB

Branchez l’Arduino sur le port USB de votre contrôleur de charge. Il devrait s’allumer et commencer à exécuter votre code ! Comme précédemment, j’ai programmé le mien pour qu’il allume simplement une LED pour montrer qu’il est allumé et qu’il fonctionne.

C’est fait !

Voici à quoi ressemblait mon installation terminée :

3. Contrôleur de charge solaire avec convertisseur 12V à 5V

Si votre contrôleur de charge n’a pas de port USB, vous pouvez toujours alimenter votre Arduino par énergie solaire en utilisant ses bornes de charge et un convertisseur 12V à 5V.

Note : Si votre contrôleur de charge n’a ni bornes de charge ni port USB, passez aux étapes alternatives ci-dessous pour savoir comment connecter le convertisseur 12V à 5V directement à la batterie.

Pièces

  • Petit panneau solaire 12V
  • Régulateur de charge PWM 12V avec bornes de charge
  • Petite batterie 12V
  • Convertisseur 12V à 5V avec port USB
  • Câbles adaptateurs de la batterie au contrôleur de charge avec fusible
  • Arduino avec câble USB

Outils

  • Tournevis

Étape 1 : Connectez le contrôleur de charge à la batterie

Localisez les bornes de la batterie sur votre contrôleur de charge.

Connectez les câbles adaptateurs du contrôleur de charge à la batterie aux bornes de la batterie sur le contrôleur de charge. Le câble positif doit être muni d’un fusible de taille appropriée.

Connectez les câbles de la batterie à la batterie. Une fois que vous l’avez fait, votre contrôleur de charge devrait s’allumer.

Sélectionnez votre type de batterie. Suivez les instructions du manuel de votre contrôleur de charge sur la façon de définir votre type de batterie (par exemple, scellée, gel, inondée, lithium). J’ai choisi scellée parce que j’utilise une batterie plomb-acide scellée.

Sélectionnez les bons paramètres de charge. Dans certains régulateurs de charge, vous pouvez choisir la durée pendant laquelle les bornes de charge restent sous tension. Suivez les instructions du manuel de votre contrôleur. J’ai réglé le mien sur le mode 17, ce qui signifie qu’ils resteront allumés 24 heures par jour.

Étape 2 : Raccorder le panneau solaire au contrôleur de charge

Localisez les bornes solaires sur votre contrôleur de charge.

Connectez les câbles du panneau solaire aux bornes solaires.

Placez le panneau solaire à l’extérieur en plein soleil et confirmez que la batterie commence à se charger. Votre contrôleur de charge doit indiquer d’une manière ou d’une autre que le panneau charge la batterie.

Étape 3 : Connectez le convertisseur 12V à 5V au contrôleur de charge

Localisez les bornes de charge sur votre contrôleur de charge. Elles ont généralement une icône d’ampoule ou le mot « LOAD » à côté d’elles.

Connectez le convertisseur aux bornes de charge.

Étape 4 : Branchez l’Arduino sur le port USB

Branchez votre Arduino sur le port USB du convertisseur. Il devrait s’allumer et commencer à exécuter votre code ! Une fois encore, j’ai programmé le mien pour qu’il allume une LED pour montrer qu’il est allumé et qu’il fonctionne.

C’est fait !

Voici à quoi ressemblait mon installation terminée :

Méthode alternative : Connecter le convertisseur 12V à 5V directement à la batterie

Si votre contrôleur de charge n’a pas de bornes de charge, ne vous inquiétez pas ! Vous pouvez connecter le convertisseur buck de 12V à 5V directement à la batterie. Vous aurez cependant besoin de quelques éléments supplémentaires.

Pièces et outils supplémentaires

  • Connecteurs de fils adaptés à votre batterie 12V
  • Sertisseur de fil
  • Pistolet thermique (si vous utilisez des connecteurs de fils thermorétractables)

Étape 1 : sertissez les connecteurs de fils sur le convertisseur 12 V – 5 V.

Prenez les connecteurs appropriés pour connecter le convertisseur à votre batterie 12V. Par exemple, j’ai utilisé des cosses à anneau qui étaient assez grandes pour les bornes de ma batterie.

Conseil : Achetez un bon paquet de connecteurs de fils. Cela vous évitera d’avoir à acheter des connecteurs différents pour chaque projet.

Sertissez les connecteurs de fils aux fils du convertisseur 12V/5V. Si nécessaire, rétractez-les à l’aide d’un pistolet thermique.

Étape 2 : Connectez le contrôleur de charge ET le convertisseur à la batterie

Connectez les câbles de l’adaptateur du contrôleur de charge à la batterie aux bornes de la batterie sur le contrôleur de charge. Le câble positif doit être muni d’un fusible. Ne les connectez pas encore à la batterie.

Connectez le contrôleur de charge ET le convertisseur 12V à 5V à la batterie. Votre contrôleur de charge devrait s’allumer.

Remarque : si les bornes de votre batterie 12V ne peuvent pas recevoir de connecteurs multiples, vous pouvez toujours relier le contrôleur de charge et l’adaptateur 12V à 5V à des barres omnibus ou à un bloc de fusibles.

Sélectionnez votre type de batterie. J’utilise une batterie plomb-acide scellée, j’ai donc sélectionné cette option.

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Étape 3 : Connecter le panneau solaire au contrôleur de charge

Connectez le panneau solaire aux bornes solaires (PV) du contrôleur de charge.

Placez le panneau solaire à l’extérieur, à la lumière directe du soleil. Une fois que vous l’aurez fait, votre contrôleur de charge devrait indiquer que le panneau solaire est en train de charger la batterie.

Étape 4 : Branchez l’Arduino sur le port USB

Branchez votre Arduino sur le port USB du convertisseur 12V à 5V. Il devrait s’allumer et commencer à exécuter votre code ! Encore une fois, j’ai programmé le mien pour qu’il allume une LED pour montrer qu’il est allumé et qu’il fonctionne.

C’est fait !

5 conseils pour l’alimentation solaire d’un Arduino

1. Choisissez la bonne carte pour votre projet

Dans tous ces exemples, j’ai utilisé l’Arduino Uno parce que c’est la carte Arduino la plus populaire. Cependant, elle n’est pas la plus économe en énergie. Vous pouvez économiser de l’argent sur la batterie et le panneau solaire en choisissant une carte qui est plus efficace et qui a seulement les caractéristiques dont vous avez besoin.

Par exemple, vous pouvez envisager une carte comme l’Arduino Nano. Elle possède le même microcontrôleur que l’Uno, mais consomme moins d’énergie.

2. Réduire la consommation d’énergie de votre Arduino

Une fois que vous avez votre carte, vous pouvez prendre certaines mesures pour réduire sa consommation d’énergie. L’objectif est de faire en sorte que votre carte consomme aussi peu d’énergie que nécessaire afin que vous puissiez économiser de l’argent en achetant une batterie et un panneau solaire plus petits.

Voici quelques conseils rapides :

  • Utilisez la bibliothèque officielle Arduino basse consommation pour activer les fonctions basse consommation.
  • Utilisez les modes sommeil et sommeil profond lorsque cela est possible
  • Supprimez les capteurs et le matériel inutiles

Consultez ce tutoriel de Maker Pro et celui de SparkFun pour plus d’idées et des instructions détaillées.

3. Effectuez un audit énergétique pour dimensionner votre batterie et votre panneau solaire.

Une consommation d’énergie réduite ! ✅

Vous pouvez maintenant estimer la consommation électrique moyenne de votre carte, ou utiliser un bon wattmètre USB pour la mesurer exactement.

En utilisant mon compteur USB, je vois que mon Arduino Uno consomme 0.2W. Cela correspond à 40mA à 5V. Et je vais le laisser fonctionner 24 heures par jour.

Avec cette information, je multiplie les watts par les heures pour obtenir sa consommation quotidienne moyenne en wattheures.

0,2W * 24 heures = 4,8Wh

Donc, dans cet exemple, mon Arduino consomme 4,8 wattheures par jour.

Disons que je veux une batterie qui puisse alimenter mon Arduino pendant 3 jours d’affilée avant d’être rechargée.

4.8Wh * 3 = 14.4Wh

Ma batterie doit être au moins de 14,4 Wh, mais idéalement un peu plus grande pour tenir compte des pertes et de la réduction de la capacité de la batterie au fil du temps. Je vais donc chercher une batterie dont la capacité est plus proche de 20Wh.

Après quelques recherches, je décide d’acheter deux batteries 18650 de 3,7V 3000mAh et de les connecter en parallèle, pour obtenir une banque de batteries de 3,7V 6000mAh. Cela donne environ 22,2Wh (calcul : 3,7V * 6Ah = 22,2Wh).

Disons que je veux un panneau qui puisse recharger la batterie en une journée. Il existe de nombreuses façons de dimensionner un panneau solaire pour un projet, mais je vais rester simple. Une règle empirique que j’ai déjà utilisée est qu’un panneau solaire – sous de nombreuses latitudes et dans de nombreux endroits aux États-Unis et en Europe – peut produire en moyenne environ 4Wh/W par jour lorsqu’il est monté dans un endroit ensoleillé.

Sur cette base, je choisirai au moins un panneau solaire de 6W, qui pourrait produire environ 24Wh par jour selon cette règle empirique. Cela permettra de recharger ma batterie à partir de son état vide, en tenant compte de sa capacité de 22.2Wh et de la consommation quotidienne de 4.8Wh de l’Arduino.

Note : Si vous utilisez un contrôleur de charge solaire PWM dans votre installation, vous voudrez augmenter un peu la taille de la batterie pour tenir compte de la consommation d’énergie du contrôleur de charge. J’opterais peut-être pour un panneau solaire de 10W dans ce scénario, par exemple.

4. Vous pouvez également alimenter de nombreuses cartes Arduino avec 7-12V sur la prise DC ou la broche VIN.

Vous pouvez également alimenter votre carte en connectant une prise DC 2.1mm x 5.5mm aux bornes de charge de la batterie ou du contrôleur de charge et en la branchant sur la prise DC de la carte. Si vous faites cela, vous n’aurez pas besoin d’utiliser un convertisseur 12V vers 5V.

L’inconvénient, cependant, est que les batteries 12V produisent souvent plus de 12V. Une batterie plomb-acide étanche de 12V est complètement chargée à environ 12,9 volts, par exemple. Et une batterie LiFePO4 de 12V est complètement chargée à 13,6 volts. (La tension des bornes de charge a correspondu à la tension de la batterie à chaque fois que je l’ai mesurée).

Certaines cartes, comme l’Uno, ont une limite de tension d’entrée de 20V. Mais, selon la page officielle du produit Arduino Uno, « si vous utilisez plus de 12V, le régulateur de tension peut surchauffer et endommager la carte. »

Je ne suis pas sûr qu’un supplément de 0,5 à 1V fasse des dégâts à long terme sur votre Arduino. Je vous laisse le soin de décider si vous voulez prendre ce risque ou non.

5. Montez le panneau solaire à l’angle d’inclinaison et d’azimut optimal pour votre emplacement.

Utilisez notre calculateur d’angle de panneau solaire pour calculer le bon angle d’inclinaison pour votre emplacement.

Pour l’angle d’azimut (direction), une règle simple consiste à orienter votre panneau vers le sud si vous vivez dans l’hémisphère nord, et vers le nord si vous vivez dans l’hémisphère sud.

Et, bien sûr, montez le panneau dans un endroit qui reçoit beaucoup de lumière directe du soleil tout au long de la journée.