Considérations de conception pour la récupération d'énergie photovoltaïque dans les appareils portables

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18143 (2022) Citer cet article

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La technologie portable apparaît comme une solution pour diverses applications biomécaniques et de mesure de la santé. L'énergie solaire photovoltaïque est une source d'alimentation supplémentaire viable qui peut réduire les exigences de taille de batterie dans les appareils portables. Cette étude décrit les considérations pour un dispositif de manchon portable et son système de convertisseur de puissance associé utilisant des panneaux photovoltaïques flexibles disponibles dans le commerce situés sur l'avant-bras. L'étude des effets de la courbure montre que si la courbure du panneau autour d'un avant-bras réduit la puissance de sortie, l'angle par rapport à la source lumineuse a un effet plus prononcé sur les caractéristiques de puissance de sortie et de tension. Parmi les divers agencements de panneaux sur l'avant-bras, celui avec cinq panneaux individuels de plus petite largeur fournissait la puissance de sortie la plus élevée après l'étage de puissance du convertisseur élévateur. Testé dans diverses positions statiques, le manchon PV a fourni jusqu'à 94 mW à l'extérieur, ce qui peut réduire efficacement la taille de la batterie tout en préservant la sécurité de l'utilisateur.

Les innovations dans les domaines de la détection, de l'informatique et de la fabrication ont déplacé les capacités des appareils portables au-delà de la surveillance biométrique (par exemple, la fréquence cardiaque1, le nombre de pas2,3) pour interroger des paramètres biomécaniques et de santé plus complexes (par exemple, la classification des activités4, la surveillance ergonomique, la reconnaissance des gestes5 ). Au fur et à mesure que la surveillance et l'analyse des signaux physiologiques et des mouvements corporels deviennent plus sophistiquées, les demandes de calcul et de puissance le seront aussi. Fournir une alimentation suffisante à de tels appareils, sans nécessiter de grosses batteries ou des cycles de recharge fréquents, est un défi qui est susceptible de prendre de l'importance à mesure que les appareils portables deviennent plus omniprésents. Une approche prometteuse pour étendre la puissance disponible consiste à compléter la capacité de la batterie avec de l'énergie récupérée d'un utilisateur, de ses mouvements ou de l'environnement.

De nombreuses sources d'énergie potentielles sont disponibles pour être récoltées dans des contextes portables6,7,8,9,10, y compris l'énergie solaire, les mouvements du corps, les ondes radio et les gradients thermiques entre la peau et l'air ambiant. Chacune de ces sources d'énergie présente des atouts et des inconvénients selon le(s) contexte(s) d'utilisation. Les mouvements du corps peuvent être récoltés à l'aide de générateurs piézoélectriques11, électromagnétiques12 ou triboélectriques13 mais nécessitent un mouvement mécanique (par exemple, les vibrations de la marche) et donc un utilisateur physiquement actif. La densité de puissance pour l'énergie récoltée à partir du mouvement humain est estimée à environ 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14. Les gradients thermiques entre la peau et l'air ambiant peuvent être captés à l'aide de générateurs thermoélectriques, avec une puissance typique de l'ordre de 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15. Cependant, la sortie diminue avec des gradients thermiques plus petits entre la peau et les températures ambiantes, comme dans une pièce chaude ou si l'utilisateur a une température cutanée basse ou une mauvaise circulation. Les collecteurs électromagnétiques ambiants peuvent extraire l'énergie des radiofréquences, mais la puissance récupérée dépend de la distance aux sources de radiofréquences16, avec une densité de puissance6 de l'ordre de 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) . En revanche, la puissance que les cellules photovoltaïques (PV) peuvent fournir est indépendante de l'activité de l'utilisateur, avec des densités de puissance signalées de 10 à 100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) sous la lumière intérieure ambiante et de 100 mWcm. \(^{-2}\) à la lumière directe du soleil à l'extérieur6. En raison de leur production d'énergie relativement importante, nous nous concentrerons sur la puissance de sortie des cellules photovoltaïques dans ce travail.

Plusieurs études d'utilisateurs17,18 ont montré que les utilisateurs donnent la priorité au facteur de forme, à la fonctionnalité et à la durée de vie de la batterie lors de la sélection d'appareils portables. L'intégration réussie de la récupération de l'énergie solaire dans les vêtements nécessite donc une combinaison de flexibilité, de hautes performances et d'efficacité. De plus, étant donné que ces vêtements peuvent être fabriqués à grande échelle, les processus qui fournissent des panneaux disponibles dans le commerce sont les plus importants pour les dispositifs portables au cours des cinq prochaines années. Les types de cellules photovoltaïques prometteurs pour les applications portables comprennent les cellules photovoltaïques à base textile19,20,21 et les cellules photovoltaïques à surface plane. En général, les cellules PV à base de fibres22,23,24,25 utilisent des matériaux fibreux (par exemple, des brins métalliques, optiques ou conducteurs) qui sont tissés dans des structures plus grandes22. Les cellules PV à base de fibres offrent deux avantages : 1) la forme texturée des cellules fibreuses peut entraîner une absorption accrue de la lumière diffusée ; et les PV à base de fibres ont des propriétés plus proches (mais pas exactes26) des textiles que les panneaux fabriqués avec un substrat continu et plan. Des travaux récents sur une autre plate-forme à base de fibres27, les "fils E solaires", préservent les propriétés mécaniques des textiles tout en maintenant l'efficacité pour laquelle les cellules photovoltaïques en silicium cristallin (c-Si) sont connues, en encapsulant des cellules solaires miniatures dans le fil. Une troisième approche dans les cellules photovoltaïques à base de textile utilise des tissus enduits par pulvérisation21 pour former la couche de récupération d'énergie.

Contrairement aux cellules photovoltaïques à base de fibres, les cellules photovoltaïques flexibles à surface plane28 sont des cellules solaires inorganiques, organiques ou hybrides qui sont fabriquées sur des substrats mécaniquement conformes. Les progrès récents dans la fabrication évolutive ont rendu disponibles dans le commerce des cellules photovoltaïques flexibles à couche mince à base de silicium29. Bien que ces panneaux soient très flexibles et puissent être cousus à la machine sur du tissu30, ils n'ont pas l'apparence ou les propriétés mécaniques des textiles. La viabilité de ces cellules a été démontrée dans une gamme d'applications portables31,32,33. Bien que les travaux récents et en cours sur le développement de cellules photovoltaïques à base de fibres offrent des promesses importantes pour les applications futures dans les dispositifs portables, les défis actuels liés à la génération d'une puissance suffisante et au développement supplémentaire requis pour qu'ils deviennent disponibles dans le commerce suggèrent que les applications à court terme devraient étudier les dispositifs portables conçus avec des cellules solaires flexibles à surface plane.

Des travaux antérieurs ont démontré des vêtements complets avec des cellules PV, y compris une veste34 et un bracelet35. Les cellules photovoltaïques dans les vêtements présentent quelques défis de conception critiques. L'un des défis consiste à prédire les effets de la déformation et de l'auto-ombrage des poses du corps sur la sortie du panneau. Une étude précédente36 a abordé les effets de la flexion sur la sortie des panneaux en silicium amorphe (a-Si) et a constaté que les panneaux pliés produisaient moins de puissance et avaient une tension de point de puissance maximale (MPP) plus élevée. Cependant, la traduction de ces résultats dans des contextes portables et des poses corporelles est moins claire. Un deuxième défi consiste à optimiser la taille, l'orientation et la disposition des panneaux photovoltaïques pour maximiser la production d'énergie dans la taille du vêtement. Le dernier défi consiste à estimer la puissance produite et convertie à partir de PV portables dans des positions corporelles réalistes. Une certaine capacité énergétique récoltée réaliste des panneaux photovoltaïques flexibles sur une période a été explorée37 précédemment, mais sans aborder les positions corporelles réalistes.

Dans ce travail, nous discutons des choix de conception de panneau, de convertisseur de puissance et de vêtement qui sont essentiels à une conversion de puissance efficace dans des contextes d'appareils portables. Nous caractérisons également les puissances de sortie des panneaux a-Si flexibles disponibles dans le commerce dans les conditions de charge attendues dans les appareils portables. Enfin, nous mesurons la puissance générée par un prototype de vêtement PV afin d'estimer le potentiel des panneaux PV flexibles pour compléter la capacité de la batterie dans les applications portables.

Le choix du type de panneau PV présente deux caractéristiques importantes : l'efficacité de la conversion de l'intensité lumineuse en énergie électrique, ainsi que la flexibilité mécanique et la durabilité du panneau. Les matériaux PV flexibles à couches minces courants comprennent le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), le tellurure de cadmium (CdTe) et le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Les efficacités rapportées des panneaux en feuille de polymère flexible dépendent du choix du matériau, car le CIGS peut atteindre 20,4 %, le CdTe peut atteindre 13,8 % et le a-Si:H peut atteindre 7,1 %38. Des panneaux de Si amorphe ont déjà été démontrés dans des contextes tels que la surveillance continue de la glycémie à partir de la sueur33. Sa structure amorphe aide également à réduire les dommages (et la réduction conséquente de la puissance) pendant la flexion38. Dans ce travail, nous discutons des considérations de conception liées aux cellules PV a-Si:H (ci-après simplement appelées a-Si) montées sur du plastique flexible.

L'interface entre le panneau PV et l'appareil portable est un autre choix de conception important. Les cellules PV sont connectées pour former un panneau et les connexions électriques à l'intérieur du panneau (c'est-à-dire un réseau en série, en parallèle ou en série-parallèle) affectent directement les caractéristiques de sortie du panneau. Les charges à l'intérieur du dispositif portable (par exemple, capteurs, microcontrôleur, batterie, écrans) peuvent être connectées directement à un panneau lorsque la tension nominale de la charge se situe dans la plage de tension de sortie du panneau. Cependant, étant donné que les caractéristiques de charge (c'est-à-dire l'impédance) ne sont pas optimisées pour le transfert de puissance, le panneau PV peut ne pas fonctionner au point qui lui permet de maximiser la puissance de sortie. Pour alimenter les charges avec la plus grande puissance possible, un convertisseur est utilisé pour contrôler la tension de fonctionnement du panneau PV et augmenter ou diminuer la tension pour répondre aux demandes de la charge. Une alimentation à découpage, telle qu'un convertisseur abaisseur ou élévateur, est généralement choisie en raison de son efficacité de conversion élevée et de sa mise en œuvre simple.

Pour un transfert de puissance et une efficacité optimaux, le convertisseur de puissance doit réguler la tension de la source PV au MPP (c'est-à-dire la tension à laquelle la puissance de sortie est maximisée). Il existe différents algorithmes de suivi du point de puissance maximale (MPPT) qui suivent le MPP et peuvent être directement implémentés dans les topologies de convertisseurs DC-DC standard39. L'un des algorithmes les plus largement utilisés dans les applications photovoltaïques est l'algorithme de perturbation et d'observation (P & O), qui incrémente activement le point de fonctionnement (perturb) et mesure le changement de puissance résultant (observe) pour se déplacer continuellement vers le MPP. De cette façon, il suit en permanence le maximum de la courbe de puissance PV et peut être implémenté sur un microcontrôleur à faible coût. Par rapport à d'autres algorithmes tels que la conductance incrémentielle, le contrôle de corrélation d'ondulation ou les techniques basées sur l'intelligence, P & O ne nécessite pas d'étalonnage, n'est pas intensif en calculs et le circuit est peu coûteux à mettre en œuvre40, il établit donc un équilibre entre la maximisation de la puissance et la facilité de mise en œuvre.

Étant donné une combinaison de batterie et de panneau PV, la tension PV MPP peut être supérieure ou inférieure à la tension de charge de la batterie. Les cellules à l'intérieur du panneau peuvent être connectées en série, où chaque cellule à l'intérieur du panneau partage le même courant, ou en parallèle, où chaque cellule partage la même tension. Lee et al.41 ont identifié que les panneaux PV connectés en parallèle, avec une tension MPP inférieure à celle des panneaux connectés en série, entraînent une puissance de sortie plus élevée pour les panneaux PV portables dans des conditions telles que les appareils portables où un éclairage non uniforme sur le panneau est attendu. Par conséquent, la sélection d'un PV connecté en parallèle avec une tension MPP inférieure et une topologie de convertisseur élévateur (Fig. 1) pour augmenter la tension est une conception efficace pour maximiser la récolte de puissance PV sur une gamme de scénarios d'éclairage. Alors que le bus de tension à la sortie du convertisseur alimente toutes les charges à l'intérieur de l'appareil (par exemple, capteurs, microcontrôleur), il est dominé par les caractéristiques de la batterie. Le fonctionnement du convertisseur élévateur est contrôlé par un microcontrôleur basse consommation, qui ajuste le signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) utilisé pour piloter le MOSFET en fonction de l'algorithme de contrôle MPPT.

Un schéma du système de récupération d'énergie PV avec convertisseur élévateur, où la grille du transistor est pilotée par un circuit de commande de grille (\(\phi\)) et contrôlée par un microcontrôleur.

Emplacements potentiels des panneaux photovoltaïques flexibles sur le corps. Le placement sur chaque emplacement présente des avantages et des inconvénients liés à la surface et à l'ombrage potentiel lors des mouvements normaux.

Pour concevoir l'architecture du système d'alimentation pour un appareil portable alimenté par PV, la consommation de courant moyenne de la charge de l'appareil, la puissance moyenne \(P_{avg}\) et la capacité de batterie prévue doivent d'abord être identifiées. Ces considérations sont illustrées par un exemple de conception hypothétique d'un appareil portable avec un microcontrôleur (MCU) 4 MHz, une unité de mesure inertielle (IMU) à 9 axes, huit capteurs de contrainte, un module MCU Bluetooth et un voyant d'affichage (LED) . Si la tension de charge est de 3,3 V et que les composants sont actifs environ 50 % du temps et autrement placés en mode basse consommation ou veille, la consommation de courant moyenne combinée serait d'environ 9 mA. Avec une marge de 10 % pour tenir compte des diverses pertes ou fuites, la consommation de courant moyenne sera d'environ 10 mA. La consommation de courant moyenne de chaque composant est indiquée dans le tableau 1.

Une fois que le courant de charge attendu est identifié, la capacité de la batterie peut être déterminée. Dans un appareil portable sans récupération d'énergie, la capacité de la batterie utilisable à une seule charge doit être supérieure à 80 mAh pour durer au-delà de 8 heures. La capacité de la batterie peut être réduite et la consommation d'énergie compensée si l'énergie solaire est disponible pour recharger la batterie pendant le fonctionnement de l'appareil. Une telle réduction de la capacité de la batterie permet un dispositif portable plus léger et plus discret.

Bien que la réduction de la capacité de la batterie grâce à l'énergie solaire offre une meilleure portabilité, elle présente également un compromis avec le temps de charge et l'augmentation de la température. Le taux C d'une batterie est une valeur normalisée basée sur sa capacité nominale42. Une étude a montré que la charge d'une batterie à 1,5 C (c'est-à-dire 1,5 fois sa capacité nominale) augmentait la température de la batterie de 6 °C, tandis qu'un taux de 0,5 C limitait l'élévation de la température en dessous de 2 °C43. La batterie devant être portée près du corps, limiter la température en dessous de 44 °C44 (pour la sécurité), et idéalement 40 °C (pour le confort), est primordial. Le taux de charge nominal doit être compris entre 0,5C et 1C42.

À l'intérieur, les panneaux photovoltaïques génèrent une faible puissance nominale, ce qui suggère que la surface du panneau doit être aussi grande que possible. Cependant, le courant fourni par les panneaux doit rester inférieur à 1C, même si le panneau est exposé au plein soleil. Le dimensionnement de la puissance du panneau doit alors être aussi grand que le permet le facteur de forme portable sans dépasser le courant attendu en plein soleil.

Le placement d'un panneau PV dans un vêtement nécessite une attention particulière aux déformations potentielles imposées au panneau lors d'une utilisation normale, à la possibilité que les panneaux gênent le mouvement de l'utilisateur, à la zone disponible pour placer un panneau et aux effets de l'auto-ombrage dû à la position du corps et proximité des objets. Nous évaluons le placement des panneaux PV à l'aide de deux paramètres : (1) la zone disponible pour placer les panneaux sur le corps et (2) le potentiel d'auto-ombrage lors d'activités quotidiennes typiques. La figure 2 est un diagramme de ces emplacements potentiels avec leurs classifications de zone et le potentiel d'ombrage. La mesure de la surface corporelle est prise pour le 50e centile des personnes aux États-Unis45,46,47, où la surface basse (−) est définie comme inférieure à 500 cm\(^2\) et la surface haute (+) est supérieure supérieure à 500 cm\(^2\). La métrique d'ombrage est évaluée par la présence d'objets proches (par exemple, des meubles) ou l'auto-ombrage pendant les poses normales du corps (par exemple, assis, debout), où le bas (-) est obscurci pendant la position assise et le haut (+) n'est pas obscurci.

Puissance générée par le panneau pendant le flambage (à gauche) et la tension (à droite), normalisée à la puissance de sortie sans contrainte.

L'effet de la courbure du bras sur la position du panneau. (a) Un diagramme de la conformation du panneau PV aux bras de grande et petite circonférence à partir des vues latérales et en coupe. (b) Une photographie du dispositif d'essai de courbure, du panneau et des lampes halogènes, avec une rotation de \(\thêta\) = 45°. (c) La puissance maximale générée lorsque la rotation et la circonférence changent. Alors que la courbure et l'angle affectent la puissance générée par les panneaux, l'angle domine la puissance générée. (d) Courbes PV pour les panneaux de 20 cm (à gauche) et plats (à droite). La diminution de la courbure augmente la puissance maximale de 12 à 14 mW. (e) Courbes PV pour un angle de 0° (à gauche) et une rotation de 50° (à droite). L'augmentation de l'angle diminue la puissance maximale générée de 14 mW à 8 mW.

Alors que le haut et le bas du dos offrent de grandes surfaces de panneaux, ces sites sont mal adaptés à la récupération d'énergie car les utilisateurs assis couvriront le panneau lorsqu'ils seront assis sur une chaise. Le placement sur le haut du dos et les épaules nécessiterait une conception et un placement soigneux des panneaux pour ne pas restreindre les mouvements aériens des épaules. De même, l'estomac et la poitrine subissent une grande expansion pendant la respiration, de sorte que le placement des panneaux ici peut restreindre la respiration naturelle des utilisateurs. En revanche, les bras supérieurs et inférieurs ne se plient pas pendant l'activité, ce qui réduit les risques de déformation du panneau, et ne sont généralement pas ombragés en position assise ou debout. Le bras supérieur a une grande rotation vers le plafonnier (et générerait donc une faible puissance). Alors que les avant-bras offrent une surface de panneau relativement petite par rapport à d'autres sites sur le torse, la faible probabilité d'ombrage et de restriction de mouvement en fait un emplacement utile pour les panneaux flexibles. Ce travail se concentre sur le placement de cellules PV à base d'avant-bras.

Les porteurs imposeront des contraintes mécaniques et des déformations, y compris une force normale, une tension et une courbure, sur les panneaux pendant l'utilisation. Nous étudions l'effet de la déformation sur la sortie du panneau, à la fois en tension et en courbure. Trois modèles de panneaux a-Si à substrat flexible (PowerFilm Solar, Inc.) avec des propriétés différentes ont été utilisés dans l'étude. Le tableau 2 montre les longueurs et largeurs des panneaux en cm, les tensions en circuit ouvert et MPP, et la puissance attendue (en mW) à un éclairement de 1 000 W/m\(^2\) (c'est-à-dire en plein soleil) et à 25 °C.

La tension MPP et la puissance de sortie des panneaux sous charge de traction, normalisées à une condition de contrainte nulle, sont illustrées à la Fig. 3. Les détails expérimentaux sont disponibles dans la section "Méthodes". Pour chaque type de panneau, la puissance augmente de moins de 10 % lorsque les panneaux passent du flambage à la tension, probablement parce que le panneau n'est pas auto-ombragé une fois qu'il n'est pas plié. En traction, la puissance normalisée est stable autour de sa valeur initiale à 5% près jusqu'à ce que la condition d'arrêt soit atteinte. Les variations de panneau à panneau dans la variation de tension MPP sont importantes pour les deux types de panneaux, mais ni le flambement ni la tension ne créent une tendance monotone sur la tension MPP.

Une photographie du manchon avec une charge de batterie, un convertisseur cc-cc et des panneaux PV recouvrant l'avant-bras. Les dimensions du panneau déterminent le placement sur le manchon.

L'effet de la rotation et de l'inclinaison sur la puissance de sortie. (a) Une photographie du dispositif de test de l'avant-bras, du manchon et des lampes halogènes, avec un angle d'inclinaison de \(\beta\) = 45\(^{\circ }\). (b) Une photographie des dispositions à un, deux et cinq panneaux sur la manche. (c) La puissance de sortie générée lorsque l'angle d'inclinaison change à des angles de rotation de 0° (gauche) et une rotation de 45° (droite). ( d ) Efficacité énergétique lorsque l'angle d'inclinaison change à des angles de rotation de 0 ° (à gauche) et à une rotation de 45 ° (à droite).

Placer un panneau PV sur un avant-bras induit une courbure, et les porteurs avec des avant-bras plus petits imposeront une plus grande courbure que des avant-bras plus grands (Fig. 4a). La figure 4c montre la puissance maximale produite lorsque la courbure du panneau et la rotation sont augmentées. La puissance de sortie est maximale (12 mW) pour un écran plat perpendiculaire à la source lumineuse et diminue lorsque la courbure ou l'angle augmente. Lorsque le panneau est orienté à 90° par rapport à la lampe, environ 2 mW de puissance sont encore produits. L'angle a un impact plus drastique sur la puissance produite que la courbure : augmenter l'angle de 0 ° à 90 ° réduit la puissance de sortie d'un facteur 6, tout en augmentant la courbure de 0,18 cm\(^{-1}\) (circonférence de 35 cm ) à 0,31 cm\(^{-1}\) (circonférence de 20 cm) diminue le débit de 20 % maximum.

Mesures de puissance à partir du manchon lors de différents scénarios. Le bras du mannequin positionné (a) vers le bas et droit, (b) vers le haut et droit, (c) vers le bas et plié, et (d) vers le haut et plié. (e) La puissance de sortie moyenne sur 30 secondes pour trois essais et (f) l'efficacité correspondante obtenue à l'aide du système de manchon et de convertisseur à cinq panneaux au cours de chaque scénario.

La figure 4d montre les courbes puissance/tension avec angle de rotation pour deux courbures : la plus petite circonférence de 20 cm et un panneau plat. À mesure que l'angle augmente, la tension du point de crête de la courbe, qui indique le MPP, diminue pour la plus petite circonférence, mais l'effet est moins prononcé pour l'écran plat. La figure 4e montre les courbes de puissance en fonction de la tension avec des circonférences pour un angle de rotation de 0° et 50°. Lorsque le panneau est tourné à 50°, la diminution de la circonférence entraîne une diminution observable de la tension MPP (point de crête de la courbe) alors que la variation de la tension MPP n'est pas significative à 0°. Ces résultats indiquent que pour une courbure plus élevée (circonférence plus petite), la tension MPP variera à mesure que l'angle de rotation change tout en portant le manchon.

Une autre considération dans la production d'énergie PV est les limites pratiques imposées par le vêtement. Pour une taille d'avant-bras donnée, nous voulons étudier quelle configuration de panneaux PV produira la plus grande puissance dans une gamme de conditions. Les panneaux sont intégrés dans un fourreau (Fig. 5) et connectés en parallèle entre eux (l'anode est orientée vers l'extérieur du bras et la cathode est orientée vers l'intérieur du bras), ce qui permet un minimum de câblage entre les panneaux. Lorsque la circonférence du bras augmente pendant l'activation musculaire, chaque panneau subit une contrainte de traction entre l'anode et la cathode.

La circonférence du bras de 20 cm sert de limite inférieure pour la taille des manches avec une longueur de panneau maximale de 19 cm pour permettre un dégagement au niveau des coudes et des poignets. Compte tenu de cette zone, trois configurations de panneaux PV flexibles différentes sont possibles : un panneau MPT3.6-150 (360 mW), deux panneaux MPT3.6-75 (360 mW) ou cinq panneaux SP3-37 (330 mW). Étant donné que la comparaison est la puissance PV possible sur le manchon, la surface du panneau PV n'est pas exactement la même dans chaque disposition. Le convertisseur DC-DC se monte sur le manchon et la batterie Li-ion agissant comme charge s'insère dans une poche du manchon (Fig. 5) ; ces composants restent les mêmes dans tous les agencements de panneaux.

Le manchon avec les panneaux photovoltaïques attachés est testé à l'intérieur (Fig. 6). La puissance de sortie est représentée sur la figure 6c et le rendement de la puissance de sortie sur la puissance d'entrée est représenté sur la figure 6d. Les résultats montrent que la disposition des panneaux PV a un effet prononcé sur la puissance de sortie. Commençons par comparer les arrangements avec un et deux panneaux, où les panneaux ont la même largeur (Fig. 2) et la même surface PV totale. Dans toutes les conditions de test, la disposition à panneau unique donne une puissance et une efficacité plus élevées que la disposition à deux panneaux, ce qui indique qu'il s'agit du meilleur choix entre les deux dispositions.

La disposition avec cinq panneaux PV produit systématiquement la puissance la plus élevée dans toutes les conditions de test, à l'exception de l'angle de rotation \(\theta = 0^\circ\) et de l'angle d'inclinaison \(\beta = 0^{\circ }\) (l'avant-bras fait directement face la lumière). Ce résultat est obtenu malgré sa puissance nominale inférieure (330 mW contre 360 mW) mais sa surface de panneau plus grande (117 cm\(^2\) contre 108 cm\(^2\)). Dans le cas d'inclinaison nulle et de rotation nulle, la puissance est inférieure à 3 mW en dessous de la disposition à panneau unique. Lorsque l'angle de rotation est \(\theta =0^\circ\), la disposition à un seul panneau donne un rendement équivalent ou légèrement supérieur à la disposition à cinq panneaux. Cependant, lorsque l'angle de rotation est \(\theta =45^\circ\), la disposition à cinq panneaux produit systématiquement la puissance de sortie et l'efficacité les plus élevées.

Une autre mesure de la production d'énergie PV est la quantité d'énergie que le manchon produirait dans une variété de positions de bras. La puissance produite par les panneaux et les convertisseurs a été mesurée sur un mannequin posé dans quatre positions différentes sous un ensoleillement direct allant de 770 à 820 Wm\(^{-2}\) (Fig. 7). La puissance moyenne enregistrée pour trois tests effectués dans chaque position, ainsi que le rendement énergétique, sont illustrés à la Fig. 7.

La puissance la plus élevée produite était de 93,9 mW, observée lorsque le bras était droit vers le bas (imitant la position debout) et que le manchon recevait la lumière directe du soleil. À l'inverse, la puissance la plus faible était de 13,5 mW, observée lorsque le bras était levé et incliné à 90 \(^\circ\) (imitant une conversation au téléphone) ; sur la base de cette position, les panneaux photovoltaïques du manchon pointaient légèrement vers le bas à l'abri de la lumière directe du soleil. Sur l'ensemble des essais dans différentes positions, la puissance moyenne produite était de 65 mW. Quant à l'efficacité du système, l'efficacité variait de 55,9% à 81,9%, avec une valeur moyenne de 74,8%. L'efficacité la plus faible s'est produite à la puissance d'entrée la plus faible, principalement en raison des pertes dans le contrôleur et le pilote de grille qui ne s'adaptent pas au niveau de puissance. Bien que l'efficacité puisse être encore améliorée, ces résultats vérifient les puissances de sortie obtenues pour une application de manchon portable lorsque le bras était droit vers le bas (77,0 mW) et vers le haut (93,3 mW), et plié avec le bras vers le bas (75,6 mW) et vers le haut (13,9 mW).

Les principales préoccupations pour évaluer les performances PV des appareils portables sont les changements de puissance de sortie (déterminés à la fois par la génération du panneau PV et l'efficacité du convertisseur) dus à la flexion du panneau et aux angles d'éclairage variables. Il a été observé que le MPP diminuait pendant la courbure. Ainsi, il est important d'utiliser un algorithme MPPT actif, tel que P & O, pour suivre ces variations, en veillant à ce que le panneau continue de fonctionner à son MPP.

Dans le cadre d'activités normales, les déformations mécaniques qui peuvent être imposées à un panneau PV porté par un manchon comprennent une tension entre l'anode et la cathode lorsqu'un utilisateur fléchit les muscles de son avant-bras et une courbure lorsque le panneau se conforme au bras d'un utilisateur. La tension sur la longueur du panneau sera limitée car la longueur de l'avant-bras de l'utilisateur est fixe. Les réponses du panneau aux tests de caractérisation de la tension suggèrent que la flexion musculaire aura un effet limité sur la sortie du panneau. Peu de changement dans la puissance de sortie ou la tension MPP se produit lorsque le panneau passe du flambage à la tension, le changement le plus important étant que le panneau reçoit la pleine intensité lumineuse à la condition de contrainte nulle.

Contrairement à la tension, la courbure et la position du panneau ont un impact sur la sortie, probablement en raison de l'ombrage, de la diminution de l'éclairement direct à mesure que la distance entre le panneau et la source lumineuse augmente et que l'angle d'incidence d'une source lumineuse augmente. L'angle de rotation a un effet plus important sur la production d'énergie que la courbure du panneau, avec un décalage limité sur le MPP. Ces résultats sont en accord avec des travaux antérieurs ; Park et al.36 ont observé des effets similaires dans les panneaux a-Si, avec une diminution de la puissance à mesure que la courbure du panneau augmentait en raison d'une intensité lumineuse plus faible et de l'auto-ombrage du panneau, tandis que la tension MPP restait relativement constante. L'effet de puissance réduite sera plus prononcé à mesure que la taille de l'avant-bras diminue, résultant de la courbure plus élevée et de la plus grande variation de l'angle d'incidence. Cependant, l'angle et la position du panneau ont un impact plus important que la courbure, nous nous attendons donc à ce que la puissance de sortie d'un collecteur PV à manchon soit généralisable à toute une population.

Les expériences d'inclinaison et de rotation démontrent également l'utilité d'un plus grand nombre de petits panneaux sur un grand panneau (Fig. 6). Dans la condition spéciale d'absence de rotation ou d'inclinaison, l'approche à panneau unique (MPT 3.6-150) dépassait celle à cinq panneaux (SP3-37), malgré la surface PV totale supérieure de 8 % dans la configuration à cinq panneaux (Fig. 6b). Le montage d'essai a une courbure étagée qui simule la forme d'un bras, avec une courbure inférieure à sa base ("coude") et une courbure supérieure à son extrémité ("poignet"). L'agencement à panneau unique se conforme mal au montage d'essai, ce qui entraîne une courbure inférieure sur le panneau, tandis que l'agencement à cinq panneaux se conforme bien et a une courbure plus grande. Sans rotation ni inclinaison, la majorité du panneau unique a un angle d'incidence élevé, tandis que certaines parties des panneaux sont incurvées à l'opposé de la lumière dans la disposition à cinq panneaux. Lorsque le dispositif de test est incliné ou tourné, la source lumineuse a toujours un angle d'incidence élevé sur une partie de l'agencement à cinq panneaux, tandis que la majeure partie du panneau unique a un angle d'incidence faible. En conséquence, la disparité entre les performances de l'agencement à un et à cinq panneaux augmente à mesure que l'inclinaison ou la rotation augmente.

La disposition à deux panneaux (MPT 3.6-75) a les performances les plus faibles des trois cas malgré la même surface PV que le panneau unique. Le comportement est à nouveau dominé par la déformation du panneau. En l'absence de rotation ou d'inclinaison, une partie du panneau est incurvée, ce qui entraîne des performances inférieures à celles du panneau simple. Ses performances sont également inférieures à celles du boîtier à cinq panneaux en raison d'une surface plus petite. Un deuxième facteur est la séparation entre les deux panneaux, ce qui amène chacun des deux panneaux à se conformer à la courbure plus près de la base. Le changement de courbure entre le haut et le bas de chaque panneau est plus important que dans la configuration à cinq panneaux, ce qui fait que le panneau s'incline par rapport à la surface de l'appareil d'essai et réduit son angle d'incidence par rapport à la source lumineuse. Étant donné que le changement de courbure pour le cas à panneau unique doit être continu (plutôt qu'une discontinuité présente au niveau de la séparation du panneau), la courbure et la conformité globales sont plus faibles, et le panneau ne présente pas autant de courbure à partir de la surface du test fixation.

Dans ces mesures, les plus petits panneaux flexibles plans peuvent mieux se conformer à une zone corporelle souhaitée, offrant un confort d'utilisation supérieur et générant une puissance plus importante dans une gamme de conditions attendues. Une stratégie multi-panneaux présente des avantages entre une production d'énergie plus généralisée, mais ajoute de la complexité dans la fabrication et d'autres problèmes de facteur de forme, comme la nécessité de retirer plus de panneaux avant de laver le vêtement. En tant que tels, les concepteurs utilisant des panneaux photovoltaïques doivent soigneusement considérer la puissance de sortie requise ainsi que le cas d'utilisation plus large du vêtement.

Les mesures de puissance à l'aide du mannequin ont été prises dans quatre positions statiques différentes et donnent une plage de puissance attendue lors d'une utilisation régulière dans des environnements extérieurs. L'exemple hypothétique précédent qui consomme 33 mW pourrait être chargé en continu dans les trois positions d'avant-bras les plus courantes (bas, haut et horizontal pointé vers le haut) qui fournissent plus de 75 mW. Même dans la position de puissance la plus basse (horizontale pointée vers le bas), la puissance de sortie mesurée était de 13,9 mW, soit 42 % de la consommation électrique nominale et allongera proportionnellement le temps de fonctionnement à partir d'une seule charge de batterie. Sur la base de ces résultats de puissance et en supposant que l'éclairement et la puissance résultante pourraient doubler dans des conditions extérieures, la batterie doit être supérieure à 51 mAh pour limiter le taux de charge de la batterie en dessous de 1C à 3,7V.

L'énergie solaire est une source d'énergie prometteuse pour fournir une alimentation supplémentaire aux applications portables afin de réduire la taille de batterie requise ou d'augmenter le temps entre les charges. Cependant, il existe des défis (par exemple, la réduction de puissance) dans le passage des panneaux rigides plats aux panneaux flexibles qui permettent ces applications. Ce travail a détaillé le processus de conception et les considérations d'un portable alimenté par PV via une application basée sur un manchon et a discuté de sa sélection de panneau PV et de convertisseur de puissance. La tension appliquée au panneau PV (par exemple à partir de la flexion musculaire) n'a montré aucun effet clair sur la puissance de sortie du panneau, tandis que l'augmentation de la courbure du panneau a réduit sa puissance de sortie et sa tension MPP. Des panneaux solaires flexibles disponibles dans le commerce de différentes tailles et caractéristiques électriques ont été utilisés pour déterminer la meilleure disposition des panneaux, tandis qu'un convertisseur élévateur qui suit activement le MPP a été utilisé dans l'étage de puissance. L'effet de la taille du corps sur la sortie du panel s'est avéré inférieur à la position des bras ; l'utilisation d'un plus grand nombre de petits panneaux peut compenser les changements d'angle de lumière plus efficacement qu'un seul grand panneau. Les résultats expérimentaux en extérieur vérifient la puissance fournie (65 mW en moyenne) par des panneaux photovoltaïques flexibles montés sur un manchon pour alimenter un appareil portable, même pour des circonférences d'avant-bras sur la plus petite extrémité de la plage adulte (20,4 cm).

En raison de leur optimisation pour la lumière extérieure, nous n'avons pas démontré la sortie du panneau sous un éclairage intérieur. Cependant, nous nous attendons à ce que nos conclusions selon lesquelles un nombre de panneaux plus élevé reste plus efficace dans différentes tailles de corps et conditions d'éclairage se généralisent aux conditions intérieures. Les travaux futurs se concentreront sur 1) l'examen de panneaux photovoltaïques flexibles destinés à être utilisés dans des environnements intérieurs pour permettre plus largement des dispositifs portables dans des conditions où les gens les utiliseront et 2) la conception d'expériences qui simulent un large éventail de conditions d'utilisation, y compris le rôle de la lumière réfléchie des surfaces environnantes, la construction du vêtement et les stratégies possibles pour le lavage ou le retrait des panneaux.

Pour comprendre les effets de la tension sur la puissance de sortie attendue, des panneaux de chaque type (N = 5) ont été placés dans un testeur universel de caractérisation des matériaux (5554, Instron) avec une lampe halogène de 250 W placée à 19,5 cm du centre du panneau. L'anode a été ancrée et la position de la cathode a été contrôlée pendant le test. À la position initiale, le panneau était déformé vers l'extérieur vers la lampe. La position finale de chaque essai mettait le panneau en tension. La position de la cathode a été augmentée de 1 mm lorsque le panneau était déformé et de 0,1 mm lorsque le panneau était sous tension et maintenu pendant que le balayage IV était mesuré avec une charge programmable CC (8542b, BK Precision). Chaque essai a été arrêté lorsqu'une force de traction supérieure à 20 N a été atteinte.

Pour estimer l'effet de la circonférence et de la rotation du bras sur la production d'énergie, les panneaux ont été placés dans un appareil de test personnalisé imprimé en 3D avec une circonférence de 20 cm à 35 cm par incréments de 5 cm (Fig. 4b). Ces valeurs correspondent approximativement du 5e centile pour les bras féminins à au-dessus du 95e centile pour les bras masculins45. Trois lampes halogènes (150 W chacune) ont été placées à une distance de 30 cm du centre du panneau, et les panneaux ont été manuellement tournés depuis l'alignement avec la lampe à un angle de \(\theta\). Lorsque le centre du panneau fait directement face à la lampe du milieu, l'angle de rotation est \(\theta =0^{\circ }\), et lorsque le centre du panneau tourne, l'angle augmente (Fig. 4b). Le MPP de chaque panneau a été mesuré en balayant la tension de charge et en mesurant le courant de sortie avec une charge électronique programmable CC (8600, BK Precision). Cinq mesures ont été prises à chaque angle et courbure, et l'irradiance dans tous les cas était d'environ 545 Wm\(^{-2}\).

Pour déterminer la puissance récoltée par les trois agencements différents de panneaux photovoltaïques, le manchon a été monté sur un appareil qui émule un avant-bras, où la base de l'appareil de test mesure 35 cm de circonférence et le haut de l'appareil (pour simuler un poignet) est 20 cm de circonférence. Le manchon avec les panneaux photovoltaïques attachés est testé à l'intérieur (Fig. 6) avec les trois lampes halogènes empilées verticalement. Le montage du manchon a été tourné (défini comme angle de rotation \(\theta\)) et incliné (défini comme angle d'inclinaison \(\beta\)), tandis que la puissance à la sortie du convertisseur élévateur a été mesurée. Les mesures ont été prises à des angles de rotation de 0 \(^\circ\) et 45 \(^\circ\), et à des angles d'inclinaison de 0 \(^\circ\), 30 \(^\circ\), 45 \ (^\circ\) et 60 \(^\circ\). À chaque angle, la mesure a été prise deux fois et les moyennes sont rapportées. Les trois agencements de panneaux PV montés sur le dispositif de test sont illustrés à la Fig. 6b.

L'arrangement avec cinq panneaux PV a été utilisé dans cette expérience car il a montré la puissance de sortie la plus élevée dans les tests précédents. La disposition à cinq panneaux et le système de convertisseur de suralimentation ont été placés sur l'avant-bras d'un mannequin pleine grandeur, qui avait une circonférence maximale de l'avant-bras de 20,4 cm. Le mannequin a été placé dans quatre positions statiques : (1) bras droit tout en pointant vers le bas, (2) bras droit tout en pointant vers le haut, (3) bras plié à 90 \(^\circ\) tandis que le bras est abaissé mais l'avant-bras est incliné vers le haut , et 4) bras plié à 90 \(^\circ\) tandis que le bras est abaissé mais l'avant-bras est incliné vers le bas (Fig. 7). Dans ces différentes positions, le mannequin a été placé à l'extérieur en plein soleil par temps clair et l'éclairement a été mesuré perpendiculairement au sol. La puissance de sortie (à la sortie du convertisseur boost) a été mesurée pour chaque test sur 30 s pour trois tests consécutifs dans chaque position.

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Ce travail a été financé en partie par le ministère de la Science et de la Technologie de Taiwan sous Grant 109-2221-E-002-097. Les auteurs remercient également Justin Kunimune pour son aide avec les figures LaTeX, le Dr Denise McKahn pour ses conseils dans la caractérisation de la réponse du panel à la tension, et Guan-Ru Li, Chi Jui Lo, Yu-Ting Yang et Shang-You Chiu pour leur aide dans mener des expériences.

Département de génie électrique, Université nationale de Taiwan, Taipei, 106, Taiwan

Katherine A. Kim et F. Selin Bagci

Département de génie électrique et informatique, Northeastern University, Boston, MA, 02115, États-Unis

Kristen L. Dorsey

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KK, SB et KD ont conçu et conçu les expériences. KK et SB ont conçu et construit le circuit imprimé. KK, SB et KD ont mené différentes expériences. KK, SB et KD ont interprété les données et rédigé le manuscrit.

Correspondance à Katherine A. Kim.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Kim, KA, Bagci, FS & Dorsey, KL Considérations de conception pour la récupération d'énergie photovoltaïque dans les appareils portables. Sci Rep 12, 18143 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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Reçu : 06 janvier 2022

Accepté : 11 octobre 2022

Publié: 28 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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