Автономное электропитание маломощных устройств постоянного тока от солнечных панелей

📅 2023-01-01 📄 source

"Аккумулировал" информацию, которую изучил, намереваясь построить бюджетную систему для питания своего ноута и разной мелочи от солнечных панелей на балконе

Составляющие типичной системы: солнечные панели + контроллер + (аккумулятор + остальная нагрузка (опционально включающая в себя инвертор с нагрузкой переменного тока, или "двухсторонний" инвертор-выпрямитель и зарядное устройство для аккумулятора, позволяющие также питать нагрузки и заряжать аккумулятор от внешней сети переменного тока, когда в ней есть напряжение))

Меня в основном интересовала минималистичная полностью автономная система с напряжением 12В без инвертора, для питания только маломощных энергоэффективных устройств постоянного тока (прежде всего USB гаджетов, в том числе современного ноута с USB-C питанием, которые можно запитать через доступные и недорогие "автомобильные зарядные устройства"). До полной реализации плана я не дошел, поскольку работодатель внезапно "подогнал" экофлоу:)

Грубая энергетическая оценка: при максимальной мощности ноута 60Вт, для его работы 16 часов в сутки нужно собирать 960Вт*ч. При идеальных условиях (солнце в зените, безоблачное небо) световой поток достигает 1000Вт/м2, КПД солнечных панелей около 80%. В наших широтах солнце никогда не поднимается в зенит, зимой даже в солнечную погоду световой поток в полдень будет значительно меньше (кстати, низкие температуры только повышают КПД, мощность солнечных систем зимой ниже только из-за более короткого светового дня, меньшей высоты подъема солнца над горизонтом, обуславливающей большие потери в толще пересекаемой "наискосок" атмосферы, и частой пасмурной погоды), но 960Вт*ч за световой день кажется достижимым с парой панелей на балконе

Лучшие источники информации, которые я нашел: Will Prowse (сайт: https://www.mobile-solarpower.com/ , форум: https://diysolarforum.com/ , ютуб-канал: https://www.youtube.com/@WillProwse ); книга "Energy Unlimited" (также известная как "Electricity on Board", автор Renout Vader/компания Victron: https://www.victronenergy.com/upload/documents/Book-Energy-Unlimited-EN.pdf )

Выбор напряжения системы: 12В привлекает доступностью "автомобильных" зарядных и прочих устройств и относительной безопасностью. Но низкие напряжения требуют бОльших токов для передачи той же мощности, а значит, более толстых проводников при тех же потерях в них, или больших потерь при той же толщине. В "серьезных" домовых системах автономного электропитания с солнечными панелями обычно вообще не предусмотрено питание "напрямую" для устройств постоянного тока, постоянное напряжение сразу преобразуется в переменное. Тем не менее, для маломощных устройств, находящихся в 1-2 м от солнечных панелей, смысл вроде бы есть.

Аккумуляторы

Помимо очевидной полезности аккумулятора для накопления энергии в часы максимальной освещенности и последующего равномерного потребления, большинству устройств необходим "источник напряжения", который выдает на них то напряжение, на которое они рассчитаны (либо околорабочее, либо, если нет возможности поддерживать его, околонулевое). Солнечные панели имеют сложные зависимости между освещенностью, напряжением и током, поэтому подключать к ним напрямую такие устройства нельзя. Так уж сложилось, что все массовые системы строятся "вокруг" аккумулятора, "задающего" напряжение системы, и заряжающего его контроллера

Есть множество типов аккумуляторов, но подходящих всего несколько:

• Свинцово-кислотные: дешевле и сердитее. У "простых" свинцово-кислотных (негерметичных, с жидким электролитом) есть две проблемы, делающие их слишком опасными/вредными для эксплуатации в помещении: утечка возникающего при заряде водорода и утечка электролита (т. е. кислоты, в виде испарений, либо в виде жидкости при физическом повреждении). Есть два усовершенствованных подтипа, у которых эти опасности минимизированы (выделяемые кислород и водород рекомбинируют обратно в воду внутри аккумулятора, а электролитическая жидкость находится в более-менее "связанном" состоянии):
  • AGM (Absorbent Glass Mat): вместо жидкого электролита внутри "стекловолоконная губка", пропитанная электролитом; испарения минимальны
  • гелевые: вместо жидкого электролита внутри содержащий электролит силикагель; испарения практически отсутствуют, как и опасность вытекания электролита при повреждениях; но стоит дороже, и при этом менее эффективен, более ограниченный ток заряда/разряда (гель ограничивает подвижность ионов)
• Литий-ионные: имеют большую удельную емкость и на порядки больше циклов заряда-разряда. Есть разные варианты "химии", но для домашней системы почти все используют LiFePO4, считающийся самым пожаробезопасным. Встречаются умельцы, которые что-то собирают из отдельных модулей тяговых батарей электромобилей, но это очень рискованно. Большинство покупает готовые, некоторые покупают отдельные элементы и контроллеры у китайцев

Основные характеристики аккумулятора:

• напряжение. Самые массовые и доступные 12 или 24В. На самом деле аккумулятор для определенного напряжения имеет какой-то (относительно) узкий диапазон напряжения "около" номинального, если еще точнее - сложные характеристики, связывающие напряжение, ток и уровень заряда. Для 12В реальные значения при разных уровнях заряда и нагрузках могут быть примерно от 10 до 14. Похоже, что все "автомобильные" устройства на это рассчитаны; прочие устройства, питающиеся от AC-DC БП, на которых указано напряжение 12В - непонятно.
• емкость. Обычно указывается в А*ч. Умножив на напряжение, можно получить энергию в Вт*ч. Самые массовые 120 А*ч с 12В, т. е. 1440 Вт*ч (как раз круглые сутки "максимального" использования ноутбука с мощностью 60Вт)
• максимальный ток разряда. Обычно нет смысла на него смотреть, для маломощной электроники он достаточен практически у любого аккумулятора, емкость которого позволяет использовать ее часами
• максимальный ток заряда. Обычно указывается в нелепых единицах "С", означающих "доля от численного значения в А*ч, если считать, что это А". У типичных "автомобильных" (для ДВС) аккумуляторов он слишком маленький для использования в "солнечной" системе, в которой нужно быстро зарядить аккумулятор за самые "солнечные" часы (например, 1 м2 панелей при 12В может дать ток до 67А)
• количество циклов заряда-разряда. При использовании аккумулятора его емкость постепенно убывает, причем со все возрастающей скоростью. Указанное в характеристиках количество циклов следует понимать как "количество циклов заряда до 100% - разряда до 0%, максимальными заявленными токами, после которых емкость уменьшается до..."

Насыщение-поглощение-поддержание: правильное зарядное устройство для зарядки аккумулятора использует три "стадии":

• насыщение: ЗУ поддерживает максимальный ток заряда, пока напряжение не достигнет номинального напряжения полностью заряженного аккумулятора
• поглощение: ЗУ поддерживает достигнутое напряжение, пока ток не уменьшится до определенного минимального
• поддержание: ЗУ понижает напряжение до чуть меньшего "поддерживающего", компенсирующего саморазряд

Самые известные производители LiFePO4 аккумуляторов: LiTime (бывший AmpereTime)

Я собирался брать https://www.litime.com/products/litime-12v-100ah-lithium-lifepo4-battery

Контроллер

"Солнечный" контроллер заряда аккумулятора - это, в сущности, зарядное устройство, рассчитанное на питание от солнечных панелей

Контроллеры бывают 2х типов:

• PWM (Pulse Width Modulation, широтно-импульсная модуляция): упрощенно говоря, подключает нагрузку напрямую к солнечной панели через "ключ" с обратной связью, замыкающей-размыкающей его в зависимости от напряжения. Из-за реактивности при замыкании или размыкании ключа происходит переходной процесс: при размыкании напряжение нагрузки плавно (быстро, но не мгновенно) устремляется к "минимальному" (обусловленному состоянием аккумулятора и сопротивлением нагрузки), при замыкании плавно устремляется к "максимальному" (обусловленному освещенностью панелей, состоянием аккумулятора и сопротивлением нагрузки). У контроллера есть узкий диапазон "целевого напряжения" (около того значения, которое в данный момент требуется для зарядки или поддержания заряда аккумулятора), и он замыкает ключ, как только напряжение на нагрузке становится меньше нижней границы этого диапазона, и размыкает, как только оно превышает верхнюю границу. Получается "пилообразное" напряжение, ограниченное этим диапазоном (именно из-за получающегося высокочастотного П-образного сигнала, управляющего ключом, это и называется "широтно-импульсная модуляция"). К сожалению, устройства постоянного тока рассчитаны обычно на 12 или 24В, аккумуляторы и контроллеры, соответственно, тоже, а массово производимые панели имеют оптимальное "напряжение максимальной мощности", при котором их КПД максимален, около 30В, и с PWM-контроллером, который таким способом "заставляет" их выдавать 12 или 24В, КПД системы сильно страдает, особенно для 12В.
• MPPT (Maximum Power Point Tracking, отслеживание точки максимальной мощности): сложное устройство, которое "нагружает" панели таким "эквивалентным сопротивлением нагрузки", при котором они работают с максимальным КПД, и трансформирует получающееся "напряжение максимальной мощности" (см. характеристики панелей) в то, которое нужно нагрузке.

Основные характеристики контроллеров:

• номинальное напряжение подключаемого аккумулятора и прочей нагрузки. Большинство контроллеров рассчитаны на одно из двух самых распространенных напряжений, на которые рассчитаны устройства постоянного тока, 12 или 24В
• Voc (см. характеристики панелей), максимальное напряжение панелей. Нужно учитывать при выборе сочетания контроллера, панелей и схемы их соединения. Обычно контроллеры не защищены от превышения максимального напряжения панелей и могут сгореть
• Ppv (photovoltaic), максимальная мощность панелей. Превышение максимальной мощности допустимо, контроллер просто не будет "снимать" ее всю. Нередко специально делают т. н. "overpaneling", когда суммарная мощность панелей в "полдень" превышает максимальную мощность контроллера и "срезается", но зато при этом "снимаемая" контроллером мощность достигает его максимальной не "на одно мгновение" за сутки, а на какой-то протяженный промежуток времени
• Ich (charge), максимальный ток заряда: важно учитывать при выборе сочетания аккумулятора и контроллера; при достаточной мощности, контроллер будет заряжать максимальным током, на который рассчитан он сам, и если аккумулятор рассчитан на меньший - будет плохо
• P0, собственная потребляемая мощность при отсутствии нагрузки

Самые известные производители контроллеров: Epever ("топ за свои деньги"), Victron ("дорого-богато", Европа, изначально производитель судового электрооборудования)

Я собирался брать https://www.epever.com/product/tracer-an-10-40a-mppt-charge-controller/ Epever Tracer3210A

Солнечные панели

12 и 24В панели: ересь, у панели нет "номинального напряжения", у нее есть сложные характеристики, связывающие напряжение, ток и освещенность. Продавцы часто указывают "номинальное напряжение" в значении "одно из распространенных напряжений питания устройств, ближайшее к напряжению максимальной мощности данной панели при идеальном солнечном освещении", но смысла в нем мало - для MPPT-контроллера оно не имеет значения, а для 12В PWM-контроллера панели с близким к этому напряжению "напряжением максимальной мощности" слишком невыгодны по соотношению цена/мощность.

Основные характеристики панелей:

• размеры
• вольт-амперные/вольт-мощностные характеристики при разной освещенности. Приводятся в виде набора графиков, при идеальном солнечном освещении (1000Вт/м2) и нескольких меньших значениях
  • Vmpp (max power point), напряжение максимальной мощности при идеальном солнечном освещении
  • Pmax, максимальная мощность, т. е. мощность при идеальном солнечном освещении и нагрузке, сопротивление которой приводит к падению вышеуказанного напряжения максимальной мощности. Обычно указано в названии панели
  • Voc (open circuit), напряжение открытой цепи при идеальном солнечном освещении. Практически это максимальное напряжение, которое может возникать на клеммах панели
• количество частей, на которые "разрезана" панель. "Разрезанность" помогает при частичном затенении
• количество ячеек
• поликристаллическая/монокристаллическая. Сейчас уже почти все монокристаллические, эффективнее

Самые известные производители панелей: Longi, Risen, Trina

Прочее

• безопасность:
  • устройства защитного отключения для систем переменного тока обычно неприменимы в системах постоянного. При размыкании контакта может возникать искровой разряд; в системе переменного тока он сразу гаснет (при переходе напряжения через 0), в системе постоянного - нет
  • есть такой маркетинговый термин, как "Marine grade" - "морского класса". В случае паранойи можно ориентироваться на него при выборе аккумуляторов и прочего. Подразумевается максимальная надежность и безопасность (катастрофичность пожара на судне очевидна).
• многие устройства потребляют неожиданно много мощности "в режиме ожидания". Например, многие "юсб-зарядки", когда к ним ничего не подключено
• питание десктопного компьютера (c ATX платой) постоянным током
  • picoPSU. Маломощные DC-DC ATX PSU, популярные для питания постоянным напряжением 12В того, что называют "Home theater PC". "Официальный" продается тут, наиболее мощная версия на 160 Вт: https://www.mini-box.com/picoPSU-160-XT . "Неофициальные" лепят ноунейм китайцы и продают "на развес".
  • HDPLEX. Имеют линейку относительно доступных DC-DC ATX PSU для 12В, даже на 800 Вт: https://hdplex.com/hdplex-800w-dc-atx-with-12v-63vdc-input.html
  • различные источники питания для "промышленных" компьютеров. Стоят неоправданно дорого.
  • сейчас внедряется новый стандарт питания плат ATX12VO, в котором от PSU на плату "приходит" только 12В (в прежних ATX кроме 12В есть также линии 5В и 3.3В, и по сути задача вышеперечисленных DC-DC PSU сводится к тому, чтоб "делать" их из входного 12В). С ним теоретически можно вообще отказаться от PSU, заменив его "переходником"... Но ATX допускает для линий 12В отклонение +-5%, кратковременное +-10%, солнечные контроллеры с аккумуляторами вряд ли обеспечивают такой узкий диапазон
• питание через USB
  • почти все современные устройства, питающиеся/заряжающиеся через разъем USB-C, используют механизм "быстрой зарядки" USB-PD. Есть поддерживающие его "автомобильные зарядки" с достаточной мощностью для питания любых современных ноутов, например, Baseus https://www.baseus.com/products/usb-c-car-charger-160w (100Вт порт с поддержкой USB-PD)
  • кстати, USB-C/USB-PD позволяет заряжать что угодно от чего угодно, хватило бы мощности. Телефон от ЗУ ноутбука, иногда даже ноутбук от ЗУ телефона (в спящем режиме и очень медленно). Но важно помнить, что кабели тоже рассчитаны на определенную мощность
  • стоит отметить хороший USB светильник Xiaomi ZMI LED
• использование повербанка вместо аккумулятора: нормальных решений для этого, похоже, нет. У повербанка есть встроенное ЗУ, рассчитанное на питание от USB или аккумулятора. Присоединить к нему "солнечный" контроллер без основательной переделки невозможно. При простом подключении то, как поведет себя "солнечный" контроллер, будет зависеть от устройства конкретных контроллеров, но он определенно не будет нормально работать, если "нагрузка" не будет вести себя как аккумулятор (см. насыщение-поглощение-поддержание). Устройств, предназначенных, подобно "солнечным" контроллерам, для сопряжения панелей с нагрузкой, но рассчитанных не на заряжание аккумулятора, а на "выдачу" просто постоянного напряжения, я не нашел
• интересно сравнить "плотность энергии" в устройствах накопления и трансформации на разных физических принципах
  • свинцово-кислотные батареи: 30-50 Вт*ч/кг
  • литий-ионные батареи: 200-300 Вт*ч/кг
  • суперконденсаторы: 3-10 Вт*ч/кг (промышленно производимые, если верить доступным источникам). Несмотря на на порядок меньшее значение, суперконденсаторы имеют огромные преимущества перед "химическими аккумуляторами": их число циклов заряда-разряда практически неограничено (движение электронов практически не деградирует внутреннюю структуру, в отличие от движения ионов в "химических"), они могут заряжаться и разряжаться очень быстро (очень большими токами, по сравнению с "химическими"). На данный момент при попытке найти информацию об основанных на них аккумуляторах очень много мусорной выдачи с "разъяснениями экспертов" про то, что конденсатор не применим в качестве "источника напряжения" (оно линейно убывает при разряде постоянным током, в то время как у "химического" аккумулятора остается близким к "номинальному" вплоть до "глубокого" разряда), но ничего не мешает приделать схему, делающую из линейно убывающего напряжения разряжающегося конденсатора постоянное до тех пор, пока мощности разряжающегося конденсатора хватает для питания нагрузки на нужном напряжении
  • набирающие много лайков в тиктоке видео про "гравитационные генераторы". Энергия груза, поднятого на 1м, равна 1*10*1/3600=0.0027... Вт*ч/кг. Например, для питания типичного роутера с энергопотреблением 10Вт посредством опускания поднятой на 1м гири весом 60кг с идеальным электрогенератором, гирю придется поднимать каждые 60*10*1/10=60 с. Тяжело? Ну, а что вы хотели. Сильное взаимодействие>электрослабое>>>...>гравитационное. Ваш организм эволюционировал для того, чтоб придумывать, как перемещать энергию "снаружи", обходясь при этом минимумом, необходимым для "управления", а не для того, чтоб "крутить педали генератора" или еще как-то "через себя":)
  • а еще есть такая штука как маховичный накопитель энергии. Емкость может быть очень большой, в прошлом кое-где даже строились и использовались "гиробусы" - автобусы с маховичными аккумуляторами с запасом хода около 6 км. Но - потери на трение и необходимость массивной защиты на случай разрушения

---

Return to index