19 апр. 2010 г.

Как правильно использовать солнечную батарею

Спонсор поста - компания SolarUA
 
Покупая солнечную батарею для питания и зарядки различных устройств в походных условиях, многие считают, что решили все свои проблемы в данной области. Но, как показывает практика, не тут то было - то зарядка не идёт, то мощности не хватает, то ещё какая неожиданность проявится.

Как же "правильно" использовать солнечную батарею, чтобы получить от неё максимум, того, что она может дать? Об этом и поговорим ниже.


Перво-наперво нужно понять, что энергия, получаемая от солнечной батареи - это пока ещё некий полуфабрикат, во многих случаях непригодный для питания многих устройств. Лишь самые "некапризные" из них могут её "переварить", в основном это аккумуляторы, да и то, не всех типов.

Плохое качество энергии заключается, во-первых, в нестабильности выходного тока и напряжения, и, во-вторых, в малом количестве этой энергии, явно меньше тех циферок, что присутствуют в описании солнечных батарей.

Для грамотного использования солнечной батареей необходимо придерживаться двух основных правил:

  • Солнечная батарея должна как можно больше времени находиться на солнце и работать, работать, работать… отдавать всё, что она может.
  • Должно быть устройство, которое накапливает всю энергию, что выдает солнечная батарея. Чаще всего, это либо аккумулятор, либо более сложный накопитель.
Использование этих двух простых принципов позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз, и при этом обеспечить гарантированную зарядку своих устройств, даже когда солнца нет.

Теперь подробнее.

Шаг первый. Солнечная батарея.

Для примера, возьмём гибкие солнечные батареи 6 Вт и 8 Вт от компании SanCharger. Их мощности вполне достаточно, чтобы обеспечить потребности туриста с набором из КПК, GPS, фотоаппарата, рации (в среднем, конечно, но большинству такой мощности вполне хватает).

Их вид и характеристики показаны ниже.

  
Солнечная батарея 6 Вт

  • Выходное напряжение (рабочее / без нагрузки) - около 6 В / 8В
  • Выходной ток (рабочий / короткого замыкания) - около 1А / до 1.3А
  • Габариты в сложенном состоянии - 200х195х9 мм
  • Габариты в раскрытом состоянии - 595х195х6 мм
  • Вес 400 г

Солнечная батарея 8 Вт

  • Выходное напряжение (рабочее / без нагрузки) - около 12.5 В / 16В
  • Выходной ток (рабочий / короткого замыкания) - около 0.66А / до 0.85А
  • Габариты в сложенном состоянии - 210х350х8 мм
  • Габариты в раскрытом состоянии - 420х350х6 мм
  • Вес 460 г
Материал фотоэлементов - аморфный кремний. Обе имеют встроенный последовательный диод для предупреждения разряда заряжаемых аккумуляторов.

Что же мы можем подключить напрямую к этим батареям? Аккумуляторы:

а) Проще всего зарядить от этих солнечных батарей обычные "пальчики", т.е. Ni-Mh или NiCd аккумуляторы.

От шестиваттной солнечной батареи можно заряжать от 1 шт до 4-х последовательно соединённых аккумуляторов, а от восьмиваттной - 1…8 шт.

Какие "подводные камни" стоит учесть при такой прямой зарядке? В первую очередь, перегрев аккумуляторов в конце зарядки. В большей степени это касается шестиваттной солнечной батареи, т.к. у неё в полтора раза больший выходной ток.

Возможность зарядки NiCd-NiMh аккумуляторов напрямую от солнечной батареи обусловлена тем, что этот тип аккумуляторов допускает пропускание через себя тока даже в полностью заряженном состоянии. Этот ток составляет примерно 1/10 от их ёмкости, т.е. через аккумулятор ёмкостью, например, 2400 мАч можно и после зарядки "прокачивать" ток до 240 мА.

В большинстве случаев, ток, снимаемый с солнечной батареи, много ниже паспортного (который, примерно, соответствует жаркому летнему дню на берегу южного моря), тут и не всегда ясное небо, и неточная ориентация батареи на солнце, да и само солнце может быть не в зените. В результате, ток с солнечной батареи оказывается, зачастую, не слишком превышающим безопасные для аккумуляторов величины, что и позволяет нам заряжать "пальчики" напрямую, без специального зарядника. И необходимость следить за перегревом возникает лишь при ярком солнце.

б) Свинцовые герметичные (гелевые) аккумуляторы на 6 В и 12В также можно заряжать от этих солнечных батарей. Правда, уже не от какой попало, а только от имеющей нужное напряжение, т.е. 6 В аккумулятор только от шестивольтовой шестиваттки, а аккумулятор на 12 В от двенадцативольтовой восьмиваттки.

Эти аккумуляторы после окончания заряда при пропускании через них тока начинают разлагать электролит и постепенно высыхают, поэтому нужен более строгий контроль за их состоянием. Т.е., как минимум, периодически нужно подбегать с тестером и проверять уровень заряда.

в) Литиевые же аккумуляторы заряжать напрямую от солнечной батареи без контроля просто нельзя, т.к. они не допускают перезаряда и просто выходят из строя. При крайней необходимости можно либо заряжать малыми порциями, чтобы заведомо не перезарядить, либо брать с собой в поход мультиметр и при зарядке постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе, чтобы оно не превысило 4.2 В / на банку.

Что же можно подключить из электроники к этим солнечным батареям? Чтобы гарантированно и безопасно заряжалось - практически ничего. Каждый раз нужно проверять эту возможность методом "тыка".  Некоторые рации заряжаются от источника 12 В.

Сотовый телефон, особенно простые модели, можно заряжать от солнечной батареи 6 Вт, от 8 Вт уже нельзя, т.к. у неё на выходе 12 В, которые просто спалят телефон. Но и при зарядке телефона следует учесть, что на ярком солнце батарея даёт слишком большой ток, а сам телефон его ограничивать, в большинстве моделей, не умеет. Большой ток вызывает как преждевременное старение аккумуляторов, так и просто их вспучивание, что уже совсем плохо. Поэтому на ярком солнце при прямой зарядке, следует ставить солнечную батарею под углом к солнцу, чтобы ограничить ток.

КПК и коммуникаторы. 95 % моделей (а может и больше) зарядить напрямую от 6-ти ваттной батареи не получится, а к 8-ми ваттной, как и сотовые, даже подключать нельзя. Невозможность зарядки вызвана, в основном, двумя причинами. Во-первых, недостаточностью тока из солнечной батареи (в основном это касается прожорливых КПК), что приводит падению напряжения на выходе батареи ниже допустимого и схема зарядки КПК прекращает работу, считая, что что-то случилось с источником питания. Во-вторых, даже если тока достаточно, то напряжение с солнечной батареи нестабильно, а многие устройства имеют весьма узкие границы допустимого входного напряжения, например, от 4.8 В до 5.5В. И как только мы выходим за эти пределы зарядка прекращается. Т.е. физически зарядка идти могла бы, но, увы, запрещена разработчиком гаджета.

Шаг второй. Улучшаем солнечную батарею.

Понятно, что такие проблемы реальной зарядки более-менее сложных устройств никого не устраивали. Поэтому самым простым способом исправления ситуации было использование электронных стабилизаторов напряжения на выходе солнечной батареи.

Стабилизатор не позволяет напряжению подняться выше заданного и поэтому исчезает риск спалить своё устройство высоким напряжением.

Первые стабилизаторы были линейными, т.к. просто отсекали лишнее напряжение, не позволяя ему пройти к потребителю. Затем разработчики быстренько сообразили, что грех переводить в тепло и так небольшое количество энергии от солнечной батареи, и начали делать стабилизаторы импульсного типа. Такой стабилизатор просто преобразует напряжение и ток одного уровня в другой с минимальными потерями (КПД около 80…90%), т.е. он может взять 12 В 0.5 А от источника и выдать 6 В, но уже 1 А потребителю (в идеале, без учёта КПД).

Используя подобный стабилизатор, мы можем уже не заботиться о том, какое напряжение будет на выходе солнечной батареи, лишь бы оно было не меньше, чем нужно гаджету.

Кстати, автомобильные адаптеры в прикуриватель, представляют собой такой же импульсный стабилизатор, но с фиксированным выходным напряжением, рассчитанным на конкретное устройство. К сожалению, большинство из них начинает работать лишь от напряжение около 8В, что не позволяет использовать солнечную батарею на 6 Вт, только 8-ми ваттку.

Т.о. использование стабилизатора позволяет использовать для зарядки КПК, сотовых, плееров или других "капризных" к питанию устройств как солнечную батарею на 6 Вт, так и на 8 Вт.

Шаг третий. "Сытые" гаджеты.

Ну что же, часть задачи по "кормлению" гаджетов мы решили - процесс стал безопасным, и питать их стало возможным от любой солнечной батареи. Но что делать, когда солнце вроде бы и есть, но недостаточно для нормальной зарядки? Т.е. физически мы могли бы зарядить наш КПК пусть и за более долгое время, но, по факту, электроника КПК запрещает нам это делать, т.к. мы не можем обеспечить достаточный, по её "разумению", ток.

Да, конечно, можно купить ещё более мощную батарею, но выход ли это? Дороже, тяжелее таскать, особенно, если на себе, да, и всегда наступит такой момент, когда слабый свет не позволит даже мощной батарее "прокормить" потребителя.

Другим недостатком использования только солнечной батареи со стабилизатором для питания гаджетов, является тот, что в те моменты, когда гаджет частично заряжен, он уже не берёт весь ток от солнечной батареи и этот ток просто теряется.

Более разумный выход заключается в использовании буферного аккумулятора или накопителя. Накопителем будем называть аккумулятор объединённый с электроникой, которая бы следила за его правильным зарядом/разрядом, стабилизировала выходное напряжение, а также выполняла другие функции, облегчающие жизнь пользователю.

Такой накопитель поглощает практически весь ток, который может выработать солнечная батарея.

По аналогии, накопитель - это большое ведро в которое льётся струйка энергии из солнечной батареи. Причём мощность струи может колебаться в десятки раз, неважно - любой поток сгодится для наполнения ведра - всё, что может дать солнечная батарея, всё складируется в аккумуляторы накопителя.

Когда же нужно накормить какой-нибудь гаджет, то он просто подключается к накопителю и черпает из него столько энергии и с такой скоростью, какой ему удобно, и "наевшись" отваливается, а не ждёт, когда же солнечная батарея соизволит нацедить ему нужную порцию.

Графически, различия в зарядке с накопителем и без представлены на рисунке ниже. На графике показан максимальный выходной ток солнечной батареи в течение некоторого времени и периоды, когда может заряжаться гаджет и накопитель.


Область закрашенная красным показывает те моменты времени, когда солнечная батарея вырабатывает достаточно тока, чтобы началась зарядка реального КПК непосредственно от солнечной батареи.

Сумма зелёной и красной областей, соответственно, время, когда происходит зарядка накопителя.

При построении графика, я пытался более-менее соблюдать масштабы реальных токов и их отношений. Так, например, некоторые КПК уже плохо заряжаются при токах ниже 1.2А, особенно, при разряженном аккумуляторе. Здесь, для примера, использован даже меньший ток - 0.5 А. Накопитель же, например, "Вампирчик-Литий", начинает заряжать свои аккумуляторы током от 10 мА, но на графике указно с запасом - 50 мА.

Т.е. мы можем видеть из рисунка, что при использовании солнечной батареи для непосредственной зарядки многих устройств, вся зелёная область просто отбрасывается, т.к. гаджет не может, зачастую, брать слишком маленький ток. Накопитель же съедает почти всё, и "зрелое красное", и "недоросшее зелёное".

Таким образом, получается, что даже, несмотря на то, что при накоплении энергии в промежуточном аккумуляторе и дополнительных преобразований теряется от четверти до половины энергии, полученной от солнечной батареи, мы всё равно оказываемся в выигрыше, причём многократном, по сравнению с непосредственной зарядкой гаджетов от солнечной батареи.

Кроме того, одним из плюсов использования буферного накопителя, является возможность зарядки в удобное нам время, а не только когда есть солнце. Часто гораздо проще и безопаснее зарядить своё устройство вечером в палатке, чем днём на ходу. Тем более, что многие дорогие гаджеты просто так, без присмотра, на долгое время на улице не оставишь.

Конечно же, существуют и другие накопители, например, достаточно много их представлено на сайте AcmePower. Но, если "Вампирчик" разрабатывался специально для туристов и позволяет питаться от любой солнечной батареи (5…20 В), то возможность зарядки продукции AcmePower от солнечных батарей нужно выяснять при покупке конкретных моделей. Часть информации, можно найти на сайте производителя гибких солнечных батарей компании SanCharger, где указаны конкретные модели совместимых накопителей и солнечных батарей.

И напоследок, просто приведу два комплекта для обеспечения электропитания в походе, которые мне кажутся наиболее рациональными.

Первый набор оптимизирован по максимальной экономичности использования энергии солнечной батареи:
  1. Солнечная батарея 8 Вт;
  2. Накопительный аккумулятор;
  3. Импульсный стабилизатор напряжения.
Солнечная батарея подключена непосредственно к аккумулятору, что позволяет исключить потери на работу схемы его зарядки. Остаются только потери "в химии", около 15%.

Стабилизатор подключается к контактам аккумулятора и питает нагрузку. Естественно, зарядка и питание потребителей могут выполняться одновременно.

В качестве аккумулятора можно использовать либо свинцовый гелевый на 12В, либо пачку пальчиков АА, в количестве 10 шт. Почему 10-ти, а не 8-ми? В основном, для безопасности. Десять последовательно включенных аккумуляторов имеют напряжение в конце зарядки около 14.5 В, а при таком напряжении 12-ти вольтная солнечная батарея уже не может "протолкнуть" в них большой ток и он резко снижается до безопасного по мере заряда, что позволяет также выполнять дополнительную балансировку аккумуляторов. Т.о., процесс заряда самостоятельно и безопасно прекращается, без необходимости в каких-либо внешних зарядниках.

Недостатком использования такой пачки аккумуляторов является то, что из-за разницы в реальных ёмкостях, аккумуляторы с меньшей ёмкостью будут "изнашиваться" быстрее остальных, особенно, при глубоких разрядах. Поэтому желательно периодически проверять их состояние, измеряя напряжение на каждом аккумуляторе.

Вторым недостатком, впрочем, весьма относительным, такого набора можно считать желательность использования солнечной батареи именно на 12В. Но эти батареи имеют примерно вдвое большие размеры в сложенном виде, чем 6-ти Ваттные.

Основных же достоинств у такого набора три.
  1. Меньшая стоимость электроники по сравнению со вторым вариантом, хотя, с учётом стоимости аккумуляторов, разница уже не будет слишком велика.
  2. Важнее, большой отдаваемый ток на относительно высоких напряжениях. Причём ток можно легко увеличить, используя большее количество стабилизаторов.
  3. Буферный аккумулятор имеет стандартное автомобильное напряжение (9…14 В), поэтому к нему можно без труда подключать любые адаптеры для устройств, работающие от прикуривателя. (Лишь бы они не потребляли ток, больший, чем может отдать аккумулятор)
Второй пункт актуален тем, кто использует видеокамеры, либо некоторые виды спутниковых телефонов, которые питаются от напряжений 8.4 В и более, потребляя при этом ток больше 1 А. Импульсный стабилизатор имеет выходной ток до 1.5А и ему не важно, отдаётся ли этот ток при выходном напряжении 5 В или 10 В (в отличие от "Вампирчика", внутри которого стоит дополнительный ограничитель выходной мощности), поэтому стабилизатор легко справляется с таким током на "высоких" напряжениях.

Кстати, попытка запитать различные зарядники для аккумуляторов, например, NiCd-NiMh пальчиков или литиевых, только от солнечной батареи без буферного аккумулятора, обычно заканчивается неудачей. К сожалению, большинство таких ЗУ потребляют ток импульсами, и, получается, что, хотя средний потребляемый ток вроде бы и небольшой, но во время импульса солнечная батарея с ним не справляется и ЗУ отключается. А буферный аккумулятор сглаживает эти броски тока и зарядка идёт нормально.

Второй набор рассчитан на пользователя с минимальной подготовкой и не желающего работать руками.
  1. Солнечная батарея 6 Вт или 8 Вт;
  2. Накопитель.
Любая из этих батарей просто подключается напрямую к накопителю, и он сам уже следит за зарядкой. Пользователю остаётся только подключиться к его выходу для питания своих устройств.

Минусы:
  • Недостаточная для некоторых устройств выходная мощность на "высоких" напряжениях накопитель заряжает практически всех потребителей использующих 5 В - это все КПК, сотовые и т.д. Но для видеокамер его выходного тока уже может не хватить.
  • Большие потери, примерно процентов на двадцать, по сравнению с первой схемой, т.к. присутствуют дополнительные преобразования.
  • Использование автоадаптеров на его выходе возможно, но не слишком логично, т.к. получается слишком много преобразований и, следовательно, потерь.
Плюсы:
  • Простота и компактность, минимум проводов.
  • Не нужно контролировать аккумуляторы.
Выводы.

Как видно из обзора, использование "голой" солнечной батареи заставляет завышать её мощность и при этом зарядка гаджетов в реальных условиях эксплуатации всё равно не гарантируется.

Использование электроники не просто желательно, а, во многих случаях, обязательное условие безопасной зарядки сложных потребителей. Да и вообще, самой возможности такой зарядки.

Буферный аккумулятор (накопитель) позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз. А также обеспечивает дополнительные удобства в эксплуатации.

2 комментария:

GRT комментирует...

Статья интересная, и во многом можно согласиться с автором..., но использовать кислотный АКБ 6-12V, (при ёмкости 4,5-7Ah) - это минимум 1-2,5 кг лишнего веса, и для автономного похода (когда на счету каждые 50-100 грамм), на мой взгляд, мало приемлемо.

Анонимный комментирует...

а можно в данной схеме использовать авто аккумулятор с емкость 45Ah.