28 мар. 2012 г.

Портативная электростанция – мифы и реальность

Разнообразные мобильные электронные устройства довольно быстро и основательно вошли в нашу жизнь. Мобильный телефон, КПК, нетбук и ноутбук, GPS-навигатор стали не роскошью, а необходимыми атрибутами современного активного человека. Они стали помощниками и средством времяпровождения в различных ситуациях (от ситуаций, когда просто нужно «убить» время, до обеспечения оперативного управления бизнесом, в независимости от местонахождения руководителя, его помощников и т.д.). Одним из основных недостатков, присутствующих в данных устройствах, является их довольно таки значительное энергопотребление в «активном» режиме, что приводит к ограничению использования в 3-10 часов (в зависимости от устройства и условий использования). При этом не всегда есть под рукой источник питания, от которого можно быстро и эффективно зарядить необходимое именно в данный момент устройство. Конечно, одним из наиболее распространённых вариантов является наличие запасной батареи, но как быть, если и она разрядилась? Таким образом, мы подходим к проблеме поиска автономного мобильного источника электроэнергии.

Выбирая между первичными источниками энергии, которые после преобразования позволяют получить электричество, мы видим только один реальный вариант, для реализации «мобильной электростанции» - энергия солнечной радиации (сегодняшний уровень технологий не позволяют создать карманный дизельный генератор или миниТЭС).

Как это работает?


Практически все ЗУСБ построены по следующему принципу прохождения энергии: солнечная радиация – солнечная батарея – контроллер заряда – накопительная батарея. Если производить заряд аккумуляторной батареи отдельно от устройства, то необходимо обязательно использовать контроллер заряда. Если заряжать аккумуляторную батарею, используя цепь заряда от обычного зарядного устройства – контроллер заряда не является обязательным (но при этом параметры зарядного устройства не должны превышать характеристики стандартного зарядного устройства по току и напряжению).

«Солнечная батарея»

Солнечная батарея (pv-module, солнечная панель, солнечный модуль, фотоэлектрический модуль…) представляет собой набор электрически соединённых солнечных элементов (Solar Cells, фотоэлектрические преобразователи…). Для того, чтобы не запутаться в терминах (поскольку мы будем рассматривать далее и встроенные батареи зарядных устройств и заряжаемые аккумуляторные батареи устройств), а также сохранить соответствие общепринятым терминам, далее будет употребляться термин фотоэлектрический модуль (или ФЭМ).

Анализ предложений по зарядным устройствам показал, что во многих случаях производители (либо продавцы) предоставляют заведомо неправдивую информацию о характеристиках своих устройств. Чтобы понять, насколько соответствует действительности характеристика ФЭМ, выполним небольшой расчет. Практически все ФЭМ для зарядных устройств изготавливаются на основе кремниевых солнечных элементов. КПД таких элементов на сегодняшний день составляет: мировые рекорды - 22-24%; серийные варианты - 15-18%.

Из-за наличия в ФЭМ дополнительных зазоров между отдельными солнечными элементами (и учитывая, что для подобных устройств никто не будет использовать сверхэффективные образцы) получаем уровень КПД ФЭМ для зарядных устройств на уровне 5-10%. Поэтому, если на устройстве указан КПД ФЭМ 15-18% - это скорее всего не является действительным уровнем.

Также следует учитывать, что среднестатистические параметры солнечных элементов: напряжение при работе с нагрузкой ≈ 500 мВ; плотность тока при работе с нагрузкой ≈ 30 мА/см². Из этих отдельных элементов и комплектуется ФЭМ (при помощи последовательных или параллельных соединений, в зависимости от необходимых на финише параметров). Поэтому, если в описании батареи указан выходной ток 1А (не путать с выходным током зарядного устройства со встроенным аккумулятором), а ФЭМ сформирован из последовательно соединённых элементов с размерами 2×2 см, то вряд ли этой информации можно доверять.

Проверяем информацию по зарядному устройству. Для этого используем следующие данные, являющиеся обязательными для описания подобных устройств:
Iн - номинальный выходной ток ФЭМ (А);
Uн - номинальное выходное напряжение ФЭМ (В)
Pн - номинальная мощность ФЭМ (P=I×U, Вт)

Рассчитываем количество энергии, поступающее на ФЭМ. Для этого измеряем площадь фронтальной поверхности ФЭМ S (длина×ширина, см²). Теперь посчитаем КПД (используя стандартную для расчётов освещённость 0,1 Вт/см²):


Например, рассмотрим следующий образец:
- номинальная мощность: 4 Вт;
- номинальное напряжение: 5 В;
- номинальный ток: 800 мА;
- габаритные размеры батареи: 24,5 х 21,5 см.

Проверка №1: 5В × 0,8А=4Вт. Тут всё правильно. Проверка №2:


Таким параметрам возможно доверять.

Важно учитывать, что параметры ФЭМ, которые указываются в их описании, приведены для следующих условий измерений: освещённость (интенсивность света) 1000 Вт/м², температура +25°С. Для того, чтобы оценить, как изменятся параметры ФЭМ при его использовании в реальных условиях, следует рассмотреть ниже приведённые данные.

Темновые характеристики

Реально, освещённость 1000 кВт/м² и выше достигается только в регионах приближённых к субтропикам и экваториальному региону, при безоблачном небе, при перпендикулярном падении света. В средних широтах, типичными значениями являются:
- яркий солнечный день (лето): 850-950 Вт/м²,
- солнечный день (осень-весна): 750-750 Вт/м²,
- пасмурная погода: 150-250 Вт/м².
Цифры приведены для перпендикулярного падения солнечного света.

Температурные характеристики

В среднем, температура ФЭМ на 25-30°С при её освещении солнечным излучением превышает температуру окружающей среды (как из-за протекания тока, так и из-за естественного разогрева от солнечного света). Поэтому важно понимать воздействие температуры на характеристики солнечной батареи, дабы не оказаться в ситуации когда при наличии яркого света, зарядное устройство окажется неспособным производить заряд батареи.

Типичными значениями температурных коэффициентов для кремниевых фотоэлектрических преобразователей (на основе которых сегодня изготавливаются практически все зарядные устройства на солнечных батареях) являются:
- ТК(ток короткого замыкания): +0,03…+0,07%/°С.
- ТК(напряжение холостого хода): -0,32…-0,34%/°С.
- ТК(ток при согласованной нагрузке): -0,10…-0,15%/°С.
- ТК(напряжение при согласованной нагрузке): -0,35…-0,40%/°С.
-ТК(мощность при согласованной нагрузке): -0,45…-0,55%/°С.

Принимая во внимание вышеизложенное, попробуем произвести анализ и возможности ФЭМ. Для того, чтобы не затруднять выполнение расчётов, предлагаю воспользоваться результатами наших практических исследований зарядных устройств с ФЭМ. При солнечной погоде, при подключении нагрузке, ток Iн с ФЭМ составляет около 75% от измеренного при стандартных условиях измерений; напряжение Uн составляет около 85%. Столь значительное отличие от расчетных значений по «температурным» и «темновым» характеристикам связано со значительным количеством факторов, особенно с такими как неперпендикулярность падения солнечных лучей на ФЭМ, излишний разогрев из-за отсутствия теплоотвода с обратной стороны ФЭМ (т.к. ФЭМ для удобства использования, фиксируют на сумку, рюкзак или капот автомобиля).

Рассмотрим, какую же роль выполняют ток и напряжения в процессе заряда аккумулятора от ФЭМ. Напряжение которое создаёт ФЭМ, предназначено фактически для «открытия» батареи и поддержания её в «открытом» состоянии во время заряда. Напряжение в меньшей степени, чем ток, зависит от уровня освещённости (см. выше). Ток является носителем электричества. Фактически он определяет скорость заряда батареи. Т.е. напряжение «открывает» аккумулятор, а ток – «накачивает» заряд. В данном случае недостаток одного не может быть скомпенсирован избытком другого. То есть, если напряжение с ФЭМ будет 2 В, то заряд аккумулятора с номиналом 3,7 В не будет происходить, каким бы высоким не был номинальный ток с ФЭМ.

Оценка возможностей зарядного устройства

Для обеспечения некоторой объективности, вводим в Google: зарядное устройство на солнечных батареях для телефона и смотрим предложения из разумного ценового диапазона (до 500 грн). Для того, чтобы не обижать производителей и продавцов, наименование фирм и моделей упоминать не будем, приводим только характеристики.

Начнём с самых «миниатюрных»:

Спецификация солнечного модуля: 5v 80мА
Встроенная перезаряжаемая батарея: 400 мAh
Выходящее напряжение: 5.5V / 300~500mA (вольт)
Размеры: 55 x 35 x 15 мм.
Вес: 26 гр.

Проверяем заявленные характеристики:
Мощность батареи: 5v × 80мА = 400 мВт
КПД = (400×10-3 Вт / 5,5×3,5×0,1) ×100% = 20,7%.

Что ж, либо мы имеем дело с зарядным устройством из суперэффективных фотоэлектрических преобразователях, либо нас откровенно хотят надуть. Предположим, что данное устройство действительно столь эффективное. Что мы получим при его работе?

Возьмем, к примеру, телефон с аккумуляторной батареей 3,7 В на 1020 мА×ч и временем работы (при разговоре) около 6 часов (среднестатистический вариант). Не заморачиваясь на незначительные отклонения при заряде батареи, остановимся на том, что батарея имеет уровень 3,7 В постоянно. Тогда, с полным зарядом, батарея будет иметь накопленную мощность: 3,7×1020 = 3,774 Вт×ч. Учитывая время работы в активном режиме, расходуемая мощность телефоном в режиме разговора: 3,774/6 = 629 мВт за час работы, или 10,48 мВт за минуту. Что же мы получаем от ФЭМ такого устройства?

Предположим, что на улице довольно имеется довольно яркое солнечное излучение (возьмём около 800 Вт/м2). Пропишем цепочку заряда:
- выход с ФЭМ: 5 В, 40 мА.
- заряд встроенного, в зарядное устройство, аккумулятора за 1 ч: 3,7В х 40 мА×ч (поясню, аккумуляторы Li-Ion имеют стандартной напряжение 3,7В, вряд-ли в этом устройстве используется набор аккумуляторов, в такой габарит они просто не поместятся).

На что же хватит этой энергии в мобильном телефоне? Повышение уровня напряжения до 5,5 В в выходном каскаде зарядного устройства (чтобы открыть для заряда аккумулятор мобильного телефона): (3,7 В х 40 мАхч)/5,5В = 27 мАхч (данное выражение использовано из соображений сохранения энергии), учитываем КПД преобразования напряжения (принимаем КПД=0,95, хотя на практике этот уровень ещё меньше, до 0,85-0,9): 27 мАхч х 0,95 = 25,65 мАхч. Т.е. приобретаемая энергия аккумулятором мобильного телефона составит: 3,7В х 25,65 мАхч = 95 мВт за 1 час, или 1,58 мВт за 1 минуту.

Получаем, что поступающая энергия в аккумуляторную батарею в 7 раз меньше, чем расходумая телефоном в активном режиме. Учитывая особенности аккумуляторов (рассмотренные в п. «характеристики аккумуляторов») получаем, что данное зарядное устройство не сможет производить заряд аккумулятора мобильного телефона в «прямом» включении. При использовании зарядного устройства в режиме накопления энергии:

(картинка увеличивается по клику)

Учитывая, реальные уровни энергопотребления (например, что только включение телефона съедает около 10 мАч), мы получим, что с такого устройства аккумулятор телефона можно зарядить через 1 час работы (и затратив ещё час переноса заряда с внутреннего аккумулятора в аккумулятор телефона) накопленного заряда хватит для включения телефона (при этом затратиться около 10 мАч) и ещё четыре минуты работы. И это при том, если в состав устройства входит ФЭМ с теми характеристиками, которые ранее рассматривались.

Что-же будет, если погода пасмурная, уровень освещённости на уровне ≈ 200 Вт/м²?

Таблица приобретает следующий вид:


То есть только через 5-6 часов будет накоплено достаточно энергии для включения телефона и работы его в течение 1-2 минут. Согласитесь, маловато возможностей для устройств за ≈150-300 грн.

Используя приведённые формулы рассчётов, можно проанализировать работу всех имеющихся зарядных устройств с ФЭМ. Анализируя как характеристики самих устройств, так и отзывы о их эксплуатации, следует заключить, что данные устройства больше предназначены служить запасным аккумулятором, запитывающимся или от сети, или от ноутбука (или ПК) через USB-шнур. А если необходимо быстро «оживить» мобильный телефон не только в солнечную но и в пасмурную погоду?

Произведём расчёт подходящего для этого устройства:
Допустим мобильный телефон с теми же характеристиками и батареей:
- 6 часов работы от полностью заряженного аккумулятора;
- ёмкость аккумулятора 1020 мАч.

Ток

Допустим, необходимый уровень заряда для включения и 2-3 минут работы в активном режиме составляет 50 мАч. Какое время приемлемо потратить для такого случая при наличии хорошего уровня освещения? Думаю не более 10 минут (0,167 часа). Тогда ток заряда аккумулятора мобильного телефона должно составлять: 50 мАч/0,17 ч ≈295 мА. Для того, чтобы не нести потери на преобразовании напряжения внутри зарядного устройства, исключаем использование внутреннего аккумулятора. То есть номинальный ток ФЭМ зарядного устройства должен составлять не менее 295 мА. Если учесть 50% запас на потери и заложив уровень 5% деградации параметров (под воздействием ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения), получим: номинальный ток устройства не должен быть ниже 620 мА.

Напряжение

Для напряжения, необходимого для зарядного устройства основное требование – не снижаться менее чем 4,5-5 В. Если учесть те же потери, что и для тока, то номинальное напряжение должно составлять 5,5-6 В (завышать напряжение также не следует, т.к. внутренний контроллер аккумулятора отключит заряд из-за превышения допустимого уровня напряжения).

Таким образом, получаем характеристики требуемого устройства: 620 мА номинальный ток и 5,5-6 В номинального напряжения. Т.е. номинальная мощность батареи не должна быть ниже чем 3,4-3,5 Вт.

При среднем уровне солнечного света ток заряда составит около 300 мА и зарядные характеристики будут следующими:


При низком уровне освещённости (пасмурная погода) ток заряда составит около 60 мА и зарядные характеристики будут следующими:


Таким образом даже при пасмурной погоде аккумулятор телефона получит заряд достаточный для его включения.

Конечно, тут не рассматривались устройства с мощными ФЭМ (более 10Вт номинальной мощности), т.к. во-первых они предназначены не только для мобильных телефонов, но и для более энергоёмких устройств (нетбуки, ноутбуки и т.д.), габаритные и весовые характеристики таких устройств не позволяют их использовать в качестве «портфельных».

к.т.н. Мариненко Александр

Комментариев нет: