Солнечная энергетика с пользой в домашнем хозяйстве: переводим кухонные часы-таймер на питание от "вечной батарейки"

Предисловие

В силу географических и геометрических причин развитие солнечной энергетики в средних и северных широтах остаётся проблематичным.

Из-за низкого углового положения Солнца и короткого светового дня такие электростанции почти полгода простаивают во всех смыслах слова, а цена электроэнергии приближается к цене золота.

Фактически в этих широтах областью применения солнечной энергетики становятся временные (сезонные) жилища в местностях, не охваченных централизованной подачей электроэнергии.

Как вариант, возможно применение и в жилищах с круглогодичным проживанием, но с переходом в "тёмное" время года на бензиновый или ветровой движок (но бензиновый даёт энергию стабильнее).

 Но, как ни странно, остаётся возможным применение световой энергии в быту для замены батарейного питания в каких-либо устройствах с малым потреблением, например, электронных часов.

 Стоимость электроэнергии в батарейках такова, что замена на энергию света может оказаться вполне рентабельной, полезной и удобной  ("вечный" источник питания).

 Такой пример и будет рассмотрен далее. Сначала будет небольшое описание кухонных часов-таймера, а затем - описание перевода их питания на "вечную батарейку".
 

Кухонные часы-таймер - краткий обзор

Для эксперимента и пользы в хозяйстве на Алиэкспресс были приобретены простейшие китайские кухонные часы-таймер.

Их функции предельно просты: только часы и только таймер, но управление - очень удобное.

Купить использованную в тесте модель часов-таймера можно на Алиэкпресс здесь или здесь (цена с доставкой в Россию $3.8), но существует и множество других подобных часов с таймером, различающихся размерами экрана, дизайном и т.п. Но для применяемой цели нельзя, чтобы таймер отличался напряжением питания (батарейка 1.5 В). Цена может меняться, проверяйте!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Внешний вид кухонных часов-таймера:

Назначение всех кнопок управления понятно из подписей над ними.

К этому остаётся только добавить, что эти часы с таймером настолько простые, что здесь даже нет переключения с 12-часового режима показа на 24-часовой; они постоянно работают в 12-часовом.

Кнопочное управление - тоже предельно примитивное, что и делает его удобным. Здесь срабатывают только обычные одиночные нажатия, не надо заучивать никаких значений длинного или двойного нажатия.

Экран - жидкокристаллический, как в бухгалтерских калькуляторах. К сожалению, он - без подсветки.

Чёткость экрана довольно сильно зависит от угла наблюдения и угла падения света. При некоторых их комбинациях чёткость (контрастность) может сильно упасть, но это ещё надо постараться их так подобрать.

Так выглядят кухонные часы с таймером с обратной стороны:

Здесь самая интересная деталь - это ножка-подставка. На этой фотографии она зафиксирована под углом (фиксатор есть в часах, придумывать ничего не надо).

Кроме использования в качестве подставки, эта ножка имеет ещё две возможности для установки часов.

В верхней части ножки есть вырез-петелька, с помощью которой часы можно повесить на гвоздь или шуруп, вбитый (ввёрнутый) в стену.

А в нижней части ножки виден магнитик в виде тёмного прямоугольника. С его помощью часы-таймер можно просто прилепить к дверце или стенке холодильника (что и будет далее использовано).

Справа от ножки видны вырезы для выхода звука от встроенной "пищалки".

Из особенностей часов-таймера надо отметить некоторую странность алгоритма установки времени таймера на час или более. Чтобы установить значение таймера в часах, сначала надо установить какое-либо значение минут или секунд (хотя бы одну минуту или одну секунду, любое, лишь бы не ноль). Если же принципиально важной по какой-то причине будет установка времени таймера точно на целое число часов и ноль минут ноль секунд, то можно сначала установить одну секунду, затем установить часы, затем кнопкой секунд по кругу снова установить ноль секунд.

В общем, проблема - решаемая; но вряд ли потребуется её решать. :)

Теперь проводим вскрытие часов-таймера:

Справа - плата с чипом-"кляксой", кварц и ЖК-индикатор; а слева - пищалка и контакты для батарейки мизинчикового формата (AAA).

Чтобы запитать часы от "вечной" батарейки, к контактам батарейки я припаял ещё пару тонких проводов и вывел их наружу через батарейный отсек. После этого отсек даже оказалось возможным закрыть, хотя и не очень плотно.

В качестве дополнительного материала - руководство пользователя часов-таймера для кухни (напечатано на картонке и служило крышкой пластиковой упаковки часов):

Затем были проведены исследования, в каком диапазоне напряжений работоспособны эти часы-таймер и измерено их потребление.

Проверка проводилась в диапазоне 1.0 - 1.8 В. При напряжении 1.5 В потребление тока составило 8.4 мкА.

Во всём диапазоне напряжений часы были работоспособны, но приемлемое качество изображения на дисплее было только в диапазоне 1.3 - 1.7 В.

Если напряжение было ниже 1.3 В, то изображение становилось очень бледным, а при напряжении 1 Вольт - вообще трудноразличимым.

При напряжении 1.7 В и выше был другой эффект: контрастность изображения была очень хорошей, но уже начинали проступать те части символов на дисплее, которые должны были оставаться невидимыми.

Эта работа проводилась для выбора системы "вечной батарейки" для часов. Окончательно выбор был остановлен на системе "солнечная батарея + никель-металлогидридный аккумулятор".

Во-первых, поскольку такие "вечные батарейки" есть в открытой продаже почти на каждом углу.

А во-вторых, никель-металлогидридные аккумуляторы могут работать с небольшим превышением номинала своего напряжения (по разным источникам номинал составляет 1.2 - 1.25 В).

Допустимая максимальная величина зарядки для таких аккумуляторов составляет до 1.4 - 1.45 В (по разным источникам информации); иными словами, в диапазон подходящих напряжений для часов-таймера эта величина входит; хотя и подразумевает работу аккумулятора с небольшим перезарядом в пределах допустимого.
 

Подбор солнечной батареи и окончательное оформление конструкции

Затем был исследован вопрос, какой ток можно получить от солнечной батареи.

Вопрос этот очень важен в том смысле, что для надёжной работы системы потребуется соблюдение энергетического баланса: суммарный приход тока за сутки должен быть выше расхода. Причём, небольшое превышение прихода над расходом - не страшно, поскольку никель-металлогидридные аккумуляторы допускают постоянную подзарядку "капельным током" в пределах 0.5 - 1% от величины ёмкости.

Для начала я взял миниатюрную солнечную батарею от разбитого калькулятора (не пропадать же добру!).

Её размер составил 27*8 мм.

Пробные замеры отдаваемого тока короткого замыкания в облачный день показали, что при расположении на подоконнике ток составляет около 42 мкА, а в предполагаемом месте установки - только 6.2 мкА. Не подходит!

Затем я обратил внимание на садовые фонарики на солнечных батарейках, вот такие (см. Яндекс.Маркет) Реклама. ООО "Яндекс" ИНН 7736207543:

Днём аккумулятор светильника заряжается от солнечного света, а ночью в светильнике зажигается светодиод, подсвечивая его нижнюю часть.

В продаже есть такие садовые фонарики с размером солнечной батареи 24*24 мм и 30*30 мм. Фонарик, который на фото, имеет размер батареи 24*24 мм.

Фонарик с солнечной батареей 30*30 мм был бы лучше, но он не столь гламурно выглядит.

Цена на такие изделия - от $0.8 до $3, осенью на распродажах обычно бывает ещё дешевле.

Все они содержат солнечную батарею и никель-металлогидридный аккумулятор, но контроллера заряда там нет. Всё отдано на волю Судьбы: какое-то время поживёт; а потом - если помрёт от перезаряда, то, значит, "судьба такой горький". Эта проблема - легко решаемая, решение будет описано далее.

Замеры показали следующие характеристики солнечной батареи этого садового фонарика: при расположении на подоконнике (облачный день) напряжение холостого хода - 2.76 В, ток короткого замыкания - 109 мкА; при расположении в предполагаемом месте установки (дверца холодильника) напряжение холостого хода - 1.71 В, ток - 14 мкА.

Такой ток нельзя назвать большим. Учитывая, что продолжительность дня зимой - очень короткая, то можно рассчитывать только на то, что в зимнее время будет помогать свет, включенный на кухне утром и вечером. Одним словом, достаточность силы тока - на грани.

Теперь разберём садовый фонарик и посмотрим, что у него внутри:

Переключатель ВКЛ/ВЫКЛ надо установить в положение "Выключено", чтобы светодиод по ночам не сжирал заряд аккумулятора.

В схему нужно внести лишь минимальные изменения: в разрыв между проводом от солнечной батареи и платой надо вставить резистор номиналом около 1 кОм. Он необходим для ограничения тока заряда на "капельном" уровне в случае прямого попадания солнечных лучей.

После этого надо припаять два провода к аккумулятору (к плюсу и минусу), и, проковыряв в корпусе отверстие, вывести их наружу.

При этом надо внимательно следить за полярностью. Например, на плате, изображенной на фото, верхний контакт аккумулятора обозначен маленьким знаком "+", но на самом деле там - минус!

Для установки этого модуля солнечной батареи рядом с часами следует предусмотреть отдельное крепление.

Для установки модуля на дверце холодильника была использована рекламная карточка с магнитным слоем, выпущенная одной ремонтной конторой.

Модуль солнечной батареи был привёрнут к этой карточке винтом с потайной головкой таким образом, чтобы головка под стягивающим усилием слегка вдавилась вглубь и не царапала поверхность дверцы холодильника.

После установки на дверцу холодильника получилась такая конструкция:

Все получилось очень мило и удобно для пользования.

При этом солнечная батарея направлена в сторону окна, и, кроме того, в тёмное время суток на неё падает свет от потолочного светильника, что обеспечивает наилучшие условия для медленной подзарядки аккумулятора (он заряжается и днём, и вечером).

В случае расположения всей системы на столе можно модуль с солнечной батареей просто положить рядом с часами-таймером; но при этом желательно сохранить оба условия: солнечная батарея должна освещаться и светом из окна, и светом от кухонного светильника.
 

Испытания кухонных часов-таймера с питанием от "вечной батарейки" и выводы

Эта глава будет очень короткой.

Испытания проводились в мае, а это - месяц с длинными световыми днями.

В момент запуска всей этой конструкции в эксплуатацию напряжение на аккумуляторе составляло 1.328 В.

Затем в течение 4-х дней напряжение чуть повысилось и стабилизировалось на уровне 1.350 - 1.355 В.

После этого в течение 3-х дней была создана имитация "глубокой осени": с 16:00 до 8:00 следующего дня система убиралась в тёмный ящик стола.

Несмотря на это, напряжение не изменилось; продолжался лишь его небольшой суточный ход в пределах 10 мВ.

Таким образом, стабилизация системы по напряжению наступила на уровне, близком к минимальному для достаточной контрастности дисплея часов-таймера.

Пользоваться часами-таймером можно; контрастность дисплея - на достаточном уровне, хотя могла бы быть и лучше.

Окончательный  результат испытаний: более правильным был бы выбор "большого" садового фонарика с солнечной батареей 30*30 мм; это позволило бы сделать контрастность дисплея ещё лучше.

Последний вопрос - а насколько "вечным" является источник питания, описанный в статье?

Ограничителем будет срок службы никель-металлогидридного аккумулятора: он не вечен.

Благодаря очень мягкому заряду и разряду аккумулятора, можно гарантировать его жизнь в течение 5 лет; а весьма вероятно, что и существенно больше.

После чего его можно будет выпаять и заменить: стоят такие аккумуляторы очень недорого.
 

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 18 мая 2021 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте: