Обзор

Солнечная батарея малой мощности: особенности и "подводные камни" применения в составе комплекта для сборки зарядного устройства для Li-ion аккумулятора

В этой статье-обзоре будем разбираться, какую реальную отдачу можно получить от небольшой солнечной батареи, как её подключить; и как будет зависеть уровень получаемой мощности от погоды, времени года и нагрузки.

     Оглавление:
   1. Внешний вид и состав комплекта солнечной батареи для сборки зарядного устройства для Li-ion аккумулятора

   2. Тестирование

   3. Окончательный диагноз
 

Предисловие

На небезызвестной китайской площадке был приобретён набор для построения источника питания (зарядного устройства) на солнечной батарее.

Набор включал в себя небольшую солнечную панель (133x73 мм), контроллер заряда литий-ионного аккумулятора, держатель аккумулятора, индикатор заряда аккумулятора, три кабеля и пару соединителей.

(кликнуть для увеличения)

 Аккумулятора в комплекте нет (приобретается отдельно).

Купить тестируемый набор можно на Алиэкспресс здесь (выбрать из предложенных товаров на странице правильный вариант), а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - чуть менее $10 с учётом доставки (в дальнейшем цена может меняться).

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

Внешний вид и состав комплекта солнечной батареи для сборки зарядного устройства для Li-ion аккумулятора

Общий состав комплекта был представлен выше, а теперь рассмотрим его более детально.

Так выглядит самая главная часть - солнечная панель:

Панель состоит из 12-ти солнечных элементов (два столбца по шесть элементов), покрытых прозрачным защитным слоем, поверх которого наклеена ещё и тонкая защитная плёнка.

По краям плёнка не очень плотно прилегает к панели, но я решил плёнку не снимать, так как на активной части поверхности она приклеена нормально и световой поток не снижает.

Защита панели довольно-таки неплохая, но не идеальная.

Если носить эту панель с собой в качестве походного источника электроэнергии, то для неё нужна  упаковка, чтобы при переноске не поцарапать поверхность панели или не оторвать от неё проводники, соединяющие панель с остальными частями схемы.

Так что для использования в походном варианте для панели необходим корпус, кожух или защитная упаковка.

На обратной стороне солнечной панели расположены контакты для подключения нагрузки:

Корпус для панели я сделал из коробки для компакт-диска (CD).

Эта работа оказалась более кропотливой, чем ожидалось изначально, но выполнимой.

Выход панели я сделал в виде разъёма USB ("мама"); соответственно, пришлось добавить и кабель с ответной частью.

Так получившаяся конструкция выглядит с открытой прозрачной крышкой коробки из-под CD:

А так она выглядит с закрытой крышкой:

Хотя крышка коробки CD и прозрачная, использовать солнечную панель надо с открытой крышкой, поскольку даже прозрачная крышка отражает часть потока света.

Материал коробок из-под компакт-дисков - довольно хрупкий, поэтому ронять эту конструкцию не рекомендуется. Но если такое горе случится, то трагедии не будет: замена крышки коробки (которая разбивается чаще всего) не сложна, а материала для замены, мне кажется, более чем достаточно в каждом доме. :)

Впрочем, это всего лишь пример возможной защитной конструкции для солнечной панели; возможны и совершенно другие конструкции.

На следующем фото - комплект, готовый к сборке:

Аккумулятор в комплект не входил, он - мой собственный.

Сразу надо сказать, что одну из деталей комплекта, индикатор уровня заряда, лучше не подключать к системе.

Дело в том, что он светится постоянно, и потому постоянно потребляет энергию (3.6 мА), что в условиях её ограниченности совсем ни к месту. Как вариант, возможно добавление к индикатору кнопки для его кратковременного включения.

Но, в принципе, достаточно и светодиода на контроллере, который загорается при полной зарядке аккумулятора.

Рассмотрим детально контроллер солнечной панели в четырёх ракурсах:

Основа контроллера - микросхема  с маркировкой WLF. Так для краткости обозван чип CN3065 (datasheet).

Это - специализированный контроллер заряда литиевых аккумуляторов от маломощных солнечных батарей с напряжением выхода 4.4 - 6 В.

В принципе, главная его функция - защита аккумулятора от перезаряда: когда напряжение на аккумуляторе достигает 4.2 В, контроллер останавливает дальнейший заряд.

На плате предусмотрено два светодиода: красный (обозначен CH) и синий (обозначен OK). Красный показывает, что идёт заряд, синий - что заряд завершен.

Особенность платы - наличие дополнительного входа microUSB  для заряда аккумулятора от обычного зарядного устройства с напряжением выхода 5 В.

Вход питания от солнечной батареи и вход от внешнего ЗУ развязаны с помощью двух диодов Шоттки SS14 (40 В, 1 А). В принципе, хотя для диодов Шоттки характерно малое падение напряжения в прямом направлении, некоторые дополнительные потери энергии в процессе зарядки они вносить будут.

Назначение всех разъёмов подписано, в связи с чем отдельной схемы для сборки всей системы в целом не требуется.

Разъёмы "BATT IN" и "SYS OUT" запараллелены.

Кроме того, солнечную батарею и аккумулятор можно подключать не только через разъём, но и просто пайкой (предусмотрены контактные площадки в нижней части платы).
 

Теперь взглянем на отсек  (держатель) для аккумулятора. Он рассчитан на аккумулятор типоразмера 18650 (диаметр 18 мм, длина 650 мм).

Отсек такого типа мне уже был знаком, и ничего более ужасного представить не могу. После вставки аккумулятора его надо подвинуть в сторону положительного контакта и прижать к нему; и тогда, может быть, контакт осуществится.

И, конечно, вставлять в этот держатель аккумулятор и доставать из него - непростая операция, требующая хорошей моторики рук. :)

И вот здесь надо сказать, что весь комплект солнечной батареи предназначен, в основном, для зарядки аккумуляторов, излеченных из других устройств. Использовать всю эту систему со стационарным (несменным) аккумулятором для питания других устройств можно с большой осторожностью и с каким-либо контролем уровня заряда аккумулятора, т.к. в системе не предусмотрено защиты от его переразряда. Требуется доработка, как минимум - добавление платы защиты (обзор).

 В итоге после сбора всего комплекта (без индикатора уровня заряда) получилась такая конструкция:

На фото видно, что на плате контроллера светится светодиод "CH" - идёт зарядка аккумулятора.

Технические испытания комплекта солнечной батареи

В тестах отдельно проверим солнечную панель, и отдельно - её контроллер.

Для начала проверим энергетическую отдачу солнечной панели при разных погодных условиях и разных нагрузках.

В тестах при разных погодных условиях были взяты два крайних случая: пасмурная погода с плотной сплошной облачностью и безоблачная солнечная погода. В обоих случаях тест проводился около полудня в средней полосе России (Москва) во второй половине апреля (эта информация важна с точки зрения высоты Солнца над горизонтом).

Кроме того, в тестах подбиралось такое положение солнечной панели, при котором она отдаёт максимальный ток.

В качестве нагрузки при пасмурной погоде использовался переменный резистор 680 Ом, при солнечной погоде - 68 Ом.

Результаты измерения при плотной сплошной облачности:

В число точек снятия показаний были включены напряжения 3.2, 3.7 и 4.2 В как характерные точки уровня заряда литиевых аккумуляторов (0% заряда, номинальное напряжение, 100% заряда).

График зависимости тока от напряжения на нагрузке (вольт-амперная характеристика, ВАХ), построенный по приведённой выше таблице, выглядит так:

По оси X - напряжение (В), по оси Y - ток (мА).

График не претендует на звание канонического, поскольку по ходу измерений могла меняться освещённость солнечной панели: даже при сплошной облачности облака движутся, и их толщина могла меняться.

Теперь - график мощности в нагрузке:

По оси X - напряжение (В), по оси Y - мощность (мВт).

Итак, по таблице и графикам можно выявить несколько особенностей работы солнечной панели при плохих погодных условиях:

1. Малая генерируемая мощность даже при оптимальной нагрузке (55 мВт). Для сравнения: если считать, что смартфон с аккумулятором 3000 мАч "живёт" на полной зарядке двое суток, то его средняя потребляемая мощность составляет 231.25 мВт.

Иными словами, генерируемой мощности не хватило бы даже для компенсации текущего потребления смартфона. Для этого пришлось бы соединить параллельно 4 такие солнечные панельки.

2. Мощность солнечной панели нельзя рассчитывать просто как ток короткого замыкания, умноженный на напряжение холостого хода. При работе солнечной панели есть её точка оптимальной нагрузки (т.е. максимальной отдаваемой мощности), мощность в которой ниже, чем рассчитанная "упрощенным способом". При всяком отклонении от неё в любую сторону мощность падает.

Теперь - таблица с аналогичными измерениями, но произведёнными при солнечной погоде. Температура солнечной панели в процессе измерений колебалась вблизи +40 градусов.

Вольт-амперная характеристика солнечной панели на прямом солнечном свете:

По оси X - напряжение (В), по оси Y - ток (мА).

График мощности в зависимости от напряжения на нагрузке при работе солнечной панели на прямом солнечном свете:

По оси X - напряжение (В), по оси Y - мощность (мВт).

Графики получились более-менее похожими на канонические.

Итак, как можно видеть по таблице, при солнечной погоде ток выхода возрос более, чем в 10 раз. Эта величина уже достаточна, чтобы реально пополнить заряд аккумулятора.

 Правда, для зарядки упомянутого выше аккумулятора ёмкостью 3000 мАч потребуется около 15 часов непрерывной зарядки с непрерывным солнечным сиянием. В общем, это где-то два световых дня с нулевой облачностью (что бывает редко).

Но если, опять же, соединить параллельно несколько таких солнечных панелей, то дело пойдёт повеселее. :)

На последнем графике надо обратить внимание, что точка максимума графика не совпадает с рабочим напряжением аккумулятора (3.2 - 4.2 В). А из этого следует, что при не слишком умном контроллере (который не преобразует энергию, а просто пропускает ток через себя) энергия солнечной батареи будет недоиспользована.

Для определения процента использования энергии возьмём два напряжения на аккумуляторе: 3.2 В (начало заряда) и 4.2 В (конец заряда).

Мощность на пике графика составляет 1050.5 мВт (см. таблицу), при напряжении 3.2 В - 707.2 мВт, при напряжении 4.2 В - 907.2 мВт. Соответственно, использование энергии солнечной батареи составит в начале заряда 67%, а в конце заряда - 86%, если пренебречь КПД контроллера.

В принципе, это приемлемый результат. Скорее всего, с установкой MPPT-контроллера (Maximum Power Point Tracking), который ищет точку максимальной мощности и подстраивается под неё, заморачиваться нет смысла (тем более, что у него КПД тоже не 100%).

Ещё один интересный тест - влияние на генерацию энергии наличия стекла перед солнечной панелью. Это - типичный случай, если располагать солнечную батарею внутри помещения у окна.

Проверка показала, что при размещении солнечной панели за одиночным стеклом ток короткого замыкания падает на 16%; а если стекло наклонено под углом 45 градусов относительно направления светового потока, то ток падает на 23%. То есть, во избежание потерь энергии лучше всё-таки по возможности внешнюю поверхность панели располагать на прямом солнечном свете даже без прозрачных преград.

Ещё один вопрос - зависимость генерации энергии от времени суток. Снижение генерируемой мощности в данном случае происходит из-за того, что утром или вечером Солнце находится на более низкой высоте над горизонтом, и потери происходят из-за прохождения лучами большей длины пути в атмосфере (она тоже вносит потери). При этом имеется в виду, что в любом случае солнечная панель располагается оптимальным образом (перпендикулярно падающим лучам).

Снижение тока короткого замыкания составило 15% в 9 часов утра относительно полудня. Это - не очень большая величина, и работа солнечной батареи в лучах вечернего или утреннего Солнца имеет смысл и полезность (при её правильной ориентации).

Теперь переходим к комплектному контроллеру солнечной батареи, он же - контроллер заряда аккумулятора.

Контроллер заряда здесь, конечно, умом и сообразительностью не отличается.

В мощных солнечных панелях устанавливаются специализированные контроллеры (MPPT), которые автоматически подбирают точку максимальной мощности (о чём говорилось выше); но в такого рода дешевых устройствах, как тестируемый комплект, и контроллер гораздо более дешевый и менее умный.

Главная его функция - предотвратить перезаряд аккумулятора. Дополнительно он умеет ограничивать ток заряда; но при применении с маломощными солнечными панелями эта задача не очень актуальна.

Собственный ток потребления контроллера от солнечной батареи - очень мал и составляет 0.16 мА (при отключенном аккумуляторе).

Падение напряжения на чипе контроллера при токе зарядки 100 мА - составляет 0.5 В. Но к этому надо добавить падение 0.3 В на диоде, развязывающем солнечную панель от альтернативного источника питания, подключаемого к разъёму микро-USB.

Так что в целом, хотя контроллер умом и не блещет, но энергии на собственные нужды потребляет очень мало, и, благодаря этому, процессу заряда аккумулятора не мешает.

На этом можно перейти к окончательным итогам.

Окончательный диагноз солнечной батареи малой мощности (лонгрид)

Статья получилась с большой долей теории; но теория в данном случае важна, чтобы потребитель не питал излишних ожиданий от малой солнечной энергетики, и, соответственно, не тратил лишних денег.

Протестированный комплект источника питания (зарядного устройства) на солнечной батарее позволил выяснить важные особенности работы подобных устройств.

Пожалуй, главный итог, - их крайне высокая зависимость от погодно-климатических условий. Она оказалась значительно выше, чем предполагает обычный обыватель, начитавшийся победных статей про могущество солнечной энергетики. :)

Полученный ток короткого замыкания при облачной погоде (13.4 мА) - это ещё не предел, в который может скатиться производительность солнечной панели при неблагоприятных условиях. Ведь эксперимент был проведён вблизи полудня в "светлое" время года (вторая половина апреля).

А если его провести в "тёмное" время года с коротким световым днём, частой сплошной облачностью (ноябрь-январь), и не вблизи полудня, а ближе к закату?! Результат предсказуем: полезность солнечной батареи окажется не близкой к нулю, а ровно нулевой. А ведь есть ещё и регионы с полярной ночью, когда Солнце вообще не восходит!

Вывод: при изучении целесообразности применения солнечной батареи требуется критически оценить погодно-климатические, сезонные и географические условия, в которых Вы собираетесь её применить. Даже для средних широт применение солнечных батарей проблематично в "тёмное" время года; а для регионов с преобладанием циклонической (дождливой) погоды "тёмное" время года может составить полгода и даже более.

Но и для более благоприятных регионов надо иметь в виду возможность относительно длительных периодов пасмурной погоды.

Отсюда проистекает второй вывод: если от солнечной батареи требуется работа в качестве более-менее стабильного источника питания, то площадь поверхности солнечных панелей должна быть в несколько раз выше, чем в расчёте на "идеальную" погоду. Это необходимо для того, чтобы при переменной (и даже сплошной) облачности с батареи тоже можно было бы снять какую-то реально полезную мощность, пусть и далёкую от максимальной.

Теперь - к вопросу, какое практическое применение может найти именно протестированная солнечная батарея?

Использовать её для зарядки телефонов и других гаджетов не целесообразно по причине малой величины и нестабильности отдаваемой мощности.

Но применение ей найдётся! Её можно использовать в тех случаях, когда от неё не требуется высокая отдача в данный конкретный момент; то есть, если есть возможность для неспешного накопления энергии и последующего расхода с высокой мощностью, но в течение коротких периодов.

В качестве примера можно привести два варианта.

Первый - это в её родной конфигурации: заряжать съёмный аккумулятор, а затем его использовать в других устройствах, работающих с кратковременными включениями, например, в фонарях и т.п.

Второй вариант - использовать комплект солнечной батареи в стационарных условиях, например, для освещения дачного уличного сортира (простите за столь неромантичный, хотя и очень жизненный вариант). Но такой вариант подходит для временного проживания на даче в тёплый период (зимой могут быть проблемы, связанные как с падением освещённости, так и с ухудшением работы аккумуляторов при низких температурах).

Если нужен более-менее серьезный и стабильный источник энергии для мобильных гаджетов, то следует рассматривать солнечные батареи с площадью панелей хотя бы в 5 раз выше, чем у рассмотренного комплекта. Пример обзора такой батареи из пяти панелей аналогичной площади - здесь (сторонний ресурс).

Следующий важный вопрос: а можно ли всё-таки различные гаджеты заряжать напрямую от солнечной батареи, минуя всякие контроллеры и преобразователи?

Ответ будет вероятностным, ибо гаджеты бывают разные.

Если гаджет (например, телефон) рассчитан на зарядку строго от напряжения 5 В, то, скорее всего, зарядить его напрямую от солнечной батареи нельзя. Дело в том, что обычно контроллеры заряда в таких гаджетах имеют защиту от превышения номинального напряжения заряда (5 В), и такая защита сработает от протестированной солнечной панели (напряжение на её выходе может составлять до 7 В).

Если же заряжать от этой (или аналогичной) солнечной батареи гаджет с поддержкой "быстрой зарядки", то, скорее всего, его можно заряжать напрямую от солнечной батареи. Дело в том, что устройства с поддержкой "быстрой зарядки" не привязаны к какому-то определённому напряжению зарядного устройства, а работают в широком диапазоне напряжений, обычно от 5 до 12 В, а наиболее продвинутые - до 20 В.

Но и здесь могут быть подводные камни: некоторые наиболее продвинутые контроллеры "быстрой зарядки" проверяют качество зарядного устройства перед началом зарядки. Если они обнаружат, что зарядное устройство - слишком слабое, то могут отказаться от зарядки.

Купить протестированный комплект солнечной батареи можно на Алиэкспресс здесь (выбрать правильный вариант), а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - чуть менее $10 с учётом доставки (в дальнейшем цена может меняться).

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

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

  Ваш Доктор.
 29 апреля 2022 г.

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

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!