3.4. Солнечные батареи для путешественников
Солнечные батареи (SunCharger) на гибких фотоэлементах 4/6/8/11/15 Вт
Солнечные батареи, представленные на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru, позволяют зарядить почти все мобильные устройства в полевых условиях. Электроника облегчает выполнение этой задачи. Часто их приобретают для создания своих автономных устройств мобильного электропитания.
Почти все представленные солнечные батареи изготовлены из аморфного кремния, поэтому они имеют минимальный вес на единицу мощности, а также являются гибкими, т. е. не ломаются при изгибе, что важно в походных условиях (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Внешний вид гибкой солнечной батареи
На сегодняшний день солнечные батареи без электроники практически не используются.
Электроника выполняет две задачи:
♦ согласование нестабильных выходных параметров солнечной батареи с требуемыми для мобильного потребителя;
♦ накопление энергии от солнечной батареи.
Как выбрать? Если кратко, то вначале определяемся с необходимой мощностью солнечной батареи, затем выбираем электронику, которая лучше всего подходит под наши задачи. Разновидности солнечных батарей будут рассмотрены после табл. 3.1.
Хотя, как ни странно, с развитием электроники, эта последовательность меняется: сначала выбираем накопитель, который бы подошел по мощности под наши устройства, а потом ищем источник (солнечная батарея или что-то еще), который бы «прокормил» наш накопитель.
Заметим, если солнечная батарея питает потребителей непосредственно, то ее мощность должна быть не меньше, чем текущие запросы потребителя (плюс запас в пару-тройку раз, на «неидеальность» погоды).
Однако если использовать накопитель, то требуемая мощность солнечной батареи может быть в несколько раз меньше, чем в случае непосредственного питания от нее. Т. е., образно говоря, солнечная батарея целый день заряжает аккумулятор, а вечером в течение пары часов этот аккумулятор питает, например, КПК. Это позволяет использовать менее мощную, т. е. более легкую и дешевую солнечную батарею и иметь запас энергии на «темный день».
Рекомендации по выбору солнечной батареи
В табл. 3.1 приведены примеры комплектаций для решения некоторых типовых задач. Указанное в таблице оборудование рассмотрено после таблицы.
Таблица 3.1. Примеры комплектаций для решения типовых задач электропитания
• Зарядка «простых» сотовых телефонов (не коммуникаторов)
Минимальный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт, к выходу которой непосредственно подключен разъем сотового телефона. Заряжается большинство телефонов, но некоторые «не хотят», надо проверять
Улучшенный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт или выше и понижающий стабилизатор напряжения. Заряжаются практически все известные телефоны, т. к. выходные параметры стабилизатора можно настроить
Максимальный вариант:
Солнечная батарея б Вт и более и накопитель, например, «Вампирчик-Литий». Зарядка идет не только на солнце, но и в любое время от накопленной энергии
• Зарядка КПК, сотовых, GPS, фотоаппаратов и других потребителей, питающихся от 5 В
Минимальный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт или больше и стабилизатор (непосредственная зарядка). Солнечная батарея должна быть достаточно мощной, чтобы напрямую питать устройства
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт или более и накопитель «Вампирчик-Цифра».
• Зарядка спутниковых телефонов. При напряжении питания 9—12 В Если 5 В, то см. пункт выше
Минимальный вариант:
2 солнечные батареи по 8 Вт и стабилизатор.
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 8 Вт или более и накопители — «Вампирчик-Цифра».
• Зарядка литиевых аккумуляторов 3,7 В
Минимальный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт и стабилизатор
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 6 В и более и накопитель — «Вампирчик-Цифра» + Универсальные зарядники от прикуривателя»
• Зарядка литиевых аккумуляторов 7,4 В
Минимальный вариант:
2 солнечные батареи по 8 Вт и стабилизатор
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 8 Вт и более и накопитель — «Вампирчик-Цифра» + Универсальные зарядники от прикуривателя»
• Зарядка NiCd-NiMh аккумуляторов, размера АА, ААА и др.
Подходит любая из гибких солнечных батарей, даже без зарядника
-
Подходит любая из гибких солнечных батарей в комплекте с «Буфером + Универсальные зарядники от прикуривателя»
• Зарядка свинцового аккумулятора 6 В
Минимальный вариант:
Солнечная батарея 6 Вт (заряжаем током до 0,9 А)
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 8—15 Вт со стабилизатором
• Зарядка свинцового аккумулятора 12 В
Либо 2 шт 6 Вт, либо 8—15 Вт (со стабилизатором или без него)
• Питание для адаптеров в автоприкуриватель
Минимальный вариант:
Солнечная батарея 8—15 Вт + Разъем прикуривателя
Максимальный вариант:
Солнечная батарея 8—15 Вт + «Буфер» + Разъем прикуривателя
• Работа без солнечной батареи
Используем накопители «Вампирчик-Цифра» или «Буфер»
-
Если есть заряженные NiCd-NiMh аккумуляторы или батарейки, то можно запитаться от них либо через понижающий стабилизатор, либо использовать стабилизаторы (понижающий, либо повышающий) от накопителей.
-
Если есть заряженный свинцовый 6 В или 12 В аккумулятор, то питаем все устройства от него через понижающий стабилизатор
Накопитель на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»
Накопитель предназначен для питания портативной техники, а также зарядки внешних Li-Ion (Li-Po) аккумуляторов 3,7 В и 7,4 В. Он имеет внутри два сменных Li-Ion 3,7 В аккумулятора емкостью 2,8 А-ч, размера 18650 (d=18 мм, L=65 мм). Их зарядка может выполняться от разных источников постоянного напряжения 5—15 (20) В (солнечные батареи, различные адаптеры, USB порт компьютера и т. д.).
Конструктивно накопитель состоит из 5 основных частей: схемы зарядки, схемы контроля аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторов, выходного повышающего стабилизатора и микроконтроллера, который обеспечивает измерение, индикацию напряжений и токов и контроль зарядки внешних аккумуляторов. Структурная схема накопителя представлена на рис. 3.14, а внешний вид накопителя — на рис. 3.15.
Схема зарядки и выходной стабилизатор импульсные предназначены для минимизации потерь.
Рис. 3.14. Структурная схема накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»
Рис. 3.15. Внешний вид накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»
Схема контроля предотвращает как перезаряд, так и переразряд аккумуляторов. При этом загораются соответствующие светодиоды индикации. Накопитель можно оставлять подключенным к питанию длительное время, он не перезарядится.
«Схема откл. USB» запрещает подачу на выход USB напряжения выше 6 В, для защиты подключенных USB устройств.
Заряд аккумуляторов и питание потребителей может происходить одновременно.
Микроконтроллер (МК) позволяет измерять и выводить на дисплей напряжения в различных точках схемы и выходной ток. Также, в режиме зарядки внешних аккумуляторов он отключает зарядку, когда аккумуляторы зарядились, и сообщает об этом.
Выходной повышающий стабилизатор может питаться как от внутренних аккумуляторов, так и от внешнего источника напряжением от 3–5 В через «запасной» вход (3–4 батарейки или NiMh аккумулятор). При этом энергия внутренних аккумуляторов не расходуется, но они должны быть установлены. Этот «запасной» режим не тратит энергию на зарядку внутренних аккумуляторов, все идет на выход.
Рассмотрим характеристики:
♦ входное напряжение, В… 5—15(20);
♦ выходное стабилизированное напряжение, В… 5,4; 9;
♦ выходное регулируемое напряжение, В… 3—15;
♦ выходной ток (выбирается джампером, внутренний ограничитель), А… до 0,5,1,5 при 5 В;
♦ внутренний Li-Ion аккумулятор 3,7 В, 2800 мАч… 2 шт.
♦ размеры, мм… 135x70x24;
♦ вес, г… 200.
Имеется встроенный контроллер для измерения различных напряжений и обеспечения зарядки внешних аккумуляторов.
Индикация: наличия выходного напряжения, наличия выходного тока, наличия зарядного тока, конца заряда встроенного аккумулятора, наличия напряжения 4,5–5,5 В на USB-A выходе. Цифровой индикатор (многорежимный). Фонарь.
Защита внутренних аккумуляторов от перезаряда, переразряда, ограничением макс. тока потребления от него.
Возможность работы без потребления от встроенного аккумулятора, как повышающего стабилизатора напряжения (при входных напряжениях от 3 до 5 В.
Входные разъемы — мини-USB, круглый 2,1x5,5 мм.
Выходные разъемы — USB-A, круглый 1,1x3,5 мм (Nokia), круглый 2,1x5,5 мм, нажимная клемма.
Импульсный стабилизатор напряжения
Импульсный понижающий стабилизатор напряжения позволяет получить стабильное напряжение для питания потребителей от различных источников (солнечные батареи, адаптеры, аккумуляторы и т. д.). За счет импульсного режима работы имеет высокий КПД (до 90 % в зависимости от режима работы).
Выбор выходного напряжения осуществляется пользователем с помощью ДИП-переключателя. Плавная регулировка выходного напряжения с помощью переменного резистора позволяет то напряжение на выходе, которое требуется с высокой точностью. Это важно, например, для безопасной зарядки литиевых аккумуляторов.
Встроенный ограничитель тока также служит для обеспечения безопасной зарядки аккумуляторов или маломощных потребителей.
Таким образом, с помощью данного стабилизатора можно как запитать большинство мобильных устройств (в том числе спутниковых телефонов), так и непосредственно заряжать различные типы аккумуляторов (никелевых, литиевых, свинцовых). Может быть использован в качестве драйвера для питания мощный светодиодов.
Рассмотрим характеристики:
♦ входное напряжение, В… 5—20;
♦ выходное стабилизированное напряжение, В… 5,4; 9; 11,5;
♦ выходное регулируемое напряжение, В… 4,1—12,5;
♦ выходной ток (выбирается джампером, внутренний ограничитель), А… 0,5,1,5;
♦ выбор отключения выходного напряжения при входном напряжении ниже, В… 5, 7,5, 11;
♦ индикация наличия выходного напряжения… да;
♦ размеры (без провода), мм… 62x25x15;
♦ вес, г… 32.
На всех круглых разъемах плюс в центре.
Буфер на гелиевом аккумуляторе 12 В, 4,5 А-ч, 7 А-ч и 9 А-ч
Мощный буферный аккумулятор (рис. 3.16), который можно непосредственно подключать к 12 В солнечным батареям (8 Вт, 11 Вт и 15 Вт).
Рис. 3.16. Внешний вид буфера на гелиевом аккумуляторе в комплекте
Рекомендуется, но не обязательно, использовать 4,5 А-ч с солнечными батареями: 7 А-ч 8 Вт или 9 А-ч с 11 Вт, 15 Вт.
От буфера можно питать любые устройства, которые могут работать от прикуривателя автомобиля.
Можно заряжаться как от солнечной батареи, так и от прикуривателя автомобиля — в соединительных проводах встроен дополнительный
При зарядке от солнечных батарей SunCharger контроля зарядки не требуется. А при зарядке от солнечных батарей с рабочим напряжением 17 В нужно использовать контроллер заряда или мультиметр для контроля состояния аккумулятора.
Сумка служит для переноски и дополнительной защиты аккумулятора. В ней внутри стенок проложена тонкая «пенка». Также, есть пара перегородок, которые крепятся на липучке.
Сумка и провода могут быть куплены без аккумулятора. Вообще, это очень мощный и простой буфер, который рекомендуется. тем, кому вес зарядного комплекта не слишком важен.
Надежность его весьма высока, т. к. нет никакой электроники и ломаться просто нечему.
Также, в отличие от буфера на литиевых аккумуляторах, свинцовый буфер может работать при отрицательных температурах.
Рассмотрим характеристики:
♦ напряжение используемых аккумуляторов, В… 12;
♦ емкость аккумуляторов, А-ч… 4,5, 7,9;
♦ входной разъем — прикуриватель (папа) с предохранителем и светодиодом;
♦ длина зарядного провода, м… 1,5;
♦ выходной разъем — прикуриватель (мама);
♦ рабочая температура, °С… — 20—+50;
♦ зарядка от солнечных батарей и прикуривателя автомобиля… да;
♦ размеры аккумулятора 4,5А-ч, мм… 102x90x70;
♦ размеры аккумулятора 7 А-ч и 9 А-ч, мм… 151x94x65;
♦ вес 4,5 А-ч / 7А-ч /9А-ч, кг… 1,5/2,2/2,7.
Солнечные батареи
Солнечные батареи, как отмечалось выше, имеют гибкие солнечные элементы на основе аморфного кремния, которые сложно повредить. Малые габариты и вес позволяют быть под рукой.
Солнечные элементы изготовлены в США, сами батареи пошиты в России. Технология фотоэлементам аналогична гибким солнечным элементам завода «Квант» (Россия).
Гарантированный срок выработки энергии фотоэлементами более 18 лет. При непрерывном нахождении на солнце где-нибудь на экваторе выходной ток за это время не упадет ниже 85 % от паспортного. Т. е. для туристов, можно принять, что батареи «вечные».
Рассмотренные солнечные батареи позволяют заряжать (совместно с электроникой) почти всех мелких потребителей, до ноутбука включительно, а солнечные батареи 8, 11 и 15 Вт могут заряжать даже автомобильный аккумулятор (можно реально завести машину после 0,5–1 дня зарядки).
Солнечные батареи SunCharger собираются из ламинатов, внутри которых упакованы несколько фотоэлементов, соединенных последовательно. Обычно такая сборка содержит 4 или 8 фотоэлементов, каждый из которых дает около 1,5 В рабочего напряжения. Поэтому лист из четырех фотоэлементов будет иметь на выходе напряжение 6 В (8 В без нагрузки) или 12 В (16 В без нагрузки).
Сам же единичный фотоэлемент представляет собой прямоугольник стальной фольги размерами приблизительно 180x39 мм, на который напылены активные слои (Н. Носов http://mobipower.ru/).
На рис. 3.17 приведена выходная характеристика единичного фотоэлемента.
Рис. 3.17. Выходные характеристики единичного фотоэлемента
Что мы видим в графике на рис. 3.17? Самое главное, видно, что при стандартных условиях освещения (1000 Вт/м2,25 °C и спектре 1.5) единичный фотоэлемент имеет рабочее напряжение 1,5 В и рабочий ток 300 мА, т. е. максимальную мощность 0,45 Вт.
Это позволяет нам уже по внешнему виду солнечной батареи сразу же узнать ее характеристики. Например, смотрим на солнечную батарею, скажем, 8 Вт, показанную на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Внешний вид гибкой освещенности батареи 8 Вт
Она состоит из двух ламинатов, в каждом из которых по 8 последовательных фотоэлементов. Поэтому рабочее выходное напряжение такой солнечной батареи будет 1,5 В х 8 шт. = 12 В (или 2 В х 8 шт. = 16 В если без нагрузки).
А рабочий выходной ток будет 300 мА х 2 панели = 600 мА (или 380 мА х 2= 760 мА при коротком замыкании). Реальная выходная мощность 0,45 Вт х 16 фотоэлементов = 7,2 Вт.
Все эти цифры получены для стандартных условий освещения, а это, приблизительно, — «лето, Крым, полдень, ясное небо».
Эти фотоэлементы имеют выходную мощность реально выше, чем указано на графике (рис. 3.17). Поэтому солнечная батарея, маркируемая как 8 Вт, имеет мощность не 7,2 Вт, а около 7,5 Вт, а батарея на 15 Вт — «честные» 15 Вт. Так что, фирма SunCharger указывает характеристики своих солнечных батарей «честно» (в отличие от распространенной практики, когда «путают» рабочие и максимальные характеристики, в результате чего «рекламная» мощность получается в полтора раза больше реальной).
Второе, что мы можем увидеть из графика рис. 3.17: при уменьшении пропорционально снижается выходной ток, но выходное напряжение при этом остается практически неизменным.
Это подтверждается и на практике, когда на слабом Солнце ток может упасть, например, в 50—100 раз, а напряжение снизится всего на пару вольт. Т. е. мы можем продолжать заряжать свои аккумуляторы, просто уменьшится скорость их зарядки, но процесс не прекратится. Это очень хорошее свойство данных батарей.
Следующий фактор, который часто беспокоит покупателей солнечных батарей — это как быстро они теряют свойства. Это опасение не случайно, многие «китайские» аморфные солнечные батареи могут потерять до трети своей мощности в первые же пару лет эксплуатации. Однако, фотоэлементы от «Кванта» практически не меняются со временем. Это прекрасно видно на графике на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Изменение выходной мощности от времени
Из графика видно, что в течение первых 10 недель лежания на солнце, происходит стабилизация характеристик фотоэлементов и в дальнейшем они практически не меняются. Сам производитель дает гарантию 18 лет на то, что элементы будут работать.
Главный технолог «Кванта», производящего солнечные батареи, рассказывал, что у них на крыше уже 14 лет стоят еще первые модели солнечных батарей на гибких фотоэлементах. Круглогодично. За эти годы их характеристики ухудшились всего на 4 %. Так что они еще прослужат лет 30, не меньше (Н: Носов http://mobipower.ru/).
Приятным бонусом для туристов, как для людей, использующих солнечные батареи лишь время от времени, является то, что в отсутствии Солнца процесс стабилизации практически не происходит, и получается, что в первые несколько лет эксплуатации мощность батареи будет выше номинальной на 5—75 %.
Следующим интересным свойством рассматриваемых солнечных фотоэлементов является то, что их коэффициент преобразования энергии света в электричество оказывается выше при малой освещенности, чем при максимальной.
Замечу, что не стоит пугаться относительно небольших значений КПД фотоэлементов из аморфного кремния — это их общее свойство. Это просто приводит к необходимости иметь площадь солнечной батареи большей, чем, если бы использовались фотоэлементы с большим значением КПД. Но на малых мощностях такое увеличение площади не играет большой роли, тем более, что батареи складные.
Интересной и полезной особенностью рассматриваемых солнечных батарей является их нелинейный коэффициент преобразования энергии солнца в электричество, аналог коэффициента полезного действия — КПД. А именно, при снижении освещенности КПД таких фотоэлементов не снижается, а возрастает. Т. е. в реальных условиях эксплуатации, которые могут быть весьма далеки от паспортных, такой фотоэлемент позволяет получить большее количество энергии по сравнению с другими типами (при одинаковой номинальной мощности солнечных батарей, естественно).
Также, не стоит забывать, что в горах и на севере, где в солнечном спектре повышенное количество ультрафиолета, гибкая солнечная батарея выдает еще больше тока, а кристаллическая — ультрафиолет практически использовать не может.
Рекомендуется использовать солнечные батареи в комплекте с электроникой:
♦ с импульсным стабилизатором;
♦ с накопителем на литиевых аккумуляторах «Вампирчик-Литий».
Солнечную батарею 4 Вт рекомендуется использовать для зарядки сотовых телефонов.
Для КПК, коммуникаторов, фотоаппаратов рекомендуется более мощная батарея на 6 Вт или 8 Вт.
Для нескольких потребителей (КПК, фото и т. д.), а также для ноутбуков, рекомендуется солнечная батарея на 11 Вт, 15 Вт или 24 Вт.
Солнечная батарея 24 Вт имеет более высокое выходное напряжение, которое равно «стандартному» для 12 В солнечных батарей, а именно 17–18 В (рабочее). Это может быть полезно при зарядке некоторых накопителей, для которых не подходят «низковольтные» батареи 8—15 Вт.
Также она подходит для прямой замены «12 В» кристаллических солнечных батарей.
Размер в сложенном виде у солнечной батареи 24 Вт на 25 % меньше, чем у батарей 8—15 Вт.
В завершении рассмотрим краткие характеристики
Общие для всех батарей. Складная конструкция. Рабочая температура -30…+ 50 °C. Выходной разъем круглый 5,5 мм / 2,1 мм. Встроенный обратный диод.
Солнечная батарея 4 Вт (SC-4/6). Выходная мощность: 4 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 0,66 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x6 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 405x195x6 мм. Вес 280 г.
Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/6). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 595x195x6 мм. Вес 410 г.
Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/9). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 12 В, рабочее: 9 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x270x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x270x4 мм. Вес 410 г.
Солнечная батарея 8 Вт (SC-8/12). Выходная мощность: 8 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x350x6 мм. Вес 460 г.
Солнечная батарея 11 Вт (SC-11/12). Выходная мощность: 11 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 630x350x6 мм. Вес 600 г.
Солнечная батарея 15 Вт (SC-15/12). Выходная мощность: 15 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x14 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 850x350x6 мм. Вес 930 г.
Солнечная батарея 24 Вт (SC-24/18). Выходная мощность: 23,5 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 21 В, рабочее: 18 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 28x22,5x3 см. Габариты в раскрытом состоянии: 148x44x4 см. Вес 1,4 кг.