Солнечная батарея на балконе, опыт использования / Habr

Привет Geektimes. Данная статья является продолжением предыдущей части, про туристическое зарядное устройство «Anker Solar 21Вт». Идея использования солнечной батареи для зарядки разных гаджетов мне показалась весьма перспективной, но конечно, 21Вт в качестве универсальной зарядки мало — хочется иметь возможность заряда не только в солнечную погоду, а для этого нужен запас по мощности. Поэтому были куплены полноценные солнечные панели и начаты эксперименты с ними.
Что из этого получилось, подробности под катом.

Железо

1. Солнечная панель

Тут есть разные варианты, но на балконе основным ограничением является наличие свободного места. Для понимания порядка цен, батарея на 50Вт стоит примерно 5000руб и выглядит так:

Размеры панели в мм — 540x620x30, вес 4кг.

Балконы по размеру бывают разные, исходя из габаритов панелей, вполне без проблем можно поместить 2 или 4 штуки, больше уже не влезет. Для теста было куплено 2 панели по 50Вт. Такая батарея дает около 18В под нагрузкой или 24В без нее, значит при использовании 2х батарей нужно рассчитывать на суммарное напряжение до 50В (к примеру многие dc-dc преобразователи штатно работают до 30В). Можно соединить батареи и параллельно, но тогда потери из-за длины проводов будут чуть выше.

2. Контроллер

Здесь есть 2 варианта:

— Солнечные панели + контроллер + аккумулятор

Это классическая конструкция: контроллер заряжает аккумулятор когда есть солнце, пользователь когда ему надо, эту энергию использует.

Преимуществ у данной системы несколько:

— энергией можно пользоваться когда угодно, а не только когда светло,
— возможность подключения инвертора и получения на выходе 220В,
— как бонус, резервный источник в доме на случай отключения электричества.

Недостаток один: использование аккумулятора большой емкости в корне убивает экологичность идеи данного мероприятия. Число циклов заряда/разряда аккумуляторов ограничено, они не любят переразряд, к тому же и аккумуляторы и контроллеры довольно-таки дорогие. Цена контроллера составляет от 1000р за самую дешевую ШИМ-версию, до 10000-20000р за более дорогую (и эффективную) версию с поддержкой MPPT (что такое MPPT можно почитать здесь). Цена аккумулятора составляет от 5000р за обычный гелевый аккумулятор на 40-50А*ч, некоторые используют батареи LiFePo4, они разумеется дороже.

— Grid-tie инвертер

Эта технология наиболее перспективна на данный момент.

Суть в том, что конвертор преобразует и отдает энергию сразу в домашнюю электросеть. При этом потребляемая от общей сети энергия уменьшается, домовой электросчетчик фиксирует меньшие показания.

В идеале, если солнечные панели дают достаточно энергии для всех потребителей, значение на электросчетчике вообще не будет расти. А если потребление квартиры/дома меньше, чем выработка солнечных панелей, то счетчик будет фиксировать «экспорт» энергии, что должно учитываться компанией-поставщиком электричества. В России правда такая схема пока не работает — более того, большинство старых электросчетчиков считают энергию «по модулю», т.е. за отдаваемую энергию еще и придется платить. Вроде в 2017 году вопросы микрогенерации на законном уровне обещали начать решать. Но впрочем для панелей на балконе все это имеет лишь теоретический интерес — их выработка слишком мала.

Цена grid-tie инвертора составляет от 100$, в зависимости от мощности. Отдельно стоит отметить микроинветоры — они ставятся прямо на батарею, и отдают сразу сетевое напряжение, однако рекомендуемая мощность панелей составляет не менее 200Вт. Инвертор крепится прямо на задней стенке солнечной панели, это позволяет соединять их так:

Но для балкона это разумеется, неактуально.

Тестирование

Первым делом было интересно выяснить, какую реальную мощность можно получить с солнечных панелей. Для этого за 15$ была куплена плата АЦП ADS1115 для Raspberry Pi:
Использовать ее просто, входное напряжение делится делителем и подается на аналоговый вход, на выходе имеем цифровые значения. Исходники для работы с АЦП можно взять здесь. Также был куплен датчик тока ACS712, датчик напряжения был сделан из кучки резисторов (дома нашлись только одного номинала). В качестве нагрузки была установлена обычная лампочка на 100Вт. Разумеется, от 48 вольт она не горела (лампочка расчитана на 220В), а лишь еле-еле светилась. Сопротивление спирали составляет 42 Ома, что по напряжению позволяет примерно оценить мощность (хотя у лампы накаливания сопротивление нелинейно, но для грубой прикидки сойдет).

Первая тестовая версия выглядела так:

Технофетишистам не смотреть!

Исходник был допилен, чтобы данные и текущее время сохранялись в CSV, также на Raspberry Pi был запущен web-сервер, чтобы скачивать файлы по локальной сети.

Результаты за обычный вполне ясный день с переменной облачностью выглядят так:

Видно что пик напряжения приходится на раннее утро, что есть следствие неправильной установки панелей — в идеале они не должны стоять вертикально.

А вот так выглядит «провал» в день, когда набежали тучи, и пошел дождь:

Учитывая напряжение в 44В и сопротивление нити накала лампы в 42Ома, можно грубо прикинуть (нелинейность сопротивления лампы игнорируем), что в лучшем случае получаемая мощность P = U*U/R = 46Вт. Увы, КПД 100-ваттной панели при вертикальной установке не очень хорош — солнечные лучи падают на панель не под прямым углом. В худшем случае (пасмурно, дождь) мощность падает даже до 10Вт. Зимой и летом суммарная получаемая энергия также будет отличаться.

Опыт с отдачей энергии напрямую в сеть оказался неудачным: 500-ваттный инвертер от 45 ватт просто не заработал. В принципе это было ожидаемо, так что инвертор оставлен на будущее до переезда на место с балконом побольше.

В итоге, учитывая решение отказаться от буферных аккумуляторов, единственным рабочим вариантом оказалось использование dc-dc конверторов напрямую: к примеру вот такой конвертер может заряжать любые USB-девайсы, на его выходе уже есть и USB-разъем:

Есть модели чуть подороже, они имеют больший максимальный ток и большее число USB-разъемов:

Есть мысль также найти dc-dc-конвертер для зарядки ноутбука, их выбор на eBay весьма велик.

Заключение

Данная система имеет экспериментальный характер, но в целом можно сказать что оно работает. Как видно по графику, примерно с 7 утра и до 17 вечера отдаваемая панелями мощность более 30Вт, что в принципе не так уж плохо. В совсем пасмурную погоду результаты разумеется хуже.

Об экономической целесообразности речи разумеется не идет — при выработке 40Вт*ч по 7 часов, за неделю будет выработано 2КВт*ч. Окупаемость в ценах своего региона каждый может прикинуть самостоятельно. Вопрос разумеется не в цене, а в получении опыта, что всегда интересно.

Но куда девать энергию, вопрос пока открытый. Использовать 40Вт для зарядки USB-устройств это чересчур избыточно. На eBay есть grid tie инверторы на 300Вт с рабочим напряжением 10.5-28В, однако отзывов по ним мало, а тратить 100$ на тест не хочется. Если подходящее решение так и не найдется, можно считать что одна 50-ваттная панель является оптимумом для балкона — ею можно заряжать разные гаджеты, избыточность в этом случае минимальна.

По крайней мере, уже сейчас все домашние цифровые устройства (телефоны, планшет) переведены на «зеленую энергию» без особых хлопот. Есть мысль все-таки рассмотреть использование буферного LiFePo4 аккумулятора — но вопрос выбора и аккумулятора и контроллера пока открыт.

В дополнение: как подсказали в комментариях, можно использовать свинцовый аккумулятор, например автомобильный. Да, это действительно дешевый и работающий вариант, со 100-ваттной панелью будет достаточно примерно такого контроллера, ценой всего 10-20$ на eBay:

Фото
Гуглить по словам PWM Solar Charger.

Но это решение не совсем экологичное и не совсем интересное, поэтому в плане изучения технологий я его не рассматриваю. А если кому-то надо например, запитать видеокамеру на даче, то наверное вполне вариант.

Продолжение в следующей части. Краткую видео-версию также можно посмотреть в ролике на youtube.

PS: В комментарии просили выложить фото, в данный момент батареи выглядят так:

Фото

Такой размер панелей не мешает пользоваться балконом и в принципе не портит внешний вид. Также, как подсказали в комментариях, выгоднее покупать панели бОльшей мощности, оптимумом по цене являются панели на 150-200Вт, но их размещение чуть сложнее, и надо уже прикидывать габариты, поместится панель или нет. Также встает вопрос надежного крепежа.

Солнечная батарея на балконе: использование аккумуляторов / Habr

Привет Geektimes! Данная статья является продолжением предыдущей части, про опыт установки 100-ваттной солнечной батареи на балконе. В первоначальном варианте к батарее был подключен DC-DC преобразователь, от которого можно заряжать различные домашние устройства. Следующим шагом было решено добавить возможность накопления энергии для использования в вечернее и ночное время.
Что получилось, подробности под катом.

Теория

Как говорилось в предыдущей части, несмотря на не оптимальные углы установки и малое количество панелей (2х50Вт), солнечная панель в принципе работает. Но дальше возникает вопрос что делать как эту энергию использовать.

Вариантов несколько:

1) Использовать энергию только по мере надобности, например для зарядки планшета. В плане КПД это самый плохой вариант — днем когда светло, все на работе, да и использовать 100-ваттную панель для зарядки телефона слишком избыточно — 95% светлого времени солнечная панель стоит неподключенной.

Опционально, можно просто подключить готовый USB power bank, например на 10000мАч. Работать будет, но решение во-первых, неинтересное в плане творчества, во-вторых, максимальная мощность для зарядки по USB около 10Вт, т.е. уже для 50-ваттной панели большая часть энергии будет пропадать впустую (хотя для пасмурной погоды сойдет). Ну и в-третьих, выбор подключаемых по USB устройств не так уж велик.

2) Отдавать энергию в электросеть (технология grid tie), чтобы она использовалась другими электроприборами. В принципе, это современный и наиболее используемый в частных домах вариант. Очень удобно, ничего не пропадает, все что сгенерировалось, отдается в сеть, количество требуемых компонентов минимально. Для моего балкона оно увы, не заработало — рекомендуемая мощность панелей для нормальной работы инвертора от 200Вт, а увеличивать число панелей еще в 2 раза уже не входило в бюджет. Да и экономического смысла большого не было — окна выходят на восток, и прямые солнечные лучи попадают на них только утром до 11-12 часов дня.

3) Накапливать энергию в аккумуляторе. Раз первые два способа не подошли, это единственное что остается делать.

Плюсы очевидны:

— Возможность использования запасенной энергии в любое время.
— Возможность подключения к батарее более мощной нагрузки (например электродрель не заработает от солнечной панели, а от аккумулятора легко).

— Возможность использования разнообразных устройств, рассчитанных на 12В — светодиодные лампы, зарядки для ноутбука и пр.
— Опциональная возможность подключения инвертора на 220В, и как бонус, появление в доме резервного источника питания на случай отключения электричества.
Минус тоже очевиден: батареи в таких системах это самый недолговечный, весьма дорогой, да и экологически вредный компонент. Но последний минус мы наоборот обратим в плюс — батареи могут использоваться повторно (примерно то же, что по слухам, делает Маск в своих Tesla Powerwall).

Полезных для нас видов аккумуляторов мы выделим два:

— Свинцовые и их разновидности: гелевые, щелочные, автомобильные, от UPS и пр. Дешевы, пожаробезопасны, но на этом плюсы заканчиваются. Количество циклов невелико, масса и габариты неудобны. В то же время, это самый дешевый и простой вариант — и дешево, и просто, и «накосячить» тут невозможно. Цена контроллера заряда на eBay менее 1000р, аккумулятор можно купить в любом ближайшем магазине.

— Литиевые. Их много разных видов, и запутаться куда легче.
«Традиционные» литий-ионные: напряжение 3.7В, максимальное напряжение зарядки 4.2В, минимальное напряжение 3.0В. Не любят перезаряда (число циклов снижается кардинально), и гипотетически (при отсутствии защиты и нарушении режима эксплуатации) пожароопасны.
Литий-железо-фосфатные (LiFePO4): напряжение 3.2В, максимальное напряжение зарядки 3.65В, минимальное напряжение 2В. Пожаробезопасны, судя по тестам, даже при КЗ лишь воняют, но не горят.

Литий-титанатные (Li4Ti5O12): напряжение 2.4В, максимальное напряжение зарядки 2.85В, минимальное напряжение 1.8В. Пожаробезопасны, плюс имеют большое количество циклов (по разным источникам, от 7000 до 15000), что делает их практически «вечными». Минус в том, что напряжение минимально, да и купить их непросто.

Более подробно описание разных видом, с их плюсами и минусами, можно почитать здесь. Очевидно, что каждому типу аккумуляторов нужен свой режим заряда, и в общем случае зарядные устройства несовместимы с разными типами ячеек, если в настройках нет возможности выбора. Попытка зарядить LiFePO4 обычным зарядником «для лития» до напряжения 4.2В просто испортит батарею.

В итоге, из всего разнообразия, было решено остановиться на самом простом и проверенном варианте: литий-ионных батареях форм-фактора 18650.

— Это самый популярный форм-фактор, такие батареи используются в ноутбуках, шуруповертах, powerbank-ах и пр.
— Такие батареи легко достать, например из б/у ноутбучных батарей, в которых обычно выходит из строя только несколько ячеек, а остальные вполне работоспособны.
— Как следствие предыдущего пункта, повторно используя батареи, мы не только не вредим экологии, а наоборот, даем элементам вторую жизнь.

Здесь можно подробно посмотреть на тестирование таких батарей:

Извлечение и тестирование ячеек из батареи ноутбука

Элементы 18650 несложно купить и новые, а при покупке большими партиями цена батарейки может составлять меньше доллара за штуку. Это позволяет энтузиастам создавать системы типа таких:
Или даже таких (фото с youtube):
Кстати, если кому интересно посмотреть на более-менее профессиональный подход к сборке батарей, делается это так:Youtube видео

Для балкона, столько разумеется не надо. Батареи напряжением 12В и емкостью 8-10Ач для первой итерации вполне достаточно. При желании число элементов можно будет потом увеличить.

В качестве нагрузки планируется во-первых, зарядка всевозможных девайсов, во-вторых, использование 12-вольтовой LED-лампы в качестве вечернего освещения. Дальше будет видно, в зависимости от того сколько энергии удастся собирать.

Практика

Для сборки системы нам потребуется ряд компонентов. Все довольно-таки дешевое, космических цен здесь нет.

1. Контроллер заряда

Контроллер является логическим центром всей системы, он берет энергию от солнечных батарей и заряжает ею аккумуляторы, также включает и отключает нагрузку, если батареи слишком разрядились. Цена вопроса от 15$ за дешевый контроллер как на фото, этого вполне достаточно. Главное чтобы в контроллере была возможность настраивать напряжение батареи, т.к. напряжение литиевой батареи отличается от свинцовой.

2. Аккумуляторы 18650

У меня не стоял вопрос как максимально сэкономить, поэтому я просто заказал 6 штук на eBay.

По идее, если поспрашивать в сервис-центрах, то старые ноутбучные батареи можно найти практически даром, единственное что для их тестирования понадобится измеритель емкости, цена вопроса около 4$:
Уже заказав аккумуляторы, я понял что проще было-таки купить батарею от ноутбука: ячейки там уже с припаянными выводами, присоединить их было бы проще, да и цена была бы чуть ниже. Видео как аккуратно разобрать батарею, можно посмотреть здесь:Разборка батареи ноутбука

А так, пришлось купить еще держатели для аккумуляторов, впрочем стоят они недорого. Как вариант, можно купить аккумуляторы с уже припаянными пластинами, стоят они чуть дороже.

Кстати, если кто-то решит брать аккумуляторы 18650 на eBay, стоит иметь в виду, что их реальная емкость 2000-3500мАч. Батарей емкостью 9900мАч и выше, не бывает, то что продается на ебее с такой надписью — китайский фейк.

Реальная емкость таких батарей видна на скриншоте с видео от одного из покупателей:

Такую батарею стоило бы взять, только если расчитывать открыть диспут и получить возврат денег от продавца (жуликов надо наказывать). Только месяц ожидания того не стоит, да и батарея с емкостью 500мАч годится только для мусорного ведра.

3. BMS

Чтобы ячейки в батарее заряжались корректно, нужна плата BMS — battery management system. Плата обеспечивает равномерный заряд ячеек, а также отключает заряд/разряд при выходе напряжения за границы допустимых.

Искать проще на eBay по словам 18650 Protection Balance Board.

Примечание: как показало тестирование, данная плата не совместима с контроллером заряда, т.к. в контроллере заряда уже есть задаваемые пороги отключения. Нужна простая плата с балансиром «LiPo Balance Board», все остальное контроллер заряда берет на себя. Подробнее описано в статье про тестирование контроллера.

На схеме условно показаны 3 аккумулятора, в реальности их можно параллелить, и вид батареи может быть примерно такой (фото с сайта продавца):

Кстати, о количестве аккумуляторов в батарее. Их в принципе, много не бывает. Во-первых, даже небольшой недозаряд значительно увеличивает продолжительность жизни батареи — если снизить максимальное напряжение заряда с 4.2 до 4.1В, количество циклов возрастет вдвое, а емкость уменьшится лишь на 10%. Во-вторых, если параллелить ячейки, то зарядные токи также уменьшаются, что уменьшает нагрев и увеличивает продолжительность жизни батареи. Так что по возможности, 12 аккумуляторов лучше чем 9, а 9 лучше чем 6, и так далее, верхний предел ограничен лишь ценой и здравым смыслом.

Не является обязательным, но вполне удобным является прибор для контроля напряжения ячеек, цена вопроса так же около 5$. Он же может работать как балансир ячеек.

Теперь соберем это в кучу, и как говорится, со всем этим попытаемся взлететь. Статья и так получилась большой, так что продолжение в следующей части.

Аналогичный эксперимент от других пользователей можно посмотреть например здесь:

Видео в 3х частях:

PS: Вместо заключения: про безопасность литиевых батарей

В интернете ходит много страшилок о пожароопасности литиевых батарей, да и случаи возгорания действительно иногда случаются, последний epic fail c телефонами Samsung тому пример. Насколько безопасна описанная выше батарея? Еще раз напомним, что ячейки 18650 массово используются в ноутбуках, так что эксплуатация такой системы ничуть не более опасна, чем использование ноутбука, включенного в розетку. Даже более того, элементы здесь имеют лучший температурный режим, чем в закрытом корпусе ноутбука, а защита от перенапряжения является двойной (настройка напряжения в контроллере заряда + наличие платы защиты). И еще более того, токи заряда в «солнечной» системе меньше чем в ноутбуке — здесь нет нужды зарядить аккумуляторы максимально быстро, достаточно если они зарядятся за световой день. Так что шанс возгорания минимален. Но все-таки, надо написать, хотя это должно быть и так очевидно: все эксперименты делаются на свой страх и риск, за возможные негативные последствия автор ответственности не несет.

И разумеется, при создании самодельных девайсов важно помнить, что литиевые батареи запасают в себе достаточно много энергии, так что их важно защитить от короткого замыкания, детей, домашних животных и пр. Также при использовании б/у батарей их следует отобрать и протестировать на емкость и токи заряда/разряда.

тестирование контроллера заряда / Habr

Привет geektimes!

В предыдущей части была рассмотрена и проверена работа платы BMS, обеспечивающей корректный заряд литий-ионного аккумулятора. Китайская почта наконец доставила Solar charge controller, так что пора протестировать и его.

Результаты тестирования под катом.

Контроллер заряда (Solar charge controller)

Данное устройство является основным во всей системе — именно контроллер обеспечивает взаимодействие всех компонентов — солнечной панели, нагрузки и батареи (он нужен, только если мы хотим именно накапливать энергию в батарее, если отдавать энергию сразу в электросеть, нужен другой тип контроллера grid tie).

Контроллеров на небольшие токи (10-20А) на рынке довольно-таки много, но т.к. в нашем случае используется литиевая батарея вместо свинцовой, то нужно выбирать контроллер с настраиваемыми (adjustable) параметрами. Был куплен контроллер, как на фото, цена вопроса от 13$ на eBay до 20-30$ в зависимости от жадности местных продавцов. Контроллер гордо называется «Intelligent PWM Solar Panel Charge Controller», хотя по сути вся его «интеллектуальность» заключается в возможности задания порогов заряда и разряда, и конструктивно он не сильно отличается от обычного DC-DC конвертора.

Подключение контроллера весьма просто, у него всего 3 разъема — для солнечной панели, нагрузки и аккумулятора соответственно. В качестве нагрузки в моем случае была подключена светодиодная лента на 12В, аккумулятор все тот же тестовый с Hobbyking. Также на контроллере есть 2 USB-разъема, от которых можно заряжать различные устройства.

Все вместе выглядело так:

Перед тем как использовать контроллер, его надо настроить. Контроллеры этой модели продаются в разных модификациях для разных типов батарей, отличия скорее всего лишь в предустановленных параметрах. Для моей литиевой батареи c тремя ячейками (3S1P) я установил следующие значения:

Как можно видеть, напряжение отключения заряда (PV OFF) установлено на 12.5В (исходя из 4.2В на ячейку можно было поставить 12.6, но небольшой недозаряд положительно сказывается на количестве циклов батареи). Следующие 2 параметра — отключение нагрузки, в моем случае настроено на 10В, и повторное включение заряда на 10.5В. Минимальное значение можно было поставить и меньше, до 9.6В, небольшой запас был оставлен для работы самого контроллера, который питается от той же батареи.

Тестирование

С разрядом проблем ожидаемо не было. Заряда батареи хватило чтобы зарядить планшет, также горела светодиодная лента, и при пороговом напряжении в 10В, лента погасла — контроллер отключил нагрузку, чтобы не разряжать батарею ниже заданного порога.

А вот с зарядом все пошло не совсем так. Вначале все было хорошо, и максимальная мощность по ваттметру составила около 50Вт, что вполне неплохо. Но ближе к концу заряда подключенная в качестве нагрузки лента стала сильно мерцать. Причина ясна и без осциллографа — две BMS не очень дружат между собой. Как только напряжение на одной из ячеек достигает порога, BMS отключает батарею, из-за чего отключается и нагрузка и контроллер, затем процесс повторяется. Да и учитывая что пороговые напряжения уже заданы в контроллере, вторая плата защиты по сути и не нужна.

Пришлось вернуться к плану «Б» — поставить на батарею только плату балансировки, оставив контроллеру управление зарядом. Плата 3S balance board выглядит так:

Бонус этого балансира еще и в том, что он в 2 раза дешевле.

Конструкция получилась даже проще и красивее — балансир занял свое «законное» место на балансировочном разъеме батареи, к контроллеру батарея подключена через силовой разъем.
Все вместе выглядит примерно так:

Больше никаких неожиданностей не было. Когда напряжение на батарее поднялось до 12.5В, потребляемая от панелей мощность упала практически до нуля а напряжение увеличилось до максимума «холостого хода» (22В), т.е. заряд больше не идет.

Напряжение на 3х ячейках батареи в конце заряда составило 4.16В, 4.16В и 4.16В, что дает в сумме 12.48В, к контролю заряда, как и к балансиру претензий нет.

Заключение

Система работает, почти как и ожидалось. Днем электроэнергия может накапливаться, вечером ее можно использовать. В финальной версии батарея будет заменена на блок из элементов 18650, которые уже описывались в предыдущей части. Емкость батареи можно увеличить до 20Ач, больше для балконной системы уже избыточно. Если же приобрести другой балансир, можно использовать и LiFePo4-аккумуляторы, достаточно установить нужные пороги напряжений в контроллере. Однако в моем случае, смысла в этом скорее всего нет — стоимость LiFePo4 на 10-20Ач составляет 80-100$, что уже сопоставимо со стоимостью Grid Tie контроллера, который я собираюсь протестировать в дальнейшем.

Продолжение в следующей части.

Еще исключительно для тестов (понятно что экономического смысла в этом нет) была заказана батарея ионисторов на 12В, благо цены падают и сейчас они относительно дешевые. Будет интересно проверить, на сколько хватит их заряда. Stay tuned.

Примечание: показанная на фото батарея от Hobbyking была поставлена исключительно для теста. Эти батареи не тестировались для постоянного использования в подобных системах, также их не рекомендуется оставлять без присмотра.

Более-менее окончательная версия батареи выглядит вот так:

Это 12 ячеек 18650, соединенных в группы параллельно по 4. Примерная емкость батареи около 12ач, этого хватает для зарядки разных гаджетов и для вечернего освещения комнаты светодиодной лентой. В батарее используются элементы Panasonic, те же что и в автомобилях Tesla S, надежность данных ячеек можно считать вполне хорошей.

Для желающих посмотреть видео-версию, ролик выложен в youtube.

Солнечная батарея на балконе

Источник: https://geektimes.ru/post/288734/

Данная статья является продолжением предыдущей части, про туристическое зарядное устройство «Anker Solar 21Вт». Идея использования солнечной батареи для зарядки разных гаджетов мне показалась весьма перспективной, но конечно, 21Вт в качестве универсальной зарядки мало — хочется иметь возможность заряда не только в солнечную погоду, а для этого нужен запас по мощности. Поэтому были куплены полноценные солнечные панели и начаты эксперименты с ними. Вот что из этого получилось.

Железо

1. Солнечная панель

Тут есть разные варианты, но на балконе основным ограничением является наличие свободного места. Для понимания порядка цен, батарея на 50Вт стоит примерно 5000руб и выглядит так:

Размеры панели в мм — 540 x 620 x 30, вес 4кг.

Балконы по размеру бывают разные, исходя из габаритов панелей, вполне без проблем можно поместить 2 или 4 штуки, больше уже не влезет. Для теста было куплено 2 панели по 50Вт. Такая батарея дает около 18В под нагрузкой или 24В без нее, значит при использовании 2х батарей нужно рассчитывать на суммарное напряжение до 50В (к примеру многие dc-dc преобразователи штатно работают до 30В). Можно соединить батареи и параллельно, но тогда потери из-за длины проводов будут чуть выше.

2. Контроллер

Здесь есть 2 варианта:

— Солнечные панели + контроллер + аккумулятор

Это классическая конструкция: контроллер заряжает аккумулятор когда есть солнце, пользователь когда ему надо, эту энергию использует.

Преимуществ у данной системы несколько:

• энергией можно пользоваться когда угодно, а не только когда светло,
• возможность подключения инвертора и получения на выходе 220В,
• как бонус, резервный источник в доме на случай отключения электричества.

Недостаток один: использование аккумулятора большой емкости в корне убивает экологичность идеи данного мероприятия. Число циклов заряда/разряда аккумуляторов ограничено, они не любят переразряд, к тому же и аккумуляторы и контроллеры довольно-таки дорогие. Цена контроллера составляет от 1000р за самую дешевую ШИМ-версию, до 10 000 — 20 000 р за более дорогую (и эффективную) версию с поддержкой MPPT (что такое MPPT можно почитать здесь). Цена аккумулятора составляет от 5000р за обычный гелевый аккумулятор на 40-50А*ч, некоторые используют батареи LiFePo4, они разумеется дороже.

— Grid-tie инвертер

Эта технология наиболее перспективна на данный момент.

Суть в том, что конвертор преобразует и отдает энергию сразу в домашнюю электросеть. При этом потребляемая от общей сети энергия уменьшается, домовой электросчетчик фиксирует меньшие показания.

В идеале, если солнечные панели дают достаточно энергии для всех потребителей, значение на электросчетчике вообще не будет расти. А если потребление квартиры/дома меньше, чем выработка солнечных панелей, то счетчик будет фиксировать «экспорт» энергии, что должно учитываться компанией-поставщиком электричества. В России правда такая схема пока не работает — более того, большинство старых электросчетчиков считают энергию «по модулю», т.е. за отдаваемую энергию еще и придется платить. Вроде в 2017 году вопросы микрогенерации на законном уровне обещали начать решать. Но впрочем для панелей на балконе все это имеет лишь теоретический интерес — их выработка слишком мала.

Цена grid-tie инвертора составляет от 100$, в зависимости от мощности. Отдельно стоит отметить микроинветоры — они ставятся прямо на батарею, и отдают сразу сетевое напряжение, однако рекомендуемая мощность панелей составляет не менее 200Вт. Инвертор крепится прямо на задней стенке солнечной панели, это позволяет соединять их так:

Но для балкона это разумеется, неактуально.

Тестирование

Первым делом было интересно выяснить, какую реальную мощность можно получить с солнечных панелей. Для этого за 15$ была куплена плата АЦП ADS1115 для Raspberry Pi:

Использовать ее просто, входное напряжение делится делителем и подается на аналоговый вход, на выходе имеем цифровые значения. Исходники для работы с АЦП можно взять здесь. Также был куплен датчик тока ACS712, датчик напряжения был сделан из кучки резисторов (дома нашлись только одного номинала). В качестве нагрузки была установлена обычная лампочка на 100Вт. Разумеется, от 48 вольт она не горела (лампочка рассчитана на 220В), а лишь еле-еле светилась. Сопротивление спирали составляет 42 Ома, что по напряжению позволяет примерно оценить мощность (хотя у лампы накаливания сопротивление нелинейно, но для грубой прикидки сойдет).

Первая тестовая версия выглядела так:

Исходник был допилен, чтобы данные и текущее время сохранялись в CSV, также на Raspberry Pi был запущен web-сервер, чтобы скачивать файлы по локальной сети.

Результаты за обычный вполне ясный день с переменной облачностью выглядят так:

Видно что пик напряжения приходится на раннее утро, что есть следствие неправильной установки панелей — в идеале они не должны стоять вертикально.

А вот так выглядит «провал» в день, когда набежали тучи, и пошел дождь:

Учитывая напряжение в 44В и сопротивление нити накала лампы в 42 Ома, можно грубо прикинуть (нелинейность сопротивления лампы игнорируем), что в лучшем случае получаемая мощность P = U*U/R = 46Вт. Увы, КПД 100-ваттной панели при вертикальной установке не очень хорош — солнечные лучи падают на панель не под прямым углом. В худшем случае (пасмурно, дождь) мощность падает даже до 10Вт. Зимой и летом суммарная получаемая энергия также будет отличаться.

Опыт с отдачей энергии напрямую в сеть оказался неудачным: 500-ваттный инвертер от 45 ватт просто не заработал. В принципе это было ожидаемо, так что инвертор оставлен на будущее до переезда на место с балконом побольше.

В итоге, учитывая решение отказаться от буферных аккумуляторов, единственным рабочим вариантом оказалось использование dc-dc конверторов напрямую: к примеру вот такой конвертер может заряжать любые USB-девайсы, на его выходе уже есть и USB-разъем:

Есть мысль также найти dc-dc-конвертер для зарядки ноутбука, их выбор на eBay весьма велик.

Заключение

Данная система имеет экспериментальный характер, но в целом можно сказать что оно работает. Как видно по графику, примерно с 7 утра и до 17 вечера отдаваемая панелями мощность более 30Вт, что в принципе не так уж плохо. В совсем пасмурную погоду результаты разумеется хуже.

Об экономической целесообразности речи разумеется не идет — при выработке 40Вт*ч по 7 часов, за неделю будет выработано 2КВт*ч. Окупаемость в ценах своего региона каждый может прикинуть самостоятельно. Вопрос разумеется не в цене, а в получении опыта, что всегда интересно.

Но куда девать энергию, вопрос пока открытый. Использовать 40Вт для зарядки USB-устройств это чересчур избыточно. На eBay есть grid tie инверторы на 300Вт с рабочим напряжением 10.5-28В, однако отзывов по ним мало, а тратить 100$ на тест не хочется. Если подходящее решение так и не найдется, можно считать что одна 50-ваттная панель является оптимумом для балкона — ею можно заряжать разные гаджеты, избыточность в этом случае минимальна.

По крайней мере, уже сейчас все домашние цифровые устройства (телефоны, планшет) переведены на «зеленую энергию» без особых хлопот. Есть мысль все-таки рассмотреть использование буферного LiFePo4 аккумулятора — но вопрос выбора и аккумулятора и контроллера пока открыт.

В дополнение: как подсказали в комментариях, можно использовать свинцовый аккумулятор, например автомобильный. Да, это действительно дешевый и работающий вариант, со 100-ваттной панелью будет достаточно примерно такого контроллера, ценой всего 10-20$ на eBay:

Гуглить по словам PWM Solar Charger.

Но это решение не совсем экологичное и не совсем интересное, поэтому в плане изучения технологий я его не рассматриваю. А если кому-то надо например, запитать видеокамеру на даче, то наверное вполне вариант.

Продолжение следует 🙂

PS: В комментарии просили выложить фото, в данный момент батареи выглядят так:

Такой размер панелей не мешает пользоваться балконом и в принципе не портит внешний вид. Также, как подсказали в комментариях, выгоднее покупать панели бОльшей мощности, оптимумом по цене являются панели на 150-200Вт, но их размещение чуть сложнее, и надо уже прикидывать габариты, поместится панель или нет. Также встает вопрос надежного крепежа.

Использование солнечных батарей для обогрева балкона

Не секрет, что освещение и отопление помещений, домов, балконов самая затратная статья в расходах на коммунальные услуги. Эта тема давно интересует людей, любителей искать новые способы экономии денег. Есть ли возможность снизить эти расходы? Есть ли альтернатива обычным вариантам потребления энергии? Да, если привлечь к этому силы природы, а точнее – использовать солнечную энергию. Для этого были изобретены еще в 50-е годы прошлого столетия солнечные батареи.

Содержание статьи

Солнечные батареи на балконе

Владельцам частных домой проще, так как обустройство на крыше площади под солнечные батареи это лучший вариант их расположения. Как же быть хозяевам квартир в многоэтажках? Один из вариантов — это устройство солнечных батарей на балконах для выработки энергии для освещения и отопления помещений.

Как работают солнечные батареи?

Фотоэлементы, или как еще их называют полупроводниковые устройства, преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток. Если соединить определенное количество фотоэлектрических преобразователей, получим солнечную батарею. Даже при небольшой облачности солнечные батареи вырабатывают достаточное количество энергии. Число используемых модулей зависят от расчетного потребления электричества. Продолжительность работы этой системы около 20-25 лет, а окупаются затраты на сооружение солнечных батарей несколько лет.

Плюсы и минусы использования солнечных батарей

Обычные балконы имеют средние габариты, поэтому модули для солнечных батарей должны быть как можно малыми по размеру, чтобы была возможность разместить их на балконе, и должны давать максимальное количество энергии.

В комплект системы для преобразования солнечной энергии входят:

— солнечная батарея,
— инвертор (преобразователь напряжения) высокой мощности,
— аккумулятор,
— система управления модулями.

Человек, имеющий элементарный познания в электрике, без проблем справится со схемой подключения модулей. Панели солнечной батареи устанавливаются снаружи балкона, для них не требуется особый уход и внимание. Но так как аккумуляторы не выдерживают низкие температуры, то важным моментом является утепление балкона. И, естественно, так как солнечные батареи преобразовывают солнечную энергию в электрическую, эту энергию можно использовать не только для освещения балконов, но и для дополнительного обогрева в зимний период.

Решив воспользоваться солнечными батареями, нужно четко рассчитать потребности в электроэнергии и возможности системы перерабатывать солнечное излучение. На случай форс-мажорных обстоятельств желательно оставить доступ к общепринятым источникам питания. К таким обстоятельствам относится уменьшение количества солнечного времени в осенне-зимне-весенний период. Также — наличие большого количества в доме точек потребления энергии: телевизоры, музыкальные центры, кухонная аппаратура, холодильники, микроволновки, электрочайники, стиральные машины, обогреватели воды и т.д.

Значит, в большинстве случаев солнечные батареи это не просто альтернативное, а точнее дополнительное использование электроэнергии для нужд человека.

Как уже говорилось выше, прежде чем решить устанавливать солнечные батареи на балконе, нужно учесть тот факт, что аккумуляторы не работают при пониженных и низких температурах, сохраненная энергия теряется впустую, значит помещение нужно остеклить и утеплить.

Для начала устанавливаем стеклопакеты. Утепляем балкон по всем правилам, принятым в том регионе, где Вы проживаете. В системе солнечных батарей самым объемным являются аккумуляторы. При оформлении дизайна балкона нужно это учесть и расположить аккумуляторы так, чтобы сэкономить внутреннее пространство.

Практичность и декоративность в использовании солнечных модулей

Сами накапливающие устройства солнечных батарей устанавливаются снаружи балкона, обычно по всей площади парапета и по верхней части балкона под потолком или в верхней части стеклопакетов. Фотоэлектрические панели бывают цветными и могут иметь различный уровень прозрачности. Эти модули играют роль не только преобразователей энергии, но и роль дизайнерской изюминки в оформлении экстерьера балкона.

Установка на стекле окна модулей с одной стороны мешает проникновению естественного солнечного света в помещение балкона, с другой стороны играет роль тонирования и защиты от повышенного ультрафиолета в летний период.

На балконе обычно не устанавливаются электроприборы большого потребления электроэнергии, только элементы обогрева.

Стоимость оборудования и установки гелиосистем

Дешевым такой способ получения электроэнергии назвать сложно потому, что оборудования и работ по монтажу и сборке начинается от 3500 евро. К тому же необходимо переоборудование квартиры энергосберегающими приборами.

В то же время стоит отметить, что всего один метр солнечных батарей на балконе производит до 100 Ватт электроэнергии в час или 18кВт в месяц. В качестве дополнительного источника электроэнергии можно использовать гибкие, пленочные модули, которые можно крепить непосредственно на окна.

Принимая решение перехода на альтернативные источники электроэнергии, стоит тщательно взвесить затраты, предстоящую прибыль от этого мероприятия и просчитать все ЗА и ПРОТИВ.

Новости от партнеров

Загрузка…

Солнечные батареи для квартиры на балконе

Использование бесплатной энергии солнца интересует многих людей. Некоторые из них устанавливают солнечные энергосистемы на крышах домов, другие – на свободных участках частных землевладений. Но не у всех есть такая возможность из-за отсутствия индивидуального отдельно стоящего дома, поэтому все чаще владельцы квартир монтируют вырабатывающие энергию солнечные батареи на балконе.

Устройство балконных панелей

Солнечные батареи, эксплуатируемые на балконе, ввиду ограниченной площади места их установки, должны иметь высокую энергетическую эффективность при достаточно компактных габаритных размерах. Для достижения этой цели балконные панели комплектуются инверторами повышенной способности, обладающими большой электрической отдачей и сохраняющими работоспособность на максимальных пиковых нагрузках.

В стандартную комплектацию солнечных батарей для квартиры входят следующие элементы:

• аккумулятор;
• инвертор;
• полупроводниковые пластины;
• система модульного управления.

Полупроводниковые пластины преобразовывают направленную на них солнечную энергию в электрическую. Образованный ток заряжает аккумуляторную батарею, в которой и накапливается запас выработанной электроэнергии. Инвертор нужен для преобразования постоянного напряжения аккумулятора в переменное, то есть в такое же, как и в обычной розетке.

В комплект большинства современных солнечных установок входят также дополнительные устройства, такие как контроллеры и выходы USB, к которым для подзарядки можно подключать фонарики, переносные лампы, мобильные телефоны, ноутбуки и небольшую бытовую технику.

Нюансы установки батарей

Вся система преобразования солнечной энергии размещается на балконе квартиры, она не нуждается в особом уходе и постоянном внимании. Единственный фактор, который очень важно учитывать, – обязательное наличие положительной температуры в месте расположения аккумуляторных батарей. Зимой аккумуляторы из-за воздействия мороза могут терять значительную часть своего заряда.

Полупроводниковые пластины желательно установить на балконное стекло, хотя также возможен монтаж на место нижних пластиковых панелей оконной рамной конструкции. В первом варианте энергопластины будут препятствовать прохождению солнечного света в помещение, однако это очень выгодно в ясные и жаркие летние дни. Кроме того, будет обеспечена защита от воздействия ультрафиолетового излучения.

Самые объемные элементы всей системы, аккумуляторы, рекомендуется располагать под потолком, благодаря чему они не занимают полезной площади и сохраняют эстетичность вида балкона. Инвертор и блок управления лучше всего размещать немного ниже аккумуляторных батарей.

Практика применения

В российских климатических условиях специалисты рекомендуют использовать поликристаллические модули, высокочувствительные к слабому потоку солнечного света. Такие модули ламинируются прочным материалом, защищающим пластины от снеговых, дождевых и прочих погодных влияний.

Для стандартного балкона люди чаще всего выбирают четыре поликристаллические панели, направляя их на южную сторону. Модуль не должен попадать в зону затенения соседними домами или деревьями. В летнее время такая система способна вырабатывать до 2-х кВтч электроэнергии за сутки, которой достаточно для энергосберегающего освещения всей квартиры, зарядки мобильного телефона и ноутбука, либо же для работы небольшого холодильника или телевизора. Зимой инсоляция солнечного света существенно сокращается, поэтому модуль выполняет роль резервного питания при отключениях сетевого напряжения.

Минусы солнечных энергосистем

Главным недостатком установки солнечной батареи на балконе можно назвать ее низкую энергоэффективность в отношении обеспечения электричеством всех электроприборов в квартире. Такие системы не могут вырабатывать достаточное количество тока для питания водонагревателя, электроплиты, мощной стиральной машины или холодильника и т.д.

Обычно проектирование так называемых «солнечных домов» производится еще задолго до их возведения. При этом подбирается наиболее подходящее для работы энергетических систем место расположения строения, учитываются инфраструктурные особенности. Благодаря правильной разработке проекта, подобные солнечные комплексы способны обеспечить работу всей осветительной системы многоквартирного дома и прилегающих территорий, питание систем связи и безопасности.

Квартирная солнечная энергосистема – вещь достаточно дорогая, поэтому затраты на ее установку окупаются сравнительно долго. К дополнительным расходам также добавляется стоимость переоборудования освещения, установки экономных светодиодных ламп.

Прежде чем принять решение об установке солнечной батареи в квартире, важно оценить все «за» и «против». Необходимо взвесить требуемые вложения денежных средств и отдачу в виде прибыли. Солнечную энергосистему на балконе целесообразно использовать только в том случае, если она окупит затраты на свою установку в течение короткого времени.

тестирование батареи ионисторов / Habr

Привет geektimes.

В предыдущей части рассказывалось о тестировании литиевых батарей для хранения электроэнергии. В одном из комментариев был вопрос об использовании ионисторов для хранения запасенной энергии. Стало интересно проверить, как это работает.

Конечно, параметры ионисторов можно найти в даташите и посчитать все что надо. Но так не интересно, куда интереснее померять самостоятельно. Для этого на ebay была заказана плата с длинным названием 6Pcs Farad Capacitor 2.7V 500F with Protection Board.

Как это работает, подробности под катом.

Чем интересны ионисторы? Это, упрощенно говоря, конденсатор огромной емкости — которая может составлять сотни фарад. В отличие от аккумуляторов, ионисторы обладают следующими преимуществами:

— имеют практически неограниченное количество циклов,
— могут быть разряжены до нуля, не боятся разряда,
— могут работать при отрицательных температурах,
— могут отдавать очень большие токи, в десятки или даже сотни ампер,
— имеют основной компонент — активированный уголь, который является весьма экологически чистым и «возобновляемым» компонентом (если верить Википедии, его получают из кокосовых орехов).

В то же время, у ионисторов есть и недостатки:

— плотность энергии в 10-100 раз меньше чем у аккумуляторов,
— в отличие от аккумуляторов, напряжение при нагрузке падает сразу и линейно,
— высокая цена.

Справедливости ради, технология не такая уж и новая: еще мой старый Palm m105 умел работать от встроенного ионистора 1-2 минуты, пока пользователь менял батарейку. Однако цена на ионисторы большой емкости довольно-таки заметно упала, что позволяет купить их без больших финансовых затрат.

Заряд

Одна из особенностей ионисторов — напряжение каждого элемента не превышает 2.7В. Поэтому для получения больших напряжений, они соединяются в батарею, а чтобы не перезарядить каждый элемент, их оснащают схемой защиты. Принцип полностью аналогичен балансиру в литиевых аккумуляторах — при превышении напряжения, излишки стравливаются на резисторах. Схему защиты хорошо видно на фото сверху. В моем случае батарея состоит из 6 ионисторов, емкостью 500Ф и напряжением 2.7В каждый, таким образом максимальное напряжение батареи составляет около 16В.

Вторая интересная особенность ионисторов — очень малое внутреннее сопротивление. Ионистор может как принимать, так и отдавать токи в десятки ампер (есть познавательное видео на эту тему). В моем случае, при первой попытке зарядить ионистор от блока питания 12Вх8А, провод раскалился докрасна и перегорел. Пришлось достать блок питания с настройкой ограничения тока, тогда процесс заряда пошел нормально. В остальном, заряд ионистора ничем не отличается от заряда конденсатора.

Тестирование

В качестве первого теста, напрямую к ионистору была подключена светодиодная лента. Было интересно проверить возможность использования максимально простого «аварийного» освещения, безо всяких сложных драйверов. Чтобы не испортить светодиоды ленты, ионисторы были заряжены до 12В. Из предыдущих опытов было известно, что потребляемый ток этого куска ленты при 12В составляет 1А.

Результаты на фото:
1) 21:01, старт, напряжение 12В, лента горит в полный накал

2) 21:09, напряжение уже упало до 8.7В

Я думал, что лента вот-вот погаснет, но потребляемый ток явно уменьшился.

3) 21:17, напряжение 7.8В, лента еще светит

4) 21:31, прошло полчаса, но к моему удивлению, лента еще слегка светится, напряжение 7.3В.

Дальше ждать надоело, да и свечением это было назвать сложно. Было решено собрать buck/boost конвертор, способный питать ленту стабилизированным напряжением в 12В. Для этого был подключен step up конвертор на 24В, к выходу которого подключен второй step down конвертор, настроенный на 12В. Как бонус, это позволило зарядить ионисторы полностью до 16В.

Все вместе выглядит так (вечер, в комнате стало темнее, так что на фото лента ярче):

Система действительно работает, и когда напряжение на выходе стало уменьшаться, ионистор был разряжен до 3.8В.

Результат: лента действительно горела без визуального изменения яркости, время полного горения составило 8 минут.

Выводы

Если мерять в долларах на ватт, то за 45$ была куплена батарея, от которой светодиодная лента может гореть 8 минут. Честно говоря, не очень впечатляет, хотя что-то подобное в принципе и ожидалось.

Тем не менее, ионисторы достаточно интересны наличием весьма уникальных особенностей:

— Практически неограниченное число циклов. Представляется интересным сделать аварийное светодиодное освещение от солнечных батарей, с практически вечным сроком службы например для туалета в деревне. С развитием рынка IoT ионисторы могут быть весьма перспективны для питания устройств с малым потреблением.

— Возможность отдавать большие токи и возможность работы при отрицательных температурах.
Это позволяет использовать ионистор как буферный элемент, когда надо быстро отдать большой ток при слабом источнике. В youtube описывались вполне успешные опыты по использованию ионисторов в стартере автомобиля. Применительно к солнечной энергии, еще один интересный пример — кратковременное хранение энергии для работы мощных устройств (дрели, пилы) от солнечной батареи, можно посмотреть здесь:

Видео

— Потенциальная экологичность и простота конструкции ионистора. В youtube есть даже видео по самостоятельному изготовлению суперконденсаторов, правда насколько оно реально, сказать сложно.

С другой стороны, литий-титанатные аккумуляторы имеют практически такие же преимущества — большое количество циклов, возможность работы на морозе и большие отдаваемые токи. Что будет лучше в дальней перспективе, сказать пока сложно, и то и то сейчас скорее экзотика. Скорее всего ниша ионисторов останется весьма узкой, но тем не менее она есть.

Ну и бонус для тех, кто дочитал до сюда: измерение емкости батареи ионисторов при заряде смартфона можно посмотреть на моем видео.

Тестирование батареи ионисторов совместно с солнечной панелью будет описано отдельно.

Продолжение следует.