СОЛНЕЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

В «М-К» № 8 за 2016 год я уже рассказывал о небольших и сравнительно недорогих используемых мною солнечных энергосистемах, обладающих, тем не менее, заметными возможностями. Однако всегда хочется большего. Ведь энергоснабжение даже маленького дачного домика требует намного больших мощностей и запасов энергии. Да и недавнее наводнение в Тулуне выявило большую потребность в подобных автономных источниках питания для освещения, мобильной связи и прочих неотложных нужд. К счастью, современные технологии развиваются сегодня очень быстро. С каждым годом появляются и становятся все более доступными новые, более эффективные электронные компоненты и технические решения. И некоторые из них уже внедрены мною в очередной разработке — солнечной энергосистеме ОРИНЭ (Отдельный Резервный Источник Независимого Электропитания). Открытая архитектура ее сохранена прежней — она представляет собой двухпроводную линию, которую я называю «солнечной параллелью», и на которую навешивается необходимое количество солнечных панелей и аккумуляторных блоков.

НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

Благодаря сравнительно невысокой стоимости за единицу емкости в большинстве продаваемых сейчас комплектах мощных гелиосистем используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Однако им свойственно такое явление, как сульфатация, особенно сказывающееся при длительном хранении АКБ в разряженном состоянии. Но ведь этот режим как раз и можно считать основным в работе солнечных систем! Вечером идет немалая доля расхода энергии, а затем батареи стоят разряженными до утра в ожидании, когда взойдет Солнце. В таких случаях обычно рекомендуют разряжать аккумуляторы не более чем на 50 процентов. Таким образом, половина «дешевой» емкости батарей не может быть использована. К тому же, мне как-то довелось вдохнуть кислотных испарений из якобы «герметичных» свинцовых аккумуляторов от метеооборудования в помещении, где они даже не заряжались, а просто хранились. Поэтому вариант использования свинцовокислотных АКБ при проектировании новой системы мною даже не рассматривался.

Значительно интереснее литий-ионные аккумуляторы. К тому же, недорогие малогабаритные цилиндрические элементы выпускаются со встроенными платами защиты от перезаряда и короткого замыкания до емкости в 4 Ач. Если речь, к тому же, не идет об одной неделимой нагрузке, то наличие двух-трех аккумуляторных блоков для разных нужд обеспечивает неплохой запас энергии.

Но как не хороши литий-ионные аккумуляторы, очень была бы желательна большая емкость накопителя и его долговечность. Ведь это напрямую отражается на стоимости «солнечного» киловатт-часа.

Есть у литий ионных батарей и еще один недостаток. 12-вольтовая батарея содержит три элемента и лишь при 100-процентой их зарядке напряжение достигает 12,6 В. Немалую же часть емкости она отдает при напряжении около 11,3 В. Для светодиодных лент и лампочек этого худо-бедно достаточно, но некоторые заводские инверторы (преобразователи 12/220 В) при таком напряжении работать отказываются. А ведь есть еще потери на амперметре, в проводах, разъемах. Да и 12-вольтовые паяльники, садовые насосы и другое оборудование не проявят при таком напряжении должной «энергичности».

Впрочем, есть и еще одно возможное решение — использование литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Они самые долговечные из распространенных и доступных в данный момент. На «Али-экспрессе», например, можно по вполне доступной цене найти цилиндрические аккумуляторы на 7 А ч. Напряжение одного элемента составляет 3,2 В, причем это напряжение в основном разряда. Таким образом, батарея из четырех элементов будет большую часть времени держать на своих выводах «комфортные» 12,8 В.

Заготовкой для АКБ служит готовый батарейный отсек на два элемента № 373 (типоразмер D). Отсек распиливается на три части: два торца с контактами и середину, которая будет удерживать элементы в месте стыка от выгиба в сторону. Все части монтируются на панели из пластика или фанеры толщиной не менее 4 мм с помощью клея «Момент» и двух винтов М3 с потайной головкой. Расстояние между внутренними стенками стенок с контактами должно быть примерно на 6 мм больше суммарной длины двух аккумуляторов.

Однако в исходном виде даже удлиненный батарейный отсек к делу совершенно не годен. Во-первых, у примененных аккумуляторов плюсовый вывод не выступает так, как у обычных батареек. Поэтому внутренние ребра жесткости и другие части батарейного отсека просто не дадут плюсу аккумулятора прижаться к контактам. Во-вторых, сечение штатных проводов и контактов совершенно не соответствует возможностям этих аккумуляторов, способных с легкостью отдавать полдесятка ампер. Поэтому в пустотелые заклепки контактов следует изнутри вставить винты М3, желательно с цилиндрической головкой, а с внешней стороны под гайки с шайбами подложить лепестки с припаянными к ним достаточно толстыми проводами. Штатные проводки можно не удалять — их можно использовать для подключения схемы балансировки, где токи совсем небольшие.

АККУМУЛЯТОРНЫЙ БЛОК

Помимо аккумулятора, блок содержит примитивный и очень дешевый контроллер на распространенной микросхеме-стабилизаторе напряжения 7812. Для защиты аккумуляторной батареи от разрядки через микросхему и для защиты микросхемы от некорректного напряжения на выходе использован диод Шоттки VD5. Для должного использования емкости аккумулятора напряжение его зарядки должно быть заметно больше выходных 12 В микросхемы. А тут еще и падение напряжения на диоде. Поэтому выходное напряжение микросхемы поднято известным способом: включением в цепь ее общего провода стабилитрона на напряжение 2,4 В. Теперь напряжение зарядки достигает примерно 13,9 В. Кстати, контроллер способен работать и с батареей из трех литий-ионных аккумуляторов. Достаточно замкнуть выключатель SA1. В этом случае подъем напряжения определяется диодом VD3 и напряжение зарядки составляет около 12,4 В.

Итак, контроллер обеспечивает защиту батареи от перезарядки. Превышения зарядного тока также не следует опасаться — микросхема оснащена ограничителем выходного тока. У одних он настроен на 1 А, у других — на 1,5 А. Желательно использовать вторую версию. К тому же, и солнечные панели рекомендованной мощности не могут дать избыточного тока.

Указания по монтажу этой части схемы не содержат ничего сверхъестественного. Микросхема устанавливается на хороший ребристый или игольчатый радиатор. Конденсаторы С2, С3, обеспечивающие устойчивость работы стабилизатора, должны быть неподалеку от микросхемы. Выключатель SA1 — односекционный движковый, он того типа, что используется на платах цифровой техники для установки комбинаций логических уровней.

Следует отметить только одно обстоятельство. Случайное замыкание плюса цепи солнечных батарей или аккумулятора на радиатор микросхемы приведет к выжиганию VD3 или VD4. Поэтому на время сборки и наладки устройства на радиатор желательно поместить защитное ограждение. Например, картонный прямоугольный короб, открытый сверху и снизу для охлаждения. Конечно, если вы сделаете хорошее достаточно открытое решетчатое ограждение из пластмассы, то его можно оставить и во время эксплуатации.

Следующий вопрос — балансировка элементов батареи. Подобные схемы выпускаются, но стоят они изрядно, да и рассчитаны на куда более мощные системы. Потребляемый ими ток в осенне-зимний период для нашей конструкции совершенно неприемлем. Литий-ионные аккумуляторы со встроенными платами контроля, если они взяты из одной партии, вполне могут работать и без специальной схемы балансировки. Моя первая батарея емкостью 2,8 А ч была через два года заменена на более емкую. В это время проводилось множество экспериментов, в ходе которых случались и короткие замыкания. Тем не менее, за весь этот период только один аккумулятор «ушел» всего на 0,01 В.

А вот с совершенно «голыми» литий-железо-фосфатными батареями нужно что-то делать. Я применил показанную на схеме цепочку светодиодов, обычных кремниевых диодов и резисторов. Для каждого из звеньев этой цепочки характерна резкая зависимость тока (а, следовательно, и яркости светодиода) как раз в диапазоне рабочих напряжений одного литий-железо-фосфатного элемента. Так что мне сейчас достаточно одного взгляда на линейку светодиодов, чтобы понять, все ли благополучно с батареей.

Однако эта цепочка не только наглядно показывает состояние батареи, она еще и способствует ее балансировке. Если какой-то аккумулятор разрядится раньше других, то он раньше других избавится от потребления по контрольной цепочке. Набравший большую часть заряда элемент, напротив, столкнется с тем, что некоторая часть зарядного тока пойдет мимо него по контрольной цепи. При указанных на схеме величинах резисторов ток контрольной цепи составит 2-3 мА. Поскольку это постоянный бесполезный расход, нужный разве что для подсветки оборудования, то он выбран таким малым. Но практика показывает: чтобы удержать в балансе новые аккумуляторы из одной партии, этого достаточно. Если же вы вдруг обнаружите хроническую заметную разбалансировку, лишь тогда можно будет подумать о каких-то более энергичных мерах.

О деталях балансировочной цепочки. Диоды могут быть любыми кремниевыми импульсными. Светодиоды должны быть белого или синего свечения, так как у любых других пороговое напряжение зажигания слишком низкое. Для идентичности характеристик все диоды и резисторы должны быть из одной партии. Причем светодиоды, ввиду большего разброса их характеристик, лучше сразу приобретать на несколько штук больше, чтобы было чем заменить слишком выбивающихся из общего ряда. Подайте на готовую цепь без подключения к аккумулятору напряжение около 13 В и цифровым вольтметром измерьте напряжения на всех звеньях. Они не должны расходиться более чем на 0,02 В.

Средняя точка схемы балансировки подключается к перемычке на противоположной выходам стороне батарейного отсека. Контакты между первым и вторым, а также между третьим и четвертым элементами представляют собой диски из белой жести диаметром около 15 мм, к которым припаяны тонкие проводки марки МГТФ.

Поскольку для литий-железо-фосфатных аккумуляторов свойственно небольшое изменение напряжения во время большей части разряда, то для оценки запаса энергии желателен точный цифровой вольтметр. Токи потребления распространенных миниатюрных плат вольтметров со светодиодными индикаторами великоваты для их постоянного включения, поэтому прибор включается кнопкой SB1 только на время измерения.

Еще один обязательный прибор — стрелочный амперметр РА2 на 5 А с нулем посредине шкалы, измеряющий токи заряда/ разряда аккумулятора. Для оценки малых зарядных токов в пасмурную погоду прибор нетрудно сделать двухпредельным, чтобы на время нажатия специальной кнопки его предел измерения становился равным 1 А.

Нелишним был бы также экономичный стрелочный вольтметр РА1, измеряющий напряжение на «солнечной параллели», ведь его показания несут немало информации о режиме работы системы. Напряжение менее 14 В — ночной режим, работа от аккумулятора. 14 — 17 В — идет зарядка аккумуляторов, но ток солнечных батарей недостаточен. 17 — 18 В — идет зарядка или какое-то иное потребление, которое полностью обеспечивается солнечными батареями. Выше 18 В — очень малое потребление, система работает вхолостую.

Теперь нужно защитить аккумулятор от глубокого разряда. Для этой цели может быть использован специальный контроллер типа SDC0009. К сожалению, его огромный недостаток в том, что ключевой элемент разрывает минусовый провод. А это значит, что защищаемый выход невозможно соединять с общей «землей» устройства. Так что для довольно маломощных потребителей возможно придется отказаться от этой защиты. Вариант: выполнить всю систему с плюсом на «земле», благо выпускаются микросхемы-стабилизаторы напряжения обратной полярности типа 7912.

Комплект выходов включает в себя гнездо из двух клемм XS2 и гнездо «прикуривателя» XS3. Разумеется, любой из читателей может подобрать себе свой набор необходимых выходов.

Аккумуляторных блоков может быть и несколько. Один, например, для освещения, а другой для зарядки мобильных гаджетов или прочих нужд. Суммарная мощность и запас энергии в таком случае могут быть весьма значительными. Достоинством данной системы можно считать также то, что когда утром на небе появится Солнце, большая часть зарядного тока пойдет в тот блок, который больше разрядился за ночь.

Наконец, аккумуляторные блоки могут быть не только неподвижно установленными, но и переносными, подключаемыми к «солнечной параллели» через гнездо XS1. Таким образом, вы сможете пользоваться солнечной энергией на улице или в помещениях, где не установлена проводка от системы.

USB-ЗАРЯДКА

В ее качестве выступает начинка переходника «прикуриватель»-USB. Казалось бы, почему не использовать его обычным образом, вставляя в гнездо «прикуривателя»? Однако представьте себе такую ситуацию: солнечный день, аккумуляторы зарядились полностью, и ток через микросхему прекратился. Так что когда мы подключим переходник к аккумулятору, то он поначалу будет потреблять ток из него, хотя солнечные панели дают достаточно энергии. И лишь когда напряжение аккумулятора слегка упадет, то зарядный ток станет компенсировать потребление. Использование же диодов VD10, VD11 позволяет переходнику брать ток от того источника, чье напряжение выше. А в солнечный день питание потребителей будет осуществляться непосредственно от солнечных батарей, без расхода ресурса аккумулятора. Кроме того, удивительные современные DC-DC преобразователи плавно трансформируют ток, так что питаясь напряжением около 17 В от солнечных батарей, преобразователь будет потреблять меньший ток, чем брал бы от аккумулятора. Однако, поскольку напряжение на работающих вхолостую солнечных панелях может превышать 20 В, следует использовать переходники, рассчитанные на диапазон входных напряжений 12 — 24 В. Для повышения надежности и экономичности этого узла он включается выключателем SA2 только на время работы. Кстати, такие переходники обычно оснащены индикатором включения, подсвечивающим выходные разъемы.

СОЛНЕЧНЫЕ ПАНЕЛИ

Оптимальной в данной системе можно считать суммарную номинальную мощность в 30 Вт, получаемую с одной или нескольких панелей. В ясный день их ток будет как раз соответствовать максимальному току микросхемы. При использовании нескольких панелей их следует включать через диоды Шоттки, так как при снижении освещенности панель может стать не источником, а потребителем энергии. Разумеется, при использовании нескольких аккумуляторных блоков общая мощность солнечных панелей должна быть повышена.

Всякий раз при разговоре о солнечных энергосистемах всплывает тема их экономической эффективности. Пока что «солнечный» киловатт-час еще несколько проигрывает по цене получаемой из сетей электроэнергии. Хотя жители отдаленных дачных участков порой сталкиваются с таким рвачеством энергетиков в вопросах подведения энергии к их участкам, что уж лучше дороже, да свое. Но есть и еще один фактор, обычно не учитываемый, но очень заметный в небольших энергосистемах. Дело в том, что 220-вольтовые светодиодные лампочки не очень надежны и долговечны. Перегрев и пробои в высоковольтных узлах приводят к тому, что за пару лет из строя выходит чуть ли не каждая третья такая лампа. 12-вольтовые светодиодные лампы и ленты намного надежнее, ведь их устройство куда проще. Я развиваю свою систему примерно с 2015 года, и за все это время еще не вышел из строя ни один осветительный прибор.

Выяснилось и еще одно неожиданное удобство солнечной системы. Мощный аккумулятор, особенно совместно с солнечными батареями, способен с легкостью отдать ток в полдесятка ампер и даже больше. Таким образом, солнечная энергосистема оказалась мощнее любых имеющихся у меня сетевых блоков питания.

Александр ЛИСОВ,

г. Иваново