Сегодня на рынке доступно большое количество солнечных батарей, некоторые обещают зарядить ваш телефон, в то время как у других достаточно энергии для зарядки ipad. Они стали вполне доступными и портативными. Однако у всех них есть один существенный недостаток, и он связан с тем, как зарядная схема в телефоне и планшете заряжает свою внутреннюю батарею.


Итак, вы нашли идеальную солнечную панель, которая имеет идеальный USB-разъем для вашего телефона, установили его под яркое солнце, и телефон заряжается, как и ожидалось. Однако, если вы не живете в пустыне, в небе всегда есть вещи, которые разрушат вашу идеальную систему зарядки. Это облака, птицы, дрожащие деревья или даже пролетающие самолеты. Зарядная цепь телефона оснащена защитой и когда она обнаруживает падение напряжения в источнике питания, он начинает считаться ненадежным, а она отключает его от внутренней батареи.

Тем не менее, для источников солнечной энергии на даче внезапные прерывания питания происходят постоянно. Достаточно просто пройти мимо кого-нибудь и бросить тень на солнечную панель, чтобы отключить процесс зарядки. Несмотря на то, что вы купили идеальную систему, вы можете вернуться через час и обнаружить, что телефон не заряжается. А иногда, что еще хуже, телефон запускает свои цепи, чтобы заблокировать колеблющийся источник питания и это на самом деле в конечном итоге использует еще больше заряда от батареи.

Данная инструкция о том, как сделать солнечную батарею в домашних условиях для хранения избыточного заряда при полном солнечном освещении и использовать этот избыточный заряд для того, чтобы выждать время, когда на панели есть тень. Я разработал систему для работы с 12 В, потому что это нормальное напряжение для обычных коммерческих солнечных панелей, с которыми можно работать.

Основные характеристики для моей схемы:

  • Номинальное напряжение ……………. 13,0 В
  • Емкость аккумулятора …………….. 3,3Ач
  • Энергетическая мощность……..> 40Wh
  • Химия аккумуляторов …………… LiFePO4
  • Максимальный ток зарядки ……….. 3А
  • Максимальный ток разряда …… 7А (непрерывный)
  • Импульсный ток разряда …. 27А (10сек)
  • Напряжение падения заряда … 1 В
  • Напряжение полного заряда ………… 14,4 В

Выходная мощность батареи оказалась намного более мощной, чем я первоначально ожидал, и она была достаточно мощной, чтобы питать небольшой инвертор для работы фар и других небольших приборов.

Химия LiFePO4 аккумуляторов выбрана потому, что она хорошо сочетается с выходным напряжением солнечной панели, а также за ее отличные характеристики мощности и длительный срок службы. Хорошая батарея должна обеспечивать более 1000 циклов зарядки.

Материалы, которые вам понадобятся для изготовления солнечных батарей:

Для батареи:

  • 4 ячейки LiFePO4, приобретите их как предварительно собранный аккумулятор, либо соберите свой собственный
  • 1x 12V LiFePO4 схема защиты аккумулятора. Я использую PCM-LFP7A4S из-за низкого потребления тока холостого хода

Для контроллера заряда аккумулятора:

  • TL431 — Ленточный регулятор
  • VN2222 — Может быть заменен на любой слабый N-канальный MOSFET
  • 2x красных светодиода — тип не важен
  • LTV-816 — Оптический изолятор с выходом BJT, может быть заменен на аналогичный
  • IRF9Z24N — Мощный МОП-транзистор с каналом P-типа, для уменьшения потерь, можно использовать устройство большего тока.
  • диод Шоттки 2А — здесь будет работать любой диод с низким прямым напряжением
  • Потенциометр на 100К
  • Резисторы: 4,7 кОм, 100 кОм, 510 кОм и 1 кОм. Обычные 1/8 Вт работают нормально, или выберите SMD, если вы предпочитаете их

Разъемы:

Я использую обычный 5-миллиметровый цилиндрический разъем для подключения питания к солнечной панели и автомобильный разъем для выхода

Измеритель мощности:

Amazon продает несколько светодиодных или жидкокристаллических измерителей напряжения по довольно низкой цене, любой из которых будет работать нормально.

Шаг 1: Справочная информация: Узнаём максимальную мощность солнечной панели



Вот некоторая основная справочная информация, которая поможет понять дизайн батарейного блока.

Солнечные батареи имеют постоянное напряжение и постоянную силу тока. Они имеют определенное расчетное напряжение, на которое рассчитана каждая панель. По мере того как нагрузка потребляет все больше и больше тока от панели, выходное напряжение немного падает, но не сильно. В какой-то момент потребление тока превышает количество тока, которое может генерировать панель (напрямую связано с количеством света, падающего на панель.) Эта точка называется точкой максимальной мощности. Проходя точку максимальной мощности, напряжение панели начинает падать, а выходная мощность уменьшается.

Таким образом, чтобы максимизировать количество энергии, генерируемой солнечной панелью, необходимо использовать солнечную панель как можно ближе к точке максимальной мощности. Это иллюстрируется графиком солнечной панели, которую я планирую использовать для проекта. Хотя окончательный дизайн будет работать со многими различными солнечными панелями, он будет наиболее эффективным, когда напряжение точки максимальной мощности солнечной панели соответствует проектному напряжению.

Для этого проекта я использую складную солнечную панель Mercury 27 производства Instapark.

Из графика мощности видно, что максимальная точка питания этой конкретной панели составляет 14 В.

Шаг 2: Базовые блоки схемы


Конструкция состоит из контроллера заряда, блока батарей, измерителя напряжения для наблюдения за состоянием заряда батареи и разъемов для ввода и вывода тока.

Шаг 3: Контроллер зарядки


Наиболее сложной частью конструкции является контроллер заряда. Есть несколько требований к дизайну, которым должен соответствовать контроллер заряда:

  1. Низкое падение напряжения, поскольку напряжение на солнечной панели немного превышает 14 В, а номинальное напряжение аккумулятора составляет 13,4 В (3,35 В на элемент), допустимое напряжение отключения контроллера заряда должно быть как можно меньше.
  2. Высокая сила тока. При максимальной выходной мощности солнечная панель будет выдавать ток около 2А. Таким образом, проходной транзистор должен иметь возможность пропускать как минимум 2 А тока с минимальным выпадением и не должен перегреваться.
  3. Минимальный ток утечки на аккумулятор при отсутствии тока от солнечной панели. Это необходимо для предотвращения разряда аккумулятора при хранении.
  4. Нет необходимости в регулировании силы тока. Поскольку солнечная панель является устройством постоянного тока, нет необходимости регулировать ток, протекающий через него, необходимо только регулировать напряжение.
  5. Настраиваемая регулировка напряжения. Идеально настроить её для максимального напряжения зарядки литиевого элемента. Для данной конструкции это 14,4 В (3,6 В на элемент).

Схема показана в верхней части страницы.

Главный проход через транзистор это силовой P-MOS. В нормальном рабочем состоянии МОП-транзистор приводится в действие выше порогового значения, чтобы обеспечить минимальное сопротивление во включенном состоянии (линейный режим).

Регулирование напряжения осуществляется с помощью регулятора TL431.

Выход МОП-транзистора соединен с диодом Шоттки, чтобы предотвратить обратный ток от батареи в контроллер заряда. Диод Шоттки используется для минимизации падения напряжения во включенном состоянии.

Оптический изолятор используется для разрыва соединения между батареей и цепью обратной связи TL431. Несмотря на то, что делитель напряжения имеет довольно высокое сопротивление (100 кОм), он все равно даёт нежелательную утечку тока, когда батарея не используется. Таким образом, использование оптического изолятора, подключенного к напряжению питания солнечной панели, может эффективно отключить делитель напряжения, когда солнечная энергия отсутствует, что обеспечит минимальные потери мощности.

Шаг 4: Батарея



Самодельная солнечная батарея сделанная своими руками состоит из четырех 26650 LiFePO4-элементов, соединенных последовательно. Я использовал модули на 3,3Ач. Аккумуляторная батарея подключена к монитору батареи 8А, который защитит аккумулятор от перезарядки, недозарядки и короткого замыкания.

Есть и другие готовые аккумуляторы, которые также можно использовать. Для людей, которые не имеют опыта в создании аккумуляторов, я рекомендую купить один из готовых аккумуляторов со встроенной схемой контроля аккумулятора.

Аккумуляторная батарея опасна, так как это просто литиевая батарея очень высокой мощности и может при коротком замыкании она может взорваться.

Готовый аккумуляторный блок содержит контрольную цепь, которая защитит аккумулятор при обнаружении короткого замыкания.

Шаг 5: Собираем всё воедино



Контроллер заряда построен с использованием макетной платы с проволочной обмоткой. Весь девайс помещен в коробку, которая была у меня на руках.

На верхнюю крышку я добавил измеритель напряжения, купленный на Amazon. Он позволяет контролировать напряжение батареи во время зарядки и разрядки.

Перед использованием, для первоначальной регулировки необходимо снизить выходное напряжение до расчетного заданного значения. Лучший способ сделать это — использовать лабораторный источник питания, чтобы полностью зарядить аккумулятор до 14,4 В, а затем оставить аккумулятор на 5 минут, напряжение должно упасть примерно до 14 В.

Подсоедините источник питания (солнечный или лабораторный источник питания) и отрегулируйте потенциометр, пока аккумулятор снова не зарядится до 14,4 В.

Транзистор P-MOS немного нагревается при использовании, я поместил на него небольшой радиатор, чтобы он не перегревался в жаркий день.