Что получилось, подробности под катом.
Заряд аккумулятора
Как говорилось ранее, для работы с аккумулятором используется Battery Management System — это плата, которая делает сразу несколько полезных функций:
— обеспечивает равномерность заряда ячеек,
— обеспечивает защиту батареи от перезаряда, что крайне вредно и даже пожароопасно для литиевых батарей,
— обеспечивает защиту батареи от переразряда, что также вредно для батареи, хоть и не пожароопасно.
В моем случае была заказана плата 18650 Protection Balance Board (еще раз важно отметить наличие на плате обеих компонентов protection и balance, бывают платы где есть что-то одно), которая выглядит так:
Стоимость платы составляет 8$, и некоторые читатели выразили сомнение в качестве ее работы. Это мы также проверим. В предыдущей части были вопросы, так что еще раз поясню, что 3 «батарейки» на схеме показаны условно, каждая ячейка в реале может состоять из спараллеленных нескольких (так собственно и делается в ноутбуках).
Компоненты
Для подключения BMS в старых запасах были найдены недостающие компоненты.
1) Литий-ионная батарея 3S1P с Hobbyking емкостью 2.1Ач:
Это не формфактор 18650, но химия ячеек та же самая, так что разницы по сути нет.
2) Понижающий dc-dc конвертер:
С помощью этого преобразователя напряжение будет подаваться на BMS. Мощность преобразователя 15Вт, так что по большому счету, он не подходит к 100-ваттной панели. Однако погода была пасмурная, так что для теста сойдет. На преобразователе было выставлено максимальное значение для LiPo 4.2*3 = 12.6В.
Правильный алгоритм заряда LiPo выглядит примерно так:
В первой фазе батарея заряжается постоянным током (CC, constant current) до достижения напряжения 4.2В на ячейку. Затем данное напряжение поддерживается зарядным устройством (режим CV, constant voltage), до тех пор пока ток заряда не упадет до минимального значения.
Наш алгоритм заряда будет «немного» более упрощенным. Остается только лишь первая фаза СС, в которой ток лишь условно будет constant, т.к. сила тока от солнечных панелей постоянно меняется. Однако ничего плохого в этом нет, наоборот, заряд более низкими токами продлевает жизни батареи. Отсутствие второй фазы CV приведет лишь к тому, что батарея будет заряжена примерно на 80%, однако прочих параметров батареи это не ухудшит. Вреда для батареи от недозаряда также нет, скорее наоборот.
Заряд
Для тестирования была взята литий-ионная батарея, напряжение на ячейках было разным, и составляло соответственно 3.13, 3.47 и 3.44В. «На коленке» все вышеописанные компоненты были собраны и подключены вместе.
Облачность была переменной, и даже с кратковременным дождем. Мощность, получаемая от солнечной панели составила от 2 до 18Вт. Были опасения за работу преобразователя, который на ощупь был весьма теплым, но его температура на самом деле оказалась вполне невысокой.
BMS вообще не грелась, элементы были лишь на 1-2 градуса теплее фона. Аккумулятор был также холодным.
Наконец, где-то через 3.5 часа напряжение на индикаторе достигло 12.5В, а потребляемый ток стал равен нулю — BMS отключила батарею от заряда. Для тех кто не верил в возможность работы BMS за 8$ — измеренное мультиметром напряжение на ячейках составило 4.18, 4.18 и 4.18В. Это чуть меньше чем 4.2В, но укладывается в заявленные для LiPo tolerance +/–50mV/cell.
Разряд
Для разряда, к батарее, также через BMS, был подключен кусок светодиодной ленты в качестве «вечернего» освещения:
Конечно LED-лампа на 12В была бы удобнее, но у меня ее нет. Лента светила примерно 2.5 часа вечером, в качестве фонового света. Утром к батарее через dc-dc преобразователь со встроенным USB-выходом был на подзарядку включен смартфон:
Оставшегося в аккумуляторе заряда хватило, чтобы зарядить смартфон с 15% до 75%, затем BMS отключила батарею. Оставшееся после отключения напряжение на ячейках батареи составляло 3.18, 3.51 и 3.45В соответственно, что опять-таки, укладывается в нормы. Как можно видеть, BMS отключила батарею, как только напряжение хотя бы на одной ячейке опустилось ниже нормы.
Заключение
Можно сказать, что BMS работает как ожидалось — выравнивает напряжение ячеек при заряде, и не допускает глубокого разряда. Впрочем, учитывая заявленные производителем параметры «3S 12.6V 25A», было бы странно если бы она не работала — ток от солнечных панелей заметно меньше (даже с учетом вероятного маркетинга и «китайских ватт»).
Даже в таком «тестовом» виде система уже работает, позволяя днем накапливать солнечную энергию, а вечером ее использовать. Пиковая мощность на ватт-метре была около 30Вт при силе тока около 2А, можно грубо прикинуть что за полдня можно зарядить батарею 12Ач, т.е. с некоторым запасом хватит батареи на 20Ач (опять же, батарей много не бывает, в пасмурные дни выработка меньше). Этого хватит для вечернего освещения LED-лампой 1-3Вт и для зарядки всех гаджетов.
Батарея от rc-моделей с Hobbyking была поставлена как временное решение, исключительно для теста. Эти батареи не тестировались в режиме постоянной работы, так что рекомендовать ее к покупке в таком качестве я не могу. В то же время, каких-либо проблем в ее работе также не было — токи разряда 1-2А для этих батарей просто смешные (для сравнения, в квадрокоптере при полете ток 20-25А).
В следующей части будет рассказано о Solar Charge Controller, и о том как все это работает вместе. Stay tuned.
Комментарии (33)
DanilinS
14.05.2017 13:18Батарея «Литий-ионная батарея 3S1P» — не очень удачное решение. Имеет достаточно высокий саморазряд. И не высокое количество циклов. Её основное достоинство — относительно быстрый заряд и разряд очень высокими токами. Такая батарея хороша в летающей/ездящей модельной технике. А выступать в роли «хранилища» — не её задача. Она «заточена» под другое.
DmitrySpb79
14.05.2017 13:22Совершенно верно, батарея была поставлена временно, только для теста bms. Кстати саморазряд у них небольшой, у меня такие по 2 года лежат, раньше на моделях как раз использовал.
arheops
14.05.2017 20:42Однако у нее количество РЕАЛЬНЫХ циклов измеряется десятками — единицами сотен, не тысячами как с стандартных батареях. Это тяговая батарея, лучше ее не ставить больше чем на пару дней.
LastLight
14.05.2017 21:00Если правильно хранить, то саморазряд у Li-ion и LiPo минимальный. К тому же у подобных хранилищ нет задачи «удерживать» накопленную энергию годами. Обычный цикл заряда-разряда около 1-2 суток для небольших СЭС.
Как минимум для поиграться пойдет.
FicsrealZ
14.05.2017 23:17DmitrySpb79, знаешь, я тут собрал вело генератор из мусора…
Тебе бы такой-же, в пасмурную погоду.
И вот у меня там как раз проблема, что энергию запасать не получается.
DmitrySpb79
14.05.2017 23:18Кстати, подобные штуки в 30х годах в армии использовали:
Фото
FicsrealZ
14.05.2017 23:28А я планшет заряжать хотел)
Но не судьбаDmitrySpb79
14.05.2017 23:34А какую мощность мотор выдает?
FicsrealZ
15.05.2017 01:37Это генератор от машины.
На оборотах, порядка 1200-1500 он выдает чуть больше 100 ватт.
20 ватт идет на его работу обратно.
И того мощность около 80 ватт
MTyrz
15.05.2017 11:04В конце 80-х у нас такое было на командном пункте. Я даже честно пробовал, сорокаваттная лампочка вполне светилась. Но недолго, педали крутить тяжело.
angryMyPuK
14.05.2017 23:48@kreosan уже такое делал
DmitrySpb79
14.05.2017 23:50Чтобы самому не крутить педали, надо делать так:
Фото
angryMyPuK
14.05.2017 23:59Будете смеятся, но реальную эксплуатацию грызунов тоже встречал на "просторах"
Суть была в том, что владелец ночных бегунов решил измерить пробег — 10 км получилось вроде, и решил, что корм не должен пропадать. Генератор — движок из двд привода, ватты не помнюDmitrySpb79
15.05.2017 00:04Да, в youtube тоже нашлось видео:
https://www.youtube.com/watch?v=ZNa-JHPnpgM
fndrey357
15.05.2017 06:17Как-то попалось в Леруа на распродаже светильник садовые по 50 ру.б Пару взял.
Расковырял. 4-5 кв.см. батареи+схемка от дяди Лю+обычный АА АКБ от другого дяди.
Поменял АКБ на тот, что помощнее и получше. И тестировал лето.
В саду стояли. За день что-то набиралось. На ночь на автомате включались. вечер горели. А дальше спать.
Если пасмурно — то и вечер не горели.
С утра — потухшие. Как пятое-седьмое дополнение к основному свету — да, как самостоятельно — нет.
По автору. Скорее всего существует минимум площади, от которой стоит заморачиваться и ждать результатов. У меня по прикидкам выходило от 30м2. Но давно считал — электроника дешевеет.
ice2heart
15.05.2017 10:03А почему не пак из ионистров? Как я понимаю такая штука несколько интереснее чем аккумулятор и в теории долговечнее.
SvSh123
15.05.2017 10:14У ионисторов саморазряд высокий. Да и по деньгам гораздо больше выходит, при сравнимой емкости.
ice2heart
15.05.2017 10:18А если сравнивать количество циклов зарядки?
DmitrySpb79
15.05.2017 10:47У ионисторов все грустно. Блок ионисторов ценой в 200$ имеет емкость 600мАч, если не ошибаюсь.
Alexeyslav
15.05.2017 13:31У мелких высокий, пробовал на 100 и 200 фарад, месяц пролежали и заряд нормальный.
Но эффективность накопления заряда очень невыгодна — слишком низкая плотность хранения заряда, высокая удельная стоимость милиампер-часа…
И бадаааамммм — ионистор деградирует под воздействием накопленного заряда даже в статике — речь идет о 5000-10000 часов.
Что такое вообще эти 200 фарад? это ни больше ни меньше 200 ампер-секунд на каждый вольт рабочего диапазона напряжений. 55 миллиампер-часов! Теперь берём диапазон эффективного использования ионистора 0.7В — 2.7В и получаем ёмкость в 110мА*ч на одну банку в 2-3 раза большую по объёму чем пальчиковый аккумулятор и стоимостью 20$.
Да за такие деньги можно взять несколько комплектов обычных никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 1800мА*ч и сроком службы под 5 лет.DmitrySpb79
15.05.2017 13:53Один чел делал на ионисторах буферную емкость для мощных нагрузок, штука интересная, но цена думаю астрономическая:
https://youtu.be/eJ1OztoGprU
PwrUsr
15.05.2017 10:28Внимательно слежу. У нас тут (в Израиле) солнца ж… й ешь не хочу… Сколько ватт на метер можно снять я не знаю, но подозреваю, что больше чем у вас.
Потому все это весьма интересно…
В идеале хотелось бы запитать от солнца+батареи всю маломощьную технику (телевизоры, компьютеры и т.п.)
Особенно интресует возможность запитать NAS, который жрет 150-200 ватт (пиковое 320) но не выключается (кроме профилактики апгрейдов и т.п.) вот уже лет 10 или больше…
И того он за 10 лет сожрал (скажем 150 ватт возьмем) = 13 мегеватт, что по нашим ценам примерно 2200 долларов.
Интересно можно ли сэкономить, с учетом панелей, аккумуляторов и т.п. (учитывая, что за 10 лет их придется не раз менять (или я ошибаюсь?), да и панели наверное тоже 10 лет не будут эффективно работать).
Или же это просто игрушка для дежурного освещения и не более ?
DmitrySpb79
15.05.2017 10:43Несложно посчитать. Самые дешевые сейчас 200-ваттные панели, грубо можно прикинуть что за 10-часовой световой день ее средняя мощность 30%, т.е. 60Вт, значит за день выработается 60*10 = 0.6кВт*ч. Цена панели допустим 150$, цена инвертора чтобы отдавать в сеть, 100$, дальше уже считайте как быстро окупится по Вашим ценам на электричество. Ну и не все дни ясные, разумеется.
Вообще, в южных регионах панели вполне быстро окупаются, 2-4 года имхо.
DmitrySpb79
15.05.2017 10:52Добавлю, заявленный срок службы панелей около 30 лет, так что можно не волноваться. Аккумуляторы не нужны, проще сразу в квартирную электросеть отдавать (ищите по слову grid tie convertor).
imbasoft
Добрый день.
Скажите пожалуйста, как вы оцениваете перспективы накопления электроэнергии от солнечных батарей за счет использования гидроаккумуляторов по принципу ГАЭС
DmitrySpb79
Я лично не пробовал :) На самом деле, отличная идея — КПД 70% при полном отсутствии какой-то дорогой и вредной химии и батарей, только вода и насосы.
Но как я понимаю, построить такое можно только в горах, для равнин решение не подойдет.
ThunderCat
Для дома? Никак. Для промышленных систем — малорентабельно и малоприменимо. Тут есть несколько нюансов:
1) Не везде есть возможность создать искусственный бассейн(точнее два — снизу и сверху) с серьезным запасом воды, расположив его достаточно высоко относительно точки сброса.
2) Большой процент потерь на закачку воды на большую высоту электричеством, а потом преобразование этой энергии в генераторах обратно в электроэнергию.
3) потери воды на испарение
4) Там где много солнца и тепло, вода, обычно, весьма дорогой продукт.
5) Строить еще одну систему, использующую генераторы и насосы, весьма не дешевые, и весьма не дешевую в обслуживании — не лучшая идея.
Короче, не то чтобы совсем неприменимо, но ограничения по условиям и возможностям создания весьма сужают «ареал обитания» данного вида ЭС.
DmitrySpb79
Я думаю, идея в использовании естественных перепадов высот, понятно что строить такое специально экономического смысла нет.
ThunderCat
Там где есть такие перепады гораздо выгоднее ставить ветрогенераторы, на высоких точках, у верхнего бассейна, где почти всегда есть ветровые потоки высокой интенсивности, как раз из за перепада высот. Ну и в силу возвышенности как таковой, известный факт что на определенных высотах(от усредненного уровня поверхности в некотором регионе) ветер стабилен и постоянен.
Высота плотины ГЭС в среднем около 40м, для сравнения это примерно как 14 — 15 этажный дом. Это нехилая такая скала, аля Ниагарский водопад(51м). Много ли таких мест естественного происхождения?
warmtheater
А что если поднимать электродвигателем через домкрат что-нибудь тяжёлое? Например, бетонную или стальную пластину.
kostus1974
почитайте-посмотрите работы Нурбея Гулиа. у него вся жизнь посвящена кинетическим накопителям.
механические накопители очень выгодны, но они очень непросты (если имеют высокий кпд; чтобы был высокий кпд, нужен не самый простой — хотя бы в изготовлении — накопитель).
подъём плиты через домкрат — это потери на трение, насколько я понимаю, и кпд уже на этом этапе будет потерян. как преобразовать обратно без значительной потери на трение, я тоже не знаю. а вот маховик — это другое, тут может получиться. см. хотя бы ups для датацентров на маховиках.
здесь немаловажно то, что аккум продаётся в любом магазине, в вот механику надо делать своими руками. порог входа другой.
ThunderCat
Идея гравитационного / кинетического накопителя проста как мычание, и используется сотни лет(те же часы ходики с гирьками, большие башенные часы, приводы ворот замков, и еще много подобного). Большой плюс — практически отсутствует саморазряд :), в отличие от того же маховика. Большой минус — громоздко и малоэффективно. На подъем 1 кг на 1 метр тратится ~10 Дж(ну и получается обратно при опускании). 1.000.000 Дж = примерно 270 Wh. Это как поднять 1 тонну на 100 метров, или 10 тонн на 10 метров. Для сравнения обычный автомобильный аккумулятор «вмещает» около 1000 Wh. Выгодно только если совсем ничего другого нет. Если ошибся в расчетах — поправьте кто в теме, давно не рассчитывал.