Практический минимум "солнцелова"

По просьбам собирателей солнечных крох картинка из Patreon-статьи c примерами правильных солнечных батарей (SunPower-based). Отдельно подчеркну - на картинке не все, что можно встретить на просторах интернет-аукционов, так как вариаций и производителей тысячи, и особых критичных отличий между ними нет. Но по крайней мере далекий от мира кремниевой фотовольтаики читатель глядя на картинку сможет понять что ему нужно искать "абсолютно черные батареи" и на что ориентироваться. Такие батареи можно считать необходимым минимумом (если ограничен бюджет, нет желания разбираться и т.п.). И этот минимум в 21 веке должен присутствовать в любом доме, наравне с архаичным "свечи, соль, спички"

p.s. на картинке показаны батареи мощностью (реальной) порядка 15-17W. Китаец им приписывает то 21W, то 28W, то даже 60W. Разницы нет, достаточно посчитать количество элементов. Поэтому возможно и цена примерно одинакова, несмотря на различия в цифрах.

#LAB-66@SolarEnergy

​​В поисках солнечной шагрени

Продолжаем беседы про солнечные панели экстренного использования. В прошлых заметках я рассказал про самые перспективные на сегодня полугибкие элементы SunPower и даже показал, как они выглядят в коммерческой реализации. Но порекомендовал не спешить с покупкой. Почему я это сделал?

Потому что есть один нюанс, о котором вы должны знать. При редком использовании упомянутых батарей в умеренном климате все хорошо, но если начинается эксплуатация "24/7", в условиях морского климата шатаниях месяцами по Куршской косе, то начинает проявятся деградация. У туристических батарей это чаще всего выражается в выгорании и разрушении ткани из которой сделана подложка батарей, также начинает дубеть и растрескиваться защитная пленка (она сделана из PET, разбор технологий ламинирования и материалов - смотреть в статье). Из-за изменения микроструктуры на поверхности батарей начинает скапливаться пыль и добавляется абразивный эффект.

Как с этим бороться? Искать батареи с фторопластовым (ETFE) покрытием. Важно что фторопластовые пленки для ламинации солнечных панелей идут со специальной "микроконцентрирующей" структрой на поверхности, которая снижает общую чувствительность к направленности на источник света за счет множественного отражения от боковой поверхности, плюс появляется возможность "захватывать" свет, отраженный с других направлений. Технологию эту китайский специалист еще не освоил, поэтому в основном импортирует из США/Японии. Подробно этот вопрос разбирается в моем лонгриде на Patreon (ссылка). Благодаря фторопласту появляется гидрофобность, увеличивается светопропускание, снижается коэффициент трения на поверхности батареи.

Из-за rocket science технологий пока найти ETFE батареи достаточно сложно, на том же aliexpress я нашел только три позиции (21W и две по 28W), подходящие под условия задачи. На картинке внизу заметки приведены примеры микроструктуры, по которой можно ориентироваться, рассматривая то, что продается в интернете.

Промежуточный вывод следующий: лучший вариант это солнечная батарея на полугибких элементах от SunPower с "микролинзовым" рельефным покрытием из фторопласта (ETFE)

Но здесь все к сожалению далеко от идеала. Самые популярные 21W "фторопласт-батареи" от китайца Allpowers, внутри имеют другой тип элементов (т.н. "черепичная упаковка" и элементы P-типа, в отличие от SunPower пластин N-типа в тканевом обрамлении). Эти элементы особенно не гнутся (поэтому и каркас у обновленной (?) батареи уже жесткий), мощность их немного ниже (микролинзы ведь есть!) и гибкие соединительные шлейфы между панелями практически нереально отремонтировать (а тканевые батареи можно распороть и перепаять внутренности). Тяжела участь тех, чья жизнь один сплошной поход. Придется выбирать, либо бОльший КПД и гибкость, но вероятность деградации защиты при активном использовании, либо меньший КПД и жесткость, но идеальное по устойчивости к внешнему воздействию покрытие.

#LAB-66@SolarEnergy

☝️ Солнечные батареи с фторопластовым (ETFE) покрытием модулей. Лучший выбор для тех, кто очень активно эксплуатирует фотоэлементы в жестких полевых условиях (влажный морской климат, песчаные бури и другие вредные условия окружающей среды). Каркасы более жесткие чему к классических туристических батарей на элементах SunPower, используется другой тип фотоэлементов (дешевле классических, меньший КПД) с другим расположением относительно друг друга. Подробный разбор особенностей 👇

📜 Солнца текст. Солнечные батареи и все-все-все

#LAB-66@SolarEnergy

Небольшой ролик, показывающий принципиальное отличие кристаллических кремниевых фотоэлементов от полугибких кремниевых элементов, которые я расхваливал по ссылке. Традиционными кристаллическими элементами и батареями на их основе торгует бОльшая часть магазинов китайской сети "И жук, и жаба".

К сожалению мои любимые полугибкие элементы SunPower C60 тоже ломаются. Самая близкая аналогия - это слой фанеры, у которого предел прочности при сжатии вдоль волокон примерно в 10 раз больше чем предел прочности при сжатии поперек волокон. Помните это и избегайте прикладывания поперечных усилий к такой батарее.

Точечные же повреждения (пулевые, осколочные, пробоины, продавливания от острых предметов etc) из-за густой сети медных волокон подложки полностью нарушить работу батареи не смогут, но снизят эффективность зарядки (на сколько - зависит от обширности повреждения).

Надежная солнечная панель в 2022 давно перестала быть роскошью.

📜 Солнца текст. Солнечные батареи и все-все-все

#LAB-66@SolarEnergy

​​Ритуал "изгнания коробочки"

Предположим батарею на полугибких элементах вы взяли. Если очень повезло, то даже с микроконцентрирующим покрытием из вечного фторопласта. Что теперь с ней делать?

Первым делом, после получения панели на почте, обязательно проверьте на наличие трещин на поверхности панелей. Здесь придется подобрать верный угол освещения. Продольные трещины и связанное с ними снижение КПД - прекрасный повод начать спор и вернуть деньги.

Если трещин нет - я аккуратно убираю черную коробочку и припаиваю к проводникам, торчащим из панели дополнительный провод (желательно в силиконовой оболочке) длиной до полуметра. Конец провода оформляю подходящим разъемом (хоть "тюльпан", хоть "банан", хоть XT60 от дрона). Места выхода провода из панели герметизирую. Все, на этом панель становится генератором as is без всякой лишней мишуры.

"Черную коробочку" не выбрасываем, просто припаиваем к ней ответные разъемы. Главное здесь то, что отнесенная на значительное расстояние от панели коробчонка острыми пластиковыми углами уже не сможет в рюкзаке медленно, но верно продавливать тонкие C60.

Подключать какие-то солнечные контроллеры к маломощным, описанным мной ранее, туристическим батареям (до 40W) бессмысленно. Проще всего электричество от батареи подать через копеечный диод Шоттки (для предотвращения обратной утечки) на буферный аккумулятор.

Маломощная солнечная батарея без буферного аккумулятора - деньги на ветер (imho)

Буфер будет нивелировать для конечного потребителя все недостатки облачности и изменения инсоляции и позволит нормально заряжать свои устройства (без рывков и перебоев). Этот буфер надо заряжать c минимальным количеством преобразований и с максимальным КПД, а от него уже питать технику.
------------------
Важно! Я крайне рекомендую избегать случаев "двойного преобразования", когда конвертер воткнут в конвертер, который втыкается в конвертер. Все эти DC-DC агрегаты, преобразователи повербанков запросто съедят все что выдает наша батарея, оставив пользователю крохи энергии и ситуацию "смартфон заряжал сутки".
------------------
Среднестатистическая гибкая туристическая 21W батарея с aliexpress содержит 3 секции, соединенных между собой параллельно (при таком соединении затенение одной из секций панели приведет лишь к падению мощности батареи пропорционально числу затененных секций, но работоспособность сохранится). В каждую секцию входит по 12 ячеек соединенных между собой последовательно. Напряжение на одной ячейке составляет ~0.65V, что дает для 12-ти последовательно включенных ячеек 7.8V. Рабочее напряжение гуляет примерно около этих цифр.

Такое напряжение согласуется с напряжением гелевого свинцового аккумулятора на 6V. Такие аккумуляторы используются в мотоциклах, в источниках бесперебойного питания (ИБП), в системах домовой сигнализации. Весят они побольше (раз в семь-десять) литиевых банок одинаковой емкости - 1.2 А·ч~300 г, 3.2А·ч~600 г, 7А·ч~1300 г - но цена в пересчете на емкость сравнима с качественным литием. Тяжеловаты, зато минимум "преобразовательных" потерь в нашей гелиостанции.

Далее к нашему буферу можно подключить, например нашу "изгнанную коробочку". Хотя КПД схем внутри таких коробок составляет чаще всего ~80-90%, да и вообще работают они очень странно, выдавая при одинаковой инсоляции абсолютно разные токи. Лично у меня нет желания подключать это к аккумулятору. Лучше что-то более эффективное, такое с 4х выходами USB или такое, с QC2/3. Возможно существует и что-то поинтереснее пишите в комментарии!. И конечно же при подходящей облачности можно заряжаться минуя буфер: гелиопанель→преобразователь→телефон etc.

Nota bene: если последовательно соединить две гибких батареи (свою и друга), то получим напряжение ~13V, которое согласуется с трехбаночной (3S) сборкой Li-Ion, с зарядкой для автомобильного аккумулятора и работает с "тысячи их на aliexpresы" платами QuickCharge/PowerDelivery. Так что энергетически выгоднее путешествовать вдвоем с правильным другом.

#LAB-66@SolarEnergy

​​Солнечная оптимизация

"читательницы устали от ваших модемов" (С). Понимаю и прощаю - антенное хозяйство, LoRa, контроллеры& прочее радиодело - в этом нет чёрствости но ничего романтичного. А вот в солнечных батареях романтика есть (ведь есть же?)

Хочу поднять прошлый тред и рассказать про такую вещь как MPPT. Это "явление" особенно актуально для каждого владельца "гелиоэлектростанции" в периоды облачной погоды.

Магическая аббревиатура mppt, будучи произнесена заговорщицким голосом продавца cолнечных панелей, сразу заставляет руки обывателя тянуться к кошельку. Ибо общественно мнение гласит, что "mppt - это абсолютное добро" При этом хорошо если 1 из 10 покупателей солнечных панелей "на даче хочу поставить, ручеек питать" сможет внятно объяснить что же такое это самое mppt, за которое он только что переплатил N байткоинов долларов.

Не вдаваясь во всякие вольтамперные характеристики солнечных панелей и т.п. можно сказать просто, MPPT (Maximum Power Point Tracking — отслеживание точки максимальной мощности) это механизм, который позволяет выжимать из солнечной панели максимум при текущей освещенности. Предположим имея условную панель в Минске в июле (~жарко и солнечно), вы какими-то правдами и неправдами нашли точку максимальной мощности и забираете от панели максимум. Но при появлении облачности вольт-амперная характеристика панели изменяется вместе с изменением уровня освещенности. Эффективность панели мгновенно падает, пользователь ничего не может сделать, а вот MPPT сам подстраивается под новые условия, производя за определенный промежуток времени (2…5...N минут) вычисления и подбирая новую точку максимальной мощности. Поиск ведется разными способами, вплоть до сканирующих алгоритмов с нейросетями. Разные алгоритмы - разные и цены, часто MPPT контроллер может стоить в 2-3 раза дороже вся батарея и весить будет N килограмм

Нужна ли такая штуковина владельцу туристической солнечной батареи? Нужна, но с возможностью ручной подстройки. Слишком умные алгоритмы поиска могут ошибаться и ошибаются! и таким образом эффективность батареи снижают не хуже чем облачность. Также автоматика не нужна если есть опыт. Например для своих панелей я знаю, что в холодную погоду максимальная мощность при напряжении 19.0–20.0В, в жаркую — 17.6…18.2В. Выставлять цифры вручную 1–2 раза в день труда не составляет. Если же за вас все решают контроллер/плата с непонятными алгоритмами перебора — то шансы на успех мизерны, а вот на то, что контроллер сожрет всю мощность— велики.

Что есть на рынке в пользовательском диапазоне? А практически ничего. Из повышающих напряжение MPPT контроллеров есть только MPT-7210A (крайний правый на картинке) за ~50...70...100$. Но во-первых его минимальное входное напряжение ~12–15 В, ниже он просто не работает. Весит этот контроллер до 0,5 кг (как комплект SunPower на 21W) и самое неприятное что преобразователь медленно выходит на полную мощность, за время раскачки облачность может поменяться двадцать раз и драгоценные крохи энергии будут потеряны. MPPT тоже реализована странно, после ручного ввода напряжения для старта поиска точки максимальной мощности контроллер начинает перебирать весь диапазон напряжений, чаще уходя в те значения, на которых мощность панелей минимальна, а задать узкий диапазон значений невозможно.

Дешевле за эти деньги взять несколько батарей, соединить их последовательно и использовать дешевые, привычные понижающие контроллеры. Мои любимые, до 5А - на микросхеме BQ24650 (третий слева), хотя подойдут и некоторые их "младшие китайские братья" на микросхеме CN3722 (первый и второй слева), примеры со ссылками смотрим в статье 👇

📜 Солнца текст. Солнечные батареи и все-все-все

При выборе плат контроллеров обязательно обращайте внимание на наличие регулятора ручной подстройки MPPT, чтобы не пришлось перепаивать задающие резисторы с каждой новой солнечной панелью.

#LAB-66@SolarEnergy

​​Солнечные батареи-Польша-Перовскит

Ассистенты иногда шлют мне интересные вопросы из комментариев к заметкам. Иногда я на них отвечаю, особенно если вопросы циклично повторяются. За время действия #LAB-66@SolarEnergy несколько раз возникал вопрос про солнечные элементы из перовскитов. Может будущее уже здесь,а мы не замечаем? Носимся со своими SunPower C60 :) Неспроста ж наверное польская Saulе Technologies за гранты в млн.€ развивает производства перовскит-солнечных панелей. Может и правда скоро их можно будет увидеть везде, от одноразовых пластиковых стаканов до окон и крыш домов и даже купить в виде аэрозольной краски? Читаем очередное особое мнение

Степень совершенства технологии придуманной человеком = уровень ее биомиметичности, эффективности относительно того, что придумала Природа. Поэтому "технически красиво по LAB-66" - это всегда экологично (за соблюдением правила бдит Хим/Дичь).

Обыватель, заинтересованный темой солнечных панелей из перовскита, первым делом наберет в Google слово перовскит и прочитает в Википедии о том, что перовскит - это титанат кальция. Кальций/титан - в общественном сознании все это достаточно безопасно. Но вот Википедия не пишет, что современные перовскит-панели с безвредным неорганическим минералом перовскитом/титанатом кальция имеют только кристаллографическое сходство. Все это кристалл структуры ABX₃, где A и B — катионы , а X — анион. Те самые "эффективность в лаборатории достигает 25%" солнечные перовскит-элементы - это органо-неорганический материал, где в обязательном порядке присутствует атом свинца.

Перовскит-элементы легко обрабатывать и синтезировать (даже дома, при наличии реактивов). Они достаточно эффективны сразу после приготовления, но при этом обладают очень низкой устойчивостью к внешним воздействиям (воздействие паров воды в воздухе/свободных радикалов, термический стресс, выгорание под воздействием UV/Vis света). Выгорание материала = падение эффективности (за месяцы, в противоположность годам в случае кремниевых панелей). При повреждении защитного слоя инкапсулянта перовскит-материал начинает быстро разрушаться с вымыванием свинца в окружающую среду. Опасная для здоровья доза свинца~25 мм² перовскит-панели. Выработка 1 ГВт энергии на самом эффективном перовскит-элементе~образование 3,5 тонн свинцовых отходов.

В качестве дополнительного чтения по опасности свинца рекомендую свою токсикологическую статью: И продолжается «вечеринка со свинцом»…

Проблема на сегодняшний день не решена. Более экологичные перовскит-панели с оловом, ванадием, вольфрамом и другими тяжелыми металлами намного менее эффективны чем свинцовые (в 2 и более раз). Смирившись с отсутствием замены свинцу, все исследования сейчас направлены на поиск более эффективных инкапсулянтов (вроде самозалечивающихся полимеров или адсорбирующих свинец покровных слоев из ионообменных смол). При этом мне не известны исследования на предмет долгосрочной устойчивости таких покрытий. Имхо свинцовые солнечные батареи наносимые аэрозольным баллоном нам не нужны, еле с тетраэтилсвинцом в бензине разобрались. А еще перовскиты хрупкие, этим они близки к полу-гибким SunPower C60. Поэтому скорее всего будущее за комбинированными панелями, в которых используются дополнительные армирующие слои и другие фотовольтаические материалы (кремний!)

Подытожим. Интерес к дешевым солнечным панелям есть. Исследователи видят только "эффективность/стоимость/вес", изучение уноса перовскит-свинца в окружающую среду ведется фрагментарно ведь это вредно в данном раунде инвестиций. Эффективной замены свинцу нет, а при использовании дорогих полимерных инкапсулянтов стоимость вырастет и станет ≈кремний. Так что по состоянию на 2022 год восхвалять перовскит = приближать победу пластмассового мира. Поэтому нет, я голосую💲 за SunPower, даже несмотря на то, что на принтере их напечатать нельзя, аэрозоль из них не сделать. Зато они долговечнее, эффективнее, экологичнее.

P.S. И еще Оля Малинкевич так щемяще похожа на Элизабет Энн Холмс...

​​Так как мы установили, что aliexpress в Беларуси все же работает и доставку осуществляет, то пока ничего не изменилось необходимо довести портативные гелиостанции до совершенства.

Ранее в канале обсуждались и солнечные панели (раз, два, три, четыре), и MPPT-контроллеры (ссылка), и некоторые буферные накопители (раз, два).

В реальной жизни я использую классику — сборки из обычных Li-Ion 18650 аккумуляторов. Каждая сборка — это 4 соединенных последовательно ячейки. Сборки подключены к плате защиты/балансировки, плата подключается либо к MPPT-контроллеру, либо напрямую к солнечной батарее (если совпадают напряжения~батарея и аккумуляторы согласованы). Я часто экспериментирую с аккумуляторами, поэтому собираю их вручную, с точечной сваркой, никелевой лентой, широкой термоусадкой "колошей". Если нет времени и желания - можно взять готовые блоки с разведенными кабелями балансировки (aliexpress). В качестве платы балансировки и защиты я использую “красную плату”- проверенную еще экспериментами с электроскутерами герметичную схему от китайского бренда Daly (aliexpress). Под туристические батареи вполне подходит плата 4S на 15A.

На фото: электронная составляющая моей гелиостанции. Солнечные панели могут сменятся, могут сменятся буферные аккумуляторы и конечные зарядные устройства. Базовая часть - фундаментальна.

Источник:📜 Солнца схрон

#LAB-66@SolarEnergy

Примечание для владельцев 6В туристических панелей SunPower, не готовых носить с собой свинцовый буферный аккумулятор.

Есть такая вот схема, как на картинке, с использованием одной банки Li-Ion (зато какой! one love ❤️). Используется аккумулятор Boston Swing 5300, первый морозостойкий (до -40°). К нему mppt-контроллер заряда на микросхеме CN3795 или CN3791 (версия 6V) и повышающие платы быстрых зарядок QC 2/3/4 оптимизированные для однобаночного (3.7V) применения. Получается легкий и производительный комплект, почти что тактический (зима/лето). В принципе все платы довольно небольшого размера, их можно вместе зажать в термоусадку и получить отличный самодельный powerbank.

p.s. схема работает только если проведена процедура "изгнания коробочки" :)

Источник:📜 Солнца схрон

#LAB-66@SolarEnergy

​​#LAB-66@AвтоноМ. Выпуск 1

И вновь поднимается вопрос автономного энергоснабжения. Даже не столько автономного, сколько бесперебойного. Здесь уже я не буду советовать солнечные батареи. Здесь скорее нужен бензогенератор с автоматическим запуском. Но вещь это дорогая, тяжелая да и не подразумевающая запуск в городской квартире (шум, выхлоп etc).

C моей точки зрения самый экспресс-метод сборки "гражданского бесперебойника" следующий.

Сначала покупаем подходящий под потребление в квартире инвертор (устройство преобразующее 12В постоянного тока в 220В переменного тока). Здесь есть два нюанса. Во-первых стоит придерживаться ключевых слов "Pure Sine Wave", т.е. наличие "чистого синуса". Простые инверторы выдают т.н. модифицированную синусоиду, которой достаточно для многих импульсных блоков питания. Но вот всякие циркуляционные насосы, газовые котлы и сложные холодильники модифицированную синусоиду не принимают, им нужна настоящая синусоидальная форма сигнала, иначе будет рев, или вообще ничего не будет. Второй нюанс - у инвертора должна быть функция заряда аккумулятора. С одной стороны не критично, так как зарядку аккумулятора можно приобрести отдельно, но тем не менее очень удобно. Проверенный китайско-немецкий бренд - это EDECOA (ссылка). Ориентировочная стоимость устройства на номинальных 5 кВт (длительная нагрузка 2,5 кВт, позволяет включать электрочайник) - где-то около 150-200$, но вес ощутимый. И да, если нет на 12В, есть на 24В - никаких проблем, нужно два аккумулятора по 12В соединить последовательно и на клеммы инвертора.

К инвертору покупаем не обслуживаемые (желательно) свинцовые аккумуляторы соответствующей емкости. Здесь нужны т.н. тяговые аккумуляторы (простые автомобильные - это стартовые аккумуляторы, которые не предназначены для длительной нагрузки). Неплохие варианты - это лодочные аккумуляторы или аккумуляторы от промышленных источников бесперебойного питания, например Ippon IP12-100 или WBR Marine MB 100-12 AGM.

Вот принципе и весь комплект. Ставим аккумулятор на полку где-нибудь в углу комнаты, к нему же инвертор, в инвертор - тройники. И ждем отключения электроэнергии. Лучше, конечно, собрать несложную автоматику и использовать т.н. АВР, автоматический ввод резерва. На aliexpress есть в продаже специальные реле (смотреть по ключевым "аutomatic transfer switch"), которые позволяеют автоматически переключать питание с основного на резервное при пропадании напряжения в сети.

В итоге по цене получаем комплект, который дешевле самого дешевого бензогенератора с автоматическим стартом, легче, не тарахтит и не коптит. Когда электричество есть - инвертор заряжает аккумулятор, когда электричество пропадает - аккумулятор питает квартиру. Здесь кстати можно дополнительно подключить и таймер отключения входного питания на пару часов каждый день, для исключения сульфатации пластин аккумулятора вследствие отсутствия разряда (если отключений электроэнергии не будет долгое время).

UPD к солнечным батареям. Как правило для заряда аккумулятора нужен ток 1/10 емкости, т.е. на 100 Аh надо примерно 10А. Устройства и схемы, которые я обозревал ранее (ссылка) такую возможность дают, конечно с батарей осенью-зимой не снять 10А, но треть от этой цифры вполне. Будет заряжать, но не так быстро как хотелось бы. По напряжениям согласование есть (для 4S походных вариантов, которые поэтому и 4S, чтобы перескакивать при необходимости с лития на свинец)