Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przenośna ładowarka solarna DIY

ghost666 06 Mar 2018 20:45 6003 4
  • Przenośna ładowarka solarna DIY
    Autor poniższego projektu wybierając się w poślubną podróż dookoła świata, zainspirowany innymi tego typu konstrukcjami, postanowił wykonać samodzielnie solarną ładowarkę USB. Kraje, które planowali odwiedzić, miały być bardzo słoneczne, toteż pomysł wykorzystania energii słonecznej do ładowania telefonu czy aparatu wydał się bardzo dobry. Teraz wystarczy tylko samodzielnie zaprojektować i skonstruować takie urządzenie.

    Do zaprojektowania systemu wykorzystani Altium Designera, SolidWorksa i LTSpice - pliki źródłowe dostępne są na stronie projektu (link na dole).

    Założenia projektu

    System będzie wykorzystywał do działania wydajne przetwornice DC-DC. Układ składać będzie się z dwóch przetwornic - jednej do 'obsługi' ogniw fotowoltaicznych, a drugiej do stabilizacji napięcia z akumulatora, którym można ładować swoje urządzenia. Autor wypisał szereg kryteriów, jakie spełniać muszą układy scalone, które wybrane zostaną do projektu. I tak:

    Pierwsza przetwornica:

    * Musi mieć wbudowany jakiś algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) ogniwa fotowoltaicznego (PV).
    * Musi pracować z napięciem wejściowym w zakresie od 1 V do 6 V - takie napięcia daje wybrane ogniwo PV.
    * Musi mieć maksymalny prąd wejściowy powyżej 0,5 A - taki maksymalnie prąd oferuje ogniwo PV.
    * Musi charakteryzować się sprawnością ponad 90%, oczywiście pamiętając, że realna sprawność takiego układu zależna jest od obciążenia w danym momencie.

    Druga przetwornica:

    * Musi pracować z napięciem wejściowym od 0,5 V do 6,0 V - takie napięcie daje ogniwo niklowo-wodorkowe (NiMH) 1S2P.
    * Musi pracować z prądem wyjściowym powyżej 500 mA, aby móc korzystać z szybkiego ładowania urządzeń poprzez USB.
    * Musi mieć sprawność większą niż 90%.

    Aby zaoszczędzić sobie czas, autor stabelaryzował szereg przetwornic, wraz z ich podstawowymi parametrami - osobno dla pierwszego i drugiego stopnia w układzie. Wybrane do projektu układy zaznaczone są w tabeli kolorem zielonym. Same tabele prezentują się następująco:

    Przenośna ładowarka solarna DIY

    Przenośna ładowarka solarna DIY






    Dodatkowo, autor miał kilka dodatkowych wymagań co do systemu:

    * Czas życia układu ma wynieść co najmniej 10 lat. Dlatego też komponenty muszą być odpowiednio dobrane, zapewniając odpowiedni zapas parametrów. Dodatkowo, jako baterię finalnie wybrano ogniwo niklowo-kadmowe (NiCd), jako że oferuje ono najbardziej stabilną pracę i długi czas życia w porównaniu do ogniw litowo-jonowych i NiMH. NiCd oferuje także najlepsze krzywe ładowania i rozładowywania, niestety kosztem najniższej gęstości energii.
    * Wydajność całego systemu wynieść ma co najmniej 95%. Tak wysoka wydajność wymagała użycia wysokiej klasy komponentów: niskooporowych induktorów i polimerowych kondensatorów elektrolitycznych.

    Charakteryzacja ogniwa fotowoltaicznego

    Ogniwo PV autor zakupił na eBay. Wybrał model o rozmiarach 110 mm x 70 mm, które miało wysoką - jak podawano - szczytową moc wyjściową. Po otrzymaniu ogniwa, konieczne było przeprowadzenie pewnych testów, aby uzyskać wartości szczytowe prądu i napięcia na wyjściu z ogniwa.

    Do testów wykorzystano naturalne słońce, bez zacieniania ogniwa i w pogodny dzień. Z uwagi na to, pokazane wykresy są dosyć jakościowym opisem parametrów układu, aczkolwiek do tego projektu są to dostatecznie dobre pomiary, by oprzeć się na nich w projekcie. Z przeprowadzonych badań wynikało, że pojedyncze ogniwo ma moc około 0,61 W przy 4,3 V i 140 mA.

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Charakteryzacja akumulatorów

    Kolejnym etapem projektowania była charakteryzacja pakietu ogniw NiCd 2S1P. Ładowane i rozładowywane były one prądem 1 A. Podczas całego procesu monitorowano napięcie na pakiecie i całkowity ładunek zgromadzony w ogniwie w funkcji czasu. Z tych pomiarów otrzymano następujące zależności:

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Wiedząc to, możliwa jest ocena pozostałego w ogniwie ładunku na podstawie napięcia wyjściowego, oczywiście tylko w momencie, gdy pobieramy z ogniwa dokładnie 1 A. Informacja ta będzie przydatna do implementacji układu pomiaru stanu naładowania akumulatorów systemu.

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Symulacje

    Po scharakteryzowaniu podstawowych elementów i wyborze układów kontrolerów przetwornic można było przystąpić do symulacji układu. W tym celu wykorzystano program LTspice. Symulacje dały szereg ciekawych informacji:

    * Praca z dwoma ogniwami NiCd połączonymi równolegle (1S2P) nie jest zbyt wydajna - oba układy pracując z napięciem 1,2 V (nominalne napięcie ogniw) mają strasznie małą wydajność energetyczną. Dlatego też zmiana połączenia baterii z równoległego na szeregowe (2S1P) z napięciem wyjściowym 2,4 V zwiększyła wydajność przetwornicy na LTC3130 (odpowiedzialnej za obsługę ogniwa PV) z 45,2% do 72,5%, a LTC3539 z 86,1% do 92,5%.
    * Jeśli w drugim stopniu umieścimy dwa układy równolegle, to wydajność można zwiększyć do 95%, a dodatkowo zwiększyć maksymalny prąd wyjściowy z ładowarki z 0,7 A do 1,4 A.

    Do symulacji wykorzystano następujące układy:

    Przenośna ładowarka solarna DIYPrzenośna ładowarka solarna DIY


    Projekt układu i płytki drukowanej

    Po zakończeniu testowania i symulowania działania systemu można było przystąpić do projektowania płytki drukowanej (PCB). Autor w tym celu skorzystał z Altium Designera. Układ składa się z kilku osobnych bloków, jak widać na zaprezentowanym poniżej schemacie.

    Pierwszy stopień układu to przetwornica solarna, która zbiera energię z ogniwa PV. Odpowiedzialna jest ona za konwersję DC-DC napięcia z ogniwa fotowoltaicznego do napięcia ładowania ogniwa. Wynosi ono 1,55 V na celę, czyli w przypadku tego ogniwa 3,1 V (konfigurowane opornikami R8, R17 i R18). Napięcie wyjściowe z ogniwa wynosi do 4,3 V. Bardzo praktyczną właściwością tego układu jest fakt, że wyposażony jest on w prosty algorytm MPPT. Oporniki R1 i R11 odpowiadają za ograniczanie prądu cewki do poziomu, dla którego napięcie wejściowe wynosi około 4,3 V. Inną wartościową funkcją układu jest możliwość dodania histerezy załączania i wyłączania przetwornicy (ustawianej z pomocą oporników R3 i R13). Jest to przydatne, gdy chcemy odłączać przetwornicę, gdy warunki nie są dobre do jej pracy, np. urządzenie jest w cieniu. Napięcia włączenia i wyłączenia ustawiono na, odpowiednio, 3,2 V i 3,5 V.

    Drugi stopień systemu zbudowany jest wokół przetwornicy LTC3539. Ten kompaktowy układ (3 mm x 2 mm x 0,8 mm) może dostarczyć do 700 mA przy napięciu wyjściowym do 5 V (z zasilania 2,4 V). W projektowanym systemie wykorzystano dwie takie przetwornice połączone równolegle, zasilanie z pakietu NiCd dającego 2,4 V napięcia wyjściowego. Przetwornica skonfigurowana jest (oporniki R23, R29 oraz R25 i R33) do stabilizacji napięcia 5,1 V na wyjściu. 100 mV większe niż standardowe napięcie ma pomóc lepiej ładować układy kablami niskiej jakości o wysokim oporze. Warto jednakże zwrócić uwagę, że napięcie to mieści się w specyfikacji USB 2.0, która mówi, że napięcie zasilania na linii 5 V wynosić może od 4,4 V do 5,25 V, więc nie ma co się ubawić, że zniszczymy swój telefon ładując go tym układem.

    Ostatni, trzeci stopień, to monitor pojemności ogniwa. Robi on dokładnie tyle - obciąża ogniwa NiCd prądem 1 A, mierzy napięcie i porównując odczytaną wartość z preprogramowanymi progami zapala odpowiednie diody LED.

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Dodatkowo, kilka finalnych informacji dotyczących projektu układu:

    * Indukcyjności dobrane zostały wykorzystując do tego symulację w LTspice. Optymalizowano układ pod kątem wydajności energetycznej.
    * Najlepsze okazały się indukcyjności mające najniższą rezystancję uzwojenia.
    * W projekcie wykorzystano cewki o możliwie najniższej rezystancji stałoprądowej uzwojenia. Przełożyło się to na ich wielkość – wystarczy porównać je z układami scalonymi na PCB.
    * Wszystkie kondensatory elektrolityczne to elementy aluminiowo polimerowe. Zwykłe elektrolity sprawiłyby się tutaj dosyć dobrze, ale te – dzięki niskiej rezystancji szeregowej (ESR) zapewniają dodatkowo niskie straty i wysoką wydajność.
    * Przetwornice wybrane zostały z oferty Linear Technology, bo firma ta znana jest z dostarczania układów zasilania o wysokich parametrach. Dodatkowo uprościło to symulowanie układu w LTspice. Niestety cena, jaką za to zapłacić to cóż… wysoka cena tych układów.

    Tak prezentuje się projekt 3D stworzonej płytki drukowanej (wraz z elementami):

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Projekt mechaniczny

    Projekt obudowy układu wykonano w oprogramowaniu SolidWorks. Zaprojektowana obudowa prezentuje się następująco:

    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Symulacja vs rzeczywisty świat

    Zawsze wartościowym jest sprawdzenie, jak symulacje w komputerze przekładają się na realne działanie układu scalonego. Ogromnym zaskoczeniem (pozytywnym!) był fakt, że LTC3130 osiąga w praktyce istotnie lepszą wydajność niż w symulacji i to dla całego zakresu prądów wyjściowych. Niestety tego samego nie można powiedzieć o drugiej przetwornicy LRC3539 – ma ona lepszą wydajność niż na symulacji, ale tylko dla prądów wyjściowych do 150 mA. Powyżej tego wydajność konwersji spada poniżej wyliczonej.

    Szczytowa wydajność pierwszej przetwornicy wynosi 85%, a drugiej ok. 90%. Celem było uzyskanie wydajności układu na poziomie co najmniej 90%, więc plany udało się niemalże zrealizować.

    Przenośna ładowarka solarna DIYPrzenośna ładowarka solarna DIY


    Pomyłki i problem

    Jeśli chcemy ładować szybko urządzenie poprzez port USB 2.0 (prądem powyżej 500 mA), to piny D+ oraz D- muszą być zwarte opornikiem 200 Ω. Inaczej układ nie pobierze więcej niż 0,5 A.

    Mimo zaprojektowania układu do pracy z 5,1 V na wyjściu, realne napięcie wyjściowe układy waha się od 4,96 V do 5,07 V. Częściowo wynikać to może z faktu, że stopień wyjściowy tworzą dwa układy LTC3539 połączone równolegle – coś, do czego te przetwornice nie zostały zaprojektowane (gdyby były, to miałyby dedykowany pin SYNC do synchronizacji dwóch układów ze sobą).

    Inną problematyczną kwestią, wynikającą z łączenia dwóch LTC3539 równolegle, jest konieczność bardzo precyzyjnego dobrania oporników ustalających napięcie wyjściowe. Jeśli napięcie wyjściowe z dwóch równoległych układów będzie się różniło, to okazać się może, że przez jedną z przetwornic płynąć będzie prąd w odwrotnym kierunku niż ten, do którego została ona zaprojektowana.

    Moduł pomiaru poziomu naładowania nie sprawuje się za dobrze, jako że poziomy napięć i wyznaczone wcześniej progi obarczone są sporym błędem. Podmianka U5 z LM239DT na TLC3705ID niestety nie zapewniła poprawy precyzji oceny pojemności.

    Przełącznik hebelkowy nie sprawuje się za dobrze w tego rodzaju aplikacji. Konieczna jest wymiana go na coś wytrzymalszego, zważywszy na fakt, jak często tego rodzaju urządzenie upada podczas użytkowania.

    Podsumowanie

    Projekt sprawuje się dobrze i charakteryzuje się wysoką wydajnością, jednakże aby w pełni docenić jakość wykonanego układu, konieczne jest porównanie go z komercyjnie dostępnymi układami. Autor zamierza nabyć tanią ładowarkę solarną i porównać jej parametry z wartościami zmierzonymi dla swojej konstrukcji.

    Ładowarka przetestowana została w trasie w wielu krajach, w Izraelu, Ukrainie, Rosji, Hong Kongu i Australii. Sprawiła się ona bardzo dobrze; autor ma nadzieję, że będzie równie dobrze pracować przez kolejne dziesięć lat.

    Przenośna ładowarka solarna DIY
    Przenośna ładowarka solarna DIY
    Przenośna ładowarka solarna DIY


    Źródło: https://antdiy.blogspot.com.au/2017/09/project-portable-solar-usb-charger.html


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day
  • #2 07 Mar 2018 22:50
    grawastar1986
    Poziom 10  

    Ładowarka zaprojektowana i wykonana przez człowieka bogatego, nie liczącego się za bardzo z kosztami. W naszych wschodnich warunkach koszt wykonania był by pewnie zaporowy.

    Sam używam od 3-4 lat małej instalacji słonecznej (20W) do ładowania telefonów i innych urządzeń USB. Jej koszt zamknął się w 200 zł i pracuje do dziś bez wymiany akumulatorów. Użyłem ogniw 18650 z baterii od laptopa. Jest to w sumie eksperyment, nie liczę na to że się kiedykolwiek zwróci finansowo ;)

  • Arrow Multisolution Day
  • #3 09 Mar 2018 10:56
    djoy
    Poziom 15  

    Dziwi mnie trochę fakt, że autor zastosował ogniwa Ni-Cd. Ogniwa takie powinny być ładowane w pełnych cyklach. W innym przypadku tracą na pojemności. Nie wiem czy akumulatorki tak traktowane wytrzymają zakładane 10 lat eksploatacji?

  • #4 09 Mar 2018 17:36
    Andrzej Maciejewski
    Poziom 20  

    W dalekim kraju, czy nawet lokalnie jak się znajdziesz "w sytuacji" na pustkowiu to:
    albo nie masz zasięgu, albo masz.

    W pierwszym przypadku "game over", w drugim są dwie możliwości:
    albo komóra jeszcze zipie, albo się rozładowała.

    W pierwszym przypadku:
    "you are lucky man", w drugim "game over".

    Trzeba jeszcze wycenić na koszt przypadku "game over".

  • #5 10 Mar 2018 21:23
    paszczakq
    Poziom 19  

    Na takie wyprawy SAMSUNG Solid b2100 albo powerbank i po temacie.