Все мы со школьных времен помним надоедливые задачки про бассейны с двумя трубами — в одну вода втекает, из другой вытекает. Несмотря на некоторую «вычурность» постановки задачи, этот простейший метод количественного анализа из начальной школы, был и остается основополагающим для огромного количества жизненных ситуаций — начиная от планирования бюджета (хоть семейного, хоть государственного) и заканчивая новомодными «программами похудения» с подсчетом потребленных и сжигаемых калорий. Ну и, естественно, в полной мере это относится и к обсуждаемым здесь проблемам «походной энергетики» :)
Только вот, когда речь заходит о природных источниках энергии (например, солнечных батареях или ветрогенераторах), для полноты картинки в бассейн необходимо еще добавить обезьяну! Тем более, что начинается «Год Обезьяны» — как же без нее? :)
Эта милая обезьянка сидит у наливной трубы бассейна, и развлекается тем, что постоянно крутит кран/вентиль — как ей вздумается :) В итоге по небу постоянно проплывают облака (и даже грозовые тучи), солнце движется (и меняет свой угол наклона к солнечной батарее), разные тени приходят и уходят… Шустрая, в общем, такая обезьянка! :)
Здесь главное отчетливо понимать и всегда помнить, что в результате ее усилий вырабатываемая солнечной батареей мощность хаотично изменяется во времени, причем очень сильно — от максимальной до почти нуля. Набежавшая тучка запросто может уменьшить эту мощность в десять раз, а то и во все двадцать… Да даже и просто изменение взаимного расположения батареи и солнца (и совсем неважно, кто именно из них двигается) сразу меняет мощность в несколько раз!
В общем, с проказливой обезьянкой (т.е. с поступлением воды в наш бассейн) думаю, все понятно — там стихийная анархия :) Но вот на выходе из нашего бассейна нам просто необходимо обеспечить стабильный и предсказуемый напор!!!
Почему это так важно? Да по той простой причине, что большинство современных гаджетов (потребителей энергии) рассчитаны на вполне определенные, и главное, СТАБИЛЬНЫЕ во времени, параметры источника мощности! Нынешние гаджеты (хоть какой-нибудь смартфон, хоть, например, универсальный зарядник, или «продвинутый» павербанк) обладают некоторым «интеллектом», поэтому в момент подключения к источнику питания они тем или иным способом его «тестируют» и определяют, на какую мощность могут рассчитывать. И в дальнейшем действуют именно исходя из этого. Поэтому, если вдруг через какое-то время поступаемая мощность резко снизилась, то это почти всегда приведет к определенным неприятным последствиям… В «безобидных» случаях просто прекратится зарядка гаджета (либо он не полностью зарядится), в более серьезных у него может «поехать крыша» — например, сбиться индикатор уровня заряда аккумулятора гаджета (навсегда или временно — это уж как повезет).
Именно поэтому («капризность» многих гаджетов, обусловленная их «интеллектом»), в общем случае, «не канает» кажущийся самым простым и очевидным подход: взять солнечную батарею достаточно большой мощности, если нужно, стабилизировать ее выходное напряжение с помощью конвертера напряжения (их сейчас полно любых) и подключать туда свои гаджеты :( Да, в некоторых случаях это сработает, но очень часто — нет! Поскольку напряжение-то стабильно, а вот выдаваемая мощность — нет (как помним, она зависит от обезьянки, то бишь, от погоды). А мощность, из школьной физики, есть произведение напряжения на ток. Другими словами, такой вариант не стабилизирован по току…
Как с этим бороться? В общем-то, есть всего два способа. Первый — резко увеличить мощность солнечной батареи до такого уровня, чтобы даже в самых плохих условиях она вырабатывала бы больше, чем потребляет ваш гаджет. Способ самый очевидный, но также и абсолютно «дурацкий», неэффективный и дорогой… К тому же, когда вдруг обезьянка снова приоткроет краник, то большая часть воды (энергии) просто бездарно уйдет в землю…
Второй способ — воткнуть в цепь буферный аккумулятор, который будет демпфировать (сглаживать) перепады мощности от солнечной батареи. В аналогии с бассейном роль такого аккумулятора как раз играет сам бассейн! :) Напор воды в сливной трубе будет всегда постоянным, как бы там наша обезянка не изощрялась с верчением краника на входе :) Ну, понятно, что все это усредненно во времени, тем не менее, уже становится вполне возможнм подобрать оптимальные параметры мощности солнечной батареи и емкости буферного аккумулятора… Вместо полного хаоса на начальном этапе, здесь мы уже имеем вполне понятную, поддающуюся расчету систему.
В принципе, конечно, это все очень похоже на UPS (бесперебойный источник питания для компьютерных систем), но с одной разницей: UPS работает дискретно, его аккумулятор пребывает всего в двух состояних — зарядка/ожидание, либо же собственно питание компьютера в случае отключения внешнего электричества. А буферный аккумулятор для «природного» электричества живет в гораздо более динамичном режиме, он может переключаться из состояния заряда в разряд (и наоборот) очень часто — в зависимости от внешних обстоятельств (погода и наличие/мощность потребителей энергии). И кстати, если кто об этом беспокоится, работа в таком режиме отнюдь не приводит к какому-либо уж очень быстрому «старению» аккумулятора — как минимум, когда речь идет про аккумуляторы без выраженного «эффекта памяти» — например, литиевые или свинцовые.
В итоге, приходим примерно к следующей функциональной схеме:
Конкретные реализации этой схемы могут отличаться некоторыми малосущественными деталями — например, часто бывает, что контроллер заряда и модуль защиты аккумулятора объединены в одном устройстве, либо же не нужен преобразователь напряжения, поскольку он и так имеется у «конечного потребителя» — это все не принципиально и не влияет на суть.
Глядя на эту схему, возникает резонный вопрос: а чем же это отличается от обычного, такого всем «привычного» павербанка??? :) С точки зрения набора модулей и их связи — ничем, поэтому павербанком с солнечной батареей такая система в полной мере также является, естественно! Существенные отличия возникают, если посмотреть на систему не в статике, а в динамике…
Традиционный павербанк всегда работает в одном из двух режимов: он либо запасает энергию, либо же отдает ее потребителю. Эти две фазы четко разнесены во времени и не пересекаются (более того, подавляющее большинство промышленно выпускаемых павербанков только так и умеют — либо он сейчас стоит на заряде, либо же на разряде). Тогда как система с буферным/демпфирующим аккумулятором намного гибче/шире: это способ превратить солнечную батарею в СТАБИЛЬНЫЙ по своим характеристикам источник электричества!
В общем случае, пользователь подобной системы в каждый отдельно взятый момент времени даже и не знает, заряжается ли сейчас буферный аккумулятор, либо же наоборот — все это определяется автоматически в динамике, в зависимости от соотношения прихода и расхода энергии (ага, задачка о бассейне :) А ему (пользователю) и не нужно над этим задумываться — он, когда ему требуется, просто подключает свой гаджет к системе электропитания, и не парится… И если система «сбалансирована» (т.е. адекватно подобраны мощность солнечной батареи и емкость буферного аккумулятора) — то все будет отлично! :)
В общем-то, по этой схеме устроены абсолютно все «взрослые» системы на альтернативной энергии (например, «солнечный дом», или какие-нибудь яхтенные энергосистемы на солнечных батареях). Все мои «поделки» для походного электричества, естественно, также устроены по этому принципу. Ну и «Вампирчик» тоже, несмотря на то, что буферный/демпфирующий аккумулятор у него с напряжением 3.7В, что в ряде случаев накладывает существенные ограничения на мощность/эффективность системы в целом…
Главное, надо понимать и помнить, что это уже больше, чем просто павербанк с солнечной батареей! Это — система электропитания на солнечной энергии :)
А вот как примерно подобрать (из каких соображений) параметры «сбалансированной» системы — это тема для отдельного поста как-нибудь в будущем… Вопрос не такой уж простой и очевидный.
ЗЫ: Вообще-то, с таким же успехом можно было бы назвать этот пост и как «Нормальные герои всегда идут в обход!», поскольку здесь как раз речь идет о том, что «обходной» путь от солнечной батареи до пользовательского гаджета лучше, нежели кратчайший… Ну да все же, «Год Обезьяны»… И в целом, аналогия с бассейном ближе будет, пожалуй! :)
Также по теме:
Павербанки: кабальеро и прочая публика
By Елена 06/01/2016 - 13:04
Отлично! Мне, беспечному пользователю, в очередной раз стало понятнее, как это прошедшим летом на необитаемом полуострове, в дождливой той порой Северо-Западной России небольшая солнечная батарея обеспечивала нас всеми благами цивилизации, включая очень активно пользуемый ноутбук (меня тогда это очень впечатлило). Обезьяньи проделки жестко демпфировал тот самый буферный аккумулятор. Приятно хоть изредка переставать себя чувствовать гуманитарным суперчайником.