Задачка про бассейн с обезьяной

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

Походный павербанк: 5 или 12 вольт?

USB 5V DC/DC преобразователь

Универсальный зарядник B6S+ Mini

Posted in WildEnergyTagged , , , , ,  |  1 Comment

One Response to "Задачка про бассейн с обезьяной"

  • Аватар