Free energy или как сделать ночник на ионисторах и солнечной батарее
Привет geektimes.
В предыдущей части было рассказано про тестирование батареи ионисторов, наконец настало время использовать их куда-нибудь. По результатам предыдущего теста выяснилось, что от батареи 6×500F на полной яркости светодиодная лента горит примерно 10 минут. Этого разумеется мало, поэтому решено было сделать ночник — на малой яркости света вполне надолго хватит. Что из этого получилось, подробности под катом.
Для начала под спойлером небольшое дополнение о самой батарее ионисторов.
Увы, продавец не озаботился хорошей упаковкой посылки, 2 транзистора на плате от удара при пересылке вообще лопнули, и защита разумеется, не работала. Напряжение на ионисторе не должно превышать 2.7В, в реале замеры показали разброс значений на заряженной плате от 0.8 до 3.5В, что разумеется никуда не годится. Я получил частичный refund от продавца и заказал новую protection board отдельно, плата выглядит примерно так: 
Новая плата оказалась даже удобнее в использовании, например на ней есть светодиоды, показывающие что конкретный ионистор уже заряжен (на предыдущих версиях платы многие допаивали их самостоятельно).
Тестирование батареи ионисторов зарядным током всего лишь в 2.5А показало 2 важных момента:
— Принцип работы платы защиты состоит в «сбрасывании» излишков напряжения на резисторах при напряжении ионистора выше 2.7В. Излишки очевидно, вырабатываются в тепло. Так вот, уже при 2.5А и резисторы и транзисторы на плате были такие горячие, что держать палец было реально горячо.
— Резисторы на плате не успевают «сбрасывать» напряжение даже при таком небольшом токе — напряжение на заряженном ионисторе доходило до 3.3В, и лишь через 1–2 минуты начинало снижаться. Возможно имеет место некий гистерезис, сказать сложно, но факт есть факт, защита этой платы далеко не 100%.
Из этого следует важный вывод: хотя сами ионисторы теоретически могут держать очень большие зарядные токи, данная плата защиты (ее полное название Super Capacitor Balance Protection Board) в лучшем случае рассчитана на зарядные токи 1–2А. Поэтому слова в описании платы «Maximum charge current (A): unrestricted» скорее всего, «небольшое» китайское преувеличение — если подать на плату например, 20А, то балансировочные резисторы на плате скорее всего просто испарятся. Однако, при зарядке малыми токами, проблем с балансировкой скорее всего не будет.
Мне было интересно подключить их к солнечной батарее, из чего получился описанный ниже прототип ночника. Ночью в квартире темно, а слабое фоновое освещение как раз будет кстати.
«Профи» из нижеописанного вряд ли узнают что-то новое, ну, а начинающим возможно будет интересно.
Заряд
Для заряда использовались 3 купленные на ебее китайские солнечные панели можностью 1.5Вт и напряжением 9В каждая (цена вопроса $3.99/шт). На холостом ходу они действительно выдавали около 10В, ток КЗ при освещении через оконное стекло около 100 мА. На самом деле 3 штуки оказалось ни то ни се, т.к. 30В для зарядки 16-вольтовой батареи много, надо брать либо 2 либо 4. Панели подключены к ионисторам последовательно через мощный диод (нужен для того, чтобы ионисторы не разряжались через панели ночью). Конечно подключение через диод — не самый эффективный способ снятия энергии с батарей, это не MPPT и даже не PWM, зато дешево и надежно.
В тестовом варианте вся конструкция из 3х батарей, приклеенных скотчем к коробке от печенья, и диода, выглядит так: 
Как показала практика, даже в солнечный день диод не греется (разряженная батарея ионисторов фактически эквивалентна короткому замыканию для солнечных панелей). В ясную погоду уже к середине дня батарея ионисторов заряжается до 15В, затем это напряжение примерно так и держится до вечера. Окна выходят на восток и солнце светит только утром, так что во второй половине дня панели служат скорее для компенсации саморазряда.
Разряд
Для ночника были задействованы следующие компоненты:
1) Три 1-Вт светодиода теплого свечения (цена вопроса 1$ за 10шт)
2) Драйвер светодиодов с поддержкой CC-CV (цена вопроса 2$)
В отличие от обычных батареек, ионисторы разряжаются линейно, так что напряжение на них меняется в широких пределах, поэтому необходим led-драйвер. Драйвер должен иметь регулируемый ток, это важно, в противном случае светодиоды будут гореть только на полную мощность, и получится фонарик, а не ночник. В моем случае вращением потенциометра я выставил комфортный уровень яркости, который получился примерно на уровне обычной свечи.
На столе это выглядит примерно так: 
3) Наконец, чтобы «это» стало ночником, было куплено фотореле, с длинным названием DC 5–18V Solar Light Control Switch Module Controller Night Work/ day Off (цена вопроса $4.59).
Есть 2 варианта реле, Night Work/day Off и наоборот, важно не перепутать. В общем-то и вся конструкция, вход фотореле подключаем к ионисторам, выход фотореле подключается к драйверу светодиодов. Уровень освещенности для срабатывания реле можно отрегулировать находящимся внутри подстроечным резистором.
Результаты
Система оказалась работоспособной и вполне удобной. Вечером, примерно в 22 часа, светодиоды загораются, накопленного за день заряда хватает на 4–6 часов, утром заряд начинается снова. Тут важно напомнить, что в отличие от литиевых или свинцовых аккумуляторов, число циклов ионисторов в идеале практически неограниченно, так что о количестве циклов или «эффекте памяти» можно не думать (на практике, как и электролитический конденсатор, ионистор с годами конечно может потерять емкость).
Об экономической эффективности разумеется, речи не идет — на данный момент ионисторы примерно в 10 раз дороже обычных аккумуляторов и имеют в 10 раз меньшую плотность энергии (вт*ч/кг). Однако за счет возможности отдачи больших токов, возможности заряда и разряда при минусовых температурах и большого числа циклов, они весьма интересны и перспективны. Ну и разумеется, всегда интересно протестировать что-то новое.
В дальнейшем планируется протестировать заряд и разряд ионисторов на разных нагрузках. Stay tuned.
