Солнечная батарея на балконе, опыт использования
Привет geektimes.
Данная статья является продолжением предыдущей части, про туристическое зарядное устройство «Anker Solar 21Вт». Идея использования солнечной батареи для зарядки разных гаджетов мне показалась весьма перспективной, но конечно, 21Вт в качестве универсальной зарядки мало — хочется иметь возможность заряда не только в солнечную погоду, а для этого нужен запас по мощности. Поэтому были куплены полноценные солнечные панели и начаты эксперименты с ними.
Что из этого получилось, подробности под катом.
Железо
1. Солнечная панель
Тут есть разные варианты, но на балконе основным ограничением является наличие свободного места. Для понимания порядка цен, батарея на 50Вт стоит примерно 5000руб и выглядит так: 
Размеры панели в мм — 540×620x30, вес 4 кг.
Балконы по размеру бывают разные, исходя из габаритов панелей, вполне без проблем можно поместить 2 или 4 штуки, больше уже не влезет. Для теста было куплено 2 панели по 50Вт. Такая батарея дает около 18В под нагрузкой или 24В без нее, значит при использовании 2х батарей нужно рассчитывать на суммарное напряжение до 50В (к примеру многие dc-dc преобразователи штатно работают до 30В). Можно соединить батареи и параллельно, но тогда потери из-за длины проводов будут чуть выше.
2. Контроллер
Здесь есть 2 варианта:
— Солнечные панели + контроллер + аккумулятор
Это классическая конструкция: контроллер заряжает аккумулятор когда есть солнце, пользователь когда ему надо, эту энергию использует.
Преимуществ у данной системы несколько:
— энергией можно пользоваться когда угодно, а не только когда светло,
— возможность подключения инвертора и получения на выходе 220В,
— как бонус, резервный источник в доме на случай отключения электричества.
Недостаток один: использование аккумулятора большой емкости в корне убивает экологичность идеи данного мероприятия. Число циклов заряда/разряда аккумуляторов ограничено, они не любят переразряд, к тому же и аккумуляторы и контроллеры довольно-таки дорогие. Цена контроллера составляет от 1000р за самую дешевую ШИМ-версию, до 10000–20000р за более дорогую (и эффективную) версию с поддержкой MPPT (что такое MPPT можно почитать здесь). Цена аккумулятора составляет от 5000р за обычный гелевый аккумулятор на 40–50А*ч, некоторые используют батареи LiFePo4, они разумеется дороже.
— Grid-tie инвертер
Эта технология наиболее перспективна на данный момент.
Суть в том, что конвертор преобразует и отдает энергию сразу в домашнюю электросеть. При этом потребляемая от общей сети энергия уменьшается, домовой электросчетчик фиксирует меньшие показания.
В идеале, если солнечные панели дают достаточно энергии для всех потребителей, значение на электросчетчике вообще не будет расти. А если потребление квартиры/дома меньше, чем выработка солнечных панелей, то счетчик будет фиксировать «экспорт» энергии, что должно учитываться компанией-поставщиком электричества. В России правда такая схема пока не работает — более того, большинство старых электросчетчиков считают энергию «по модулю», т.е. за отдаваемую энергию еще и придется платить. Вроде в 2017 году вопросы микрогенерации на законном уровне обещали начать решать. Но впрочем для панелей на балконе все это имеет лишь теоретический интерес — их выработка слишком мала.
Цена grid-tie инвертора составляет от 100$, в зависимости от мощности. Отдельно стоит отметить микроинветоры — они ставятся прямо на батарею, и отдают сразу сетевое напряжение, однако рекомендуемая мощность панелей составляет не менее 200Вт. Инвертор крепится прямо на задней стенке солнечной панели, это позволяет соединять их так: 
Но для балкона это разумеется, неактуально.
Тестирование
Первым делом было интересно выяснить, какую реальную мощность можно получить с солнечных панелей. Для этого за 15$ была куплена плата АЦП ADS1115 для Raspberry Pi: 
Использовать ее просто, входное напряжение делится делителем и подается на аналоговый вход, на выходе имеем цифровые значения. Исходники для работы с АЦП можно взять здесь: https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_ADS1×15. Также был куплен датчик тока ACS712, датчик напряжения был сделан из кучки резисторов (дома нашлись только одного номинала). В качестве нагрузки была установлена обычная лампочка на 100Вт. Разумеется, от 48 вольт она не горела (лампочка расчитана на 220В), а лишь еле-еле светилась. Сопротивление спирали составляет 42 Ома, что по напряжению позволяет примерно оценить мощность (хотя у лампы накаливания сопротивление нелинейно, но для грубой прикидки сойдет).
Первая тестовая версия выглядела так:
Исходник был допилен, чтобы данные и текущее время сохранялись в CSV, также на Raspberry Pi был запущен web-сервер, чтобы скачивать файлы по локальной сети.
Результаты за обычный вполне ясный день с переменной облачностью выглядят так: 
Видно что пик напряжения приходится на раннее утро, что есть следствие неправильной установки панелей — в идеале они не должны стоять вертикально.
А вот так выглядит «провал» в день, когда набежали тучи, и пошел дождь: 
Учитывая напряжение в 44В и сопротивление нити накала лампы в 42Ома, можно грубо прикинуть (нелинейность сопротивления лампы игнорируем), что в лучшем случае получаемая мощность P = U*U/R = 46Вт. Увы, КПД 100-ваттной панели при вертикальной установке не очень хорош — солнечные лучи падают на панель не под прямым углом. В худшем случае (пасмурно, дождь) мощность падает даже до 10Вт. Зимой и летом суммарная получаемая энергия также будет отличаться.
Опыт с отдачей энергии напрямую в сеть оказался неудачным: 500-ваттный инвертер от 45 ватт просто не заработал. В принципе это было ожидаемо, так что инвертор оставлен на будущее до переезда на место с балконом побольше.
В итоге, учитывая решение отказаться от буферных аккумуляторов, единственным рабочим вариантом оказалось использование dc-dc конверторов напрямую: к примеру вот такой конвертер может заряжать любые USB-девайсы, на его выходе уже есть и USB-разъем: 
Есть мысль также найти dc-dc-конвертер для зарядки ноутбука, их выбор на eBay весьма велик.
Заключение
Данная система имеет экспериментальный характер, но в целом можно сказать что оно работает. Как видно по графику, примерно с 7 утра и до 17 вечера отдаваемая панелями мощность более 30Вт, что в принципе не так уж плохо. В совсем пасмурную погоду результаты разумеется хуже.
Об экономической целесообразности речи разумеется не идет — при выработке 40Вт*ч по 7 часов, за неделю будет выработано 2КВт*ч. Окупаемость в ценах своего региона каждый может прикинуть самостоятельно. Вопрос разумеется не в цене, а в получении опыта, что всегда интересно.
Но куда девать энергию, вопрос пока открытый. Использовать 40Вт для зарядки USB-устройств это чересчур избыточно. На eBay есть grid tie инверторы на 300Вт с рабочим напряжением 10.5–28В, однако отзывов по ним мало, а тратить 100$ на тест не хочется. Если подходящее решение так и не найдется, можно считать что одна 50-ваттная панель является оптимумом для балкона — ею можно заряжать разные гаджеты, избыточность в этом случае минимальна.
По крайней мере, уже сейчас все домашние цифровые устройства (телефоны, планшет) переведены на «зеленую энергию» без особых хлопот. Есть мысль все-таки рассмотреть использование буферного LiFePo4 аккумулятора —, но вопрос выбора и аккумулятора и контроллера пока открыт.
Продолжение следует :)
