Введение
Это устройство позволяет подключать солнечные батареи к обычным свинцово-кислотным, герметичным свинцово-кислотным или литиевым аккумуляторам не беспокоясь об их перезаряде. Устройство также управляет двумя различными нагрузками при двух различных состояниях заряда батареи, чтобы максимально эффективно использовать полученную энергию.
Идея этого проекта возникла после того, как я купил термоэлектрический переносной холодильник для хранения прохладительных напитков. Схема управления питанием в этом холодильнике следит за разрядом аккумулятора автомобиля. При снижении напряжения до определенного уровня холодильник перестает работать. Это значит, что после выключения двигателя автомобиля, холодильник будет функционировать не очень долго. Эта разумная предосторожность препятствует использованию солнечной энергии для питания холодильника. Падение напряжения в гнезде прикуривателя и штатном проводе питания приводит к более быстрому отключению холодильника, несмотря на то, что автомобильный аккумулятор еще не полностью разрядился.
Я хотел иметь возможность на несколько минут включать охлаждение, даже если бы погода была не особенно солнечной. Что было нужно для этого: аккумулятор на несколько ампер•часов, панели солнечных батарей для его заряда, и схема контроллера, включающего холодильник, когда аккумулятор достаточно зарядится. Основанная на реле оригинальная схема управления питанием в холодильнике была удалена, и напряжение питания подавалось на вентилятор и элементы Пельтье напрямую. Номинальный ток потребления холодильника 4 А.
Аккумуляторные батареи
Свободное место в корпусе устройства позволило установить литиевые аккумуляторы мобильных телефонов общей емкостью 7 А·ч. Три аккумулятора номинальным напряжением 3.6 В соединены последовательно, в результате получилась батарея 10.8 В, и три таких батареи соединены параллельно. В процессе заряда напряжение изменяется от 3·3.0 = 9.0 В до 3·4.1 = 12.3 В. Напряжение 4.1 В является максимально допустимым напряжением для полностью заряженного литиевого элемента. Более высокое напряжение выведет его из строя. Напряжение полного заряда 12.3 В позволяет подключить батарею к 12 вольтовой солнечной панели. Напряжение полного разряда 9.0 В позволяет использовать эту батарею с 12 вольтовыми потребителями электроэнергии, не очень критичными к напряжению питания.
Если необходимо, можно подключить внешнюю батарею, но если она другого типа, внутреннюю батарею вначале необходимо отключить. Внешняя батарея также может быть, как сказано выше, литиевой, обычной свинцово-кислотной или герметичной свинцово-кислотной, и соответствующие уровни напряжения выбираются внутренним DIP переключателем.
Схема разработана так, чтобы использовать самый малый ток солнечной панели, поэтому заряд аккумуляторов происходит даже при пасмурной погоде.
Работа схемы
|
Надписи на схеме |
|
|
To storage battery |
К аккумуляторной батарее |
|
Sense Positive |
Плюс схемы измерения напряжения |
|
Load Positive |
Плюс цепи нагрузки |
|
Load Negative |
Минус цепи нагрузки |
|
Sense Negative |
Минус схемы измерения напряжения |
|
Select for max battery voltage |
Выбор макс. напряжения для батареи |
|
Open lead acid |
Открытый свинцово-кислотный |
|
Sealed lead acid |
Герметичный свинцово-кислотный |
|
Three 4.1V litium cells |
Три 4.1 В литиевых элемента |
|
Main load |
Основная нагрузка |
|
Aux load |
Дополнительная нагрузка |
|
To 12V solar battery |
К 12-вольтовой солнечной батарее |
|
Use 1.225V LM4041, 0.5% version |
Использовать версию источника опорного напряжения |
|
Main load LED indicator |
Светодиодный индикатор основной нагрузки |
|
Aux load LED indicator |
Светодиодный индикатор вспомогательной нагрузки |
В изготовленном устройстве транзисторы притянуты болтами к алюминиевому корпусу. Показанная принципиальная схема нарисована так, как если бы все элементы располагались на плате. Отдельные провода к нагрузкам и к схеме измерения позволяют точно измерить напряжение аккумулятора даже при токах потребления в несколько ампер.
Маломощный параллельный стабилизатор LM4041 обеспечивает точным опорным напряжением схему контроля заряда батарей. Это напряжение, равное 1.225 В, используется для обычных свинцово-кислотных аккумуляторов. Для герметичных свинцово-кислотных и литиевых аккумуляторов опорное напряжение снимается с соответствующих резистивных делителей. Использование прецизионного стабилизатора с точностью 1% и резисторов в делителях с допуском 1% позволяет обойтись без подстроечных резисторов. Схема точно отслеживает напряжение батареи и не позволяет ему превысить максимальный порог для одиночного элемента. Например, 4.1 В – граничное напряжение для литиевого элемента. В процессе заряда напряжение на батарее постепенно увеличивается и достигает определенного уровня, свидетельствующего, что батарея уже не разряжена и основная нагрузка подключается к ней. Если ток этой нагрузки превышает ток солнечной панели, напряжение батареи будет снижаться, достигнет уровня разряженного состояния и нагрузка будет отключена. Схема обладает некоторым гистерезисом, и это позволяет избежать слишком частого включения и отключения нагрузки. Частота переключения зависит от тока заряда, емкости батареи и тока нагрузки. Если ток заряда превышает ток нагрузки, напряжение батареи продолжит расти вплоть до напряжения полного заряда. В этот момент включается вторичная нагрузка, чтобы предотвратить перезаряд. При отсутствии какой либо вторичной нагрузки, вместо нее необходимо использовать резистор. Если ток основной нагрузки превышает максимальный ток солнечных батарей, вторичная нагрузка не нужна. Полевые транзисторы IRF350LC используются для коммутации нагрузок и позволяют управлять токами более 10 А. Сдвоенный КМОП rail-to-rail операционный усилитель служит для контроля уровней напряжения переключения нагрузок. Светодиодные индикаторы потребляют около 2 мА каждый и показывают, включены ли соответствующие нагрузки.
В схеме нет температурной компенсации напряжения заряда, поэтому обычный кислотный аккумулятор необходимо использовать в температурном диапазоне между 10 и 30 °C, т.к. коэффициент 2 мВ/К может привести к перезаряду герметичных гелевых аккумуляторов.
Уровни напряжений переключения
|
Тип аккумулятора |
Основная нагрузка, В |
Дополнительная нагрузка, В |
||
|
Включено |
Выключено |
Включено |
Выключено |
|
|
Обычный свинцово-кислотный |
11.06 |
10.37 |
14.16 |
13.66 |
|
Герметичный кислотный |
10.77 |
10.10 |
13.79 |
13.3 |
|
Литиевый |
9.606 |
9.006 |
12.3 |
11.86 |
Применение в реальных условиях
При подключении только вторичной нагрузки, Вы выбираете режим полного заряда батареи, а сброс лишней энергии в нагрузку предотвращает ее перезаряд. Подключив нагрузку к основному выходу, можно сразу же потреблять энергию от солнечных панелей. В условиях кемпинга холодильник обычно может быть подключен, как основная нагрузка. Если необходимо запитать что-то еще, например, зарядить мобильный телефон, можно перейти на дополнительный выход. Подключать холодильник, как вторичную нагрузку, стоит при необходимости накопления большего количества энергии в аккумуляторе для более длительного функционирования холодильника.
 |
|
Фото показывает схему в тестовом режиме. В качестве аккумулятора подключена только одна группа из трех литиевых батарей. |
 |
|
Фото демонстрирует две солнечные панели, которые доступны в Великобритании. |
Панель слева – из аморфного кремния, более дешевая. Ее ток утечки выше, и она должна подключаться через диод Шоттки, чтобы избежать разряда аккумулятора через нее в темное время суток. Такие панели дешевы, но Вам придется потратить время, чтобы загерметизировать края эпоксидной смолой. Стоит ли этим заниматься? Справа показана защищенная от непогоды панель из кристаллического кремния. Она выдает 10 Вт/12 В при полной освещенности солнечным светом. Здесь для апробации устройства панели соединены параллельно после диода Шоттки.
Самая дешевая панель из кристаллического кремния в Великобритании на данный момент стоит £99 и выдает 15 Вт/12 В. Она даст вам ток 1.25 А безоблачным днем, но даже тогда 4 амперный холодильник не сможет работать непрерывно.
Основным преимуществом использования солнечной энергии для переносного термоэлектрического холодильника является то, что она является наиболее доступной.
Очень важно при монтаже аккумуляторов использовать хорошие провода с большим сечением для уменьшения в них потерь. Литиевые батареи мобильных телефонов могут выдавать до 2 А пикового тока. Возможно, я подсоединю еще одну группу, соединенных последовательно трех элементов и втисну их в корпус, чтобы вообще избежать отключения холодильника.
 |
|
|
Литиевая батарея номинальным напряжением 10.8 В емкостью 5 А·ч. |
Та же батарея, обмотанная изолентой и помещенная в корпус устройства. |
