Stanąłem przed dużym wyzwaniem planując wielodniową wycieczkę rowerową, a mianowicie, czym ładować telefon, aby przez całą drogę mieć możliwość rejestrowania śladów GPS i nie dopuścić do rozładowania telefonu? Możliwości było wiele:
- Użycie dynama w piaście lub klasycznego.
Pierwsze odpada ze względu na poważne modyfikacje i dużą cenę, a drugie ze względu na generowany hałas i opory.
Być może od czasów mojego składaka coś się zmieniło w tym zakresie… 😉 - Użycie power banku z panelem słonecznym.
Opinie na ich temat nie zachęcają do zakupu, ale przetestowałem jeden i okazał się totalną klapą.
Dodatkowo narażanie akumulatora na bezpośrednie działanie promieni słonecznych (wysoką temperaturę) jest niebezpieczne. - Ładowanie sprzętu w miejscach z dostępem do energii elektrycznej (kempingi itp.), przeważnie za dodatkową opłatą.
Wszystkie powyższe trzy trzy punkty odrzuciłem i postanowiłem przetestować opcję z panelami słonecznymi.
Jako zaprawiony w boju majsterkowicz, postanowiłem zbudować własny power bank ładowany panelem słonecznym wykorzystując podzespoły, które miałem pod ręką.
Na początek kilka informacji o panelach słonecznych, które posiadam.
Parametry podane przez sprzedawcę z AliExpress:
- Power: 0.66W
- Voltage: 5.5V
- Current: 120mAh
- Material: Monocrystalline silicon
- Size: 85.5 x 58.5 x 3mm
- Weight: 20g
Jako, że miałem dwa takie panele, zostały one połączone równolegle w celu zwiększenia wydajności prądowej (bez diod).
Zakładając, że panele te podłączymy bezpośrednio do telefonu (nie polecam, o czym później) i następujące warunki:
- pojemność akumulatora 2400mAh (jak w moim przypadku),
- nieprzerwane nasłonecznienie i pełną wydajność (0.6W),
pełne naładowanie telefonu powinniśmy uzyskać po czasie:
h = 2400mAh / 240mAh = 10h
co daje nam ok. 2 dni ładowania przy założeniu, że słońce świeci przynajmniej przez 5h w ciągu doby.
Jeśli dodać do tego power bank, który ładujemy w pierwszej kolejności, a następnie telefon, trzeba przygotować się na dalsze, przynajmniej 30% straty wynikające z konwersji napięć i sprawności przetwornicy.
Żeby nie było tak optymistycznie (jakby już było), to realny zmierzony prąd na wyjściu to 75mA, czyli 0,41W.
Wspomniałem, że dwa panele słoneczne podłączyłem równolegle bezpośrednio do gniazda ładowania w telefonie.
Ładowanie telefonu z 20% do 100% trwało w moim przypadku… 30 min (słownie: trzydzieści minut)!
Mordka cieszyła mi się tak, jakbym wynalazł Perpetuum mobile. Chwilę później wskoczyłem na rower, włączyłem program do rejestracji trasy i po 7,5km telefon rozładował się do początkowego stanu, a po 15km całkowicie się wyłączył…
Wymyśliłem na tę sytuację nawet określenie: pompowanie dziurawego balonu pod dużym ciśnieniem 😀
Niby się da, ale chwilę potem powietrze uchodzi.
Na obecną chwilę nie potrafię wyjaśnić tego zjawiska, ale podejrzewam, że jest ono związane z metodą detekcji naładowania przez wbudowane układy telefonu.
W normalnej sytuacji, w pełni naładowany Li-Ion powinien posiadać napięcie 4,2V, podczas gdy aplikacja CPU-Z w telefonie pokazywała 3,7V.
Także prąd ładowania wskazywany przez aplikację Ampere pokazywał nieadekwatny do rzeczywistości prąd ładowania (~470mA).
Dalsze studiowanie tematu naprowadziło mnie na negocjację prądu ładowania między telefonem a ładowarką, dlatego na ten moment zostawmy ten temat i przejdźmy do dalszych testów.
Na stanie miałem stabilizator napięcia LM7805CT (polecam LDO – Low Dropout). Oprócz stabilizacji napięcia, nie uzyskałem żadnej poprawy sytuacji.
Aby dalszy test miał sens, stworzyłem Power Bank o śmiesznej pojemności 500mAh.
Komplementacja zestawu
- panele słoneczne 5-6V,
- przetwornica 5V step up (do ładowania telefonu),
- płytka ładowania (charging board) – najlepiej z możliwością równoczesnego ładowania akumulatora i zasilania podłączonego urządzenia (użyłem TP4056),
- akumulator Li-Po/Li-Ion jako power bank (do testów użyłem malutkiego Li-Ion 500mAh).
Wszystko to podłączone zostało jak na poniższym rysunku.
Zdjęcie pochodzi z serwisu www.gotronik.pl
Panele słoneczne podłączamy oczywiście na wejście oznaczone czerwoną strzałką.
Przetwornicę podłączamy tylko na czas ładowania telefonu, aby nie obciążała modułu ładowania (chyba, że chcemy ładować oba urządzenia jednocześnie).
Maksymalne napięcie wejściowe dla układu TP4056 to 5,5V wg specyfikacji.
Moje panele w pełnym słońcu generują nawet 6V, ale jest to napięcie przy obwodzie otwartym.
Zestaw zbudowany na podanych modułach zagwarantuje nam:
- stałe napięcie i prąd ładowania telefonu (ok. 470mA), co przełoży się na poprawne wskazania stanu naładowania,
- możliwość zmagazynowania nadmiaru energii w power banku,
- bezpieczeństwo (wbudowane układy zabezpieczeń).
Jak wyglądał proces ładowania power banku, a następnie telefonu?
W tym celu zrobiłem inny projekt na ESP-12E, który mogę nazwać monitorem napięcia 🙂
Jego zadaniem było tylko i wyłącznie zbieranie logów z procesu ładowania i rozładowywania akumulatora (czas, napięcie, temperatura) i wysyłanie przez WiFi na serwer (co minutę).
Z pomiaru prądu ładowania musiałem zrezygnować ze względu na brak dodatkowego wejścia analogowego.
Dane te następnie wykorzystałem do stworzenia wykresów w LibreCalc.
Pomiar akumulatora
Oczywiście musiałem sprawdzić rzeczywistą pojemność akumulatora za pomocą mikroprocesorowej ładowarki Turnigy Accucel-6.
Rozładowany akumulator naładowałem, a następnie ponownie rozładowałem prądem 500mA.
Pojemność podana na akumulatorku odpowiada rzeczywistej pojemności 500mAh.
Proces ładowania Power Banku 500mAh
Ładowanie za pomocą paneli słonecznych.
Wschód słońca nastąpił o godzinie 04:07, a widoczny wzrost napięcia widać już od godziny 04:45.
Proces ładowania zakończył się o 07:45, czyli trwał ok. 3h.
Wg. mnie moduł TP4056 za wcześnie zakończył proces ładowania na 4,1V, ale może to też wynikać z błędu pomiarowego (układ był kalibrowany wcześniej z multimetrem UNI-T UT33C) lub dużą opornością przewodów (miałem z tym już problemy).
Łatwo można wyliczyć, że średni prąd ładowania w takim przypadku musiałby oscylować w okolicach 166mA.
Z wcześniejszych pomiarów multimetrem UNI-T UT33C wiem, że osiągalna górna granica to 150mA.
Po naładowaniu akumulatora przystąpiłem do ładowania telefonu przez przetwornicę 5V. Ładowanie zostało przerwane już po 36 minutach.
Zakładając prąd ładowania na poziomie 470mA (co jest raczej standardem w moim telefonie), to uzyskaliśmy ~282mAh.
Jest to wartość jak najbardziej realna. Pozostały ładunek został wykorzystany przez przetwornicę w celu konwersji napięcia.
Trzeba uwzględnić tutaj straty na poziomie 25% wynikające z konwersji napięć (3,7V/5V = ~75%) i sprawności samej przetwornicy ~95%.
No dobrze, ale to nie wina paneli słonecznych, że akumulator miał małą pojemność.
Gdybyśmy mieli większy akumulator, przez 6h moglibyśmy zmagazynować ok. 2x więcej energii.
Zmieniając dodatkowo pozycję paneli po południu na stronę zachodnią, uzyskalibyśmy kolejne 6h ładowania, czyli w sumie nawet 4x więcej energii.
Bezpieczeństwo
Wspomniałem wcześniej o tym, że nie należy podłączać ładowanych urządzeń bezpośrednio do paneli słonecznych.
Nie mamy żadnej kontroli nad procesem ładowania, napięciem na wyjściu, prądem (negocjacja) itd.
Osobiście takich problemów jak na powyższym screenie nie miałem, ale jak wspomniałem, proces ładowania nie przebiegał poprawnie.
Podejście numer 2
Zrobiłem krótki rekonesans i zakupiłem kilka kontrolerów napięcia:
Oba są zbudowane na układzie Techcode TD1410 (2A 380KHz 20V PWM Buck DC/DC Converter).
Znajdziecie je bez problemu na AliExpress pod hasłem: „solar charge controller” sortując wyniki po najniższej cenie 😉
Jak widać na poniższym zdjęciu, są w sprzedaży panele z już przygotowanym miejscem na przylutowanie kontrolera napięcia.
Niestety zastosowanie kontrolera napięcia niewiele zmieniło i telefon w dalszym ciągu ładuje się nieprawidłowo.
Oprócz stabilizacji napięcia nie uzyskałem realnego czasu ładowania.
Podejście numer 3
Zakupiłem rozkładany panel słoneczny o teoretycznej mocy 3W.
Panel jest już w standardzie wyposażony w kontroler napięcia, dokładnie takim, o jakim już wspominałem.
Bezpośrednie podłączenie do telefonu nie ma sensu, jak już wcześniej wspominałem, ze względu na przyspieszony (nierealny) czas ładowania, ale dokonałem kilka pomiarów, które mogą być przydatne przy wyborze ładowarki solarnej.
Pomiar odbył się w warunkach:
- pełnego nasłonecznienia ok. godziny 11:00,
- temperatura w cieniu ok. 30°C – na słońcu znacznie więcej i na mogło to mieć negatywny wpływ na sprawność paneli.
Wyniki pomiarów:
- UT33C: 350mA,
- Ampere: 560mA.
Swoją drogą, aplikacja Ampere na Androida pokazuje totalne głupoty.
Podsumowanie
Ładowarkę słoneczną nie podłączamy bezpośrednio do telefonu, a do power banku. Dopiero z power banku możemy ładować telefon.
Być może inne telefony działają lepiej.
Z panelu o mocy 3W nie uzyskałem nawet 2W mocy na wyjściu, ale trzeba mieć na względzie, że pomiary producentów mogą odbywać się inaczej i mierzony jest chyba prąd zwarcia.
W takim przypadku otrzymuję nawet ponad 700mA.
Aby uzyskać realny prąd ładowania 500mA i wymagane napięcie 5V, proponuję rozglądać się za panelami o minimalnej mocy 5W.
Komentarz
Jeśli tworzyliście podobne projekty i chcecie się nimi pochwalić lub podzielić wiedzą w tym zakresie, zapraszam do komentowania.
