Сонячна енергія є визнаним відновлюваним та екологічно чистим джерелом енергії, доступним на нашій планеті. Сьогодні людство активно використовує цей ресурс, що є особливо важливим у віддалених місцевостях, де доступ до електромережі обмежений. Це ідеальний варіант для регіонів із тривалим сонячним освітленням, оскільки дозволяє значно зменшити витрати на електропостачання.
У цій статті ми продемонструємо, як створити власноруч систему для заряджання електронних пристроїв постійного струму з USB-живленням, використовуючи сонячну енергію. Ми прагнемо донести основні принципи, використовуючи мінімум компонентів та просту конструкцію.
Принципи роботи сонячної енергії
Сонячна енергія – це процес перетворення енергії сонячного випромінювання в ефективне та корисне джерело енергії. Для цього перетворення світлової енергії в електричну використовуються сонячні панелі та генератори. Розміри сонячних панелей можуть варіюватися від невеликих, площею в кілька квадратних дюймів, до великих, які встановлюють на дахах житлових будівель. Також можна об’єднувати великі панелі на відкритих полях для виробництва електроенергії в комерційних масштабах.
Існує кілька способів застосування сонячної енергії. Найпоширенішим є використання сонячних фотоелектричних систем (ФЕС), які перетворюють сонячне світло на електричний струм. Крім того, сонячна теплова енергія або концентрація сонячної енергії використовується для обігріву приміщень або нагрівання рідин. Також можливе встановлення систем сонячного гарячого водопостачання.
Підбір необхідних компонентів
Основна мета цього проєкту – використання сонячної енергії для отримання струму, необхідного для заряджання пристроїв з живленням від USB. Для зберігання накопиченої енергії, особливо в умовах поганої погоди або вночі, нам знадобиться акумулятор. Також акумулятор забезпечить стабільне живлення струмом, необхідним для зарядки електронних пристроїв.
Для цього проєкту “Зроби сам” вам знадобляться наступні компоненти:
- Сонячна панель: для генерації постійного струму під впливом сонячного світла. Виберіть панель відповідного розміру, враховуючи потреби вашого навантаження. У нашому випадку використовується сонячна батарея потужністю 150 Вт, що дозволяє використовувати навіть DC лампи та вентилятори.
- Акумуляторна батарея: для зберігання електроенергії. Виберіть акумулятор відповідного розміру, що відповідає вимогам навантаження.
- Контролер заряду сонячної панелі: для регулювання струму та запобігання перезарядженню акумулятора та перевантаженню системи. Оберіть контролер заряду з відповідним номінальним струмом та USB-інтерфейсом.
- З’єднувальні проводи: для підключення всіх компонентів.
- USB-пристрій: для тестування, наприклад, мобільний телефон або планшет.
Крок 1: Блок-схема з’єднання
На наступній схемі показано структуру з’єднання, необхідну для отримання, контролю та ефективного використання енергії, виробленої сонячними панелями.
З’єднайте всі пристрої, включаючи блок генерації (сонячна панель), блок накопичення енергії (акумулятор) та споживач (навантаження) до контролера заряду сонячної панелі. Цей контролер буде регулювати вхідний струм, вихідний струм навантаження та напругу заряджання.
Крок 2: Підключення сонячної панелі
Ми використовуємо сонячні панелі (150 Вт) у паралельному з’єднанні для збільшення зарядного струму акумулятора. Ви можете використовувати менше або більше панелей і потужність відповідно до вимог вашого навантаження. Для паралельного підключення з’єднайте плюсові клеми всіх панелей між собою одним проводом, а також з’єднайте всі мінусові клеми іншим проводом. Після цього надійно ізолюйте з’єднання позитивних та негативних дротів ізоляційною стрічкою.
Крок 3: Підключення контролера заряду
Підключіть позитивний провід від панелей до позитивної клеми контролера заряду, а негативний провід – до негативної клеми контролера. Наш сонячний контролер заряду має USB порт типу A. Контролер заряду містить внутрішній регулятор напруги, який перетворює 12 В постійного струму на 5 В постійного струму, що дозволяє заряджати пристрої з USB-живленням. У USB модулях зазвичай 1 і 4 контакти використовуються для живлення 5 В постійного струму та заземлення відповідно. Використовуючи цей USB-порт, ви можете заряджати різні електронні пристрої, такі як смартфони, планшети та розумні годинники.
Контролер заряду сонячної батареї запобігає перезарядці/перенапрузі, що може призвести до перегріву акумулятора. Перегрів може скоротити термін служби та продуктивність батареї пристрою.
Крок 4: Встановлення акумулятора
Встановлення акумулятора забезпечує резервне живлення на випадок, коли сонячна зарядка неможлива через погані погодні умови або вночі. Для зберігання електричного струму ми використовуємо батареї 12 В постійного струму. Ці акумулятори підключені паралельно, що забезпечує однакову напругу – 12 В. Паралельне з’єднання збільшує ємність струму.
Ємність акумуляторної батареї (одна або кілька одиниць) слід вибирати відповідно до потреб навантаження та зарядної потужності сонячної панелі. З’єднайте інтерфейс акумулятора сонячного контролера заряду до клем акумуляторів, використовуючи товсті металеві проводи.
Крок 5: Завершення підключення проводів
Переконайтесь, що всі компоненти підключені правильно та надійно, щоб запобігти іскрінню. Заізолюйте всі з’єднання, щоб уникнути коротких замикань. Використовуйте якісні та товстіші дроти для під’єднання, оскільки це зменшує втрати у провіднику. Зазвичай рекомендується розміщувати сонячні панелі, контролери заряду та акумулятори близько один до одного, щоб уникнути довгих проводів – це зменшить втрати електроенергії та підвищить ефективність сонячної системи.
Крок 6: Тестування зарядного пристрою
Щоб протестувати цю систему вдень для заряджання акумулятора, увімкніть сонячний контролер заряду. Спостерігайте за значеннями напруги, які відображаються на екрані контролера. Також контролюйте силу струму за допомогою цифрового мультиметра або струмових кліщів.
Ви помітите, що контролер заряду відображає напругу на акумуляторі та сонячній панелі. Контролер заряду також показує струм навантаження, коли до нього підключене навантаження постійного струму.
Коли акумулятор 12 В досягає напруги близько 14 В постійного струму на сонячному контролері заряду, він відключає зарядку від сонячної панелі, щоб захистити акумулятор від перезаряджання. Це можна спостерігати, слідкуючи за напругою сонячної панелі, яка може перевищувати 16 В постійного струму в сонячні дні.
Потім підключіть USB-пристрій або смартфон безпосередньо до сонячного контролера заряду через USB-роз’єм типу A. USB-порт забезпечує 5 В постійного струму, що внутрішньо регулюється/знижується від акумулятора. Ви помітите, що підключений пристрій починає заряджатися. Також можна спостерігати за струмом, який споживається цим навантаженням.
Крім того, ця система може живити пристрої не тільки через USB-інтерфейс; тобто ви можете використовувати інтерфейс 12 В для ламп постійного струму, вентиляторів постійного струму і т.д. Все, що потрібно зробити, це підключити їх до відповідного роз’єму навантаження на контролері заряду. Символ навантаження (наприклад, лампочка) позначає цей роз’єм на контролері.
Ви можете вдосконалити цей проект “Зроби сам”, щоб створити невелику та легку портативну платформу для зарядки смартфонів та USB-пристроїв без використання акумулятора. Проте, вона працюватиме лише вдень.
Переваги сонячного зарядного пристрою
Система, що працює на сонячній енергії, покращує портативність пристроїв та зменшує залежність від традиційних систем розподілу електроенергії. Сонячна зарядка також підвищує ефективність, уникаючи втрат, які виникають під час перетворення змінного струму на постійний у звичайних системах. У системах на сонячних батареях можна уникнути цих втрат, оскільки все накопичення та зарядка здійснюються на постійному струмі; проте для цього може знадобитися підвищення напруги або регулювання напруги.
Використовуючи сонячну енергію у вашому домі, можна значно скоротити витрати на електроенергію. Існує безліч інших DIY проектів на сонячних батареях, наприклад, вуличні ліхтарі, обігрівачі для басейнів, Bluetooth колонки та інші.