Питание системы ЕХ-2000 и аппаратуры беспроводных систем INTERNET от солнечных батарей
 

последнее обновление 8 марта 2015 г.

home page КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН КОНТАКТЫ, SKYPE, E-MAIL, ТЕЛЕФОН

Underwater video

RADIO Telemetry Industrial Sensors

Питание системы ЕХ-2008 и аппаратуры беспроводных систем INTERNET от солнечных батарей

 

 

 • При установке системы ЕХ-2008 в труднодоступных местах, например в горах, возникает проблема автономного питания электронных узлов телеметрии и передачи данных. В таких случаях единственным выходом является применение нетрадиционных источников питания, таких как ветрогенераторы, рукавные гидроэлектростанции и  солнечные батареи. Опираясь на опыт создания подобных систем в бывшем СССР и других странах, а также учитывая собственные наработки по этому вопросу, специалисты компании Exergia Division II, пришли к следующим выводам. Во всех вариантах использования нетрадиционных источников электроэнергии необходимо применять буферные аккумуляторы и довольно сложную систему зарядки и контроля разряда аккумуляторов. По многим параметрам система заряда аккумуляторов работающая от такого источника ЭДС, как солнечная батарея, оказалась проще и следовательно надежней, чем аналогичные системы дла микро-ГЭС и ветроэлектростанций. Обьясняется это очень просто. Все генераторы приводимые во вращение турбинами, представляют собой генераторы напряжения, и лишь солнечные батареи представляют собой генератор тока. Учитывая то, что аккумуляторы заряжаются током, а не напряжением, контроллер заряда/разряда аккумуляторной батареи схемотехнически будет проще при использовании солнечных батарей. Отсутствие вращающихся частей и механических элементов, это второе неоспоримое преимущество солнечных батарей. Учитывая эти выводы, было решено проектировать систему резервного и автономного питания, используя батареи полупроводниковых фотоэлементов-солнечные батареи.

 

  Правильно подобрать требуемую солнечную батарею и емкость буферных аккумуляторов можно только путем множественных эксперементов.  Но приблизительно оценить энергетический баланс системы питания можно исходя из общепринятых методов, измерения истинного потребляемого тока, оценки наблюдений за погодой в данной местности с целью выведения среднего количества ясных и пасмурных дней, и наконец исходя из инженерной практики и интуиции. Методы повышения КПД систем солнечного питания достаточно разнообразны и носят во многом противоречивый характер. Компания Exergia Division II пошла по пути создания систем с высоким, ≥48 Вольт базовым напряжением. Не вдаваясь в подробности подобного выбора, можно констатировать факт, что система с напряжением 24 вольта, уступает по КПД 48-ми вольтовой системе примерно 7%. 12-ти вольтовая система имеет КПД хуже на 12-14%. Правила техники безопасности не разрешают использовать напряжение выше 60 Вольт, поэтому напряжение 48-60 Вольт было выбрано для контроллера аккумуляторной батареи и первичных преобразователей напряжения. Буферный аккумулятор выбирается из расчета работы системы в темное время суток, его емкость должна быть достаточной чтобы не только проработать всю ночь, но и не разрядиться ниже допустимого уровня. Аккумуляторы должны нормально функционировать при отрицательных температурах, поэтому лучше всего помещать аккумуляторы в контейнер, сконструированый таким образом, чтобы как можно эффективнее изолировать находящиеся в нем аккумуляторы от окружающей среды. Для этой цели хорошо подходят туристические контейнеры, принципиально устроеные как термос. В этом случае, благодаря саморазогреву, аккумуляторы легче переносят морозы, а потери емкости при отрицательных температурах становятся значительно меньше.  

• Контроллеры заряда/разряда аккумуляторных батарей, выпускаются серийно многими производителями, однако, требованиям надежности и возможностью работы с высоким входным напряжением (до 100 вольт), отвечает только один контроллер марки Prostar компании Morningstar, точнее его доработаная 48-ми вольтовая версия. Контроллер Prostar имеет встроеную микропроцессорную секцию, которая дает возможность устанавливать режимы заряда аккумуляторов, исходя из их класса, свинцовые, никель-металгидридные или никель-кадмиевые. Также контроллер имеет встроеный датчик температуры, предназначеный для компенсации зарядного тока в зависимости от нагрева аккумуляторов.

 • Компания Exergia Division II выпускает функционально законченые модули солнечного питания рассчитаные на круглогодичную работу с устройствами, потребляющими среднюю мощность 3, 5 и 10 Ватт, таких как одинарные или сдвоеные точки доступа или необслуживаемые ретрансляторы и радиомодули телеметрии.  Системы солнечного питания поставляются в комплекте с аккумуляторами. Гарантийный срок службы при соблюдении правил эксплуатации 5 лет у аккумуляторов и не менее 10 лет у контроллера заряда-разряда батареи.

 Несмотря на неоспоримые достоинства, системы с питанием от солнечных батарей имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что для поддержания работы системы в течении пасмурных дней, необходимо иметь "запас хода" аккумуляторов, который для некоторых местностей должен быть не менее 1-1.5 недель. Решить эту проблему можно путем простого увеличения емкости аккумуляторов, что в свою очередь потребует большей зарядной мощности, и приведет к увеличению площади солнечных батарей, которая в обычные солнечные дни совершенно бесполезна. Кроме того, такое решение приводит к скачкообразному, в 3-4 раза, росту цены системы питания, а также к увеличению веса аккумуляторов, что может быть абсолютно неприемлимо для высокогорных и труднодоступных мест, куда аккумуляторы доставляются "вручную", при помощи альпинистов или техников.

 • Нами разработано оригинальное решение данной проблемы, заключающееся в использовании резервного источника из легких сухих алкалиновых батарей большой емкости, обладающих малым саморазрядом, таких например, как Energizer EN715. Такие батареи имеют емкость 52000 мА/час для токов разряда до 200-250 мА,  и имеют малые габариты и вес. Очевидно, что в общем случае, это могут быть алкалиновые элементы любого типа, собраные в батарею с необходимым напряжением. Поскольку резервный источник практически не работает, то естественно возникает проблема устранения его саморазряда, и восстановления работоспособности после периода пасмурной погоды. Известно, что сухие батареи имеют возможность восстановления и подзаряда при помощи импульсов несимметричного напряжения, превышающего по величине собственное напряжение сухих батарей. Зависимость между площадью (произведение амплитуды на длительность), единичного зарядно-восстанавливающего импульса  и емкостью сухих батарей, никем специально не изучалась, поэтому, при выборе энергии заряда мы пошли путем применения "магических" чисел и закономерностей, работающих в классической радиотехнике. Таким образом, было выбрано соотношение заряда/разряда батареи в кулонах с коэффициентом 1.41 (корень из двух). Другими словами, если, например, мы забрали из батареи 1 ампер за секунду, то вернуть должны 1.41 ампера за секунду.

• Упрощенная схема устройства заряда/восстановления, приведена ниже. Следует отметить, что даже в пасмурные дни, когда солнечная батарея не в состоянии зарядить основной аккумулятор, она тем не менее отдает более чем достаточную мощность для работы системы подзаряда/восстановления сухих батарей. В солнечное время система подзаряда просто "тренирует" сухую батарею редкими короткими импульсами, поддерживая ее электрохимические процессы и устраняя последствия саморазряда. Интересным, с точки зрения подзаряда резервных батарей, выглядит способ отбора избыточной мощности с датчика скорости ветра, что дает возможность заряжать резервные батареи в темное время суток. Для сглаживания бросков тока, вызываемых, например, переходами радиоблока системы с приема на передачу, шины питания шунтированы конденасаторами большой емкости. Конденсаторы берут на себя часть нагрузки, тем самым облегчая рабочий режим сухой батареи.

•  Сухие алкалиновые батареи, на самом деле не являются необходимым атрибутом современных систем питания, оптимизированых по мощности и массогабаритным, а также экономическим показателям, и являются по сути промежуточным решением данной проблемы. Представляется перспективным использование конденсаторов большой емкости - суперконденсаторов, имеющих емкость в несколько десятков (!!!!) фарад, собраных в батареи соответствующей емкости. Такие конденсаторы могут отдавать заряд в течении длителного времени, значительно превышающего время работы сухих батарей, в них практически отсутствует саморазряд, время службы таких конденсаторов в тысячи раз превосходит аналогичные показатели сухих батарей. Наиболее важным приемуществом конденсаторов является полное отсутствие необходимости в контроллерах заряда, т.к. конденсатор можно заряжать током любой величины.

Рекомендуемый порядок расчета системы питания от солнечных батарей.

•  Мы рекомендуем следующую методику расчета системы солнечного питания : 1. Следует четко определить две константы, а) потребляемый нагрузкой ток и б) Время, в течении которого нагрузка будет гарантировано работать от аккумуляторов в условиях отсутвия или слабого подзаряда в пасмурные дни. Определить ток, потребляемый нагрузкой, лучше всего стрелочным миллиамперметром с малой инерцией, или осциллографом, включенным параллельно резистору сопротивлением 1 Ом, присоединенному последовательно с питающим проводом. Полученые минимальные и максимальные значения тока, соответствующие работе аппаратуры в режимах приема и передачи, необходимо преобразовать в среднеквадратическую форму, полученое значение тока следует считать током потребления аппаратуры. Безусловно, лучше всего воспользоваться миллиамперметром среднеквадратического значения  (True RMS - root mean square).

•  Пример :

Модуль Ubiquiti LS2/5, при питании напряжением 18 Вольт.

Среднеквадратичный потребляемый ток, в условиях 50-ти процентного соотношения циклов прием/передача, Irms =  150 mA. Отсюда, потребляемая мощность будет равна Prms = 18V x 0.2A = 2.7W. Переходя на Ватт-часы, получаем потребление в сутки - 2.7 x 24 = 64.8W/h (Ватт-час)

Округляем до 65 Ватт-час.

Далее выбираем время работы системы в условиях пасмурной погоды. В зависимости от геогрфического места, количество пасмурных и ясных дней может изменяться в широких пределах. Отношение ясных дней к пасмурным называется инсоляцией, и может быть определено по справочникам или в метеослужбе. Предположим, что ваша система должна работать без подзарядки одну неделю.

продолжение следует .........

 

Солнечные батареи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

HOME

 

NEXT PAGE ►  

 

Рейтинг@Mail.ru

FarPost

Exergia Division II