Тестирование солнечных батарей для использования в велотуризме

В погоне за самым эффективным и мощным источником электроэнергии для питания походной электроники я купил пару солнечных батарей. Точнее их всего три экземпляра, двух различных производителей. Покупал я их на аукционе ebay у китайских продавцов. Обошлись они мне достаточно бюджетно, по сравнению с солнечными батареями европейских и американских брендов.

 Итак, первый претендент - 5-ваттная панель. На момент написания статьи их нет в наличие, самое маленькое, что предлагает продавец: 15-ваттные панели. Обошлась мне в $27, плюс $10 доставка. Соблазнила своими размерами: 160х400, как раз подходит для крепления её на нарульный кофр. Весит панель 252 г.
Вот ещё некоторые параметры (от продавца, сам не мерил):
Напряжение холостого хода (то есть на не подключённой батареи) - 21,6 В
Оптимальное напряжение на нагрузке - 18 В
Ток короткого замыкания - 0,33 А
Оптимальный рабочий ток - 0,3 А
Остаётся только загадкой, при какой освещённости солнечной батареи эти параметры были сняты (или рассчитаны). Сразу же после получения посылки (а это было в середине июля) я, дождавшись солнечного дня, приступил к испытаниям. Дело было в полдень 20 июля, на небе не облачка. Нагрузкой служили постоянные резисторы мощностью 20 вт (53,6 Ом) и 4 Вт (98,8 Ом). Батарея лежала горизонтально, как и датчик люксметра. Данные в таблице ниже, последняя строка - показатели снятые утром следующего дня (8 часов утра).

Пятью ваттами и не пахнет, даже до 3-х не дотянули. Интересно, при какой освещённости снимали показатели китайцы, когда писали про 5 ватт? Хотя бы стало ясно, что оптимальное сопротивление нагрузки находиться в районе 100 Ом. Ещё меня смущал тот факт, что батарея плоская, а датчик люксметра имеет сферическую поверхность. Таким образом при боковой засветке количество света, попадающего на датчик освещённости больше, чем на ту же площадь плоской солнечной батареи. То есть реальная освещённость батареи меньше, чем показывал люксметр. Это хорошо видно если сравнить две нижних строчки из таблицы. Утром освещённость по показаниям люксметра меньше в 3,2 раза, а вот мощность, вырабатываемая солнечной панелью, меньше в 4,8 раза по сравнению с полднем. Поэтому я всё ждал солнечный день с переменной облачностью, чтобы в полдень, когда солнце светит почти вертикально, снять показатели при заходе солнца за облако. Но как на зло дни были либо 100% пасмурными, либо солнечными без облаков. Уже заканчивался август, а я так и не поймал нужную мне погоду. Есть только небольшой видеоролик, записанный рано утром.

 У этой батареи есть ещё одна нехорошая особенность. Как и любая другая батарея, рассчитанная на высокое напряжение, она состоит из отдельных небольших солнечных элементов, соединённых последовательно. Так вот, при затенении одного из этих элементов, напряжение (а следовательно и ток) на нагрузке довольно сильно снижается. Естественно, падает при этом и вырабатываемая мощность. Всего батарея содержит 36 солнечных элемента, и логично предположить, что при затенении одного из них мощность упадёт на 1/36 или на 2,8 %. Я не зафиксировал на сколько идёт просадка, но уверен что больше чем на эти 2,8 %. И очень не понравились просто огромные зоны отчуждения между элементами и по краю панели. Можно было сделать намного компактнее, а значит и легче, что для туризма весьма желательно. Вообще вся батарея имеет довольно кустарный вид, как-будто её сделали в каком-то гараже.

 Тем временем я набрёл на ещё одну дешёвую компактную солнечную панель. Взял две 18-вольные. На вид они были более аккуратные, чем предыдущая, втрое меньшей площадью и во столько же раз меньшей массой. Продавец не указал дополнительных параметров, кроме напряжения, мощности и размеров. Весит она 77 г.

На дворе уже был сентябрь и я решил не использовать естественное освещение, а провести синтетические тесты. В качестве солнца я решил использовать галогенный прожектор. Если использовать прожектор с 1000-ваттной лампой, то имеем:
 •световой поток 21000 лм;
 •вычтем четверть на потери, остаётся 15750 лм;
 •если этими люменами осветить квадрат площадью 0,4 м х 0,4 м = 0,16 м², то получим освещённость 15750 лм / 0,16 м² > 98000 лк.
Это значение как раз соответствует освещённости под прямыми солнечными лучами. Отдаляя прожектор от солнечной батареи, мы увеличиваем площадь светового пятна и, соответственно уменьшаем освещённость, имитируя работу в тени или в пасмурный день. Но к сожалению на тот момент дешёвого 1-киловаттного прожектора я не нашёл, 1-киловаттных ламп нужного размера тоже не было в продаже, поэтому пришлось экспериментировать с 500-ваттным прожектором. Расчёт в этом случае выглядел немного уныло:
 •световой поток 9000 лм;
 •вычитаем 25%, остаётся 6750 лм;
 •на площади 0,16 м² они дадут освещённость чуть больше 42000 лк.
Но даже этого не удалось получить, максимум что удалось выжать из этого прожектора - 25000 лк, что соответствует освещённости в солнечный день в тени. 1-киловаттная лампа в этом прожекторе выдала бы максимальную освещённость чуть больше 50000 лк, а 1,5-киловаттных ламп, которая как раз бы могла удовлетворить потребность в люксах, такого размера нет. Поэтому я решил обойтись тем, что есть, а недостающие данные получить с помощью экстраполяции графиков.

Вот, собственно, результаты экспериментов в графическом виде. Видна явная закономерность увеличения вырабатываемой мощности при увеличении количества элементов в заряжаемой аккумуляторной батареи. При прорисовке графиков с экстраполированными прямыми задался вопросом: а как далеко их можно провести по оси Х? Если рассматривать прямые зарядки 4-баночной батареи, то заявленная максимальная (или номинальная?) мощность обе батареи отдают при освещённости около 50000 лк. А в самом первом моём опыте с солнечной батареей в июле освещённость переваливала за 70000 лк. В общем у меня есть подозрение, что закономерность зависимости вырабатываемой мощности от освещённости далека от линейной. Скорее всего она линейна в определённом диапазоне освещённости, до какого-либо уровня, а затем кривая загибается к оси Х. Одним словом, нужны реальные эксперименты, желательно в реальных походах, а так - это всего лишь предположение, не более того.

Однако, я не упущу возможности провести небольшой мысленный эксперимент. Из статьи об экспериментах над элементами Пельтье возьмём расчёт количества электроэнергии для питания электроники. Итак, нам надо 10 Вт*ч в сутки. Допустим что световой день длиться 12 часов, следовательно наша солнечная батарея должна вырабатывать не менее 10 Вт*ч / 12 ч = 0,83 Вт. Теперь смотрим на наши графики: 5-ваттная батарея отдаёт такую мощность при 9000 лк, что соответствует нахождению в солнечный день в глубокой тени или на солнце при его восходе/закате на уровне 8,5°...9° относительно горизонта. 2-ваттная солнечная панель выдаст аналогичную мощность при освещённости около 20000 лк, какую можно поймать либо в не очень густой тени, либо под солнцем, вставшем над горизонтом на 15°. То есть в солнечный день получить электроэнергию для всех девайсов с помощью этих панелей не представляет какой-либо проблемы, а мысль о том, что эта энергия по сути падает с неба делает этот способ ещё более заманчивым.

Хотелось бы сравнить этот способ с выработкой электричества динамовтулкой, но данных для этого слишком мало, а выдумывать числа из головы не совсем профессионально. Поэтому я попробую выгадать время для ещё одного эксперимента в приближённых к реальным условиям, дабы обзавестись правдоподобными данными для сравнения и более точных прикидок. Так что с большой долей вероятности эта статья будет в скором будущем продолжена.

28 июля 2012

Итак, я провёл пару экспериментов и теперь можно сделать кое какие выводы. Сначала результаты:

Все измерения были сделаны при безоблачном небе, либо с небольшим количеством редких облаков. Солнечные панели лежали горизонтально, их плоскость была параллельна плоскости земли, поэтому я указал в таблице угловую высоту солнца над горизонтом: для сравнения показателей при различном угле падения лучей света. Так как освещённость меняется в течении проведения одного эксперимента (видимо из-за флуктуации атмосферы или еле заметных облаков смога и пыли, а может и того и другого), то мне пришлось ввести ещё одну колонку для расчёта, как я её назвал - эффективности. В ней рассчитывается количество электрической энергии, вырабатываемой данной солнечной панелью, при её освещённости 1 лк. И эти данные явно показывают, что при увеличении напряжения на солнечной батарее (в нашем случае увеличении количества "банок" литиевой батареи) эффективность выработки электричества значительно увеличивается. В обоих случаях при увеличении количества "банок" батареи с одной до четырёх, эффективность солнечной панели вырастала почти в 3,5 раза.

Кроме того, измерения при освещении естественным источником света показали полную несостоятельность моих синтетических тестов и интерполяций на их основе. Все вышеприведённые графики применимы только к галогенной лампе и разводить рассуждения, с чем это связано у меня нет ни малейшего желания. Просто примите как факт, что при освещении солнечной панели галогенной лампой она вырабатывает больше электроэнергии. Велика вероятность, что дело не в панели и источнике света, а в измерительном приборе и люксметр просто выдавал некорректные данные.

Ну и последнее, и самое важное: эксперимент показал что указанная в названии лота мощность - величина весьма условная и рассчитывать на неё не стоит. Как правило это максимально возможное количество энергии получаемое в идеальных условиях и получить эти показатели в реальных условиях практически невозможно. Судите сами: если рассчитывать из максимальной эффективности для 2-ваттной панели, то чтобы получить от неё заявленные 2 ватта, её освещённость должна быть равна более 112 тыс. лк. А это освещённость в безоблачный ясный день с угловой высотой солнца над горизонтом 70° и больше, а на широте Калуги (где происходят большинство моих поездок) максимальный угол солнца над горизонтом достигает лишь 59° и то, только в день летнего солнцестояния. Для 5-ваттной батареи расчётная освещённость составила вообще заоблачные (в прямом смысле) 135 тыс. лк., так как такую освещённость можно получить только на околоземной орбите вне атмосферы.

В последней серии измерений (18 июня) я попытался получить максимум от солнечных панелей и при работе на 4 банки аккумулятора направил их на солнце, стараясь получить максимальные показатели мультиметров. В обоих случаях, и 2-ваттная панель и 5-ваттная выдали на 20% больше энергии, по сравнению с горизонтальным расположением. То есть увеличение угла падения солнечных лучей с 55° до 90° не привело к какому-либо серьёзному увеличению мощности вырабатываемого тока. Возможно это связано с нелинейностью ВАХ зарядки аккумуляторов и на резистивную нагрузку можно было бы получить заявленные ватты, но солнечные батареи специально испытывались в самом простейшем варианте использования без преобразователей, так как последние удорожают конструкцию и делают её менее надёжной.