Przeglądając różne fora i czytając dyskusje, doszedłem do wniosku, że warto "uporządkować" informacje na temat zasilania nodów, projektowanych w topologii off-grid, z zasilaniem wyłącznie solarnym.
Znakomita część projektów tworzona jest na tzw. "żywioł", bez żadnych wyliczeń, gdzie podstawowym i głównym wyznacznikiem wyboru panelu jest jego niska cena, co przenosi się na zbyt mała powierzchnie do rzeczywistych potrzeb. Niewielu projektantów, kusi się o wyliczenie, najprostszego choćby bilansu energetycznego takiego układu.
Projektowanie układu off-grid w lecie, w znakomitych warunkach oświetlenia, przyniesie, w okresie jesienno/zimowo/wiosennym, niestety, brutalne zderzenie z rzeczywistością, czyli wyłączenie pracy noda, ze względu na brak zasilania.
Stosując poniższy algorytm, możemy wyliczyć minimalną wielkość panelu dla swojego układu, przy czym pojemność akumulatora w Wh (nie mAh!!!) decyduje o długości podtrzymania pracy podczas całkowitego zaciemnienia (np. śnieg na panelu, grube chmury itp.), natomiast wielkość panelu decyduje o tym jak szybko akumulator wróci do stanu pełnego naładowania.
Z kolei, wybierając konkretny model akumulatora, należy uwzględnić materiał z którego wykonany jest "elektrolit", w kontekście zachowania się w temperaturach ujemnych. Ogólne informacje na ten temat znajdziesz w końcowej części tego artykułu.
Poniżej opisu algorytmu znajduje się link do kalkulatora, gdzie wpisując różne dane, można dokonać symulacji układu zasilania który budujemy.
Poniższe dane są przykładowe, ale realne, wzięte z układu pomiarowego noda modularnego BM-NODE v.1 (>>> viewforum.php?f=13) z pełną telemetrią (napięcie, prąd, temperatura, wilgotność, ciśnienie)
Dobór wielkości panelu solarnego:
============================================
Zakładany czas podtrzymania w ciemności: 9 dni
Napięcie zasilania po kontrolerze solarnym (przy którym mierzymy prąd): 12V
Zapotrzebowanie bieżące noda (prąd średni): 33mAh (0.396Wh)
Zapotrzebowanie dobowe noda: 792mAh/doba (9.5Wh)
Zakładane oświetlenie przez chmury: 5h
Zapotrzebowanie przez pozostałe 19h (brak energii z solara): 33mA*19h=627mAh
Nadwyżka godzinowa potrzebna do wyzerowania bilansu dobowego: 627mAh/5h=125mA
Nadwyżka potrzebna do ładowania aku (wytworzenie bilansu dodatniego), zakładamy 500mAh nad dobę, czyli 500mAh/5h=100mAh
Z powyższego wynika, żeby uzyskać ciągła prace noda + zakładane dodatkowe doładowanie na poziomie 0.5Ah/doba
należy każdej doby, dostarczać przez 5h, z oświetlonego panelu solarnego, prąd >= 0.25A (33mA+125mA+100mA)
Powyższe wyliczenia wskazują, że moc uzyskiwana z panelu solarnego, uzyskiwana przy dużym zachmurzeniu powinna być >=3W (12V*0.25A).
Standardowa maksymalna moc paneli słonecznych zakłada się ~150Wpp/m2,
przy pełnym zachmurzeniu, sprawność wynosi ok. 10% mocy maksymalnej, otrzymujemy wartość 15Wpp/m2.
Przy zakładanym napięciu zasilania 12V i 15Wpp/m2 otrzymujemy prąd: I=P/U; (15Wpp/m2)/12V=1.25A/m2
Dokonując kolejnego wyliczenia otrzymujemy minimalną wielkość panelu: 0.25A/(1.25A/m2)=0.2m2
Pojemność akumulatora wyliczamy z protego równania: (792mAh/doba) * 9 dni = 7.2Ah/12V (polecam aku AGM SSB)
Reasumując:
- napięcie zasilania: 12v
- średni pobór prądu przez noda: 33mA
- akumulator: SSB 7.2Ah 12V - pojemność ma być zmierzona, a nie podawana przez producenta na obudowie
- panel solarny: 0.2m2, czyli np 40 cm x 50 cm
Link do kalkulatora, który prawdę ci powie
>>> kalkulator-zasilania-solarnego-meshtastic.phpUstawienie panelu solarnego:
============================================
Panel ustawiamy zawsze na "warunki zimowe", ponieważ w zimie są niedobory, a w lecie zawsze nadwyżki. Mając to na uwadze, kąt ustawienia panelu powinien być bliski 90°, czyli praktycznie pionowo. Azymut 180°, czyli dokładnie na południe.
Przykładowo słońce w Warszawie, w dniu przesilenia zimowego, góruje 14.5° nad horyzontem.
Rożnice dla innych miejsc w Polsce są minimalne. Wysokość górowania, dla swojego miejsca, wyliczamy ze wzoru: h = 90° - szerokość_geograficzna [°] + deklinacja (ok. -23.5°)
Dobór rodzaju i pojemności akumulatora
============================================
Należy założyć, że nod off-gr-d, będzie pracował w bardzo szerokim zakresie temperatur: -20°C do +50°C
W tym kontekście interesują nas dwa parametry: pojemność i zdolność ładowania oraz opór wewnętrzny.
Parametru rozładowania nie musimy brać pod uwagę ze względu na minimalny pobór prądu.
Krytyczne, z naszego punktu widzenia, są temperatury ujemne. Niskie temperatury zmniejszają wydajność reakcji elektrochemicznych w akumulatorze. Zmniejszona wydajność reakcji zmniejsza użyteczną pojemność, ograniczając możliwości magazynowania i dostarczania energii przez akumulator.
Z czym musimy się zmierzyć, niezależnie od rodzaju "elektrolitu"
======================================================================
Głównie należy uwzględnić "zimową" utratę pojemności w naszych wyliczeniach.
- Minimalna temperatura robocza akumulatorów ma kluczowe znaczenie dla ich wydajności i żywotności.
- Minimalna temperatura pracy baterii zwykle mieści się w zakresie od -20 °C do -10 °C
- Niskie temperatury sprawiają, że materiały wewnątrz akumulatora stają się mniej przewodzące.
- Większy opór wewnętrzny utrudnia przepływ elektronów, co prowadzi do spadków napięcia i zmniejszenia mocy wyjściowej.
- Niskie temperatury zmniejszają wydajność reakcji elektrochemicznych w akumulatorze. Obniżona wydajność reakcji zmniejsza użyteczną pojemność, ograniczając możliwości akumulatora w zakresie magazynowania i przesyłu energii.
- Wolniejsze reakcje chemiczne w niskich temperaturach wydłużają czas ładowania.
Akumulatory Li-On i Li-Po
==================================
- Niskie temperatury spowalniają ruch jonów litu w elektrolicie akumulatora, co utrudnia przewodnictwo jonowe.
- Powolna mobilność jonów zmniejsza zdolność akumulatora do utrzymywania wysokiego poziomu rozładowania, co ma wpływ na jego ogólną wydajność.
- akumulatory Li-On trudno naładować w temperaturze poniżej zera, a często ładowanie przestaje być możliwe.
- spadek pojemności na mrozie, w zależności od temperatury, 70-90% pojemności deklarowanej.
- gorszy stosunek cena/pojemność [Wh] względem akumulatorów żelowych
- mniejsza objętość i waga
Akumulatory żelowe, AGM
==================================
- akumulatory AGM, jak i żelowe są odporne na niskie temperatury
- bardzo niska temperatura zamarzania -28,8°C
- znacznie lepsze parametry ładowania w temperaturach ujemnych
- mniejszy spadek pojemności, poniżej 0°C, 80-90% pojemności deklarowanej.
- lepszy stosunek cena/pojemność [Wh] względem akumulatorów Li-On i Li-Po.
- większa objętość i waga
Reasumując, znacznie lepsze parametry na zimę, w kontekście zasilania noda, mają akumulatory żelowe/AGM, cena też jest bardzo atrakcyjna, niestety mają duże rozmiary i wagę. Zatem decyzja należy do konstruktora, które parametry uważa za istotne.
Artykuł będzie aktualizowany w miarę pojawiania się ew. pytań.
Pytania, uwagi, proszę pisać w tym wątku, jako "odpowiedź" na ten artykuł.
Ostatnia aktualizacja: 2024-11-22 13:15
