Солнечная батарея GingerTea для походов

Главное, что отличает солнечную батарею GingerTea от других батарей — высокотехнологичный преобразователь с согласованием нагрузки, высокой эффективностью и маленьким собственным потреблением.

Мы сами давно ходим в походы и испробовали множество моделей солнечных зарядок. Даже дорогие брендовые модели в реальности выдавали гораздо меньше энергии, чем это возможно при их площади и текущей освещенности, не говоря уже о китайских. И этому есть причина: чтобы получить максимум батарее нужен очень нетривиальный преобразователь с согласованием нагрузки. Поэтому я сконструировал его сам, сначала для себя. Он позволил получать в среднем вдвое больше энергии за ходовой день и одной батареей на клапане рюкзака заряжать гаджеты нескольких участников горного похода.

В преобразователь солнечной зарядки GingerTea встроен и повербанк 10000 мАч. Без этого нельзя: он действует как буфер между телефоном и зарядкой.

Если преобразователь без буфера:

• На ярком солнце батарея выдает ток больше, чем гаджет может использовать для зарядки. Излишек теряется.
• Если небо закрыто тучами, электричества от солнца так мало, что не хватает даже для минимальной скорости зарядки гаджета, и она прерывается.
• Если случайно закрыть солнце, доступная мощность резко уменьшается: некоторые умные гаджеты от этого считают, что подключены к маломощному заряднику, и переходят на медленную зарядку. Даже когда мы снова выйдем на солнце, зарядка останется медленной, а избыток энергии будет теряться (пока мы вручную не отключим и не подключим провод).

В батарее GingerTea весь излишек идет в буфер, и недостаток восполняется из него же. Он позволяет запасать всю возможную энергию солнца независимо от того, какой гаджет подключен, и заряжать гаджет с той скоростью, которую он требует независимо от погоды. Пока буфер не разрядится, зарядка не прервется. То, что сразу идет в гаджет, попадает в него напрямую, без буфера.

Все это управляется автоматически. Схема не перезарядит, не разрядит и не навредит ни смартфону, ни аккумулятору.

В городе повербанк можно зарядить и от входа micro-USB, подключив к обычному USB-заряднику.

Технические характеристики
Сравнение с двумя другими батареями
На что можно рассчитывать в разную погоду
Что можно заряжать
Где закрепить солнечную батарею в походе
Цена
Вопросы и ответы

Технические детали:

Результаты теста в походных условиях
Солнечная батарея
Преобразователь-повербанк
Сколько солнечной энергии возможно получить

Скачать инструкцию

Технические характеристики

Сравнение с двумя готовыми батареями

На что можно рассчитывать с батареей 30×30 см при разной освещенности

Обычно производители приводят данные о работе батареи только в хороших условиях — на ярком солнце (как в первом столбце ниже). Но в реальности приходится заряжать в разную погоду. По таблице можно увидеть, на что можно рассчитывать. Данные приведены при напряжении выхода 4В.

Что и как можно заряжать

Заряжать можно любые USB-устройства: смартфоны, камеры, планшеты, gps и другие. Они будут заряжаться со скоростью, на которую сами рассчитаны. Преобразователь никак не ограничит их аппетит. И при быстрой, и при медленной зарядке потери минимальны, то есть энергия одинаково хорошо перейдет как в один мощный гаджет, так и в пять маломощных по очереди.

Аккумуляторы некоторых зеркальных камер заряжаются адаптером от розетки, а не от USB. Если вы планируете заряжать их в походе, можно заказать специальный USB-зарядник для вашей камеры (продается отдельно) или купить его самим.

Для пальчиковых батареек тоже стоит использовать USB-зарядник. Лучший из них для походов — Panasonic BQ-CC14 (он же Sanyo NC-MDU01), но совместимы с нашей батареей — любые.

Где лучше закрепить батарею в походе? Удачные и неудачные варианты

1. Сверху «домиком» на клапане рюкзака: максимум примерно 30×30 см. Под солнцем она будет работать весь день. Наш вариант. В велопоходе можно закрепить батарею на клапане велорюкзака «штаны», в водном походе — на деку байдарки.
2. Разложить на земле на кемпинге. Это используют охотники. По сравнению с полным ходовым днем батарея при этом работает гораздо меньшее время, а солнце светит гораздо слабее, чем в середине дня. Для таких случаев берут тяжелые и большие раскладные полотна батарей. Для похода это неудачный вариант по весу.
3. Подвесить к задней части рюкзака (самый плохой — «китайский» вариант): батарея не будет смотреть на солнце, зато будет раскачиваться ветром и цепляться за связочную веревку или ветки. А если неудачно скинуть рюкзак, то ее очень легко повредить.

Сколько стоит солнечная зарядка GingerTea и как ее купить

Солнечная батарея + преобразователь-повербанк + доставка по Москве — 13999 рублей
Зарядное устройство для зеркальной камеры — 1250 рублей

Для заказа напишите письмо разработчику батареи Павлу Борисову или комментарий.

Если в течение года батарея сломается, мы ее бесплатно починим или заменим. Механические повреждения и последствия попадания воды в преобразователь ремонтируются платно.

Тестирование в походных условиях в Индийских Гималаях на высоте 1900 метров

Одновременная работа солнечной батареи, аккумулятора и USB-устройства

Полностью телефон 5000 мАч заряжается 2.5 часа.

Солнечная батарея

Надежно закрепить на походном рюкзаке батарею так, чтобы она смотрела на солнце, не раскачивалась ветром и не портилась при манипуляциях с рюкзаком, можно, при максимальном ее размере 30×30 см.

Чтобы получить максимум при таком ограниченим размера, и батарея, и преобразователь должны быть максимально эффективными.

Солнечная батарея GingerTea собрана из элементов Maxeon. При той же площади она дает в 1.5 раза больше электричества, чем батареи из кристаллического и аморфного кремния, которые продаются везде. Хотя это и не максимум: батареи для космических аппаратов дают энергии еще в 1.5 раза больше, но купить их и приспособить для походов нельзя.

NB: Общий выигрыш в мощности этим не ограничивается — смотрите ниже про согласование нагрузки.

Батарея — очень прочная. Видео: ломаем солнечные батареи, обычные и Махеоn.

Преобразователь

Преобразователь с высокой эффективностью и согласованием нагрузки имеет даже большее значение для суммарной эффективности, чем хорошая батарея.

Полную мощность солнечная батарея может выдать только в согласованную с ней нагрузку. Чуть меньше или чуть больше нагрузка — и большая часть энергии будет просто теряться в батарее, вообще не преобразуясь в электричество. Если взять какой-то фиксированный ток заряда (или постоянное сопротивление нагрузки), то согласование с солнечной батареей будет только при случайном совпадении температуры и освещенности с оптимальными для этого тока (или сопротивления).

Поэтому, чтобы получить из батареи всю возможную энергию, нагрузка должна быть адаптивной к текущим параметрам. Именно так всегда поступают в солнечных электростанциях, домашних и корабельных батареях. А в походных это не используют, хотя это сильнее всего влияет на эффективность. Максимум, чего можно достичь с обычными, не адаптивными преобразователями, — случайного согласования нагрузки с параметрами батареи. Это бывает на очень ярком солнце и для устройств с низкой скоростью заряда, но даже в этом случае половина мощности может легко потеряться из-за рассогласования. Для больших нагрузок и не такого яркого солнца может остаться всего 20% от возможного. Если не измерять потери, то в походе кажется, что на сильном солнце заряжается как-то (например с 6-ваттной батареи получается всего 2-3 ватта), а на слабом — вообще никак. Отсюда распространенное мнение, что солнечные батареи непрактичны в походах потому, что требуют очень сильного солнца, да еще и не всё заряжают. Батарея GingerTea заряжает любое даже самое требовательное к мощности usb-устройство (и не только).

Преобразователь GingerTea — с помощью  адаптивной нагрузки получает от солнечной батареи все возможное. Точное согласование нагрузки с батареей требует и учета температуры последней: для этого мы встроили в нее электронный термометр. И на холодном горном ветру, и на жарком солнце она не выйдет из оптимального режима.

Рис. 1 Если нагрузка небольшая (маленький ток), то мы — на красной линии справа от точки максимальной мощности MPP. Тогда надо увеличить нагрузку: напряжение мало изменится, а ток сильно вырастет (по красной линии движемся влево), следовательно мощность (по синей линии) возрастает (движемся влево). Если нагрузка большая (на красной линии слева от точки MPP), то наоборот ее увеличение вредно: напряжение сильно уменьшается (по красной линии движемся влево), а доступный ток почти не увеличивается, следовательно мощность убывает (по синей линии движемся влево). Надо уменьшить нагрузку, чтобы приблизить режим к точкe MPP (на обеих линиях), — будет идеальное согласование, и из батареи будет извлекаться вся возможная мощность.

Преобразователи с согласованием нагрузки чрезвычайно редки в портативных батареях, но в принципе они существуют. Почему мы не используем готовый?

• Готовые имеют заметные потери мощности, и часть того, что можно выиграть от согласования, теряется на питание схем, не оптимально сконструированных для походов.
• В них нет компенсации температуры солнечной батареи.
• Преобразователь — только часть того, что нужно. Дополнительно нужны: хороший преобразователь для выхода USB, автоматическое определение устройства для быстрого заряда, защита аккумулятора и схема переключения, чтобы заряжать не только от солнечной батареи, но и от розетки.
• Многие преобразователи — слишком большие для походов. Для батареи в сотни и тысячи ватт на крыше вполне подходит преобразователь размером с буханку хлеба, потребляющей пару-тройку ватт. В походе же всего есть десяток ватт, да и тащить лишнего не хочется.

Сколько солнечной энергии можно получить в походе

 

• Потери в атмосфере

Для размеров батареи 30×30 см:

Обратите внимание, что номинальную мощность солнечных батарей всегда указывают при условиях освещенности из первого столбца. Ожидать, что вся или большая часть номинальной мощности будет доступна для зарядки при любой погоде — нельзя даже при идеальных батареях: рекламные проспекты стоит читать супер-внимательно.

 

• Эффективность солнечной батареи

В нашей солнечной батарее в электричество переходит 22% солнечной энергии. Это немало: при размере на клапан рюкзака и хорошем освещении можно получить мощность 12Вт или, что то же самое, ток USB 2.4 A.

При «обычной» солнечной батарее можно получить 15% солнечной энергии, то есть 9Вт (ток зарядки 1.8 А).

Кажется, что такие большие и мощные батареи даже не требуются и бороться за эффективность — излишне. На самом деле нет: даже небольшие облака уменьшают доступную мощность в 3-4 раза. С этим ничего не поделаешь. Поэтому нужны эффективные батареи, а также сложные решения, описанные ниже.

 

• Согласование нагрузки и батареи

Хорошее согласование — 100%.

Плохое согласование — 10-70%. То хорошо, то плохо: лотерея. Если усреднить это за целый день, то больше 50% у нас в походе ни на каких готовых преобразователях не получалось.

 

• Эффективность преобразователя

Для этого в преобразователе GingerTea используется:

• Синхронные преобразователи Texas Instruments (США), точно согласованные одновременно и с солнечной батареей, и с аккумулятором,
• Вместо диодов — сложные электронные схемы Power Path «идеальные диоды» Linear Semiconductor (CША). Потери на них в десятки раз ниже, чем в обычных,
• Мощные полевые транзисторы последних моделей с очень низкими потерями (США),

• Схемы с очень маленьким собственным энергопотреблением.

Потери у нас — 4-10%. Меньшего вряд ли вообще возможно достичь. Остается 90-96%

В готовых преобразователях только на нагрев уходит 20-30% от того, что пришло с солнечной батареи. Потери распределяются по транзисторам, диодам, индуктивностям, схемам управления и другим компонентам. Чтобы их уменьшить, недостаточно изменить что-то одно.  У них остается 70-80% от того, что пришло с батареи.

 

• Нагрев аккумулятора

Характеристки современных Li-ion аккумуляторов впечатляют: на нагрев тратится всего 1% от входящей энергии, а 99% можно получить из него обратно. Поэтому почти нет разницы, как заряжать телефон: напрямую от солнца, или сначала заряжать аккумулятор, а телефон — от него вечером на стоянке.

 

• Саморазряд аккумулятора при хранении

При хранении заряженный аккумулятор теряет 4-20% своего заряда в месяц. Это неизбежно, но не представляет большой трудности: мы используем аккумулятор для кратковременного запасания энергии. А вот если набирать повербанков на весь поход, об этом уже стоит помнить. Схемы преобразователя GingerTea потребляют гораздо меньше, чем сам аккумулятор теряет сам при хранении. Если бы саморазряда не было, то они бы не разрядили аккумулятор даже за 3 года. А обычные схемы могут это сделать за несколько месяцев.

Вопросы и ответы

• Можно ли заряжать солнечной батареей повербанк, а потом уже от него телефон?
• Можно, но при этом будут потери энергии. Внутри преобразователя GingerTea по сути и происходит такая зарядка, но на максимально совершенном уровне. Все компоненты тщательно согласованы, что невозможно при соединении готовой батареи с отдельным повербанком даже одного бренда. А еще у нас меньше потерь на коннекторах, и никакой мелочной экономии на толщине соединительных проводов.

• Можно ли солнечную батарею сломать, проткнуть, поцарапать?
• Сломать, в отличие от обычных батарей, почти невозможно (Видео: сравнение хрупкости солнечных батарей). Эти элементы батареи дополнительно заламинированы в пластик толщиной 2 мм. Передняя поверхность — из ПЭТФ, материала, из которого делают пластиковые бутылки. Это один из самых прочных пластиков. Слегка поцарапать его мне удавалось при падении рюкзаком на острый камень. Проткнуть можно только заточенным инструментом.

• Боится ли солнечная батарея воды?
• Солнечная батарея абсолютно герметична. Можно погружать. Преобразователь я ношу внутри клапана рюкзака, и от дождя он ни разу не страдал.

• Можно ли возить солнечные батареи в самолете?
• Преобразователь можно возить так же, как и повербанки. Он содержит внутри защищенную Li-ion батарею емкостью 10000 мАч (запасаемая энергия — 37 Вт*ч, металлического лития она не содержит). По правилам IATA и авиакомпаний, с 2018 года их можно перевозить по 10 штук на одного пассажира в ручной клади, но нельзя сдавать в багаж. Предупреждать авиакомпанию по правилам не требуется. Солнечные батареи можно перевозить в багаже или в ручной клади без ограничений.

• Можно ли добиться согласования нагрузки с солнечной батареей без использования аккумулятора внутри преобразователя?
• Теоретически да, если бы нагрузка — смартфон или повербанк — могла заряжаться любым током от нуля до максимального тока солнечной батареи. Тогда бы подошла схема согласования без аккумулятора. На практике смартфоны точно так не могут, так что без аккумулятора согласование с солнечной батареей может произойти случайно, но скорее не произойдет. С внешними повербанками согласовать в некоторых случаях можно. Но, во-первых, нельзя гарантировать согласование с любым подключенным повербанком, а во-вторых, они обычно заряжаются от розетки, когда несколько десятков процентов потерь на внутренних схемах не представляют проблемы. В отличие от похода.

• Можно ли заряжать напрямую литиевые, никель-кадмиевые, никель-метал-гидридные и другие аккумуляторы?
• Для каждого вида аккумуляторов следует использовать подходящее для него зарядное устройство с питанием от USB. Напрямую подключать аккумуляторы нельзя.

• Что такое дополнительный USB-зарядник для зеркальной камеры? У меня есть для нее зарядник только от розетки 220В. На аккумуляторе написано 8.4 вольта.
• Аккумуляторы некоторых зеркальных камер действительно имеют более высокое напряжение, чем USB. Поэтому для их заряда продаются специальные USB-зарядники с преобразователем напряжения. Их можно использовать вместе с преобразователем GingerTea, а фирменный (более тяжелый!) зарядник от 220В оставить дома.

Если есть еще вопросы, задавайте в комментариях.