Энергосистема для велосипеда

[Zwanzig]

Привет всем! Давно я тут не был, даже уже несколько подзабросил увлечение электроникой, но вот, похоже, появился повод вернуться...

Мы с другом планируем летом поехать в велопоход по Кольскому полуострову на 2-3 недели. Электроники с собой будет много, поэтому встал вопрос, как всё это питать. Я произвёл примерный расчёт энергопотребления, на основе приблизительного времени работы от аккумулятора, его энергоёмкости в Вт*ч и ожидаемому количеству часов использования в день:

• Смартфон Highscreen Boost 2 SE - 10 Вт*ч (весь день)
• Смартфон Xiaomi Mi2S - 6 Вт*ч (весь день)
• Экшн-камера Xiaomi Yi - 10 Вт*ч (2-3 часа в день)
• DSLR Canon 60D - 10 Вт*ч (1,5-2 часа в день)
• Колонки - 15х2 Вт*ч (2-3 часа в день)
• Велофара Fenix BC30 - 5х2 Вт*ч (2 часа в день)

Итого: 76 Вт*ч/день, или ~38 Вт*ч на человека в день. Разумеется, это всё без учёта КПД преобразователей. Заложив на потери ещё 25%, получим ~50 Вт*ч на человека за сутки.

В качестве источников были выбраны солнечные батареи и динамомашина. Насчёт этих солнечных батарей, к сожалению, не нашёл никаких исследований, по динамке есть вот, исходя из которого я прикинул, что с динамки при ходовом дне 6-8 часов и средней скорости 15 км/ч получится снять где-то 20-25 Вт*ч/сутки, остальное ложится на солнечные батареи. Также планирую использовать аккумуляторы в качестве буфера (скорее всего Li-Ion), пока не решил точно, какие и на какую ёмкость.

Посылки с динамкой и солнечными батареями пока в пути. Сезон как раз потихоньку открывается, как приедут, буду проводить полевые испытания и отписываться сюда. Тред будет потихоньку пополняться уточнениями и вопросами, а пока беспокоит один вопрос: стоит ли использовать буферные аккумуляторы, или лучше вести зарядку конечных устройств напрямую? Насколько плохо для Li-Ion аккумуляторов в устройствах "прерывистый" режим зарядки? Т.е., без буферного аккума при остановке и отсутствии света зарядка останавливается. С другой стороны, при использовании буфера теряем на его зарядке и лишних преобразованиях драгоценные ватты.

Ну и хочется в целом идей и критики по проекту, не хочется наделать ошибок глупых и потратить деньги впустую.

[Андрей СШ]

Если будете считать энергию в Ваттах, то скорее всего останетесь с разряженными устройствами.
Энергия измеряется в Ватт*часах (через знак умножения).

Устройства заряжать напрямую от СБ можно (ничего аккумуляторам от прерывистого заряда не будет), но нужно очень специфичное зарядное устройство. Проще сделать с буферным аккумулятором. Тем более, что смартфон без дополнительного аккумулятора всё равно день не выживет.

Потеря КПД на буфере скомпенсируется тем, что этот буфер увеличит коэффициент использования солнечных батарей. Скорее всего с буфером общий КПД системы будет выше чем без него.

[As]

Солнечную батарею на ходу использовать будет не просто - парусность у неё заметная, оптимально на солнце направить можно будет не всегда, а значит, и полную мощность она давать будет чаще на стоянке... Ёмкость буферного аккумулятора выбирайте из расчёта потребления на пару суток - солнце светит не всегда, а без электричества скучно...
У нас пацаны иногда ставили динамку на заднее колесо - тогда можно вырабатывать электричество и на стоянке...

[Serj66610]

что-то вы с мощностью намудрили.....если смартфон будет "кушать" от АКК 10(или 6) Вт*ч то он попросту расплавится и сгорит.....это наверное батарея в нем стоит на 10 Вт....что при 3,7в дает емкость АКК 2500мА*ч.....и на полном заряде ваш телефон проработает от нее ну нифига не час....часа 4-6 минимум....то-же касается и остального оборудования.
так-что реально получается не более 10Вт*ч на каждого "веселопедиста".....но уверяю,даже эта мощность ощутимо "бьет по ногам" при езде в режиме "он-лайн" более 5-6 часов подряд.

Ваш геройский дух конечно захватывает,но реальность окажется куда более прозаичнее....все закончится 5 днями и отьездом не более 50км,с просиживанием днем в тени(от жары) а ночью у костра(от холода) со своими "дэвайсами" зажатыми в цепкие "лапки" в печатании "sms" в каком-нить "сритере".

[otest]

солнце светит не всегда

На Кольском п-ове даже ночью светит.

[Zwanzig]

Энергия измеряется в Ватт*часах (через знак умножения).

Ой. Конечно же я имел в виду ватт-часы, просто неправильно написал. Исправил.

что-то вы с мощностью намудрили.....если смартфон будет "кушать" от АКК 10(или 6) Вт*ч то он попросту расплавится и сгорит.....это наверное батарея в нем стоит на 10 Вт....что при 3,7в дает емкость АКК 2500мА*ч.....и на полном заряде ваш телефон проработает от нее ну нифига не час....часа 4-6 минимум....то-же касается и остального оборудования.

Если он будет кушать 10 Вт*ч за сутки, то ничего с ним не случится, ибо это 10/24 = 0,4 Вт. Эти данные я привёл исходя из прошлых походов, где мой смарт с батарей на 6000 мАч держал где-то два дня с небольшим. Это же всё энергия, а не мощность, как правильно подметил Андрей СШ.

Ваш геройский дух конечно захватывает,но реальность окажется куда более прозаичнее....все закончится 5 днями и отьездом не более 50км,с просиживанием днем в тени(от жары) а ночью у костра(от холода) со своими "дэвайсами" зажатыми в цепкие "лапки" в печатании "sms" в каком-нить "сритере".

Ну вообще-то опыт уже есть. Да и глупо будет как-то ехать за 1700 км на север России и так сливаться. Кстати, вот чего-чего, а жара там вряд ли будет!

Солнечную батарею на ходу использовать будет не просто - парусность у неё заметная, оптимально на солнце направить можно будет не всегда

Планируем закрепить сзади на велоштанах. Насчёт направленности, да, тут как-то всё печально, остаётся надеяться на то, что она не слишком сильно просядет. Ну и солнце там по большей части будет не так высоко.

[Андрей СШ]

Исправил.

Так стало намного понятнее.

50 Вт*ч достаточно много.

На велосипеде (как я это себе представляю) можно относительно компактно закрепить панель на 30 Вт (50 максимум). Допустим вы в среднем будете двигаться под углом около 45° к экватору. Солнце на Кольском полуострове должно стоять невысоко => можно расположить панели под оптимальным углом.

По моим измерениям не следящая панель вырабатывает за день приблизительно 6*Pmax = 6 * 30 = 180 Вт*ч.

Умножаем на атмосферное поглощение
0,7 * 180 = 126 Вт*ч

Умножаем на отклонение курса от экватора
126*cos(45) = 89 Вт*ч

Умножаем на потери связанные с неправильным выбором рабочей точки ВАХ
89*0,75 = 66 Вт*ч.

Если проблем с солнцем не будет, то должно быть достаточно панели 27 Вт на человека.

Последний коэффициент можно увеличить применив MPPT контроллер (или просто подгоняя вручную рабочую точку).

[diesel170]

А чем плохи советские динамо? Выпускались же на 5 Вт. Если подобрать оптимальную нагрузку, возможно и больше можно снять.
К тому же они гораздо качественнее, надёжнее и долговечнее китайских.

[kane_m]

нужно учесть, что такого рода солнечные панели крайне мало подойдут для велопохода. на картинках в интернете они всегда валяются на земле, питая айпады (куда ж в походе без него), телефоны, телевизоры и кофемолке. на практике - даже при пешем походе эта мотыляющаяся фигня на рюкзаке сильно мешает, ну и кпд падает значительно. если же налепить это на велосипед - очень большая вероятность того, что она спадёт/сдуется ветром, вопрос крепления и расположения нужно решать одним из первых.
насчёт кпд - цифры мощности панели можно поделить на 2-10, в зависимости от зависимости электроники , т.к. пасмурные дни никто не отменял (панель будет давать просто эдс с током в 100мА), поломки никто не отменял, проезд по тени никто не отменял.
из моего опыта самый лучший вариант использования - панели в похожем исполнении везутся сложенные. берётся 2...5 шт, в зависимости от количества людей и доступного "возимого" объёма. штатная электроника извлекается, все панели объединяются и самопальным контроллером заряжается батарея "бытовых" плоских аккумов на 11в, от них - в это же время или в любое другое - все потребители. недостаток - самопальная электроника с балансирами, которую еще нужно сделать и отладить. плюс - таки самопальная электроника с известной надёжностью и кпд. недостаток трёх банок - тот же балансир и более сложная масштабируемость, достоинство - тоньше провода, меньше токи - меньше потери.
заряжается всё это дело стационарно на дневных стоянках или при обеденном отдыхе на переездах.

[kentgaryk]

если смартфон будет "кушать" от АКК 10(или 6) Вт*ч то он попросту расплавится и сгорит

Смартфон в режиме навигатора с включенным экраном будет кушать около 5Вт то бишь 5Вт*час в час, и благополучно разрядит свой аккумулятор за пару-тройку часов в ноль.
Если его выключить и включать только раз в сутки для отправки трогательной смс любимой тян, то одной зарядки хватит на всю поездку...вот как то так со смартфоном.

Динамка выдает переменное напряжение, с переменной частотой, ее неплохо бы смерить при средней скорости вращения колеса, хотя бы сильно приблизительно. Изготовить трансформатор с выпрямительным мостиком, что бы на выходе иметь около 14В. От него будете заряжать небольшой АКБ от бесперебойника, во такой.
Он позволит вам используя автомобильный адаптер вот такой заряжать все ваши девайсы. Никаких там контроллеров не надо, чтобы перезарядить АКБ вы просто уебетесь крутить педали!

Думаю параллельно можно подключить через диодную развязку и солнечную батарею с напряжением 13-15В (диод Шоттки или германий)...но в батареях я не силен, какие бывают не знаю.

Расходовать АКБ надо экономно исходя из того что мощность динамки 3-5Вт и работает она только на ходу.

[diesel170]

Я бы сделал проще: выпрямитель с удвоением + автомобильная зарядка. На трансформаторе потеряется минимум 30% полезной мощности.
А если заморочиться, то попробовать подобрать оптимальную нагрузку для генератора и исходя из этого сделать преобразователь со стабильным выходом 5В - для зарядки через мини/микро-USB, которое должно быть у смартфона.
От этих же 5В можно питать велосипедный свет.

Солнечная батарея с АКБ - для работы на стоянке. Небольшую СБ можно разместить - только не смейтесь - на кепке. Есть даже готовые кепки с СБ - от неё работает небольшой вентилятор в козырьке.

И ещё, для велопохода я бы соорудил небольшой генератор из авиамодельного мотора и мощного ЭДПТ, например от вентилятора системы охлаждения авто.

[kentgaryk]

Я бы сделал проще: выпрямитель с удвоением + автомобильная зарядка. На трансформаторе потеряется минимум 30% полезной мощности.

Выпрямитель с удвоением однополупериодный по выходу, емкости довольно большие требует, не понятно как будет работать с АКБ - это конечно самое простое решение, никакая зарядка там дальше не нужна сразу на аккум.

У трансформатора если что КПД 0.9 у самого херовенького! Тем более частота там похоже приличная на средних оборотах, но надо проверить ее или рассчитать. Сколько полюсов у этой динамки то???

На прямую можно 5В конечно, но заряжать один девайс и только на ходу, а если в данный момент все заряжено, то зря энергия пропадать будет, с буферным АКБ надежнее, весит он кило не больше.

[diesel170]

Можно и сразу на аккум, в принципе перезарядиться не должен.

У трансформатора если что КПД 0.9 у самого херовенького!

Никак нет, у маломощных трансформаторов до 10Вт КПД не превышает 70%. Не помню, где эту инфу вычитал, поэтому источник привести не могу. Нашёл только справочник начинающего радиолюбителя, где в расчётах учитывается соотношение мощности нагрузки и мощности в цепи первички (потребляемой от сети). Для трансов мощностью 3-10Вт это соотношение принято равным 1,4, что соответствует КПД 60%. И то оговорено, что это при применении хорошей стали и аккуратном изготовлении.

На прямую можно 5В конечно, но заряжать один девайс и только на ходу, а если в данный момент все заряжено, то зря энергия пропадать будет

Можно просто сделать разветвитель для зарядки нескольких приборов сразу. А когда всё заряжено, просто снизится нагрузка на ноги велосипедиста.
Но буферный аккумулятор нужен по-любому, ведь например, когда стоишь на светофоре, задний фонарь должен работать.

[kentgaryk]

Ну это для 50Гц трансформатора, намотанного впритык тонким проводом на железе с габаритной мощностью 3-10Вт. Если железо взять на 50Вт провод потолще, а витков там будет поменьше то все будет нормально с КПД. Поскольку частота там похоже больше 50Гц, трансформатор с такой габаритной мощностью будет весьма небольшой.

Не знаю уж как там с задним фонарем на лисапедке положено и сколько там светофоров при полном отсутствии электричества , но заряжать несколько девайсов от динамки 3-5Вт думаю будет сложновато и долговато.

ИМХО лучше уж всю энергию сливать в одну буферную емкость, а потом расходовать аккуратно.

У меня вот другая проблема нужно в тундру на охоту около 400Вт*час на две недели, а большой акум тащить тяжело на горбе. Кто знает где добыть солнечные батареи с напряжением 13-15В поделитесь инфой! И как они работают? У них при пасмурной погоде ЭДС падает или просто токовая отдача уменьшается?

[Андрей СШ]

У них при пасмурной погоде ЭДС падает или просто токовая отдача уменьшается?

Если пасмурная погода выше 10% от солнечной, то только токоотдача падает, а если меньше то уже и ЭДС (но не сильно).

[kentgaryk]

Значит АКБ при любой погоде можно заряжать, только с разной скоростью! Это хорошо. Я видел картинки они вроде как плоские и мягкие их что реально свернуть и в рюкзак засунуть?

[Андрей СШ]

Да, есть гибкие. В рулон диаметром сантиметров 15-20 сворачиваются, но как часто их можно сворачивать и что будет если на рулон сесть не знаю. Да и монтировать их тундре сложновато - нужно каркас делать, привязывать, чтобы не унесло ветром. Жёсткую можно палочкой подпереть.

[kentgaryk]

Спасибо за информацию буду пробовать.

[As]

...Выпрямитель с удвоением однополупериодный по выходу, емкости довольно большие требует, не понятно как будет работать с АКБ - это конечно самое простое решение, никакая зарядка там дальше не нужна сразу на аккум...

Если "динамка" имеет изолированную от "массы" обмотку - годится простейшая схема удвоения на двух диодах и двух конденсаторах, я в школьные годы от такой схемы питал кассетник - работал уже при скорости 5-6 км/ч... КПД будет приличный - падение на диодах всего 0,6 вольта (можно меньше - если использовать диоды Шотки), конденсатор - вообще "реактивный элемент", мощности не потребляет... Ток заряда будет ограничен возможностями "динамки", напряжение неплохо было бы контролировать, перезаряд для АКБ не полезен!

[kentgaryk]

Обмотка там не изолированная (по крайней сере у советских динамок была) но это не принципиально можно и оторвать АКБ от корпуса, какая разница. Одополупериодный выпрямитель условно - использует оба, но каждая емкость заряжается одним, по очереди.
Там есть сложность с оптимальным подбором емкостей, слишком большие будут заряжаться коротким мощным импульсом тока - увеличиваются потери в дохленькой обмотке генератора, слишком маленькие будут недобирать от генератора. Там довольно сложно рассчитать, с учетом того что АКБ все время подпирает выпрямитель своими 12-13 вольтами.

Трансформатором можно согласовать сопротивление нагрузки с внутренним сопротивлением генератора, сделать их равными для максимальной отдачи энергии. И потребление без емкостей будет более размазанным, диоды откроются при достижении амплитуды около 13В и закроются при спаде до 13В, а напряжение ХХ трансформатора надо делать вольт двадцать. Там и так все на грани уж очень слабенькая эта динамка.