Solární energie je všeobecně uznávaná jako skutečně obnovitelný a ekologicky čistý zdroj energie, který je nám k dispozici. V současné době se lidstvo snaží tento zdroj využívat maximálně, což je obzvláště důležité v odlehlých lokalitách, kde je distribuce elektřiny obtížná. Její výhodou je především vhodnost pro oblasti s dlouhým slunečním svitem během dne, neboť dokáže výrazně snížit náklady za elektrickou energii.
V následujícím textu si ukážeme, jak si svépomocí sestavit systém pro nabíjení stejnosměrných elektronických zařízení, která se napájejí skrze USB port, a to za použití sluneční energie. Naším cílem je objasnit a předvést celý koncept s využitím co nejmenšího počtu dílů a s maximálně jednoduchou konstrukcí.
Základní principy solární energie
Solární energie spočívá v přeměně slunečního záření na prakticky využitelný a efektivní zdroj energie. K transformaci světelné energie na elektrickou se využívají solární panely a generátory. Rozměry solárních panelů se pohybují od několika centimetrů čtverečních až po rozsáhlé panely montované na střechách budov. Je možné propojit i větší množství panelů do velkých polí a generovat elektrickou energii pro komerční účely.
Existuje několik způsobů, jak využít sluneční energii. Nejběžnější je solární fotovoltaický (FV) systém, který mění sluneční paprsky na elektrický proud. Kromě FV systémů se sluneční energie využívá k ohřevu interiérů nebo kapalin pomocí solární tepelné energie nebo koncentrované sluneční energie. Lze také instalovat solární systémy na ohřev vody.
Výběr vhodných komponentů
Hlavním záměrem je využít sluneční energii k získání proudu potřebného k nabíjení zařízení přes USB rozhraní. Pro případy špatného počasí nebo po západu slunce je nezbytné také pořídit baterii pro uchování energie. Baterie navíc poskytuje stabilní proud, který je nutný pro správné nabíjení elektronických zařízení.
Pro tento kutilský projekt budete potřebovat následující součástky:
- Solární panel: Pro generování stejnosměrného proudu při dopadu slunečního světla. Je třeba zvolit panel s vhodnou velikostí podle požadavků na zatížení. V tomto případě se používají 150W solární panely, které umožňují napájet i DC žárovky a DC ventilátory.
- Baterie: Pro skladování energie. Volte baterii s odpovídající kapacitou v závislosti na požadavcích na spotřebu.
- Solární regulátor nabíjení: Pro regulaci proudu a zabránění přebití baterie a případnému elektrickému přetížení. Vyberte regulátor nabíjení s dostatečným jmenovitým proudem a USB portem.
- Vodiče: Pro vzájemné propojení komponentů.
- USB zařízení: Pro otestování funkčnosti, například mobilní telefon nebo tablet.
Krok 1: Blokové schéma
Následující schéma zobrazuje, jak sestavit systém pro efektivní získávání, regulaci a využití energie vyrobené solárními panely.
Propojte všechny komponenty – zdroj energie (solární panel), úložiště energie (baterii) a spotřebič – s regulátorem solárního nabíjení. Regulátor monitoruje vstupní proud, výstupní proud do zátěže a nabíjecí napětí.
Krok 2: Připojení solárního panelu
K maximalizaci nabíjecího proudu baterie se zde využívají solární panely (150W) zapojené paralelně. Počet a kapacitu panelů je možné přizpůsobit dle potřeby. Pro paralelní zapojení propojíme kladné póly všech panelů a následně i záporné póly všech panelů. Izolační páskou zajistíme všechny spoje kladných a záporných vodičů.
Krok 3: Připojení regulátoru nabíjení
Kladný vodič panelu připojíme ke kladné svorce regulátoru nabíjení a záporný vodič k záporné svorce regulátoru. Regulátor má USB port typu A. Uvnitř regulátoru je obvod, který převádí 12V DC na 5V DC pro nabíjení USB zařízení. V USB modulech se obvykle piny 1 a 4 používají jako 5V DC a zem. Pomocí tohoto portu USB lze nabíjet elektronická zařízení s USB rozhraním, jako jsou mobilní telefony, tablety a chytré hodinky.
Regulátor nabíjení brání přebití/přepětí, které by mohlo vést k přehřátí baterie. Přehřátí může poškodit životnost a výkon baterie zařízení.
Krok 4: Instalace baterie
Instalace baterie slouží jako záložní zdroj energie pro případ, že není k dispozici solární nabíjení, ať už z důvodu špatného počasí, nebo v noci. Pro akumulaci elektrického proudu se používají 12V DC baterie. Tyto baterie jsou uspořádány do paralelní konfigurace, která poskytuje stejné napětí, tedy 12V. Paralelní zapojení nicméně zvyšuje proudovou kapacitu.
Kapacitu baterie (jedné či více) je nutné zvolit podle požadavků na zatížení a nabíjecí kapacity solárního panelu. Připojíme rozhraní baterie solárního regulátoru nabíjení ke svorkám baterie pomocí silných kovových drátů.
Krok 5: Dokončení zapojení
Ujistěte se, že jsou všechny součásti připojeny správně a pevně, aby nedocházelo k jiskření. Spoje také zakryjte, aby se předešlo zkratu. Pro propojení použijte kvalitní silnější vodiče, které snižují ztráty v kabeláži. Doporučuje se umístit solární panely, regulátory nabíjení a baterie blízko sebe, aby se zabránilo zbytečně dlouhým elektrickým vedením – to by mohlo vést ke zbytečným ztrátám energie a nižší účinnosti solárního systému.
Krok 6: Testování nabíječky
Pro otestování nabíjení baterie během dne stiskněte tlačítko zapnutí na regulátoru nabíjení. Sledujte hodnoty napětí, které se objeví na regulátoru. Také sledujte protékající proud pomocí digitálního multimetru nebo klešťového měřiče.
Na regulátoru nabíjení si všimnete zobrazení napětí na baterii a na solárním panelu. Regulátor nabíjení rovněž ukazuje proud, který systém dodává do zátěže, je-li k němu připojena stejnosměrná zátěž.
Jakmile napětí 12V baterie dosáhne přibližně 14V DC, regulátor nabíjení odpojí nabíjení od solárního panelu, aby se baterie ochránila před přebitím. Lze to pozorovat sledováním napětí solárního panelu, které může za slunečného počasí překročit 16V DC.
Následně připojte USB zařízení nebo smartphone přímo k regulátoru solárního nabíjení pomocí USB konektoru typu A. Port USB poskytuje 5V DC, které jsou vnitřně regulovány/převáděny z baterie. Po připojení si všimnete, že se připojené zařízení začne nabíjet. Můžete také sledovat proud, který je odebírán touto zátěží.
Kromě nabíjení přes USB lze tímto systémem napájet zařízení i jiným způsobem; tj. lze využít 12V rozhraní pro napájení stejnosměrných žárovek, ventilátorů atd. Stačí je pouze připojit k zátěžovému rozhraní regulátoru nabíjení. Symbol zátěže (např. žárovky) signalizuje, kde se toto rozhraní nachází na regulátoru.
Tento DIY projekt se dá vylepšit vytvořením menší a lehké přenosné platformy pro nabíjení chytrých telefonů a zařízení napájených přes USB bez použití baterie. Nicméně takový systém by fungoval pouze během dne.
Výhody solární nabíječky
Solární nabíjení zlepší přenositelnost vašich zařízení a sníží závislost na konvenčních rozvodných sítích. Solární nabíjení také zvyšuje efektivitu tím, že eliminuje ztráty vznikající při konverzi AC-na-DC v klasických systémech. U systémů napájených solární energií se těmto ztrátám vyhnete, protože veškeré skladování/nabíjení probíhá v DC režimu, nicméně může vyžadovat regulaci nebo konverzi napětí.
Využitím solární energie v domácnosti můžete výrazně snížit náklady za elektřinu. Existuje mnoho dalších kutilských projektů využívajících solární energii, jako je solární veřejné osvětlení, ohřívače bazénů, solární Bluetooth reproduktory atd.