Jak zbudować własną ładowarkę USB zasilaną energią słoneczną

Energia słoneczna jest uważana za prawdziwie odnawialną i przyjazną dla środowiska formę zasobu energii dostępną na Ziemi. Obecnie ludzie maksymalnie wykorzystują ten zasób, co jest szczególnie istotne w odległych obszarach, gdzie transmisja energii elektrycznej jest ograniczona. Jest szczególnie odpowiedni dla regionów o przedłużonym nasłonecznieniu w ciągu dnia, ponieważ może znacznie obniżyć rachunki za prąd.

Pokażemy Ci, jak zbudować system DIY do ładowania urządzeń elektronicznych DC zasilanych przez USB za pomocą energii słonecznej. Naszym celem jest wyjaśnienie i zademonstrowanie koncepcji przy użyciu minimalnej liczby komponentów i prostego projektu.

Zrozumienie energii słonecznej

Energia słoneczna to konwersja energii słonecznej w użyteczne i wydajne źródło energii. Panele słoneczne i generatory służą do zamiany energii świetlnej na energię elektryczną. Panele słoneczne różnią się wielkością, od kilku cali kwadratowych po duże, stosowane na dachach budynków mieszkalnych. Można także łączyć większe panele na dużych polach, aby generować energię elektryczną do wykorzystania na skalę komercyjną.

Istnieje wiele sposobów wykorzystania energii słonecznej. Najbardziej powszechnym jest system fotowoltaiczny (PV), który przekształca promienie słoneczne w prąd elektryczny. Oprócz wykorzystania systemu fotowoltaicznego do wytwarzania prądu elektrycznego, ludzie wykorzystują również energię słoneczną lub koncentrują energię słoneczną do ogrzewania pomieszczeń lub płynów. Można także zainstalować systemy solarne do podgrzewania wody.

Wybór właściwych komponentów

Naszym głównym celem jest wykorzystanie energii słonecznej pochodzącej ze światła słonecznego w celu uzyskania prądu potrzebnego do ładowania urządzeń zasilanych przez port USB. Będziesz także potrzebować akumulatora do przechowywania ładunku w przypadku złej pogody i podczas zachodu słońca. Ponadto akumulator zapewnia także ciągłe dostarczanie określonego prądu potrzebnego do ładowania urządzeń elektronicznych.

Do tego projektu DIY potrzebne będą następujące komponenty:

• Panel słoneczny: Do wytwarzania prądu stałego pod wpływem światła słonecznego. Wybierz panel o odpowiednim rozmiarze zgodnie z wymaganiami dotyczącymi obciążenia. Używamy paneli słonecznych o mocy 150 W – przy tej mocy możemy zasilać nawet żarówki i wentylatory na prąd stały.
• Bateria: Do przechowywania ładunku. Użyj akumulatora o odpowiednim rozmiarze w zależności od wymagań dotyczących obciążenia.
• Kontroler ładowania słonecznego: Do regulacji prądu i zapobiegania przeładowaniu akumulatora i przeciążeniu elektrycznemu. Wybierz regulator ładowania słonecznego o odpowiednim prądzie znamionowym i interfejsie USB.
• Przewody: Do połączenia.
• Urządzenie USB: Do testowania, np. telefonu komórkowego lub tabletu.

Krok 1: Schemat blokowy

Poniższy schemat przedstawia zespół wymagany do uzyskania, kontrolowania i efektywnego wykorzystania energii wytwarzanej przez panele słoneczne.

Podłącz wszystkie urządzenia — takie jak jednostka wytwórcza (panel słoneczny), jednostka magazynująca (akumulator) i obciążenie — do kontrolera ładowania słonecznego. Kontroler ten będzie monitorował prąd dopływowy, prąd obciążenia wyjściowego i napięcie ładowania.

Krok 2: Podłącz panel słoneczny

Używamy paneli słonecznych (150W) w konfiguracji równoległej w celu zwiększenia prądu ładowania akumulatora. Można użyć mniejszej lub większej liczby paneli i mocy w zależności od zapotrzebowania na obciążenie. W przypadku kombinacji równoległej połącz ze sobą zaciski dodatnie wszystkich paneli słonecznych za pomocą przewodu i wykonaj to samo dla zacisków ujemnych wszystkich paneli. Następnie zakryj złącza przewodów dodatniego i ujemnego taśmą izolacyjną.

Krok 3: Podłącz kontroler ładowania

Podłącz przewód dodatni panelu do dodatniego zacisku kontrolera ładowania, a przewód ujemny do ujemnego zacisku kontrolera ładowania. Nasz kontroler ładowania słonecznego jest wyposażony w port USB typu A. Kontroler ładowania posiada wewnętrzny regulator napięcia, który przekształca napięcie stałe 12 V na napięcie stałe 5 V, umożliwiając ładowanie urządzeń zasilanych przez port USB. W modułach USB zazwyczaj piny 1 i 4 są używane odpowiednio jako napięcie stałe 5 V i masa. Za pomocą tego portu USB można ładować urządzenia elektroniczne z interfejsem USB, takie jak telefony komórkowe, tablety i smartwatche.

Kontroler ładowania słonecznego zapobiega przeładowaniu/przepięciu, które w przeciwnym razie mogłoby spowodować nagrzanie akumulatora. Przegrzanie może spowodować zmniejszenie żywotności i wydajności baterii urządzenia.

Krok 4: Zainstaluj baterię

Zainstalowanie baterii zapewnia: przydatne zasilanie awaryjne w sytuacjach, gdy ładowanie solarne nie jest możliwe ze względu na złe warunki atmosferyczne lub w nocy. Do magazynowania prądu elektrycznego używamy akumulatorów 12 V DC. Baterie te umieściliśmy w konfiguracji równoległej, co skutkuje dostarczeniem tego samego napięcia, czyli 12 V, poprzez tę kombinację równoległą. Jednakże połączenie równoległe zwiększa pojemność prądową.

Powinieneś wybrać pojemność akumulatora (jedna jednostka lub wiele) w oparciu o wymagania dotyczące obciążenia i pojemność ładowania panelu słonecznego. Podłącz interfejs akumulatora regulatora ładowania słonecznego do zacisków akumulatora za pomocą grubych metalowych przewodów.

Krok 5: Zakończ okablowanie

Upewnij się, że wszystkie elementy zostały prawidłowo i szczelnie podłączone, aby uniknąć iskrzenia. Zakryj także złącza, aby uniknąć zwarcia. Do połączeń wzajemnych należy używać grubszego drutu dobrej jakości, ponieważ zmniejsza to straty w przewodzie. Ogólnie rzecz biorąc, aby tego uniknąć, zaleca się umieszczanie paneli słonecznych, kontrolerów ładowania i akumulatorów blisko siebie długie okablowanie elektryczne — to ostatnie może skutkować większymi stratami energii elektrycznej i niższą wydajnością fotowoltaiki system.

Krok 6: Przetestuj ładowarkę

Aby przetestować ten system w ciągu dnia pod kątem ładowania akumulatora, naciśnij przycisk włączania na kontrolerze ładowania słonecznego. Obserwuj napięcia pojawiające się na kontrolerze ładowania. Monitoruj także przepływający prąd za pomocą multimetru cyfrowego lub cyfrowy miernik cęgowy.

Zauważysz, że kontroler ładowania wyświetla napięcie na akumulatorze i panelu słonecznym. Kontroler ładowania pokazuje również prąd obciążenia dla tego systemu, gdy jest do niego podłączone obciążenie DC.

Kiedy akumulator 12 V osiągnie napięcie około 14 V prądu stałego na regulatorze ładowania słonecznego, ładowanie zostanie odłączone od panelu słonecznego, aby chronić akumulator przed przeładowaniem. Można to zaobserwować monitorując napięcie panelu słonecznego, które w słoneczne dni może przekroczyć 16 V DC.

Następnie podłącz urządzenie USB lub smartfon bezpośrednio do regulatora ładowania słonecznego za pomocą złącza USB typu A. Port USB zapewnia napięcie stałe 5 V, które jest wewnętrznie regulowane/konwertowane z akumulatora. Gdy to zrobisz, zauważysz, że podłączone urządzenie zaczyna się ładować. Ponadto można również obserwować prąd pobierany przez to obciążenie.

Dodatkowo system ten może zasilać urządzenia inaczej niż poprzez interfejs USB; tzn. można użyć interfejsu 12V dla żarówek DC, wentylatorów DC itp. Wszystko, co musisz zrobić, to podłączyć je do interfejsu ładowania na kontrolerze ładowania. Symbol obciążenia (np. żarówka) reprezentuje ten interfejs kontrolera ładowania.

Możesz dodatkowo ulepszyć ten projekt DIY, aby stworzyć małą i lekką przenośną platformę do ładowania smartfonów i urządzeń zasilanych przez USB bez użycia baterii. Będzie jednak działać tylko w ciągu dnia.

Korzyści z ładowarki słonecznej

Ten układ zasilany energią słoneczną może pomóc poprawić przenośność urządzenia i zmniejszyć zależność od konwencjonalnych systemów dystrybucji energii elektrycznej. Ładowanie energią słoneczną poprawia również wydajność, unikając strat powstałych podczas konwersji prądu przemiennego na prąd stały w konwencjonalnych systemach. W systemach zasilanych energią słoneczną można uniknąć tych strat, ponieważ całe magazynowanie/ładowanie odbywa się prądem stałym; jednakże może wymagać konwersji w górę lub regulacji napięcia.

Wykorzystując energię słoneczną w domu, możesz znacznie obniżyć wydatki na energię elektryczną. Istnieje wiele innych projektów zasilanych energią słoneczną, które możesz zbudować samodzielnie, takich jak latarnie uliczne zasilane energią słoneczną, podgrzewacze basenów zasilane energią słoneczną, głośniki Bluetooth zasilane energią słoneczną itp.