Самодельная солнечная зарядка из готовых гибких панелей.

Статья о минималистичной простой конструкции солнечной зарядки для горных походов весом 120 грамм.
Такие зарядки с разными варианциями применяются в горных походах Турклуба МАИ с 2011 года.

1.Теория и условия применения

Производители солнечных панелей любят писать ее электричеcкие данные - ватты, вольты и амперы но, совершенно непонятно, для каких условий и географических широт они измерены?

Мощность солнечного излучения в пасмурный день в еропейской части РФ всего 150-300 Вт/м2. Только в солнечный летний полдень она достинает 1кВт/м2. Вот например измерения.
А вот карта распределения мощности от широты из википедии.
Можно ожидать, что мощность солнечного излучения в горных районах Азии в полдень на высоте 4000-6000м будет превышать 3кВт/м2.

Все это означает, что при прочих равных условиях, солнечная батарея, выдающая одну и ту же электрическую мощность для похода на Кольском полуострове должна быть в 3-4 раза больше по площади, чем для похода по Азии
Вот еще полезная для понимания картинка из учебника, показывающая снижение мощности солнечного излучения от высоты (угла) солнца над горизонтом

На эффективность работы солнечной батареи в походе (в порядке убывания степени влияния) влияет: Одна из целей использования солнечной батареи в горном походе - это снижение веса таскаемых на себе аккумуляторов к всевозможной электронике (навигатор, фотоаппараты, телефон, рации, фонарики и т.д).
Требования к солнечной зарядке для похода примерно такие:

2.Гибкие панели

В КНР выпускают очень неплохие гибкие панели. Лучше всего по размерам и параметрам для создания батареи с псевдо USB выходом подходят, те которые "промаркированы" загадочной фразой магистра Йоды
"1 Вт 2 В Кремния Аморфного Солнечные Панели 195*95*1 мм Гибкие" (хочешь купить ты...)
 Вот ссылка на них в широкоизвестном магазине.

(Их надо 3 штуки) А вот параметры (измеряли навреное во дворе фабрики в провинции Гуандунь):
максимальная Мощность: 1Вт
напряжение холостого хода: 2В
Короткого замыкания ток: 660mA
рабочее напряжение: 1.5В
рабочий Ток: 500mA
Под нагрузкой в условиях жаркого солнечного для в Москве таике панели действительно выдают примерно 1.5В ~500ма. В условиях горного похода параметры будут повыше.
На практике, для создания псевдо-USB зарядки для горных условий нужно 3 таких панели, соединенных последовательно.

3.Электрическая схема

Краткий ликбез: Если батарею с подкюченным на заряд аккумулятором убрать от солнца, то напряжение упадет ниже чем выдает АКБ и ток потечет от АКБ через саму солнечную батарею в обратном направлении, разряжая АКБ и нагревая саму батарею, что не полезно для всех элементов.
Самая простая рабочая схема с диодом.
У этого решения масса преимуществ и всего один недостаток. Обычный кремниевый диод имеет т.н. прямое падение напряжения. Т.е. после него напряжение будет на 0.5 - 1В меньше. Украденное у нас напряжение пойдет на нагрев диода, и снизит КПД на боле чем 10%. Поэтому применяется специальная разновидность диода - диод шоттки, с ним потери напряжния будут около 0.5-0.25В
Так как в походе все конструкция едет сверху рюкзака, который иногда неаккуратно и аварийно скидывается.
На саму батарею, рюкзак и владельца может прилетать горстка камней или ледяной крошки и т.п.,
нужна простая индикация, детектирующая наличие 2-х фундаментальных проблем современной микроэлектроники.
  1. Контакта нет там, где он должен быть
  2. Контакт есть там, где его не должно быть.
Практика показала, что в походном использовании нужна индикация 2-х видов:
  1. Выдает-ли сейчас солнечная батарея какое-нибудь напряжение вообще ?
  2. Идет-ли хоть как-то процесс зарядки?
Исходя из этих требований, итоговая схема выглядит так:
Пояснения к схеме: усиленный диод VD1VD2 предотвращает разряд АКБ при падении напряжения на солнечной панели.
Два параллельных диода Шоттки - просто параноя для увеличения надежности. Применены очень модные диоды PMEG2010, которые имеют одно из самых низких значени падения напряжения около 0.25В. Если не поддаваться нездоровому перфекционизму не гоняться за кпд, то любой диод Шоттки (например, 1N5817) тут вполне достаточен.

Зеленый светодиод и резистор - цепочка LED1,R1 это индикация наличия напряжения от солнечной батареи или напряжения на подключенном АКБ.Это позволяет понять, что батарея пока еще не разбита, провода не порваны, и какое-то напряжение она выдает. Также, если перевернуть батарею от солнца, то при подключенном АКБ с хоть каким-то зарядом, светодиод загорится. Это означает, что в принципе в АКБ есть напряжение и, главное, есть контакт с солнечной батареей.

Транзистор VT1 работает, как датчик тока и детектирует падение напряжения диодах VD1-VD2. Как только на них упадет обещанных 0.25В, транзистор откроется и загорится красный светодиод - цепочка LED2,R2.
Транзистор луше использовать правосл. германиевый, времен СССР, т.к. у него очень низкое напряжение насыщения и индикация будет срабатывать даже при очень маленьких токах примерно 50ма. Подойдут всякие динозавры типа МП25, МП36, МП39 и т.д., а также изящные милитаристические изделия ГТ108, ГТ109, ГТ310 и т.п. Можно поставить и любой кремниевый PNP транзистор, но тогда индикация процесса зарядки будет срабатывать примерно от падения напряжения > 0.4-0.5В и придется поставить обычный диод шотки с соответсвующим падением. Горящий красный диод означает, что хоть какой-то ток течет через батарею и значит зарядка идет. Светодиоды можно использовать SMD или с выводами.
На всякий случай лучше поставить мощный шунтирующий стабилитрон на 5.6 на вход. Вдруг будет вспышка на солнце и случится скачок напряжения ;-) На самом деле мы не знаем параметры солнечных панелей на высотах 5000+ метров. Т.е. можно ожидать 6 вольт на выходе без нагрузки. Я поставил 1N5339 с максимальным током 865ma. Также обычно ставят конденсатор на 1000uF. Пульсаций и переменных токов в этой схеме нет, нужен ли он тут - не очень понятно.
Плата показана со стороны фольги. Изготавливалась по широко известной технологии ЛУТ


Лозунг USB "Вставь правильно с 3 раза!" и правило "Электроника не любит нежностей"
требуют укрепления USB разъема на плате пайкой 2 скобок из толстой медной проволоки.

Схема продевания проводков, регулировка их длины для равномерного распределения механической нагрузки:
Проверка работоспособности индикации разъема:
Питание есть, нагрузки нет - горит зеленый. Подключаем нагрузку, - горит красный.


После проверки и монтажа USB вилки, к ней нужно обильно применить чудо современной медицины, решающее проблемы насморка, диареи и излишней болтливости - термоклеевой пистолет!

3.Процесс изготовления самой батареии и всякие хитрости

Панели имеют по 2 небольших пятачка на обратной строне. Где "+" и где "-" - можно узнать любым тестером, посветив обычной ламой. Пятачки необходимо зачислить от окислов шкуркой или ножиком и облудить. Во избежание перегрева нужно использовать хороший флюс и делать все быстро и осторожно.

Схема соединения панелей. Панели из разных партий отличаются немного по размерам и по качеству

Очень важный момент по использованию проводов!
Если взять наугад любой провод, то скорее всего местом его производсва будет фабрика дядушки Ляо. Дядюшка Ляо большой хитрец и затейник! Он научился изготавливать медные провода из пучков мягкой железной проволоки! Мягкая жестяная проволока прогоняется перед скручиванием в жгут через раствор медного купороса, что придает ей благородный оттенок меди. Такой провод очень нестоек к многократным изгибам и легко порвется, что побудит вас например к покупке новых наушников, и прочих устройств, а сама технология "трансмутации элементов" отлично работает на запланированное устаревание.

Использовать надо только медные многожильные провода. Если ограничиваемся горными походами, то сгодится правосл медный провод МГТФ 0.2 или 0.35. Толщина тут важна для механической прочности.
Но!. Если планируется использовать зарядку, например в морских водных походах на сияке, с размещение панели на передней или задней деке, то МГТФ не годится! Т.к. его фторопластовая изоляция хоть водостойкая, но не герметичная и морская вода быстро устроит вам фундаментальную проблему электроники №2 или КЗ. Для этой задачи стоит рассмотреть вариант проводов для ремонта автомобильной проводки и дополнительной заливки всех точек пайки электроизоляционным лаком (например PLASTIK71).

Панели спаиваем последовательно. Провода между панелями имеют избыточную длину, чтобы минимизировать механические нагрузки. Соединение панелей между собой обычным медицинским пластырем оказалось, не только простым и удивительно стойким, но и придает изделию просто убойный дизайн, производящий неизгладимое впечатление на иностранцев на многолюдных тропах гималайских треков.

В морской версии солнечной зарядки нужно применять серебристый трубный скотч.

Схема укладки проводов под пластырем

Тут еще не сделана заливка USB розетки термоклеем.

Вот в такие иголки превращает ледники тропическое солнечное излучение в Андах.
Солнечные панели в таких условиях работают отлично. 		Лама с изумлением смотрит на дичь
После падения на нее всего моего веса с рюкзаком на тропе в Непале, она продолжает работать, но деградировала по выдаваемому току.
Чтобы понять, насколько сильно деградировали помятые элементы, нужно дождаться солнечного летнего дня.
Старая прошла около 5 больших походов в центральной азии (Каракорум, Гималаи) и в Южной Америке Анды.
Салага-новобранец, старый солдат Где-то в Непале...

Система крепления к рюкзаку.
На обратной стороне приклеено 3 кусочка самоклеящейся липучки 3М (крючки).
На клапане рюкзака пришита ответная часть полоска (ворс)		 В сложенном состоянии

Вариант соединения панелей трубным серебряным скотчем оказался вполне прочным


Update 2024. Готовимся к новому походу. Пора снова обновить панель. Панели теперь продаются чуть больше по размеру. Обещают ток до 1А -1.2А. По массе батарея получилась 138 грамм. Липучки приклеены сзади, провод МГТФ 0.35, все как обычно. Сделан разъем JST и раздвоитель JST, чтобы присоединять сразу 2USB устройста. Добавлен модуль заряда 1xLiIon на микросхеме TP5100. Добавлен модуль заряда "полу-умного" USB QC который разрешает смартфону брать 5V 1A (обычный режим разрешает только 500ma).


4.Что можно заряжать?

5.Всякая всячина

Где применялись: