|
|
Néhány szót
szánnék a címbeli témára, mivel egyre több, elektromos
energiával működő kütyüt viszünk magunkkal és ezek egy
részét - pl. kamera – egyre hosszabb időre kell ellátni
energiával, mert Cobranco minden kis részletet meg szeretne
örökíteni.
Az alábbiak
tanulmányozását csak azoknak ajánlom, akik érdeklődnek a
téma iránt, erős idegzettel rendelkeznek, de felhívom a
figyelmet, hogy csak saját felelőségre olvassanak tovább.
Esetlegesen jelentkező alvászavar, szemrángás előfordulhat,
kérem panaszával forduljon matematika, és/vagy fizika
tanárához, végső esetben a wikipédiához.
Az apropót az
adja, hogy – Cobranco szavaival éljek – „tákoltam” egy
napelemes energiatároló (továbbiakban: NET) eszközt, amiről
este a sátorban fel lehet tölteni minden olyan eszköz
akkumulátorát, ami megelégszik 5V-os feszültséggel és 500mA
áramerősséggel, ami egyébként a normál számítógépes USB
portnak felel meg. Mielőtt rátérnék a leírásra, kis
áttekintést adnék arról, miért ezt a lehetőséget
választottam az energia éhségünk kielégítésére. Az előző –
többnapos – túrákra 1-1,5 kg akkumulátor hordtunk magunkkal
(mármint, hogy én, mint a hűséges fegyverhordozó) és az
ezekben tárolt energiát cserpáltuk át Cobranco camcorderébe,
és az én GPS-embe. Az idő előrehaladtával felmerült, hogy a
kamera egyre többet működik, emiatt egyre nagyobb az energia
igénye, ezért jó lenne még 1-2 kg akkut vinni, vagy más
megoldást keresni. Én ez utóbbi irányba indultam el…
Már a 2014-es
túrára is készítettem egy napelemes energiatárolót, ami nem
volt képes teljes egészében kielégíteni a bringás GPS
töltési igényét, így magától adódott az ötlet 2014 végén,
2015 elején, hogy új megoldásra van szükség. A túráinkon –
2015-ig - nem érintettünk kempinget, vagy más olyan helyet,
ahol rendelkezésre állna hálózat az akkumulátorok töltésére,
emiatt egyértelmű volt, hogy vagy viszünk magunkkal annyi
feltöltött akkumulátort, amennyivel megoldható a 8-10 nap
alatt elhasznált energia pótlása, vagy – részben – megújuló
energiát kell igénybe vennünk. A kedves olvasóban nyilván
felmerül a kérdés, hogy miért nem agy-generátoros
(későbbiekben: AG) (nem agy-dinamós) megoldást használunk,
hiszen a kerék mindig forog, a nap meg nem mindig süt és
igaza is lehet. Az alábbi táblázatban próbáltam
összefoglalni a jellemzőit az AG-nak és az általam épített
NET kütyünek.
|
|
AG |
NET |
|
rendelkezésre állás |
ha forog
a kerék |
napsütés
esetén |
|
költség |
kb.
10-12 eFt + felni + fűzés |
kb. 4-5
eFt + sok munka |
|
tömeg |
kb.
500-700 gramm |
kb. 400
gramm |
|
mire jó
még |
a
világítás megoldható róla |
a
világítás megoldható róla |
|
Mikor
tud tölteni |
menet
közben, de ha van hozzá akkupakk, akkor állás közben
is |
menet
közben is, de általában megállás után |
|
Kihívás-e a megvalósítás |
Nem,
csak meg kell venni. Akkupakk esetén azért szükség
lehet barkácsolásra. |
IGEN!
Számomra ez egy fontos tényező volt. |
A motivációt a
megvalósításra nem az adta, hogy a töltés problémáját a
legracionálisabb úton küzdjem le, nem is az, hogy egy
boltban megvásárolható eszköz „boldog” tulajdonosa legyek,
hanem… Tehát hiába tűnik úgy a táblázatból, hogy az AG több
jó tulajdonsággal rendelkezik, mint a NET, én ennek ellenére
mégis a NET mellett döntöttem.
Még egy kis
kitérő, tanács azok részére, akiknek szintén energia
ellátási problémái vannak kerékpár-túrák alkalmával és
szeretnének úrrá lenni rajta. Az ebay tele van napelemes
töltőkkel, powerbankokkal, akkumulátorokkal, de nem árt
vigyázni. A „kici” kínaiak képesek bármilyen képtelen
számokat odaírni a hirdetett termékek mellé, a gyanútlan, -
vagy inkább – gyakorlatlan user meg megveszi olcsón, majd
utána csodálkozik, hogy a valós teljesítmény
köszönő-viszonyban sincs a hirdetettel. A vásárláshoz
szükséges műszaki, fizikai ismeret, hogy ezt elkerüljük.
Néhány segítő
példát, számot, tanácsot írnék azok számára akik ezt az első
látásra autópályának látszó, de később rögös földúttá váló
irányt szeretnék választani.
Rögtön egy jó
tanács: mindig gyanakodjunk, ha egy termék jelentősen
nagyobb kapacitást kínál olcsóbban, vagy azonos áron, mint a
többi termék. Az ember már csak olyan, hogy szereti azt
gondolni magáról, hogy Ő több, okosabb, mint a többiek,
pedig dehogy. A gyarló ember szeretne Trabant áron Rolls-t
venni és dicsekedni vele a többieknek, hogy felnézzenek rá,
na a csalók mindig ezt az alapvető mentalitást használják
ki. (na ez is csak okoskodás lett, semmi konkrétum, tudom,
Te is azt gondolod, hogy csak osztom az észt pedig nem, mert
nekem sincs elegendő)
Most, hogy
ezeket a sorokat írom (2016.01.10.) beírtam az ebay
keresőjébe a powerbank szót és az első találatra kijött egy
termék 50.000mAh, melynek mérete 150x80x20mm, ára 4.170Ft.
A méret alapján
ebben elférhet 8 db 18650-es Lithium akku, amilyen a
laptopodban is van, csak abban általában 6 db. A 18650 típus
egy elég elterjedt fajta 18mm átmérőjű és 65mm hosszú.
(ötletes típusnév, nem?) Na egy ilyen akku 1.800-2.600mAh
kapacitású, ha 8 db van benne párhuzamosan kötve, akkor –
legjobb esetben – 8x2.600mAh->20.800mAh, azonban a
legelterjedtebb cellák 2.200mAh kapacitásúak. Ha most
beírjuk az ebay keresőjébe, hogy 18650, rögtön az első
találatra kiadja az Ultrafire típust, 9.800mAh kapacitással
(hahaha).
Ha most azt
írjuk be, hogy samsung 18650, akkor rögtön kisebb
kapacitások jönnek elő, hiszen a SAMSUNG az egyik legnagyobb
Lithium akku gyártó, sokan ismerik, a kínai sem meri ráírni
az előzőleg emlegetett nagy számokat, - meg persze az is
gond, hogy a koreaiak ráírják a tényleges kapacitás - így
2.500-2.600mAh-k jelennek meg, és az ár is 1.000Ft feletti
darabonként.
Tehát, ha 8 db
SAMSUNG akku lenne az elsőnek emlegetett termékben, akkor
abban csak akku-árban 8.000Ft van benne, nem beszélve a
dobozról, elektronikáról. Nyilván az átlagembernek nincsen
otthon kapacitás-mérője, nekem persze van, mert építettem,
és kb. 50 db laptop akku mérése után jelentem, hogy még nem
találtam 2.600mAh kapacitásúnál nagyobbat.
Láttam az
ebay-en mobiltelefon méretű napelemes akkupakkot is, mely
160x85x18mm-es dobozban (2in1) tartalmaz 12.000mAh
kapacitású akkut és napelemes töltőt.
Az akku
kapacitás még hihető is, ha 70x120x10 mm akkumulátor
térfogatot tételezünk fel, de a napelem mérete kicsit
soványnak tűnik hozzá, kb. 110x70 mm, ami azt vetíti előre,
hogy ezzel szinte sosem tudjuk majd feltölteni az akkukat.
Miért is mondom ezt? Mert ez - a mérete alapján - egy kb.
1W-os napelem, amiben 10db sorba kapcsolt cella van (látszik
a képen, ha Cobranco belinkelte), így a feszültsége 6 V
körüli és egy egyszerű osztással (I=P/U, ahol P a
teljesítmény, U a feszültség, és I az áram) az áramra 160mA
adódik.
Na, de mi köze
van az áramnak a kapacitáshoz, ehhez egy kis magyarázat
tartozik. Áramnak a töltött részecskék áramlását nevezzük,
fémekben jellemzően elektronok áramlanak, az áram
mértékegysége az Amper (röviden: A), jelentése, az 1
másodperc alatt átáramlott töltések számával arányos. A
kapacitás pedig, mint ahogyan a mértékegységéből (pl. Ah,
amperóra) kikövetkeztethető, az összes átáramlott, vagy
átáramolni tudó töltés számáról ad mérőszámot.
Még egy -
mindennapokból vett – példával próbálnám érthetővé tenni az
előbb leírtakat azok számára, akiknek még nem teljesen
világos (a többiektől elnézést). Ha van egy busz, amin 100
embere utazik, akkor - analógiával élve – 100 ember áramlik
az úton, tehát az áram mérőszáma a 100 Ember (röviden: E).
Ha egy óra alatt 13 – ilyen tömött - busz megy a menetrend
szerint, akkor a szállítási kapacitás 100x13-> 1.300 Eh
(Ember óra).
Tegyük fel, hogy
egy 18650-es Lithium akkumulátort 4 órán keresztül terhelünk
500mA árammal és ezután éri a feszültség azt a szintet, ami
kimerülését jelzi, akkor ennek az akkumulátornak
4x500->2.000mAh a kapacitása. Még egy kicsit bonyolítanám,
az energia fogalmával (jele W, mértékegysége Wh, mWh), amit
megkaphatunk úgy is, hogy a kapacitást megszorozzuk az
akkumulátor névleges feszültségével (ez egy egyszerűsítés,
lehet integrálgatni is, akit érdekel utánanéz), a példánál
maradva ennek az akkunak az energia tartalma W=UxIxt=3,7x500x4=7.400mWh->7,4Wh.
Egy 100W-os izzólámpa 1 óra alatt 100 Wh (0,1kWh) energiát
fogyaszt, csak az összehasonlítás végett, tehát kb. 14 db
18650-es akkuban van annyi energia, mint amit egy 100 W-os
izzó elfogyaszt 1 óra alatt.
A kitérő után
vissza a napelemre, tehát 160mA áramot képes leadni, az akku
kapacitása 12.000 mAh, ebből egy egyszerű osztással
meghatározható mennyi idő alatt lehet feltölteni a pakkot,
t=12.000/160->75 óra. Ez nem sok, hiszen szinte minden nap
süt a nap 75 órát, persze merőlegesen a napelemre, mert csak
ilyenkor tudja leadni a 160 mA-t.
A napelemes
bankot fel lehet tölteni USB-ről is, és tudjuk, hogy az
átlag PC átlag USB-je 500mA-rel terhelhető, így ebből 24 óra
töltési idő adódik. Persze csak akkor, ha a hatásfok
legalább 100%, de vannak még néhányan – köztük én is – akik
nem tartoznak a mainstreamhez és még hisznek az energia
megmaradásban. A töltési hatásfokot vehetjük nyugodtan
80%-nak, de van még egy ok, amiért még ennél is tovább tart
teljesen feltölteni az akkut. A Lithium akkukat speciális
töltővel kell tölteni – hogy megelőzzük az égő akkumulátor
nem túl szép látványát – emiatt a töltési időszak elején
nagyobb árammal (áramgenerátor), a végén (a feszültség
emelkedésével) kissebbel tölt, ami jelentősen megnyújthatja
a töltési időt. Ha valaki hallott akkumulátoros autókról,
melyek már kezdenek terjedni, ott olvasni olyanokat, hogy
80%-ig fel lehet tölteni fél óra alatt de teljesen csak 8
óra alatt. Nyilván nem ilyen nagy a különbség a 18650-es
akku töltésénél, de a 24 óra helyett nyugodtan lehet 30
órával számolni.
Na most
jutottunk el oda, hogy írjak valamit a saját napelemes
akkubankomról, aki idáig eljutott az ne veszítse el a
csüggedését, már csak kevés szót próbálok az alapokra
fecsérelni.
A 2014-es túrára
vittem egy kis napelemes akkubankot (továbbiakban: V1.0),
mely nem tudta betölteni teljesen küldetését, nem volt képes
– még teljesen feltöltött akkumulátorral sem – a GPS energia
igényének fedezésére és egy nap alatt nem lehetett teljesen
feltölteni a napelemről sem. Ennek a „tákolmány”-nak főbb
adatai: 1.500mAh-as akku Nokia E52 telefonból, napelem méret
125x65, napelem feszültség 7,2V, max. áram 200mA, az
elektronika saját ötlet és fejlesztés, a doboz 6mm-es
rétegelt lemez, fehér radiátor zománccal festve (azért
fehér, hogy ne melegedjen nagyon a napon).
A V1.0
hiányosságai miatt 2014 végén elhatároztam, hogy most már
olyan ketyerét tervezek és építek, ami képes lesz nemcsak
egyszer, hanem legalább kétszer – napsütés hiányában is –
feltölteni a GPS-t. A GPS igényeről annyit, hogy ez egy
GARMIN EDGE800, amiben 1.000 mAh kapacitású akkumulátor
lakik, ennek a feltöltésére kb. 1.300-1.500 mAh-t kell
beletölteni (veszteségek). Még egy fontos célt tűztem ki,
mégpedig azt, hogy menet közben mérje mennyi kapacitást
töltöttünk be, illetve vettünk ki az akkuból.
A terv
(továbbiakban: V2.0) megvalósítása az ebay bújásával telt és
vettem is – mindjárt két db – egyforma napelemet, mely
egyenként kisebb volt, mint a V1.0, A V2.0 napelemének
adatai, méret:100x70mm, feszültsége: 5V, max. árama 200mA,
(1W) legalábbis ezt ígérte az eladó. Aztán a saját méréseim
azt mutatták, hogy a használható áram maximum 150-160mA
lehet, ugye hiába voltam körültekintő, mégis gyengébb lett a
termék, mint amire számítottam. A 2 db napelem így max.
300mA áramot tudott szolgáltatni, és ha napi 8 órával
számolok, akkor az 2.400mAh, ami kevésnek tűnt az előre
kigondolthoz képest. Ennek ellenére elkészítettem az áramkör
tervét, sőt meg is építettem, már az energiatároló is
rendelkezésre állt, mivel kollégámtól kaptam egy törött
kijelzős tabletet, amiből megmentettem az akkumulátort
(4.000mAh), ami igen lapos volt (105x90x3,5mm). Aztán a
mérések közepette fény derült néhány anomáliára, emiatt
átterveztem és jött a V2.1. Sajnos a meteorológusok
szavahihetetlensége elvitte a sírba a V2.1.-et sok munkámmal
együtt, történt ugyanis, hogy teljesen tiszta felhőmentes
időt jósoltak, én pedig reggel kitettem a kertbe, hogy tegye
a dolgát, majd a tervek szerint délután – amikor a munkából
hazaérek – beviszem és megnézem mitörtént. Ekkor még csak
pőrén létezett a berendezés, nem volt dobozban, szabadon
állt a veszélyes világban a nyomtatott áramkör, így a nem
várt – nagyon kicsi területre koncentrálódó – zápor
eláztatta és tönkre tette. Mikor megláttam, kicsit feszült
lettem, megnéztem a radarképet (a román meteorológiai
intézet honlapján, mert ott vissza lehet nézni) és azt
láttam, hogy mintegy 500m széles sávban hullott csak
csapadék, a környéken máshol tejesen száraz volt az idő.
Végülis nem a meteorológusok tévedtek, hanem az időjárás
felelős volt tréfás kedvében, velem ellentétben.
A végleges
verzióhoz (V3.0) vettem egy új napelemet az ebayről 5V
500mA, mérete 130x150mm, a mért paraméterei már igen közel
estek a leírtakhoz, így jónak tűnt.
A tervezéskor és
a megvalósításkor próbáltam a műszaki paramétereket úgy
optimalizálni, hogy maximális energiát tudjon leadni az
elektronika. Ezt úgy értem el, hogy nem 5V-ot ad ki hanem
csak 4,5V-ot, de ez is elegendő minden általam próbált
telefonhoz, GPS-hez, MP3 lejátszóhoz. Ja, hogy miért is jó
ez? A V3.0 akkumulátorának névleges feszültsége 3,7 V, de az
USB-n ennél magasabb feszültséget kell kiadni, így be
kellett építeni egy feszültségnövelő kapcsolást (step-up
converter), amire szintén igaz az energia megmaradás tehát
Uakku*Iakku/Uusb*Iusb.
Magyarul ez azt
jelenti, ha 5 V a kimenő feszültség, és az akku feszültség
pedig 3,7 V, akkor az akkuból 35%-kal nagyobb áramot kell
kivenni, hogy a két oldal teljesítménye megegyezzen. Ha a
hatásfokot (80%) is figyelembe vesszük, akkor 59%-kal. Tehát
ez utóbbi esetben ha az USB-n kifolyik 500mA, akkor az
akkuból 795 mA áram jön ki. Viszont – és itt jön az
okoskodás – a töltendő készülékekben (telefon, GPS, MP3)
szintén Lithium akku van, melynek töltési végfeszültsége
4,2V, így 5V-nál kevesebb is elegendő ahhoz, hogy az abba
beépített akkumulátor töltő tölteni tudjon. Mit nyerünk
ezzel? Azt, hogy – az előbbi számolgatás alapján – csak 715
mA áramot kell leadnia a V3.0-nak, a 795 mA-hez képest, ami
kb. 10 % megtakarítás. Nyilván a nagyobb áramhoz nagyobb
veszteség is tartozik (hővé alakul). Amikor az ember
megújuló energiát hasznosító valamit épít, akkor még az
ördöggel is hajlandó cimborálni a hatásfok növelése
érdekében, mivel ez a legfontosabb paraméter.
Végül az
elkészült eszköz néhány tulajdonsága:
- mérete
200x140x20mm maga a doboz, de van rajta 2 db rögzítő-fül,
hogy a bringán a csomag tetejére lehessen rögzíteni
gumipókkal
- a doboz
anyaga 6mm-es rétegelt lemez, fehér radiátor zománccal
festve
-
akkumulátor kapacitás kb. 3800mAh
-
mikrokontrolleres vezérlés,+ 4 egyéb integrált áramkör
-
bemenet: mini USB csatlakozón keresztül külsőleg is
tölthető, ha van éppen hálózat
-
kimenet: USB csatlakozó 4,5V, 500mA
-
nyomógombbal kapcsolható a kimenet, mikor a napon van, akkor
ki lehet kapcsolni és nem fogyaszt csak tölti akkut, de
lehetőség van arra, hogy ekkor is kiadja a 4,5 V
feszültséget.
- Ha az
akkumulátor feszültsége elér egy alsó korlátot, - ahol már
károsodhat – akkor lekapcsolja a kimenetet és csak akkor
engedi visszakapcsolni, ha közben hálózatról, vagy
napelemről töltéseket juttattunk az akkumulátorba.
-
Másodpercenként méri az akku áramát (a töltést és a kisütést
is), feszültségét, a napelem áramát feszültségét és a
napsütés intenzitásától függően változtatja az akkumulátor
töltőáramát. Ez előnyösebb, mint a fix töltőáram, mert ha a
napelem nem tud akkora áramot leadni éppen (kicsit
fátyolfelhős az ég), akkor leesik a feszültsége és
egyáltalán nem lenne töltés.
- az
akkumulátor áramának mérésével folyamatosan számolja az
akkumulátorban benne lévő kapacitást
- a
számolt kapacitás alapján egy sokszínű LED-del ki tudja
jelezni az állapotot (zöld, türkizkék, kék sárga, narancs,
lila, piros), így kb. 15%-onként vált színt
-
extraként van olyanlehetőség, hogy bizonyos időközönként
elmentsen, saját, nem felejtő memóriájába (EEPROM) adatokat:
áram, feszültség gyakorisági adatokat, illetve az
akkumulátorban lévő kapacitás értékeket, melyeket itthon
számítógéppel ki lehet olvasni és lehet értelmezni. Ez a
funkció az emberek 100%-nak teljesen felesleges, de a
fejlesztéshez hasznos volt, így benne maradt. A Svájci
túrára úgy programoztam fel, hogy 6 órás intervallumokra
összesítse a kivett, betöltött kapacitásokat.
-
Hiányosság: sajnos nem vízálló, de ez egy átlátszó zacskóval
hatásosan megoldható, teszteltük Svájcban.
Az elmúlt néhány
oldal arról szólt, hogy a boltban kapható termékek
paramétereit nem hittem el és építettem olyat magamnak
amilyet én szerettem volna. Mivel ahány ember annyi ízlés,
így biztosan lesznek olyanok, akik nem értenek velem egyet,
tőlük elnézést kérek, hogy elraboltam idejüket, de remélem
akad olyan, aki hasznosnak értékeli. (egy ősi kínai mondás
jutott - így a végén eszembe – „Bárddal is lehet ribizlit
hámozni, de nem túl hatékony”)
Zárszóként talán
még annyit, hogy annyi munkát nem nagyon fektet a kínai a
termékbe, mint én, persze a sok munka sem garancia semmire,
de végül használhatónak tűnt a töltő, így a hosszú téli
estéken már nem egy újabb verzió előállításán töröm a fejem,
hanem egyéb – Cobranco szerint – haszontalan dolgokon.
Valamelyik túra-beszámolóban már leírtam azt a nézetet, -
amit valahol olvastam és nagyon megtetszett, magaménak érzek
- miszerint nem a cél a fontos, hanem az oda vezető út, azt
kell megélni élvezni, persze nem árt a célt is elérni, én
úgy érzem, nekem mindkettő sikerül.
Ha idáig
eljutottál az olvasásban, akkor fogadd köszönetemet, remélem
találtál benne hasznos részletet is.
Istvánpisti
|
