Cobranco honlapja

                                                                                                

 

 

Blog

 

            Istvánpisti okoskodik                                    2016.01.10.

 

 

 

 

 

Energiaellátás a túrán  

 

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