Jak zbudować własną ładowarkę USB zasilaną energią słoneczną

Energia słoneczna jest powszechnie uznawana za autentycznie odnawialne i ekologiczne źródło energii, dostępne dla naszej planety. W obecnych czasach ludzie na szeroką skalę eksploatują ten zasób, co ma szczególne znaczenie w rejonach oddalonych, gdzie przesył energii elektrycznej jest utrudniony. Jest to szczególnie korzystne w regionach, które cechują się długotrwałym nasłonecznieniem, ponieważ pozwala na znaczące zmniejszenie opłat za energię elektryczną.

Przedstawimy Ci, jak samodzielnie stworzyć układ do ładowania urządzeń elektronicznych prądem stałym (DC) zasilanych przez USB, korzystając z energii słonecznej. Naszym zamiarem jest objaśnienie i zademonstrowanie tej koncepcji, używając jak najmniejszej liczby elementów i prostego projektu.

Zrozumienie działania energii słonecznej

Energia słoneczna to proces przekształcania promieniowania słonecznego w użyteczną i efektywną energię. Panele słoneczne i generatory pełnią funkcję przetworników energii świetlnej na energię elektryczną. Panele słoneczne występują w różnych rozmiarach, od małych kilkucentymetrowych powierzchni, po duże konstrukcje instalowane na dachach budynków mieszkalnych. Można również łączyć większe panele na rozległych obszarach, aby generować energię elektryczną na potrzeby komercyjne.

Istnieje wiele metod wykorzystania energii słonecznej. Najpopularniejszą jest technologia fotowoltaiczna (PV), która przekształca promienie słoneczne w prąd elektryczny. Oprócz wykorzystania systemów fotowoltaicznych do produkcji energii elektrycznej, ludzie stosują także energię słoneczną do ogrzewania pomieszczeń lub płynów, a także do instalacji solarnych systemów podgrzewania wody.

Dobór odpowiednich komponentów

Naszym głównym celem jest przetworzenie energii słonecznej pozyskiwanej z promieniowania słonecznego, na energię elektryczną potrzebną do zasilania urządzeń ładowanych poprzez port USB. Będziemy także potrzebować akumulatora do magazynowania energii na wypadek gorszej pogody lub zachodu słońca. Ponadto akumulator zapewnia stabilne dostarczanie prądu o odpowiednich parametrach, koniecznych do ładowania urządzeń elektronicznych.

Do realizacji tego projektu DIY niezbędne będą następujące elementy:

• Panel słoneczny: Do generowania prądu stałego pod wpływem promieniowania słonecznego. Wybierz panel o odpowiedniej wielkości, dostosowanej do zapotrzebowania na energię. W naszym przypadku używamy paneli słonecznych o mocy 150 W, co umożliwia zasilanie nawet oświetlenia i wentylatorów na prąd stały.
• Akumulator: Do przechowywania zgromadzonej energii. Zastosuj akumulator o pojemności adekwatnej do wymagań odbiorników energii.
• Regulator ładowania solarnego: Reguluje przepływ prądu i zapobiega przeładowaniu akumulatora oraz przeciążeniu. Wybierz regulator o odpowiedniej wartości prądu znamionowego i z portem USB.
• Przewody: Do łączenia komponentów.
• Urządzenie USB: Do testowania, na przykład telefon komórkowy lub tablet.

Krok 1: Schemat blokowy

Poniższy schemat przedstawia strukturę systemu, niezbędną do wytwarzania, kontroli i efektywnego wykorzystania energii generowanej przez panele słoneczne.

Podłącz wszystkie elementy – takie jak jednostkę generującą energię (panel słoneczny), jednostkę magazynującą energię (akumulator) i odbiornik energii – do kontrolera ładowania słonecznego. Ten kontroler będzie monitorował prąd wejściowy, prąd wyjściowy do obciążenia i napięcie ładowania.

Krok 2: Podłączenie panelu słonecznego

Wykorzystujemy panele słoneczne (150W) połączone równolegle, aby zwiększyć prąd ładowania akumulatora. Można użyć mniejszej lub większej liczby paneli i mocy, w zależności od potrzeb energetycznych. W konfiguracji równoległej łączymy ze sobą zaciski dodatnie wszystkich paneli słonecznych za pomocą przewodu, a następnie postępujemy analogicznie dla zacisków ujemnych. Następnie zabezpieczamy złącza przewodów dodatniego i ujemnego taśmą izolacyjną.

Krok 3: Podłączenie kontrolera ładowania

Podłącz przewód dodatni panelu do dodatniego zacisku kontrolera ładowania, a przewód ujemny do ujemnego zacisku kontrolera ładowania. Nasz regulator ładowania słonecznego ma wbudowany 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 USB. W portach USB zazwyczaj piny 1 i 4 służą odpowiednio jako zasilanie 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, które mogłoby spowodować przegrzanie akumulatora. Przegrzanie może skrócić żywotność i zmniejszyć wydajność akumulatora urządzenia.

Krok 4: Instalacja akumulatora

Instalacja akumulatora zapewnia zapas energii na wypadek, gdy ładowanie słoneczne jest niemożliwe z powodu złej pogody lub w nocy. Do magazynowania energii elektrycznej używamy akumulatorów 12 V DC. Baterie te są połączone równolegle, co zapewnia stałe napięcie 12 V, przy zwiększeniu pojemności prądowej.

Należy dobrać pojemność akumulatora (jeden lub wiele) na podstawie zapotrzebowania na energię i zdolności ładowania panelu słonecznego. Połącz wyjście akumulatora regulatora ładowania słonecznego z zaciskami akumulatora, stosując do tego grube metalowe przewody.

Krok 5: Ukończenie okablowania

Upewnij się, że wszystkie komponenty są poprawnie i bezpiecznie podłączone, aby zapobiec iskrzeniu. Dodatkowo zabezpiecz złącza, aby uniknąć zwarć. Do połączeń używaj grubszego drutu dobrej jakości, ponieważ minimalizuje to straty w przewodzie. Zaleca się umieszczenie paneli słonecznych, regulatora ładowania i akumulatorów blisko siebie, aby uniknąć długich przewodów – długie przewody mogą prowadzić do większych strat energii i zmniejszenia wydajności systemu solarnego.

Krok 6: Testowanie ładowarki

Aby przetestować system w ciągu dnia pod kątem ładowania akumulatora, włącz kontroler ładowania słonecznego. Obserwuj wskazania napięcia na kontrolerze. Monitoruj także przepływ prądu za pomocą multimetru cyfrowego lub miernika cęgowego.

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

Kiedy akumulator 12 V osiągnie około 14 V prądu stałego na regulatorze ładowania słonecznego, ładowanie z panelu słonecznego zostanie przerwane, aby uchronić akumulator przed przeładowaniem. Można to zauważyć 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, regulowane wewnętrznie z akumulatora. Po podłączeniu urządzenia zauważysz, że rozpoczyna się jego ładowanie. Dodatkowo można także zaobserwować prąd pobierany przez to urządzenie.

System ten może również zasilać urządzenia nie tylko przez interfejs USB. Możesz na przykład użyć interfejsu 12 V, aby podłączyć oświetlenie, wentylatory DC itp. Wystarczy podłączyć je do interfejsu obciążenia na regulatorze ładowania. Symbol obciążenia (np. żarówka) wskazuje ten interfejs kontrolera ładowania.

Możesz dodatkowo udoskonalić ten projekt DIY, aby stworzyć małą i lekką przenośną platformę do ładowania smartfonów i urządzeń zasilanych przez USB bez użycia akumulatora. Należy jednak pamiętać, że system będzie działał tylko w ciągu dnia.

Zalety ładowarki solarnej

Taki układ zasilany energią słoneczną zwiększa mobilność urządzeń i zmniejsza zależność od tradycyjnych systemów dystrybucji energii elektrycznej. Ładowanie słoneczne zwiększa także wydajność, eliminując straty energii związane z konwersją prądu przemiennego na prąd stały w tradycyjnych systemach. W systemach solarnych można uniknąć tych strat, ponieważ całe magazynowanie/ładowanie odbywa się za pomocą prądu stałego, chociaż może być wymagana konwersja lub regulacja napięcia.

Wykorzystanie energii słonecznej w domu pozwala znacząco obniżyć rachunki za energię. Istnieje wiele innych projektów zasilanych energią słoneczną, które można zrealizować samodzielnie, np. latarnie uliczne zasilane energią słoneczną, podgrzewacze basenów zasilane energią słoneczną, głośniki Bluetooth zasilane energią słoneczną itp.