Zasilanie układów z fotowoltaiki poprzez powerbank

[BiednyStudent]

Potrzebuję zasilić urządzenia oparte na ESP32 bez dostępu do sieci.

Chciałbym do tego celu wykorzystać panele słoneczne dające napięcie rzędu 5-10V o mocy około 0.5W. Napięcie i moc można zmodyfikować, to jest tylko punkt wyjścia.
Zakładam całoroczne korzystanie z urządzeń bez nadzoru czyli potrzebuję jakiś akumulator pośredniczący pomiędzy panelem a urządzeniem. Wymyśliłem sobie po prostu powerbanka do komórek o pojemności 4000mAh za ca. 16 pln.

Czy mogę się spodziewać jakichś problemów? Power bank będzie pracować nonstop oddając energię urządzeniom, podejrzewam zapotrzebowanie na prąd nie większy niż 100-200 mA i to tylko w piku ponieważ głównie ESP32 będzie sobie smacznie spał, ale będzie się budził raz, dwa razy na godzinę aby popracować przez kilkanaście sekund. 
Jak długo taki "układ" ładowania codziennie ma prawo wytrzymać i czy mogę się spodziewać jakichś innych ewentualnych kłopotów?
Zakładam, że elektronika powerbanka ochroni akumulatory od przegrzania i przeładowania, ale czy w każdym powerbanku, jak to sprawdzić?
Ponadto jeśli ESP32 lub coś na jego pokładzie się sfajczy, zrobi zwarcie albo jakiś inny głupi numer, to powerbank po prostu przestanie zasilać trupa i sam nie będzie zagrożeniem pożarowym?

Czy jest jakiś lepszy pomysł na zasilanie ESP32 bez sieci i bez przerabiania powerbanku i pakowania kolejnego kontrolera do kontrolowania zasilania? Na elegancji rozwiązania mi nie zależy, byle było skuteczne i w miarę długowieczne oraz łatwe w instalacji.

Ponieważ skorzystam z kilku a może nawet kilkunastu takich konstrukcji (pewnie spalę pierwsze prototypy), to taniość rozwiązania jest dosyć kluczowa w tej zabawie, a cała "elegancja" tych urządzeń ma być skoncentrowana w oprogramowaniu tych zabawek - biorąc dodatkowo pod uwagę fakt, że jestem tylko prostym  konsumentem elektroniki i mam problem nawet z banalnym lutowaniem dwóch drutów, proszę o wyrozumiałość i przyjazne początkującemu odpowiedzi 🙂

[ethanak]

Lolin32 (ja używam lite), ma gniazdko do akumulatorka i wszystko co potrzebne do szczęścia na pokładzie. Nie próbowałem z foto ale powinno działać.

[BiednyStudent]

Niestety chyba Lolin nie poradzi sobie ponieważ potrzebuję kamerę, wi-fi, SD oraz czujnik ruchu (dopplerowski) plus jeszcze coś, a do tego jak ulał pasuje ESP32-Cam. Zresztą mam również drugi problem, ponieważ na jednej stacji zabraknie mi pinów na tym ESP32-Cam, ergo rozważam wprowadzenie drugiego kontrolera, albo goły ESP32 albo jakieś Arduino Nano, bo tam mają być "zwykłe" czujniki, ile wlezie 🙂 Tym samym ideologiczny problem z zasilaniem się nawarstwia 😞 Poza tym Lolin nie rozwiązuje mojego problemu zasilania, problem jest dokładnie ten sam.

Niedoszacowałem zapotrzebowania na prąd, w piku to będzie nawet jakieś 300mA na każdą stację, przewodów zasilających być nie może.

Najchętniej bym to zrobił w taki sposób aby w dzień ESP był zasilany bezpośrednio z solara, a jeśli solar zbliża się do granicy wydajności to z automatu zasilanie przełącza się na powerbanka, przy czym solar doładowuje powerbanka jeśli zachodzi taka potrzeba a jeśli powerbank ma maksa to już zasilanie z solara się odłącza. Myślę, że jest to do zrobienia przez te płytki LiPo dostępne u Chńczyków za grosze, ale jeszcze nie ogarnąłem tematu dokładnie, za mało mam podstawowej wiedzy.

Na krótką metę(na stole) system "liniowy" czyli solar-->powerbank-->ESP zadziała świetnie i bez zarzutu, boję się problemów na dłuższą metę w polu.

[BiednyStudent]

Hmm, znalazłem supertaniusie powerbanki, (nieco powyżej 12 zł) które mogą być ładowane i jednocześnie mogą zasilać urządzenie.
Wobec powyższego, jak podłączę bezpośrednio panel fotowoltaiczny bez dodatkowej elektroniki dający napięcie 5V to na dłuższą metę będzie dobrze? Nic wielkiego nie ryzykuję? Czy muszę kombinować jakąś ładowarkę ze stabilizatorem napięcia pomiędzy panelem a powerbankiem?
Trochę śmieszne, bo mam już na ESP32 internet, postawione serwery i oprogramowanie klienckie, zaraz skonfiguruję AWSa, a z zasilaniem mam ciągle problem 😞

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Dnia 22.10.2020 o 21:01, BiednyStudent napisał:

Trochę śmieszne, bo mam już..

Nie da się znać na wszystkim. Ja z kolei nie wiem co to jest AWS (nie licząc partii politycznej) czy "oprogramowanie klienckie", ale mogę za to ocenić Twoje wysiłki na polu zasilania.

Przede wszystkim wychodzisz od zapotrzebowania Twojego odbiornika na energię, liczonego w [Wh] a nie jako czysty prąd w [mA] bo to pierwsze daje całościowy obraz. Czym innym jest dostarczenie 100mA przy 3.3V a czym innym 100mA przy 12V.

Zastanawiasz się w jaki sposób najwygodniej (dla całego systemu zasilania) tę energię dostarczyć. Czasem musisz zrobić stabilne 5V a czasem wystarczy cokolwiek od np. 4 do 12V. Pierwsze rozwiązanie wymusza jakąś formę stabilizacji napięcia a drugie daje większą swobodę. Pamiętaj, że każda forma konwersji postaci mocy to koszt (finansowy) i strata (energetyczna). Przykładowo jeśli możesz do odbiornika podłączyć akumulator o zakresie napięć pracy powiedzmy od 6V (rozładowany) do 8.4V (naładowany) to jest to znacznie lepsze rozwiązanie niż dłubanie z tego napięcia sztywnych 5V czego nikt naprawdę nie potrzebuje.

Ogniwa słoneczne są bardzo kapryśnym źródłem - to nie bateria dająca w miarę stałe napięcie tylko raczej źródło prądowe z ograniczeniem napięcia. Możesz coś takiego podpiąć do "zwykłej" przetwornicy, stabilizatora lub nawet w pewnych przypadkach wprost do akumulatora, ale straty energii już na samym wejściu będą ogromne.

Jak już wymyślisz sobie optymalną konfigurację systemu to szacujesz sprawność całego łańcucha i wychodząc od wyjścia liczysz zapotrzebowanie na energię widziane od strony wejścia - czyli wreszcie dostajesz konieczną moc ogniwa słonecznego. Przykładowo:

Zaglądam do danych ESP32 (czyli np. na kurs Forbota 🙂 ) i tam czytam, że zasilanie to 4.8-12VDC. Układ nie pojedzie więc wprost z jednego LiPola (2.8--4.2V), ale z dwóch szeregowo już tak. Jeśli nie ma innych ograniczeń (np. moduły wymagające sztywnych 5V lub nie wytrzymujące więcej jak np. 6V) to przyjmuję to za pierwsze założenie. Brak konwersji między akumulatorem a ESP32 to pierwszy sukces. Płytka i tak ma własną przetwornicę pokładową i nie musimy jej robić dobrze dodatkową stabilizacją.

Teraz szacuję (albo mierzę - zależy czy system jest już gotowy i może pracować w docelowym trybie) pobór energii. Niech zatem wyjdzie średnio (w długim okresie czasu - np. za dzień) powiedzmy 30mA przy 5V, co daje 3.6Wh dziennie i ponad 1300Wh rocznie.

Znając wieloletnie statystyki nasłonecznienia w Polsce wiemy, że z 1W ogniwa dostajemy ok. 900Wh w roku . Rzecz jasna nie jest to rozłożone równomiernie, bo w lecie będzie dobowo więcej a zimą nawet 50% mniej choćby z powodu mniejszej długości dnia nie licząc słabszej pogody. Zauważ, że to bardzo kiepska wiadomość: z 1W ogniwa dostaniesz w ciągu dnia średnio zaledwie 2.4Wh energii. Wydawałoby się, że np. 10 godzinny dzień powienien dać nam 10Wh.. Powyższy współczynnik zakłada nieruchomy panel patrzący w stronę Słońca na południe, zatem obracanie da rezultat może nawet i 100% lepszy, ale kosztuje energię i komplikuje konstrukcję.

Gdybyś zatem umiał w idealny sposób spożytkować całą energię z ogniwa słonecznego na ładowanie idealnego akumulatora, to potrzebujesz zaledwie ok. 1.5W ogniwo. Niestety: ani akumulator nie ma 100% sprawności ani też nie da się bezpośrednio (bez strat) ładować go ze słońca. Dlatego nawet gdybyś zrealizował najlepszy możliwy scenariusz, to masz: ogniwo słoneczne -> ładowarka LiPol 2S z MPPT (80%) -> akumulator (80%) -> ESP32 i z początkowych 1.5W musisz wstawić prawie 2.5W panel. Podkreślam MPPT - koniecznie dowiedz się co to znaczy, bo przy okazji zrozumiesz wiele o pracy ogniw słonecznych.

A teraz rozwiązanie "od czapy", czyli: ogniwo słoneczne -> power bank (strata na niedopasowaniu do panelu jakieś 50%, samo ładowanie 80%) -> akumulator (80%) -> ponowna konwersja na 5V (80%) -> ESP32, no i robi się panel prawie 6W.

Pomijam fakt, że wejście USB power banku jest przygotowane na czyste 5V/500mA (min) i że być może w ogóle z panelem nie zadziała, bo będzie go zaduszać (zwierać) próbami pobrania wieszego prądu niż aktualnie może wypuścić panel. Cóż, tak działają źródła prądowe - napięcie spada do zera 😞

BTW: Szacunek 900Wh/rok jest pesymistyczny (realistyczny?), ale jeśli masz szczęście mieszkać w południwo-wschodniej Polsce, to możesz liczyć nawet na ponad 1000:

[BiednyStudent]

Wielkie dzięki za konkrety, wreszcie wiem czego nie wiem dzięki Tobie - ale się dowiem!