Как я собрал солнечную станцию своими руками: детальный обзор компонентов и процесса сборки

Всем привет! На связи Владимир Мостовой, менеджер по инцидентам компании «Флант». После того как я два дня прожил без электричества из-за аварии на подстанции, я решил, что дома должно быть резервное питание. К тому же оно будет полезно не только при отключении света, но и при выезде на природу. При этом я решил, что самостоятельно соберу источник, так как у меня есть небольшой опыт работы с электроникой, а также много разных инструментов для этого. 

В этой статье я расскажу, почему решил сделать именно солнечную станцию, и детально распишу основные её части, а ещё объясню, что понадобится для сборки. Из последней части вы узнаете, как собрать подобный источник энергии. Спойлер: он прошёл мои испытания и отлично работает.

Почему я решил сделать солнечную станцию

Чтобы определиться с характеристиками резервного питания, я решил посмотреть, какие у меня основные потребители энергии дома при отключении электричества и на природе:

• Основные потребители дома:

  • ноутбуки (Macbook Pro M1 / Asus VivoBook S433J);

  • телефон (iPhone 13 mini);

  • паяльник (FNIRSI HS-01).

• Основные потребители на природе:

  • дорожный холодильник (Alpicool);

  • фонарь налобный (3×18650);

  • электромотор для лодки (WaterSnake T24).

Это помогло выбрать необходимую мощность резервного питания: не менее 240 W по линии 12 V.

Ещё нужно было определиться с форматом резервного питания. Например, есть бензиновые генераторы:

Но они слишком громоздкие, шумные и требуют обслуживания. Оказавшись без электричества, не очень приятно заниматься прогревом свечей и поиском бензина. Также этот вариант нельзя использовать в квартире. 

Ещё один вариант источника питания — инвертор + свинцовый аккумулятор:

Но это тоже будет не лучшим решением в плане удобства. Электроника не очень «рада» модифицированному синусу по линии 220 V, так как слышно, как шумят дроссели в блоке питания ПК, моторы электроинструмента начинают очень противно трещать, а некоторая техника и вовсе отказывается работать. А делать дополнительные крокодилы для разъёма прикуривателя казалось сомнительным вариантом.

В итоге я выбрал солнечную станцию. Во-первых, я живу в южном регионе, где много солнечных дней, и часто езжу на природу, где необходимо электричество. Во-вторых, панели солнечной станции удобно транспортировать, так как они гибкие и складываемые. В-третьих, это экологичный источник энергии.

Для начала я решил посмотреть готовые устройства на AliExpress, Ozon и Wildberries. Но там я не смог найти подходящие варианты, потому что меня смущали следующие моменты:

• Несоответствие заявленной ёмкости аккумуляторов. В большинстве случаев непонятно, какие ёмкости используются, в какой компоновке и сколько.

• Некачественные платы «мозгов» и инвертора. В большинстве случаев используются платы с недостаточным охлаждением, компонентная база очень дешёвая и ячейки батареи из обычных, не высокотоковых аккумуляторов, а также модифицированный синус, о котором поговорим чуть позже.

• Высокая цена. Более-менее адекватные варианты стоят от 35 тысяч рублей, например Wattico Camp 600.

По этой причине я решил сделать солнечную станцию своими руками.

Что использовал для построения солнечной станции

Для построения проекта потребовались:

• 30 высокотоковых ячеек 18650 от LiitoKala («шоколадки»);

• контроллер солнечной панели с поддержкой режима заряда Li-ion батарей;

• два разъёма типа «мама» 5,5×2,5;

• разъём прикуривателя;

• две кнопки с фиксацией; 

• одна кнопка без фиксации;

• прожектор 12 V;

• пластиковые холдеры для аккумуляторов 18650;

• ящик для инструментов;

• блок зарядки от прикуривателя 65 W;

• тройник;

• солнечная панель;

• провода (акустические 2,5 квадрата и 1 квадрат);

• бесперебойник (UPS для ПК).

Из инструментов:

• паяльник и расходники к нему;

• мультиметр;

• лабораторный блок питания (FNIRSI DC-6006);

• зарядное устройство (iMax B6);

• тестер ёмкости (DL24);

• осциллограф (FNIRSI DSO Pro);

• точечная сварка и расходники к ней;

• обжимник и клеммы;

• руки из плеч 😅.

Теперь разберём основные составляющие станции.

Аккумулятор

Это сердце солнечной станции, хранилище энергии. Для него я выбрал высокотоковые элементы 18650 от LiitoKala, так как раньше я использовал подобные для сборки аккумулятора для электросамоката и портативных аккумуляторов. И они очень хорошо себя показали: соответствуют заявленной ёмкости, хорошо переживают высокотоковые нагрузки, цена не кусается (около 160 рублей за одну ячейку, если брать оптом, пример). 

Соединяются батареи по схеме 3s10p:

При сборке нужно обязательно использовать BMS 3s для лития и ампераж не ниже 40 A. Подключаем по следующей схеме:

Если следовать этой сборке, мы получим такую батарею:

Эти аккумуляторы я протестировал в других сборках. Например, есть у меня аккумуляторы, которым уже больше четырёх лет и у которых количество циклов заряд-разряд явно перевалило за тысячу. Также они эксплуатируются под большими токами. Вот пример теста такого такого аккумулятора:

На заряд с 3,0 V аккумулятор потребил 2272 mА. Это хороший показатель, но он не даёт точной картины, так как часть энергии теряется в процессе заряда. Нужно понимать, сколько мы получим с него в итоге.

Теперь проверим, сколько аккумулятор сможет отдать на разряд:

На разряд c отсечкой на 3,0 V аккумулятор отдал ~2100 mAh

Полученные результаты меня полностью устраивают: у меня есть ячейки, которые с момента покупки отдают заявленные 3000 mA, а в процессе эксплуатации за многие годы потеряют лишь >30% от общей емкости. С учётом того, что во время эксплуатации на них не будет таких высоких нагрузок, как на тестируемых, то устройство послужит продолжительное время. Явно дольше, чем тот же свинцовый аккумулятор или сомнительное готовое решение из онлайн-магазина. 

Примечание

Продавцы на AliExpress часто указывают космические характеристики для данных ячеек, которые не соответствуют действительности. В этом случае можно проучить продавца, который преувеличивает показателях. Например, у меня есть достаточно мощный тестер ёмкости. Я дал нагрузку из описания товара и, естественно, получил критическую просадку по вольтажу. Получается, что товар не соответствует заявленным характеристикам, поэтому можно открывать спор и смело просить половину стоимости назад.

Контроллер

Я выбрал самый дешёвый и доступный с быстрой доставкой по РФ. Не вижу смысла переплачивать за MPP-контроллер, который будет «выжимать» все соки из солнечной панели. Да и стоимость проекта резко увеличится, как и габариты. Мощность подключаемой солнечной панели не будет выходить за 100 W. Дополнительный плюс — не нужно покупать зарядное устройство для литий-ионной сборки (12,6 V). Такой контроллер сможет зарядить батарею и от блока питания ноутбука на 19 V. Покупал на Ozon по ссылке. 

Плата инвертора / бесперебойник

В данном случае нет смысла заказывать сомнительные платы с маркетплейсов, где будет модифицированный синус или несоответствие заявленной мощности (о вреде этих моментов я говорил выше). На том же «Авито» можно найти бесперебойник с мёртвой свинцовой батареей за 300 рублей или бесплатно.

При переделке платы бесперебойника для корректной работы с литием нужно обратить внимание на следующие моменты:

• Критично низкое напряжение свинцовой батареи гораздо выше, чем у литиевой сборки, значит, нужно «сместить» порог отключения ИБП. Делается это экспериментальным методом с подстроечным резистором. Необходимо выпаивать резисторы в районе операционного усилителя на плате, ставить подстроечный резистор и с помощью лабораторного блока питания «играть» с напряжениями. 

  Как только будет найден необходимый резистор, останется подобрать нужное сопротивление к вольтажу отключения. В моем случае это было 75 кОм. Но тут, полагаю, можно сильно не заморачиваться и поставить большее сопротивление. Плата BMS при критичной просадке вольтажа уйдёт в защиту и отключит потребитель.

• Обычно ИБП уходят в автоотключение спустя 10 минут. На платах предусматривается отключение данного режима. В моём случае — замыкание перемычки JMP1.

• Для комфорта советую выпаять бипер, чтобы не бил по ушам.

Как я собирал солнечную станцию

Для сборки нам понадобится ящик для инструментов, который подойдёт по размерам к компонентной базе. Схема сборки следующая:

По этой схеме я собрал следующее устройство:

В местах, где есть ответная часть для клемм, использовались клеммы. А провода между собой соединялись пайкой. Для надёжности я закрепил детали силиконовым герметиком, чтобы избежать замыканий и повреждений при транспортировке.

Так выглядит станция в закрытом виде:

 На выходе мы получаем 228 W и что-то похожее на синус. По крайней мере, электроника от данного источника работает отлично и посторонних шумов под нагрузкой замечено не было. 

На этом этапе может возникнуть вопрос, почему бы не использовать сразу инвертор, который уже идёт с розеткой, толстыми проводами и информационным дисплеем. Изначально я рассматривал такие внедрения в данную сборку. Но модифицированный синус даёт о себе знать (о проблемах я говорил выше). С текущей платой ИБП такого замечено не было, да и переплачивать за «кота в мешке» с маркетплейсов нет смысла. 

В итоге получаем:

• питание от прикуривателя для любых потребителей, рассчитанных на работу от данного разъёма: в моём случае это паяльник, зарядка для телефона и ноутбука;

• стационарное освещение (прожектор);

• источник 220 V — по сути розетка (в моём случае на 600 W, а в пике кратковременно может и больше выдавать);

• вывод 12 V на разъём 5,5×2,5 — можно подключать технику, которая работает от 12 V, но не переведена на разъём прикуривателя.

Вот небольшой набор проводов, которые перемещаются вместе с солнечной станцией:

1. 5,5×2,5 — для подключения батареи к солнечной панели;

2. 5,5×2,5 — Type-C для зарядки батареи от блока питания;

3. 5,5×2,5 — 2pin автомобильный разъём (для подключения лодочного электромотора);

4. 5,5×2,5 — «крокодилы» (для прочей техники)

Итоги

Весь проект обошёлся мне в ~11 500 рублей. Точные цены по деталям получились следующими:

• 30 ячеек 18650 — 4800 рублей, но после спора вышло — 2400 рублей; 

• контроллер солнечной панели —750 рублей; 

• два разъёма типа «мама» 5,5×2,5 — 60 рублей; 

• разъём прикуривателя — 150 рублей;

• две кнопки с фиксацией — 60 рублей;

• кнопка без фиксации — 30 рублей;

• прожектор — 300 рублей;

• пластиковые холдеры для аккумуляторов 18650 — 500 рублей; 

• ящик для инструментов — 900 рублей;

• блок зарядки от прикуривателя 65 W — 600 рублей; 

• тройник — 300 рублей;

• солнечная панель — 5200 рублей;

• провода, клеммы — 200 рублей; 

• бесперебойник (UPS для ПК, с неисправной свинцовой батареей) — достался даром. 

Эта солнечная станция уже прошла полевые испытания на природе и полностью соответствует моим ожиданиям. Из планируемых доработок хотелось бы добавить разъём Type-С с триггером на 20 V, чтобы не использовать дополнительные переходники при зарядке станции от розетки.