Едем на солнечной энергии. Солнечное зарядное устройство для электровелосипеда. Часть 1

1. Введение

Здравствуйте, уважаемые читатели Хабра. Меня зовут Илья.

Одним из занятий, которому я посвятил значительную часть своей жизни - является электротранспорт.

Особое внимание я уделяю экзотике в сфере электротранспорта: электрические летательные аппараты, использование солнечной энергии для заряда аккумуляторов и т.д.

Второй год я эксплуатирую экспериментальное зарядное устройство для аккумулятора электровелосипеда на складных солнечных панелях. Они используется как основной источник энергии для передвижения в многодневных автономных путешествиях по глухим местам нашей необъятной на электровелосипеде.

Всего на электровелосипеде преодолено более 92 тыс. км за 10 лет, из них 3000 км было преодолено на солнечной энергии (2021-2022 г), поэтому накопился определенный инженерный и эксплуатационно-технический опыт, которым есть возможность поделиться в данной статье.

2. Краткое техническое описание оборудования

а). Электровелосипед:

• силовая аккумуляторная батарея Li-ion 48V 38Ah 13S12P NCR18650B 1800Wh собственной сборки (150 км пробега на скорости 30 км/ч на трассе, в безветренную погоду). Масса - 8 кг;

• мотор-колесо: Direct Drive Quanshun "500W", заспицованное в 26" обод. Максимальная развиваемая скорость 47 км/ч на заряженной батарее. Масса - 6 кг;

• контроллер мотора: Infineon 6FET с настройкой 1100W мощности;

• рама стальная велосипеда Stels (лучше проявляет себя, чем бывшая до этого алюминиевая).

б). Солнечные батареи суммарной мощностью 260Вт и общей массой 4.9 кг:

• солнечные панели номинальной мощностью 160Вт 18В 8.8А, общей массой 2.7 кг. (разделены на два блока по 80Вт 9В, соединяются последовательно). Имеют складную конструкцию, элементы гибкие, влагозащищенные (модель не знаю, делались на заказ): складываем солнечные панели и убираем в рюкзак.

• дополнительная солнечная батарея с Aliexpress 100W 18V Allpowers. Масса 2.2 кг: обзор и сравнение складной солнечной батареи Allpowers 100W. Ссылка на магазин.

в). Измерительные приборы.
Wh-meter - авиамодельный ватт-метр для измерения мощности и энергии, поступающей от солнечных панелей. Их надо проверять на предмет систематической ошибки в показаниях. В моей модели ток и напряжение измеряет корректно, а энергию и ампер-часы врет на 31%. У другой модельки - плывет "ноль". В целом, они показали себя с лучшей стороны, в полях ни разу не подводили.

г). Солнечный контроллер на базе повышающего преобразователя "DC-DC Converter 400W". Ссылка на магазин.

Оснащен дополнительной платой стабилизации входного напряжения DC-DC конвертера - свежая доработка, о которой речь пойдет подробнее в следующей части статьи. Доработка позволила отказаться от буферной 18В батареи, которая раньше стабилизировала работу повышающего DC-DC преобразователя. С нею DC-DC преобразователь превращается в полноценный солнечный контроллер с ручной установкой режима максимальной мощности.

д). Туристическое снаряжение для ночевки и жизни на природе: палатка, спальник, коврик, котелок, горелка, надувная подушка, ремонтный комплект, посуда и прочее.

Одно из видео прошлого года, снятое во время похода - обзорный рассказ, демонстрация.

3. Фото. Какую мощность выдают панели

Недавно была приобретена дополнительная солнечная батарея 100W 18V Allpowers:

Суммарная мощность в наилучших условиях (холодная погода, небо без дымки, перпендикулярные лучи) стала достигать 260Вт (было 160Вт):

Летом я обычно рассчитываю на рабочее значение 170-190Вт (было 100-115Вт) из-за неидеальности условий: прогрев панелей и падение их КПД (основной вклад), не всегда правильный угол падения лучей, травинки, дымка, облака и т.д.

Дальнейшее увеличение числа солнечных панелей наталкивается на значительный их вес.
Сейчас достигнуто комфортное сочетание достаточной мощности, приемлемого веса и габаритов в сложенном состоянии: 310х250х160 (суммарный занимаемый объем в рюкзаке всем комплектом).

4. Размещение снаряжения на велосипеде

Внутри треугольника рамы: Li-ion аккумулятор 48V 38Ah.

Выше: тент палатки с дугами, обернутый в полиэтиленовую пленку (пленка пригождается, когда надо укрыть велосипед от осадков).

На багажнике: черный чехол со спальником и завернутым внутрь него пакетом с ремкомплектом.

На черном чехле: синий чехол с внутренней частью палатки.

На передней вилке закреплена бутылка с водой 1л, крепится резинками, нарезанными из велосипедных камер.

В рюкзаке все остальное: коврик, солнечные панели, электроника, посуда, еда, одежда.

Вес снаряженного рюкзака составляет около 12-13 кг, но он при езде опирается на упакованные чехлы на багажнике и спина разгружается почти полностью. Был опыт езды, не слезая с этим рюкзаком 10 часов подряд - спина чувствовала себя вполне нормально.

5. "На сколько км хватает заряда от Солнца?"

Из опыта прошлого года, когда в наличии был только 160 Вт комплект солнечных панелей, в период с восхода Солнца до 16-00...17-00 удавалось накопить около 0.9-1 кВт-ч энергии, чего хватало на 70-80 км пробега. Таким образом, с утра до наступления вечера шла зарядка, в течении которой, в спокойном темпе, выполнялись все обязательные хозяйственно-бытовые операции: приготовление еды, обслуживание физического тела, проверка и ремонт снаряжения, сборы. Вечером выполнялось передвижение по маршруту. Сумерки - разбитие лагеря на новом месте. Ночевка. Утром - подъем, выставление панелей, зарядка - цикл повторяется.

Был (есть) также вариант отзаряжаться целый день, никуда не перемещаясь. Тогда на одном и том же месте ночевка происходила две ночи и к следующему дню: +1.3 кВт-ч, чего уже хватало на 110 км пробега. Так рационально поступать, когда прогноз обещает один день ясный, а следующий за ним - пасмурный.

Добавление солнечных панелей с номинальной суммарной мощностью 260 Вт должно увеличить все параметры примерно в 1.5 раза.

Пока статистики мало, но я ожидаю от "прибавления в семье" пробега 110-130 км в день.

С использованием 260 Вт комплекта солнечных панелей - опыт накоплен пока не очень большой. Был осуществлен только один 650-километровый маршрут Нижний Новгород-Арзамас-Большое Болдино-Нижний Новгород, но он происходил преимущественно в пасмурно-облачную погоду, из-за чего я его преодолевал целых 10 дней.
Был только один более-менее малооблачный день. С утра и до 18-00 уровень заряда аккумулятора электровелосипеда был доведен с 7% до 100%. Из этого следовало, что было набрано около 1.65 кВт-ч. Данный результат меня вполне устроил - еще оставался остаток светового дня, который был потрачен на перемещение по маршруту.

6. "Какая средняя скорость движения?"

Скорость на маршруте поддерживается в диапазоне 22-33 км/ч, в зависимости от качества дороги, наличия встречного ветра, живописности местности.

Довольно часто, едешь медленнее, чем позволяет энергозапас, так как новая местность привлекает своей красотой и ее хочется рассмотреть более внимательно.

Расход в ватт-часах на километр пути у меня неплохо совпадает с популярным графиком, который ходит в электровелосипедных кругах (поправка примерно 10% в бОльшую сторону):

Расход ватт-часов на км пути растет почти квадратично от скорости движения. Для электровелосипеда (и для любого электротранспорта) предельно актуальна поговорка: "Тише едешь - дальше будешь". Расчеты показывают, что на велосипеде, на скоростях выше 25 км/ч аэродинамическое сопротивление начинает превышать все остальные потери механической энергии при движении.

Я раньше ориентировался на этот график, когда производил расчет достижимости тех или иных районов на местности, но теперь за много лет сформировалось особое "чутье ватт-часов", когда уже подсознательно ощущаешь какой режим движения надо выбрать, чтобы доехать. Конечно, важную роль играют установленные на руле электровелосипеда спидометр, одометр, датчик израсходованных ампер-часов, напряжение силовой батареи.

Огромную роль играет "поправка на ветер", из-за чего перед выездом тщательно изучаешь метеорологический прогноз.

Ветер - страшная сила. Он может позволить тебе ехать со скоростью 45 км/ч с расходом энергии, как будто ты едешь 20 км/ч и наоборот. Впрочем, любой, кто имел опыт езды на велосипеде - знает об этом.

Пример скриншота с сайта Windguru (сейчас доступен только через VPN), где на одном из маршрутов был сделан вывод, что начинать движение надо на запад, и возвращаться через пару дней. Расчет оправдался, была не езда, а песня.

7. "Можно ли крутить педали?"

Можно. Иногда даже нужно, когда внезапно появляется необходимость увеличить скорость и/или пробег, а лишних ватт-часов по каким-то причинам нету. Долговременную мощность ног велосипедиста-любителя можно оценить значением 100-150Вт. Час кручения: +100...150Вт-ч энергии в систему. Таким образом, однажды, я преодолел 200 км "за один присест" в течении вечера и ночи имея энергозапас на всё про всё всего 1700Вт-ч. Участок от границы с республикой Марий Эл до севера Нижегородской области. Необходимо было успеть завершить маршрут до прихода циклона.

Также, крайне положительно влияет на работу электровелосипеда помощь педалями при подъеме на крутой затяжной подъем.

Тут имеет место специфика Direct-Drive мотора (он был выбран из соображений ресурса и максимальной скорости), приводящая к сильному падению его КПД, когда он работает на малой частоте вращения при большом значении крутящего момента ("внатяг"). Здесь разгрузка мотора педалями помогает сохранить ватт-часы, чтобы они не перешли в тепло, снизить риск перегрева мотора, контроллера и т.д.

(Предвижу еще один вопрос: "Почему не был выбран кареточный Mid-drive мотор?". Ответ: появляется фактор износа цепи и звезд. На больших годовых пробегах принципиально важно, чтобы не было ни одного изнашивающегося механического элемента. Direct-Drive полностью удовлетворяет данному требованию).

Ресурс мотора мне крайне важен. У редукторников каждые 10 тыс. км подходят к исчерпанию ресурса нейлоновые шестерни и их требуется заменять. 10 тыс. км - это всего один год в моем стиле езды. Это очень мало.

Максимальная скорость. Это тоже важный параметр. Несмотря на то, что в походе обычно поддерживается неспешная скорость, крайне необходимо иметь возможность ускориться до 45-50 км/ч - например, чтобы удрать от стаи собак или не только от собак...

Также, немаловажную роль играет наличие рекуперации, которая обычно "идет в комплекте" с моторами прямого привода.

8. "Нужна ли рекуперация?"

Мне - очень. Дело не сколько в возврате ватт-часов обратно в аккумулятор, а в экономии ресурса дисков и тормозных колодок. Снаряженный электровелосипед со всем оборудованием весит около 50 кг + вес райдера. Перемещения происходят на большие расстояния, значительная инерция из-за возросшей массы - стоковые велосипедные тормоза (не рассчитанные на такие нагрузки) попросту будут "гореть огнем", если не электромеханическое торможение. При затяжном спуске рекуперация позволяет забрать 80-95% энергии, которая бы пошла на износ тормозов, которые, увы, в нынешнее время уже не стоят три копейки (и снова камень в огород моторам Mid-drive - у них тоже нет рекуперации).

Хотя и лишние 1-2 ампер-часа, которые возвращаются за поездку - тоже лишними не оказываются :)

9. "Почему не используется тележка? Можно было бы положить больше снаряжения и держать панели развернутыми, заряжать АКБ в движении?"

Тележка - это ухудшение проходимости и увеличение занимаемого места на трассе.
Если с первым пунктом еще можно справиться, то вот второй - стал камнем преткновения.

Часто асфальт на дорогах проложен так, что попутная полоса имеет ширину равную ширине одного грузового автомобиля (а подчас и легкового) и порою, без каких-либо тележек тебя не всегда могут обогнать - приходится спрыгивать на обочину, чтобы пропустить автотранспорт. С тележкой, в сложных дорожных условиях, при сильном трафике, такой фокус не пройдет и придется либо постоянно ехать по обочине, по гравию и песку, или задерживать автотранспортный поток, вызывая гнев и негодование водителей своей шириной и тихоходностью.

Немаловажным моментом является фактор привлечения внимания у местного населения в отдаленных районах. Не всегда дополнительное внимание от разных социальных слоев бывает полезным. Отсутствие тележки позволяет иметь вид "почти обычного велосипедиста", который вызывает меньший интерес. Меньше интерес - меньше вероятность вопросов "Сколько жрёт/Сколько прёт/Поставь генератор на переднее колесо для подзарядки", на которые не всегда есть настроение реагировать.

10. "Всего сотня км в день? Да я на педалях, без всякого электричества, проеду больше!"

Минуточку внимания:

• с туристическим снаряжением;

• последующей ночевкой в лесу/поле;

• завтра - снова сотня;

• послезавтра еще сотня.

Уверен, что не каждый молодой человек, встав из-за офисного кресла, будет готов к таким спортивным выкладкам.

А если и даже готов, то что из этого?

Не пропадает же смысл в покупке удочки, когда есть рыба в магазине.

И серфингисты не откажутся ловить волны, в то время как билеты на теплоход имеются в свободной продаже. Сюда же можно отнести коротковолновое радиолюбительство в эпоху интернета, да и практически любой hand-made и DIY при наличии почти любых товаров на AliExpress. Это иррационально, но это останется, ибо сознание человека не описывается только лишь рациональными алгоритмами.

Просьба для уважаемых спортсменов воспринимать в данной статье термин "электровелосипед" как "колесная платформа для экспериментов с электричеством", а не как "спортивный педальный снаряд".

Исключительно по экономическим и промышленным причинам в качестве такой колёсной платформы для научных экспериментов была использована основа от велосипеда. То, что на на этой научно-технической платформе остались педали и она внешне напоминает велосипед - просьба воспринимать это как случайный казус и забавное сходство :)

11. "Солнечные батареи - это дорого. Не проще ли подзаряжаться на трассе на АЗС/в кафе, беря с собою сетевое ЗУ?"

Зависит от задачи и ситуации. В прошлом году была необходимость оперативно прибыть в Москву из Нижнего Новгорода (~400 км). Тут у мощного ЗУ (1кВт) нет конкуренции.

Другое дело, когда есть желание удалиться от социума, ощутить слияние с природой, с космосом. Тогда маршрут простраивается таким образом, что на нем может не быть ни кафе, ни шиномонтажек, ни АЗС. Как правило, астральная энергетика хороша именно там, где минимизировано воздействие человечества на окружающую среду. И для того, чтобы пополнить запасы другого типа энергии, нежели чем та, что измеряется в джоулях (более тонкой, имеющую психическую природу), и затевается вся эта неспешная операция.

12. "За какой еще астральной энергетикой? Астрала не существует!"

Существует. Еще как существует. Без него невозможна была бы такая вещь, как "квалиа" и прочие феномены, которые несводимы к электрохимическим процессам внутри мозга. Возможно, я об этом напишу отдельную статью.

Впрочем, уважаемые читатели, я отвлекся от главного.

Читайте в следующей части про то, как решалась проблема конверсии 18В от солнечных панелей в 48В для заряда аккумулятора электровелосипеда.