Naši meteostanici pohání solární článek menší než známka a nemá ani baterii

Není kutila, který by si nepostavil alespoň jednu malou meteostanici, byť by měla měřit jen teplotu vzduchu pod pergolou na zahradě, anebo ve stínu na balkoně.

Prozkoumejte další články ze seriálu Pojďme programovat elektroniku

Bastlíř může sáhnout po hotovém prototypovacím řešení – třeba po české stavebnici LaskaKit Meteo Mini 2.0 s radiačním štítem, mikropočítačem s Wi-Fi, čidly, lithiovým akumulátorem a solárním dobíjením –, anebo si to celé poskládá na koleni.

V dnešním pokračování našeho seriálu o programování elektroniky si ukážeme cestu, jak podobnou legraci napájet jedním jediným solárním článkem velikosti poštovní známky, i když vyrobí napětí jen v řádu stovek milivoltů a prakticky zanedbatelný elektrický proud.

Video: Titěrný 0,6V solární článek může pohánět celou meteostanici

V zimě jsem nahradil baterii za kondenzátor

Všemu předcházela modernizace mé vlastní venkovní meteostanice letos v zimě, u které mě už nebavila pravidelná výměna dvojice 1,5V tužkových baterií AAA zapojených v sérii.

I když dodaly použitelné napětí zhruba na rok a půl provozu, meteostanici pečlivě zapouzdřenou v plastovém štítu jsem musel pokaždé tak jako tak složitě demontovat. Vše totiž drželo pohromadě díky soustavě stahovacích pásek, aby elektronika nespadla z pátého patra panelového domu na hlavy babiček, které kdesi patnáct metrů pod mým balkonem pravidelně venčí své pudly.

Naprosto primitivní solární dobíjení kondenzátoru jen s usměrňovací diodou a 3V regulátorem. Kryt a nožku panelu, ve které je schovaný kondenzátor, jsem si vyrobil na 3D tiskárně. Vše funguje na jedničku i po čtyřech měsících 

Dvojici článků AAA jsem proto nahradil bezúdržbovým a minimalistickým systémem s 5V solárním panelem z AliExpressu. Za panel jsem tehdy připojil jen usměrňovací diodu a regulátor, který napětí transformoval na 3 V, a k němu konečně EDLC superkondenzátor od Eatonu s nízkým vnitřním odporem (ESR) a poměrně předimenzovanou elektrickou kapacitou 100 F.

Namísto extrémně žravé Wi-Fi 868MHz vysílač

Celému postupu a ostrým testům jsem se věnoval na stránkách časopisu Computer 23/3, takže jen stručně. Stofaradový kondík se během dne vybil jen o malý díl, meteostanice tak byla dimenzovaná i na apokalyptický scénář zhruba tři až čtyři týdny trvající tmy. Díky bohu nenastala. Každé ráno a nehledě na roční období a počasí se pak během několika desítek minut opět okamžitě dobil. Jasně, i během únorového zakaboněného šera.

Logické schéma naivního napájení meteostanice s kondenzátorem a solárním panelem

Nebylo divu, jako řídící počítač jsem totiž tehdy použil severočeskou prototypovací stavebnici Hardwario Tower postavenou na armovém mikrokontroleru STM32L083CZ (Cortex M0+) a energeticky úsporném 868MHz vysílači SPIRIT1.

Aplikační framework s událostně-řízenou logikou zatěžuje řídící čip jen velmi málo, procesor tedy může být po většinu času v úsporném režimu a celý bastl s dvěma tužkovkami a běžnými meteorologickými čidly pak vydrží klidně i rok a déle podle toho, jak často budete posílat data.

Únorový přechod z bateriového na solární/kondenzátorového napájení a detail posledních 48 hodin. Kondenzátor se hned ráno dobije na 3 V a přes noc vybije o několik desítek milivoltů 

Možná teď namítnete, že jsem mohl rovnou použít třeba lithiový akumulátor, jednoduchý dvouvrstvý superkondenzátor s vysokou elektrickou kapacitou a napětím 3 V nicméně v mém nízkoenergetickém scénáři nevyžadoval žádné další ochranné obvody pro práci s Li-ion/Li-pol.

Suma sumárum, vše fungovalo bez dalšího zásahu do stavebnice, která si myslela, že ji stále napájí dvojice tužkovek.

Co kdybychom nahradili panel solární buňkou?

Bylo to ale opravdu extrémně naivní a neefektivní, v solárním obvodu jsem totiž vůbec nesledoval tzv. bod maximálního výkonu MPP (Maximum Power Point). V praxi to sice ničemu nevadilo, meteostanice totiž i při rádiovém odesílání dat propálila nejvýše nějakých 60-80 miliwattů elektrické energie, ale co kdybychom chtěli malý polykrystalický panel z AliExpressu nahradit něčím mnohem zajímavějším?

Maličká fotovoltaická buňka Anysolar

Co kdybychom jej zmenšili až na úroveň jedné jediné monokrystalické fotovoltaické buňky s rozměry pouhých 2,3×0,8 centimetrů? Počkat, Kubo, ty nám chceš říci, že by mohl kompletní venkovní meteostanici, která měří všechny myslitelné fyzikální veličiny od teploty vzduchu po úhrn srážek, dobíjet droboučký proužek, který jsme měli naposledy třeba na školní kalkulačce? Jasně! A dnes si to vyzkoušíme v praxi.

Anysolar KXOB25-14X1F-TR

Krátce po vydání první verze našeho experimentu jsem proto objednal několik monokrystalických buněk KXOB25-14X1F-TR z jihokorejské fabriky Anysolar. Na skladě je má třeba DigiKey zhruba za 60 korun, cenu nicméně drasticky navýší expresní poštovné z amerického skladu kdesi v Minnesotě. Náročné bastlení už holt není žádný laciný (a často nekvalitní) AliExpress.

Samotná buňka stojí pár kaček, při nákupu z amerických skladišť ji ale prodraží poštovné

V každém případě, za tuto částku získáte článek, který při plném osvitu vyrobí v otevřeném – rozpojeném – obvodu 690 mV (V_OC – Open Circuit Voltage) a ve zkratu dodá proud až 58,6 mA (I_SC –Short Circuit Current).

Voltampérová charakteristika solárního článku

Počkat, počkat, jaký otevřený obvod a naopak zkrat? Tyto hodnoty jsou mi k ničemu, ne? Nikoliv, jsou naopak důležité, představují totiž hraniční údaje pro zjištění právě onoho bodu maximálního výkonu MPP, který jsem zmínil o pár odstavců výše.

Vše nám osvětlí voltampérová charakteristika modelové fotovoltaické buňky, tedy vztah mezi jejím napětím a proudem při vynesení na graf. Tento vztah není lineární. Když k buňce nepřipojíme žádný spotřebič, na jejích elektrodách bychom při dokonalém osvitu naměřili nejvyšší možné napětí – tedy ono napětí otevřeného obvodu V_OC (690 mV v případě našeho Anysolaru).

MPP a zatěžovací výkonová charakteristika fotovoltaického článku Anysolar 

Rozpojeným obvodem neprotéká žádný proud, protože je vzduch oddělující obě elektrody dobrý izolant, a tak předpokládáme nekonečně vysoký elektrický odpor. Když ale odpor začneme snižovat (zapojíme buňku do obvodu), sice jím začne protékat elektrický proud, s jeho navyšováním ale bude zároveň klesat napětí.

Když odpor snížíme na minimum (zkratujeme obě elektrody dobrým vodičem), buňka bude vyrábět nejvyšší možný proud I_SC (58,6 mA v případě našeho Anysolaru), ovšem elektrické napětí nám klesne prakticky na nulu.

Jak funguje fotovoltaika a jak je možné, že vyrábí elektřinu. Od elektronových děr po Multi-Junction a perovskit

Co s tím? Musíme ve VA charakteristice – respektive v zatěžovací výkonové charakteristice fotovoltaického článku – najít místo, kde součin elektrického napětí a proudu – tedy výkon – dosahuje nejvyšší hodnoty. Bystří už tuší, že přesně toto místo je onen bod MPP.

Jen pro představu, naše solární buňka Anysolar KXOB25-14X1F-TR v tomto bodě vyrábí 55 mA (I_MP) při napětí 560 mV (V_MP), takže disponuje nejvyšším možným výkonem 30,8 mW (P_MP).