14 Вт солнечная батарея или победа маркетинга над здравым смыслом и ... покупателем

Получил, наконец, купленные перед Новым Годом солнечные батареи на 14 Вт. Одна с USB выходами, а вторая, с двойным — 18 В (рабочих) и 5 В USB.
Оценив качество пошива и самих ламинатов с фотоэлементами на «отлично», приступил к более пристрастному изучению батареи. Для начала, посчитав количество фотоэлементов в пластине ламината (12 шт) определил, что каждая секция солнечной батареи должна давать 6В (рабочих). И тут у меня начал медленно эээ… «вставать вопрос» — каким образом китайцы соединили 4 (четыре!) пластины по 6 В, чтобы получить в итоге 18 В? Чую, надувают, но где?
В конце-концов, любопытство взяло вверх и я решился провести вскрытие свежеприбывших батарей, итогом чего и стала эта статья.

Для начала, вступление для любителей разглядывать упаковку и изучать историю трудного пути посылки от продавца к покупателю.
Батареи были куплены за свои кровные 11-го декабря за 2800р с небольшим, сейчас, правда, цена вдвое выше, но, предполагаю, что это связано с китайским Новым годом, когда продаж почти нет, и потом она снова опустится
.
Не в первый раз покупая солнечные батареи, и зная дурную привычку китайцев отсылать их почему-то самой медленной почтой, попросил продавца отправить ее более быстрым путем, пообещав, что если батареи будут хорошими, куплю у него еще. Продавец радостно согласился и отправил посылку почтой Швейцарии.

Итого, уже 27-го декабря посылка прошла таможню, о чем продавец поспешил мне напомнить сообщением на странице заказа и предложил срочно бежать на почту ее получать. Ага, размечтался — от таможни до почты надо еще довезти, а тут праздники на носу, так что путь может оказаться ооочень долгим, что я китайцу и разъяснил с помощью доступных приличных выражений онлайн переводчика.

Предчувствие меня не обмануло, посылка появилась на почте только 7-го января и через пару дней была забрана.
Упакованы батареи были в индивидуальные коробки с «фиговым листочком» пенки, изображающей мягкую прокладку. Обе эти коробки с солнечными батареями были уложены еще в один ящик, обмотанный всеми любимым желтым скотчем. (ящика на фото нет, кому надо, пришлю его фото в фас и в профиль в индивидуальном порядке ;)


Любителей ругать почту России, поспешу «обрадовать» – все целое. Вообще, вот уже много лет, часто покупая в том же Китае, не замечаю, чтобы работники почты зверски топтались по посылкам или совершали с ними какие-либо иные непотребные действия. Вот и сейчас, всё пришло целым и невредимым. И даже коробка не помялась. ;)
Конечно, допускаю, что бывает всякое, но статистика (моя) говорит, что «всё будет хорошо». (ттт, чтобы не сглазить)

Вернемся к нашим «баранам»… солнечным батареям.
Они имеют следующие заявленные характеристики.
1. Выходная мощность — 14 Вт.
2. Выходной ток (рабочий или короткого замыкания неизвестно) — 0.6 А
3. Выходное напряжение рабочее/без нагрузки — 18 В / 22 В
4. Напряжение на USB выходе — 5В
5. Заявленный ток USB до 1.5 А для батареи с двойным выходом (18 В и 5 В), до 1 А + 2 А для батареи с двумя USB выходами.
6. Размеры в сложенном/развернутом состоянии — 23х17.5х3.5 / 86х23х0.3 см
7. Вес измеренный — 0.67 кг.
8. Материал фотоэлементов – монокристаллический кремний. (КПД около 19%, производство или Delsolar в Тайване, или Sharp в Японии).
9. Выходные разъёмы – USB и круглый 5.5х2.1 мм.

Комплектация батарей… ну, в общем, отсутствует – в коробке, кроме пенки-прокладки больше ничего нет. Хотя, было бы логичным положить разъём прикуривателя («маму») в батарею с 18 В выходом.

На фото ниже батареи в разных «позах». В основном, позирует батарея с двойным выходом (18 В плюс 5 В) – она в пустынном камуфляже. В темно-зеленом цифровом камуфляже батарея с двумя USB выходами. На сайте продавца предлагаются также еще две расцветки – лесной камуфляж и черная. (Практичнее темные цвета, т.к. на светлом камуфляже через небольшое время становятся заметны засаливания (от слова – сало ;) вдоль проводов, которые идут по задней поверхности солнечной батареи и создают бугры на ткани, за которые и цепляется грязь. Но темная ткань больше нагревается на солнце, что тоже не шибко хорошо.)

Батарея в сложенном виде.

Разложенная.


Клапан с карманом и выходными проводами.

Обращает на себя внимание качественное антибликовое покрытие.

Фото со вспышкой под 90 градусов к поверхности батарей – бликов не видно.

А также, ровная нарезка фотоэлементов в ламинате. (т.к. через мои руки прошли сотни солнечных батарей, то удалось повидать всякие – и с криво уложенными элементами, и с неровными гранями, с мусором и пузырями под ламинатом и т.д., и т.п. – повторюсь, ламинаты здесь весьма качественные, по крайней мере, внешне)

Как уже сказал выше, на каждой пластине установлены 12 фотоэлементов, выдающих в сумме 6В в точке максимальной мощности.

На корпусе есть карман в котором находится кабель выхода 18В. Этот карман китайцы, как будто специально пошили под размер повербанка типа «Вампирчик-Цифра»

В задней части кармана есть квадратная дырка (отверстие), чтобы провода, часто подключаемые именно в торец накопителя или другого гаджета, не упирались в стенку кармана и не выламывали ему разъём.

Также, на клапане прикручена коробочка с USB разъемом (одним или двумя в разных батареях), в которой расположен импульсный понижающий стабилизатор напряжения. Стабилизатор делает стабильные 5В из напряжения идущего с пластин солнечной батареи, которое может быть больше 7В в отсутствии нагрузки.

На каждой коробочке со стабилизатором есть светодиод, показывающий, что батарея работает. На фото ниже, стабилизатор солнечной батареи с двумя USB. Карман у него, соответственно, пустой без провода для 18 В выхода.

По краям батареи пришиты веревочные петли для крепления. Правда, надеяться на них я бы не стал – они держатся всего лишь на нескольких нитках шва, который идет по контуру батареи. Никаких дополнительных прошивок для прочности нет. (впрочем, нормальному туристу побаловаться иголкой с ниткой не привыкать.)

Итак, «скальпель… спирт… огурец» и приступаем к вскрытию.
Батарея разбирается легко – достаточно распороть боковой шов и мы получаем доступ к ее «внутренностям».

Видим качественную шкурку-тряпочку, с обратной стороны покрытую пластиком и полностью водонепроницаемую (в случае чего, может служить заплаткой для баллонов катамарана или шкуры байдарки ;). Под ней тонкий слой черного поролона, который скрадывает провода, идущие по задней поверхности пластин и придает батарее более симпатичный вид. Правда, этот же поролон затрудняет охлаждение солнечной батареи через заднюю стенку, а ее нагрев, как известно, ведет к снижению выходного напряжения, что плохо.

Ну, а под поролоном мы видим самое главное – пластины с фотоэлементами. Пластины, как и в большинстве аналогичных батарей, представляют собой лист стеклотекстолита на лицевой стороне которого лежат фотоэлементы со слоем ламинирующей пленки типа мягкого полиэтилена, поверх которого еще слой антибликовой пленки. Весь этот пирог запечен под прессом, в итоге получается герметичная монолитная пластина.

Мягкий ламинирующий пластик по размеру сделан больше, чем жесткий текстолит и прошивка по нему возможна обычной швейной машинкой.
Снизу текстолита несколько контактов для подпайки проводов.

Короткие перемычки между пластинами выполнены плетенкой (с виду, как посеребренной, но «это фантастика»). Длинный же провод – обычная монтажная многожилка, что-то типа нашего МГШВ, но без шелка. Изоляция провода достаточно толстая, что хорошо – больше будут радиусы изгиба проводников, а, значит, они будут меньше ломаться.

Однако, сами провода и плетенка никак дополнительно не уложены, чтобы провод работал не на изгиб, а на скручивание при складывании, чтобы дольше служил. Хотя, возможность такая есть, т.к., как видно на фото, на каждой боковине есть минимум 4 точки для пайки для каждого соединителя.
Впрочем, и починить такую батарею будет несложно, даже в походе, скрутив оборванные провода между собой.

Выходной кабель с 18В припаян к монтажным проводам, обернут парой слоев красной (почему не легендарной синей? ;) изоленты и выпущен сквозь отверстие в ткани в карман батареи. Никакого дополнительного крепления выходного провода, кроме кусочка прозрачного скотча, которым места с пайкой приклеены к пластине, не предусмотрено.

А это означает, что дернув посильнее за кабель, мы выдерем его ко всем чертям наружу. Так что, либо надо следить, чтобы провод не натягивался при зарядке, либо располагать заряжаемое устройство в кармане батареи.

На фото мы можем видеть также пару проводов, идущих к понижающему стабилизатору USB выхода. Китайцы, видимо, ради прикола, перепутали цвета проводов к стабилизатору – красный у них – это минус, черный – плюс.

Ни по выходу 18 В, ни по 5 В USB последовательных диодов нет. Это означает, что если мы вовремя не отключим заряжаемый гаджет или аккумулятор от солнечной батареи с наступлением темноты, то рискуем получить вместо их зарядки, наоборот, разряд через солнечную батарею. Либо даже порчу батареи и/или аккумулятора.

Крышка стабилизатора USB прикручена сквозь ткань четырьмя саморезами изнутри, поэтому разобрать коробочку стабилизатора без вскрытия ткани не получится.

После откручивания саморезов получаем доступ к плате стабилизатора.

Плата снизу довольно грязненькая, флюс после пайки разъема не отмывался. Но это часто встречается в подобных устройствах, так что, можно и не обращать внимания.

Естественно, никакой влагозащиты платы, хотя бы в виде покрытия лаком, не предусмотрено. Так что, несмотря на то, что сама солнечная батарея герметична и может валяться под дождем, электронику надо прикрывать, она полностью открыта.
Плата сверху выглядит гораздо симпатичнее.

Используется микросхема стабилизатора типа TD1410. Ссылка на даташит.
Схема включения классическая. Сам её не прорисовывал, просто взял с даташита.

Дальше можно поискать десять отличий между платой и схемой. Сразу видим, что китайцы сэкономили «на спичках», на электролитах, поставив их емкостью 22.0 мкФ, вместо рекомендуемых 100.0 и 220.0 мкФ.

Впрочем, их тоже можно понять – а зачем? Поскольку работать этим конденсаторам при больших токах никогда не придется, а на малых и небольшая ёмкость уже обеспечит приемлемый уровень пульсаций.

Дело в том, что микросхема TD1410 имеет замечательное свойство работать с «ШИМованием» до 100%. Т.е. когда напряжение на ее входе падает до заданного уровня выходного (5 В), то она просто соединяет «напостоянку» свой вход и выход. Соответственно, КПД стабилизатора в таком режиме близок к 100%, и нет никаких переключений и пульсаций вообще. (Потери будут на сопротивлении встроенного ключа – десятые доли ватта, да на омическом сопротивлении катушки индктивности – еще примерно столько же. На фоне потребления нагрузкой нескольких Ватт – это мизер.)

Работа в таком режиме и будет составлять основное время использования солнечной батареи, т.к. нагрузка в большинстве случаев будет хотеть от солнечной батареи больше, чем та может дать.

Из 5ти резисторов на плате два относятся к делителю установки выходного напряжения, один – ограничивает ток светодиода, а еще пара – изображают идентификационные резисторы для управления током зарядки гаджета через ножки данных USB порта.

Как видим, на обоих ножках данных присутствует одинаковое напряжение 2.1В, т.е. ножки данных просто соединены между собой и с делителем. Также видно, что выходное напряжение без нагрузки составляет 5.23В.

Теперь вернемся к нашей задачке из вступления, как из 4-х пластин по 6 В сделать 18 В. Что же придумали хитрож… мудрые китайцы – они честно поставили три пластины последовательно, чтобы обеспечить выходное напряжение 3*6 В = 18 В, а четвертую пластину подключили параллельно «верхней» пластине. И от этих двух верхних запараллеленных пластин запитали USB стабилизатор. Т.е. вот так:

И что мы имеем в итоге таких «загогулин сознания»:
— С выхода USB возможно снять лишь половину мощности солнечной батареи.
— С выхода 18 В можно снять лишь 3/4 от мощности солнечной батареи. (на самом деле, чуть больше)
— «Земли» у USB выхода и выхода 18 В различны. (при этом корпус USB разъема соединен с его «земляным» (минусовым) контактом)

Но, «нет худа без добра»:
— Если мы питаемся от USB разъема, то можем открыть солнцу только половину солнечной батареи, чтобы уменьшить габариты.
— Если мы подключимся между плюсом разъема 18 В и минусом (корпусом) USB разъема, то добудем нестабилизированные 6 В от 2-х параллельных пластин. К этим 6 В можно подключить напрямую пачку из 4-х NiCd/NiMh аккумуляторов и они будут заряжаться максимальным током от 2-х пластин. (5 В из USB недостаточно для 4-х аккумуляторов)
— Если мы подключим между минусом круглого разъема и минусом USB разъема «красный» стабилизатор-кабель, которому для работы как раз и требуется 12 В, то сможем одновременно заряжать два USB устройства, снимая, при этом, большую часть мощности с этой солнечной батареи, правда, через два потребителя. (т.е. стабилизатор-кабель «выедает» две нижние пластины сол.бат., а встроенный USB стабилизатор — две верхние.)

Впрочем, хитромудрость китайцев в данном случае до конца осталась не понятой. На-фи-га все эти сложности? Неужели при разработке этой солнечной батареи маркетологи победили инженеров, да и… покупателей. Ведь, продавец-то не обманул – полная мощность батареи заявлена 14 Вт и батарея ее, будем считать, может вырабатывать. Правда, продавец забыл сообщить, что снять мы эту мощность толком не сможем, по USB будет доступна лишь половина, а по 18 В выходу – только 75% (продавец мог это и сам не знать). (Прямо, почтальон Печкин какой-то — «я вам посылочку принес, только я вам ее не отдам» ;)

Напрашиваются какие-то грустные выводы — получается, покупателя все же «надули».
Но надежда на лучшее, все же умирать во мне упорно не желала. Смущала шибко большая площадь солнечной батареи. А, значит, вероятно, и большая, чем заявлено, реальная мощность. Неужели, китайцы расщедрились и 14 Вт – это мощность только по выходу 18 В, а лишняя 4-я пластина – это, так — подарок для USB потребителей, чтобы не портить впечатление о нём слишком малым током?

Поскольку, чтобы делать однозначные выводы по мощности, надо иметь оборудование для снятия характеристик батареи с нормированными освещенностью и спектром, которого у меня нет, то можно попробовать сравнить данную батарею с аналогичными.

В загашнике нашлась отечественная солнечная батарея томского производителя. Ее заявленная мощность 12Вт и характеристики обычно соответствовали паспортным. Ниже на фото сравнение размеров батарей.
Фото в сложенном состоянии (томская справа).

Фото в раскрытом виде. (Кстати, томская также с антибликовым покрытием и на вспышку фотоаппарата не бликует. Но электроды у томской не прикрыты черной ленточкой и сама подложка светлая, поэтому фотоэлементы хорошо различимы.)

Видно, что площадь элементов томской батареи примерно равна площади 3-х пластин китайской. А уж если быть совсем точным, то площадь одного фотоэлемента (ФЭ) томской батареи составляет 7.5х2.5=18.75 кв.см., а площадь китайского ФЭ – 12.5х1.25=15.625 кв.см. Но в томской стоит 32 шт ФЭ, а в китайской в трех пластинах – 36 шт, и полная площадь ФЭ томской – 600 кв.см., а китайской из 3-х (трех) пластин — 562.5 кв.см.

Т.е. чистая площадь фотоэлементов 3-х пластин китайской батареи составляет примерно 562/600 = 0.94, от томской. Если томская имеет по паспорту 12 Вт, тогда китайские 3 пластины должны выдавать около 11.24 Вт или 3.75 Вт на пластину. Или 15 Вт если пересчитать на все четыре пластины. Это будет верно, если считать КПД ФЭ обеих батарей равным 19%, как заявлено обоими производителями.

Реально же, померять мы можем только ток короткого замыкания (КЗ) батарей.
Ток КЗ пропорционален площади одного ФЭ и не зависит от их количества. Площадь одного ФЭ в томской батарее больше, чем в «китайской» на 20%. Значит, томская должна дать на 20% больше тока, чем китайская. В реальности, различие составило примерно 10% (50 и 45 мА), т.е. китаец показал даже на 10% лучший результат, чем ожидалось. Подарим ему за это недостающие до «нормы» 10%, и тогда китайская батарея, возможно, имеет суммарную мощность всех 4-х пластин на 1..2 Вт больше расчетных 15 Вт.

Правда, измерения тока проводились при малой освещенности, а при этом велики отклонения от идеализированной характеристики у фотоэлементов и при ярком освещении возможно иное отношение мощностей батарей.

Так какие же выводы по мощности, в конце-концов?

Результат, как мне кажется, где-то посередине между хотелками оптимиста, считающего, что заявленные 14 Вт – это выход трех последовательных пластин, дающих нам 18 В рабочего напряжения, а четвертую пластину китайцы нам подарили для повышения мощности USB порта, и пессимистом, который считает, что мощность указана для всех 4-х пластин, а с 18 В выхода можно снять только (3/4)*14 Вт = 10.5 Вт и эта солнечная батарея лишь глупость китайских инженеров и разводка покупателей с помощью маркетинговых уловок.

Но, даже если «все так плохо», как думает пессимист, то параллельная пластина все равно будет добавлять немного мощности в 18 В выход за счет того, что при работе, на параллельной паре будет поддерживаться более высокое напряжение, чем на остальных двух пластинах из-за чего последние будут работать при меньшем напряжении и, следовательно, будут отдавать больший ток (более близкий к их току короткого замыкания).

Правда, возникает вопрос, почему мощность батареи с двумя USB выходами указана тоже 14 Вт, хотя, в ней все пластины соединены параллельно? Но я не могу, не разрезав батарею, гарантировать параллельно ли – китайцы они, порой, бывают такие… своеобразные. ;) Возможно, они указали честную мощность уже на USB выходе, а не мощность пластин солнечной батареи.

Выводы:
Плюсы:
— Качественные фотоэлементы.
— Хороший пошив и ткань.
— Небольшая цена сейчас, пока «не сезон».
— Стабилизатор в большинстве случаев реальной работы имеет КПД под 100%.
— При зарядке USB гаджетов возможно раскладывать батарею не целиком, а лишь наполовину.
— Предположительно, реальная мощность выше заявленной.

Минусы:
— С USB выхода можно снять только половину мощности солнечной батареи.
— Нет последовательных диодов на выходах солнечной батареи. (несложно вставить самому, если есть руки и желание)
— Минимальная комплектация – только сама солнечная батарея.
— Не закреплен провод выхода 18 В, можно легко его вырвать.
— Нет никакой влагозащиты электроники стабилизатора.
— В батарее с 18 В выходом, невозможно взять всю мощность с какого-либо одного выхода.
— Нельзя использовать одновременно оба выхода солнечной батареи 18 В и 5 В для подключения к одному устройству из-за разных «земель» в батарее (если нет в гаджете гальванической развязки на входе, что было бы чудом).

PS: На всякий случай, напомню, что 18 В – это стандартное напряжение для «12-ти вольтовых» солнечных батарей. Т.е. эта батарея будет питать все адаптеры, подходящей мощности, которые работают от прикуривателя автомобиля и заряжать 12 В аккумуляторы.