Stromversorgung eines 30-Watt-Computers mitten in der Wüste

Ich möchte eine kleine, kopflose Linux-Box in der Wüste mehr als 10 Stunden am Tag mit Strom versorgen. Es zieht das untere Ende von 30-40 Watt. Ich möchte keinen Generator verwenden und den Weg Batterie + Solar gehen. Können Sie mir das beste Setup nennen, das ich in Bezug auf die Batteriegröße und die Leistung des Solarpanels verwenden sollte?

BEARBEITEN: Zusätzliche Informationen hinzufügen: Die Wüste, in der sich dieses Gerät eine Woche lang befindet, hat täglich etwa 5 Stunden nutzbares Sonnenlicht (Black Rock Desert, Anfang September). Der Computer ist ein Standard-Shuttle (Mini-PC) mit SSD und WLAN (weitere Details in den Kommentaren). Ich weiß, dass ich einen PC mit weniger als 30 Watt bekommen kann, aber für die erwartete Anwendungs- und Benutzerlast möchte ich mich an das halten, was ich jetzt für die ursprüngliche Version habe (obwohl Hardwarevorschläge immer willkommen sind).

Ich werde den Akku vor dem einwöchigen Aufenthalt vollständig aufladen, was mir ein wenig Zeit ohne Sonnen- / Solarpanel-Setup einräumen würde. Vielen Dank.

Aktualisieren! Ich nahm einige Ratschläge unten und bekam eine alte NSLU2 von Craigslist für 45 Dollar. Jetzt betreibe ich einen Debian-Webserver mit 2,5 Watt! (6,4 Watt mit zwei USB-Festplatten und beim Übertragen von Dateien.) Möglicherweise kann ich das gesamte Setup die ganze Woche über ohne Batterie aufladen.

Sie möchten ein solarbetriebenes Netzteil, das täglich 10 Stunden lang 40 W für 400 Wh pro Tag liefert. Offensichtlich kommt all diese Energie ursprünglich über das Solarpanel in das System, daher muss sie entsprechend dimensioniert werden. Angenommen, die Schaltnetzteile im System sind insgesamt zu 70% effizient. Dann geht beim Speichern und späteren Abrufen aus der Batterie Strom verloren. Nehmen wir an, das sind weitere 70%. Wenn Sie diese beiden kombinieren, haben Sie einen Wirkungsgrad von ca. 50% von der Leistung des Solarmoduls bis zur Endlast.

Jetzt wissen Sie, dass das Solarpanel ungefähr 800 Wh pro Tag produzieren muss. Mit einer sehr großen Batterie muss diese nur über einen langen Zeitraum gemittelt produziert werden. Je kleiner die Batterie ist, desto kleiner ist das Mittelungsfenster, in dem das Panel diese Leistung noch erzeugen muss. Wie viel angemessen ist, hängt von Faktoren ab, die Sie uns nicht mitgeteilt haben.

Angenommen, Sie haben das System so dimensioniert, dass Sie über einige Tage den Durchschnitt von 800 Wh / Tag benötigen. Sie haben viele Informationen ausgelassen, z. B. den Breitengrad und damit die Mindestlänge des Sonnenlichts im Winter, die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls, die Sie tolerieren können, den Mindestprozentsatz der vollen Sonne, den Ihr Standort im Durchschnitt über einige Tage erwartet Wenn Sie beispielsweise den schlimmsten Fall über einige Tage hinweg feststellen, dass Sie nur mit 1 Stunde voller Sonne pro Tag rechnen können, muss das Panel in der Lage sein, 800 W bei vollem Sonnenlicht zu erzeugen.

Die nächste Frage ist die Batterie. Aus dem vorherigen Beispiel geht hervor, dass der Akku das System mindestens einen ganzen Tag lang ohne Eingangsleistung betreiben kann, was einer Belastung von 400 Wh entspricht. Nehmen wir an, die Hälfte des oben angenommenen Gesamtverlusts an Schaltstromversorgung von 70% liegt zwischen der Batterie und der Last, was bedeutet, dass der Wirkungsgrad von Batterie zu Last 84% beträgt. 400 Wh / 84% = 480 Wh, was die Batterie ohne Eingangsleistung und ohne Ausnahmefähigkeit produzieren muss und daher die Batterie erheblich verschlechtert.

Mal sehen, wie die Zahlen für eine 12-V-Blei-Säure-Batterie funktionieren. 48W / 12V = 4A Drain, wenn die Last mit Strom versorgt wird. Da die Last 10 Stunden bei dieser Leistung laufen muss, entspricht dies einer Kapazität von 40 Ah. Dies muss jedoch erheblich reduziert werden. Eine neue 40-Ah-Blei-Säure-Batterie kann dies einmal tun, vielleicht bei der richtigen Temperatur, aber wenn sie leer wird, wird sie getötet. Für Blei-Säure möchten Sie eine "Deep Cycle" -Batterie, die sich jedoch erheblich verringert. So etwas wie eine 80 Ah "Marine" Batterie könnte es tun. Andere Batterietechnologien haben unterschiedliche Kompromisse hinsichtlich der vollständigen Entladung, des Betriebstemperaturbereichs, der Lebensdauer, der Lebenszyklen, der Kosten, der Verfügbarkeit usw.

Parameter:

• Definieren Sie "Sonnenscheinstunde" als 1 Stunde volles Sonnenlicht (1000 W / m ^ 2) oder eine äquivalente Lichtmenge mit einer geringeren Lichtstärke, die über mehr als 1 Stunde abgegeben wird.
  Typische Sonnenstunden pro Tag weltweit im Sommer sind 4 bis 5 Stunden, im Winter weniger oder viel weniger.

  Eine hervorragende Ressource ist www.gaisma.com, die detaillierte Sonneneinstrahlung (Sonnenschein) und verwandte Themen für zahlreiche Standorte weltweit bietet. Da Mauvis in San Francisco, USA, gezeigt wird, siehe http://www.gaisma.com/en/location/san-francisco-california.html

Die durchschnittlichen Sonnenstunden pro Tag pro Monat für Januar bis Dezember werden dort als angezeigt

• 2,05 3,05 4,49 5,93 7,06 7,72
  7,50 6,69 5,38 3,85 2,50 1,85

Die höchste Sonneneinstrahlung liegt also im Durchschnitt bei 7,7 Sonnenstunden pro Tag im Juni und die niedrigste bei 1,85 Sonnenstunden pro Tag im Dezember.

Zum Vergleich: Nairobi in Kenia hat durchschnittlich nur 6,3 Sonnenstunden pro Tag (im Februar), ABER einen Worst-Case-Monat mit 4,4 Sonnenstunden pro Tag im Juli. Die Anforderungen an Solarmodule in Nairobi wären weniger als halb so hoch wie in SF.

• Ein modernes PV-Modul aus Silizium auf Glas liefert eine Fläche von etwa 130 Watt / m ^ 2.

• Wenn Sie einen MPPT-Tracking-Controller haben, werden möglicherweise 95% davon in den Akku geladen. Ohne MPPT können Sie je nach Bedingungen 70% -80% erhalten. Vielleicht mehr.
  Sagen Sie 75% für erste Berechnungen.

• Die Blei-Säure-Batterie liefert über 80% der darin gespeicherten Energie.
  Der LiFePo4-Akku liefert über 90% der darin gespeicherten Energie. Beide haben ausreichend niedrige Selbstentladungsraten.

DAMIT

Die Energie, die von einem PV (Photovoltaik- / Solarpanel) zur Verfügung gestellt wird, das in der Batterie gespeichert und dann zurückgewonnen wird, ist ungefähr:

• 130 W x 75% x 80% = ~ 80 Watt pro Quadratmeter bei vollem Sonnenschein.

Wenn diese Batteriekapazität über 10 Stunden verwendet werden soll, beträgt die pro Quadratmeter unterstützte Leistung 80/10 = 8 Watt Gerätelast pro Meter ^ 2 Panel pro Sonnenscheinstunde.

Wenn Sie möchten, dass das System N Tage ohne Sonne läuft (Sandsturm? :-)), benötigen Sie N Meter ^ 2 Panel pro 8 Watt oder Sie können 8 / N Watt Ausrüstung pro Quadratmeter pro Sonnenscheinstunde mit Strom versorgen.

Mit den 1,85 Sonnenstunden pro Tag im Dezember können Sie 8 W x 1,85 = ~ 15 Watt Ausrüstung für 10 Stunden mit einer durchschnittlichen Sonne an Dezembertagen pro Quadratmeter Paneel betreiben.

Um Ihre 40-W-Geräte im Dezember sicher zu betreiben, benötigen Sie 40/15 = ~ 2,66 m ^ 2 Module oder etwa 2,66 x 130 W = 350 Watt Solarmodule. Beachten Sie, dass dies einen eintägigen Betrieb von 10 Stunden ab 1,85 Stunden vollem Sonnenäquivalent ermöglicht.

Wenn Sie 2 sonnenlosen Tagen standhalten möchten, müssen Sie diese auf 700 Watt Panel verdoppeln.

Die Batterie muss für diese Energiemenge dimensioniert sein. Das Obige wurde auf 75% der zum Laden der Batterie verwendeten Panel-Energie berechnet, also Energie in

350 W x 1,85 h x 75% = ~ 480 Wattstunden.
Bei 12 V sind das 480/12 = 40 Ampere Stunden Batteriekapazität.

Eine 100-Ah-Tiefzyklusbatterie kann ausreichen.

Die oben genannte Anforderung wird um reduziert

• MPPT-Controller - mäßig

• LiFePO4-Akku - mäßig

• Sommer statt Winter Sonneneinstrahlung - massiv - 300% + mehr Sonne.

• Geräte mit geringerer Leistung - möglicherweise sehr bedeutsam.

FWIW: Ich habe diese Antwort vor Stunden gestartet, aber nicht beendet. Ich sehe jetzt, dass Olin jetzt auch eine längere Antwort gegeben hat. Ich wäre nicht so weit gegangen, wenn seine Antwort da gewesen wäre, als ich anfing.

Gaisma-Informationen:

Burning Man befindet sich in der Black Rock Desert in Nevada, 120 Meilen nördlich von Reno.
Die folgenden Reno-Informationen sollten angemessen anwendbar sein.

Sonneneinstrahlung = Sonnenstunden = 4,95 Durchschnitt für September
und 5,92 pro Tag für August.
Da BM Anfang September ist, verwenden Sie beispielsweise 5 Stunden äquivalente volle Sonne pro Tag.
Um diese Zeit gibt es ungefähr 2 nasse Tage pro Monat - ich hoffe, sie sind während des BM jot :-).

Ich überlasse es den Lesern, die feinen Details aus dem folgenden wunderbaren Diagramm unten zu extrahieren. Ich kann kommentieren, wenn etwas nicht verstanden werden kann (siehe auch Gaisma-Hilfeseite).
Die BM-Linie liegt etwas über der orangefarbenen Tageslinie für Ende September.
Sonnenaufgang gegen 6:40 Uhr und Sonnenuntergang gegen 19 Uhr.
Sonnenwinkel am Mittag ca. 50 Grad über dem Horizont.
Sonnenwinkel von 9 bis 15 Uhr 20 Grad oder höher über dem Horizont.

Die Sonne schwingt von ungefähr 110 Grad auf 230 Grad von 9 bis 15 Uhr = +/- 60 Grad. Der
Sinus von 60 Grad beträgt 0,87, so dass das Zeigen von Paneelen auf die Mittagssonne ungefähr 15% der verfügbaren Energie um 15 Uhr und 9 Uhr verlieren würde. Das ein- oder zweimalige manuelle Verschieben von Panels am Tag würde also zu bescheidenen Gewinnen führen.

Die Winkeländerung über dem Horizont während der Sonnenspitzen beträgt (50-20) = 30 = +/- 15 Grad, sodass sich eine vertikale Winkeländerung über den Tag nicht lohnt.

Beachten Sie, dass die Sonne gegen 13 Uhr in maximaler Höhe steht. Die Sommerzeit. Das Anpassen meiner Kommentare von 9 Uhr und 15 Uhr an die wahren Zeiten (10 bis 16 Uhr) würde die Ergebnisse besser auf die wahren Mittagsspitzen zentrieren, ABER die Ergebnisse variieren nicht stark.

Beachten Sie, dass bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang am Tag, an dem dieses Diagramm aufgezeichnet wurde (orange Linie), die Sonne bei etwa +/- 90 Grad vom Mittagswinkel auf- und untergeht. Für frühere Daten, die bis zum 21. Juni zurückreichen, geht die Sonne unter und geht immer weiter über 90 Grad ab Mittag auf. Wenn Sie also möchten, dass ein Panel das gesamte Sonnenlicht erhält, muss es "hinter" seiner normalen Mittagsposition zeigen. dh die Sonne geht in den Sommermonaten "über der Schulter" auf und unter.

12VDC zum PC-Netzteil

Diese Frage zu PCs mit 12 V Gleichstrom wurde im September 2011 gestellt.

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