Alimentar un ordenador de 30 vatios en medio del desierto

Question

Me gustaría alimentar una pequeña caja linux sin cabeza en el desierto durante más de 10 horas al día. El consumo es de unos 30-40 vatios. Me gustaría no utilizar un generador e ir a la ruta de la batería + solar. ¿Me pueden decir cuál es la mejor configuración que debo utilizar en términos de tamaño de la batería frente a la salida del panel solar?

EDIT: Añadiendo información adicional: El desierto donde estará esta unidad durante una semana tendrá unas 5 horas de luz solar utilizable cada día (Black Rock Desert, principios de septiembre). El ordenador es una lanzadera estándar (mini-pc) con SSD y wifi (más detalles en los comentarios). Sé que puedo conseguir un PC de menos de 30 vatios, pero para la aplicación y la carga de usuarios que espero, me gustaría seguir con lo que tengo ahora para la versión inicial (aunque las sugerencias de hardware son siempre bienvenidas).

Voy a cargar la batería por completo antes de la estancia de una semana, lo que me permitiría un poco de tiempo sin sol / configuración del panel solar. Gracias.

Actualización. Seguí un consejo de abajo y conseguí un viejo NSLU2 de Craigslist por 45 dólares. ¡Ahora estoy ejecutando un servidor web Debian a 2,5 vatios! (6,4 vatios con dos discos duros usb y mientras se transfieren archivos.) Puede que sea capaz de hacer funcionar toda la configuración con una batería durante toda la semana sin necesidad de carga.

Answer 1

Parámetros:

• Defina la "hora de sol" como una hora de luz solar completa (1000 W/m^2) o una cantidad equivalente de luz a un nivel menor suministrada durante más de una hora.
  Las horas de sol típicas por día en todo el mundo en verano son de 4 a 5 horas, con menos o mucho menos en invierno.

  Un recurso magnífico es www.gaisma.com, que proporciona información detallada sobre la insolación (luz solar) y asuntos relacionados con numerosos lugares del mundo. Como Mauvis aparece en San Francisco, EE.UU., véase http://www.gaisma.com/en/location/san-francisco-california.html

La media de horas de sol por día para cada mes de enero a diciembre se muestra como

• 2.05 3.05 4.49 5.93 7.06 7.72
  7.50 6.69 5.38 3.85 2.50 1.85

Así, la insolación más alta es una enorme media de 7,7 horas de sol al día en junio y la más baja es una media de 1,85 horas de sol al día en diciembre.

Para comparar, Nairobi en Kenia tiene sólo 6,3 horas de sol al día de media como máximo (en febrero) PERO el peor mes es de 4,4 horas de sol al día en julio. Las necesidades de paneles solares en Nairobi serían menos de la mitad de las de SF.

• Un panel fotovoltaico moderno de silicio sobre vidrio laminado proporciona unos 130 vatios / m^2 de superficie.

• Si tienes un controlador de seguimiento MPPT obtendrás quizás el 95% de esto en la batería. Sin MPPT puede obtener un 70%-80% dependiendo de las condiciones. Tal vez más.
  Digamos que el 75% para los cálculos iniciales.

• La batería de plomo entregará más del 80% de la energía almacenada en ella.
  La batería LiFePo4 entregará más del 90% de la energía almacenada en ella. Ambas tienen tasas de autodescarga adecuadamente bajas.

SO

La energía disponible de un PV (panel fotovoltaico / panel solar) guardada en la batería y luego recuperada es aproximadamente:

• 130 W x 75% x 80% =~ 80 vatios por metro cuadrado en FULL sol.

Si esta capacidad de la batería se va a utilizar durante 10 horas, la potencia soportada por metro cuadrado es de 80/10 = 8 vatios de carga del equipo por metro^2 de panel por hora de sol.

Si quieres que el sistema funcione durante N días sin sol (¿tormenta de arena? :-) ) necesitas N metros^2 de panel por 8 vatios o puedes alimentar 8/N vatios de equipo por metro cuadrado por hora de sol.

Utilizando la cifra de 1,85 horas de sol por día de diciembre, puedes alimentar 8W x 1,85 =~ 15 vatios de equipo durante 10 horas de un día de diciembre medio de sol por metro cuadrado de panel.

Por lo tanto, para hacer funcionar tu equipo de 40 W de forma segura en diciembre necesitarás 40/15 =~ 2,66 m^2 de paneles o unos 2,66 x 130W = 350 Watts de paneles solares. Tenga en cuenta que esto es para proporcionar un día de funcionamiento de 10 horas de 1,85 horas de sol completo equivalente.

Si quieres poder aguantar 2 días sin sol, tienes que doblar esa cifra a 700 vatios de panel.

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La batería debe estar dimensionada para manejar esta cantidad de energía. Lo anterior se ha calculado sobre el 75% de la energía del panel que se utiliza para cargar la batería, por lo que la energía que entra es

350W x 1,85hr x 75% =~ 480 vatios-hora.
A 12V son 480/12 = 40 Amp horas de capacidad de la batería.

Una batería de ciclo profundo de 100 Ah puede ser suficiente.

El requisito anterior se reducirá en

• Controlador MPPT - moderado

• Batería LiFePO4 - moderada

• La insolación de verano, más que la de invierno, es enorme: más del 300% de sol.

• Equipos de menor potencia - potencialmente muy significativos.

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FWIW: Empecé esta respuesta hace horas pero no la terminé. Ahora veo que Olin también ha dado una respuesta más larga. No me habría extendido tanto si su respuesta hubiera estado ahí cuando empecé.

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Información sobre Gaisma:

Burning Man se encuentra en el desierto de Black Rock, en Nevada, a 120 millas al norte de Reno.
La siguiente información de Reno debe ser razonablemente aplicable.

Insolación = Horas de sol = 4,95 de media en septiembre
y 5,92 por día en agosto.
Como BM es a principios de septiembre utilizar digamos 5 horas equivalentes a pleno sol por día.
Hay alrededor de 2 días húmedos por mes en esta época - espero que sean jot durante el BM :-).

Dejaré a los lectores que extraigan los detalles finos del siguiente y maravilloso diagrama. Puedo comentar si algo no se entiende (también ver la página de ayuda de gaisma).
La línea BM estará ligeramente por encima de la línea del día naranja que es para finales de septiembre.
Amanece sobre las 6:40 y se pone sobre las 19:00.
El ángulo del sol al mediodía es de unos 50 grados sobre el horizonte.
De 9:00 a 15:00 horas ángulos del sol de 20 grados o más sobre el horizonte.

El sol oscila entre unos 110 grados y 230 grados de 9 a 15 horas = +/- 60 grados
El seno de 60 grados es de 0,87, por lo que si se colocan los paneles en la posición del sol del mediodía, se perdería aproximadamente el 13% de la energía disponible en las posiciones de las 15:00 y las 9:00 horas. Así que mover los paneles una o dos veces al día manualmente produciría modestas ganancias.

El cambio de ángulo sobre el horizonte durante los periodos de máximo sol es (50-20) = 30 = +/- 15 grados, por lo que el cambio de ángulo vertical no vale la pena a lo largo del día.

Obsérvese que el sol está en su máxima altura alrededor de la 1 de la tarde. El ahorro de luz diurna. Ajustando mis comentarios de las 9h y las 15h a las horas reales (de 10h a 16h) centraría mejor los resultados en el pico real del mediodía PERO los resultados no variarán mucho.

Obsérvese que al amanecer y al atardecer del día en que se trazó este gráfico (línea naranja) el sol sale y se pone a unos +/- 90 grados del ángulo del mediodía. Para las fechas anteriores, hasta el 21 de junio, el sol se pone y se levanta progresivamente a mayores distancias después de los 90 grados del mediodía, por lo que si se quiere que un panel reciba toda la luz solar tendría que apuntar "detrás" de su posición normal de apuntamiento al mediodía, es decir, el sol sale y se pone "por encima del hombro" en los meses de verano.

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Fuente de alimentación de 12VDC a PC

Esta pregunta relativa a los PC's alimentados con 12VDC fue preguntada en septiembre de 2011.

El usuario compró una fuente de alimentación de 12V a micro-At en ebay.
Se ve potencialmente útil en su aplicación y muestra lo que está disponible y slo, útil, el nivel de complejidad requerido en 'rodar su propio'.

Comprado desde aquí

Y se veía así:

Fuente de alimentación PW-200-M 200W micro-ATX DC/DC Mini ITX

Dicen:

• Alimente cualquier placa base Pentium 4 con esta fuente de alimentación micro-ATX de 200 W, súper pequeña y sin cables, que funciona con toda la gama de placas base mini-ITX.

  Con un funcionamiento silencioso y de bajo calor, esta fuente de alimentación se conecta directamente al conector ATX de la placa base y proporciona una solución de alimentación rápida, compacta y cómoda.

  Beneficios:
  La única fuente de alimentación micro-ATX de CC a CC sin cables que es compatible con toda la gama de placas base mini-ITX Admite Pentium 4 y alimenta la mayoría de las placas base de hasta 3,0 GHz Alimente su PC y sus periféricos con una sola fuente de alimentación de 12V Funcionamiento totalmente libre de ruido Se conecta directamente al conector ATX de la placa base Proporciona hasta 200W desde una única fuente de 12V Vida útil de 200.000 horas Su tamaño compacto le permite ahorrar espacio: 57 x 61 mm La fuente de alimentación micro-ATX DC a DC PW-200-M de 200W es nueva y no ha sido utilizada.

Answer 2

Quieres una fuente de alimentación solar que proporcione 40 W durante 10 horas cada día, para 400 W-h al día. Evidentemente, toda esta energía llega originalmente al sistema a través del panel solar, por lo que hay que dimensionarla en consecuencia. Digamos que las fuentes de alimentación conmutadas del sistema tienen una eficiencia total del 70%. Luego está la energía que se pierde al almacenarla y recuperarla posteriormente de la batería. Digamos que es otro 70%. Combinando estos dos, se tiene un 50% de eficiencia desde la salida del panel solar hasta la carga final.

Ahora sabes que el panel solar tiene que producir unos 800 W-h al día. Con una batería muy grande, sólo necesita producir esta media durante mucho tiempo. Cuanto más pequeña sea la batería, menor será la ventana de promediación en la que el panel tiene que seguir produciendo esta energía. Cuánto es razonable depende de factores que no nos has dicho.

Digamos que has dimensionado el sistema de forma que necesitas la media de 800 W-h/día durante unos días. Has omitido mucha información, como en qué latitud se encuentra y, por tanto, cuál es la duración mínima de la luz solar en invierno, qué probabilidad de fallo puedes tolerar, qué porcentaje mínimo de pleno sol espera tu ubicación de media durante unos días, etc. Por ejemplo, si llega a la conclusión de que, en el peor de los casos, sólo puede contar con el equivalente a una hora de sol pleno al día, el panel debe ser capaz de producir 800 W a plena luz del sol.

La siguiente cuestión es la batería. Según el ejemplo anterior, parece que la batería debería ser capaz de hacer funcionar el sistema sin ninguna potencia de entrada durante al menos un día completo de uso, lo que supone 400 W-h en la carga. Digamos que la mitad de la pérdida total de la fuente de alimentación conmutada del 70% asumida anteriormente está entre la batería y la carga, lo que significa que de la batería a la carga hay un 84% de eficiencia. 400 W-h / 84% = 480 W-h, que es lo que la batería tiene que ser capaz de producir sin la energía de entrada y sin que ésta sea excepcional y, por tanto, degrade significativamente la batería.

Veamos cómo funcionan los números para una batería de plomo de 12 V. 48W / 12V = 4A de drenaje cuando la carga está alimentada. Dado que la carga debe funcionar a este nivel de potencia durante 10 horas, esto representa una capacidad de 40 A-h. Sin embargo, es necesario reducir la potencia de forma significativa. Una batería nueva de plomo-ácido de 40 A-h puede hacer esto una vez, tal vez a la temperatura adecuada, pero si se ejecuta hasta el vacío la matará. Para la batería de plomo-ácido se necesita una batería de "ciclo profundo", pero con una reducción de potencia significativa. Algo como una batería "marina" de 80 A-h podría servir. Otras tecnologías de baterías tienen diferentes compensaciones en cuanto a la capacidad de descarga, el rango de temperatura de funcionamiento, el tiempo de vida, los ciclos de vida, el coste, la disponibilidad, etc.