IOT用のソーラー電源の実験結果をつらつら追記していきます。あとで別のカタチでまとめようと思います。
ソーラーパネルとスーパーキャパシタの電源単体で太陽の光にあてて11月末の秋田県で12時から3時間充電しました。おそらく満充電まで行っていないと思われます
充電前の電圧を測り忘れましたが充電後5.23Vになったので無負荷で自己放電していく様子を観察してみます
■0.2F 5.5Vスーパーキャパシタ仕様
11/28 朝7時の積雪0cm 12時～15時くらいまで晴れていたので屋外の地面に平置きで充電。その後室温約5～10度の部屋にうつ伏せで保管
11/28 19時 5.23V
11/29 7時 4.90V
11/29 19時 4.73V
■24時間で 0.5V くらい降下してます
11/30 7時 4.45V
11/30 19時 4.29V
■24時間で0.44V降下ん？電圧が下がる速度が鈍ってきた！？
12/1 7時 4.14V
12/1 19時 4.02V
■24時間で 0.27V 降下
12/2 積雪17cm 7時 3.93V
12/2 19時 3.84V
■24時間で 0.18V 降下
12/3 積雪17cm 7時 3.75V
12/3 19時 3.67V
■24時間で 0.17V 降下
12/4 積雪0cm 7時 3.53V
以上で0.2F 5.5Vスーパーキャパシタ仕様の実験終了
この電源で 昇降圧DC/DCコンバータを使って 3.3V に変換してLRA1を動かそうと思っています。
使用予定のDCDCコンバータは電圧が2.5Vに下がるまで使えることになっているので7日間は動作可能な電圧を維持できるかも
そう考えると踏ん張っていると思います。無負荷ですけどね
氷点下ではどうなんだろうかと思い、
秋月電子で購入したのは VINATech社 VEC5R4505QG-H のようでデータシートを探してみましたが温度特性を見つけることが出来ませんでした。
ただ一般的にはスーパーキャパシタの1F以上の容量のものは耐寒性能が良いとの記述をDigi-Keyサイトで読みました。
スーパーキャパシタの放電時間(運転可能時間)の計算式を同じくDigi-Keyサイトで見つけました。
t(sec) = C(F) * ( (Vmax - Vmin) / Imax)
t(sec) = スーパーキャパシタが回路に電力を十分供給できる時間（秒単位）
C(F) = 静電容量（ファラド単位）
Vmax = 放電初期時間のコンデンサの電圧
Vmin = コンデンサが回路への給電に不十分になる前に放電できる最小電圧
Imax = 回路の最大（最悪ケース）電流消費（アンペア単位）
とのことなのでこれを今回の LRA1 レピータシステムにあてはめると
391sec ≒ 5F * ( (5.4V - 2.5V) / 0.037A)
↑ LRA1が全力で送信し続けたと仮定して0.037A。受信時は 0.013A
391秒 ≒ 6.5分
無知なので1～2時間くらい動かせると想像してました 笑
ということでたとえば3時間動かしたいのであれば49Fくらいの容量が必要そうです
こんなのを4個使えばいいのかも → 電気二重層コンデンサー50F2.7V
2160円 = 540円 * 4個
結構なお値段です
これなら6時間駆動 → 電気二重層コンデンサー100F2.7V
3520円 = 880円 * 4個
高いから無理
でもこの容量で重さが80g(20g * 4個)なのは魅力があります
ワタクシのペイロード数百グラムのヘナチョコドローンでも安心です
冬のボーナスが出るまで資金がないのでまずは 5Fの容量でスーパーキャパシタがどんなものかテストしていきます
2022/12/4 積雪0cm 10:00 5F 5.4Vのスーパーキャパシタに乗せ変えました
みぞれが降る中、2階屋内東向きの窓際に放置
■5F 5.4Vスーパーキャパシタ仕様
12/4 10時 35mV これが充電前電圧
12/4 16時 1.11V
いくらか充電されてるびっくり！太陽がどこか分からないみぞれの日なのに
一時間あたり0.179V( (1.11-0.035) / 6時間 ) 電圧が上昇
屋外で早朝から日没までだともう少し充電されるかも
空充電からのスタートの場合、日が差さない日が数日続いても2～3日で最低ラインの2.5Vに到達できるかもしれない
満充電で運用を開始した場合2.5Vまで下がったら運用は終わってそこから継ぎ足し充電なので晴れの日が来るまで途切れ途切れで運用が続くのかも
なるほどこうなるとカットオフ電圧監視機能付きのモデルがいいのかもしれないな
ちなみに夕方外が真っ暗になった後
12/4 17時 0.91V と電圧が下がって来た
1時間で0.2V低下。24時間だと4.8V低下かも？
こうなると見通しは若干暗めになって自己放電による運用時間の再計算が必要そう
まずは満充電にして自己放電の様子を見たいけど、よごでのこの季節にまとまった日照は期待できない・・・
実験を進めるために手っ取り早く安定化電源で充電しようかな
12/5 11時 アマゾンで 2.7V500Fを2個使った 5.4V250F のスーパーキャパシタモジュール(バランス回路付) を2つ注文しました。お値段 4,958円(2,479円×2) でした。耐久性やら容量とか耐圧の数字の信憑性はかなり怪しいものの 250Fでこのお値段はちょっと実験用途だと魅力的。深セン市からの発送のようで年内に届くか微妙みたいです。まあ製品自体微妙というか怪しいですが・・・
縦73mm 横65mm 厚さ36mm 重さ157g これが2個なので大きいが重さは2個合計314g
2個並べて置くと置き方によって
1. 縦73mm 横65mm 厚さ72mm (約7センチ角のキューブ状)
2. 縦73mm 横130mm 厚さ36mm (横長)
3. 縦146mm 横65mm 厚さ36mm (縦長)
というバリエーションになるが、構造からするとアタマを上にしたほうが良さそうなので 1 が良いのかもしれないと思ったが雪が積もりやすいので上の面積が少なくなるよう 3にする
あとノイズ発生源になると思うのでシールドした上で LRA1 とは距離をおいて下に付ける。
下記、簡易図解（横から見た図）
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□ LRA1+アンテナ
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□ ソーラーパネル+スーパーキャパシタ
12/5 19時 4.15V 測った瞬間びっくりした！朝 0.91V の状態で東の窓際に無造作に置いた。今日は小雪混じりの曇だった。気温0度から2度のち0度
要は太陽が出ていなくてもとにかく日中だったらどっち向きの方角に置いてもそこそこ発電/充電するってことか！？なんだこりゃ面白いなあ
なんか自己放電量とか消費電流の削減はもちろん大事で実験しなければならないけどそんな細かいことはどうでもいいみたいなダイナミックな動作の予感がしてきた 笑
もしかするとキャパシタの種類というか型番によるところがあるのかもしれないと思いつつ本番用のアマゾンで買ったやつの到着を待ちながら5F 5.4Vで実験を継続しよう
どうやらスーパーキャパシタの使用開始時には「慣らし」が必要らしい
低電圧でゆっくり充電。放電したらちょっと電圧あげて充電・・・の繰り返しらしい。
そうすることで充放電の特性が安定するとのこと。安定するといっても良いほうに安定するかは別の話のようで悪いほうに安定するかも。本番用は中国製だし
12/6 アマゾンで買った 5.4V250F キャパシタが深セン市から発送されたと通知が来ていた。
12/6 7時 昨日と同様、東側の窓際に放置。7時時点では薄日が差していた。
「慣らし」のため数日かけて充放電を繰り返そうと思う
まあ何度も「観察」していればそれが「慣らし」になるんだろうとは思います
早く充放電を安定させるために週末に安定化電源で慣らし充電してみようかな
12/6 15時 昼まで使えていたケータイ(iPhone)がバッテリー0%表示になって充電出来なくなった。もちろん電源は入らない。昼はバッテリー100%だったのに・・・代替えのケータイを注文したが到着予定が分からずいつから使えるのか不明
ぜんぜん関係ないはずなんだけどまさかこのトラブルは今やってるバッテリーの充放電の実験が影響しているのか！？って疑うタイミングだ。
幸いdocomoメールだけは自宅PC限定だがSMS認証無しで使えて助かった
ただいま5F 5.4Vキャパシタで実験継続中・・・
12/6 19時 3.40V 経緯不明だけど自己放電？まだ安定していないのかも。でも十分使える電圧だ。薄日が差したのは朝30分くらいで本日くもりのち雪だった
12/7 7時 東側の窓際に放置。きょうは曇りのち雨の予報
12/7 10:30 SPI-2328V-020F 2つ注文した 2.8Vで出力ON 2.3Vで出力OFFのやつ
12/7 8時ちょうど気球DO3GU-9が青森県深浦沖でビーコンを出しながら東へ移動しているのに気づいた。TUS-10 もずっと受信していたが上位サーバに記録されたのは距離205Km地点の受信分だけだった
12/7 19時 3.86V きょうは曇りのち雨だった
12/8 16時 新しいケータイ(iPhone)が届いた
12/8 19時 4.72V きょうは曇りときどき雨だった
12/9 19時 4.82V きょうは曇りときどき晴れだったが昼からときどき晴れだったので東の窓際に置いてるソーラーパネルに恩恵は少なかったんだろうな
12/10 19時 4.79V きょうは曇りときどき雨だった
12/11 19時 5.13V きょうも曇りときどき雨だった
■ひとつ参考値が出たのでメモ
充電にかかる時間は t = C × V ÷ I だそうなので
250F 5.4V のスーパーキャパシタを 300mW 5.5V のソーラーパネルで充電した場合、
25000sec (416min ≒ 6.94hour) = 250F * 5.5V / 0.055A
となるっぽい
キャパシタは2組(2個一組を2組)使うから2倍の14時間近くかかるかも
これは晴天に充電0 から開始した場合
発電の 0.055A のうち LRA1 が 0.013A食うからもっとかかる
極小ソーラーパネルなのでそんなものかも
実際の運用は継ぎ足し運転だろうから天気が悪いと徐々に電圧が下がっていって2.5～2.3Vで停止するんだろう。その後天気次第で時々動いては止まるの繰り返しかな
これは深夜の省エネ運転機能が必須と確定。出来るだけ部品を増やしたくないけどリアルタイムクロックの RTCが必要だなということで秋月電子の RTC8564 を検討中
12/12 19時 5.11V きょうは曇りだった
そういえば超高高度のAPRSビーコンを出す気球は電源をどうしてるんだろう？
あれこそいろんな意味で軽い発電してるんじゃなかろか
日本ではやってないから海外情報だな
キーワード「High altitude balloon APRS solar」と入れて調べてみると複数のチームが同じソーラーパネルを採用している（いた！？）ようだ
説明によると
「PowerFilm の 240mW 太陽電池 MPT4.8-75 2つ。これらの 2つのパネルは、地元の正午に最大の電力を得るためにまっすぐ上に傾けられます。バッテリがないため、6ボルトで 2.5ファラッドの容量を持つ 2つのウルトラキャパシタを使用して、送信機の動作中にエネルギーを蓄えます」
だそうです
ソーラーパネルのサイズは 94 x 73 (mm) で重量 1.98g すごく軽い！！
なんと日本のマルツで扱っていたが(お値段 1,842円くらい)ワタクシにはオーバースペックなので購入は見送った
12/13 19時 5.12V きょうは曇りときどき雨のち完全な雨
12/14 積雪0cm 19時 5.01V きょうは雨雪のち吹雪
すごいものを発見した！
ラズパイ(Raspberry Pi)で 2mバンドの送信が出来るボード(税別 USD $16.68)
補足説明のようなのが作者のブログにあった
当然技適は通してないけどほしい～
ダミーロードつけて自宅内で遊んでみたい
配送方法をチェックしたら南アフリカのショップだよ・・・勇気がいるな 笑
12/15 積雪11cm 19時 4.92V きょうは大雪
12/16 積雪48cm 10時 南アフリカのショップ Giga Technology さんに質問してみました
1.日本へ発送できる？
2.ラズパイ2m送信の商品は再入荷する？
ただいま返信待ち
12/16 15時 返事が来た。
日本に発送可能。何個欲しい？住所くれればDHLの送料見積もる
12/16 19時 4.83V きょうは大雪。おとといからもさもさ降ってる
12/17 積雪50cm 19時 5.44V 明るい曇のち曇り。満充電になった
12/18 積雪33cm 19時 5.17V 早朝から雪のち大雪
朝、出勤前に気がついた。東の窓際に置いてる 5F 5.4Vキャパシタのソーラーパネルだが網戸越しになってた。網戸を動かしたら少し明るくなった。いままで薄暗かったんだな。気付かなかった
12/19 積雪70cm 9時 南アフリカのショップ Giga Technology さんにこちらの住所と欲しいものを返信した。日本との時差が7時間らしいので現地はいま午前2時かな
12/19 12時 2.7V500Fを2個使った 5.4V250F のスーパーキャパシタモジュール(バランス回路付)が到着した。予定の到着日は21日～27日だったのでだいぶ早い到着だ
電圧はそれぞれ 8.4mV 9.2mV と完全放電の状態。新品だからあたり前だけど
R6ナナメってる・・・表面実装の部品の場合リフローで正しい位置に自己整列するらしいからこれはSMDを手半田してるのか！？
キャパシタ電極のはんだ付けの状態も怪しいな
すごいなチャイナクオリティ 新品購入したら使う前に手直し必須 笑
12/19 19時 5.14V 雪
12/20 積雪76cm 19時 5.27V 曇り
12/21 積雪63cm 19時 5.19V 曇り
12/22 積雪54cm 19時 5.15V 曇り時々雨
12/23 積雪36cm 19時 5.18V もさもさ雪
12/24 積雪65cm 19時 5.15V 小雪のち曇り
12/25 積雪49cm 19時 5.19V 曇り時々湿雪
12/26 積雪49cm 19時 5.14V 曇り時々雨
12/27 積雪46cm 19時 5.19V 曇り時々雨
12/28 積雪42cm 19時 5.39V 曇りのち雨
2023/01/15 追記 12/28 夜、自宅2階階段から落下して緊急入院したためペンディング
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