Солнечная энергия

Рабочая неделя сокращена и теперь ты мой
Твоя прокрастинация. Апрель 2020.

В этой статье я c удовольствием хочу поделится с Вами универсальной платой, которую легко можно использовать для:

• метеостанции, беспроводного датчика температуры\влажности на солнечной батарее или без нее;
• автоматического полива цветов на солнечной батарее;
• безопасным пускателем фейерверков;

Устройство представляет собой микроконтроллер с приемопередатчиком nrf24l01 и выходами до 3А стоимостью всего от 2*. Заинтересовались и хотите попробовать сами? Последние 10 плат вышлю по Германии абсолютно бесплатно.
* по ценам на 07.2020

Что в черном ящике?

Требования к устройству

Необходимость разработки, как ни странно, пришла от желания установить банальный беспроводной датчик температуры. Я знаю, на Хабре и в Интернете представлено огромное количество температурных датчиков на любой вкус. Но у большинства готовых работ есть серьезный недостаток цена. Платить по 10-15 за штуку, на фоне текущего дефицита и подорожания микросхем, это не серьезно, особенно когда тебе надо больше 10 штук. Вторым недостатком увиденных мною датчиков является радиус действия. WiFi с трудом пробивает междуэтажные перекрытия, а что уже говорить о подвале. Можно протянуть WiFi в подвал, для любимой мышки, но она перегрызет провода, испугавшись излучения. Поэтому, датчик должен уметь ретранслировать сообщения от других датчиков.

Третье требование автономность. Для 10 датчиков нужно более 10 батареек и, конечно, хотелось бы заряжать батарейки не чаще 2-3 раз в год. А лучше вообще забыть про зарядку. Например, датчик расположенный на улице может заряжаться от солнечной батареи, а датчик в кладовке может работать от таблетки, просыпаясь 1 раз в час.

Четвертое требование универсальность. Хочется иметь класс устройств, которые будут долго спать, отправлять 5-8 байт в сеть, а при наступлении события включать что-нибудь маломощное, до 2-3А.

Выбор компонентов

В качестве приемопередатчика был выбран NRF24L01, известный не только благодаря своей низкой цене, но и богатым выбором готовых SMD модулей со встроенным усилителем и разъемом внешней антенны.

Датчик температуры/влажности должен иметь цифровой интерфейс и точность выше 1 градуса и опять же приемлемую цену. Выбор пал на SHTC3.

Дисплей должен быть дешевым и информативным. В качестве дисплея было выбрано семейство больших и малых SSD1306 дисплеев. Кончено, я задумывался и над E-paper и для него зарезервировано место, но он плохо ведет себя на морозе и все еще дорого стоит.

Основной дисплей является не энергоэкономичным, поэтому надо определять необходимость его включения. Датчик движения SR602 понравился из-за его размеров. Также можно включить сенсорную кнопку или ИК-приемопередатчик.

Аккумуляторы были выбраны 2 типов: NiMH, как безопасное и дешевое решение для домашних и уличных нужд, если постоянная отрицательная температура длится меньше 1-2 недель и LiFePo4 для уличных нужд при сильных отрицательных температурах.

Контроллер заряда аккумуляторов был выбран CN3085 для NiMh и CN3058e для LiFePo4. Они имеют схожую цоколевку, за исключением вывода DONE, без которого можно обойтись. NiMH также можно заряжать через токоограничительный резистор.

Так и сложились требования к микроконтроллеру: SPI, I2C, RTC с alarm, PWM, ADC, 5 свободных gpio, малое потребление, рабочую температуру -40C..+85C, диапазон напряжений аналогичный NRF24L01, также, имеет значение цена, комфортный для пайки корпус и большой lifetime.
Взвесив все за и против выбор пал на STM8L051. Некоторые могут обвинить меня в предвзятости к STMicroelectronics и будут правы, но на самом деле
Таким образом определился следующий список компонентов:

* по состоянию на 07.2020, текущая цена может отличаться в 2-10 раз. Будем надеяться, что это скоро пройдет.

Схема принципиальная.

Я не настоящий электротехник, поэтому в схеме могут быть допущены ошибки, влияющие на работу устройства в долгосрочной перспективе.
Разработка принципиальной схемы и платы выполнялась в KiCAD.

Основные узлы


Питание






Схема разрабатывалась универсальная и необходимость пайки элементов зависит от конфигурации устройства. Пайка всех элементов сделает устройство нерабочим.
Например, в схеме предусмотрены 3 варианта зарядки батарей через зарядные контроллеры, с подключением внешнего блока питания и через токоограничительный резистор для подключения солнечной панельки.
Также невозможно одновременно использовать датчик движения и диод D2, как индикатор MCU.
Цоколевки для SMD модулей NRF24L01 и NRF24L01 Long Range разные и можно подключить только один из них.

С целью снижения энергопотребления, был установлен отдельный ключ Q1-VT1, который прерывает питание дисплея, приемопередатчика и датчика температуры. В режиме сна основными потребителями являются микроконтроллер, 100К подтяжки на VT1,VT2 и датчик движения, при его установке. I2C шина также была подтянута на отключаемое питание датчиков, дабы избежать утечки драгоценного заряда в режиме сна.

Для подключения внешних устройств, таких как водная помпа, сервопривод, аналоговые датчики или кнопки управления, предусмотрен разъем J4 с управляемым питанием Q2-VT2. Этот выход может иметь раздельное питание с основной платой J3. Максимальное напряжение зависит от подобранных транзисторов и здравого смысла.

Печатная плата.

Я не настоящий проектировщик печатных плат, поэтому с благодарностью приму все Ваши замечания. Плата проектировалась двухслойная из соображений экономии.
Верхний слой

Нижний слой


SMD компоненты выбраны размером 0804, для комфортного разглядывания номиналов резисторов и ручной пайки. Знаю, что многие из вас способны запаять 0204 с закрытыми глазами 60Вт паяльником, так вот это схема и для тех кто этого не может. Для самого мелкого компонента температурного датчика SHTC3 нанесена разметка для его точного позиционирования. Посадочное место для ключей управления устройством, к которому можно подработать транзистор с переключением до 6А при 8V, что больше возможностей дорожек.

Датчик температуры\влажности разместился рядом с контроллером в надежде, что большую часть времени контроллер будет спать и не будет нагревать датчик. По этой причине, силовые элементы унесены на противоположные концы платы, но это не помогает и в режиме зарядки температура увеличивается на 4-5 градусов. NRF24L01 припаивается отдельным модулем, для экономии времени и возможности выбора типа приемопередатчика. Проект данной платы вы найдете на GitHub.

Если схема зарядки аккумулятора не требуется, то можно ее отломать бокорезами, сделав кусь по линии отверстий(берегите глаза).

Плата распаивалась с помощью паяльной пасты и утюжных технологий. Запекать 2 мин. при температуре Лён:

Смотрится вполне сносно:

Корпус

Размер платы удачно совпадает с размерами 2 батареек ААА, что делает доступными все корпуса с батарейками 2xААА или 2xАА. Также подойдут некоторые корпуса для 1x18650 при диагональном размещении платы. Вид у этих коробочек соответствует цене, но мы их спрячем и замаскируем.
Для устройств находящихся на видном месте спешу поделится технологией быстрого и дешевого изготовления красивых корпусов.
Покупаем или печатаем пластиковый корпус и фанеру толщиной 1-2мм из благородных пород дерева. С помощью цианокрилата(берегите глаза и нос) клеем фанеру на пластик и отрезаем все лишнее. Если у вас такие же кривые руки, то необходимо запастись шпатлевкой по дереву и замазать сделанные щели и сколы. Затем, надо дать просохнуть клею и шпатлевке, затереть всё наждачной бумагой и покрыть маслом или лаком.
Таким образом, из
получается теплый деревянный корпус.

Тестирование

Платы были успешно протестированы при температурах от +40С до -14С в конфигурации с дисплеем и датчиком движения. Для плат, которые будут использоваться на улицы в качестве защитного покрытия был использован специальный лак.

Измеренный ток в спящем режиме ~1.5мкА при 2.6В. При включенном режиме потребление зависит от количества подключенных устройств, яркости дисплея, количестве включенных пикселей и режимах приемопередатчика, в среднем получилось 40мА.
Ниже приведено расчетное время работы в зависимости от используемой батареи.

На сегодняшний день я не могу подтвердить достоверность расчетных данных, испытания продолжаются.

Программное обеспечение.

STM8L051 является 8 битным MCU, имеет 1Кб RAM и 8 Кб ПЗУ. Это значит, что в 8 Кб необходимо уместить максимальную комплектацию:
поддержка интерфейсов i2c, spi;
поддержка устройств: датчик, NRF, дисплей, часы;
протокол передачи данных SMESH;
шрифт (цифры, знаки, буквы);
график вывоза мусора.
И здесь придется бороться за каждый байт. Программный код был написан на языке С для компилятора sdcc. Из допущенных ограничений стоит отметить, что шрифт уместился только от пробела до заглавной Z, а годовой график вывоза мусора пришлось упаковать в 1 байт на событие. Для дисплея размером 128*32 пикселя требуется RAM буфер 512 байт, что приемлемо для микроконтроллера, а вот для экрана 128*64 требуется уже 1Кб, что в RAM уже не помещается. Поэтому, для большого экрана, его буфер пришлось делить на 2 части верхние 3 строки текста и нижние 3 строки текста.

Возможно, описание программного кода со всеми ухищрениями следует оформить отдельной статьей, но сначала исходный код должен быть приведен в приличный вид. Выкладываться на github он будет постепенно, пропорционально полученному отклику.

SMESH (Simular MESH)

Да, уместить полноценный MESH в 8Кб не получилось, но по крайней мере он умеет ретранслировать сообщения. Для управления необходим контроллер, который будет синхронизировать устройства, принимать показания датчиков, передавать время и другие данные. Каждое устройство имеет уникальный ID(4 байта) и динамический однобайтовый адрес. Одна сеть поддерживает до 126 узлов, с максимальным диаметром 22 узла. Кроме этого, каждый узел может ретранслировать данные с устройств не участвующих в сети.

Подразумевается, что контроллер сети постоянно включен и передает данные устройствам. Устройства же спят большую часть времени, просыпаясь согласно расписанию. Расписание имеет установленный период и всегда кратно одному часу. Таким образом, зная точное время и период цикла можно вычислить следующий сеанс связи. С началом периода устройства должны проснуться, передать свои данные и уснуть до следующего сеанса.
Если устройство не будет просыпаться каждый сеанс связи, то оно должно быть исключено из цепочки ретрансляторов данных.

Основа функционирования сети точное время. Поэтому сообщения с точным временем от контроллера сети передаются регулярно. Это помогает скорректировать время на устройствах и быстро подключить новое устройство.

Как мы знаем в аббревиатуре IoT буква S означает seсurity. Нарушать эти традиции у меня не хватило памяти. Но можно быть уверенным, в случае атаки злоумышленник будет находится в радиусе 100 метров от крайнего узла, и при обнаружении невероятных значений температуры вам следует выпустить ваших собак.

На данный момент полноценного тестирования сети проведено не было, но в первом приближении это работает.

Контроллер сети

Изначально контроллер сети планировалось сделать также на базе микроконтроллера, в виде шлюза NRF24L01 WiFi. Но, посчитав соотношение цена\функциональность\время разработки, выбор пал на полноценный PC Raspberry PI Zero(20) c 6'' HDMI дисплеем+touchscreen(30). Несмотря на свою одноядерность и 1Гб RAM RPi Zero справился со своей задачей отображения сенсоров и почасового прогноза погоды на остаток дня.
В качестве ОС был развернут минимальный образ OC *Linux* и установлен Kivy, который поддерживает egl, умеет работать с framebuffer и не нуждается в Xwindows. Следуя заветам Unix, было написано несколько программ, каждая из которых вносит небольшой вклад в отображение информации. Основной является программа управления сетью, которая также принимает данные с устройств, распределяет динамические адреса и передает точное время, погоду и другую информацию. Программа написана на языке С и может быть портирована на любой микроконтроллер. Также работают несколько небольших Python-скриптов: однин из них прекрасно генерирует картинку первого этажа дома, второй для второго этажа, еще один для генерации погоды от OpenWeatherMap на следующие 12 часов, отправки данных на сервер и телеграмм, и наконец, программа, которая показывает сгенерированные картинки по кругу, с возможностью swipe и обеспечивает интерфейс с пользователем.



Чтобы монитор не светился постоянно, к RPI был приделан все тот же датчик движения, по сигналу с которого или с touchpad подается команда к включению монитора. Через 30 секунд монитор выключится, если сигналы не поступят опять.

С самого начало было очевидно, что в конечном счете разработка вышла дороже, чем готовые датчики, но эту плату можно использовать и для других прекрасных вещей.

Автоматический полив цветов на солнечной батареи

Скоро лето, время когда люди уезжают в отпуска, оставляя свои комнатные растения без воды под жаркими лучами палящего солнца. Я знаю, на Хабре и в Интернете представлено огромное количество систем полива для цветов. Большая их часть требует питания 220В или емких LiPo АКБ.

Для модификации нашей платы в автоматическую поливку цветов нам потребуется маломощная водяная помпа до 3А и напряжением 3-4В. Помпу необходимо поместить в емкую канистру от 5л. Желательно, чтобы канистра находилась на одном уровне с цветком, иначе мощности помпы может быть недостаточно для подъема воды более, чем на 30см. Если канистра с водой будет выше цветка, то необходимо поставить обратный клапан, который будет предотвращать самотек воды, запуская в трубопровод воздух. Помпа подключается к разъему J4.

В простейшем случае, длительность включения насоса можно настроить экспериментально. Например, установить включение на 3 минуты 2 раза в день. Для ручной регулировки цикла подачи воды можно подключить дисплей и 2-3 кнопки к разъему J7. В качестве обратной связи можно использовать ADC канал или поместить датчик влажности ближе к поверхности земли. А источник питания лучше использовать 3-6 аккумуляторов АА и солнечную батарею(блок батарей) площадью от 0.4 кв.м., которую необходимо подключить к разъему J8 и приклеить(прислонить) к окну.

Данная схема уже была реализована и, возможно, работает и по сей день, но на другом микроконтроллере.

Безопасный пускатель фейерверков

Не сомневаюсь, что читатели Хабра соблюдают технику безопасности при запуске фейерверков, но несчастные случаи также возможны при некачественной продукции. Поэтому для безопасности и комфорта инициировать запуск фейерверков лучше на безопасном расстоянии.

Для этого понадобится 2 таких устройства: одно для запуска, с нитью накаливания, а второе для управления. В качестве нити накала можно использовать никелевую нить малого сечения, намотанную на разъем и подключенную к J4. Для нагрева нити достаточно 3-4 аккумулятора АА и соответствующий току и напряжению транзистор в ключе VT2. Длину нити следует подобрать так, чтобы она светилась ярко-желтым светом, но при этом не перегорала мгновенно.

Перед надеванием нити накаливания на фитиль фейерверка, фитиль следует загнуть. Для пульта управления следует использовать второе устройство, подключить кнопку запуска к разъему J12. Соблюдайте осторожность при включении устройства!
Демонстрацию устройства, к сожалению, провести не удалось из-за отмены фейерверков в этом году из-за COVID.

Бонус. Битва роботов.

Их схватка будет легендарна

В качестве побочного продукта(своего рода вложенная прокрастинация) сопряжения STM8L0xx+NRF24L01 были изготовлены роботы для игры всей семьей. Схему печатной платы, ПО и модели деталек для 3D печати можно найти на GitHub.

Идея была в создании дешевой игрушки на радиоуправлении с возможностью расширения. В качестве основы корпуса была взята печатная плата, на которую крепятся моторы N20 с редуктором на 150об/мин и батарейный отсек с поворотным колесом.
Для добавления зрелищности борьбе был предусмотрен крюк с сервоприводом, но в схватке реальной пользы от него почти нет. С помощью крюка робот может самостоятельно переворачиваться и впиваться в ногу. На плате есть возможность подключения излучателя для стрельбы фотонами и фотодиода с операционным усилителем, а также внешней платы управления на базе esp32 c внешней камерой. К сожалению, все это так и не было протестировано.

В проекте также используются NiMH аккумуляторы, терпимые к замыканию и ударам, особенно, в руках детей. Cледует обратить внимание на максимальный ток NiMH аккумуляторов, дешевые аккумуляторы не способны выдать ток, необходимый для работы сервопривода под нагрузкой и просаживают напряжение, сбрасывая микроконтроллер.

Было придумано множество вариантов игр, роботы могут устраивать гонки, драться, играть в футбол. Один из вариантов игры можно увидеть в этом коротком видео:

За все время эксплуатации сломалось 6 больших колес, 2 кнопки пульта управления, 2 сервопривода и 1 мотор. Запасайтесь колесами!

Почти год прошел с моей публикации об установке солнечной электростанции на дом 200 кв.метров. В начале весны грянула пандемия и заставила всех пересмотреть взгляды на свое жилище, возможности существования в изоляции от общества и отношение к технологиям. У меня же за это время прошло боевое крещение всей техники и моего подхода самодостаточности своего дома. Сегодня я хочу рассказать о солнечной энергии, обеспечении себя в автономии всеми инженерными системами, а также нормальном и резервном доступе в Интернет. За статистикой и накопленным опытом- под кат.





Это еще не БП, но испытание нервов и подхода к организации жизни. Когда я строил дом, я рассчитывал на то, что какое-то время могут отсутствовать привычные жителю любого города удобства: вода, электричество, тепло, связь. Поэтому, подход мой основывался на резервировании всех критически важных систем:
Вода: собственная скважина, но есть колодец, чтобы набрать воду ведром, если выйдет из строя насос или откажет электросеть
Тепло: Теплоемкая стяжка, которая нагревается теплыми водяными полами и теряет до 3-4 градусов в сутки при -20 за окном. То есть до замерзания, при отсутствии внешней электросети, есть 2-3 дня, чтобы ввести в строй резервную систему отопления (газовый котел с питанием от баллонного газа).
Электричество: Помимо стандартных подведенных 15 кВт (3 фазы), есть собственная солнечная электростанция мощностью 6 кВт, запасом энергии в АКБ до 6,5 кВт*ч (70% разряда аккумуляторов) и солнечными панелями на 2,5 кВт. Практика показала, что летом, за счет работы на АКБ в вечерне-ночное время и подзарядки от солнца днем, можно жить автономно практически неограниченное время с некоторыми оговорками, о которых я поговорю ниже. Кроме того, есть резервный генератор, если долго будет отсутствовать внешняя сеть и будет пасмурно несколько дней тогда достаточно запустить генератор и подзарядить АКБ.
Интернет: Мобильный роутер с направленной антенной и сим-картами двух наиболее быстрых операторов сотовой связи
Более подробно хочу остановиться именно на солнечной энергии и доступе в сеть, так как они особенно востребованы и технологичны.


Солнечная электростанция
За прошедшее время я подкопил информацию о выработке солнечной энергии по месяцам. На графиках отчетливо видно, как с приходом осени и уменьшением светового дня, снижается общая выработка. Зимой солнца практически нет или оно настолько низко к горизонту, что тех крох энергии, которые удается собрать с помощью солнечных панелей, хватает только на поддержание минимальной работы электроприборов.


Мне очень часто задают вопрос по поводу отопления электричеством вырабатываемым от солнечных панелей. Просто посмотрите на показатели выработки в декабре за весь месяц и прикиньте, на сколько часов работы одного электрообогревателя хватит этой энергии! Напомню, что среднее потребление масляного радиатора равно 1,5 кВт.
Также я собрал очень интересную статистику потребления электроприборов за один цикл:
Стиральная машина 1,2 кВт*ч
Хлебопечь 0,7 кВт*ч
Посудомоечная машина 1 кВт*ч
Бойлер 100л 5,8 кВт*ч
Сразу видно, что большая часть энергии уходит на нагрев воды, а не на работу насосов или моторов. Поэтому я отказался от электрочайника и электроплиты, который хоть и кипятит воду довольно быстро, но тратит на это драгоценную электроэнергию, которой может не хватить для работы других жизненно важных систем. При этом, плита и духовой шкаф у меня газовые и будут работать даже при полном выходе из строя всей электроники.
Также приведу статистику выработки энергии по дням за июнь 2020 года.



С учетом того, что в РФ пока нет возможности частным лицам продавать выработанную ВИЭ энергию в сеть, ее нужно утилизировать самостоятельно, иначе она пропадает. Мой сетевой инвертор настроен таким образом, что для работы домашних электроприборов приоритетно используется энергия солнца, а потом энергия из сети. Но если дом потребляет 300-500 Вт, когда ясное небо и солнышко жарит, то будь хоть сколько панелей, а энергию девать некуда. Отсюда я вывел несколько правил, которые применимы ко всем хозяйствам, где есть солнечная электростанция:
Стиральная машина, посудомойка, хлебопечка включаются в околопик и пик дневной выработки, чтобы максимально задействовать энергию, полученную от солнца.
Электрический бойлер греет воду с 23 до 7 часов по ночному тарифу, а потом с 11 до 18, когда солнце находится над панелями. Вода при этом не успевает остыть полностью, если только не купаются подряд несколько человек в промежуток с 18 до 23 часов. В этом случае, бойлер включается вручную.
Газонокосилку и триммер я использую электрические: во-первых, электромоторы гораздо проще в работе, не требуют ГСМ и такого тщательного обслуживания, как бензиновые. Во-вторых, они тише работают. В-третьих, стоимость одного хорошего удлинителя равна канистре бензина и бутылке масла, а работать этот удлинитель будет куда дольше. В-четвертых, работа электрических косилок в солнечный день для меня бесплатна.
То есть все энергозатратные работы перенесены на дневное время, когда много солнца. Иной раз стирку можно отложить на день, если это не критично, ради ясной погоды.



Нагрузку в течение дня можно увидеть на следующем графике. Здесь видно, как в 11 часов включился бойлер и он закончил нагрев воды в районе 12 часов, тогда же включались другие электроприборы. После 13 часов использовалась электрическая газонокосилка, когда резко подскакивала выработка от солнечных панелей. Если бы лишнюю энергию можно было продавать, то график выработки был пологий, а излишки просто утекали в сеть, где потреблялись моими соседями.
Таким образом, за 11 месяцев, включая пасмурную осень и зиму, моя солнечная электростанция выработала 1,2 мегаватт*часа энергии, которая досталась мне абсолютно бесплатно.
Итог эксплуатации: Монокристаллические панели TopRay Solar за год не потеряли своей эффективности, так как выработка выскакивает даже за заявленные 2520 Вт ( 9 панелей по 280 Вт) при неоптимальном угле установки. Жить с помощью солнечной электростанции можно летом полностью автономно, а весной и осенью-экономно, если отказаться от электроплиты и электрочайника. Отапливаться электричеством от солнечных панелей невозможно. Зато летом кондиционер отлично работает только за счет вырабатываемой энергии.

Доступ в Интернет
В июне прошлого года я протестировал роутер Tandem-4GR от российской компании Microdrive. Он зарекомендовал себя настолько хорошо, что я даже установил один экземпляр себе в машину и он до сих пор обеспечивает меня доступом в сеть во время поездок. А вот дома я поставил параболическую сетчатую антенну, которая обладает минимальной парусностью, и подключил её ко второму такому же роутеру. Но меня терзала мысль о необходимости резервирования, ведь если закончатся деньги на балансе, сломается вышка оператора или у него отвалится канал связи, то и я останусь без выхода в сеть. Кстати, во время осенней грозы именно так и произошло, когда связь исчезла на 4 часа.



В начале этого года эта же компания выкатила на рынок устройство с поддержкой двух сим-карт и я не смог пройти мимо. Я даже выпустил обзор этого роутера, который оказался просто фантастически живучим и удобным в эксплуатации. Я его смонтировал на кронштейн антенны и теперь у меня не только минимальное расстояние от излучателя до роутера, то есть я не теряю сигнал на длинных проводах, но и зарезервирован канал на два разных провайдера.



Роутер периодически пингует заданные хосты и в случае отсутствия отклика переключается на другую симку. Для пользователя это проходит совершенно незаметно и это реально полезная функция. Мне же еще повезло, что вышки находятся примерно на одной линии, так как луч такой антенны очень узкий и вероятность получить хороший сигнал сразу от двух операторов не очень высокий. Но подобную задачу у знакомого я решил применив панельную антенну, диаграмма направленности которой заметно шире. В итоге, работают оба оператора, но основной симкой выбрана та, где оператор дает больше скорости.



После установки этого роутера я забыл о необходимости что-либо делать со своей сетью и теперь только жалею, что роутер поддерживает LTE Cat.4 и имеет интерфейс 100 Мбит/с, не давая качать файлы еще быстрее. Хотя один из операторов в моем наборе симок поддерживает агрегацию каналов и способен дать скорость выше, но тут я упираюсь в скорость стомегабитного интерфейса. Компания Microdrive очень охотно откликается на пожелания пользователей и обещает в этом году выпустить роутер с поддержкой LTE Cat.6 и гигабитным интерфейсом, а значит можно будет иметь такую скорость, что проводной провайдер просто остается за бортом. Минус мобильного интернета только один время отклика заметно выше, чем у операторов проводной связи, но это критично лишь заядлым геймерам, где заметна разница между 5 и 40 мс. Остальные пользователи оценят возможность свободного перемещения.
Итог: две сим-карты всегда лучше одной, а операторы сотовой связи куда быстрее исправляют проблемы на линии, чем операторы проводного интернета. Уже сейчас роутеры с поддержкой LTE Cat.4 могут конкурировать в цене ежемесячного доступа в сеть с проводными провайдерами, а при появлении роутера с поддержкой LTE Cat.6 разница в скорости доступа в сеть нивелируется и останется только разница отклика в несколько десятков миллисекунд, которые критичны только геймерам.

Заключение
Все идеи, заложенные при проектировании дома себя оправдали. Теплые водяные полы отлично греют, обладая большой инертностью. Нагревая я их электрокотлом по ночному тарифу, а днем полы медленно отдают тепло хватает без догревов при температуре до -15 на улице. Если температура ниже, то приходится включать на несколько часов котел днем.
Однажды скважина замерзла, когда на улице было -28, но колодец не пригодился. Я проложил греющий саморегулирующийся кабель вдоль трубы от скважины до ввода в дом и это решило проблему. Надо было сделать это сразу летом. Теперь у меня подогрев магистрали включается на ночь, если на улице температура ниже -15 градусов. Днем его включать нет необходимости, так как разбор воды достаточный, чтобы размораживать наледь, возникающую за время простоя.
Солнечная электростанция часто работает в режиме ИБП для всего дома, так как в частном секторе за городом отключения от получаса до 8 часов привычное дело. В этом году энергетики постарались и с января по март аварий не было, но с наступлением апреля начались ремонтные работы на всем протяжении линий и отключения электроэнергии стали постоянными. Вторая функция солнечной электростанции генерация собственной энергии: первый выработанный мегаватт*час собственной энергии произошел за 10,5 месяцев, включая осень и зиму. А будь возможность продавать излишки выработки в сеть, то первый мегаватт был бы выработан заметно раньше.
Что касается мобильного интернета, то уже можно смело заявлять, что по скоростям он приблизился к витой паре, которую затягивает большинство провайдеров в квартиры, а по надежности даже выше. Это заметно по тому, как быстро восстанавливают связь проводные провайдеры и операторы сотовой связи. У опсосов, даже при падении одной вышки, роутер переключается на другую и связь восстанавливается. А если оператор вообще перестал работать, то двухсимочный роутер просто переключается на другого оператора и происходит это незаметно для пользователей.
Пандемия и всё с ней связанное, продемонстрировала, что в своём доме жить гораздо безопаснее и вольготнее: никаких пропусков на прогулки по участку, отсутствие соседей с гиперактивными детьми, которые будут скакать по всему дому, нормальная связь и возможность удаленной работы, а также зарезервированные системы жизнеобеспечения делают жизнь очень привлекательной.
А теперь я готов ответить на ваши вопросы.

Последнее время то и дело говорят о зеленой энергии, возобновляемых источниках оной, а также о методах ее получения, хранения и использования. И это вполне логично, ведь население планеты неустанно растет, а запасы ископаемых источников энергии стремительно иссякают. Рано или поздно может наступить такой момент, когда вся энергия, используемая людьми, будет вырабатываться солнцем, ветром и т.д. Посему многие исследователи занимаются совершенствованием существующих и созданием новых методик сбора зеленой энергии. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Мичиганского университета разработали прозрачные (точнее полупрозрачные) солнечные панели. Из чего была создана данная технология, каков принцип ее работы, и смогут ли небоскребы стать эффективными сборщиками солнечной энергии? На эти вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Солнечные панели когда-то были достаточно большой редкостью, но сейчас, благо дело, их доступность и популярность сильно возросли. Недавно я проходил мимо одного жилого дома в своем городе и заметил, что его глухие стены и крыша полностью покрыты солнечными панелями. Это вызвало у меня в равной степени удивление, восхищение и море вопросов касательно эффективности, экономической выгоды и прочего. Тем не менее этот эмпирический пример отлично показывает одну особенность панели были установлены там, где они не будут мешать (т.е. не на окнах).

Конечно, существуют целые поля солнечных панелей, занимающие сотни квадратных метров (а то и больше), но в густонаселенных и, следовательно, густозастроенных городах слишком мало свободного пространства для такого метода установки. Кто-то скажет: если бы сильно хотели зеленую энергию и солнечные панели, то и место нашлось бы. Согласен, но реальность пока иная. Лишнего пространства между высотками может и не очень много, но вот чего много, так это окон, которые сами могли бы стать сборщиками солнечной энергии.

На данный момент уже существует несколько разработок в области полупрозрачных солнечных панелей, эффективность которых достигает 7%. В их разработке важную роль играют органические полупроводники. По сравнению с неорганическими полупроводниками, узкие экситонные* полосы внутри органических полупроводников открывают новые возможности в области органических фотоэлектрических элементов (далее OPV от organic photovoltaics), так как многие органические соединения избирательно поглощают свет за пределами видимого диапазона длин волн.

Экситон* электронное возбуждение в полупроводнике, диэлектрике или металле, перемещающееся по кристаллу, но не связанное с переносом электрического заряда и массы.

Эффективность полупрозрачных фотоэлектрических элементов (ST-OPV) в 7% может радовать ученых и людей, понимающих сложность достижения такого показателя у столь нестандартной технологии, но с точки зрения экономической выгоды это слишком мало. Кроме того, лишь небольшая доля из разработанных ST-OPV достигает видимой прозрачности в 50%, что критично для многих приложений.

В результате для создания ST-OPV необходимо найти баланс между эффективностью сбора энергии и достаточным уровнем прозрачности, что не есть простая задача. Ученые также добавляют, что многие уже созданные ST-OPV имеют весьма неэстетичный внешний вид (оттенок стекла), что также никак не способствует популяризации данной технологии.

На сегодняшний день эффективные ST-OPV нейтрального цвета в основном сосредоточены на использовании материалов с сильным поглощением в ближней инфракрасной области (NIR), включающих структуры многопереходных устройств для минимизации потерь на термализацию, просветляющих покрытий (ARC) или апериодических диэлектрических отражателей (ADR) для увеличения поглощения.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают свой вариант ST-OPV, который достигает PCE = 10.8 0.6% и APT = 45.7 2.1%, что приводит к LUE = 5.0 0.3.

PCE* эффективность преобразования энергии (power conversion efficiency);
APT* средняя светопропускная способность (average photopic transmission);
LUE* эффективность использования света (light-utilization efficiency).

В устройстве используется NFA молекула NFA (нефулереновый акцептор) с высоким поглощением в ближнем ИК-диапазоне, для синтеза которой требуется всего несколько шагов. Несмотря на то, что NFA имеют частично ковалентно конденсированные кольцевые структуры (а не жесткие и полностью конденсированные), в них наблюдались сильные межмолекулярные взаимодействия и плотная упаковка молекул (1А).


Изображение 1

Комбинация материалов, поглощающих свет в ближнем ИК-диапазоне, выводных (выход фотонов из светодиода после генерации) структур (OC от outcoupling) на выходной поверхности и прозрачных электродов позволила достичь того самого компромисса между эффективностью, прозрачностью и эстетичностью.

Нейтральный по цвету ST-OPV с использованием прозрачного анода из оксида индия-олова (ITO от indium tin oxide) показал PCE = 8.1 0.3%, APT = 43.3 1.5% и LUE = 3.5 0.1%. Показатели света, проходящего через устройство, были таковыми: коэффициент цветопередачи (CRI) = 86; коррелированная цветовая температура (CCT) = 4143 K; хроматические координаты (0.38, 0.39).

Результаты исследования

На изображении 1А показаны молекулярные структуры трех исследованных NFA, один из которых (а именно SBT-FIC) продемонстрировал полностью слившуюся молекулярную основу. Два других NFA (A078 и A134) с частично сплавленными ядрами являются изомерами SBT-FIC, содержащими четыре тиофена, два циклопентадиена и одно бензольное кольцо.

Одним из основных отличий между тремя NFA является сложность синтеза. На изготовление SBT-FIC требуется 10 этапов синтеза, а для создания A078 и A134 всего от 4 до 6 этапов. В дополнение к этому, A078 и A134 привлекательны еще и достаточно большим выходом, а также менее токсичными и более дешевыми материалами для синтеза.

Спектры поглощения NFA в УФ-видимом диапазоне показаны на 1В и 1С. Удивительно, но тонкие пленки A078 и A134 демонстрируют значительные батохромные сдвиги* ~ 135 нм по сравнению с SBT-FIC с пиком поглощения при _max = 900 нм.

Батохромный сдвиг* смещение спектральной полосы в длинноволновую область под влиянием заместителей или изменений среды.

Циклическая вольтамперометрия NFA молекул показала, что у SBT-FIC энергии высшей занятой молекулярной орбитали* (ВЗМО) и низшей вакантной молекулярной орбитали (НВМО) составили EH = -5.81 ( 0.02) и EL = -4.15 ( 0.03) эВ. Для A078 показатели были: 5.58 ( 0.02) и -4.06 ( 0.03) эВ. А для A134: -5.54 ( 0.02) и -4.05 ( 0.03) эВ.

Молекулярная орбиталь* математическая функция, описывающая волновое поведение электронов в молекуле.

ВЗМО (высшая занятая молекулярная орбиталь) орбиталь, которая среди заполненных в основном состоянии имеет наибольшую энергию.

НВМО (низшая вакантная молекулярная орбиталь) полностью или частично вакантная молекулярная орбиталь с наименьшей энергией среди всех заполненных.

A078 и A134 демонстрируют более низкую ВЗМО-НВМО запрещенную зону (1.40 эВ), чем SBT-FIC (1.65 эВ), что согласуется с оптическими измерениями.

Далее NFA, смешанные с PCE-10, был использован в OPV со структурой ITO / ZnO (30 нм) / активный слой (100 нм) / MoO₃ (20 нм) / Ag (100 нм).


Изображение 2

На графике 2А показаны характеристики плотности тока и напряжения вышеописанных NFA+PCE-10.

В устройстве на базе A078 были достигнуты следующие показатели: PCE = 13.0 0.4%, VOC = 0.75 0.01 В, JSC = 24.8 0.7 мА/см² и FF = 0.70 0.04.

Устройство OPV на основе A134 показало: PCE = 7.6 0.2% с VOC = 0.75 0.01 В, JSC = 16.7 0.5 мА/см² и FF = 0.61 0.03.

Для устройства PCE-10: SBT-FIC показатели были такими: PCE = 7.8 0.3% с VOC = 0.70 0.01 В, JSC = 17.2 0.7 мА/см² и FF = 0.65 0.02.

Стоит отметить, что добавка 1-фенилнаталена (PN) приводит к значительному повышению эффективности устройств A078 и A134 по сравнению с SBT-FIC, что связано с улучшенной молекулярной упаковкой A078 и A134, а также более благоприятной ориентацией молекул в смеси. Также видно, что устройство PCE-10:A134 показывает более низкий PCE по сравнению с OPV PCE-10:A078. Это связано с кристалличностью A134, что приводит к его более низкой растворимости.

График 2В показывает спектры внешней квантовой эффективности* (EQE) различных вариантов устройства.

Квантовая эффективность* отношение числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощенных фотонов.

Значительное улучшение JSC для A078 по сравнению с SBT-FIC OPV связано с его красным смещением* поглощения на ~200 нм, которое обеспечивает охват солнечного спектра дальше в NIR.

Красное смещение* явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.

EQE A078 OPV достигает 80%, между = 700 и 900 нм, оставляя окно прозрачности между видимыми длинами волн от 400 до 650 нм.


Изображение 3

На графиках 3А-3С показаны профили различных устройств на базе чистых пленок NFA и смеси PCE-10:NFA с/без добавления 1-фенилнаталена.

При добавлении 1-фенилнаталена показатель поглощения пленки PCE-10:NFA практически не меняется. А вот в смесях PCE-10:A078 и PCE-10:A134 обнаружен новый ярко выраженный пик агрегации около 900 нм. Это указывает на то, что добавка 1-фенилнаталена усиливает межмолекулярные взаимодействия на частично связанных акцепторах, а не на полимерном доноре.

Далее были изучены морфологические свойства разных вариантов устройства.

A078 демонстрирует широкий (100) пик дифракции при 0.31 ¹ с длиной ламеллярной когерентности L_c = 7.5 нм. В случае A134 пик дифракции был более узким и острым при 0.36 ¹ с более высоким значением L_c = 15 нм. Из этого следует, что у A134 более высокая упорядоченность, чем у A078, что объясняется заменой объемной боковой цепи молекулы п-гексилфенила компактными линейными алкильными цепями.

SBT-FIC в свою очередь показывает дифракционный пик при 0.34 ¹ с наименьшей длиной ламеллярной когерентности L_c = 3.7 нм из-за его аморфной природы.

За счет добавления 1-фенилнаталена дифракционные пики (010) PCE-10:A078 и PCE-10:A134 (3E) при 1.79 и 1.82 ¹ (из-за NFA) смещены и показывают увеличенную длину когерентности (24 против 52 для A078) и (30 против 63 для A134).

А вот внесение добавок в PCE-10 никак не влияет на значение когерентности. Это подтверждает, что морфологические отличия между вариантами устройства происходят от NFA, а не от донора.

Кроме того, при использовании 1-фенилнаталена была обнаружена зависимость от ориентации молекул (параллельная или перпендикулярная). Для PCE-10:A078 отношение параллельная/перпендикулярная увеличивается с 2.37 до 3.64 (3D). Ввиду того, что параллельная ориентация молекул является идеальной для переноса заряда, становится очевидным, почему именно устройство A078 обладает столь высокой эффективностью (по сравнению с другими вариантами).

Ввиду этих данных именно A078 был использован в исследуемых полупрозрачных фотоэлектрических элементах (ST-OPV), структура которых выглядела следующим образом: ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (95 нм) / MoO₃ (20 нм) / Ag (16 нм).


Изображение 4

Полученный ST-OPV показал LUE = 2.8 0.1%, PCE = 11.0 0.7% и APT = 25.0 1.3%. Однако, несмотря на неплохой показатель PCE > 10%, применять данное устройство в архитектуре нельзя, так как там требуется, чтобы средняя светопропускная способность APT была ~ 50%.

Решить эту проблему ученые смогли за счет специально разработанной структуры для управления оптическими свойствами устройства, позволяющей достичь максимального пропускания в видимом диапазоне и максимального отражения в ближнем ИК-диапазоне.

На анод из серебра было нанесено оптическое OC-покрытие, состоящее из четырех слоев: CBP (C₃₆H₂₄N₂; толщина слоя 35 нм, коэффициент преломления 1.90) / MgF₂ (100 нм, 1.38) / CBP (70 нм) / MgF₂ (45 нм). А на дистальную поверхность стеклянной подложки наносили ARC (слой просветляющего материала), состоящий из бислоя MgF₂ (120 нм) и SiO₂ (130 нм) с достаточно низким коэффициентом преломления 1.12.

ST-OPV с OC и ARC продемонстрировал увеличение средней светопропускной способности (APT) с 25.0 1.3% до 45.7 2.1%, что является улучшением почти на 80% по сравнению с устройством без дополнительных слоев (т.е. без OC и ARC). Значение эффективности преобразования энергии (PCE) практически не изменилось (4С). Наблюдалось лишь незначительное уменьшение плотности тока (JSC = 20.4 0.8 против 20.9 1.2 мА/см²). При использовании данной конфигурации устройства эффективность использования света составила LUE = 5.0 0.3%. Данный показатель, по заявлению ученых, является самым высоким среди имеющихся на данный момент ST-OPV устройств.

Основные показатели разработанного устройства многообещающие, осталось изучить его внешний вид, что было сделано посредством смоделированного солнечного света (AM1.5G).

Свет, прошедший сквозь устройство с ОС и ARC покрытием, имел хроматические координаты (0.33, 0.39) и CCT = 5585 K. Тем временем, высокая отражательная способность ультратонкого катода из серебра при > 600 нм придает устройству зеленый оттенок. В отличие от Ag, ITO имеет более высокую прозрачность с плоским спектром пропускания в видимой области. Если использовать катод и анод ITO, то в результате можно получить более нейтральный оттенок.


Изображение 5

На графиках и фото выше показаны спектральные характеристики плотности тока, напряжения и EQE устройства ST-OPV на основе ITO со следующей структурой: MgF₂ (120 нм) / стекло ITO / ZnO (30 нм) / PCE-10:A078 (105 нм) / MoO₃ (20 нм) / напыление ITO (140 нм) / MgF₂ (145 нм) / MoO₃ (60 нм) / MgF₂ (190 нм) / MoO₃ (105 нм).

По сравнению с ST-OPV на основе Ag, устройство на основе ITO показывает различия в FF и VOC из-за его более высокой работы выхода* и поверхностного сопротивления (~ 50 Ом/квадрат).

Работа выхода* энергия, которую должен получить электрон для его удаления из объема твердого тела.

Но самые значимые отличия наблюдались в показателях JSC и PCE. Поскольку устройство становится все более прозрачным, отражение от ITO анода в тонкую активную область уменьшается, устраняя двойной проход фотонов. Чтобы свести к минимуму потерю фотонов низкой энергии, OC покрытие было специально разработано с максимальным пропусканием в видимой области спектра и более высокой отражающей способностью на более длинных волнах. Таким образом, устройство с OC покрытием имеет на 15% более высокие значения JSC и PCE по сравнению с ITO устройством без покрытия, хотя видимая прозрачность при этом практически не меняется.

ITO устройство с ОС покрытием демонстрирует LUE = 3.5 0.1%, PCE = 8.1 0.3% и APT = 43.3 1.5%, и имеет почти нейтральный оттенок. Также анализ трестируемого устройства показал, что оно передает цвет объекта за ним (5D).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В городах полно домов (простите за очевидное), следовательно, множество окон. Использование их в качестве площадки для сбора солнечной энергии является весьма разумной, но сложной в реализации идеей. С одной стороны необходимо собирать максимум энергии, с другой суть окна в том, что оно прозрачное.

В данном труде ученые смогли продемонстрировать рабочий прототип устройства полупрозрачного фотоэлектрического элемента с PCE = 10.8 0.6%, APT = 45.7 2.1% и LUE = 5.0 0.3%. Другим словами, эффективность устройства составила 10.8%, а его прозрачность 45.8%. Основным достоинством данной разработки является баланс между этими показателями.

На данный момент эффективность использования света составляет порядка 5%, что уже хорошо, ведь предшественники могли выдать максимум 2-3%. Однако ученые намерены продолжить свой труд и достичь 7%. Еще одной задачей, которую они перед собой поставили, является продление срока службы устройства до 10 лет. Долговечные, эффективные и эстетически красивые фотоэлементы смогут превратить обычное офисное здание в своего рода солнечную электростанцию.

Хотелось бы сказать, что подобные исследования своевременны, однако это не так. Такими разработками, особенно столь массово, как сейчас, стоило заниматься намного раньше, не дожидаясь момента, когда предотвращение экологической и энергетической катастрофы превратится в разбор последствий. В любом случае подобные начинания, хоть и с опозданием, имеют огромную важность не только для будущего человечества, но и для будущего нашей планеты.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Самодостаточную приставку разработали, чтобы протестировать пределы безбатарейной вычислительной техники.

Энергетические технологии значительно продвинулись со времен первых портативных игровых приставок, появившихся в 70-х и 80-х. Чтобы продемонстрировать эти достижения и показать, куда они могут привести нас в будущем, группа исследователей сконструировала приставку Game Boy, которая вместо батареек использует комбинированный источник питания: от солнечной энергии и от взаимодействия пользователя с устройством.

Самодостаточную игровую систему разработали ученые из Северо-Западного университета в США и Делфтского технического университета в Нидерландах, которые намеревались исследовать пределы безбатарейной вычислительной техники. Система оснащена репликой процессора, который использовался в оригинальной 8-битной ретро-приставке Nintendo Game Boy. На устройстве можно играть в игры с оригинальных картриджей консоли, что, по наблюдениям команды, требует значительных вычислительных мощностей и много энергии.

Вместо того, чтобы обеспечивать непрерывное питание при помощи батарей, команда встроила солнечные панели по краям экрана. Панели работают в тандеме с системой конденсаторов, которая добывает энергию от взаимодействия пользователя с устройством: когда тот нажимает кнопки.


Самодостаточная игровая система разработана учеными из Северо-Западного университета в США и Делфтского технического университета в Нидерландах.

Это первое интерактивное устройство, которое получает энергию от действий пользователя, говорит Джозия Хестерн из Северо-Западного университета, один из руководителей исследования. Когда вы нажимаете кнопку, то устройство конвертирует энергию, чтобы поддерживать вашу игру.

Устройство по размеру и форме повторяет оригинальный Game Boy. Оно умеет быстро переключаться между двумя источниками энергии, но игровой процесс ненадолго прерывается.



По словам разработчиков, сейчас эти перерывы длятся менее секунды в типичных условиях игрового процесса игр Тетрис или Солитер. Проблема потребует решения для более активных игр. Положительная сторона: система умеет сохранять прогресс пользователя на тот момент, когда питание исчезает, позволяя продолжить с места остановки. Даже если Марио застыл в прыжке в воздухе.

Экологичные игры станут реальностью. Мы сделали важный шаг в этом направлении, убрав батарею целиком, отмечает Пшемыслав Павелчак из Делфтского технического университета, еще один руководитель проекта. При помощи нашей платформы мы хотим заявить, что возможно сделать экологичную игровую систему, которая приносит веселье и радость пользователю.

Прослушайте рассказ Хестера ниже.


Подробнее о проекте читайте тут.

***

Послесловие переводчика



Вечная приставка Game Boy может стать прототипом неубиваемых рабочих инструментов для пожарных или туристов. Надо отметить, что для оригинального игрового устройства от Nintendo уже выходили аксессуары для зарядки от солнца. Например, Game Boy Solar Charger.