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投稿者: f-otake 投稿日時: 2011-3-24 0:17:13 (1190 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

この記述は順番で行くと一番下ですが、あえて上にしてあります。
稼働後約4年になりましたが、問題点も出てきました。

電池の寿命が悪い。私は以前ハイエースのバン(ディーゼル)を改造して乗っていましたが、その時バッテリーを寒冷地仕様の130F1に変更し10年間交換をしていません。10年目に交換しましたが、それも寿命では無く、10年も使っていたからと交換した次第です。この原因は憶測ですが、大容量のバッテリーにした事により、始動時の大電流が相対的に減り、寿命が長くなったと思っています。つまり寿命に影響の出る、過放電、過充電がなくなっのでは無いかと思います。それ故この無停電電源を作るときわざわざ良くない電池の並列で電流容量を上げる事にしたのですが、結果それが災いしているのかも???
津波の直前(たまたま)に各電池の電圧を調べると直列にしたマイナス側の電池(2個共)が1V以上プラス側の電池より低い電圧で、極端にアンバランスでした。この原因は解かりません。1V以上のアンバランスがあると充電開始電圧を約20V(1年くらい前に変更していた。容量が無くなってくると電池電圧は急激に下がるので、少々低めに設定しても、すぐにその電圧に達するからと、浅はかな考え)にしていたので、このアンバランスを考えるとマイナス側の電池は9V位になっていたと思われます。それで並列を止めプラス側につないでいた2個の電池を直列にした1日運用したら、一方の電池が1V位低い電圧でした。この原因はある時バッテリー液の点検を忘れ、下限値を下回り、セルの金属上部がすれすれで液面上に出ている状態だった電池です。
又,比重系で調べると液が灰色がかっていました(4個とも)。どうも鉛の細かな粒の様ですが??
インターネットを調べると鉛電池は過放電が寿命に対し影響が大きい様で(ここを参照)開放電圧が11.5Vで残存容量が零になるようです。これが原因で寿命を極端に縮めていたようです。早速、補充電開始電圧を23.4Vにしました(電池は交換した、13:改造予定参照)。この電圧は開放電圧が11.86Vで残存が30%とあるので負荷を繋げたままなら(今は約4A)11.7V(X2)位と勝手に決めつけた設定値です。
又,回路を見直した結果、不必要な事をやっていたので列記します。
1:制御回路の電圧を上げる必要は無い。バッテリーの電圧を分圧して測定するので電池の電圧が入力には来ないので、OPアンプの電圧はバッテリーの電圧でかまわない。
2:電流測定用の検出抵抗はマイナス側に入れれば、わざわざ絶縁タイプのDCDCコンバータは必要ない。


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 11:43:00 (3025 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

24Vから各電圧を作りますが、−5Vは現在のマザーボードではほとんど使用していません。私の手持ちのマザーボードを(5枚ほど)全部調べましたが、全部未使用でしたので、-5vは作らない事にしました。
WEBサーバーに使用しているコンピュータの各電圧の最大電流を調べた所、12V:3A, 5V:3.5A, 3.3V:4A, -12V:0.2A, 5VSB(スタンバイ電圧):1A でしたので12V,5V,3.3Vには秋月電子のSW電源モジュールのDC−DCコンバータ HRD12003E(出力5〜24V可変)(5Vからになっていますが、モジュール内部の安定化用ツェナーダーオードは2.5Vですので3.3Vを作れます)を各電圧に2個使用し電圧調整抵抗を入れ各電圧を作り、5VSBは秋月電子で売っていた5V2A(HRD05002E)を使用しましたが、今は売っていないみたい。-12VはMC34063を使用し作りました。
本来使用しているSW電源モジュールは並列運転が出来ませんが、強引に並列にしています。最初は各モジュールに0.1Ω位の抵抗を入れて各モジュールのばらつきを抑えるつもりでしたが、どうも無くてもよさそうなので現在は入れていません。本当は各モジュールに電流計を入れ調べればいいのですが、まだやっていません。
回路図はここをクリックして下さい。(PDFファイルです)
この回路図はマザーボードをつながないと−12Vが出力に出てきますので、マザーボードをつながない時に出力が出ないようにするには10KΩの抵抗を5VSBの出力からPS ON(16ピン)に入れて下さい。
この写真はサンバ・サーバーの写真、WEBサーバーは別にある。又、5Vのモジューは3個付いている。(3個パラがうまく働くか不明、現在の5Vの最大電流は6A以下。又、HighPointのRocketRAID 2300をRaid5で使用していますが、必ずスタッガード・ドライブ・スピンアップ機能をONにして使用の事。これを使用しないと、5V・12Vの最大時の電流容量が不足する。ラックマウント型のケースは自作。









































投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:50:00 (1930 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

全回路図は:ここをクリックして下さい。(お詫び、デジタル電流計入力の+−が入れ替わっておりました。訂正2007/5/6)

全体写真1 高さはキャスターを入れて102cm、横58cm

全景2(前扉オープン)SW電源は前面パネルにある2mm厚のアルミ板に放熱を兼ね、
取り付け(モジュールに3mmのタップが3箇所あったのでそれを利用)下の電池には
電解液点検のため頭が入る位のスペースが必要

表示部(AC100Vより充電中、太陽電池も各1A強充電している
入出力部(左の4本は太陽電池から、その右の4本は24V出力用(この上はサーキットブレーカ)、
黒いケーブルはSW電源用100V

SW電源附近(電源上の白い部品とその左の部品は逆流防止用SBDr(ショットキーバリヤダイオード)。
アルミのLアングルに白い液体ゴムを塗り、絶縁)

制御回路付近(右のダイオードはSW電源用SBDr、アルミのアングルとは放熱ゴムで絶縁)


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:30:00 (2830 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

表示機として下記のものを取り付けました。
A.太陽電池充電電流計:これは逆流防止ダイオード(効率の為にショットキーバリア・ダイオード。モジュール側には入っていないとの事です。)を入れた後にアナログの5Aの電流計を各モジュールに入れてあります。(各モジュールから2mmのケーブルで引き込み、ここまでは太陽電池工事に含まれる)
B.電池電圧用デジタル電圧計
C.使用電流用デジタル電流計
D.補充電用デジタル電流計
注意:デジタル計は3個ありますが、電流計の2個はアナログ・グランドが電池のマイナスと共通になりませんので、絶縁型のDCDCコンバーターで電源供給が必要です。電圧計と電流計を共通の電源から供給するとデジタル計が確実に昇天します。
失敗談:電流計の2つのアナログ・グランドを共通にして同じ絶縁型のDCDCコンバーターから電源供給をしたところ、最小桁が安定しませんでした。この桁は10mA台ですので気にしなくてもいいのですが、デジタルだと表示がくるくる変化するのは気持ちがよくないので、現在は3つすべてのデジタル計にそれぞれ独立したDCDCコンバーターから電源を供給しております。
デジタルメーター:秋月電子のPM-129Bで電源5V、アナログ・グランドと電源のマイナス側が共通のもので200mVフルスケールの物を電圧計は10MΩと10KΩ(正確には1/1000になっていませんが誤差範囲ないです)で分圧し200Vフルスケールで使用。電流計は回路に40mΩ(1W)のチップ抵抗を4パラにし10mΩにしてそこに200mVフルスールのデジタル計をつけました。この抵抗は秋月電子で購入しましたが、現在は売っていないようです。
DCDCコンバーター:イーター電機のOEJ05SC1224 で絶縁型の5V,0.3Aです。電圧計は電池マイナスとアナログ・グランドが共通なので、絶縁型でなくてもいいのですが、部品を共通化する意味で同一品を使用しました。非絶縁タイプの同容量は100円くらい安かったと思いますし、消費電流が実測で60mA強ですので、3端子レギュレータで5Vを作れば安上がりです。(効率は悪いけど)
制御回路用電源:測定する電池よりも高い電圧が必要なので、MC34063を使用し、電池から32Vを作っています。
制御回路図:ここをクリックして下さい。(PDFファイルですのでアクロバッド・リーダーが必要です。

中央のSWモジュールの右にあるチョークコイルは表示が安定しなかった時に入れた物で無くてもよい。外すのが面倒なのでそのままにしている。















投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:20:00 (2370 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

過充電保護回路は補充電回路と同じ考え方で、OPアンプを使用し、ヒステリシスを持たせ、リレーをカットするように考えました。カットする電圧を28.8Vにし、リレーを再接続する電圧を26.5Vに設定し回路を作ってありますが、この1ヶ月ほどの経過を見ますと、一度も過充電状態に近くなることが無いので途中でやめています。(リレーを入れていない)。もちろんこれは私の現在の状態であり、消費電流と太陽光発電の充電電流によって必要になります。
回路図:ここをクリックして下さい。


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:15:00 (1962 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

まず電源の電圧を上げますが、これは簡単で電源に1個だけ付いている半固定VRを右に回していきますが、このとき負荷を付けていないと電圧が出てこない仕様になっています。又あまり電圧をあげると電源の過電圧保護回路が働いて出力をカットしますので、その少し手前でとめることにします。28V弱であれば、補充電の回路のほうで充電をカットしますのであまり気にする必要は無いかもしれませんが、この回路が働かなかったことを考えあまり高くしないほうがいい。製作時点ではこのSW電源を入れっぱなしにし、出力側もつないでおいて電源の出力電圧を24V位にして動作させていましたが(こうすると制御回路はいらない )、
A.電池が24Vを下回ると常に補充電してしまう(太陽が出てきて充電すれば補充電の必要が無いときの方が多いし、SW電源のAC100Vの消費電流分効率が悪い)
B.電池が24Vより高いときは電池からSW電源に電流が流れ効率が悪いのと、これがSW電源にどう作用するか不明で、気持ちが悪い。 これはダイオードを入れれば解決しますし、現在も入れてありますので理由にならないかな?
ので現在は今のように制御回路を入れてあります。
過電流を少なくする改造は写真をご覧下さい




































投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:10:00 (2074 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

長期間天気が悪い時 のために補充電を作ります。補充電開始電圧を21.5Vとし、終了電圧を27.5V 29.1V(2009年9月22日変更。回路図中の補充電源部分、フィードバック抵抗120kΩは100KΩに変更)(太陽電池があるので満充電にする必要は無い )としてOPアンプを使用したコンパレーターにヒステリシスを持たせて作りました。(コンパレーターの出力をトライアック使用のゼロクロススイッチ(ソリッド・ステート・リレー(SSR)キット 25A(20A)タイプ )で電源のAC100Vを入れるようにし、出力側はダイオード(やはり効率を考えてショットキーバリア)を入れてあります。電源としてはイーター電機BSE24SA-Uを使用しました。このSW電源は24V出力で7Aの電源です。これを選んだのは安いからで定価で¥5,570で千石電商で約¥5,000でした。ただしこの電源の改造が必要です。このままですと21.5VになるとSW電源の過電流保護が働きその設定値まで電流が流れてしまいます。規格によるとこの状態を1分以上使用するなとありますので(私は試しにこの状態を1時間位やりましたが壊れませんでしたがお勧め出来ません)過電流保護の部分を改造し7A付近にする必要があります。又、電源電圧が24Vですので27.5Vまで充電してくれません。この改造は次項をご覧ください。
蛇足:設計時の消費電流は3.5Aでしたので7Aにしましたが、現在は6Aほど消費しており都合1Aしか充電に回りません。今思うともう少し大きな電源にしておけばよかったと思っております。ただし14Aの電源は高いのでこのシリーズの BSE12SA-U(12V,14A)を2個直列に使用したほうが安くなります。
写真・回路図は 9.電流,電圧表示装置をご参照ください。


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 10:00:00 (1830 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

定量的に報告するのはあまり意味が無いと思われますので(実は照度計を持っていない)、感覚で申し訳ありませんが、雨の時はよっぽど明るくない限り、ほぼ充電電流が0A で、曇りでも明るい曇りなら半分くらい充電します。天気がいいときの朝8時で1A(このモジュールが西向きに取り付けてあるので、朝は効率が悪いはずです。)3.5Aの充電になる時間は天気がいい日に観測が出来ていませんので、後日報告しますが、多分12時くらいかなー?。今10分ごとの電池電圧を無休止でデーターを取っていますので後日報告します。
追記:4月20から5月9日朝まで観測出来ている限り3A以上になっておりません。3Aなるのは1時位。多分電池の電圧によって変化すると思われるので、3.5Aになったのが何Vだったかは覚えておりません。今、電池電圧は10分おきに無休止でデーターを取っていますが、太陽電池からの電流は取っておりませんので、時間が取れたときにデーターロガーを製作し報告したいと思います。やっとデーターロガーを作りました。ここをクリックしてください
追記6/4:天気がいいと10時半でも3.8Aになりました。重要な発見太陽電池の公称最大出力動作電圧付近(このパネルは26.4V)を越えると同じ光量でも充電電流が下がってきます。試しに太陽電池を直列にすると合計の充電電流は増えます(実例:電圧が27Vの時パラレルだと1.5A位(1枚で)だったものが2枚直列にすると4A(2枚で)まで電流が増えました)。電池の電圧が充電によって上がってくると太陽電池の発電電力が下がるみたいです。この電圧が何ボルトなのか少しテストして報告します。ちなみに電池電圧が25.5Vの時は直列にしても電流は増えず(この時ははパネル1枚で1A位だった。並列でも直列でも1Aと言う事は並列の方が良い)。わたしの場合は太陽電池からショットキー・バリア・ダイオードをとうしているのでその電圧降下も考慮すると多分26v付近と思われる。又、この特性の為に過充電にならないと考えられます。
同日夕方直列で2.9A X2 =5.8A(電池電圧26.0V)並列で1.8A X 4=7.2A(電池電圧26.4V)となり、並列の方が効率がいい。どうも電池電圧だけではないみたい。電池電圧が上がっているのは充電電流が増えたため。
追記6/23:この日の午後、並列で1.5A X 4 =6A (26.5V)、直列で4.1A X 2 =8.1A (27.6V)でした。どうもこの辺が境界みたい。


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 9:55:00 (1305 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

実際に取り付けると充電しながらの最大電圧は現時点で(稼動後、約1ヶ月で29Vまで出ていました。この時の電流は3Aです)。又、最大電流は今の所、3.5Aです。(私の場合南向きの屋根が無く、西向きの切妻屋根に取り付けている関係で、100%は出ません。資料によると東西側に取り付けると80%位だそうです。3.5Aは70%ですが、太陽の角度もあると思いますので、これ位が妥当かも知れません。)この結果最大で3.5A X 4枚で14Aが最大充電電流になります。設計時点での消費電流は3.5Aでしたので1日あたり3.5X24h=84Aになり、最大充電電流で割ると6時間になり、電池の効率を80%とすると7.5時間、毎日最大充電電流が必要となります。これは結果論ですが、難しそうです。最大の誤算は計算の時モジュールの電流を5Aで計算し、モジュールの数を4枚としましたが、6枚設置すべきでした。2008年6月に東側に2枚追加し、現在は6枚設置してあります。それでも足りないみたいで、補充電がしょっちゅうONになります。
蛇足:太陽電池はモジュールだけ買って自分で設置させてくれません。設置のためにシャープでは教育をし、資格のあるものが取り付けるようになっているようです。(雨漏りや、取り付け強度などの問題があるみたいです、)私の場合、家庭の100Vも太陽電池化しましたので一緒に設置しましたので、設置のコストは不明ですが、このためだけに設置工事をするとモジュールも入れてかなりの金額になると思われます。私は下記の業者に頼みました。
太陽電池業者:徳屋


投稿者: f-otake 投稿日時: 2008-3-15 9:52:00 (1533 ヒット)
太陽電池を使った無停電電源(サーバー用) 奮闘記

(青は2009年10月20日追記)太陽電池は24Vのバッテリーを充電するために、電圧が26V位(これが大失敗34V以上にしないとダメ。注参照)がいいので、シャープNE-132ATを4枚(パラレルに)付ける事にしました。(現在は東側に2枚追加し合計6枚)この太陽電池モジュールは1枚で、
公称最大出力動作電圧:26.41V
公称最大出力動作電流:5.00A
公称最大出力:132W の多結晶モジュールです。
シャープにした理由は特にありませんが、シャープが1番実績があるから。
(注:26.1V{ショットキーバリヤ ダイオードの電圧降下が0.3V位ある}以上は充電電流が減ってくるので充電効率が悪くなり極端に効率が下がる。5.太陽電池は実際どれ位発電するの?の重大な発見に書いてあるように直列に繋ぎ太陽電池の1枚あたりの動作電圧を下げると{つまり最大出力動作電圧より下げる}電流が増えるのはこのため。又34V位の太陽電池はシャープには無い。
写真の左奥がサーバー用パネル。他は家庭用100Vのパネル




















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