Солнечная панель для хотспота: автономный узел в поле

Хотспот — это маленький компьютер, и ему всё равно, откуда берётся 5 вольт: из розетки в квартире или из аккумулятора, который днём заряжает солнце. Вторая схема открывает интересную возможность — поставить узел сети DMRhub там, где 220 В нет вовсе: на даче без электричества, на вышке за городом, в гермобоксе на крыше гаража, на выезде. В этой статье разберём схему автономного питания целиком: от панели до 5-вольтового выхода на Raspberry Pi, как прикинуть ёмкость аккумулятора на ночь и пасмурный день, и где в этой цепочке нельзя экономить на безопасности.

Из чего состоит автономный узел

Базовая схема off-grid питания всегда одна и та же, меняются только номиналы. Энергия идёт по цепочке из четырёх звеньев:

1. Солнечная панель — преобразует свет в постоянный ток. Её напряжение «плавает» в зависимости от освещённости.
2. Контроллер заряда — главный регулятор. Он берёт нестабильное напряжение панели и аккуратно заряжает аккумулятор, не давая ему перезарядиться.
3. Аккумулятор — буфер. Накапливает энергию днём и отдаёт её ночью и в пасмурную погоду.
4. Преобразователь в 5 В — понижает напряжение аккумулятора (обычно ~12 В или ~3,7 В) до стабильных 5 В, которые нужны Raspberry Pi.

Питать Pi напрямую от панели нельзя: при набежавшем облаке напряжение проседает, Pi уходит в ребут или ловит повреждение карты памяти. Аккумулятор как раз и развязывает «капризное» солнце и «нервный» к питанию компьютер.

Сколько ест хотспот

Хорошая новость: MMDVM-хотспот — один из самых экономичных потребителей в радиолюбительском хозяйстве. Сам модем (MMDVM-плата) почти ничего не берёт, основное потребление — на одноплатнике.

• Raspberry Pi Zero 2 W в простое тянет порядка 100–180 мА при 5 В, то есть ~0,5–0,9 Вт; под нагрузкой — до 500 мА, около 2,5 Вт (по замерам CNX Software).
• С учётом MMDVM-платы, Wi-Fi и КПД преобразователя реально закладывать на узел ~3–5 Вт среднего потребления — это и есть рабочий ориентир для расчёта.

Считаем запас на ночь и пасмурную погоду

Энергию аккумулятора удобно считать в ватт-часах (Вт·ч). Это просто: мощность в ваттах × часы работы.

Сколько нужно накопить

Пусть узел в среднем потребляет 4 Вт. За сутки это:

4 Вт × 24 ч = 96 Вт·ч/сутки

Аккумулятор должен пережить тёмное время. Летом ночь короткая, но закладываться надо на худший сценарий: два-три пасмурных дня подряд, когда панель почти не заряжает. Если хотим автономии на двое суток без солнца:

96 Вт·ч × 2 = 192 Вт·ч полезной ёмкости

Какой аккумулятор это даёт

Li-ion сборку из 18650 нельзя разряжать в ноль — здоровый запас по сроку службы оставляет 20–30% в резерве. Значит, номинальная ёмкость нужна примерно в 1,4 раза больше расчётной — около 270 Вт·ч. В пересчёте:

• 12 В свинцовая (AGM): 270 Вт·ч / 12 В ≈ 22 А·ч. Дёшево, но тяжело и боится глубокого разряда.
• Li-ion на 18650: типовая банка ~10–12 Вт·ч, значит нужно порядка 24–28 ячеек в сборке. Легче и долговечнее, но требует BMS.
• LiFePO4: лучший выбор для буфера — тысячи циклов, безопаснее обычного Li-ion, спокойно переносит разряд.

Какая нужна панель

Панель должна за световой день восполнить суточный расход плюс подзарядить буфер. Грубый ориентир для средней полосы — считать «солнечным» эквивалентом 3–4 часа в сутки (зимой меньше, летом больше). Чтобы покрыть 96 Вт·ч:

96 Вт·ч / 4 ч ≈ 24 Вт пиковой мощности — минимум

На практике берут с запасом в 1,5–2 раза (облака, грязь, неоптимальный угол), то есть панель на 40–60 Вт. Запас — это не перестраховка, а норма: реальная выработка почти всегда ниже паспортной.

PWM или MPPT: какой контроллер

Контроллер заряда бывает двух типов, и это главная развилка по деньгам и эффективности.

PWM — проще и дешевле

PWM-контроллер по сути «прижимает» напряжение панели к напряжению аккумулятора через быстрый ключ. Реальная отдача — порядка 74–81% по разным замерам. Подходит, когда напряжение панели близко к напряжению банки и система маленькая. Для скромного узла на 4 Вт это вполне рабочий и бюджетный вариант.

MPPT — эффективнее и дороже

MPPT-контроллер «развязывает» напряжения панели и аккумулятора и постоянно ищет точку максимальной мощности. КПД доходит до 94–98%, что даёт на 15–30% больше энергии с той же панели (данные Victron, Renogy). Выигрыш особенно заметен в холод и зимой. Если узел работает круглый год и каждый ватт-час на счету — MPPT окупается.

Безопасность: то, на чём нельзя экономить

Автономный узел стоит без присмотра месяцами, часто в закрытом боксе. Здесь два узла безопасности обязательны.

• BMS — обязательна для любой Li-ion/LiFePO4-сборки. Она отключит банку при перезаряде, глубоком разряде, перегрузке и КЗ, а ещё балансирует ячейки.
• Предохранитель — на плюсовом проводе у самой батареи. Номинал — чуть выше рабочего тока. Это последняя линия защиты, если что-то закоротит за BMS (например, перетёрся провод).
• Гермобокс и вентиляция — узел стоит на улице. Влага убивает контроллер и контакты; герметичный корпус с гермовводами обязателен. Li-ion не любит мороза при заряде — на зиму это отдельный вопрос (заряд ниже 0 °C вреден).

Собираем по шагам

1. Замерьте реальное потребление своего хотспота USB-ваттметром за сутки.
2. Посчитайте суточный расход в Вт·ч и умножьте на число дней автономии (2–3).
3. Подберите аккумулятор с запасом ~1,4× (резерв на недоразряд) — лучше LiFePO4.
4. Возьмите панель в 1,5–2× от расчётного минимума под ваш регион.
5. Выберите контроллер: PWM для лета/бюджета, MPPT для круглого года.
6. Соберите цепь: панель → контроллер → аккумулятор (с BMS и предохранителем) → DC-DC 5 В → Pi.
7. Заведите узел через хотспот-за-NAT, если выезжаете в поле с мобильным интернетом без белого IP.