Солнечный ПК. Проект THG. Часть вторая – THG.RU

Введение

В первой статье из цикла, посвящённого сборке солнечного ПК, мы обсудили технологии, которые позволяют собирать солнечную энергию и преобразовывать её в электрическую, чтобы питать компьютер.

Во второй части цикла рассмотрим комплектующие, которые мы выбрали для нашего компьютера, чтобы они соответствовали требованиям минимального энергопотребления. На данный момент наша тестовая лаборатория в Мюнхене провела немало измерений, которые позволили собрать буквально рекордный компьютер. В третьей, последней части мы приведём пошаговые инструкции по сборке солнечных батарей и системы накопления энергии, чтобы наши читатели смогли собирать свои собственные солнечные ПК.

Наш 61-Вт солнечный ПК (в режиме бездействия), включая монитор, собран полностью из настольных комплектующих. Конечно, мы могли использовать ноутбук, который уже включает монитор и аккумулятор и при этом питается от напряжения не больше 16-20 вольт. Но нашей целью было запитать от солнечных батарей именно настольный ПК, причём без какого-либо подключения к сети электропитания. В результате наш ПК совершенно независим от места его размещения, он может располагаться в любом месте планеты, где есть достаточно солнечного света. Конечно, вряд ли следует считать наш проект мобильным, поскольку и весит компьютер немало, и батареи не так-то легко перевозить с места на место. Скорее, мы создали этот проект в исследовательских и образовательных целях, как ступеньку к другим будущим проектам. Как обычно, мы приведём всю полную информацию в цикле статей, и не только обсудим технологии, но и дадим нашим читателям пошаговую инструкцию по сборке. Вполне возможно, подобные системы скоро будут работать в хижинах в горах или в охотничьих домиках в любых уголках мира.

Питание: обычная сеть 220 В или 16 вольт постоянного тока?

Для питания компьютера от солнечной энергии важно выбрать уровни напряжения и тип питания. Обычный модуль из солнечных батарей даёт напряжение 16 В постоянного тока.

Таблица спецификаций одной из солнечных панелей, которые мы использовали для нашего проекта. Нажмите на картинку для увеличения.

Существует два способа передачи электричества от модулей с солнечными батареями к солнечному компьютеру. У обоих есть свои преимущества и недостатки, которые мы приведём ниже.

Обычное напряжение: слишком большие потери энергии

Если выбрать питание компьютера через традиционную сеть переменного тока, то можно использовать множество стандартных комплектующих. Но для этого подхода придётся воспользоваться трансформатором, который будет превращать 16 вольт постоянного тока от солнечных модулей в соответствующее напряжение переменного тока (230 В в России и Европе, 110/120 В в Северной Америке). Это позволит использовать обычный блок питания компьютера, который будет преобразовывать переменный ток в постоянный с нужными уровнями напряжения.

Для преобразования в переменный ток требуется трансформатор.

Если вы посмотрите на схему преобразования энергии, то поймёте: мало смысла в том, чтобы преобразовывать постоянный ток солнечных батарей в переменный, подавать его на блок питания ПК, который будет выполнять обратное преобразование переменного тока в постоянный. Подобные преобразования приведут к тому, что целых 25% энергии будет уходить на потери, то есть преобразовываться в тепло. А это, в свою очередь, увеличит энергопотребление, необходимое компьютеру.

Входное напряжение 16 В постоянного тока: специальный блок питания

Намного эффективнее передавать к компьютеру постоянный ток. Но для питания компьютера от 16 В, которые выдают солнечные батареи, требуется специальный блок питания.

Если подключать солнечные модули напрямую к компьютеру, требуется только один трансформатор, что снижает количество теряемой энергии. Однако передача постоянного тока с напряжением 16 В на трансформатор имеет свой недостаток по сравнению с обычным переменным током: много энергии теряется из-за сопротивления кабелей. Поскольку напряжение низкое, то токи высокие. Но так как мы знали, что определённые шаги позволят снизить потери, мы решили всё равно подавать постоянный ток с напряжением 16 В. Как мы разработали систему питания ПК, выбирали солнечные батареи и аккумуляторы, собирали всё необходимое оборудование и т.д., вы узнаете в третьей статье нашего цикла, посвящённого солнечному компьютеру THG.

Питаем компьютер от солнечных батарей

Поскольку мы решили подключать солнечные батареи напрямую к ПК, то в нашем распоряжении оказались 16 вольт постоянного тока. Вообще, в зависимости от интенсивности солнечного света, солнечные модули могут выдавать от 12 до 20 В постоянного тока. Именно поэтому мы выбрали специальный блок питания, а именно: M2-ATX от Ituner, чьё входное напряжение может меняться от 6 до 28 В постоянного тока.

Блок питания Ituner M2-ATX. Нажмите на картинку для увеличения.

Вид блока питания сверху. Нажмите на картинку для увеличения.

Поскольку мы использовали блок питания с низким входным напряжением, то его максимальная заявленная мощность составила 160 ватт. Кроме того, входное напряжение блока питания очень близко к тому, какое требуется для питания компьютера. Подобная небольшая разница между входным и выходным напряжениями приводит к хорошему последствию – очень высокому КПД по сравнению с блоками питания, которые работают от обычного переменного тока. Мы будем использовать этот блок питания для работы всех компонентов нашего солнечного ПК, включая монитор.

Поскольку блок питания Ituner M2-ATX даёт только один выход на 5,25″ привод и один разъём SATA, мы использовали Y-разветвитель для подключения остальных компонентов.

Мы использовали Y-разветвитель, чтобы запитать другие устройства. Нажмите на картинку для увеличения.

Мы измерили КПД блока питания в солнечном ПК в режиме бездействия и под большой нагрузкой. Результаты приведены в следующей таблице.

КПД наших блоков питания.

Когда солнечный ПК находится в режиме бездействия, специальный блок питания M2-ATX даёт потрясающую эффективность (КПД) в 92,37%. Если мы нагружаем процессор или графическую подсистему, то КПД падает до 88,4%. Внутреннее энергопотребление блока питания меняется от 5 Вт в режиме бездействия до 14,2 Вт под нагрузкой.

Подобные результаты привели к тому, что мы решили выбрать решение на 16 вольт постоянного тока. Если брать обычную сеть переменного тока, то лучшие блоки питания при оптимальных условиях дают КПД 87%. Наш подход не только снимает потери энергии, неизбежные при двойном преобразовании, но и позволяет получить больший КПД от питания постоянным током по сравнению с переменным. Наш блок питания собран в США и стоит $80-90 (его можно купить у известного производителя комплектующих mini-ITX Logic Supply и производителя автомобильных ПК SolarPC).

Обратная сторона платы блока питания. Нажмите на картинку для увеличения.

Контакты и компоненты блока питания. Нажмите на картинку для увеличения.

Ниже приведён список контактов и компонентов блока питания.

1. Светодиод питания;
2. контакты включения/выключения материнской платы;
3. контакты включения/выключения внешнего питания;
4. гнездо питания ATX (20-контактное);
5. гнездо питания P4-12V;
6. блок перемычек;
7. положительный вход питания (батарея);
8. зажигание (включатель батареи, положительный);
9. негативный вход питания (аккумулятор);
10. управление блоком через удалённое включение/выключение;
11. настройка таймера включения/выключения.

Если блок питания будет работать при пиковых нагрузках длительное время, производитель рекомендует установить вентилятор охлаждения. Мы выбрали вентилятор Papst 512 F/2 с 5-В переходником, который приводит к тому, что вентилятор потребляет всего 160 мВт.

Собираем блок питания

Блок питания не имеет какого-либо готового корпуса. Во время установки и работы мы рекомендуем быть очень осторожными, поскольку можно легко вызвать замыкание и сжечь блок. Именно поэтому мы решили сделать собственный корпус для блока питания, в котором предусмотреть монтаж вентилятора охлаждения. Мы использовали оргстекло, из которого аккуратно вырезали части, после чего склеили их вместе.

Подготовка. Нажмите на картинку для увеличения.

Работа с оргстеклом. Нажмите на картинку для увеличения.

Картонная модель. Нажмите на картинку для увеличения.

Сверлим крышку. Нажмите на картинку для увеличения.

Вырезанные детали. Нажмите на картинку для увеличения.

Сборка. Нажмите на картинку для увеличения.

Сборка. Нажмите на картинку для увеличения.

Сборка. Нажмите на картинку для увеличения.

Плата блока питания на нижней планке корпуса. Нажмите на картинку для увеличения.

Монтируем плату на нижнюю планку. Нажмите на картинку для увеличения.

Кабели, плата и вентилятор в корпусе. Вид снизу. Нажмите на картинку для увеличения.

Кабели, плата и вентилятор в корпусе. Вид сверху. Нажмите на картинку для увеличения.

Устанавливаем верхнюю крышку. Нажмите на картинку для увеличения.

Вентилятор, смонтированный в верхнюю крышку. Нажмите на картинку для увеличения.

Плата установлена в корпус. Нажмите на картинку для увеличения.

Полностью собранный блок питания. Нажмите на картинку для увеличения.

Полностью собранный блок питания. Вид сверху. Нажмите на картинку для увеличения.

Полностью собранный блок питания. Вид сбоку. Нажмите на картинку для увеличения.

Кабели этого блока питания довольно короткие, так что найти место внутри корпуса ПК весьма проблематично. Впрочем, во многих магазинах можно купить удлинители, так что не стоит стесняться прибегать к их помощи.

Лучший выбор: AMD Athlon 64 X2 BE-2350

AMD Athlon 64 X2 BE-2350. Нажмите на картинку для увеличения.

При выборе процессора для нашего солнечного ПК мы принимали во внимание, прежде всего, два критерия: низкое энергопотребление и двуядерную архитектуру.

Во время подготовки проекта мы изучили энергопотребление разных процессоров. Мы узнали, например, что AMD Sempron 64 использует очень мало энергии. Но мы не стали брать его для нашего проекта, так как этот процессор одноядерный.

В нашем компьютере приходилось учитывать каждый потребляемый ватт, поскольку всю энергию дают только солнечные батареи.

Если вы посмотрите на результаты энергопотребления в режиме бездействия и при полной нагрузке, то AMD Athlon 64 X2 BE-2350 представляет собой хорошее сочетание. Он потребляет всего 8,49 Вт в режиме бездействия и 38,66 Вт при полной нагрузке. Процессоры Intel Core 2 со степпингом L2 могут потреблять чуть меньше энергии, но, как показали наши измерения, материнские платы, в которые устанавливаются эти процессоры, потребляют энергии слишком много. С одной стороны, контроллер там располагается в чипсете, а с другой стороны, энергопотребление чипсетов Intel и nVidia, в целом, выше. Так что низкое энергопотребление процессора Core 2 нивелируется другими компонентами.

Именно поэтому для нашего проекта солнечного ПК мы выбрали процессор AMD, а именно: Athlon 64 X2 BE-2350.

Если вы хотите узнать энергопотребление других процессоров, рекомендуем обратиться к статье “Собираем экономичный ПК. Советы THG“.

Активное охлаждение: всего 1 Вт

Для охлаждения солнечного ПК мы выбирали из двух распространённых вариантов: либо мы будем активно охлаждать процессор с помощью кулера, либо сконструируем какую-то систему пассивного охлаждения. Чтобы определиться с выбором, мы измерили энергопотребление процессора при разных температурах.

Штатный кулер, поставляемый с нашим процессором, потреблял около 1 Вт при максимальной скорости вращения вентилятора. Если мы использовали вместо него пассивный кулер, то энергопотребление Athlon 64 X2 BE-2350 возрастало примерно на 1,1 Вт в режиме “Cool and Quiet” и на целых 12 Вт при полной нагрузке.

CPU с кулером на тестовой материнской плате. Нажмите на картинку для увеличения.

CPU с кулером на тестовой материнской плате. Нажмите на картинку для увеличения.

Хотя кулер CPU непрерывно потребляет энергию, он снижает энергопотребление процессора. Поскольку материнская плата Gigabyte содержит контроллер вентилятора, то он работал очень тихо. Мы решили использовать активное охлаждение, так как это в итоге более дешёвый вариант энергопотребления компьютера.

Экономичная материнская плата: Gigabyte с HDMI и DVI

Ограничения солнечного питания приводят к тому, что мы не рассматриваем как вариант раздельные видеокарты, поскольку они требуют слишком много энергии, пусть даже это будет модель с пассивным охлаждением. По нашим измерениям, даже ATi Radeon X1300 с пассивным охлаждением потребляет около 30 Вт в режиме бездействия.

Материнская плата GA-MA69GM-S2H. Нажмите на картинку для увеличения.

Чтобы получить преимущество от самых современных технологий, и чтобы наш солнечный ПК работал и в качестве плеера видео, мы выбрали материнскую плату Gigabyte GA-MA69GM-S2H. Эта материнская плата оснащена чипсетом AMD 690G и поддерживает выходы HDMI и DVI с HDCP, а также и VGA. В паре с достойным процессором этот чипсет обеспечивает достаточную вычислительную мощность для воспроизведения видео высокого разрешения (HD-DVD или Blu-ray).

Материнская плата GA-MA69GM-S2H обеспечивает выходы HDMI, VGA и DVI. Нажмите на картинку для увеличения.

Плата Gigabyte поставляется в формате micro-ATX. В этом форм-факторе доступно большое число материнских плат с интегрированной графикой, поскольку их часто используют OEM-производители для сборки компьютеров, где раздельные видеокарты нужны редко. В любом случае, у этой материнской платы есть слот PCI-e x16, два слота PCI и слот PCI-e x1.

Чипсет обеспечивает интегрированную графику, но материнская плата имеет слот x16 PCIe для поддержки внешних видеокарт. Нажмите на картинку для увеличения.

Материнская плата GA-MA69GM-S2H. Нажмите на картинку для увеличения.

Материнская плата Gigabyte оснащена звуковым процессором Realtek ALC 889 High-Definition 7.1, поддерживает и звуковой оптический выход. Сетевой контроллер встроенный, тоже на чипе от Realtek – RTL8110SC, но подключается он через шину PCI. Наша материнская плата была оснащена и чипом FireWire от Texas Instruments – TSB43AB3.

Контакты для подключения “косички” FireWire. Нажмите на картинку для увеличения.

Звуковой и сетевой контроллеры. Нажмите на картинку для увеличения.

Южный мост позволяет подключать до четырёх устройств SATA и до двух IDE.

Разъёмы для подключения SATA-приводов. Нажмите на картинку для увеличения.

Сравнение энергопотребления: MSI против Gigabyte

В основу материнской платы нашего солнечного ПК лёг чипсет AMD 690. Его северный мост производится по 80-нм технологии и потребляет немного энергии, поскольку контроллер памяти интегрирован в CPU. Это объясняет, почему северный мост имеет сравнительно немного транзисторов и небольшую площадь кристалла.

Северный мост чипсета AMD 690G производится по технологии 80 нм и имеет площадь кристалла 49 мм². Нажмите на картинку для увеличения.

Южный мост SB600 имеет площадь кристалла 36 мм². Нажмите на картинку для увеличения.

Возможности южного моста SB600 весьма скромные по сравнению с конкурирующими чипсетами. Но поскольку мы не были заинтересованы в поддержке RAID, их оказалось вполне достаточно для нашего солнечного ПК. Южный мост SB600 тоже производится по техпроцессу 80 нм и, кроме того, потребляет ощутимо меньше энергии, чем конкурирующие чипы.

Athlon 64 X2 BE-2350 на материнской плате Gigabyte без кулера. Нажмите на картинку для увеличения.

Даже трёхфазный стабилизатор напряжения, обеспечивающий питанием CPU, вносит свой вклад в общее энергопотребление.

Трёхфазный стабилизатор напряжения помогает снизить энергопотребление. Нажмите на картинку для увеличения.

Сравнение материнских плат

Мы были бы удивлены, если бы обнаружили существенную разницу в энергопотреблении материнских плат на чипсете AMD 690G. Но для полноты сравнения мы решили протестировать материнскую плату MSI K9AG Neo2-Digital, чьё оснащение эквивалентно материнской плате Gigabyte, за исключением того, что MSI поставляется в стандартном форм-факторе ATX.

Для сравнения мы взяли материнскую плату MSI K9AG Neo2-Digital. Нажмите на картинку для увеличения.

Материнская плата MSI потребляла примерно на 14 Вт больше в режиме бездействия, в основном по причине того, что технология “Cool and Quiet” не включалась, несмотря на её активацию в последней версии BIOS. При полной нагрузке материнская плата MSI потребляла дополнительные 6 Вт, что можно связать с другими интегрированными чипами, такими, как контроллер сети и FireWire.

Энергопотребление встроенных на материнскую плату компонентов

Мы решили проверить, как разные встроенные компоненты влияют на общее энергопотребление материнской платы. Для этого мы проверили эффект отключения всех встроенных компонентов, таких, как порты FireWire, звука и COM, после чего энергопотребление упало на 2 ватта.

Мы отключили все ненужные компоненты, то есть всё, за исключением сетевого контроллера.

Выбираем память: наиболее экономичная A-Data

Память при управлении энергопотреблением системы учитывается мало. Но для сборки нашего солнечного ПК мы решили проверить энергопотребление модулей памяти разных производителей, чтобы посмотреть, сколько энергии им требуется.

Если вы хотите оснастить систему 1 Гбайт памяти, то она будет потреблять около 3,8 Вт энергии. Поскольку мы решили установить на наш солнечный ПК Windows Vista, то выбрали 2 Гбайт.

На энергопотребление памяти сильно влияет технология изготовления. Например, сегодня можно найти модули DDR2, произведённые по технологиям от 90 до 110 нм, что приводит к заметной разнице по энергопотреблению. По данным наших тестов, последние модули A-Data (Vitesta Extreme Edition, DDR2-1066+) оказались самыми экономичными. Поэтому мы и выбрали их для нашего солнечного ПК.

A-Data Vitesta Extreme Edition, DDR2-1066+. Нажмите на картинку для увеличения.

Серьёзные различия между жёсткими дисками: WD оказался лучшим

Что касается энергопотребления жёстких дисков, то здесь между производителями существуют большие разбросы, от 3 до 10 Вт.

Как можно было предполагать, самыми экономичными жёсткими дисками являются мобильные 2,5″ модели. Но мы не стали брать их для нашего солнечного ПК, поскольку уговорились использовать стандартные настольные комплектующие.

Среди 3,5″ винчестеров хорошо себя показал в режиме бездействия WD1600AAJS, построенный на одной пластине. Поскольку жёсткий диск большую часть времени находится в режиме бездействия, мы взяли именно эту модель. Ёмкости 160 Гбайт вполне достаточно для нашего солнечного ПК, но можно взять и 320-Гбайт WD3200AAJS.

Мы выбрали WD1600AAJS. Нажмите на картинку для увеличения.

Сравнение DVD-приводов: побеждает Samsung с энергопотреблением 3,5 Вт

Мы решили взять современный оптический привод DVD с интерфейсом SATA. Выбор, на самом деле, небольшой, поэтому мы остановились на самом популярном, а именно, на Samsung SH-D163 – его уже можно купить везде.

DVD-привод Samsung SH-D163. Нажмите на картинку для увеличения.

Привод оснащён разъёмами SATA для данных и питания. Нажмите на картинку для увеличения.

В любом случае, мы протестировали энергопотребление нескольких оптических накопителей. Опять же, разброс по энергопотреблению между производителями и моделями очень сильный. Так, мы обнаружили привод, потреблявший всего 0,47 Вт в режиме бездействия, хотя версия SATA потребляла 3,7 Вт. IDE-модель MSI в режиме бездействия потребляла целых 5,5 Вт!

Среди протестированных оптических приводов мы выбрали модель, обладающую самым низким энергопотреблением в рабочем режиме, – Samsung.

Монитор весьма “прожорлив”: 23 Вт в рабочем режиме

Обычно ЖК-монитор работает от сети питания переменного тока, но наши солнечные батареи дают, максимум, 16 В. Поэтому нам придётся запитать монитор от нашего блока питания.

LG 1900R-BF. Нажмите на картинку для увеличения.

Вид монитора сзади. Нажмите на картинку для увеличения.

К счастью, на рынке есть ЖК-мониторы, использующие внешние блоки питания. И среди них есть те, которые питаются от напряжения 12 В (в основном, чтобы работать в автомобилях). Поскольку наш блок питания у солнечного ПК даёт напряжение 12 В, мы смогли подключить ЖК-монитор к нему напрямую, убрав в сторону блок питания монитора.

Нам не понадобился этот блок питания от монитора LG. Нажмите на картинку для увеличения.

Блок питания выдаёт 12 В. Нажмите на картинку для увеличения.

В качестве ЖК-монитора мы выбрали LG Flatron L1900R-BF, поскольку он использует внешний 12-В блок питания. Мы разрезали кабель питания монитора и подключили его к стандартной вилке Molex, чтобы подключить монитор напрямую к блоку питания солнечного ПК.

Залуживаем провода. Нажмите на картинку для увеличения.

Залуживаем провода. Нажмите на картинку для увеличения.

Перепаиваем 12-В кабель питания монитора. Нажмите на картинку для увеличения.

С помощью нового кабеля монитор можно питать от нашего блока питания. Нажмите на картинку для увеличения.

Монитор, подключённый к нашему солнечному ПК. Нажмите на картинку для увеличения.

Поскольку мы не использовали блок питания монитора, то избавились и от потерь, которые связаны с преобразованием энергии на нём. Это позволило снизить общее энергопотребление.

При максимальной яркости на разрешении 1 280 x 1 024 наш 18″ монитор потреблял 30,15 Вт. При минимальном уровне яркости энергопотребление составило 17,27 Вт. Мы решили остановиться на уровне яркости 50%, получив при этом энергопотребление 23,29 Вт. Кстати, в режиме ожидания (не путать с режимом бездействия ПК) монитор потребляет всего 1,1 Вт.

Поскольку данный монитор оснащён только интерфейсом DVI, его мы и использовали для подключения к материнской плате Gigabyte.

Общие затраты на солнечный ПК: 746 евро

Мы посчитали общие затраты, которые ушли на сборку солнечного ПК. Так как собирали мы компьютер в нашей мюнхенской лаборатории, то и цены приведены в евро. Вы можете посмотреть цены в рублях/долларах по price.ru.

Увы, но есть и другие, гораздо более накладные расходы, связанные с общим комплексом солнечного питания. Мы обозначим их в третьей статье нашего цикла.

Солнечный ПК в работе

Собранный солнечный ПК в нашей лаборатории. Нажмите на картинку для увеличения.

Солнечный ПК. Нажмите на картинку для увеличения.

Мы измерили энергопотребление всей системы, включая монитор, клавиатуру и мышь, с помощью high-end измерительного стенда Voltech PM3000A.

Мы использовали измерительный стенд высокой точности. Нажмите на картинку для увеличения.

Voltech PM3000A. Нажмите на картинку для увеличения.

Уровень энергопотребления 62 ватт-часа (62 Вт за один час) нашего ПК можно назвать очень низким. Если вы хотите, чтобы ПК работал весь день без подключения к электрической сети, то следует приобрести солнечные батареи, способные запасать 1,5 кВт-ч.

Энергопотребление солнечного ПК составляет 61,23 Вт. Нажмите на картинку для увеличения.

При плохой погоде солнечные батареи дают меньше энергии, а ночью вообще её не дают. В таких ситуациях питание осуществляется с помощью аккумулятора. Днём, когда солнце ярко светит, батареи дают энергию компьютеру, но также заряжают и аккумулятор.

Энергии в такую погоду вырабатывается немного. Нажмите на картинку для увеличения.

Поскольку солнечные батареи могут давать энергию примерно половину дня, аккумулятор должен питать компьютер около 12 часов (другую половину). Мы посчитали, что нам потребуется аккумулятор с ёмкостью около 1,5 кВт-ч. Он работает с напряжением 12 В, что соответствует ёмкости 130 А-ч (при 1,5 кВт-ч). Мы также учли и потери при транспортировке энергии на расстояние около 15 метров, хотя мы и использовали очень толстые кабели, чтобы избежать слишком больших потерь.

Собранная система вместе с монитором. Нажмите на картинку для увеличения.

В третьей части нашего цикла мы дадим пошаговые инструкции по сборке системы питания от солнечных батарей и хранения энергии.

А пока мы рекомендуем ознакомиться ещё с одной статьей, посвящённой сборке компьютера с минимальным энергопотреблением.