Оборудование для солнечных батарей

     Солнечная батарея это источник электрической энергии, основанный на работе фотоэлектрических преобразователей. Преимуществами солнечных батарей является отсутствие подвижных элементов, их высокая надежность и стабильность. И все это практически без ограничения срока службы. Недостатки батарей это их высокая стоимость и относительно низкий уровень КПД. Конструкция, состоящая из модулей, позволяет создавать узлы любой мощности и различным уровнем напряжения.

 

     Солнечная батарея это фотоэлектрический генератор, действие которого основано на физических свойствах полупроводников: электроны выбиваются фотонами света из внешней оболочки атомов. Электрический ток возникает при замыкании цепи.

Для получения необходимого напряжения и мощности, модули соединяют параллельно или последовательно.

 

- солнечная батарея служит более 25 лет

- средний КПД солнечной батареи составляет 14%

- напряжение каждой пластины кремниевого элемента составляет: с нагрузкой 0.5 В, без нагрузки 0.6 В (при инсоляции 1 кВт на кв. метр)

- кремний является вторым по распространённости элементом во вселенной, хотя на солнечную энергетику его идет всего 2%

- нехватка кремния в мире оценивается в 10000-15000 тонн в год

- ежегодно в РФ производится около 5-6 МВт солнечных батарей, на внутреннем рынке в продажу идет всего 150кВт

- в планах Швеции на 2020 год - полностью отказаться от УГВ топлива

- в Германии на протяжении нескольких лет функционирует государственная программа "100000 солнечных крыш"

- в США существует аналогичный проект   - "Миллион солнечных крыш"

 

 

Виды солнечных батарей


 

     Фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы) -   это полупроводниковые устройства, которые прямо преобразуют солнечную энергию в электрическую. Несколько преобразователей соединенных цепью именуются солнечной батареей.

 

     Гелиоэлектростанции (ГЕЭС) - это солнечные установки, которые используют сконцентрированное солнечное излучение как источник энергии для приведения в действие тепловых агрегатов (паровая, газотурбинная, термоэлектрическая и пр. типы машин).

 

Солнечные коллекторы (СК) - это основанные на действии солнечной энергии низкотемпературные нагревательные конструкции.

 

     Современные солнечные батареи можно разделить на несколько типов:

1) Маломощные солнечные батареи - их используют для подзарядки мобильных телефонов, КПК и прочих подобных вещей. Они обладают небольшой площадью фотомодулей и весьма дорогостоящи. Это больше игрушка, чем батарея.

 

2) Солнечные батареи универсального типа - они изготовлены для энергоснабжения потребителя в полевых условиях. Импортные батареи имеют высокий уровень качества изготовления и дизайн, обладают дополнительными переходниками и   зачастую сносной стоимостью. Отечественные солнечные батареи могут быть как заводские, так и полусерийные. Уровни цены и качества варьируют. Исходя из этого, покупая батареи, стоит рассматривать их каждую индивидуально. Этот тип солнечных батарей часто распространен среди туристов.

 

3)   Панели солнечных элементов – это чаще всего комплект фотопластин, которые закреплены на основании. Фактически это заготовка для построения более сложных и практичных для потребителя устройств на основе этих конструкций.

 

Типы солнечных батарей

 

     На территории СНГ наиболее распространены солнечные батареи следующих трех типов: Электроника МЧ/1, БСК-1 и БСК-2. Эти солнечные батареи выпускаются, либо раньше выпускались многими радиоэлектронными заводами. В продаже встречаются импортные, в основном их изготовителями являются Китай и Корея, солнечные батареи, аналогичные по характеристикам батареям Электроника МЧ/1, БСК-1 и БСК-2.

 

     Эти типы солнечных батарей обеспечивают силу зарядного тока аккумуляторной батареи в пределах не более 35-50 миллиампер. Причем этот ток достигается при отличном солнечном освещении. Таким образом, при помощи общераспространенных солнечных генераторов можно подзарядить маломощные аккумуляторные батареи имеющие емкость не больше 0,45 А/ч. Стоит заметить, что аккумуляторные батареи ЦНК-0,45 обладают такой емкостью.

 

     Нужно учесть, что в летний период, особенно в июне и июли, световой промежуток, в который генератор эффективно вырабатывает электричество, в среднем продолжается не более 8-9 часов. Наибольшей производительности солнечные батареи достигают с 9 до 17 часов. Далее сила тока солнечных батарей снижается. Снижается ток, вырабатываемый солнечными батареями и при облачной погоде. Ориентировка фотоэлементов на положение Солнца, поможет увеличить генерируемый батареями ток, но регулировать их с целью поиска лучшего освещения нелегко.

 

Зарядка/подзарядка аккумуляторных батарей

 

     Как выяснилось, при необходимом количестве фотоэлементов можно сконструировать солнечные батареи практически с любыми характеристиками, способные снабдить зарядом любой тип аккумуляторов. Все упирается только в цену, которую покупатель готов отдать за такие батареи. Безусловно, стоит помнить, что мощные солнечные батареи будут занимать значительную площадь для их установки. Необходимо также подметить, если солнечная батарея освещается полноценно короткий промежуток времени, то рекомендуется использовать солнечный генератор, обеспечивающий ускоренный зарядный ток, сила которого расположена в пределах разницы 0,15-0,3 от емкости аккумуляторных батарей.

 

     Зачастую в радио экспедициях высокопроизводительная работа представляется возможной и в ночное время. В темное время суток прохождение волн на многих частотных диапазонах улучшается, включается большое количество местных радиостанций. Применение солнечных модулей позволяет ночью разряжать аккумуляторные батареи во время эфирной работы, а в дневное время произвести их зарядку.

 

     Если солнечная батарея выдает силу тока, меньшую чем необходимый зарядный ток (меньше 0,08 от емкости аккумулятора), то в этом случае речь идет не о зарядке аккумулятора, а о его подзарядке. Это значит, что в светлое время суток солнечная батарея должна постоянно быть подключена к аккумуляторной батарее, постоянно ее подзаряжая.

В этом процессе нужно контролировать, что бы напряжение на одном элементе аккумулятора было не менее 1,1-1,25 вольт во время его работы. Если напряжение менее 1,1 вольт, то аккумулятор нужно убрать с работы и установить на зарядку. Иначе за короткий промежуток времени напряжение на пластинах аккумуляторной батареи упадет до 1,05 вольта, а разряженную до такой степени батарею уже невозможно будет использовать без продолжительной и сильной зарядки. Это говорит о том, что всегда нужно проверять напряжение на аккумуляторе под нагрузкой.  

 

Разрядные и зарядные характеристики никель/кадмиевых аккумуляторов

 

     Для более углубленного понимания процесса зарядки аккумулятора солнечной батареей   стоит рассмотреть характеристики элементов солнечных батарей. Кривая зависимости силы тока одного из элементов солнечной батареи типа БСК-2 от величины напряжения на нем отображается на графике. Этот график снимается при наиболее приемлемом освещении солнечного фотоэлемента. Такой график можно соотнести и к другим солнечным элементам батареи. Безусловно, значение максимальной силы тока зависит от мощности самого элемента солнечной батареи. Для снятия такого графика к освещенному солнцем фотоэлементу подсоединяют переменный резистор. Изменяя сопротивление переменного резистора, измеряют силу тока, поступающего в резистор и его напряжение на элементе батареи.

 

 

     При работе элемента солнечной батареи в нормальных условиях и без нагрузки, напряжение ЭДС на нем должно составлять примерно 0,6 В. При включении нагрузки, а после этого при уменьшении сопротивления батареи, сила тока под нагрузкой начнет расти. Напряжение на нагрузке в это время сатанеет падать. Напряжение около 0,45 В на нагрузке является наиболее благоприятным режимом функционирования солнечного элемента батареи. Если попытаться увеличить забор тока, то напряжение на фотоэлементе упадет, а ток, который им генерируется, продолжит оставаться почти неизменным. Все это говорит о том, что солнечные батареи являются почти идеальными источниками тока, а это то, что необходимо для зарядки аккумуляторных батарей.

 

     Для измерения силы тока одного элемента солнечной батареи был выстроен график зависимости рассеиваемых мощностей при сопротивлении нагрузок солнечных элементов. Этот график был снят при необходимой освещенности солнечного фотоэлемента. Чтобы построить график потребовалось измерить нагрузочное сопротивление фотоэлемента при разнообразных напряжениях в нем. После чего, исходя из значений нагрузочного сопротивления, и силы тока, протекающего в нагрузку, был выстроен график мощности, рассеиваемой под нагрузкой. Из него видно, что предельная мощность, которую отдает в нагрузку солнечный элемент, будет равняться при напряжении и нагрузке 0,45 В. Наиболее благоприятное напряжение при нагрузке (0,45 вольт) отлично от напряжения по ЭДС (0,6 В) в 0,75 раз.

 

     Отсюда следует, что для зарядки аккумуляторных батарей существует возможность применения генератора солнечной энергии, который имеет величину максимального генерируемого тока равную примерно силе тока зарядки аккумуляторов. В таком случае солнечная батарея в автоматическом режиме будет заряжать аккумуляторы нужным зарядным током при собственном освещении. Солнечную батарею следует подключать к аккумулятору через светодиод.   Это нужно для того, чтобы при низком уровне солнечного освещения напряжение на элементах солнечной батареи может упасть ниже уровня напряжения на заряжаемом аккумуляторе. При этом аккумулятор вместо того чтоб заряжаться, станет разряжаться благодаря внутреннему сопротивлению   солнечного электрогенератора. Буферный конденсатор C1 незаменим, если, аккумуляторные батареи будут использованы для работы в то время, когда заряжаются или подзаряжаются.

 

Подсоединение солнечной батареи к аккумуляторам

 

Миллиамперметр включается с солнечной батареей последовательным соединением. Его включение в цепь очень желательно. Потому что он отображает, какую величину тока потребляет аккумуляторная батарея от солнечного генератора, что предоставляет возможность определять, находится ли аккумуляторная батарея под зарядным или тренировочным токами и функционирует ли в этот момент солнечная батарея. Вместо миллиамперметра можно использовать записывающий индикатор от старого аудиомагнитофона.

 

     Шунт для такого индикатора изготовить достаточно легко. На типовой резистор «МЛТ-0,5» наматывается 1м провода ПЭЛ-0,1. К микроамперметру параллельным соединением подключается шунт и измеряется величина максимального тока, который он может измерять. Предположим, вышло 100 мА. А для зарядки аккумулятора используется батарея с максимально допустимым током 40 мА. Соответственно шкалу в 50 мА иметь гораздо удобнее. Для того, чтобы достичь такую максимальную силу тока отклонений микроамперметра, сопротивление шунта нужно вдвое увеличить. Для этого предстоит удлинить   провод шунта до 2м. В соответствии с этим можно произвести практический подгон шунта и для прочих величин отклонения миллиамперметра.

 

     В полевых условиях возможно считать аккумулятор заряженным, если напряжение на его пластинах под нагрузкой равна величине не меньшей 1,25 вольт на элемент, и их ЭДС равна не менее 1,36 вольт на элемент.

 

     Если солнечную батарею использовать только лишь для подзарядки аккумулятора, то ее нужно совершать по мере надобности - по мере разряда аккумуляторной батареи. При негативных условиях подзаряд батарей может длиться весь день. В ночное время нет необходимости отключать солнечную батарею от аккумулятора, т.к. он будет отключен автоматически при помощи светодиода «VD1».

 

  Расчеты параметров солнечных батарей

 

Можно привести пример расчетов солнечного электрогенератора, необходимого для зарядки аккумуляторных батарей. Как изображено на графиках, в процессе зарядки аккумуляторов напряжение на них будет колебаться в пределах 1,4 В. Для электропитания различной аппаратуры в походных условиях, чаще всего применяется напряжение в 12В. Такое напряжение обеспечат 10 никель/кадмиевых аккумуляторов, заключенных в последовательную цепь. Для заряда батареи состоящей из 10 никель/кадмиевых аккумуляторов, соединенных последовательной цепью, нужно обеспечить напряжение, которое будет равным 14 В (10*1,4=14). При наивысшем КПД солнечной батареи, когда напряжение на одном световом элементе станет 0,45 вольт, напряжение в 14 В может выдать солнечная батарея, которая будет состоять из 31 модуля (14/0,45=31).

 

     Стоит учесть снижение напряжения на светодиоде, которое равно 0,7 В. Отсюда следует,   что солнечной батарее необходимо иметь еще два дополнительных элемента. Сумма количества светоэлементов в батарее станет равно 33 (31+2=33). Напряжение свето-ЭДС солнечной батареи состоящей из 33 модулей будет равным 19,8 В. Итак, для заряда аккумулятора напряжением в12 вольт, нужна солнечная батарея с напряжением фото ЭДС практически в 20 вольт. Батарею такого типа можно построить своими силами применяя отдельные фотоэлементы либо цепь из нескольких батарей.

 

     В документации на солнечную батарею указывается напряжение фото ЭДС. Продаются батареи напряжением фото ЭДС равным 12 и 9 вольт. Так что, при оптимальном сопротивлении, напряжение солнечных батареях составит   примерно 6,75 В, для 9 В батареи, и соответственно 9 В для 12 В батареи.

 

     Цепь состоящую из двух последовательно подсоединенных солнечных батарей, имеющих напряжение свето-ЭДС в 9 и 12 В можно успешно применять для зарядки 12 В аккумулятора. Превышение суммы напряжения на 1 В допустимо. Оно будет покрыто некоторым снижением выходного напряжения солнечного генератора, которое будет по причине неравномерной освещенности световых элементов, из которых состоит батарея. Также, не стоит забывать, о том что сила тока солнечной батареи не должен быть выше силы зарядного тока аккумуляторной батареи.

 

     Цепь, в составе которой две солнечных батареи напряжением в 9 вольт обеспечит глубокую зарядку аккумулятора. Они осуществят только его подзарядку, на уровень не больше 20-25% от желаемого заряда.   Но подключенный к 12 В аккумуляторной батарее солнечный электрогенератор с фото ЭДС в18 В помогает "разгрузить" работу этого аккумулятора. Он поможет сгладить высокие токовые нагрузки и сможет обеспечить по мере возможности подзарядку аккумулятора.



Приходько Валентин Иванович , Copyright © 2010 - 2018 г. E-mail: adm-site-val@rambler.ru , Украина .
Перепечатка материалов с обязательной ссылкой на авторство и сайт - ПРИВЕТСТВУЕТСЯ !.
Все материалы на сайте предоставлены исключительно в ознакомительных и образовательных целях,
администрация сайта не претендует на их авторство и не несёт ответственности за их содержание.