Альтернативные источники энергии и энергосбережение

3.1. Достоинства солнечной электроэнергетики

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2 % которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2х10¹² т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами — 6х10¹² т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико-математических наук Б. Лучков (http://www.pomreke.ru/energy-futxire/).

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электростанций (до 100 МВт).

Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии:

♦ фототермический;

♦ фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м² за день может нагреть 50–70 л воды до температуры 80–90 °C.

Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1 %, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет активная продажа солнечных батарей.

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Устройство солнечного элемента

Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:

♦ монокристаллический;

♦ поликристаллический;

♦ аморфный.

Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www.solarhome.ru/ru/basics/).

Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

КПД солнечных элементов:

♦ монокристаллические — 12…15 %;

♦ поликристаллические — 11…14 %;

♦ аморфные — 6…7 %;

♦ теллурид кадмия — 7…8 %.

Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м²), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности W_p, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

♦ освещенность 1000 Вт/м²;

♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);

♦ температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Солнечные панели состоят из солнечных элементов. Так как один солнечный элемент не производит достаточного количества электроэнергии для большинства применений, солнечные элементы собираются в солнечных модулях для того, чтобы производить больше электричества.

Солнечные панели (также называемые фотоэлектрические или солнечные модули) производятся многих типов и размеров. Наиболее типичные — это кремниевые фотоэлектрические модули мощностью 40—160 W_p (пиковый ватт, т. е. мощностью максимум в 40—160 Вт при ярком солнце). Такой солнечный модуль имеет размер от 0,4 до 1,6 м².

Однако, широкий типоразмерный ряд солнечных модулей доступен в продаже. Солнечные панели (PV panels) могут соединяться между собой солнечные батареи (arrays) для того, чтобы получить большую мощность. Например, 2 модуля по 50 W_p, соединенных вместе, эквивалентны модулю мощностью 100 W_p.

КПД доступных в продаже модулей варьируется в пределах 5—15 %. Это значит, что 5—15 % от количества энергии, падающей на солнечный элемент, будет трансформировано в электричество. Исследовательские лаборатории во всем мире разрабатывают новые материалы для СЭ с более высоким КПД (до 30 %). Стоимость производства также очень важна. Некоторые новые технологии (такие как, например, тонкопленочные), позволяют производить СЭ в больших масштабах, что значительно снизит стоимость элементов и модулей

Солнечные батареи были испытаны в полевых условиях на многих установках. Практика показала, что срок службы солнечных батарей превышает 20 лет. Фотоэлектрические станции, работающие в Европе и США около 25 лет, показали снижение мощности модулей примерно на 10 %.

Таким образом, можно говорить о реальном сроке службы солнечных монокристаллических модулей 30 и более лет. Поликристаллические модули обычно работают 20 и более лет. Модули из аморфного кремния (тонкопленочные, или гибкие) имеют срок службы от 7 (первое поколение тонкопленочных технологий) до 20 (второе поколение тонкопленочных технологий) лет.

Более того, тонкопленочные модули обычно теряют от 10 до 40 % мощности в первые 2 года эксплуатации. Поэтому, около 90 % рынка фотоэлектрических модулей в настоящее время составляют кристаллические кремниевые модули.

Другие компоненты системы имеют различные сроки службы: аккумуляторные батареи имеют срок службы от 2 до 15 лет, а силовая электроника — от 5 до 20 лет.

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольтамперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен (рис. 3.2).

Рис 3.2. Важные точки вольтамперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность.

Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или МРР). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_р (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

Можно найти все эти параметры — (V_oc, I_sc, МРР, V_p, I_p) — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, что V_p и I_p также называются номинальными значениями.

Возможно создание системы электроснабжения на солнечных батареях различной сложности. Наиболее простая система имеет на выходе низкое напряжение постоянного тока (обычно 12 или 24 В). Такие системы применяются для обеспечения работы освещения и небольшой нагрузки постоянного тока в доме — радио, телевизор, ноутбук, магнитофон и т. п. Можно использовать различные автомобильные аксессуары, вплоть до холодильников.

При подключении светильников с лампами постоянного тока необходимо также соблюдать полярность и следить за тем, чтобы при замене ламп они имели такую же полярность подключения, как и те, которые использовались ранее. В противном случае возможен выход из строя ваших потребителей.

Типовая схема такой системы приведена на рис. 3.3. Обычно такие системы применяются, если максимальное расстояние от аккумулятора до самой дальней подключенной нагрузки не превышает 10–15 м, а ее мощность — не более 100 Вт.

Рис. 3.3. Типовая схема простейшей системы

При этом надо следить за тем, чтобы падение напряжения при всех включенных потребителях в самой дальней точке было в пределах допустимого (обычно не более 10 %). Для правильного выбора сечения провода вы можете воспользоваться справочной информацией по выбору сечения провода исходя из допустимого падения напряжения на участке электропроводки.

Если у вас нагрузка превышает указанные рекомендованные максимальные значения, или потребители электроэнергии находятся на значительном расстоянии от аккумулятора, необходимо добавить в систему инвертор.

В этом случае вы сможете питать практически любую бытовую нагрузку суммарной мощностью, не превышающей мощность инвертора.

Система электроснабжения автономного дома с выходом переменного и постоянного тока на базе фотоэлектрической солнечной батареи включает в себя практически те же компоненты, что и схема на рис. 3.3, плюс контроллер заряда аккумуляторной батарея, а именно:

♦ солнечная батарея необходимой мощности;

♦ контроллер заряда аккумуляторной батареи, который предотвращает губительные для батареи глубокий разряд и перезаряд;

♦ батарея аккумуляторов (АБ);

♦ инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;

♦ энергоэффективные нагрузки переменного тока.

Введение такого резервного источника электроэнергии резко сокращает стоимость солнечной батареи из-за отсутствия необходимости рассчитывать ее на худшие возможные условия (несколько дней без солнца, эксплуатация зимой и т. п.)

В этом случае в систему также вводится зарядное устройство для быстрого заряда (в течение нескольких часов) АБ от жидкотопливного электрогенератора. Возможно применение блока бесперебойного питания, в котором возможность заряда АБ уже встроена.

Рассмотрим пример комплектации фотоэлектрической системы электроснабжения. На рис. 3.4 приведен вариант системы для электроснабжения удаленного жилого дома.

Рис 3.4. Система электроснабжения жилого дома

Принимаются следующие исходные данные:

♦ суточное потребление энергии 3 кВт∙ч (среднестатистические данные по России);

♦ приход солнечной радиации — 4 кВт∙ч/м² в день (средний приход солнечной радиации для европейской части России летом);

♦ максимальная пиковая мощность нагрузки — 3 кВт (можно одновременно включить стиральную машину и холодильник);

♦ для освещения используются только компактные люминесцентные лампы переменного тока;

♦ в пиковые часы (максимальная нагрузка, например, когда включены стиральная машина, электрокипятильник, утюг и т. п.) для предотвращения быстрого разряда АБ включается бензиновый или дизельный электрогенератор.

Возможно включение генератора как в ручном режиме, так и полностью в автоматическом. В последнем случае система также должна включать модуль автоматического запуска и останова генератора, а сам генератор должен быть немного доработан для возможности подключения системы автоматики.

Бели необходимо минимизировать время работы жидкотопливного электрогенератора с целью сохранения топлива, солнечная фотоэлектрическая система электроснабжения будет состоять из элементов со следующими параметрами:

♦ пиковая мощность солнечной батареи равна 1000 Вт (выработка до 5 кВт∙ч сутки);

♦ минимальная номинальная мощность инвертора — 2 кВт с возможностью кратковременной нагрузки до 4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 800 А∙ч (при напряжении 12 В), что позволяет запасать до 4,5 кВт∙ч электроэнергии при 50 % разряде АБ);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизель или бензогенератор мощностью 3–5 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А (может быть встроено в инвертор;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты и т. п.)

Если допустимо увеличение времени работы дизель-генератора, стоимость системы можно снизить за счет его более частого включения. В этом случае:

♦ энергия от солнечной батареи будет использоваться для электроснабжения минимальной нагрузки — освещение, радио, телевизор;

♦ генератор будет включаться несколько раз в день, в зависимости от выбранной емкости АБ.

При этом начальная стоимость системы снижается как за счет уменьшения пиковой мощности солнечной батареи, так и за счет снижения емкости АБ.

Такая оптимальная система для электроснабжения жилого дома может состоять из следующих компонентов:

♦ солнечной батареи с пиковой мощностью 300–400 Вт;

♦ инвертора мощностью 2–4 кВт, входное напряжение 24 или 48 В;

♦ аккумуляторная батарея общей емкостью 400–600 А∙ч (при напряжении 12 В);

♦ контроллер заряда на ток до 40–50 А (при напряжении 24 В);

♦ дизельгенератор мощностью 4–6 кВт;

♦ зарядное устройство для заряда АБ от бензогенератора на ток до 150 А;

♦ кабели и коммутационная аппаратура (выключатели, автоматы, разъемы, электрощиты).

При этом необходимо учитывать, что возрастут эксплуатационные расходы за счет большего расхода топлива.

3.2. Самостоятельное изготовление простейших солнечных элементов

Эта конструкция рассматривается в познавательных целях, т. к. она не очень эффективна при высокой цене. Цена одного КД202 составляет 50 руб. Итого на 4 блока по 5 шт. понадобиться 20 диодов.

Это примерно 1000 руб., не считая универсальных разъемов для подключения разных устройств. При этом устройство генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА.

В хозяйстве радиолюбителя всегда найдутся старые диоды и транзисторы от ставших ненужными радиоприемников и телевизоров. В умелых руках это — богатство, которому можно найти дельное применение. Например, сделать полупроводниковую солнечную батарею для питания в походных условиях транзисторного радиоприемника.

Как известно, при освещении полупроводник становится источником электрического тока — фотоэлементом. Этим свойством мы и воспользуемся (http://electro-shema.ru/zll.htm).

Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента зависят:

♦ от материала полупроводника;

♦ от величины его поверхности;

♦ от освещенности.

Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нужно добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, его нужно вскрыть.

Последовательность работ представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Последовательность работ по созданию солнечной батареи

Но наилучших результатов можно добиться при смешанном соединении, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных групп, каждая из которых составляется из одинаковых параллельно соединенных элементов.

Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пластине из гетинакса, органического стекла или текстолита. Между собой элементы соединяются тонкими лужеными медными проводами.

Пластину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с прозрачной верхней крышкой. Оба вывода подпаяйте к разъему — к нему будете подключать шнур от радиоприемника.

Солнечная фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре параллельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того, чтобы питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.

Можно сделать простейшие собственные солнечные батареи в кухне из материалов из хозяйственного магазина (www.scitoys.com). Предлагаемая солнечная батарея будет сделана из оксида меди вместо кремния. Окись меди — один из первых материалов, в котором ученые открыли фотоэлектрический эффект, в котором свет заставляет электричество течь в материале. Фото и подробности см. на http://electro-shema.ru/zll.htm.

Материалы:

♦ лист меди из хозяйственного магазина. Он обычно стоит приблизительно 150 руб. за 1 м². Нам нужно примерно 45 см²;

♦ два зажима «крокодильчика»;

♦ чувствительный микроамперметр, который может измерить промежутки между 10 и 50 микроамперами. Можно использовать и обычный;

♦ электрическая печь не меньше 1100 Вт, чтобы горелка становилась красной;

♦ пластиковая 2-литровая бутылка с отрезанным горлышком;

♦ пара столовых ложек столовой соли;

♦ вода из-под крана;

♦ наждачная бумага или дрель с насадкой (абразивной);

♦ листовой металл.

Сначала нужно отрезать часть меди, чтобы она была размером с электрическую плиту. Помойте руки, чтобы не оставлять жирных или других пятен. Также вымойте медный лист с моющим средством, чтобы смыть с него жир. Используйте наждачную бумагу или абразивную щетку, чтобы полностью убрать медное защитное покрытие так, чтобы любой сульфид или другая легкая коррозия были удалены.

Затем положите чистый медный лист на плитку (электрическую) и включите ее на максимум.

Медь начнет нагреваться и окисляться, вы увидите красивые красно-оранжевые пятна на ее поверхности. Когда медь нагреется еще больше, разноцветные пятна станут заменяться черным цветом — оксидом меди. Все цвета исчезают, когда спираль уже красная.

Когда горелка будет пылать, лист меди будет покрыт черным медным оксидом.

После получаса «кулинарии» выключите горелку. Оставьте горячую медь на горелке, чтобы медленно охлаждаться. Если вы охладите ее слишком быстро, то черная оксидная пленка прилипнет к меди.

Поскольку медь охлаждается, она сжимается. Черная медная окись также сжимается. Но они сжимаются с разной скоростью, что заставляет черную медную окись отслоиться.

Когда медь охладилась до комнатной температуры (это занимает приблизительно 20 мин.), большая часть черной оксидной пленки уйдет.

Легкое очищение вашими руками под проточной водой удалит большинство маленьких кусочков. Не пытайтесь отдирать неподдающиеся пятнышки и не сгибайте лист — можете повредить тонкий слой окиси меди, а как раз он нам и нужен.

Остальная часть сборки очень быстрая и простая. Обрежьте второй лист меди под размер с первым (нагретым). Аккуратно согните обе части, таким образом они войдут в пластмассовую бутылку, не касаясь друг друга.

Прицепите «крокодильчики» к обеим пластинам. Соедините провод от чистой меди к плюсу, а провод от пластины с оксидом — к минусу. Теперь смешайте пару столовых ложек соли в небольшом количестве горячей воды из-под крана. Размешивайте, пока вся соль не растворится. Аккуратно вылейте смесь в бутылку (где пластины), оставив примерно 2,5 см от краев пластин.

Оксид меди — полупроводник. Он является промежуточным проводником, где электричество может течь свободно, и изолятор, где электроны сильно связаны с их атомами, и не текут свободно.

В полупроводнике есть промежуток, названный запрещенной зоной между:

♦ электронами, которые связаны сильно с атомом;

♦ электронами, которые более далеки от атома, который может переместиться свободно и провести электричество.

Электроны не могут остаться в запрещенной зоне. Электрон может дать только немного энергии и переехать от ядра атома в запрещенную зону. Электрон должен получить достаточно энергии переместиться дальше от ядра, за Пределами запрещенной зоны.

Точно так же электрон вне запрещенной зоны не может проиграть немного энергии и упасть только немного ближе к ядру. Это должно потерять достаточно энергии упасть мимо запрещенной зоны в область, где можно электронам.

Когда солнечный свет поражает электроны в оксиде меди, некоторые из электронов получают достаточно энергии от солнечного света, чтобы подскочить мимо запрещенной зоны и стать свободными провести электричество. Батарея производит 50 мА в 0,25 В.

Свободные электроны перемещаются в соленую воду, затем в чистую медную пластину, в провод, через амперметр, и назад к окисленной пластине. Поскольку электроны перемещаются через амперметр, мы видим работу (ампер). Когда тень падает на солнечную батарею, электроны движутся медленнее и миллиампер меньше.

3.3. Практические конструкции солнечных батарей своими руками

В батарее были использованы четыре сборки из кристаллических фотоэлементов, приобретенные на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru. Их характеристики будут рассмотрены в п. 3.4. Каждая сборка номинально давала приблизительно 2,2 В, 0,7 А. Внешний вид готовой конструкции представлен на рис. 3.6. Остальные фото в цвете от автора Андрея Шалыгина см. на http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=227.

Батарея имела выходное напряжение до 10 В. Батарея состояла из четырех секций, которые складывались в книжку. Крепление между пластинами было выполнено с помощью пружины от старых календарей, или тетрадей (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Внешний вид готовой конструкции

Рис. 3.7. Внешний вид готовой конструкции в походном положении

Каждая пара пластин имела отдельный выход. И их можно было подключать:

♦ либо последовательно для получения большего напряжения;

♦ либо параллельно, если нужен был больший ток, например, при зарядке от 1 до 4 пальчиков АА, либо использовать независимо.

Выводы солнечных элементов после пайки были герметизированы клеем. Поэтому дождь такой солнечной батарее не страшен.

Хотя разъемы желательно беречь от влаги. Сами же провода прекрасно расположились внутри витков пружины-шарнира. Для дополнительной надежности провода в пружине были пропущены в трубке.

Как известно, кристаллические фотоэлементы не терпят грубого обращения и ударов. Для их защиты был использован материал, который применяется при изготовлении рекламных конструкций. Он представляет собой трехслойную панель, наружные слои которой сделаны из алюминия, а середина заполнена пластмассой. Он довольно легкий и при этом прочный, практически не гнется, особенно при таких небольших размерах.

Для установки ламината с фотоэлементами, алюминий и пластик с одной стороны срезались по размеру ламината. В получившееся углубление вклеивался ламинат. Получилась достаточно жесткая и легкая конструкция. Да и внешний вид неплохой.

В общем, получилась вполне рабочая и надежная конструкция. И, несмотря на то, что были использованы хрупкие кристаллические элементы, ее вполне безопасно брать с собой на природу.

Общий вес конструкции — около 400–500 г. Ламинат с фотоэлементами клеился на эпоксидку, ей же заливались все открытые контакты «… и дождь, и снег ей были нипочем» (снега, конечно, не было (в августе), но воду лучше было смахивать — увеличивался ток). Скапливаться и впитываться воде было негде, поэтому батарея шла привязанной к байдарке, оставалась под дождем. Пряталась только электрическая часть с заряжаемыми устройствами.

Контакты после пайки в разъемах надо действительно чем-то заливать — «раз и навсегда» и ничего им не будет.

Все четыре пластины были соединены последовательно. Один выход непосредственно прямо с пластин, другой через диод, который также прекрасно расположился в центральной трубке внутри пружины-шарнира.

На холостом ходу тестер фиксировал 12 В с небольшим, а вот ток — не больше 400 мА, что заряжало через авто-«лягушку» аккумуляторы сотовых, фотоаппарата, до 6 шт. АА и ААА. Полностью автору аккумуляторы заряжать не получалось (много было желающих), но за 3–4 ч. «залива», фотоаппарат, сотовые с MP3 работали по 1–3 дня.

В начале похода автор переживал за хрупкость конструкции, но на практике она многое выдержала: падения, удары, сжатие с обеих сторон пластин. Витые пружинки от Тетради (69 листов) практически не позволяли пластинам соприкасаться (амортизировали), если только при сильном сжатии, и на деле это ни к чему плохому не привело, пластины соприкасались равномерно.

По периметру солнечной батареи были сделаны отверстия для ее крепежа (подвеса).

Рассмотрим опыт создания создании более мощной, но уже стационарной солнечной батареи, из ФЭП (фото электрических преобразователей) на эпоксидной смоле. Для создания были приобретены (Андрей Шалыгин, http://mobipower.ru) сами ФЭПы на заводе-изготовителе: ОАО «ПХМЗ» (Подольский химико-металлургический завод) в количестве 50 шт. (1 упаковка) за 4000 руб.

Толщина ФЭПа — 0,2 мм, они очень хрупкие, поэтому при пайке необходимо соблюдать температурный режим (380 °C). Иначе ФЭП лопается.

Оптимальным оказался вариант использования для пайки готовой облуженной медной шинки, используемой по такому же назначению (спайка ФЭПов) на предприятии «Телеком СТВ» г. Зеленоград.

48 последовательно соединенных ФЭПов выдавали холостого напряжения 26 В. Ток, который шел в нагрузку — зарядку 10 последовательно соединенных свинцовых банок по 1,2 В емкостью 2000 А-ч (используются в железнодорожных локомотивах, каждая весит около 10 кг) составлял выше 5 А (!). При этом напряжение проседало до 14 В. Зарядка проводилась напрямую по довольно-таки большому сечению провода практически без потерь, только один диод. Этот показатель был достигнут при облачном небе, т. е. далеко не предел.

Конструкция из трех сборок ФЭП удобна тем, что позволяет выполнять параллельное и последовательно-параллельное соединение (уменьшение напряжения, увеличение силы тока).

Методика сборки. На каждом из трех толстых (7 мм) закаленных стеклах (их было невозможно порезать — они лопалась), по периметру. герметиком создавалась ванночка. Туда выливалась подогретая (для лучшей текучести) эпоксидная смола. После чего в нее помещались уже полностью, последовательно спаянные ФЭПы с выведенными контактами (автомобильные электрические клеммы).

В горизонтальном положении, очень аккуратно, чтобы не полопались ФЭПы, практически из-под каждого из них, выдавливались оставшиеся пузыри воздуха. Сверху все заливалось остатками эпоксидки для защиты от внешних атмосферных воздействий.

Получились три абсолютно герметичные спайки солнечных батарей. Следующей задачей было изобрести конструкцию, которая бы:

♦ довольно жестко фиксировала эти три тяжелых стекла в одной плоскости;

♦ была поворотной в двух плоскостях (для ориентации по Солнцу);

♦ имела бы массу для транспортировки на внедорожнике.

В итоге конструкция в сборе со стеклами получилась тяжелая — одному не поднять. Устанавливали ее уже вдвоем (рис. 3.8). Она вращается вокруг своей вертикальной оси (вбитой в землю металлической трубы) на 360 градусов.

Рис. 3.8. Внешний вид установленной солнечной батареи

В горизонтальной плоскости доступно вращение на 300 градусов, то есть все возможные положения светила (на горизонте, в зените) ей захватываются. Стекло закреплялось по углам подогнутыми концами Т-образного профиля. Металл был окрашен железным суриком.

Остался непонятным полученный результат. Заявленная производителем максимальная мощность 1,46—1,78 Вт занижена как минимум в 2 раза. 0,56 В х 5 А = 2,8 Вт. Правдиво указано, что ток короткого замыкания: «не менее 3,44 А».

Подробности создания и опыт эксплуатации и модернизации см. на http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=329.

Были приобретены за небольшую цену три пластины фотоэлементов от б/у гибких солнечных батарей. С начала автор удалил оставшиеся после разборки нитки и куски скотча с этих пластин (Дмитрий Неделяев http://mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=272). Затем подрезал края примерно на 0,5 см, т. к. в некоторых местах были отслоения покровной пленки (не ламината).

После этого убрал утюгом воздушные пузыри через листок бумаги, чтобы не проплавить ламинат насквозь до самих элементов. Полностью их убрать не удалось, но внешний вид стал гораздо симпатичнее. Некоторые сомнительные места я дополнительно проклеил прозрачным скотчем.

Когда все пластины были обработаны, автор перешел к пайке и соединению пластин параллельно, т. к. каждая пластина дает 13 В (16 В без нагрузки) 0,33 А. Места пайки были залиты клеем «Момент 88». Он обладает эластичностью, прочностью и термоустойчивостью до 110 °C. Как раз то, что нужно.

После того, как клей засох, места пайки автор на всякий случай еще раз заклеил армированным односторонним скотчем. Это придало и прочность, и дополнительную водонепроницаемость. Затем все провода были аккуратно приклеены этим же скотчем к краям пластин, чтобы они не мешались при последующем зашивании в брезентовую ткань. По сути, провода разместились на торцах пластин, сверху и снизу.

После этого на заднюю часть пластин и на самые края передней части автор наклеил двусторонний армированный скотч, который используется для склеивания линолеума и прочей ерунды. Затем вырезал кусок брезентовой ткани, и приклеил его к задней стороне пластин. И ножницами убрал лишнюю ткань. Также на передние края пластин приклеил эту же ткань, предварительно заправив самые края ткани под себя, чтобы не торчали лохмотья по краю. Т. е. поначалу ткань держалась лишь на двухстороннем скотче.

Далее приступил к пришиванию ткани к краям пластин. В ходе этой работы на иголке и на нитках налипает толстый слой клеящего вещества со скотча.

Сложнее всего было закрепить разъем питания. К разъему был припаян диод Шоттки на 3 А. Использовал импортный 1N5822, но можно использовать, вообще говоря, любой с током, чем больше, тем лучше, т. к. будет меньше падение напряжения на нем и, следовательно, потерь.

Предварительно изогнул диод таким образом, чтобы его контакты не занимали слишком много места. Затем сам железный разъем и диод автор заделал эпоксилином «Момент». Выглядит он, как два куска пластилина — один серого цвета, другой белого. При соединении их вместе и замешивании через некоторое время масса затвердевает. Всем рекомендую, классный материал для придания формы и герметизации! Разъем показан на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Внешний вид разъема на солнечной батарее

Напоследок некоторые швы были залиты клеем «Момент», чтобы они не распускались.

На максимуме Солнца при температуре около нуля, удалось наблюдать напряжение холостого хода 16,7 В и ток короткого замыкания 0,4 А. И это при отсутствии прямого Солнца, когда небо полностью затянуто пусть и слабыми, но облаками. В среднем днем без Солнца — ток короткого замыкания около 80—100 мА.

В итоге, отмечается на www.mobipower.ru, из трех б/у солнечных пластин удалось сделать неплохую гибкую солнечную батарею по параметрам такую же, как и «фирменная» батарея на 11 Вт от SanChargera (http://www.sun-charge.com/).

Интересным опытом по самостоятельной сборке недорогой самодельной солнечной батареи делится Майкла Дэвиса, США (русский перевод В. Германовича, http://germarator.ru/post/56).

М. Девис построил ветрогенератор для электрообеспечения участка, удаленного от цивилизации в Аризоне (см. гл. 1). Этот ветрогенератор работает хорошо, когда ветер дует. К сожалению, бывает нужно больше энергии. И эта энергия должна быть более стабильна.

В Аризоне более 300 солнечных дней в году, поэтому солнечная батарея кажется очевидным дополнением к ветрогенератору. К сожалению, солнечные батареи недешевы, поэтому было решено сделать все саму. Использовались самые обычные инструменты и недорогие распространенные материалы. В итоге удалось сделать батарею, конкурирующую с коммерческими образцами по мощности, но не оставляющую им никакого шанса по цене.

Солнечная батарея (СБ) — это контейнер, содержащий массив солнечных элементов. Солнечные элементы, это те штуки, которые на самом деле делают всю работу по преобразованию солнечной энергии в электричество. К сожалению, для получения мощности, достаточной для практического применения, солнечных элементов надо достаточно много. Также, солнечные элементы ОЧЕНЬ хрупкие. Поэтому их и объединяют в СБ.

Батарея содержит достаточное количество элементов для получения высокой мощности и защищает элементы от повреждения. Звучит не слишком сложно.

Проект был начат, как обычно, с поиска в сети информации по самодельным СБ. Ее оказалось очень мало.

Стартовые умозаключениям:

♦ главное препятствие в постройке СБ — это приобретение солнечных элементов за разумную цену;

♦ новые солнечные элементы очень дороги и их сложно найти в нормальном количестве за любые деньги;

♦ дефектные и поврежденные солнечные элементы есть в наличии на eBay и других местах гораздо дешевле;

♦ солнечные элементы «второго сорта» возможно, могут быть использованы для изготовления солнечной батареи.

В итоге работа была начата с покупки элементов на eBay. Купил несколько блоков монокристаллических солнечных элементов размером 3x6 дюйма. Чтобы сделать СБ, необходимо соединить последовательно 36 таких элементов. Каждый элемент генерирует порядка 0,5 В. 36 элементов, соединенных последовательно дадут нам около 18 В, которые будут достаточны для зарядки батарей на 12 В.

Солнечные элементы этого типа тонкие как бумага, хрупкие и ломкие как стекло. Их очень легко повредить. Продавец этих элементов окунул наборы из 18 шт. в воск для стабилизации и доставки без повреждений.

Ищите элементы с уже припаянными проводниками. Даже с такими элементами вам нужно быть готовым много поработать паяльником. Если же вы купите элементы без проводников, приготовьтесь работать паяльником раза в 2–3 больше. Короче, лучше переплатить за уже припаянные провода.

Солнечные элементы продаются самого широкого спектра форм и размеров. Вы можете использовать более крупные или мелкие, чем рассматриваемые 3x6 дюймов. Просто помните:

♦ элементы одного типа производят одинаковое напряжение независимо от их размера, поэтому для получения заданного напряжения всегда потребуется одинаковое количество элементов;

♦ большие по размеру элементы могут генерировать бóльший ток, а меньшие по размеру, соответственно — меньший ток.

Общая мощность вашей батареи определяется так: напряжение умноженное на генерируемый ток.

Использование больших по размеру элементов позволит получить большую мощность при том же напряжении, но батарея получится крупнее и тяжелее. Использование меньших элементов позволит уменьшить и облегчить батарею, но не сможет обеспечить такую же мощность.

Солнечные элементы, которые были выбраны, имеют размер 3x6 дюйма и способны генерировать ток примерно 3 А. Планируется соединить последовательно 36 таких элементов, чтобы получить напряжение чуть больше 18 В. В результате должна получиться батарея, способная выдавать мощность порядка 60 Вт на ярком солнце.

Причем, это 60 Вт каждый день, когда светит солнце. Эта энергия будет идти на зарядку аккумулятора, который будет использоваться для питания светильников и небольшой аппаратуры всего несколько часов после наступления темноты.

После того как вы купите солнечные элементы, спрячьте их в безопасное место, где они не разобьются, не попадут детям для игр и не будут съедены вашей собакой до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Элементы очень хрупкие. Грубое обращение превратит ваши дорогие солнечные элементы в маленькие синенькие блестящие и ни для чего непригодные осколочки.

Итак, солнечная батарея — это просто неглубокий ящик. Может быть сделан он из фанеры толщиной, например, 10 мм с бортиками из реек толщиной 20 мм. Бортики приклеены и привинчены на место. Батарея будет содержать 36 элементов размером 3x6 дюймов (примерно 7,5x15 см). Элементы были разделены на две группы по 18 шт. просто для того, чтобы их было проще паять в будущем. Отсюда и центральная планка посередине ящика.

На рис. 3.10 представлен небольшой набросок, показывающий размеры СБ. Все размеры в дюймах (простите меня, поклонники метрической системы). Бортики толщиной 20 мм (% дюйма) идут вокруг всего листа фанеры. Такой же бортик идет по центру и делит батарею на две части. Но в принципе, размеры и общий дизайн не критичны. Можете свободно все варьировать в своем эскизе. Следует сделать небольшие отверстия в бортиках. Это вентиляционные отверстия, предназначенные для выравнивания давления воздуха внутри и снаружи СБ и служащие для удаления влаги.

Рис. 3.10. Внешний вид и размеры ящика для солнечной батареи

Такие же вентиляционные отверстия должны быть сделаны в центральной разделительной планке.

Чтобы защитить батарею от погодных неприятностей, лицевую сторону закрываем оргстеклом или стеклом. Стекло тоже можно использовать, но стекло бьется. Град, камни и летящий мусор могут разбить стекло, а от оргстекла просто отскочат.

После этого, нужно окрасить все деревянные части солнечной батареи несколькими слоями краски, чтобы защитить их от влаги и воздействия окружающей среды. Ящик следует красить внутри и снаружи. При выборе типа краски и ее цвета был использован научный подход. Подложки тоже нужно окрасить в несколько слоев с обеих сторон.

Теперь, когда готова основа для СБ, самое время подготовить солнечные элементы.

Удаление воска с солнечных элементов — это настоящая головная боль. После нескольких проб и ошибок автор все-таки нашел неплохой способ.

Первый шаг, это «купание» в горячей воде, чтобы растопить воск и отделить элементы друг от друга. Не дайте воде закипеть, иначе пузырьки пара будут сильно бить элементы один о другой. Кипящая вода также может быть слишком горячей, в элементах могут быть нарушены электрические контакты. Рекомендуется погружать элементы в холодную воду, а потом медленно их нагревать, чтобы исключить неравномерный нагрев.

Пластиковые щипцы и лопатка помогут отделить элементы, когда воск растает. Постарайтесь сильно не тянуть за металлические проводники — могут порваться.

Итак, «горячая ванна» предназначена для растапливания воска.

Второй шаг. Обработка в горячей мыльной воде и в чистой горячая вода. Температуры во всех кастрюлях ниже температуры кипения воды. Сначала в растапливаем воск, переносим элементы по одному в мыльную воду, чтобы удалить остатки воска, после чего промываем в чистой воде.

Третий шаг. Выкладываем элементы для просушки на полотенце.

Этот процесс удалил практически весь воск с солнечных элементов. Только на некоторых остались тонкие пленки, но это не помешает пайке и работе элементов. Промывка растворителем, возможно, удалит остатки воска, но это может быть опасно и зловонно.

После разделения и удаления защитного воска из-за своей хрупкости они стали удивительно сложными в обращении и хранении. Рекомендуется оставить их в воске до тех пор, пока вы не будете готовы установить их в СБ. Это позволит вам не разбить их до того, как вы сможете их использовать.

Начать нужно с отрисовки сетки на каждой основе, для упрощения процесса установки каждого элемента. Потом следует выложить элементы по этой сетке обратной стороной вверх, так их можно спаять вместе. Все 18 элементов для каждой половины батареи должны быть соединены последовательно, после чего обе половины также должны быть соединены последовательно для получения требуемого напряжения.

Спаивать элементы между собой поначалу сложно. Начинайте только с двух элементов. Разместите соединительные проводники одного из них так, чтобы они пересекали точки пайки на обратной стороне другого. Также нужно убедиться, что расстояние между элементами соответствует разметке.

Используйте маломощный паяльник и прутковый припой с сердцевиной из канифоли. Также перед пайкой смажьте флюсом точки пайки на элементах при помощи специального карандаша.

Повторите пайку до тех пор, пока не получится цепочка из 6-ти элементов. Соединительные шины от сломанных элементов автор припаял к обратной стороне последнего элемента цепочки. Таких цепочек автор сделал три, повторив процедуру еще дважды. Всего 18 элементов для первой половины батареи.

Три цепочки элементов должны быть соединены последовательно. Поэтому среднюю цепочку поворачиваем на 180 градусов по отношению к двум другим. Ориентация цепочек получилась правильной (элементы все еще лежат обратной стороной вверх на подложке). Следующий шаг — приклеивание элементов на место.

Приклеивание элементов потребует некоторой сноровки. Наносим небольшую каплю силиконового герметика в центре каждого из шести элементов одной цепочки (рис. 3.11). После этого переворачиваем цепочку лицевой стороной вверх и размещаем элементы по разметке, которую нанесли раньше. Легонько прижмите элементы, надавливая по центру, чтобы приклеить их к основе. Сложности возникают в основном при переворачивании гибкой цепочки элементов. Вторая пара рук тут не повредит.

Рис 3.11. Схема нанесения силикона

Не наносите слишком много клея и не приклеивайте элементы нигде, кроме центра. Элементы и подложка, на которой они смонтированы, будут расширяться, сжиматься, гнуться и деформироваться при изменении температуры и влажности. Если вы приклеите элемент по всей площади, он со временем сломается. Приклеивание только в центре дает элементам возможность свободно деформироваться отдельно от основы. Элементы и основа могут деформироваться по-разному, и элементы не сломаются.

Автор использовал медную оплетку от кабеля для соединения первой и второй цепочки элементов.

Можно использовать специальные шины или даже обычные провода. Такое же соединение делаем с обратной стороны между второй и третьей цепочкой элементов. Каплей герметика желательно прикрепить провод к основанию, чтобы он не «гулял» и не гнулся.

Тест первой половины солнечной батареи на солнце показал, что при слабом солнце в дымке эта половина генерирует 9,31 В.

После того как обе основы с элементами будут готовы, можно установить их на место в подготовленную коробку и соединить.

Каждая из половин помещается на свое место. Были использованы 4 небольших шурупа для крепления основы с элементами внутри батареи.

Провод для соединения половин батареи удобно пропустить через одно из вентиляционных отверстий в центральном бортике. Тут тоже пара капель герметика поможет закрепить провод на одном месте и предотвратить его болтание внутри батареи.

В авторской версии использован диод Шоттки на 3,3 А. Диоды Шоттки имеют гораздо более низкое падение напряжения, чем обычные диоды. Соответственно, будут меньше потери мощности на диоде.

Сначала планировалось присоединить диод снаружи батареи. Но после того, как были изучёны технические характеристики диодов, решил поместить их внутри батареи. У этих диодов падение напряжения уменьшается с ростом температуры. Внутри батареи будет высокая температура, диод будет работать более эффективно. Используем еще немного силиконового герметика, чтобы закрепить диод.

Просверлите отверстие в днище батареи ближе к верху, чтобы вывести провода наружу. Провода рекомендуется завязать на узел, чтобы предотвратить их вытягивание из батареи, и закрепить герметиком.

И еще немного герметика для герметизации выходного отверстия. На выходной провод автор прикрутил двухконтактный разъем. Розетка этого разъема будет присоединена к контроллеру заряда аккумуляторов, который был использован для установленного уже ветрогенератора. Таким образом, солнечная батарея сможет работать с ним параллельно.

Оргстекло на этапе настройки и пробной эксплуатации не герметизируйте. У автора по результатам тестов потребовался доступ к внутренностям батареи, там обнаружилась проблема. На одном из

элементов отошел контакт. Может быть, это произошло из-за перепада температур или из-за неаккуратного обращения с батареей. Кто знает? Пришлось разобрать батарею и заменить этот поврежденный элемент. С тех пор проблем не было. Затем следует герметизировать стыки под оргстеклом при помощи герметика или закрыть их алюминиевой рамкой.

Вот результаты тестирования напряжения законченной батареи на ярком зимнем солнце. Вольтметр показывает 18,88 В без нагрузки. А вот тест по току в тех же условиях (яркое зимнее солнце): амперметр показывает 3,05 А — ток короткого замыкания. Это как раз недалеко от расчетного тока элементов. Солнечная батарея прекрасно работает!

Солнечная батарея в работе. Она обошлась чуть дороже 100 долларов. Не так уж и плохо! Это лишь малая часть стоимости серийной СБ такой же мощности. И это очень просто!

Источник — http://www.mdpub.com/SolarPanel/index.html, где можно посмотреть фотографии всех этапов работы и узнать подробности.

Эту солнечную батарею создал своими руками один из авторов книги, Германович Виталий, поэтому в этом разделе повествование ведется от первого лица (прим. редактора). Перейдем к его рассказу.

В свое время, начитавшись в интернете разных статей о самодельных солнечных батареях, я тоже увлекся идеей собрать что-нибудь своими руками. Последней каплей, подтолкнувшей меня к реальным действиям, стала статья американца Майкла Дэвиса о сборке солнечной батареи из элементов, купленных на аукционе eBay.

Первым делом, я купил на аукционе сотню солнечных элементов, точно таких, которые Майкл описывал в своей статье. Эти элементы оказались еще и самыми дешевыми и доступными.

Вдобавок мне пришлось у другого продавца заказать специальный карандашный флюс, припой, а также плоские соединительные проводники.

Получив все посылки, я первым делом стал экспериментировать — сделал тестовую батарею из обломков, образовавшихся при пересылке.

Далее пошел длительный и утомительный процесс припаивания проводников к элементам. Эта работа заняла много времени. Несколько раз я делал перерывы на неделю-другую, а то пайка проводов уже начинала сниться по ночам.

В процессе пайки, я увидел на YouTube, как с такими же элементами мучаются другие самодельщики. Поэтому решал отснять парочку видеороликов, чтобы поделиться своим опытом. Вот так выглядит процесс пайки проводников, если вы уже «набили руку».

Припой без содержания свинца для пайки солнечных батарей, который сейчас активно продается на eBay, я использовать не рекомендую. Такое ощущение, что он имеет высокую температуру плавления. В результате, при использовании маломощного паяльника паять элементы очень трудно. Элемент при пайке работает, как радиатор — вы касаетесь его паяльником, и припой моментально затвердевает, а расплавить его паяльник нормально не может — элемент отводит тепло в воздух. Именно поэтому все американцы рекомендуют использовать мощный паяльник на 60–90 Вт.

Я же, как видите, обошелся 25-ти ваттным, т. к. использовал обычный отечественный припой ПОС-61. У этого припоя низкая температура плавления и мощности паяльника вполне хватает, чтобы поддерживать его в расплавленном состоянии пока вы ведете пайку.

На http://germarator.ru/post/148 показано, как определить, какой длинны нам нужны отрезки соединительных проводов. Просто я в сети постоянно встречал ошибочный совет взять удвоенную ширину элемента и прибавить ширину зазора между элементами. Эти советчики не учитывают, что на обратной стороне провод припаивается к контактной площадке, которая примерно на 1,5 см отстоит от края.

На каждый элемент надо 2 провода, сэкономив 1,5 см на каждом мы получим около 3 метров (!!!) экономии провода на сотне элементов.

Но экономия в этом вопросе — не главное. Просто впоследствии, когда вы будете объединять элементы в батарею, вы все-равно отрежете лишние сантиметры провода, чтобы он не болтался и не приводил к короткому замыканию, касаясь соседних проводов. Так зачем нам потом делать лишнюю работу?

Следующий совет касается того, как именно из длинного провода нарезать отрезки одинаковой расчетной длинны. Мне нужны были отрезки по 155 мм. Я взял две полоски картона толщиной 3 мм и шириной примерно 71–72 мм, намотал на эту катушку провод. Каждый виток, получился примерно 155 мм. Это гораздо проще, чем измерять линейкой каждый отрезок.

Ну ладно… Провода к элементам припаяны, идем дальше.

Первым делом надо определиться с материалами, которые мы будем использовать для нашей солнечной батареи.

В своей статье Майкл Дэвис рекомендует использовать дерево и фанеру. Безусловно, это материалы доступны и легко обрабатываются. Но они также очень сильно подвержены воздействию окружающей среды. Как вы не прокрашивайте дерево, оно рано или поздно у вас облезет и начнет гнить. Поэтому я искал материал, который не будет бояться условий окружающей среды.

Стекло — хороший выбор. Материал прочный, его можно резать и клеить, а при наличии сноровки — даже сверлить. Если использовать в качестве фронтального покрытия солнечной батареи специальное стекло или даже обычное, но высокой чистоты, то можно уменьшить потери и повысить итоговую выходную мощность. Но со стеклом есть одна проблема — оно хрупкое и бьется. Раз в несколько лет у нас стабильно случается град. Поэтому стекло может не выдержать, и тогда работа нашей батареи закончится — осколки разбившегося стекла повредят хрупкие солнечные элементы.

В итоге, выбирая материал который не проводит электричество, обладает эластичностью, легко обрабатывается, не гниет, достаточно прочный и при этом легкодоступен, я остановил свой выбор на обычном оргстекле.

Фронтальное покрытие — тонкое оргстекло 2 мм, подложка — толстое 4 мм. В качестве подложки можно использовать текстолит, но мне не удалось найти в продаже листы подходящей толщины и размера.

В промышленных солнечных батареях применяют герметизацию, стекло спекается со специальной пленкой, что придает ему дополнительную прочность. Фактически, промышленная СБ представляет собой триплекс. Сильный град, конечно, может повредить батарею, но разлета осколков стекла не будет. К сожалению, такой метод герметизации в домашних условиях не доступен.

Еще я рассматривал различные варианты герметизации по технологии пленочного и заливного триплекса (стекольщики знают), но все это оказалось дорого и нереализуемо в домашних условиях.

Американцы советуют для герметизации использовать прозрачный эпоксидный кампаунд Sylgard 184. Купить его можно на том же eBay по 50 баксов за банку. Проблема только в том, что этой банки хватит лишь на заливку одной солнечной батареи. Продавец пишет, что хватит на две — не верьте.

Короче, я решил совсем отказаться от идеи герметизации элементов. Это конечно ведет к уменьшению мощности, но зато сильно упрощает конструкцию.

Для того, чтобы в солнечной батарее элементы шли ровными рядами я сделал простую сборочную панель из фанеры.

Элементы имеют размер 81x150 мм, на зазоры я оставил по 5 мм, поэтому на фанере нарисовал сетку с ячейками 86x155 мм. Чтобы при сборке проще было укладывать элементы, и они не съезжали, я приклеил обычные пластиковые крестики, применяемые при укладке керамической плитки.

Немного напишу о размерах. Я исходил из имеющихся материалов. Оргстекло мне удалось купить размером 76x68 см. В такой размер помещается 4 цепочки по 8 элементов — всего 32 шт. Вообще-то, для сборки солнечной батареи на 12 В рекомендуется использовать 36 элементов (4x9).

32 солнечных элемента позволят получить батарею мощностью примерно 50 Вт. Каждый элемент имеет пиковую мощность порядка 1,75 Вт (в сумме 56 Вт), но часть мощности потеряется из-за переотражения на стекле и отсутствия подбора элементов по параметрам.

Продолжаем сборку: устанавливаем получившуюся сборочную панель на горизонтальную поверхность и укладываем солнечные элементы.

После этого надо опять немного поработать паяльником. У меня на пайку ушло 2 вечера, часа по 2 каждый день. Цепочки между собой соединяются при помощи специальной шины — более широкого плоского провода. Этими же шинами делается вывод полюсов батареи наружу. Помимо двух полюсов я решил сделать еще и вывод «средней точки». Чуть позже объясню зачем. Вывод наружу делается через отверстия в подложке.

Для приклеивания элементов к подложке я решил использовать найденную в магазине монтажную ленту. Она из какого-то пористого полимерного материала, мягкая и имеет с двух сторон клейкий слой. Держит очень крепко, предназначена для работы на открытом воздухе.

Нарезаем ленту на небольшие кусочки и приклеиваем их ко всем элементам ровно по центру. Пайка на контактных площадках у меня получилась выпуклой, поэтому я клеил ленту в два слоя.

Надо чтобы клейкая площадка возвышалась над контактами и над пластиковыми «крестиками» сборочного стола. Потом, когда мы на элементы приложим подложку и прижмем ее, клейкие площадки приклеятся к ней. И каждый элемент окажется надежно закрепленным на подложке. После приклеивания элементов, поднимаем подложку (с ней поднимаются и все элементы), переворачиваем и видим вот такую красоту.

Впоследствии я при помощи кусочков монтажной ленты еще и шины закрепил на подложке, чтобы не болтались.

Теперь как-то надо закрепить фронтальное стекло. Для этих целей я использовал ту же монтажную ленту, но только более широкую. Цвет значения не имеет, у меня оказалась светлая.

Борта и клейкие площадки для элементов я тоже делал из двух слоев ленты, чтобы они получились примерно такой же высоты.

Наклеив второй слой ленты на борта, я оставил сверху защитную бумажную пленку по всей длине ленты. Дело в том, что к оргстеклу она приклеивается очень быстро и прочно, если накладывать фронтальное стекло прямо на клейки слой, его не получится выложить ровно с подложкой — обязательно будет какой-то перекос.

В решении этой проблемы помогла хитрость, подсмотренная у стекольщиков, занимающихся изготовлением заливного триплекса. На каждом бортике мы отрываем бумажный слой только на концах и загибаем его концом наружу.

После этого накладываем фронтальное стекло и выравниваем его края с краями подложки. А дальше просто вытягиваем защитную бумажную пленку, слегка приподнимая край стекла. После опускания оно моментально приклеивается. Стык получается ровный и красивый.

Я пока оставил на оргстекле защитную пленку. Планирую оставить ее до самого последнего момента — до установки, чтобы свести к минимуму количество возможных царапин при хранении и транспортировке.

Вот как выглядит моя солнечная батарея на текущий момент. Вид спереди (рис. 3.12).

Прозрачная подложка позволяет визуально контролировать все контакты, а в случае появления трещин в элементах, их будет видно на просвет.

Рис. 3.12. Вид солнечной батареи спереди

В верхней части с обратной стороны батареи прикреплена клеммная планка на 3 контакта. В нее выведены полюса солнечной батареи и «средняя точка».

Зачем, спрашивается, нужен этот третий контакт? В принципе, можно обойтись и без него. Но с ним можно сделать две хитрости:

♦ в случае необходимости, можно будет включить в работу только половину солнечной батареи и получить 6 В, вместо 12 В;

♦ третий контакт позволяет поставить на каждую половину батареи отдельный шунтирующий диод.

Зачем нужен шунтирующий диод? Если кратко, то он не позволяет элементам батареи, на которые падает тень, расходовать мощность, генерируемую остальными элементами, на которые светит солнце. В идеале, шунтирующий диод должен стоять на каждом элементе, но на практике это делают редко. Обычно ставят шунтирующий диод на всю батарею. Хотя еще чаще его вообще не ставят, предполагая, что батарея будет стоять там, где на нее тень упасть не может. Ну а я решил поставить шунтирующие диоды на каждую половину батареи — если одна половина попадет в тень, вторая будет работать.

А теперь о том, что еще осталось сделать. Во-первых, рамку для батареи. Для этого я уже подыскал алюминиевый профиль «уголок». Надо выпилить 4 отрезка на каждую сторону солнечной батареи: 2 по 76 см и 2 по 68 см. Спилы делаются под углом 45 градусов, чтобы потом они ровно стыковались друг с другом.

Но если хочется сделать самому — используйте просто алюминиевый уголок. Ушки можно сделать из него же, а закрепить это все винтами, думаю — не проблема.

Теперь «подобьем бабки». Для удобства, все цены буду приводить в долларах. Элементы куплены на eBay, в посылке было 110 штук. Цена 199$. Однако, сверху пришлось оплатить доставку — 40$ и таможенную пошлину — 60$. Итого около 300$ за сотню элементов (несколько сломались). На батарею пошло 32 элемента, что в деньгах — 96$.

Там же были куплены шины, карандашный флюс, припой и диоды Шоттки. Все вместе с доставкой от разных продавцов в пересчете на одну батарею обошлось примерно в 30$.

Оргстекло — примерно 20$ за два листа.

Монтажная лента: половина катушки шириной 9-мм и полторы катушки шириной 2 см — примерно 5$. Алюминиевый профиль — 5$ за две «палки» по 2 метра.

Канифоль, отечественный припой, клеммная планка, винты/ гайки — накинем еще 3–4$.

Итого у меня получается примерно 160$ на одну солнечную батарею.

Сейчас, покупая элементы небольшими партиями (чтобы не платить таможенную пошлину) и с уже припаянными проводами и шинами в комплекте, я думаю, что можно уложиться и в меньшую сумму. Но даже 160 баксов за солнечную батарею в 50 ватт — это неплохой результат — солнечная батарея промышленного производства мощностью 50 Вт стоит до 350$.

Не надо только забывать, что для сборки собственной солнечной батареи нужно ВРЕМЯ!!!

На http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:8814:3 появилась хорошая статья о практически собранном солнечный заряднике для электровелосипеда. Покупать элементы автор решил на ebay. Для такой покупки нужна долларовая карта Visa Classic, регистрация на самом ebay и на PayPal — платежной системе, без которой ничего не сделать.

PayPal, в отличие от ebay, имеет русский сайт.

Самая долгая процедура — так называемая привязка карты на PayPal. С вас снимают доллар с чем-то денег, вы идете в банк и узнаете код операции, который вбиваете в форму на сайте PayPal, после чего можете без проблем с ним работать. Пользоваться всякими там посредниками типа ebaytoday.ru обычно нет никакой необходимости.

Далее. В городе Фремонт в штате Калифорния нашлись ячейки фирмы Evergreen Cell Specifications: мощность 1,75∙W_p; ток (Amps) 3,5∙I_max; напряжение 0,5∙V_max; толщина 190 мкм = 0,19 мм; размер: 3,25 х 6 дюймов (80x150 мм); вес: 6 гр.

Конфигурация системы. Исходя из них, определилась общая конфигурация системы. Собираем 3 панели по 36 ячеек каждая. Они имеют номинальное напряжение 18 В и могут соединяться:

♦ или последовательно, заряжая аккумулятор электровелосипеда на 36 В;

♦ или параллельно — для зарядки свинцовокислого аккумулятора 12 В.

От него работает инвертор, дающий 220 В для питания компьютера или другой нагрузки. На роль инвертора был выбран недорогой компьютерный ИБП. Заряд велоаккумулятора контролируется по температуре электронным термометром.

Размеры. Панели складываются книжкой, для обеспечения мобильного использования. Габарит 520x560 мм.

Варианты мобильного использования — зарядка электровелосипеда в длительной поездке (3 шт.) или работа с ноутбуком где-нибудь на природе (1 шт.).

Покупки и бюджет. Вышеупомянутые ячейки Evergreen Solar, с мелкими повреждениями краев (chipped) — 100 шт. за 169 $ плюс 40$ за доставку из США. Реально продавец дает еще 10 ячеек в качестве бонуса, что как нельзя более уместно, ведь нам надо 108 шт.

Плоский провод для пайки ячеек и шин (Solar Cells/Panels Tabbing Wire) — 100 футов за 11 долларов плюс 6 $ доставка из США. Оргстекло 1100x1300x2 мм — 3 листа по 960 руб./лист. Аккумулятор Leoch DJW12-18 4 штуки с доставкой на дом (из Москвы) — 6000 руб. Необслуживаемый, срок службы 8 лет. Источник бесперебойного питания Ippon Comfo Pro 400 — 1300 руб в соседнем магазине. Понравился ценой. Контроллер на 10 А — за 27 + 6 $ от тайваньского производителя. Привлек малым собственным потреблением энергии и возможностью (чисто теоретической, впрочем) конфигурить его через компьютер. Три диода Шоттки 5 А по 20 руб./шт. Профиль алюминиевый, рейка сосновая, краска, винты, гайки, разъемы, провода и т. п. — учету практически не поддаются.

Об электросхеме. Провода от солнечных батарей собираются на две трехштырьковые вилки (обычные для сетевых шнуров на компьютерной технике). Вилки соединены изолентой вместе, получается разъем с шестью контактами. Ответные части объединены в «розетки» — 2 шт. Режим использования меняется переключением вилки в другую «розетку».

На одной из розеток контакты соединены последовательно, снимается 36 В для электровелосипеда, которые далее идут через амперметр штатного сетевого зарядного устройства на кабель к велосипеду. На тот же кабель подключен и вывод сетевого зарядника (через диод, чтобы на него не попадали 36 В).

Таким образом, можно заряжать велосипед от сети (параллельно три цепочки 12 В), либо от солнца (всю батарею 36 В).

На другой розетке все три минуса собраны вместе, плюсы также, только не напрямую, а через 3 диода Шоттки, назначение которых — исключить обратный ток через параллельно включаемые солнечные модули. Дальше плюс и минус идут на вход контроллера. К нему также подключена аккумуляторная батарея.

Пришлось ИБП подключать к батарее напрямую, т. е. минус непосредственно к его входу аккумулятора, а плюс — через два параллельно включенных тумблера. ТВ-1-2. Рычажки тумблеров соединены планкой. Ток идет параллельно через 4 пары контактов с номиналом по 5 А. Собственный ИБПшный аккумулятор (малой емкости) не используется.

ИБП служит в качестве инвертора, к нему не подключено 220 В. Его мощность 240 Вт. Он включается в режим «холодный старт», при подсоединении аккумулятора. Писк при работе можно отключить программно, но я предпочел просто удалить динамик.

Кнопка включения выпаяна, на ее место подключен провод с выключателем, выведенный на щиток управления всей системой, честно говоря, в нем нет большой необходимости. Выключается он автоматически через 5 мин. после снятия нагрузки (это называется «Green Power») Нагрузкой для ИБП в настоящее время служит ноутбук с подключенным к нему 17-дюймовым внешним дисплеем.

Индикация разряда батареи есть на контроллере, — меняется цвет светодиода. ИБП ограничивает разряд батареи не менее 9 В под нагрузкой, чего испытать пока не пришлось. Планируется еще подключить вольтметр на аккумулятор, он автору представляется информативнее, чем светодиоды.

Пайка. Первый опыт пайки заставил автора понервничать. Нормального соединения получить не удавалось. Более того, при повторении попыток пропаять одно и то же место серебряное напыление, быстро разрушилось. Пришлось внести поправки в технологию.

Была уменьшена мощность паяльника (изначально 65 Вт), просто включив последовательно с ним патрон с лампочкой 100 Вт. Все стало на свои места! Вместо кислоты стал использоваться раствор канифоли в спирте. Стал зачищать контактные площадки. Это сильно влияет на результат. Они не повреждаются при зачистке. Стал наносить припой на соединитель, невзирая на уверения продавца, что на нем уже есть слой припоя.

Конструкция панели. Каждая панель состоит из двух половин, складывающихся «книжкой» на дверных петлях. Обе половины — коробки из оргстекла. Оргстекло выбрано из следующих соображений:

♦ меньший (по сравнению со стеклом или поликарбонатом) коэффициент преломления дает меньшие потери энергии за счет отражения света;

♦ меньшая прозрачность для инфракрасного излучения снижает ненужный нагрев ячеек, сопровождаемый уменьшением КПД;

♦ легкость и ударостойкость, важные при мобильном использовании;

♦ простота механической обработки.

Резка оргстекла. Режьте пакет из четырех слоев, лучше и для скорости, и для качества. Можно бы, наверно, электролобзиком, но автору пришлось вручную. Разметку нужно проводить на каждом слое, чтобы ее можно видеть при резке. Нормальная скорость резки около 2 мм/с (один слой).

Склейка и подготовка коробки. Полученный пакет из четырех листов (на один модуль) сверлим по периметру диаметром 5,5 мм, разметив верхний лист. После приклеивания окантовки шириной 15 мм (один слой на тыльный лист и два слоя на лицевой) стягиваем листы вместе струбцинами и сверлим окантовки диаметром 3,2 мм по центрам отверстий 5,5 мм. Лицевые и тыльные листы соединяем винтами М3 с полукруглой головкой. Головки и гайки получаются заподлицо с поверхностью листа, гайки не нужно держать, т. к. они входят в отверстия с некоторым натягом. Готовим отверстия под петли, ручки сверху, болты крепления на раме.

Про склейку. Клей разводим до густоты канцелярского. Для растворения порошка из оргстекла в дихлорэтане лучше оставить его на 1–1,5 ч. Склеиваем однократным сильным прижатием, выдавливая воздух, хорошо видимый между слоями стекла. Помещать под пресс нет особого смысла.

Ячейки и провода. Ячейки соединяем последовательно: 18 шт. на полупанели, обе полупанели также последовательно. Лицевая сторона с двумя длинными дорожками — это минус, тыльная с шестью посеребренными квадратиками — плюс. Заранее распаянные плоским проводом ячейки укладываем лицом на стол, обеспечивая зазор 10 мм с помощью крестиков для укладки кафеля. Паяем ячейки, ряды ячеек соединяем шинами, укладываем провода для выводов наружу и в смежный полумодуль.

Провод — акустический кабель в силиконовой изоляции. Для соединения внутренних полостей полупанелей с атмосферой провода с зазором вставлены в 10 см отрезки силиконовой трубки (от капельницы, можно купить в аптеке). Трубки при сборке вклеиваются силиконовым герметиком в окантовку.

Сборка панели. На каждую ячейку наносим шприцем по две «капли» силиконового герметика. Размещаем их по линиям плоских проводов, так как по этим линиям будут передаваться усилия от термического расширения панели.

Плоский провод в зазоре между ячеек сложен слегка гармошкой. Прижимаем тыльный лист к ячейкам. Благодаря его прозрачности легко видеть результат. Получившиеся пятна контакта после затвердения герметика сохраняют хорошую эластичность, что важно для снижения термонапряжений.

Для большей жесткости всей конструкции на тыльный лист в зазоры между рядами ячеек вклеиваем четыре «опоры» — кубики из оргстекла 5x5x6 мм. Их назначение — исключить возможность «продавить» лицевой лист до касания ячеек каким-либо случайным нажатием. Наносим тонкий слой герметика на боковины и стягиваем винтами тыльную и лицевую панели, ставим петли и ручки.

Рама. Весьма нетривиальный вопрос, как оказалось. Всевозможный бытовой (мебельный) алюминиевый профиль имеет, как оказалось, близкую к нулю способность противостоять скручиванию. В общем, только второй вариант конструкции устроил автора. В основе — 4 направляющих, в пазы которых вставляются панели. Каждая из направляющих состоит из соснового прямоугольного бруска 30x12 мм.

На передней (узкой) стороне шурупами крепится плоский алюминиевый профиль (в строймагазинах фигурирует как «окантовка порога»). На длинных сторонах крепится штапик оконный образцового качества, образующий с алюминиевой полосой паз глубиной 10 мм и шириной 12 мм для панелей.

На каждую направляющую ставятся три поперечных опоры (из 16 мм фанеры), в месте контакта с балконом на них клеился резинка-амортизатор. Средняя из поперечных опор воспринимает вес панели, она имеет углубления — гнезда для несущих болтов, ввернутых в верхнюю полупанель каждого модуля-«книжки».

Внизу алюминиевый профиль изогнут, образуя захват за край балкона. Внутри алюминиевого захвата находится близкий по форме захват, выполненный из упругой стальной полосы, так что для установки в штатное положение необходим некоторый натяг вверх. Это обеспечивает отсутствие люфтов и возможности разбалтывания соединения ветровой нагрузкой.

Сверху имеются кронштейны под болты 50x6 мм, которыми направляющие крепятся к балконной раме. Направляющие связаны двумя поперечинами из алюминиевого Т-образного профиля. Все, кроме лицевого алюминия, красится белой нитрокраской.

Полезные соображения. Во-первых, согласно Evergreen Solar 2 % несортированных ячеек могут иметь пониженную мощность, и если вы соединяете ячейки последовательно, мощность панели равна мощности самой слабой ячейки, умноженной на число ячеек. Точно так же, как расход воды определяется самой тонкой трубой в трубопроводе.

Во-вторых, можно построить большую панель из 144 ячеек, но, наверное, лучше сделать две панели из 72 ячеек. Почему? Потому что в больших группах, которые вы хотите создать, нужно множество диодов для сегменирования последовательных серий ячеек, чтобы свести к минимуму потери энергии в случае выхода из строя одной ячейки. Например, если на ячейку падает лист с дерева, и она выгорает. Для более крупных панелей настоятельно рекомендуется применять диоды.

Подбор ячеек по характеристикам. Производителем рекомендуется самостоятельно подбирать близкие по мощности ячейки для соединения их в панель. Вытаскиваем панели на травку, ориентируем на солнце и мерим ток в режиме короткого замыкания. Это довольно показательный режим, поскольку максимальная мощность достигается при токе 90 % от тока КЗ.

Получаем 2,88 А на открытой панели (без лицевого стекла), 2,55 А — на закрытой. Другие две панели (закрытые) дают 2,58 и 2,52 А. Ячейки сильно греются, так что долго в КЗ лучше не держать.

Реально при зарядке велоаккумулятора от батарей уже в боевой позиции на балконе можно видеть ток 1,8 А при напряжении 45 В. Т. е. заряжает он быстрее сетевого зарядника, но только если небо чистое.

Даже слабое облачко снижает ток раз в 5—10. В принципе, это серьезный минус, т. к. NiMH очень малыми токами заряжать нельзя. На ноутбук с дисплеем часа этак на 4 в день энергии вполне хватает и независимо от погоды, по крайней мере, сейчас, летом.

Кошмары от Ippon. Оказалось, что ИБП отключается ровно через 5 мин, если нагрузкой служит только ноутбук. Функция Green Power неумолима, и нагрузки от ноута видеть она не хочет.

При подключении еще и внешнего дисплея с Green Power все приходит в норму, но отключается все теперь через 10 мин., так что прогресс небольшой. Выясняется, что это время заложено программно по умолчанию, его можно изменить вплоть до нескольких суток, подключив ИБП к ПК через СОМ порт и USB.

Еще для этого нужно инсталлировать в ПК небольшую утилиту (мегабайт этак на 20, большое количество всяких advpackoe). Количество записей, которые она вам сделает в реестр, тоже впечатляет. Автор воспользовался программой Reg Organaiser, чтобы все их вытереть после однократного пользования этой штукой.

Кстати, она НЕ позволяет отключить функцию Green Power, тех. поддержка Ippon советует покупателям САМИМ выпаивать резисторы (говорит какие), если они хотят избавиться от этого чуда инженерной мысли.

Также тех. поддержка, в общем, не возражает против внешних аккумуляторов на ИБП, предупреждая только о возможном перегреве устройства при долгой работе (чего, к счастью, не наблюдается).

Кошмары… от контроллера. В жару при попадании прямых солнечных лучей светодиоды беспорядочно мигают, а батарея не заряжается — от перегрева. Пришлось укрывать от Солнца. При 40 °C на балконе — работает нормально.

В холодную погоду при почти заряженной батарее и при ярком солнце прямо против прерывает зарядку — срабатывает ограничение по напряжению от солнечной батареи на аккумуляторе — не более 17 В. Потом снова сам включается. Пока имел место единичный такой случай.

Опасения — реалии. Как вообще паять кремниевую пластинку толщиной менее 0,2 мм? Треснет, рассыплется и т. д. — реально «очень средние» навыки пайки вполне достаточны.

Толщина панели всего 10 мм, будет ли она достаточно жесткой? — Да, будет. Размягчение оргстекла в жару — пока было до 35 °C, не наблюдается. Хотя, наверно в принципе лучше ТОСН вместо ТОСП.

Навеска на балкон не выдержит сильного ветра — было метров до 15, ничего…

Итог. Во Всемирный день окружающей среды автор взгромоздил все сооружение на балкон. На электровелосипеде ездим и комп в сеть больше не включаем!!!

3.4. Солнечные батареи для путешественников

Солнечные батареи, представленные на сайте www.vampirchik-sun.nm.ru, позволяют зарядить почти все мобильные устройства в полевых условиях. Электроника облегчает выполнение этой задачи. Часто их приобретают для создания своих автономных устройств мобильного электропитания.

Почти все представленные солнечные батареи изготовлены из аморфного кремния, поэтому они имеют минимальный вес на единицу мощности, а также являются гибкими, т. е. не ломаются при изгибе, что важно в походных условиях (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Внешний вид гибкой солнечной батареи

Электроника выполняет две задачи:

♦ согласование нестабильных выходных параметров солнечной батареи с требуемыми для мобильного потребителя;

♦ накопление энергии от солнечной батареи.

Как выбрать? Если кратко, то вначале определяемся с необходимой мощностью солнечной батареи, затем выбираем электронику, которая лучше всего подходит под наши задачи. Разновидности солнечных батарей будут рассмотрены после табл. 3.1.

Заметим, если солнечная батарея питает потребителей непосредственно, то ее мощность должна быть не меньше, чем текущие запросы потребителя (плюс запас в пару-тройку раз, на «неидеальность» погоды).

Однако если использовать накопитель, то требуемая мощность солнечной батареи может быть в несколько раз меньше, чем в случае непосредственного питания от нее. Т. е., образно говоря, солнечная батарея целый день заряжает аккумулятор, а вечером в течение пары часов этот аккумулятор питает, например, КПК. Это позволяет использовать менее мощную, т. е. более легкую и дешевую солнечную батарею и иметь запас энергии на «темный день».

В табл. 3.1 приведены примеры комплектаций для решения некоторых типовых задач. Указанное в таблице оборудование рассмотрено после таблицы.

Таблица 3.1. Примеры комплектаций для решения типовых задач электропитания

Накопитель предназначен для питания портативной техники, а также зарядки внешних Li-Ion (Li-Po) аккумуляторов 3,7 В и 7,4 В. Он имеет внутри два сменных Li-Ion 3,7 В аккумулятора емкостью 2,8 А-ч, размера 18650 (d=18 мм, L=65 мм). Их зарядка может выполняться от разных источников постоянного напряжения 5—15 (20) В (солнечные батареи, различные адаптеры, USB порт компьютера и т. д.).

Конструктивно накопитель состоит из 5 основных частей: схемы зарядки, схемы контроля аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторов, выходного повышающего стабилизатора и микроконтроллера, который обеспечивает измерение, индикацию напряжений и токов и контроль зарядки внешних аккумуляторов. Структурная схема накопителя представлена на рис. 3.14, а внешний вид накопителя — на рис. 3.15.

Схема зарядки и выходной стабилизатор импульсные предназначены для минимизации потерь.

Рис. 3.14. Структурная схема накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»

Рис. 3.15. Внешний вид накопителя на Li-Ion аккумуляторах «Вампирчик-Цифра»

Схема контроля предотвращает как перезаряд, так и переразряд аккумуляторов. При этом загораются соответствующие светодиоды индикации. Накопитель можно оставлять подключенным к питанию длительное время, он не перезарядится.

«Схема откл. USB» запрещает подачу на выход USB напряжения выше 6 В, для защиты подключенных USB устройств.

Заряд аккумуляторов и питание потребителей может происходить одновременно.

Микроконтроллер (МК) позволяет измерять и выводить на дисплей напряжения в различных точках схемы и выходной ток. Также, в режиме зарядки внешних аккумуляторов он отключает зарядку, когда аккумуляторы зарядились, и сообщает об этом.

Выходной повышающий стабилизатор может питаться как от внутренних аккумуляторов, так и от внешнего источника напряжением от 3–5 В через «запасной» вход (3–4 батарейки или NiMh аккумулятор). При этом энергия внутренних аккумуляторов не расходуется, но они должны быть установлены. Этот «запасной» режим не тратит энергию на зарядку внутренних аккумуляторов, все идет на выход.

Рассмотрим характеристики:

Имеется встроенный контроллер для измерения различных напряжений и обеспечения зарядки внешних аккумуляторов.

Индикация: наличия выходного напряжения, наличия выходного тока, наличия зарядного тока, конца заряда встроенного аккумулятора, наличия напряжения 4,5–5,5 В на USB-A выходе. Цифровой индикатор (многорежимный). Фонарь.

Защита внутренних аккумуляторов от перезаряда, переразряда, ограничением макс. тока потребления от него.

Возможность работы без потребления от встроенного аккумулятора, как повышающего стабилизатора напряжения (при входных напряжениях от 3 до 5 В.

Входные разъемы — мини-USB, круглый 2,1x5,5 мм.

Выходные разъемы — USB-A, круглый 1,1x3,5 мм (Nokia), круглый 2,1x5,5 мм, нажимная клемма.

Импульсный понижающий стабилизатор напряжения позволяет получить стабильное напряжение для питания потребителей от различных источников (солнечные батареи, адаптеры, аккумуляторы и т. д.). За счет импульсного режима работы имеет высокий КПД (до 90 % в зависимости от режима работы).

Выбор выходного напряжения осуществляется пользователем с помощью ДИП-переключателя. Плавная регулировка выходного напряжения с помощью переменного резистора позволяет то напряжение на выходе, которое требуется с высокой точностью. Это важно, например, для безопасной зарядки литиевых аккумуляторов.

Встроенный ограничитель тока также служит для обеспечения безопасной зарядки аккумуляторов или маломощных потребителей.

Таким образом, с помощью данного стабилизатора можно как запитать большинство мобильных устройств (в том числе спутниковых телефонов), так и непосредственно заряжать различные типы аккумуляторов (никелевых, литиевых, свинцовых). Может быть использован в качестве драйвера для питания мощный светодиодов.

Рассмотрим характеристики:

Мощный буферный аккумулятор (рис. 3.16), который можно непосредственно подключать к 12 В солнечным батареям (8 Вт, 11 Вт и 15 Вт).

Рис. 3.16. Внешний вид буфера на гелиевом аккумуляторе в комплекте

Рекомендуется, но не обязательно, использовать 4,5 А-ч с солнечными батареями: 7 А-ч 8 Вт или 9 А-ч с 11 Вт, 15 Вт.

От буфера можно питать любые устройства, которые могут работать от прикуривателя автомобиля.

Можно заряжаться как от солнечной батареи, так и от прикуривателя автомобиля — в соединительных проводах встроен дополнительный

Сумка служит для переноски и дополнительной защиты аккумулятора. В ней внутри стенок проложена тонкая «пенка». Также, есть пара перегородок, которые крепятся на липучке.

Сумка и провода могут быть куплены без аккумулятора. Вообще, это очень мощный и простой буфер, который рекомендуется. тем, кому вес зарядного комплекта не слишком важен.

Надежность его весьма высока, т. к. нет никакой электроники и ломаться просто нечему.

Также, в отличие от буфера на литиевых аккумуляторах, свинцовый буфер может работать при отрицательных температурах.

Рассмотрим характеристики:

Солнечные батареи, как отмечалось выше, имеют гибкие солнечные элементы на основе аморфного кремния, которые сложно повредить. Малые габариты и вес позволяют быть под рукой.

Солнечные элементы изготовлены в США, сами батареи пошиты в России. Технология фотоэлементам аналогична гибким солнечным элементам завода «Квант» (Россия).

Гарантированный срок выработки энергии фотоэлементами более 18 лет. При непрерывном нахождении на солнце где-нибудь на экваторе выходной ток за это время не упадет ниже 85 % от паспортного. Т. е. для туристов, можно принять, что батареи «вечные».

Рассмотренные солнечные батареи позволяют заряжать (совместно с электроникой) почти всех мелких потребителей, до ноутбука включительно, а солнечные батареи 8, 11 и 15 Вт могут заряжать даже автомобильный аккумулятор (можно реально завести машину после 0,5–1 дня зарядки).

Солнечные батареи SunCharger собираются из ламинатов, внутри которых упакованы несколько фотоэлементов, соединенных последовательно. Обычно такая сборка содержит 4 или 8 фотоэлементов, каждый из которых дает около 1,5 В рабочего напряжения. Поэтому лист из четырех фотоэлементов будет иметь на выходе напряжение 6 В (8 В без нагрузки) или 12 В (16 В без нагрузки).

Сам же единичный фотоэлемент представляет собой прямоугольник стальной фольги размерами приблизительно 180x39 мм, на который напылены активные слои (Н. Носов http://mobipower.ru/).

На рис. 3.17 приведена выходная характеристика единичного фотоэлемента.

Рис. 3.17. Выходные характеристики единичного фотоэлемента

Что мы видим в графике на рис. 3.17? Самое главное, видно, что при стандартных условиях освещения (1000 Вт/м²,25 °C и спектре 1.5) единичный фотоэлемент имеет рабочее напряжение 1,5 В и рабочий ток 300 мА, т. е. максимальную мощность 0,45 Вт.

Это позволяет нам уже по внешнему виду солнечной батареи сразу же узнать ее характеристики. Например, смотрим на солнечную батарею, скажем, 8 Вт, показанную на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Внешний вид гибкой освещенности батареи 8 Вт

Она состоит из двух ламинатов, в каждом из которых по 8 последовательных фотоэлементов. Поэтому рабочее выходное напряжение такой солнечной батареи будет 1,5 В х 8 шт. = 12 В (или 2 В х 8 шт. = 16 В если без нагрузки).

А рабочий выходной ток будет 300 мА х 2 панели = 600 мА (или 380 мА х 2= 760 мА при коротком замыкании). Реальная выходная мощность 0,45 Вт х 16 фотоэлементов = 7,2 Вт.

Эти фотоэлементы имеют выходную мощность реально выше, чем указано на графике (рис. 3.17). Поэтому солнечная батарея, маркируемая как 8 Вт, имеет мощность не 7,2 Вт, а около 7,5 Вт, а батарея на 15 Вт — «честные» 15 Вт. Так что, фирма SunCharger указывает характеристики своих солнечных батарей «честно» (в отличие от распространенной практики, когда «путают» рабочие и максимальные характеристики, в результате чего «рекламная» мощность получается в полтора раза больше реальной).

Второе, что мы можем увидеть из графика рис. 3.17: при уменьшении пропорционально снижается выходной ток, но выходное напряжение при этом остается практически неизменным.

Это подтверждается и на практике, когда на слабом Солнце ток может упасть, например, в 50—100 раз, а напряжение снизится всего на пару вольт. Т. е. мы можем продолжать заряжать свои аккумуляторы, просто уменьшится скорость их зарядки, но процесс не прекратится. Это очень хорошее свойство данных батарей.

Следующий фактор, который часто беспокоит покупателей солнечных батарей — это как быстро они теряют свойства. Это опасение не случайно, многие «китайские» аморфные солнечные батареи могут потерять до трети своей мощности в первые же пару лет эксплуатации. Однако, фотоэлементы от «Кванта» практически не меняются со временем. Это прекрасно видно на графике на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Изменение выходной мощности от времени

Из графика видно, что в течение первых 10 недель лежания на солнце, происходит стабилизация характеристик фотоэлементов и в дальнейшем они практически не меняются. Сам производитель дает гарантию 18 лет на то, что элементы будут работать.

Главный технолог «Кванта», производящего солнечные батареи, рассказывал, что у них на крыше уже 14 лет стоят еще первые модели солнечных батарей на гибких фотоэлементах. Круглогодично. За эти годы их характеристики ухудшились всего на 4 %. Так что они еще прослужат лет 30, не меньше (Н: Носов http://mobipower.ru/).

Следующим интересным свойством рассматриваемых солнечных фотоэлементов является то, что их коэффициент преобразования энергии света в электричество оказывается выше при малой освещенности, чем при максимальной.

Замечу, что не стоит пугаться относительно небольших значений КПД фотоэлементов из аморфного кремния — это их общее свойство. Это просто приводит к необходимости иметь площадь солнечной батареи большей, чем, если бы использовались фотоэлементы с большим значением КПД. Но на малых мощностях такое увеличение площади не играет большой роли, тем более, что батареи складные.

Интересной и полезной особенностью рассматриваемых солнечных батарей является их нелинейный коэффициент преобразования энергии солнца в электричество, аналог коэффициента полезного действия — КПД. А именно, при снижении освещенности КПД таких фотоэлементов не снижается, а возрастает. Т. е. в реальных условиях эксплуатации, которые могут быть весьма далеки от паспортных, такой фотоэлемент позволяет получить большее количество энергии по сравнению с другими типами (при одинаковой номинальной мощности солнечных батарей, естественно).

Также, не стоит забывать, что в горах и на севере, где в солнечном спектре повышенное количество ультрафиолета, гибкая солнечная батарея выдает еще больше тока, а кристаллическая — ультрафиолет практически использовать не может.

Рекомендуется использовать солнечные батареи в комплекте с электроникой:

♦ с импульсным стабилизатором;

♦ с накопителем на литиевых аккумуляторах «Вампирчик-Литий».

Солнечную батарею 4 Вт рекомендуется использовать для зарядки сотовых телефонов.

Для КПК, коммуникаторов, фотоаппаратов рекомендуется более мощная батарея на 6 Вт или 8 Вт.

Для нескольких потребителей (КПК, фото и т. д.), а также для ноутбуков, рекомендуется солнечная батарея на 11 Вт, 15 Вт или 24 Вт.

Солнечная батарея 24 Вт имеет более высокое выходное напряжение, которое равно «стандартному» для 12 В солнечных батарей, а именно 17–18 В (рабочее). Это может быть полезно при зарядке некоторых накопителей, для которых не подходят «низковольтные» батареи 8—15 Вт.

Также она подходит для прямой замены «12 В» кристаллических солнечных батарей.

Размер в сложенном виде у солнечной батареи 24 Вт на 25 % меньше, чем у батарей 8—15 Вт.

В завершении рассмотрим краткие характеристики

Общие для всех батарей. Складная конструкция. Рабочая температура -30…+ 50 °C. Выходной разъем круглый 5,5 мм / 2,1 мм. Встроенный обратный диод.

Солнечная батарея 4 Вт (SC-4/6). Выходная мощность: 4 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 0,66 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x6 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 405x195x6 мм. Вес 280 г.

Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/6). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 8 В, рабочее: 6 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 200x195x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 595x195x6 мм. Вес 410 г.

Солнечная батарея 6 Вт (SC-6/9). Выходная мощность: 6 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 12 В, рабочее: 9 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x270x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x270x4 мм. Вес 410 г.

Солнечная батарея 8 Вт (SC-8/12). Выходная мощность: 8 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 0,65 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x8 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 420x350x6 мм. Вес 460 г.

Солнечная батарея 11 Вт (SC-11/12). Выходная мощность: 11 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x9 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 630x350x6 мм. Вес 600 г.

Солнечная батарея 15 Вт (SC-15/12). Выходная мощность: 15 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 16 В, рабочее: 12 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 210x350x14 мм. Габариты в раскрытом состоянии: 850x350x6 мм. Вес 930 г.

Солнечная батарея 24 Вт (SC-24/18). Выходная мощность: 23,5 Вт. Выходное напряжение без нагрузки: 21 В, рабочее: 18 В. Выходной рабочий ток: 1,3 А. Габариты в сложенном состоянии: 28x22,5x3 см. Габариты в раскрытом состоянии: 148x44x4 см. Вес 1,4 кг.

3.5. Солнечные электростанции промышленного производства

В солнечных электростанциях башенного типа для преобразования в электроэнергию солнечного света используется вращающееся поле отражателей — гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Каждое зеркало управляется центральным компьютером, который ориентирует его поворот и наклон таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи всегда были направлены на приемник (http://howitworks.iknowit.ru/paperl185.html).

Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину генератора, вырабатывающего электроэнергию, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Солнечная электростанция башенного типа

Недостатком любой солнечной станции является падение ее выдаваемой мощности в случае появления облаков на небе, и полное прекращение работы в ночное время. Для решения этой проблемы предложено использования в качестве теплоносителя не воду, а соли с большей теплоемкостью. Расплавленная Солнцем соль концентрируется в хранилище, построенного в виде большого термоса, и может использоваться для превращения воды в пар еще продолжительное время после того, как Солнце скроется за горизонтом.

Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65 %. При такой конструкции расплавленная соль закачивается из «холодного» бака при температуре 288 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, а затем возвращается в «горячий» бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3—13 часов. На рис. 3.21 показана схема работы солнечной электростанции на расплавленных солях.

Рис. 3.21. Солнечная электростанция на расплавленных солях

СЭС тарельчатого типа представляют собой батарею тарелочных параболических зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °C и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигатель-генераторе, соединенном с приемником (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Солнечная электростанция тарельчатого типа

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал-двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. На этих установках удалось добиться практического КПД 29 %. Такие системы представляют собой оптимальный вариант как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном диапазоне), тарельчатого типа предприятии (http://portal.tpu.ru:7777/).

Рис. 3.23. Схема параболического концентратора

Параболоцилиндрические установки — на сегодня наиболее развитая из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей перспективе. Схема параболоцилиндиреской установки показана на рис. 3.23.

Солнечные пруды. Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Солнечный пруд

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли — на поверхности (http://www.energy-bio.ru/suncolll2.htm).

Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности.

Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный «рассол» используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество.

Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 °C в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт-ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки.

Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м². Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10 % и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров (http://www.t3000.ru).

Площадка для размещения приемников солнечного излучения должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека.

Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим требованиям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Северной Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Азии.

Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.

Ситуация коренным образом изменилась после изобретения солнечных аэростатных электростанций («Энергия», № 4, 2005). Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции приведена на рис. 3.25.

Рис 3.25. Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции

Принцип работы солнечной аэростатной электростанции с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью баллона аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри баллона. Современные селективные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых неконцентрированных солнечных лучей до 200 °C и более.

Оболочка баллона выполнена двухслойной. Внешняя оболочка является прозрачной и пропускает солнечное излучение. Внутренняя оболочка покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150–180 °C.

Слой воздуха между оболочками является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла в атмосферу.

Температура пара внутри баллона составляет 130–150 °C. Давление внутри баллона равно атмосферному давлению.

Из баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.

Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток.

Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10–20 %, что не влияет на положении аэростата. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.

Мощность турбогенератора можно совершенно безболезненно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.

При атмосферном давлении плотность наружного воздуха равна 1,3 кг/м³, а плотность водяного пара внутри баллона равна 0,6 кг/м³. Таким образом, подъемная сила одного кубического метра баллона составляет 0,7 кг/м³.

В настоящее время разработана серия солнечных аэростатных электростанций типа СА среднесуточной номинальной мощностью 300–450 кВт, 1200–1800 кВт и 2700–4000 кВт (мощность меняется в зависимости от времени года). Рассмотрим СА-200.

Технические характеристики электростанции СА-200:

Прозрачная оболочка выполнена из полиэстровой пленки (рис. 3.26). Полиэстровая пленка отличается высокой прозрачностью, прочностью, долговечностью и не мутнеет в течение всего срока эксплуатации установки. Для поглощающего слоя используется селективное покрытие, коэффициент поглощения которого в солнечном спектре составляет 0,95, а коэффициент собственного излучения при рабочей температуре покрытия 0,03.

Рис. 3.26. Солнечная аэростатная электростанция СА-200

_{а — конструкция; б — внешний вид}

Поглощающее покрытие представляет собой систему каналов и клапанов, по которой с помощью газодувки мощностью 50 кВт прокачивается водяной пар.

Работа системы клапанов организована таким образом, что пар движется только по каналам, освещенным солнцем.

Внутренняя часть баллона изолирована от атмосферного воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией толщиной 1 метр.

Многослойная пленочная теплоизоляция при малой массе обладает высокой теплоизолирующей способностью. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10 % за сутки. Таким образом, многослойная оболочка баллона является термическим полупроводником, который «закачивает» тепловую энергию внутрь баллона.

Пленочные конструкции раскреплены к каркасу из капроновых канатов. Конструкция рассчитана на ураганный ветер скоростью до 50 м/с. Солнечные аэростатные электростанции серии СА предназначены для размещения в районах с количеством солнечных дней в году не менее трехсот. Это район Средиземного моря, Северная Африка, Ближний и Средний Восток, Средняя Азия, район Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия и другие подобные регионы.

Однако наиболее перспективным представляется морское базирование подобных электростанций. В этом случае открывается возможность полного энергообеспечения многих стран исключительно за счет солнечной энергии.

Неплохие перспективы в этом случае открываются и для России. Использование в Каспийском и Черном морях площади 20 000 квадратных километров для размещения солнечных электростанций позволит полностью покрыть потребности европейской части России в электроэнергии.