Category Archives: Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструк­ции

Основная комплектация ВЭУ

• лопасть;

• кольцевой генератор;

• система ориентации на ветер;

• регулятор скорости вращения;

• узел крепления к мачте;

• посадочная шайба на мачту.

Чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД (как ни странно). Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями в таких экспериментах незначительна, потому что мощ­ность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие «идеализации» воздушного потока в трубе.

Вертикально-осевые ВЭУ имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравне­нию с горизонтально-осевыми. Это примерно как гребные колеса у старых пароходов по сравнению с обычным винтом любого совре­менного корабля или катера. Ведь ВЭУ — это целый комплекс, куда обязательно входят:

• ветроэлектрический агрегат — это генератор, лопасти, узел кре­пления к мачте (рис. 2.2), сюда же может входить регулятор скорости вращения винта (центробежный, механический) и устройство ориентации на ветер (хвост или виндроза);

• мачта может быть как специальная, так и самодельная — со­оруженная из мачты для радиоантенны, водопроводной трубы или даже столба, перпендикулярно врытого в землю;

• аккумуляторы;

• контроллер их заряда;

• инвертор для преобразования энергии.

На этом этапе выбора комплектующих можно реально сэконо­мить, так как специальная мачта для ВЭУ обойдется много дороже. А последние 3 позиции необходимы для ветрогенератора постоян­ного тока.

Мачтовый комплект

На примере иллюстрации (рис. 2.1) мачтовый комплект состоит из:

• закладные детали для 4-х растяжек;

• 4 тяги от закладных деталей;

• 4/8/12 канатов для растяжек;

• 4/8/12 талрепов с коушами;

• 24/48/72 зажима для троса;

• основание (шарнирное) мачты;

• подкос с Ьсью стрелы подъема;

• хомуты для крепления тросов к мачте;

• хомуты для стыковки труб мачты;

• «птичка» стрелы подъема;

• пробойник для тяг растяжек.

Стоимость описанной выше комплектации ВЭУ составит сегодня от 90 ООО руб. за 5 кВт полезной мощности, что вполне реально. К сло­ву, если предполагать, что вы ради экономии из бюджета на «ветряк» бросаете курить, а ранее тратили на сигареты 50 руб. (стоимость пач­ки) в 3 дня, то простые расчеты показывают, что почти через 15 лет вы на сэкономленные деньги сможете приобрести весь комплект для ВЭУ. Ведь «сэкономленные деньги — это заработанные деньги».

Как правило, сам по себе ветряк радует мало; он является только первой ступенью к обеспечению (хотя бы частично) дома альтерна­тивной энергией. Необходимость запасать электроэнергию на слу­чай безветрия (для стабильного энергообеспечения) предполагает оснащение дополнительным оборудованием:

• аккумуляторные батареи (автомобильные или иные, рассмо­тренные в главе 3);

• блок обработки электроэнергии и зарядки аккумуляторов (контроллер);

• преобразователь напряжения (инвертор).

Преимущества и особенности ветрогенераторов

Однолопастная схема ветродвигателя обеспечивает вращение гене­ратора в 1,5-2 раза быстрее 2-х и 3-х лопастных аналогов с тем же КПД, что снижает вес и стоимость генератора ровно настолько же. Генератор на редкоземельных магнитах неодим-железо-бор на 50% изготовлен из стеклопластика, нетрадиционного материала для ге­нераторов, что снижает его вес и упрощает технологию производс­тва.

Использование электроэнергии от ветра экономически выгодно при среднегодовых скоростях ветра более 5 м/с, либо при отсутс­твии (или нерегулярной подаче) сетевого электричества.

Особое внимание стоит уделять не только мощности ВЭУ (имен­но ВЭУ, а не инвертора, входящего в комплект), но и при какой скорости ветра эта мощность может быть получена.

Некоторые продавцы готовых изделий представляют завышенные показатели. Не сложно самому подсчитать мощность, которую спо­собен отдать ВЭУ с винтом конкретного диаметра. Мощность ВЭУ практически зависит только от скорости ветра V и диаметра винта D, а все остальные факторы — количество лопастей, их вес, площадь, профиль, генератор, подшипники большой погрешности не дают.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в — зависимости от скорости ветра и диаметра винта: Р(кВт) = D2V3/7000, с точностью ±20 % (зависит от КПД винта и генератора); допуск +20% — Идеальная ВЭУ, ее цена увеличится в 2-3 раза, а -20% напоминает первый и малоэффективный ветряк энтузиаста-любителя. При равной мощности ВЭУ выбирайте ту, у которой диаметр ветроколеса (лопасти) больше.

При выборе ВЭУ необходимо иметь в виду, что наиболее эконо­мически эффективную отдачу мощности (при ветровых условиях конкретной местности) получают при 2-кратной среднегодовой ско­рости ветра, которую можно назвать номинальной.

Для Московского региона Vcp год = 4 м/с, a Vhom = 8 м/с.

Для ВЭУ с диаметром винта 5 м мощность Р = 52-(4х2)3/7000 = 1,83 кВт. Таким образом, номинальная мощность ВЭУ не превысит 2 кВт при диаметре винта 5 м, а более мощные ВЭУ с таким же диаметром винта практически никакого выигрыша не дадут, но их цена будет выше.

Разумеется, там, где много открытого пространства (степи, возвы­шенности, непересеченная местность, «бескрайняя целина» полей, вблизи моря) установка ВЭУ наиболее эффективна, скорость ветра больше «средней», а главное, стабильнее. Поэтому даже в одной мес­тности (к примеру, Санкт-Петербург) есть места наиболее привлека­тельные для установки ВЭУ (на берегу Финского залива) и менее привлекательные — в спальном районе среди домов.

Для Санкт-Петербурга (а также в приморских и степных районах) средняя скорость ветра в год V д = 5,5 м/с, Vhom =11 м/с, и номи­нальная мощность будет равна Р = 52—(5,5×2)3/7000 = 4,75 кВт, что соответствует ВЭУ с номинальной мощностью 5 кВт и тем же винтом диаметром 5 м (см. рис. 2.2).

Преимущества и особенности ветрогенераторов

Рис. 2.2. Винт, штанга для генератора 5 кВт перед установкой

ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Ветер является одним из самых доступных источников энергии. В отличие от Солнца, он может «работать» днем и ночью,, на севере и на юге, летом и зимой. Единственная проблема при использовании силы ветра — выбрать место, где ветер дует достаточно постоянно. При этом ветровая энергия доступна, имеется везде и практически неисчерпаема. Главные преимущества энергии ветра: энергонезави­симость, отсутствие потребности в каком-либо топливе, экологичес­кая чистота, экономическая выгода.

Широкую популярность приобретают устройства преобразования кинетической энергии ветра в электрическую — ветрогенераторы. В настоящее время маломощные ветроэлектрические генераторы яв­ляются наиболее удобными и доступными для частного пользова­теля альтернативными источниками энергии.

Часть регионов нашей страны совсем не имеют линии электро­передач в силу крайней удаленности. Те, кто сегодня используют «ветряки», делают это из-за отсутствия возможности подключения к центральному электроснабжению или хотят быть энергонезави­симыми.

ВЭУ (ветроэлектрическая установка, ветрогенератор или просто «ветряк») используется для обеспечения автономным питанием — электроэнергией — различных бытовых и специальных промышлен­ных потребителей при отсутствии центрального электроснабжения или его нерегулярной подаче.

Такие устройства можно использовать практически повсеместно, что и делают люди в последнее время, не смотря на большую (не­сколько сот тысяч руб.) стоимость комплекта необходимых составля­ющих частей установки: генераторов, аккумуляторов, контроллеров заряда и инверторов — для полного альтернативного энергообеспече­ния дома. Тем не менее, для стабильного энергообеспечения неболь­шой мощности (единицы кВт) все вышеперечисленные устройства, включая однолопастный ветрогенератор с комплектом крепления можно приобрести за вполне реальные сегодня деньги. Именно поэтому лично я представляю себе возможным такое устройство приобрести, либо изготовить самостоятельно, используя опыт и с оглЯдкой на промышленные образцы.

На рис. 2.1 представлен однолопастНый ветрогенератор в работе.

Но есть и недостатки ВЭУ: неравномерность поступления энер­гии, дороговизна оборудования, шум от работы ветродвигателей, вредные для людей и животных низкочастотные вибрации, обледе-

ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 2.1. Ветрогенератор в работе

нение лопастей, образующее осколки, гибель птиц и летучих мышей, радиопомехи. Все это также надо учитывать при установке ВЭУ, однако действительно малоустранимый пока частным владельцем ВЭУ недостаток — это радиопомехи, мешающие работе телевизи­онных станций. Но спутниковое «цифровое» телевидение прихо­дящее повсеместно на смену «традиционному» решает и эту про­блему. С обледенением лопастей борются по примеру авиастроения специальными химическими составами, самый простой из которых щелочь или попросту мыльный раствор. Остальные издержки или преувеличены, или надуманы.

Рекомендации по сборке и эксплуатации элементов и модулей

■нмнм

• При покупке элементы проверяются на целостность (визуаль­но трещины на элементах видны далеко не всегда). Исправный элемент должен обеспечивать в яркий, солнечный день, заяв­ленный в паспортных данных ток короткого замыкания. Не бойтесь кратковременно замыкать элементы для проверки его целостности; с ним ничего не случится;

• Если в батарее, составленной из нескольких солнечных эле­ментов, окажется всего один испорченный элемент, характери­стика всей батареи ухудшается. Максимальный ток, который может дать батарея, состоящая из множества элементов под­ключенных последовательно, равен максимальному току наи­худшего элемента в ее цепи;

• Оптимальным является использование разъемов в виде гнезд для вывода питания батареи;

• Герметизация батареи не только защищает ее от влаги, но и от засорения элементов пылью. Сильное засорение элементов может значительно снизить КПД всей батареи.

Внимание, важно!

Солнечные элементы весьма хрупки! При самостоятельном изготов­лении и монтаже батарей следует соблюдать особую осторожность.

В промышленных условиях пайка элементов производится раскалён­ной струей инертного газа, монтаж элементов дома производится

посредством паяльника с тонким жалом.

36 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ И НЕ ТОЛЬКО

Солнечная панель для зарядки портативных устройств PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы Sundance Solar

Технические характеристики солнечной батареи

Коэффициент превращения солнца 15-17%

Сила тока солнечной батареи при 11вых=5,5 В, 80 мА Емкость встроенного Li-ion АКБ 1350 мА/ч Выходной ток до 1 А

Время заряда от естественного солнечного света 12-15 ч Подходит для всех типов сотовых телефонов Ймеет разъем для подключения miniUSB

На рис. 1.15 представлен внешний вид солнечной панели PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы Sundance Solar.

Фотогальванические солнечные батареи рекомендуется использо­вать на их максимальной мощности, только тогда они дают макси­мальное напряжение и ток.

Данный фотоэлектрический модуль не боится влаги (полностью герметичная клеммная коробка), не боится мелких царапин. Выпол­нен на гибкой основе (пластик).

Может применяться для питания любой портативной техники, включая фотоаппараты и видеокамеры с соответствующим напря­жением. Несколько аналогичных модулей можно соединять как пос­ледовательно (для увеличения напряжения), так и параллельно.

Солнечная панель для зарядки портативных устройств PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы Sundance Solar

Рис. 1.15. Вид солнечной панели PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы Sundance Solar

Солнечные батареи фирмы Sharp

Высокоэффективные солнечные батареи из монокристаллического кремния фирмы Sharp, произведенные из монокристаллического кремния, состоят из 72 ячеек (серия NT) или 48 ячеек (серия NU). Диапазон рабочих температур от -40° С до +90° С.

В табл. 1.6 представлены некоторые характеристики популярных мощных солнечных батарей серий NT и NU.

Таблица 1.6 Некоторые характеристики популярных мощных солнечных батарей серий NT и NU

Солнечная і Напряжение,- _ «

1′ <• ватао’е*;Л ’• в. — і

Мощность,

Вт

КоэффициеЯЩ

NT-R5E3E

44,4

3,54

175

13

NU-180E1

23,7

7,6

180

14,1

Основные характеристики солнечных панелей Sharp

В табл. 1.7 представлены основные характеристики солнечных панелей Sharp.

Таблица 1.7. Основные характеристики солнечных панелей Sharp

Электрические

Made in NT-175 EU — (Єї)

Nt-m

(El)

N11-185

, <tm

N0-1S0 11 —

— (*>. i.: ,

Щ

параметры

■нввнвнн

Made in "Japan*

NT-R5

(E3E)

NT-HO

(E3E)

NU S5 (E3E)

NU-S0

(E3E)

NU-RS

(E3Z)

NU-BI

Максимальная мощность, Вт

Pmax

175

170

185

180

175

170

Напряжение холостого хода, В

Voc

44,4

44,2

30,2

30,0

29,8

29,4

Ток короткого замыкания, А

Isc

5,40

5,30

8,54

8,37

8,29

8,37

Таблица 1 7. Основные характеристики солнечных панелей Sharp (окончание)

Электрические

параметры

Напряжение в точке максимальной мощности, В

EU*

Мф^іп.

Vmpp

NT_17S (E1l NT R5

35,4

NT T’O : №1′

NT R0

35,0

24,0

NU 180~ (Et)

NU SO

23,7

NU R5

23,2

22,4

Ток в точке максимальной мощности, А

Impp

4,95

4,86

7,71

7,6

7.55

7,60

Эффективность модуля, %

m

13,5

13,1

14,1

13,7

13.4

13,0

Нормальная рабочая температура** °С

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

47,5

Температурный коэффициент напряжения холостого хода, мВ/°С

Voc

— 156

— 156

— 104

— 104

— 104

— 104

Температурный коэффициент тока короткого замыкания, % / °С

Isc

+0.053

+0.053

+0.053

+0.053

+0.053

+0.053

Температурный коэффициент мощности, %/°С

Pmax

-0.485

-0.485

-0.485

-0.485

-0.485

-0.485

Примечание к табл. 1.7.

* модули, произведенные в Европе и Японии, идентичны по конс­трукции

** при окружающей температуре 20° С и силе ветра 1 м/сек

Область применения

Область возможного применения рассмотренных солнечных мо­дулей — регионы с недостаточным энергоснабжением, например районы добычи и транспортировки углеводородных энергоресурсов, необслуживаемые железнодорожные переезды. Расширенный диа­пазон рабочих температур (от -40° С до +90° С) позволяет исполь­зовать модули в качестве питающих станций для базовых вышек

GSM в отдаленных районах. Солнечные батареи применяются и для решения бытовых задач, в частности, для организации энергоснаб­жения частного жилья в регионах с большим количеством солнеч­ных дней в году.

Некоторые интересные особенности солнечных батарей

КПД обычного солнечного элемента на основе кремния кцлеблет — ся в пределах 10-18%. Существуют так же арсенид-галлиевые сол­нечные элементы, КПД которых в 2 раза выше; из-за очень высокой стоимости они применяются ограниченно, в основном в космичес­кой промышленности.

При нагревании солнечного элемента (модуля) излучением солн­ца происходит снижение рабочего напряжения. Температурный ко­эффициент для кремния составляет около -0,4% на 1° С (0,002 В/°С на один элемент); элемент может нагреваться до температуры 60-70° С.

Для зарядки 12-ти вольтовой свинцовой аккумуляторной батареи необходимо 36 элементов, что позволит иметь запас по напряжению в сравнении с напряжением полного заряда батареи, и компенсации потерь в контроллере заряда АКБ.

При наличии воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом потери на отражение и поглощение излучения солнца достигают 20-30% по сравнению с 12% без воздушной прослойки.

Номенклатура мощных солнечных

Солнечные батареи разных производителей

Номенклатура мощных солнечных

В табл. 1.4 и 1.5 представлены электрические характеристики сол­нечных модулей и батарей.

ФСМ-50

50

21

2,95

10720

ФСМ-55

55

21

3,15

1028x450x28

5,9

11725

ФСМ-60

60

21

3,45

12160

ФСМ-70

70

21

4,00

13132

ФСМ-70

70

42

2,00

13132

ФСМ-75

75

21

4,35

1195x536x28

8,9

13936

ФСМ-75

75

42

2,17

13936

ФСМ-85

85

21

4,90

15644

ФСМ-85

85

42

2,45

15644

ФСМ-100

100

21

6,00

19430

ФСМ-100

100

42

3,00

1305x655x28

19430

ФСМ-110

110

21

6,30

12.5

20200

ФСМ-110

110

42

3,15

20200

ФСМ-120

120

21

7,50′

1490x980x35

22043

ФСМ-120

120

42

7,81

22043

Таблица 1.4. Электрические характеристики солнечных модулей отечественного производства

Таблица I 4. Электрические характеристики солнечных модулей отечественного производства(окончание)

ФСМ-150

150

21

8,70

1580x815x38

17.5

28307

ФСМ-150

150

42

4,35

28307

ФСМ-160

160

21

9,20

30049

ФСМ-160

160

42

4,60

30049

ФСМ-170

170

21

9,86

1340x990x38

31892

ФСМ-170

170

42

4,93

31892

ФСМ-180

180

21

10,3

18,0

32830

ФСМ-220

220 ,

63

6,05

1640x990x35

22,0

39295

ФСМ-225

225

63

6,20

40032

ФСМ-230

230

63

6,33

41104

ФСМ-235

235

63

6,47

42310

Примечание к табл. 1.4.

* Измерения проводились при стандартных температурных условиях +25°С.

Таблица 1.5. Электрические характеристики солнечных батарей

Солнечная батарея! Напряжение; В

*

Стоимосіь Я ‘ на2010годг1 тыс pyO ■

TSM-160-24

24

160

27

TSM-180-12

12

180

29

TSM-120-12

12

120

20

TSM-80-12

12

80

18

TSM-80-024

24

80

TSM-170-24

24

170

29

TSM-220-24*

. 24

220

30

TSM-220A-21

21

220

28

TSM-210C-12

12

230

TSM-60-12

12

60

TSM-30F-12 (гибкая)

12

30

8,6

TSM-15F-12 (гибкая)

12

15

4,8

TSM-40-12

12

40

TSM-10 12

12

10(токдо0,6А)

3,1 ■

TSM-30 12

12

30 (ток до 1,5 А)’

9,6

TSM-60 12

12

60 (ток до 3,3 А)

17,2

Примечание к табл. 1.5.

* Односторонний кремниевый монокристаплический модуль под стеклом в алюминиевой рамке с клеммной коробкой на обратной стороне корпуса. Применено специальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позво­лило получить примерно на 15% больше мощности с единицы пло­щади модуля.

Ток при напряжении максимальной мощности: 7,7 А; вес: 22 кг.

На рис. 1.-13 представлена готовая солнечная батарея TSM-30-12

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В (на одном элементе).

Элемент размером 100×100 мм может генерировать 1-1,6 Вт. Средний срок службы 20 лет.

Рабочая температура от -40° С до +80° С

Номенклатура мощных солнечных

Рис. 1 13 Солнечная батарея TSM-30-12

На рис. 1.14 представлена гибкая солнечная батарея TSM-15F-12. Характеристики солнечного модуля TCM-15F-12

Кремниевый монокристаллический модуль на гибкой основе. Мощность: 15 Вт ±5%

Номинальное напряжение: 12 В, ток 0,9 А, вес 330 г. Сверхтонкий. Погодостойкий. Сверхоблегченный.

Номенклатура мощных солнечных

Рис. 1.14 Гибкая солнечная батарея TSM-15F-12

Аналогичные гибкие солнечные панели FPS-33W и FPS-54W компании AcmePower из аморфного кремния можно поместить практически в любой туристический багаж. Миниатюрные батареи солнечных элементов (панели) практически при еняются в широ­ком спектре электронных устройств, в том числе и для зарядки опре­деленных моделей сотовых телефонов, пример рассмотрим ниже.

О модулях солнечных батарей

Модули солнечных батарей конструктивно реализуются в виде мо­нолитного ламината спаянных монокристаллических элементов.

Каркасная солнечная батарея выполнена в виде панели, заклю­ченной в каркас из алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной пли­ты с заламинированными на ней элементами.

К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен диодный блок, под крышкой которого размещены электрические контакты, предна­значенные для подключения модуля.

Бескаркасные модули представляют собой ламинат на алюминии, стеклотекстолите, а также — без всякой подложки. Солнечные эле­менты расположены между двумя слоями ламинирующей пленки ЭВА (этил-винил-ацетат). Лицевая сторона защищена оптически прозрачной пленкой типа ПЭТ (полиэтилентерефталат), а тыльная — либо подложкой (стеклотекстолит, алюминий), либо той же плен­кой ПЭТ без дополнительных требований к оптическим характе­ристикам.

Солнечные батареи сохраняют работоспособность:

• в диапазоне температур от -50° С до +75° С;

• атмосферном давлении 84-106,7 кПа;

• относительной влажности до 100%;

• дождя интенсивностью 5мм/мин;

• снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 Па. Солнечная батарея являет собой, прежде всего, законченный фо­тоэлектрический преобразователь, который был рассмотрен выше, его технические характеристики справедливы как для отдельных элементов, так и для солнечных батарей.

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

На рис. 1.8 представлен внешний вид декоративного светильника с 4-мя последовательно включенными элементами RS5415.5, пальчико­вым аккумулятором 1400 мА/ч и устройством контроля зарядки.

Встечаются и другие конструкции, отличающиеся по внешнему виду (например, предназначенные для «втыкания» (вертикального крепления) непосредственно в землю на дачном участке. Предназна­чение у разного вида светильников может быть различным, емкость аккумуляторов и их тип (а также мощность солнечной батареи) от­личается в зависимости от конструкции, но принцип действия у всех один. При ясной погоде с большой солнечной активностью (днем) устройство, с помощью фотоэлементов солнечной батареи преоб­разует солнечную энергию в электрический ток, который заряжает маломощные аккумуляторы. При наступлении темноты естествен­ная солнечная активность снижается, зарядка аккумуляторов пре­кращается.

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

Рис. 1 8 Декоративный светильник с 4-мя последовательно включенными элементами RS5415 5

Внутренняя схема «чувствует» наступление сумерек и разрешает мерцание светового элемента, которым является светодиод оран­жевого свечения. Конструктивно светодиод выполнен в трубке из матовой пластмассы так, что кажется, как будто внутри корпуса фо­наря мерцает свеча. На рис. 1.9 представлена конструкция матовой трубки в корпусе фонаря, в которой «спрятан» светодиод оранже­вого свечения.

Благодаря конструктивным особенностям корпуса, удачным эс­тетическим решениям, а также электронной схеме устройства, уп­равляющей светодиодом хаотичными пачками импульсов, удалось получить эффект мерцания свечи.

Прогресс в области новых световых элементов необратим. Лет 10 назад повсеместно в продаже имелись специальные лампы (рассчи­танные под патрон Е27 и напряжение осветительной сети 220 В), которые производили аналогичный эффект мерцающей свечи бла­годаря инертному (неоновому) газу в колбе лампы. Сегодня такой же эффект можно получить от светодиода.

Стоимость таких фонарей-светильников невелика и колеблется от 3 до 10 Є (Евро). В России и ближнем зарубежье подобные све­тильники продаются в отделах электротоваров, сувениров и гипер­маркетах.

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

Рис. 1 9. Конструкция матовой трубки со светодиодом оранжевого свечения

Рассмотрим электрическую схему устройства и ее основные эле­менты.

Принцип работы устройства

Электрическая схема устройства представлена на рис. 1.10.

Микросхема DA1 является конструктивно «залитой» и на печат­ной плате представляет собой каплю твердой композиции с тре­мя выводами. Функция этой микросхемы — выработка импульсов с хаотичной частотой следования и скважностью. Как только на нее поступает питания с помощью замыкания электрической цепи включателем SB1, на выводе 3 DAI «OUT» присутствуют хаотич­ные импульсы положительной полярностью амплитудой 1,5-1,6 В (при нормально заряженных аккумуляторах). Ограничительный ре­зистор R3 ограничивает ток через светодиод HL1, чем осуществляет энергосберегающую функцию устройства в вечернее время.

Импульсы хаотичного порядка с выхода микросхемы поступают в базу транзистора VT3, на котором реализован усилитель тока.

В свою очередь, на транзисторах VT1, VT2 собран фоточувстви — тельный узел (фотореле), управляющее работой усилителя тока

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

Рис. 1 10. Электрическая схема фонаря с мерцающим светом и автоматической подзарядкой от солнечных батарей

VT2 и светодиода HL1. При ясной погоде или заметной солнечной активности пасмурный день (короче, говоря, в дневное время) сол­нечная батарея на элементах FB1-FB4 является генератором посто­янного тока. Максимальное суммарное напряжение на ее элементах (замеренное у катода диода VD1 и общего провода) не менее 3,4 В. Это напряжение поступает в базу транзистора VT1 (включенного вместе с VT2 по схеме Дарлингтона — с максимальным коэффи­циентом умножения напряжения) через делитель напряжения на резисторах Rl, R4. То есть, пока светло, напряжение на солнечной батарее достаточно для открывания транзистора VT1, и, соответс­твенно, запирания VT2. Через транзистор VT3 ток не течет, свето­диод не мерцает.

Аккумуляторы GB1, GB2 соединенные последовательно, когда SB1 замкнут, заряжаются небольшим током через диод VD1, вторая функция которого — не допустить разряд аккумуляторов в темное время суток через элементы солнечной батареи.

В вечернее (темное) время суток, когда естественного освещения недостаточно для зарядки аккумуляторов, фотореле на транзисто­рах VT1, VT2 разрешает ток через транзистор VT3 светодиод HL1 мерцает, напоминая горение свечи. В этом случае через светодиод течет ток порядка 8 мА.

При погашенном светодиоде устройство практически не потреб­ляет ток. Соответственно, хорошо заряженных аккумуляторов при условии свечения светодиода только в вечернее время и ночью (то есть ‘/г суток) было бы достаточно на трое суток (примерно, 88 ча­сов).

. Однако, в дневное время аккумуляторы заряжаются, поэтому на практике время работы нового фонаря увеличивается намного и за­висит (в основном) от солнечной активности в дневное время, то есть тока заряда аккумуляторов.

Как правило, фонарь устанавливают в комнате на окне, с тем, что­бы он лучше заряжался днем. На практике, устанавливать фонарь в глубину комнаты, а тем более в темные интерьеры нельзя, так как не удастся получить желаемый уровень зарядки аккумуляторов и заяв­ленные в руководстве (инструкции по эксплуатации) возможности «бесконечной работы, так как ресурс светодиода составляет не менее 100 ООО часов» не соответствуют действительности. Конечно, не из — за светодиода, а прорто устройство требует постоянной солнечной энергии для подзарядки, которую в темном углу или помещении будет неоткуда взять, да и аккумуляторы имеют не бесконечный цикл заряд-разряд. К прочим замеченным недостаткам устройства и путях их локализации подойдем ниже.

На рис. 1.11 представлен вид на монтаж солнечных элементов внутри корпуса.

О деталях

Устройство комплектуется Ni-Cd аккумуляторами типа АА с но­минальным напряжением 1,2 В и емкостью 700 мА/ч.

Транзисторы VT1-VT3 можно заменить на отечественные при­боры типа КТ312, КТ343 с любым буквенным индексом и анало­гичные.

Рекомендации по улучшению работы

Для улучшения работы устройства, включающего длительную бесперебойную работу в течении нескольких месяцев подряд (а не нескольких суток, как до доработки) необходимо сделать ряд про­стых изменений в схеме.

• Параллельно диоду VD1 установить еще 2 аналогичных диода

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

Рис. 111. Монтаж солнечных элементов внутри корпуса

увеличения тока заряда аккумуляторов. Главное, чтобы все три диоды были аналогичными.

• Аккумуляторы заменить на Ni-Mh (это продлит срок их по­лезной эксплуатации) в таком же корпусе АА, но с емкостью от 1400 мА/ч.

• Резистор R4 из схемы удалить. При этом фотореле будет срабатывать раньше, уже при минимальной освещенности и включать светодиод позже (в сумерки), что способствует бо­лее длительному заряду аккумуляторов, тем более с большей емкостью, чем штатные.

• Днем эксплуатировать (как уже было отмечено выше) фонарь лучше в максимально освещенных местах (например, на окне), а к ночи, в преддверии романтического ужина можно перено­сить его уже вглубь комнаты, что придаст атмосфере челове­ческого общения романтичность и оригинальность.

На рис. 1.12 представлены портативные светильники на солнеч­ных батареях с встроенным аккумулятором.

Фонарик на элементах солнечной батареи и методы его усовершенствования

Рис 1.12. Портативные светильники на солнечных батареях с встроенным аккумулятором

Спектр применения

Спектр применения в быту и на природе солнечных элементов и миниатюрных солнечных батарей на их основе весьма разнооб­разен.

К примеру, 2-3 пластины солнечных батарей, встроенные в плече­вой ремень цифрового фотоаппарата или камеры, не позволят пол­ностью зарядить АКБ устройства, но их вполне хватит на то, чтобы подпитать аккумулятор и не позволить путешественнику остаться без возможности фотографировать на природе, вдали от цивили­зации, где подзарядить миниатюрный АКБ попросту нечем, кроме естественных солнечных лючей.

Для этого ремень крепится к камере обычным способом. От него отводится небольшой провод, который подсоединяется к фотоап­парату через разъем для внешнего питания DC-out. Такой ремень можно использовать для подзарядки аккумулятора в течение 10-12 часов при условии солнечной активности.

Электронные устройства для дома и

ямншнт

Электронных устройств на основе фотоэлементов очень много. При­чем миниатюрные фотоэлементы, такие, как представлены на рис. 1.3 и 1.4 имеют малую мощность и, соответственно, малую стоимость. Однако, в радиолюбительских разработках уместно применять эти недорогие фотоэлементы и даже составлять из них солнечные бата­реи небольшой мощности. Как один из примеров рассмотрим уст­ройство фонарика с «солнечным» элементом.

«Камень» для дачи с элементом солнечной батареи

На рис. 1.5 представлен внешний вид светильника в виде камня.

На рис. 1.6 представлен вид внутри с печатной платой устройства контроля зарядки.

На рис. 1.7 показан вид внутри корпуса светодиодного светильника, работающих от солнечного элемента с встроенным аккумулятором.

Такой «экзотический» фонарь хорошо использовать на практи­ке для подсветки в ночное время пальмы, стоящей рядом с окном. Получается красиво.

Электронные устройства для дома и

Рис. 1 5. Внешний вид светильника с элементом EL44

Электронные устройства для дома и

Рис 1 6. Вид на печатную плату (с залитой микросхемой) устройства контроля зарядки и бокс для пальчикового аккумулятора типоразмера АА

Электронные устройства для дома и

Рис. 1.7. Вид внутри корпуса светодиодного светильника, работающих от солнечного элемента с встроенным аккумулятором