Солнечная батарея состоит из отдельных элементов, соединенных последовательно-параллельно (рис. 1.3, 1.4).

Элементы применяются в портативных устройствах радиоэлект­ронной техники, для миниатюрных светильников (на светодиодах) и зарядных устройств сотовых телефонов.

Прототипом современных солнечных элементов являют фотоум­ножители (ФЭУ).

Фотоумножители

Фотоумножители, обладающие высоким усилением и быстро­действием, получили широкое распространение в дозиметрических приборах, использующих сцинтилляторы — вещества, реагирующие на проникающую в них ионизирующую частицу вспышкой света.

Параметры некоторых фотоумножителей отечественного произ­водства приведены в табл 1.3.

Процесс преобразования световой (photons) энергии в электри­ческую (voltage) называется PV-эффект. Он был открыт в 1954 году, когда ученые обнаружили, что кремний (этот элемент — ос­нова обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спут­ников и небольших электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы.

Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной па­нели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предуп­реждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения. При этом способе солнечная панель всегда подклю­чена к аккумулятору через последовательный диод. Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напря­жения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузоч­ный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.

Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции — то есть от интенсивности солнеч­ного света — и температуры самой батареи. Работа На кривой зави­симости ток/напряжение где-либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности ра­боты и потере доступной энергии. Следовательно, контроль точки максимальной мощности является необходимой функцией в передо­вых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практическую эффективность часто на 30 % и более.

Системы, получающие энергию от возобновляемых источников, таких как солнечные батареи или ветровые генераторы, обычно на­капливают энергию в аккумуляторах, а затем отдают ее в нагрузку. Часто, оба этих процесса происходят независимо. Периодическое вычисление оставшегося заряда аккумулятора гарантирует хорошую и продолжительную его работу, то же относится и к контролю тока, отдаваемого аккумулятором в нагрузку. Текущий заряд батареи вы­числяется исходя из ее ранее вычисленного заряда, плюс получен­ная энергия при заряде или минус энергия, отданная в нагрузку.

Фотоэлектрический преобразователь

ФЭП применяются в условиях хорошей освещенности.

Различают несколько типов солнечных кремневых батарей; самый эффективный тип (ФЭП) изготавливают из монокристаллического кремния. КПД таких (ФЭП) доходит до 24%.

Распространенные ФЭП на основе монокристаллов имеют эф­фективность до 17,5%. Срок эксплуатации практически неограничен, помимо незначительного потемнения технологического полимера, одновременно являющегося герметиком для фотопластин; исходя из этого срок эксплуатации может достигать четверти века.

Времена, когда солнечные панели были очень громоздкими, хруп­кими и нежными, постепенно уходят в прошлое и производители предлагают все более экстремальные варианты этих экологических источников энергии.

ФЭП из поликристаллического кремния имеют максимальный КПД до 15%, срок эксплуатации Приближенный к сроку эксплуа­тации монокристаллического кремния. Себестоимость поликристал­лического кремния незначительно ниже монокристаллического.

Сегодня можно самостоятельно собрать устройство для альтерна­тивного обеспечения солнечной энергией, состоящее непосредс­твенно из солнечной батареи (солнечных элементов, соединенных в батарею), аккумулятора и устройства преобразователя (инверто­ра) тока — с постоянного в переменный; таким образом иметь дома источник альтернативного питания с сетевым напряжением 220 В. На рис. 1.1 представлена блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи.

Согласно представленной иллюстрации полезная мощность (и ее смысл) для потребителя зависит от мощности каждого элемента устройства.

Главным ценообразующим фактором солнечной батареи и ее от­дельных элементов также является полезная мощность (напряжение и выходной ток). К примеру, сегодня стоимость готовой солнечной батареи типа ТСМ-180 (12) с номинальным напряжением 12 В и по­лезной мощностью 180 Вт составит 27…2Э тыс. рублей. Для обеспе­чения работы одного современного электрочайника потребовалось бы около 2 кВт, то есть не менее 11 подобных батарей, поэтому, кроме источников питания на основе солнечных батарей, сегодня активно применяются и другие альтернативные источники, к при­меру, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрический ток — ветрогенераторы — о которых речь пойдет в главе 2.

Солнечные батареи мощностью 1 кВт, сегодня имеет цену поряд­ка 180 тысяч руб.

Для сравнения дизельному электрогенератору для выработки 1 кВт/час электроэнергии потребуется до 0,33 литров дизельного

топлива. При стоимости топлива 18 руб./литр затраты на топливо составят примерно 6 руб./кВт/час. Приобрести такой генератор с размером, сопоставимым с системным блоком ПК, можно за 15 ООО руб. Выводы делайте сами.

Большинство солнечных элементов производятся из дорогосто­ящего кремния. Как следствие, высокая стоимость электроэнергии, производимой солнечными батареями. Однако, возможно все может измениться в будущем. Предполагается, что через 10 лет — энергоре­сурсы, добытые с помощью солнца, будут продаваться по цене на 50 % ниже добываемой при помощи угля, природного газа и ядерного топлива.

В течение года солнечные батареи теряют до 1,5% своей первона­чальной мощности из-за старения кремния. Если прй изготовлении солнечной батареи был допущен брак, то он может обнаружиться через несколько месяцев, или даже лет. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому что они в результа­те могут оказаться очень дорогостоящими (скупой платит дважды и трижды). Тем не менее, мнений и соображений противников и сто­ронников солнечных батарей очень много, и пожалуй, единственное в чем все противоборствующие стороны солидарны, так это в том, что использование солнечной энергии для альтернативных источни­ков питания устройств весьма оправдано и очень перспективно.

Учитывая относительно небольшую выходную мощность, источ­ник на основе лишь одной солнечной батареи нельзя назвать удов­летворительным. Поэтому, те потребители, кто обладает серьезным финансовым ресурсом, соединяют солнечные батареи в модули, до­полняют их устройствами контроля заряда аккумуляторов, мощны­ми преобразователями энергии и в таком виде система может уже обеспечивать бесперебойное энергоснабжение дома (коттеджа), хотя окончательная стоимость соизмерима с несколькими сотнями тысяч рублей.

На рис. 1.2 представлен вид солнечного модуля мощного источ­ника питания для дома.

Полагаю, что за источниками альтернативной энергии, безуслов­но, будущее. Год от года солнечные элементы будут «дешеветь», а их полезная мощность, на радость потребителю, повышаться. Сегодня солнечные батареи массово применяются в качестве зарядных ус­тройств небольшой мощности — для сотовых телефонов и другой бытовой техники.

Главным же минусом применения солнечной батареи обычно на-

зывают зависимость от ее питания — Солнца. Именно поэтому (см. рис. 1.1) в системе альтернативного источника питания предусмот­рена мощная АКБ, которая «отдает» ток в нагрузку в то время, когда солнечная энергия ослабевает, к примеру, ночью.

Немаловажным фактором является и то, что максимальная польза (КПД) солнечной батарей получается тогда, когда солнечные лучи падают на поверхность фотоэлектрических элементов (ФЭЭ) под углом 90°, то есть перпендикулярно. В иных случаях (земля, как известно, постоянно вращается вокруг солнца) при изменении угла падения солнечных лучей и их отражения, эффективность батареи несколько снижается даже в солнечную погоду.

В ясную погоду на 1м2 земной поверхности в среднем падает 1000 Вт световой энергии солнца. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, где солнце светит 320-350 дней в году, а есть такие места, где солнца не бывает вообще. Исходя из этого, необходимо рассчитать эффективность их применения в каж­дом конкретном случае.

В помощь этому в табл. 1.1 приведены сведения о поступлении солнечной радиации для некоторых городов России. Таблица пост­роена по данным спутников NASA.

На широте Москвы в течение ясного солнечного дня поступает около 3 кВт/час солнечной энергии на 1 м2. В табл. 1.2 представлены сведения о суммарной солнечной радиации применительно к широ­там (по ней можно приблизительно высчитать солнечную энергию в других городах).

В реальном мире отождествленная с сущнос­тью форма сияет в качестве света, так же как в идеальном мире сияет сама мысль

Гегель

С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?

Весь электромагнитный спектр солнечного излучения, какую бы энергию ни несли отдельные ее участки, представляет излучение физических тел. Основные источники света — атомы — никогда не испускают его непрерывно. Напротив, их излучение носит преры­вистый, дискретный характер, ибо все атомы генерируют свет толь­ко в виде отдельных квантов электромагнитного поля — фотонов. Однако уже в простом опыте по разложению белого света с помо­щью призмы обнаруживается удивительный красочный порядок, ко­торый наглядно демонстрирует не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер спектра. Примерно такой же по многогранности спектр представляют собой и солнечные лучи, воз­действующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных в батареи.

Современный мир уже невозможно представить без электричес­тва, и аккумулирующих его устройств, в частности — солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям нужно применять новые нетрадиционные методы энергоснабжения, хотя бы для того, чтобы наш жизнь в быту и на природе стала более комфортной.

К слову, цены на солнечные батареи упали (за последние 20 лет) в 30-40 раз… Более того, они продолжают снижаться, что делает их использование весьма перспективным.

От научно-технического прогресса уже не скрыться, его плоды про­никли во все сферы жизни, включая и нетрадиционные источники питания альтернативной энергетики. Энергопотребление мировой экономики непрерывно растет. Рано или поздно мир столкнется с тем, что запасы нефти, газа и угля будут исчерпаны. Чем их за­менить? — вопрос уже далеко не праздный. Поиск ответа на него заставляет исследовать альтернативные, экологически чистые и во­зобновляемые источники энергии. К их числу относят: ветер (вет — рогенераторы), солнце (водонагреватели, коллекторы, солнечные батареи), движение вод (приливные и волновые электростанции, мини — и микроводопадные электростанции), подземное тепло (гео­термальная энергия: тепловые и электрические станции, грунтовые теплообменники), водород и сероводород (использование энергии, выделяемой при их сгорании), биотопливо (топливо, получаемое из биологического сырья) и другие.

К достоинствам нетрадиционных видов энергии — ветровой, сол­нечной, и водной относится то, что это постоянно возобновляемый, практически вечный источник энергии.

В книге, которая перед вами я раскрываю особенности современ­ных преобразователей энергии солнца и ветра, их выбора, строения и установки.

Да, пока еще промышленные образцы генераторов, преобразовы­вающих природную энергию в электрический ток с большой выход­ной мощностью, дороги. Но дороговизна оборудования компенсиру­ется дешевизной получаемой электроэнергии, и наступит момент, когда ветрогенератор и мощный модуль солнечной батареи, окупив себя, будет давать потребителю совершенно бесплатную электро­энергию (если предполагать, что в этом мире вообще существует нечто бесплатное).

Зато ветрогенераторы и солнечные батареи, как экологически чистый источник электрической энергии сокращают выбросы в ат­мосферу; в 50 странах мира приняты и действуют законы по го­сударственной поддержке развития ветроэнергетики; в России, к сожалению, таких законов нет. И это при том, что свыше половины географической территории РФ не имеет доступа к электросетям и обеспечивается электричеством от дизельных генераторов, что очень дорого. Ветрогенератор можно установить практически в любой мес­тности, следуя определенным рекомендациям, описанным в книге.

Кроме промышленной сферы, ветрогенераторы и модули солнеч­ных батарей с успехом можно применить на дачных участках и даже сделать самостоятельно.

Целая глава книги посвящена нетрадиционным радиоэлектрон­ным конструкциям.

Для широкого круга читателей, имеющих стремление к самосто­ятельному техническому творчеству, интересующихся радиотехни­кой, нетрадиционными источниками питания, солнечными батарея­ми и ветрогенераторами в эпоху всеобщей экономии и оптимизации издержек.