Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

ИСПОЛЬЗУЕМ СОЛНЕЧНОЕ ТЕПЛО. ДЛЯ НАГРЕВА ВОДЫ

Разновидности солнечных коллекторов

Простейшим способом утилизации солнечной энергии является использование ее для нагрева. Все знают, как нагреваются на солнце раз­личные предметы. И чем темнее поверхность, тем больше нагрев. Именно на этом и основан принцип работы солнечного коллектора — солнеч­ное тепло поглощается темной поверхностью (абсорбером) и передается теплоносителю. Далее полученное тепло либо накапливается:

♦ либо в специальном теплоаккумуляторе;

♦ либо сразу используется для нагрева.

image129Определение.

Солнечный коллектор — установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию.

Принципы солнечного отопления известны на протяжении тыся­челетий. Люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как иско­паемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике. Солнечный коллектор — наиболее известное приспособление, непо­средственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад.

Немного истории. Самый известный из коллекторов — плоский — был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах XIX века.

Совет.

IO

Подпись: IOЧтобы коллектор отдавал основную часть поглощенного тепла теплоносителю, его надо, по возможности, изолировать от окру­жающей среды.

Можно выделить несколько основных типов солнечных коллекто­ров: плоские, вакуумные, концентраторы.

В плоских солнечных коллекторах за плоским абсорбером (чаще всего это металлическая пластина с темным поглощающим покры­тием) находится система трубок, по которым пропускается теплоно­ситель. Чтобы предотвратить потери энергии в окружающую среду обратная сторона и торцы такого коллектора закрываются теплоизо­лирующим материалом.

Фронтальная часть накрывается стеклом. Солнечный свет прак­тически беспрепятственно проходит через стекло, а вот инфракрас­ное излучение от нагретого абсорбера назад не проникает. Тепло как бы запирается внутри коллектора, работает парниковый эффект. Фронтальное стекло также в некоторой степени препятствует охлаж­дению коллектора за счет тепловой конвекции воздуха.

image132Примечание.

Изредка в плоских коллекторах применяют двойное остекление (как в оконных рамах), что еще больше увеличивает КПД (двойное остекление лучше «держит» тепло), но и несколько утяжеляет и удорожает конструкцию.

Самые качественные плоские солнечные коллекторы могут нагре­вать теплоноситель до температуры более 150 °С, но в большинстве конструкций температура не поднимается выше точки кипения воды. Поэтому считается, что плоские коллекторы можно оставлять на дол­гое время без присмотра.

Вакуумные коллекторы обязаны своим названием способу нако­пления тепла. В них теплопоглощающие элементы запаяны в стеклян­ные трубки, в которых создан вакуум. Стекло препятствует выходу инфракрасного излучения от нагретых элементов, а вакуум идеальная среда для теплоизоляции, т. к. в нем охлаждение из-за конвекции про­сто отсутствует.

Вакуумные коллекторы эффективно работают даже в сильные морозы и в пасмурную погоду, а на солнце они способны нагревать

теплоноситель до 300 градусов. Именно из-за этого системы с ваку­умным коллектором обычно гораздо сложнее. Они включают в себя специальные контроллеры и клапаны, обеспечивающие сброс избы­точного тепла при перегреве.

И, наконец, коллекторы-концентраторы представляют собой отдель­ный класс устройств, которые чаще всего используют, когда необходимо получить очень высокую температуру. Простейшим примером кон­центратора может служить обычная линза. Наверное, все мы, будучи детьми, выжигали с ее помощью узоры на лавочках во дворе. Правда, в современных концентраторах линзы практически не используются. Там, в основном, применяют зеркала. Принцип тот же — солнечные лучи сводятся в одну точку параболическим зеркалом. В фокусе концен­тратора температура составляет несколько сотен градусов. Нагретый до такой высокой температуры теплоноситель используется для получе­ния пара, который вырабатывает энергию уже в паровой турбине.

Солнечный зарядник для электровелосипеда своими руками

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 Wp; ток (Amps) 3,5 Imax; напряжение 0,5 Vmax; толщина 190 мкм = 0,19 мм; размер: 3,25 х 6 дюймов (80×150 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.

Примечание.

image274Для свинцовокислого необходим еще контроллер—устройство, не дающее вскипятить в нем электролит и позволяющее постоянно держать солнечную батарею подключенной к нему, ни о чем не бес­покоясь.

Размеры. Панели складываются книжкой, для обеспечения мобиль­ного использования. Габарит 520×560 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 подавец 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, разьемы, 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.

image276Примечание.

Попытка включать нагрузку на соответствующий выход контрол­лера не была успешной, т. к. он ограничивает ток на выходе значе­нием 10 А и периодически отключает ИБП в самый неподходящий момент.

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).

image278Совет.

Меняйте чаще полотна, они тупятся довольно быстро! Опилки собираем на лист бумаги. Растворив их в дихлорэтане, получаем клей для оргстекла.

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.

image280Внимание.

Важно, чтобы они замыкались на плоский провод, в минимальной степени воздействуя на тонкий керамический лист ячейки.

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 30×12 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 50×6 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 advpack’oe). 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 °С 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 °С, 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!!!