работу солнечной батареи из * Ї 0 1 30 1 I о ‘130

1~1 1 1 Т » j I I I I J | I I I > ‘ < М 6 12 18 Врвмя суток, Y

Рис. 20. Работа солнечной батареи из пяти элементов общей площадью 10 см2 при разных условиях освещен­ности. 1 — ясно (август); 2—частичная облачность (сентябрь); 8—сплошная облачность (сен­тябрь).

Мощность, отдаваемая батареей, в значительной сте­пени зависит от метеорологических условий. Графики на рис. 20 характеризуют пяти элементов общей площадью около 10 см2 в условиях различного естественного освеще­ния. Из этого рисунка видно, что зарядный ток, а следовательно, и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижаются. По­ведение той же батареи при длительной работе в естественных услови­ях — иллюстрирует гра­фик на рис. 21, отра­жающий изменение солнечной радиации по временам года.

Падение мощности при ухудшении усло-
вий освещенности происходит главным образом за счет уменьшения отдаваемого батареей тока, так как э. д. с. значительно менее чувствительна к изменению интен­сивности естественной освещенности, нежели ток корот­кого замыкания.

Рис. 21. Изменение величины заряд­ного тока, отдаваемого солнечной ба­тареей, в зависимости от времени года.

Для оценки целесообразности использования солнеч­ных батарей в различных районах Советского Союза необходимо знание количества ясных и пасмурных дней в данном районе. Таблицы с вероятностями ясной, полуясной и пасмурной погоды. имеются в климатиче­ских справочниках. Ориентировочно мож­но считать, что на Се­вере и в средней поло­се Советского Союза вероятность ясной по­годы составляет 15— 20%, полуясной—>10— 20% и пасмурной — 55—75%. На Юге СССР (в Средней Азии) вероятность яс­ной и полуясной по­годы составляет 80%, а .пасмурной — 20%. Путем расчетов установлено, что в течение года в южных районах нашей страны можно получить с каж­дого квадратного метра площади 1160—1 630 квт-ч электроэнергии.

В табл. 2 указана вероятность ясной и. пасмурной погоды для различных городов СССР, приведенная к интервалам с 22-го числа предыдущего месяца до 21-го числа данного месяца (середина ‘Интервала прихо­дится на 7-е число). Вероятность полуясной погоды мо­жет быть получена как дополнение суммы вероятностей ясной и пасмурной погоды до 100%. Пользуясь табли­цей, можно ориентировочно подсчитать мощность, кото­рую будет отдавать солнечная батарея в различных районах СССР. Названия городов в таблице даны в порядке убывания географических широт.

Режим прихода солнечной энергии на Землю в тече­ние года и суток весьма непостоянен. Так, например, для южных районов нашей страны, расположенные

Название пункта	Состояние неба	День/месяц
6/1	5/2	7/3	7/4	7/5	7/6	7/7	7/8	7/9	7/10	7/11	"/12
Вероятность ясного и пасмурного состояния неба, %
Маточкин шар	Ясно	23	21	22	21	16	16	22	16	9	7	10	18
	Пасмурно	64	68	68	68	73	75	65	68	80	82	78	70
Салехард	Ясно	23	23	31	28	19	14	18	16	10	11	17	19
	Пасмурно	63	62	53	57	68	70	63	66	76	77	71	68
Свердловск	Ясно	25	32	37	38	29	26	23	24	24	20	15	19
	Пасмурно	66	59	52	48	50	51	50	53	57	68	77	72
Москва	Ясно	13	16	23	28	29	28	29	28	24	21	12	У
	Пасмурно	80	74	67	57	44	43	41	44	52	62	79	84
Новосибирск	Ясно	28	34	39	39	33	25	27	29	29	21	19	24
	Пасмурно	60	54	49	47	48	51	46	47	54	63	70	66
Иркутск	Ясно	30	39	40	30	19	15	11	15	23	25	18	17
	Пасмурно	53	46	45	52	63	66	69	63	57	58	66	68
Атбасар	Ясно	27	34	42	42	36	32	34	36	36	29	25	26
	Пасмурно	59	50	43	40	34	32	30	32	38	51	59	61

Название пункта	Состояние иеба	День/месяц
6/1	5/2	7/3	7/4	7/5	7/6	7/7	7/8	7/9	7/10	7/11	| 7/12
Вероятность ясного и пасмурного состояния неба, %
Уральск	Ясно	18	28	32	32	29	28	31	36	34	30	20	18
	Пасмурно	66	56	50	44	38	35	32	30	35	46	64	68
Семипалатинск	Ясно	34	43	44	45	42	35	36	40	47	34	29	30
	Пасмурно	53	43	42	39	36	37	38	30	30	48	55	56
Харьков	Ясно	13	20	21	26	34	31	34	46	43	37	17	13
	Пасмурно	81	74	71	62	48	45	43	32	40	52	76	82
Астрахань	Ясно	25	30	38	46	50	53	57	64	65	56	33	.20
	Пасмурно	67	62	51	37	28	22	19	15	17	28	53	73
Казалинск	Ясно	29	38	44	49	54	63	68	75	75	61	39	30
	Пасмурно	59	48	40	31	20	13	10	7	8	20	43	57
Краснодар	Ясно	20	20	24	30	35	38	46	57	57	47	31	20
	Пасмурно	68	68	61	52	41	33	26	18	26	37	54	68
Алма-Ата	Ясно	22	23	28	27	29	25	31	43	54	47	38	22
1	Пасмурно	32	29	24	28	22	15	11	8	4	13	29	38

Название пункта	Состояние неба	День/месяц
6/1	5/2	7/3	7/4	7/5	7/6	7/7	7/8	7/9	7/10	7/11	7/12
Вероятность ясного и пасмурного состояния неба, %
Ташкент	Ясно	17	17	19	20	32	48	67	79	74	53	37	23
	Пасмурно	41	39	38	26	16	10	4	1	2	13	20	43
Красноводск	Ясно	14	16	24	24	31	46	53	58	57	49	26	18
	Пасмурно	35	32	27	24	18	7	6	4	6	9	22	29
Бухара	Ясно	17	22	33	27	36	60	82	89	85	63	42	24
	Пасмурно	43	33	32	21	12	5	1	0	0	7	18	35
Ашхабад	Ясно	21	22	21	20	30	51	64	74	76	59	33	24
*	Пасмурно	44	37	36	29	19	9	4	3	2	8	25	25
Хорог	Ясно	35	28	27	29	30	43	62	72	76	59	46	41
	Пасмурно	23	23	23	18	17	8	7	2	2	8	15	22
Кушка	Ясно	21	19	28	38	42	70	91	96	92	75	50	36
	Пасмурно	38	35	33	23	15	3	0	0	0	5	17	30

2570

между 35 и 45° северной широты, продолжительность солнечного дня колеблется ст 8 (зимой) до 16 ч (ле­том).

но уменьшается. В полдень W — j Sm/м г

Рис. 22. График суточного измене­ния количества солнечной энер­гии W, падающей на плоскость, перпендикулярную солнечным лу­чам. 1 — в ясный день; 2—в пасмурный день.

В начале и конце ясного солнечного дня количество солнечной энергии, падающее на плоскость, располо­женную перпендикулярно направлению на Солнце, не­велико (кривая 1 на рис. 22). Через час. после восхода Солнца оно уже достигает значительной величины. Да­лее, скорость возрастания падающей энергии постепен-

эвергия достигает своего максимального значения (около 900 вт/м2). После полудня количество ‘па­дающей энергии уменьша­ется, и в конце дня она быстро снижается до ну­ля. В полностью ‘пасмур­ные дни может быть ‘ис­пользована только энер­гия диффузионного рас — Часы суток і сеяния (кривая 2 на

рис. ’22).

Для того чтобы на плоскость солнечной ба­тареи падало максималь­ное количество энергии, последняя должна быть все время направлена •перпендикулярно направлению падения солнечных лу­чей, чего можно достичь путем соединения батареи со следящим устройством. Однако следящая система сама будет потреблять некоторую энергию. Кроме того, стои­мость следящей системы относительно высока. Поэтому следящие устройства, очевидно, будут ‘применяться толь­ко совместно с солнечными батареями мощностью не ме­нее 100 вт. В случае отсутствия ориентирующего. устрой­ства необходимо найти оптимально ‘постоянное положе­ние стационарной плоскости.

Стационарные плоскости, на которых следует рас­полагать солнечные батареи, должны быть обращены на юг, но иметь различный угол наклона к вертикали в зависимости от времени года и широты местности. Оптимальные значения угла наклоне стационарной шло —

скости к вертикали для 30—45° северной широты пред­ставлены графиками на рис. 23. Руководствуясь приве­денными трафиками, можно, хотя бы раз в месяц, ме­нять положение рабочей поверхности неориентируемей солнечной батареи, чтобы она находилась в наиболее выгодных условиях освещения солнечными лучами.

Рис. 23. Оптимальный угол наклона стационар­ной плоскости (к вертикали) в различное время года. 1 — 30° сев. широты; 2—35е сев. широты; 3 — 40е сев. широты; 4—45° сев-, широты.

Итак, мощность световой энергии, падающей на на­клонную поверхность, в значительной степени зависит от ориентации поверхности относительно стран света и вертикали *.

Для повышения получаемой от солнечных батарей мощности могут быть — использованы различные системы, усиливающие интенсивность падающего на «их света (отражатели, линзы).

Солнечная батарея с металлическим собирающим зеркалом изображена на рис. 24. Элементы солнечной

1 Для Ташкентской станции, например, найдено, что энергия, получаемая одной и той же поверхностью, в зависимости от спосо­ба ориентации пропорциональна следующим коэффициентам: по­верхность, на которую солнечные лучи все время падают перпен­дикулярно,— 100; поверхность, вращающаяся вокруг мировой оси, — 95; поверхность, зафиксированная в оптимальном положе­нии, — 70; горизонтальная поверхность — 5в.

батареи расположены вдоль линии фокуса параболо­цилиндрического отражателя. Однако чрезмерная кон­центрация светового потока без наличия дополнительной системы охлаждения невыгодна, ибо она приводит к значительному перегреву преобразователей, что вле­чет за собой резкое. падение их к. п. д. Напомним, что

Рис. 24. Солнечная батарея, снабженная металлическим зеркальным отражателем. 1—фотопреобразователи батареи; 2—отражатель; 3—элемент наведения.

солнечные батареи работают эффективно в температур­ном интервале от —65 до +175° С.

Выше отмечалось, что величина оптимального сопро­тивления нагрузки при заданном освещении вполне определенна для данного преобразователя или батареи. Если же нагрузка меняется, а применение буферного аккумулятора или конденсатора по каким-либо причи­нам нежелательно, то в зависимости от предъявляемых требований рабочую точку необходимо выбирать или в области малых токов, или в области малых напряже­ний, т. е. «а участках, где ток или напряжение мало за­висит от изменения нагрузки. Естественно, что к. п. д. батареи при етом снижается.

Неравномерный характер Прихода солнечной энергии йа земную поверхность приводит к необходимости использовать солнечную батарею совместно с буферны­ми аккумуляторам, и, чтобы накапливать излишки энер­гии, получаемые в ясную погоду.

Параметры солнечной батареи для зарядки аккуму­ляторов определяются в зависимости от типа (последних. Число последовательно соединенных фотопреобразова — телеій должно быть таким, чтобы рабочее напряжение, подводимое к аккумуляторам (т. е. с учетом ‘падения напряжения в зарядной цепи), немного превышало их э. д. с., а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуе­мую величину зарядного тока. Обеспечение нужного за­рядного тока обычно достигается или выбором преобра­зователей соответствующей площади, или за счет парал­лельного соединения необходимого числа преобразова­телей.

Расчет параметров солнечной батареи, приемлемой для зарядки аккумуляторной батареи, питающей какое — либо устройство, т. е. солнечной батареи, работающей только в качестве зарядной станции, сводится к сле­дующему.

Возьмем в качестве примера транзисторный прием­ник, потребляющий ток 40 ма при напряжении 9 в. Для питания этого приемника от щелочных аккумуляторов типа НКН, рабочее напряжение одной банки которых равно 1,3 в, потребуется батарея, состоящая из семи банок.

Предположим, что приемник в течение суток бу­дет работать по 5 ч. Тогда за неделю батарея аккумуляторов отдает количество электричества, равное Q = 5 • 40 • 10 3 • 7= 1,4 а-ч

Этот расход должен быть восполнен солнечной бата­реей, параметры которой надлежит определить. При расчете примем, что: 1) в ясную погоду продолжитель­ность солнечного освещения равна 10 ч; 2) плоскость батареи все время перпендикулярна лучам солнца;

3) среднедневная плотность зарядного тока солнечной батареи Ус в ясную погоду составляет 10 ма/см2;

4) в течение недели имеются три ясных дня, когда и производится зарядка батареи.

Напряжение, подводимое при зарядке к каждой бан­ке аккумуляторов типа НКН, должно составлять около 2 в. Поэтому для обепечения зароки батареи потре­бі

буется источник с «напряжением 2×7=14 в. Такое на­пряжение может быть обеспечено солнечной батареей, состоящей из 14:0,4 = 35 последовательно соединенных преобразователей (0,4 в — оптимальное рабочее ‘напря­жение кремниевого преобразователя).

Токовая. площадь батарей, т. е. площадь 5, обуслов­ливающая величину тока солнечной батареи[15], должна быть равна:

о Q 1,4 1,3 ~ | 2

icN4Na Ю-10-[16]-10-3 ‘ СМ~’

где Q — количество электричества, которое необходимо сообщить аккумулятору при зарядке (обычно оно в 1,2 — 1,4 раза превышает количество электричества, которое аккумулятор должен от­дать при разрядке);

ыч — продолжительность ежесуточной зарядки, ч;

— число суток (дней) зарядки.

Теперь легко можно определить все электрические параметры солнечной батареи:

£/хх = 0,5-35= 17,5 е;

1кз = 20-6,1 = 122 ма = 0,122 а;

Лшкс = 0,6-17,5-0,122 = 1,28 вт.

Общая площадь солнечной батареи будет равна:

5о6щ = 6,1-35 = 214 смг 2 дм[17].

Однако если применить простейшие отражатели в виде металлических плоских зеркал, расположенных под оптимальным углом с четырех сторон корпуса ба­тареи, эффективность батареи можно увеличивать в 2 раза и тот же зарядный ток может быть получен при токовой площади, равной примерно 3 см2. При этом общая рабочая площадь батареи сократится до ~ 100 см2.

В случае питания приемника непосредственно от сол­нечной батареи, когда аккумуляторы’ работают в бу — фернюм режиме, параметры: солнечной батареи для при­нятых нами условий останутся ‘неизменными. Это объясняется тем, что при работе в ‘буферном режиме часть ‘энергии солнечны* батарей расходуется на под­зарядку аккумуляторов, а часть—непосредственно на питание приемщика. Но общий баланс электрической энергии в цепи «источник—"Потребитель» (солнечная батарея — приемник) остается неизменным.

При использовании солнечных батарей для зарядки аккумуляторов следует иметь в виду, что при низкой освещенности, когда э. д. с. солнечной ‘батареи падает, возникает опасность разряда аккумуляторов через со­противление батареи. Это нежелательное явление может быть предотвращено путем включения в зарядную цепь диода. Последний должен быть включен в направлении пропускания для зарядного тока и в направлении запи­рания—-для разрядного. Диод следует подбирать низко- омным, чтобы свести к минимуму падение напряжения на нем. По этой причине могут быть использованы лишь плоскостные германиевые ИЛИ кремниевые ДИОДЫ’. Селе­новые выпрямители или точечные диоды для этого не­пригодные