Солнечные батареи для дома – экономия или деньги на ветер. Напряжение солнечной батареи
Характеристики солнечных панелей | Автономная энергия
Электротехнические параметры, которые указаны в паспорте солнечной панели – это статистические данные, полученные в результате лабораторных измерений при определенных условиях.
Поэтому не стоит рассчитывать на получение указанных в паспорте параметров и реальных условиях.
Необходимо учитывать, что указанные параметры солнечных панелей были вычислены при стандартных условиях тестирования (STC) солнечных панелей:
- мощность освещения 1000 Вт/кв.м;
- спектр AM 1,5;
- температура 25°С.
Вольтамперная характеристика солнечной панели (ВАХ):
На данном графике показана ВАХ солнечной панели, то есть зависимость тока от напряжения. Давайте рассмотрим основные электрические характеристики, показанные на данном графике:
Uxx – напряжение холостого хода
Iкз — ток короткого замыкания
Up – напряжение максимальной мощности
Ip – ток максимальной мощности
Pm – максимальная мощность (на графике обозначена точкой пересечения пунктирных линий)
И другие не менее важные характеристики, такие как номинальное напряжение и температурный коэффициент.
Напряжение холостого хода (обозначается Uхх или Voc) – это напряжение солнечной панели без подключения нагрузки.
Напряжение холостого хода можно измерить, подключив мультиметр на выводы солнечной панели (плюс к плюсу, минус к минусу), при этом нагрузка должна отсутствовать, то есть солнечная панель должна быть отключена от любых других приборов (контроллера инвертора, аккумулятора и т.д.). Ток, при напряжении холостого хода равен нулю, так как он никуда не течёт.
Напряжение холостого хода указывается в паспорте, а также на шильдике сзади солнечной панели.
Напряжение холостого хода важно для определения максимально возможного напряжения, которое может выдавать солнечная панель или несколько солнечных панелей, соединенных последовательно. Используя коэффициент температурной коррекции напряжения, можно вычислить максимально возможное напряжение солнечного модуля при низкой температуре. Это напряжение не должно быть выше, чем максимально допустимого напряжения контроллера или инвертора.
Ток короткого замыкания (обозначается как Iкз или Isc) – максимальное значение тока в режиме холостого хода, то есть без нагрузки.
В случае замыкания выводов панели между собой или же в случае пробоя проводника на землю возникнет ток такой величины.
Теоретически – это максимальный ток, который выдает солнечная панель при стандартных условиях (STC). Но практически, когда мы подключаем реальную нагрузку к солнечной панели, ток уменьшается.
Напряжение максимальной мощности (обозначается Uмм или Vmp) – это напряжение при работе солнечной панели с максимальной эффективностью, т.е. когда она выдает свою пиковую мощность при стандартных тестовых условиях (STC). При подключении солнечной панели к аккумулятору или нагрузке рабочее напряжение сильно отличается от напряжение максимальной мощности, порой на несколько вольт.
Ток максимально мощности (обозначается Iмм или Imp) – это максимально возможный ток, который может давать солнечная панель под нагрузкой с напряжением максимальной мощности Vmp при стандартных тестовых условиях (STC).
Максимальная мощность (обозначается Pm) – максимальная мощность солнечной панели при стандартных условиях тестирования (STC).
Максимальная мощность равна произведению напряжения максимальной мощности на ток максимальной мощности (Pm= Vmp* Imp).
Следовательно, если Вы приобретаете солнечную панель мощностью 100Вт, это означает, что она сможет выдавать 100 Вт только при освещенности 1000Вт/кв.м при температуре 25 градусов С и напряжении нагрузки в цепи равном напряжению максимальной мощности.
Например, возьмем светодиодную лампочку, мощностью 60Вт 12В и подключим её к солнечной панели FSM-100M мощностью 100 Вт и Iкз=5,82 Ампер, тогда напряжение всей цепи увеличивается до напряжения нагрузки (12 В) и ток по закону Ома уменьшается и будет равен 5А (мощность подключаемой нагрузки 100Вт разделить на напряжение в цепи 12В).
А если мы возьмем лампу 100Вт 12В и так же подключим к данной солнечной панели? Давайте посчитаем необходимый ток для этой лампочки: 100Вт/12В=8,33 А. Но данная панель не способна выдать такой ток для питания данной лампочки. При 12 В и стандартных условиях тестирования, мощность данной солнечной панели будет примерно 72 Вт (исходя из вольтамперной характеристики солнечной панели), а это означает, что при 12 В она сможет дать ток равный 6 А. А нам нужно 8,33 А. Лампочка в этом случае не загорится.
Для того, чтобы повысить эффективность солнечных модулей используют специальный MPPT-контроллеры.
Эти контроллеры, во-первых, в реальном времени отслеживают точку максимальной мощности при реальных условиях работы солнечной панели, когда освещенность НЕ 1000Вт/кв.м и температура отличается от 25 градусов по Цельсию. И из этих данных высчитывают напряжение и ток максимальной мощности солнечной. А во-вторых, они преобразуют напряжение максимальной мощности в напряжение в цепи под нагрузкой с пропорциональным увеличением тока.
Номинальное напряжение – этот параметр используется только в случае, когда солнечная панель используются для заряда аккумуляторов.
Так как напряжение на аккумуляторах – это не постоянная величина и меняется со степенью заряда аккумулятора, то было принято брать усредненное и округленное значение напряжения на аккумуляторе для простоты расчёта. По номинальному напряжению можно легко подобрать солнечные панели к аккумуляторам.
Например, для аккумуляторов с номинальным напряжением необходима солнечная панель с номинальным напряжением 12В.
Но это не значит, что реальное напряжение на аккумуляторе будет 12 В, оно может быть от 10 В до 14,4 В, в зависимости от типа аккумулятора и его степени заряда (10 В — он полностью разряжен, 14,4 В- он полностью заряжен.). Следовательно, и реальное напряжение на солнечной панели не будет равно 12 В, по аналогии с лампочкой: при прямом соединении солнечной панели к аккумуляторам, напряжение солнечной панели будет равно напряжению на аккумуляторе в данный момент времени. По мере заряда аккумулятора, её напряжение будет увеличиваться.
Для того, чтобы полностью зарядить аккумулятор с номинальным напряжением 12В необходимо довести его до 14,5 В (или даже до 15 В, если заряд происходит при низкой температуре). Для этого необходимо зарядное устройство, выдающее напряжение до 15 В. Или любой другой источник напряжения, в нашем случае это солнечная панель. Для зарядки аккумулятора солнечная панель должна выдавать реальное напряжение не ниже 15 В.
У солнечных панелей с номинальным напряжением 12 В конструктивно предусмотрено, что их напряжение максимальной мощности будет равно примерно 17 В и выше. Это необходимо для того, чтобы скомпенсировать потери при повышенной температуре или недостаточном освещении, а также потери на проводах. Так как реальные условия эксплуатации далеки от стандартных тестовых условий (STC).
С появлением MPPT контроллеров для заряда 12 вольтовых уже необязательно иметь солнечную панель с тем же номинальным напряжением 12 В. Ведь MPPT контроллер преобразует напряжение солнечной панели с пропорциональным увеличением тока.
Это позволило производителям солнечных панелей больше ориентироваться на мощность панелей и их размер, а не на напряжение. Так появились солнечные панели с напряжением, совершенно не связанным с напряжением на аккумуляторах. Теперь напряжение солнечных панелей определяется количеством солнечных элементов, соединенных последовательно. Каждый солнечный элемент имеет напряжение примерно 0,5 В. Так можно сказать, что солнечная панель, имеющая 36 последовательно соединенных солнечных элементов, имеет номинальное напряжение 12 В
Температурный коэффициент – это коэффициент на который следует умножать основные электрические характеристики солнечной панели при изменении тестовой температуры данной солнечной панели.
Например, если температурный коэффициент TK(Pm)=-0,45%/°С, то это означает, что при повышении температуры на каждый градус, максимальная мощность будет уменьшаться на 0,45%. То есть, если при 25°С, мощность солнечной панели 100Вт, то при 30°С её мощность значительно снизиться и будет равна примерно 97,75 Вт.
autonomy-energy.ru
Как правильно использовать солнечную батарею
Обеспечение электропитания в походе, задача комплексная и те, кто думает, что купив только солнечную батарею он решит все свои задачи, скорее всего, ошибётся. В данной статье обсуждается как максимально эффективно использовать солнечную батарею и обеспечить свои гаджеты "правильным" питанием.
Покупая солнечную батарею для питания и зарядки различных устройств в походных условиях, многие считают, что решили все свои проблемы в данной области. Но, как показывает практика, не тут то было - то зарядка не идёт, то мощности не хватает, то ещё какая неожиданность проявится.
Как же "правильно" использовать солнечную батарею, чтобы получить от неё максимум, того, что она может дать? Об этом и поговорим ниже.
Перво-наперво нужно понять, что энергия, получаемая от солнечной батареи - это пока ещё некий полуфабрикат, во многих случаях непригодный для питания многих устройств. Лишь самые "некапризные" из них могут её "переварить", в основном это аккумуляторы, да и то, не всех типов.
Плохое качество энергии заключается, во-первых, в нестабильности выходного тока и напряжения, и, во-вторых, в малом количестве этой энергии, явно меньше тех циферок, что присутствуют в описании солнечных батарей.
Для грамотного использования солнечной батареей необходимо придерживаться двух основных правил:
Солнечная батарея должна как можно больше времени находиться на солнце и работать, работать, работать… отдавать всё, что она может.
Должно быть устройство, которое накапливает всю энергию, что выдает солнечная батарея.
Чаще всего, это либо аккумулятор, либо более сложный накопитель.
Использование этих двух простых принципов позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз, и при этом обеспечить гарантированную зарядку своих устройств, даже когда солнца нет.
Теперь подробнее.
Шаг первый. Солнечная батарея.
Для примера, возьмём гибкие солнечные батареи 6 Вт и 8 Вт от компании SanCharger. Их мощности вполне достаточно, чтобы обеспечить потребности туриста с набором из КПК, GPS, фотоаппарата, рации (в среднем, конечно, но большинству такой мощности вполне хватает).Их вид и характеристики показаны ниже.
Солнечная батарея 6 Вт.
Выходное напряжение (рабочее / без нагрузки) - около 6 В / 8В
Выходной ток (рабочий / короткого замыкания) - около 1А / до 1.3А
Габариты в сложенном состоянии - 200х195х9 мм
Габариты в раскрытом состоянии - 595х195х6 мм
Вес 400 г
Солнечная батарея 8 Вт.
Выходное напряжение (рабочее / без нагрузки) - около 12.5 В / 16В
Выходной ток (рабочий / короткого замыкания) - около 0.66А / до 0.85А
Габариты в сложенном состоянии - 210х350х8 мм
Габариты в раскрытом состоянии - 420х350х6 мм
Вес 460 г
Материал фотоэлементов - аморфный кремний.
Обе имеют встроенный последовательный диод для предупреждения разряда заряжаемых аккумуляторов.
Что же мы можем подключить напрямую к этим батареям?
Аккумуляторы.
а) Проще всего зарядить от этих солнечных батарей обычные "пальчики", т.е. Ni-Mh или NiCd аккумуляторы.
Ni-Mh аккумуляторы.
От шестиваттной солнечной батареи можно заряжать от 1 шт до 4-х последовательно соединённых аккумуляторов, а от восьмиваттной - 1…8 шт.
Какие "подводные камни" стоит учесть при такой прямой зарядке? В первую очередь, перегрев аккумуляторов в конце зарядки. В большей степени это касается шестиваттной солнечной батареи, т.к. у неё в полтора раза больший выходной ток.
Возможность зарядки NiCd-NiMh аккумуляторов напрямую от солнечной батареи обусловлена тем, что этот тип аккумуляторов допускает пропускание через себя тока даже в полностью заряженном состоянии. Этот ток составляет примерно 1/10 от их ёмкости, т.е. через аккумулятор ёмкостью, например, 2400 мАч можно и после зарядки "прокачивать" ток до 240 мА.
В большинстве случаев, ток, снимаемый с солнечной батареи, много ниже паспортного (который, примерно, соответствует жаркому летнему дню на берегу южного моря), тут и не всегда ясное небо, и неточная ориентация батареи на солнце, да и само солнце может быть не в зените. В результате, ток с солнечной батареи оказывается, зачастую, не слишком превышающим безопасные для аккумуляторов величины, что и позволяет нам заряжать "пальчики" напрямую, без специального зарядника. И необходимость следить за перегревом возникает лишь при ярком солнце.
б) Свинцовые герметичные (гелевые) аккумуляторы на 6 В и 12В также можно заряжать от этих солнечных батарей. Правда, уже не от какой попало, а только от имеющей нужное напряжение, т.е. 6 В аккумулятор только от шестивольтовой шестиваттки, а аккумулятор на 12 В от двенадцативольтовой восьмиваттки.
Свинцовый герметичный аккумулятор.
Эти аккумуляторы после окончания заряда при пропускании через них тока начинают разлагать электролит и постепенно высыхают, поэтому нужен более строгий контроль за их состоянием. Т.е., как минимум, периодически нужно подбегать с тестером и проверять уровень заряда.
в) Литиевые же аккумуляторы заряжать напрямую от солнечной батареи без контроля просто нельзя, т.к. они не допускают перезаряда и просто выходят из строя. При крайней необходимости можно либо заряжать малыми порциями, чтобы заведомо не перезарядить, либо брать с собой в поход мультиметр и при зарядке постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе, чтобы оно не превысило 4.2 В / на банку.
Что же можно подключить из электроники к этим солнечным батареям?
Чтобы гарантированно и безопасно заряжалось - практически ничего. Каждый раз нужно проверять эту возможность методом "тыка".
Некоторые рации заряжаются от источника 12 В.
Сотовый телефон, особенно простые модели, можно заряжать от солнечной батареи 6 Вт, от 8 Вт уже нельзя, т.к. у неё на выходе 12 В, которые просто спалят телефон. Но и при зарядке телефона следует учесть, что на ярком солнце батарея даёт слишком большой ток, а сам телефон его ограничивать, в большинстве моделей, не умеет. Большой ток вызывает как преждевременное старение аккумуляторов, так и просто их вспучивание, что уже совсем плохо. Поэтому на ярком солнце при прямой зарядке, следует ставить солнечную батарею под углом к солнцу, чтобы ограничить ток.
КПК и коммуникаторы. 95 % моделей (а может и больше) зарядить напрямую от 6-ти ваттной батареи не получится, а к 8-ми ваттной, как и сотовые, даже подключать нельзя. Невозможность зарядки вызвана, в основном, двумя причинами. Во-первых, недостаточностью тока из солнечной батареи (в основном это касается прожорливых КПК), что приводит падению напряжения на выходе батареи ниже допустимого и схема зарядки КПК прекращает работу, считая, что что-то случилось с источником питания. Во-вторых, даже если тока достаточно, то напряжение с солнечной батареи нестабильно, а многие устройства имеют весьма узкие границы допустимого входного напряжения, например, от 4.8 В до 5.5В. И как только мы выходим за эти пределы зарядка прекращается. Т.е. физически зарядка идти могла бы, но, увы, запрещена разработчиком гаджета.
Шаг второй. Улучшаем солнечную батарею.
Понятно, что такие проблемы реальной зарядки более-менее сложных устройств никого не устраивали. Поэтому самым простым способом исправления ситуации было использование электронных стабилизаторов напряжения на выходе солнечной батареи.
Стабилизатор не позволяет напряжению подняться выше заданного и поэтому исчезает риск спалить своё устройство высоким напряжением.
Первые стабилизаторы были линейными, т.к. просто отсекали лишнее напряжение, не позволяя ему пройти к потребителю. Затем разработчики быстренько сообразили, что грех переводить в тепло и так небольшое количество энергии от солнечной батареи, и начали делать стабилизаторы импульсного типа. Такой стабилизатор просто преобразует напряжение и ток одного уровня в другой с минимальными потерями (КПД около 80…90%), т.е. он может взять 12 В 0.5 А от источника и выдать 6 В, но уже 1 А потребителю (в идеале, без учёта КПД).
Импульсный стабилизатор напряжения.
Характеристики:
Входное напряжение от 5В до 20В.
Выходное стабилизированное напряжение - от 4 В до 15 В.
Выходной ток имеет два порога ограничения - 0.5 А и 1.5 А
Размеры 62х25х15 мм
Вес 32 г
Используя подобный стабилизатор, мы можем уже не заботиться о том, какое напряжение будет на выходе солнечной батареи, лишь бы оно было не меньше, чем нужно гаджету.
Кстати, автомобильные адаптеры в прикуриватель, представляют собой такой же импульсный стабилизатор, но с фиксированным выходным напряжением, рассчитанным на конкретное устройство. К сожалению, большинство из них начинает работать лишь от напряжение около 8В, что не позволяет спользовать солнечную батарею на 6 Вт, только 8-ми ваттку.
Т.о. использование стабилизатора позволяет использовать для зарядки КПК, сотовых, плееров или других "капризных" к питанию устройств как солнечную батарею на 6 Вт, так и на 8 Вт.
Шаг третий. "Сытые" гаджеты.
Ну что же, часть задачи по "кормлению" гаджетов мы решили - процесс стал безопасным, и питать их стало возможным от любой солнечной батареи. Но что делать, когда солнце вроде бы и есть, но недостаточно для нормальной зарядки? Т.е. физически мы могли бы зарядить наш КПК пусть и за более долгое время, но, по факту, электроника КПК запрещает нам это делать, т.к. мы не можем обеспечить достаточный, по её "разумению", ток.
Да, конечно, можно купить ещё более мощную батарею, но выход ли это? Дороже, тяжелее таскать, особенно, если на себе, да, и всегда наступит такой момент, когда слабый свет не позволит даже мощной батарее "прокормить" потребителя.
Другим недостатком использования только солнечной батареи со стабилизатором для питания гаджетов, является тот, что в те моменты, когда гаджет частично заряжен, он уже не берёт весь ток от солнечной батареи и этот ток просто теряется.
Более разумный выход заключается в использовании буферного аккумулятора или накопителя. Накопителем будем называть аккумулятор объединённый с электроникой, которая бы следила за его правильным зарядом/разрядом, стабилизировала выходное напряжение, а также выполняла другие функции, облегчающие жизнь пользователю.
Такой накопитель поглощает практически весь ток, который может выработать солнечная батарея.
По аналогии, накопитель - это большое ведро в которое льётся струйка энергии из солнечной батареи. Причём мощность струи может колебаться в десятки раз, неважно - любой поток сгодится для наполнения ведра - всё, что может дать солнечная батарея, всё складируется в аккумуляторы накопителя.
Когда же нужно накормить какой-нибудь гаджет, то он просто подключается к накопителю и черпает из него столько энергии и с такой скоростью, какой ему удобно, и "наевшись" отваливается, а не ждёт, когда же солнечная батарея соизволит нацедить ему нужную порцию.
Графически, различия в зарядке с накопителем и без представлены на рисунке ниже. На графике показан максимальный выходной ток солнечной батареи в течение некоторого времени и периоды, когда может заряжаться гаджет и накопитель.
Область закрашенная красным показывает те моменты времени, когда солнечная батарея вырабатывает достаточно тока, чтобы началась зарядка реального КПК непосредственно от солнечной батареи.
Сумма зелёной и красной областей, соответственно, время, когда происходит зарядка накопителя.
При построении графика, я пытался более-менее соблюдать масштабы реальных токов и их отношений. Так, например, некоторые КПК уже плохо заряжаются при токах ниже 1.2А, особенно, при разряженном аккумуляторе. Здесь, для примера, использован даже меньший ток - 0.5 А. Накопитель же, например, "Вампирчик-Литий", начинает заряжать свои аккумуляторы током от 10 мА, но на графике указно с запасом - 50 мА.
Т.е. мы можем видеть из рисунка, что при использовании солнечной батареи для непосредственной зарядки многих устройств, вся зелёная область просто отбрасывается, т.к. гаджет не может, зачастую, брать слишком маленький ток. Накопитель же съедает почти всё, и "зрелое красное", и "недоросшее зелёное".
Таким образом, получается, что даже, несмотря на то, что при накоплении энергии в промежуточном аккумуляторе и дополнительных преобразований теряется от четверти до половины энергии, полученной от солнечной батареи, мы всё равно оказываемся в выигрыше, причём многократном, по сравнению с непосредственной зарядкой гаджетов от солнечной батареи.
Кроме того, одним из плюсов использования буферного накопителя, является возможность зарядки в удобное нам время, а не только когда есть солнце. Часто гораздо проще и безопаснее зарядить своё устройство вечером в палатке, чем днём на ходу. Тем более, что многие дорогие гаджеты просто так, без присмотра, на долгое время на улице не оставишь.
Раз уж упомянули накопитель "Вампирчик", приведу здесь его внешний вид и основные параметры.
Накопитель на литиевых аккумуляторах "Вампирчик".
Входное напряжение - от 5 В до 15(20) В.
Выходное стабилизированное напряжение - от 3.5 В...15 В
Выходной ток - до 0.5А или до 1.5А при 5В (выбирается пользователем)
Внутренний Li-Ion аккумулятор - 3.78 В, 2200 мАч 2 шт.
Размеры 135х70х24 мм
Вес 200 г
Реально, энергии накопленной в "Вампирчике" хватает примерно на 5 зарядок телефона, или на пару-тройку зарядок КПК.
Конечно же, существуют и другие накопители, например, достаточно много их представлено на сайте AcmePower. Но, если "Вампирчик" разрабатывался специально для туристов и позволяет питаться от любой солнечной батареи (5…20 В), то возможность зарядки продукции AcmePower от солнечных батарей нужно выяснять при покупке конкретных моделей. Часть информации, можно найти на сайте производителя гибких солнечных батарей компании SanCharger, где указаны конкретные модели совместимых накопителей и солнечных батарей.
И напоследок, просто приведу два комплекта для обеспечения электропитания в походе, которые мне кажутся наиболее рациональными.
Первый набор оптимизирован по максимальной экономичности использования энергии солнечной батареи:
- Солнечная батарея 8 Вт;
- Накопительный аккумулятор;
- Импульсный стабилизатор напряжения.
Стабилизатор подключается к контактам аккумулятора и питает нагрузку. Естественно, зарядка и питание потребителей могут выполняться одновременно.
В качестве аккумулятора можно использовать либо свинцовый гелевый на 12В, либо пачку пальчиков АА, в количестве 10 шт. Почему 10-ти, а не 8-ми? В основном, для безопасности. Десять последовательно включенных аккумуляторов имеют напряжение в конце зарядки около 14.5 В, а при таком напряжении 12-ти вольтная солнечная батарея уже не может "протолкнуть" в них большой ток и он резко снижается до безопасного по мере заряда, что позволяет также выполнять дополнительную балансировку аккумуляторов. Т.о., процесс заряда самостоятельно и безопасно прекращается, без необходимости в каких-либо внешних зарядниках.
Недостатком использования такой пачки аккумуляторов является то, что из-за разницы в реальных ёмкостях, аккумуляторы с меньшей ёмкостью будут "изнашиваться" быстрее остальных, особенно, при глубоких разрядах. Поэтому желательно периодически проверять их состояние, измеряя напряжение на каждом аккумуляторе.
Вторым недостатком, впрочем, весьма относительным, такого набора можно считать желательность использования солнечной батареи именно на 12В. Но эти батареи имеют примерно вдвое большие размеры в сложенном виде, чем 6-ти Ваттные.
Основных же достоинств у такого набора три.
- Меньшая стоимость электроники по сравнению со вторым вариантом, хотя, с учётом стоимости аккумуляторов, разница уже не будет слишком велика.
- Важнее, большой отдаваемый ток на относительно высоких напряжениях. Причём ток можно легко увеличить, используя большее количество стабилизаторов.
- Буферный аккумулятор имеет стандартное автомобильное напряжение (9…14 В), поэтому к нему можно без труда подключать любые адаптеры для устройств, работающие от прикуривателя. (Лишь бы они не потребляли ток, больший, чем может отдать аккумулятор)
Кстати, попытка запитать различные зарядники для аккумуляторов (работающие от прикуривателя), например, для NiCd-NiMh пальчиков или литиевых, только от солнечной батареи без буферного аккумулятора, обычно заканчивается неудачей. К сожалению, большинство таких ЗУ потребляют ток импульсами, и, получается, что, хотя средний потребляемый ток вроде бы и небольшой, но во время импульса солнечная батарея с ним не справляется и ЗУ отключается. А буферный аккумулятор сглаживает эти броски тока и зарядка идёт нормально.
Второй набор рассчитан на пользователя с минимальной подготовкой и не желающего работать руками.
- Солнечная батарея 6 Вт или 8 Вт;
- Накопитель "Вампирчик".
Минусы:
- Недостаточная для некоторых устройств выходная мощность на "высоких" напряжениях. "Вампирчик" заряжает практически всех потребителей использующих 5 В - это все КПК, сотовые и т.д. Но для видеокамер его выходного тока уже может не хватить.
- Большие потери, примерно процентов на двадцать, по сравнению с первой схемой, т.к. присутствуют дополнительные преобразования.
- Использование автоадаптеров на его выходе возможно, но не слишком логично, т.к. получается слишком много преобразований и, следовательно, потерь.
- Простота и компактность, минимум проводов.
- Не нужно контролировать аккумуляторы.
Как видно из обзора, использование "голой" солнечной батареи заставляет завышать её мощность и при этом зарядка гаджетов в реальных условиях эксплуатации всё равно не гарантируется.
Использование электроники не просто желательно, а, во многих случаях, обязательное условие безопасной зарядки сложных потребителей. Да и вообще, самой возможности такой зарядки.
Буферный аккумулятор (накопитель) позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз. А также обеспечивает дополнительные удобства в эксплуатации.
Автор: Носов Николай
shop.ecoteco.ru
Вольт-амперная характеристика солнечной батареи
Солнечные электростанции, в основу работы которых положен принцип прямого преобразования энергии солнечного излучения в электричество, заняли прочные позиции в общей системе энергообеспечения Земли. С каждым годом мощности этих энергоустановок растет.
Если в 2004 году доля электричества, производимого всеми гелиевыми электростанциями, составляли 0.01% от общего производства электричества на Земле, то через десять лет, в 2014, эта доля уже составляла 0.79%.
Для сооружения таких электростанций требуется огромное количество кремния – основного полупроводникового материала, который вырабатывает электрический ток при облучении его солнечным светом. С точки зрения эффективности наиболее подходящим для этой цели является чистый монокристаллический кремний.
При сборке каждого модуля – независимо от того, предназначен ли этот модуль для установки в мощной промышленной электростанции или в маленькой домашней – большое внимание уделяется качеству каждой ячейки. Размеры ячеек в различных модулях могут быть различными, но в одном модуле все ячейки должны быть строго одного типоразмера. Дело в том, что мощность модуля находится в прямой зависимости от качества каждой ячейки и ее характеристик.
Важнейшим параметром является вольт-амперная характеристика солнечной батареи. В сущности, речь идет о параметрах каждой отдельно взятой ячейки, входящей в состав батареи. Ведь мощность модуля в целом – это суммарная мощность ячеек, из которых он состоит.
В общем случае вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электрическую цепь от напряжения, приложенного к этой цепи. В случае солнечной батареи эта характеристика рассматривается при наличии дополнительных условий, которые в мировой практике были стандартизированы и применяются сейчас при проектировании всех подобных систем во всем мире. Согласно этим стандартам ВАХ солнечных элементов определяется при мощности излучения солнца равной 1000 ватт на один квадратный метр. При этом температура элементов должна быть равна +25°С, а измерения должны производиться на широте 45°.
Вольт-амперная характеристика солнечной ячейки
На графике обозначены важнейшие точки вольт-амперной характеристики полупроводникового фотопреобразователя – Uxx и Iкз.
Для определения рабочих параметров ячеек на этом же графике показана кривая, характеризующая мощность исследуемого фотоэлектрического элемента. Этот график является функцией мощности ячейки в зависимости от нагрузки. Из графика следует, что номинальная мощность того или иного элемента определена как максимально возможная мощность при стандартных исходных параметрах. Напряжение, при котором достигается максимальная мощность, является рабочим напряжением и обозначается Up. Соответственно ток, соответствующий максимальной мощности, является рабочим и обозначается Ip.
Понятно, что при нулевых значениях тока или напряжения система не работает, мощность равна нулю. Система в работе, когда ток и напряжение достигают величин, сопоставимых с их рабочими значениями. При этом, как правило, модуль набирается из большего количества ячеек, чем это необходимо для получения рабочего напряжения.
Например, для получения значения рабочего напряжения 12 вольт набирается такое количество элементов, чтобы на выходе модуля получить напряжение в 16 – 17 вольт. Это делается для того, чтобы скомпенсировать падение рабочего напряжения из-за нагрева элемента под воздействием солнечных лучей.
Дело в том, что у кремниевых полупроводников напряжение холостого хода уменьшается на 0.4% при увеличении температуры ячейки на 1°С. В то же время значение тока короткого замыкания увеличивается на 0.07% при увеличении температуры на 1°С.
Если освещенность ячейки меняется, то прямо пропорционально степени освещенности изменяется и значение тока короткого замыкания. В то же время изменение освещенности практически не сказывается на величине напряжения холостого хода. Эффективность солнечной ячейки вычисляется как отношение значения максимальной мощности ее к значению общей мощности излучения солнца, определенной по международным стандартам (STC).
Зависимость мощности и напряжения солнечной батареи от температуры
Чтобы получить необходимые рабочее напряжение и требуемую мощность, фотоэлектрические элементы соединяются в электрические цепи. Эти цепи могут быть последовательными или параллельными. При соединении нескольких ячеек в единую электрическую цепь и получают солнечную батарею. При этом выходная мощность батареи всегда оказывается меньше значения арифметической суммы мощностей ячеек, из которых составлена сама батарея. Это обуславливается потерями, возникающими из-за рассогласования характеристик однотипных ячеек.
Как было сказано выше, для каждой солнечной батареи подбираются ячейки с максимально приближенными характеристиками. Как физическими (типоразмеры), так и электрическими (вольт-амперные характеристики). Чем более строго производятся контроль и подбор элементов для каждого солнечного модуля, то есть чем меньше разброс характеристик, тем выше электрические показатели всего модуля, тем выше его мощность.
Проведенные исследования показали, что если последовательно соединить десять элементов, имеющих разброс характеристик до 10%, то потери мощности составят около 6%. Если ужесточить отбор и снизить разброс характеристик до 5%, то потери мощности уменьшатся до 2%.
В процессе эксплуатации солнечной батареи может возникнуть ситуация, когда один или несколько элементов будут затенены. В этом случае при последовательном соединении затененные ячейки будут рассеивать мощность, которую производят ячейки, получающие световое излучение в полном объеме. При этом затененные элементы будут быстро нагреваться и в конечном итоге выйдут из строя. Это, естественно, увеличивает нагрузку на исправные цепи, что приводит к неисправности всей солнечной батареи. Чтобы это не происходило, параллельно каждой ячейке (или группе последовательно соединенных ячеек) подключается байпасный диод.
И, наконец, еще одна точка на графике. Это точка МРР – точка максимальной мощности. Мощность всех солнечных модулей определяется всегда именно по этой точке. И контроллеры МРРТ заряда аккумуляторов работают в режиме отслеживания точки МРР при всех режимах зарядки аккумуляторов, а не на последнем, что повышает их эффективность.
В этой точке напряжение выше номинального, поэтому заряд аккумуляторов происходит быстрее, чем при использовании контроллеров других типов (например, работающих на принципе широтно-импульсной модуляции). Тем самым при использовании контроллера МРРТ количество электроэнергии, полученной от одного гелиевого модуля на 10% - 30% больше, чем при использовании контроллера ШИМ (при равном количестве солнечного излучения).
В современных технологических линиях по производству ячеек для солнечных батарей на всех этапах изготовления установлены тонко юстированные приборы, следящие за качеством изделий. Точно такому же строжайшему контролю подвергаются и все электрические характеристики изготовленных элементов. Только при таких условиях собранный гелиевый модуль в состоянии вырабатывать именно ту мощность, которая была рассчитана при его разработке.
solarb.ru
Солнечные батареи | Мои увлекательные и опасные эксперименты
Наряду с энергией ветра можно попытаться использовать и энергию Солнца.
Генерацию электричества под воздействием солнечного света (фотовольтаический (фотоэлектрический) эффект, англ. photovoltaic effect) впервые наблюдал в 1839 году Александр Эдмон Беккерель (фр. Alexandre-Edmond Becquerel):
Параметры солнечной батареи
Одна фотовольтаическая ячейка (англ. solar cell) вырабатывает в режиме холостого хода (англ. open-circuit voltage (OCV)) напряжение 0,55 В. Солнечная батарея составлена из таких последовательно и параллельно включенных ячеек.
внешняя характеристика (англ. I/V curve) солнечной панели
$V_{oc}$ - напряжение холостого хода (англ. open circuit voltage)$I_{sc}$ - ток короткого замыкания (англ. short circuit current)
Точке максимальной мощности соответствует напряжение на одной ячейке около 0,45 В ($V_{mp}$) при токе ($I_{mp}$) около 90 % от тока короткого замыкания.
Исследование моих солнечных батарей
Я приобрел на торговой площадке ebay три солнечные батареи:
Батарея 1
Номинальные параметры: напряжение 5 В, мощность 1 Вт.
напряжение холостого ходаНагруженная на резистор сопротивлением 100 Ом в солнечный сентябрьский день моя батарея выдает напряжение около 3,5 вольт при горизонтальном расположении батареи и 5 вольт при расположении панели перпендикулярно солнечным лучам. В пасмурный день напряжение составило около 0,3 вольта.
ток короткого замыканияВ начале апреля горизонтально расположенная батарея в течение солнечного дня с небольшой облачностью (5-6 часов) обеспечивает ток короткого замыкания 40 ... 60 мА:
Зарядка аккумулятора от солнечной батареиДля проверки возможности заряда аккумуляторов от солнечной батареи я подключил эту батарею через германиевый диод Д310 к полностью разряженному (напряжение холостого хода 1,1 вольта) никель-кадмиевому аккумулятору GP емкостью 1000 мАч и разместил на горизонтальной достаточно открытой поверхности:
После окончания заряда в течение двух солнечных июньских дней напряжение холостого хода составило 1,380 В. При подключении нагрузки в виде резистора сопротивлением 6,8 Ом напряжение составило 1,327 В и снизилось до уровня 1,1 В через 180 минут, а до уровня 0,9 В - через 195 минут непрерывного разряда (эффективная емкость аккумулятора составила при этом ~ 500 мА·ч).Таким образом, эксперимент по зарядке никель-кадмиевого аккумулятора можно признать успешным.
Зарядка ионистора от солнечной батареиТакже можно использовать солнечную батарею для заряда ионистора.Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ток утечки ионистора достаточно велик и обычно составляет 1 мкА на 1 Ф емкости. Также у ионистора заметно проявление эффекта диэлектрической абсорбции.Я располагаю двумя ионисторами -
- ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В
- ионистор емкостью 100 Ф на напряжение 2,7 В (приобретен на ebay)
Я использовал для эксперимента с солнечной батареей ионистор на 100 Ф.Внутреннее устройство этого ионистора после его разборки:
1 - угольная прослойка2 - металлическая пластина
Для ионистора важно не превышать предельно допустимое напряжение (в моем случае 2,7 В). Для ограничения напряжения я использовал шунтовой регулятор - параллельно подключенный к солнечной батарее "зеленый" светодиод (1). Опытным путём я установил, что падение напряжения 2,7 В на таком светодиоде соответствует току через светодиод, равному 50 мА (ток короткого замыкания солнечной батареи не должен превышать это значение для гарантии целости ионистора).
вольт-амперная характеристика "зеленого" светодиода
Для "красного" светодиода (2) при токе 50 мА падение напряжения составляет 1,94 В. Для "белого" светодиода (3) при токе 50 мА падение напряжения составляет 3,34 В (при 30 мА - 3,18 В).
Для предотвращения разряда ионистора я подключил его к солнечной батарее через эмиттерный p-n переход германиевого транзистора МП38 (падение напряжения на нем составляет 0,2 - 0,3 В), играющий роль блокирующего диода (англ. blocking diode).
Я расположил эту конструкцию на горизонтальной поверхности утром (в 1035 ) довольно сумрачного февральского дня (ионисторы не слишком боятся низких температур, но при снижении температуры до - 30° C внутреннее сопротивление (ESR) ионистора возрастает в 2...3 раза.). При этом ионистор был разряжен до напряжения 0,088 В. Через семь часов (к 1735) напряжение на ионисторе достигло 1,45 В!!! Для изучения саморазряда я оставил ионистор подключенным к схеме на ночь в слабоосвещенном помещении. Через час напряжение на ионисторе упало до 1,23 В, через два часа - до 1,11 В.
Батарея 2
Сначала я сделал на основе этой батареи вот такое герметичное зарядное устройство для аккумуляторов:
Затем я использовал эту солнечную батарею для питания акустического отпугивателя воробьев.
Батарея 3
Продолжение следует
acdc.foxylab.com
Солнечные батареи – электростанции будущего
Солнечная батарея – характеризуется как источник электрического тока посредством фотоэлектрических преобразователей. Преимущество солнечных батарей обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок службы практически не ограничен. Недостатком является относительно высокая стоимость и низкий к.п.д. Модульный тип конструкции позволяет создавать установки с различными уровнями напряжения и практически любой мощности.
Солнечные батареи для дома!
Солнечная батарея (модуль, панель) представляет собой фотоэлектрический генератор, принцип действия которого основан на физическом свойстве полупроводников: фотоны света выбивают электроны из внешней оболочки атомов. При замыкании цепи возникает электрический ток. Солнечные батареи соединяют в цепи последовательно и/или параллельно для получения необходимых параметров по току и напряжению.
- срок службы солнечной батареи более 25 лет - типичный КПД солнечной батареи 14% - напряжение любой пластинки кремниевого элемента: без нагрузки 0.6 В, под нагрузкой 0.5 В(при инсоляции 1 кВт/м2) - кремний – второй по распространённости элемент во вселенной в то же время всего 2% чистого кремния идёт на солнеч-ную энергетику - мировая нехватка солнечного кремния оценивается в 10-15 тысяч тонн в год - за год в России изготавливается примерно 5-6 МВт солнечных батарей, а продаётся на внутреннем рынке не более 150 кВт - к 2020 году Швеция планирует полностью отказаться от углеводородного топлива - в Германии уже несколько лет действует государственная программа "Сто тысяч солнечных крыш" - в США действует аналогичная программа "Миллион солнечных крыш"
Виды солнечных батарей
Фотоэлектрические преобразователи — (ФЭП). Полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Фотоэлементы). Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей.
Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
Солнечные коллекторы (СК). Солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
Представленные на рынке солнечные батареи можно условно поделить на несколько классов:
- Маломощные (доли Ватта) солнечные батареи, используемые для зарядки сотовых телефонов, КПК и другой подобной электроники. Они характеризуются малой площадью фотопластин и относительно высокой ценой. Это скорее игрушка для любителей экзотики.
- Универсальные солнечные батареи, изготовленные для питания широкого круга потребителей в полевых условиях. Импортные отличаются весьма неплохим качеством изготовления и дизайном, наличием дополнительных переходников, часто приемлемой ценой. Отечественные могут быть как заводского изготовления так и полусерийные. Цена и качество может варьировать в весьма широких пределах. Поэтому при покупке нужно рассматривать каждый вариант отдельно. Этот класс солнечных батарей зачастую наиболее приемлем для туристов.
- Панели солнечных элементов. Обычно это набор фотопластин, закрепленных на подложке. Фактически, они являются заготовкой для построения более «продвинутых» и удобных для конечного потребителя устройств на их основе.
Тип солнечной батареи
Наиболее распространённые в странах СНГ являются солнечные батареи типа БСК-1, БСК-2, Электроника МЧ/1. Эти батареи выпускают или ранее выпускали многие радиоэлектронные заводы. Иногда встречаются в продаже также импортные, в основном китайские и корейские, солнечные батареи, с параметрами сравнимыми с батареями типов БСК-1, БСК-2, Электроника МЧ/1.
Эти солнечные батареи могут обеспечить зарядный ток аккумулятора в пределах 35-50 миллиампер, не более того. Причем это будет при хорошем солнечном освещении. Следовательно, с помощью широко распространённых солнечных батарей можно обеспечить заряд маломощных аккумуляторов имеющих емкость не более 0,45 А/ч. Замечу, что широко распространенные аккумуляторы типа ЦНК-0,45 как раз имеют такую емкость…
Необходимо также учитывать, что в середине лета, в июле, световой период, в который батарея эффективно отдаёт энергию, обычно длится не более 7-9 часов. Наиболее эффективное время для работы солнечной батареи с 10 до 17 часов. После этого времени ток солнечных батарей падает. Падает ток, генерируемый солнечной батареей в облачную погоду. Некоторая ориентировка солнечных батарей относительно положения Солнца, помогает увеличить генерируемый ими ток, но… Попробуйте сами покрутить батареи в поисках их лучшего освещения, и убедитесь, что это нелегкое дело.
Зарядка/подзарядка аккумуляторов
Итак, при достаточном количестве солнечных элементов можно создать солнечную батарею с практически любыми напряжением и током, и способную обеспечить зарядку любого типа аккумуляторов. Все дело только в стоимости такой солнечной батареи. Конечно, не следует забывать, что мощная солнечная батарея будет занимать большую площадь для своей установки. Следует также заметить, если полноценное солнечное освещение батареи бывает ограниченное время суток, то желательно использовать солнечную батарею, обеспечивающую ускоренный зарядный ток, величина которого находится в пределах 0,15-0,3 от емкости аккумуляторов.
Обычно в радио экспедициях эффективная работа возможна в вечернее и ночное время. В это время прохождение на многих диапазонах улучшается, появляется много местных станций. Использование солнечной батареи позволяет вечером и ночью разрядить аккумуляторы во время работы в эфире, а днем произвести их подзарядку.
Если же солнечная батарея обеспечивает ток, меньший чем номинальный зарядный ток, менее 0,08 от емкости аккумуляторов, то в данном случае речь может идти не о зарядке, а только о подзарядке аккумуляторов. Это означает, что в светлый период времени солнечная батарея должна быть постоянно подключена к аккумулятору, все это время постоянно подзаряжая его. При этом необходимо контролировать, что бы во время работы аккумуляторной батареи напряжение на одном элементе аккумулятора было бы не ниже 1,2-1,15 вольт. При напряжении ниже 1,15 вольт аккумулятор необходимо снять с работы и поставить на зарядку. В противном случае за короткое время напряжение на элементах аккумулятора упадет до 1,1 вольта, и такую разряженную аккумуляторную батарею уже невозможно будет использовать в экспедиции без серьезной зарядки. Это указывает на то, что в экспедиции, обязательно необходимо контролировать напряжение на аккумуляторной батарее под нагрузкой. Разрядная и зарядная характеристика одиночного аккумулятора показана на рис. 3.
Разрядная и зарядная характеристика никель/кадмиевого аккумулятора
Для дальнейшего понимания процесса зарядки солнечной батареей аккумулятора рассмотрим характеристики элемента солнечной батареи. Зависимость тока одного элемента солнечной батареи типа БСК-2 от напряжения на нем показана на рис. 4. Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. Этот график типичен и для других солнечных элементов. Конечно, значение максимального тока будет зависеть от мощности солнечного элемента. Для снятия этого графика к освещенному солнечному элементу подключают переменный резистор. Изменяют сопротивление переменного резистора, и измеряют ток, поступающий в резистор и напряжение на солнечном элементе. Схема для снятия вольт/амперной характеристики солнечного элемента показана на рис. 5.
Вольт/амперная характеристика солнечного элемента
Схема для снятия вольт/амперная характеристики солнечного элемента
При работе солнечного элемента без нагрузки напряжение фото ЭДС на нем составит около 0,6 В. При подключении нагрузки, а затем при уменьшении ее сопротивления, ток в нагрузке начнет увеличиваться. Напряжение на нагрузке при этом начнет снижаться. Напряжение примерно 0,45 вольт на нагрузке является оптимальным режимом работы солнечного элемента. При попытках увеличить отбор тока, напряжение на солнечном элементе падает, а ток, который он генерирует, продолжает оставаться практически неизменным. Это говорит о том, что солнечная батарея является почти идеальным источником тока, то, что как раз и надо для зарядки аккумуляторов!
Для схемы измерения тока солнечного элемента (см. рис. 5) был построен график зависимости рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки солнечного элемента. График показан на рис. 6. Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. Для постройки графика измерялось нагрузочное сопротивление солнечного элемента при различных напряжениях на нем. Затем, исходя из значения сопротивления нагрузки, и тока, протекающего через нагрузку, был построен график мощности, рассеиваемой в нагрузке. Из этого графика видно, что максимальная мощность отдаваемая в нагрузку солнечным элементом будет при напряжении на нагрузке 0,45 вольт. Оптимальное напряжение на нагрузке (0,45 вольт) отличается от напряжения фото ЭДС (о,6 вольт) в 0,75 раз.
График зависимости рассеиваемой мощности в сопротивлении нагрузки от напряжения на ней
Следовательно, для зарядки аккумуляторов можно применить солнечную батарею, которая имеет максимальный генерируемый ток примерно равный току зарядки аккумуляторов. В этом случае солнечная батарея автоматически будет производить зарядку аккумуляторов необходимым зарядным током при своем освещении. Батарею необходимо подключать к аккумуляторам через диод, как это показано на рис. 7. Это необходимо потому, что при неблагоприятном солнечном освещении напряжение на солнечной батарее может упасть ниже, чем напряжение на заряжаемых аккумуляторах. В этом случае аккумуляторы вместо своего заряда, разрядятся через внутреннее сопротивление солнечной батареи. Буферный конденсатор C1 необходим, если, аккумуляторы будут использоваться для работы во время своей зарядки/подзарядки.
Подключение солнечной батареи к аккумуляторам
Последовательно с солнечной батареей включен миллиамперметр. Включение миллиамперметра весьма и весьма желательно. Он показывает, какой величины ток потребляет аккумулятор от солнечной батареи. А это дает возможность судить, находится ли аккумулятор под зарядным током или тренировочным, и вообще, работает ли в данный момент солнечная батарея или нет. В качестве миллиамперметра удобно использовать индикатор записи от старого магнитофона.
Шунт для этого индикатора записи тоже сделать достаточно просто. На резисторе типа МЛТ-0,5 наматываем 1 метр провода типа ПЭЛ-0,1. Подключаем шунт параллельно микроамперметру и измеряем, какой максимальный ток он при этом может измерять. Допустим, получилось 100 миллиампер. А для заряда аккумуляторов используется солнечная батарея с максимальным током 40 миллиампер. Следовательно, удобно иметь максимальную шкалу в 50 миллиампер. Для получения такого максимального тока отклонения микроамперметра сопротивление шунта необходимо увеличить в два раза. Для этого необходимо увеличить длину провода шунта до двух метров. Аналогично можно провести практическую подгонку шунта и для других токов отклонения миллиамперметра.
В походных условиях можно считать процесс зарядки аккумуляторной батареи оконченным, если напряжение на ее элементах под нагрузкой составляет не менее 1,25 В/на элемент, и их ЭДС составляет не менее 1,36 В/на элемент.
Если же солнечная батарея используется только для подзарядки аккумуляторов, то ее необходимо производить по мере необходимости – по мере разряда аккумуляторов. При неблагоприятных условиях подзарядка может даже продолжаться целый световой день. Ночью солнечные батареи нет необходимости отключать от аккумуляторов, поскольку они будут отключены автоматически с помощью диода VD1 (см. рис. 7).
Расчет параметров солнечной батареи
Приведем пример расчета солнечной батареи, необходимой для зарядки аккумуляторов. Как показано на графиках рис. 3, во время зарядки аккумулятора напряжение на нем будет находиться в пределах 1,4 В. Для питания аппаратуры в полевых условиях, обычно применяют напряжение питания 12 вольт. Такое напряжение могут обеспечить 10 никель- кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно. Для зарядки батареи из 10 никель- кадмиевых аккумуляторов, включенных последовательно, необходимо обеспечить напряжение на них равное 14 вольт (10*1,4=14). При максимальном КПД работы солнечной батареи, когда напряжение на одном солнечном элементе составит 0,45 вольт, напряжение 14 вольт может обеспечить солнечная батарея состоящая из 31 элемента (14/0,45=31).
Учтем падение напряжение на диоде, равное 0,7 вольта. Следовательно, солнечная батарея должна иметь еще два лишних элемента. Суммарное количество солнечных элементов в батарее в этом случае будет равно 33 (31+2=33). Напряжение фото ЭДС солнечной батареи содержащей 33 элемента составит 19,8 вольт. Итак, мы подошли к важной вещи. Оказывается, для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 вольт, необходима солнечная батарея напряжением фото ЭДС почти 20 вольт! Такую батарею можно собрать самостоятельно используя отдельные солнечные элементы или несколько готовых солнечных батарей.
В паспорте на солнечные батареи указывают как раз напряжение фото ЭДС. В продаже имеются солнечные батареи на напряжения фото ЭДС равное 12 и 9 вольт. Следовательно, при оптимальном сопротивлении нагрузки (см. рис. 6) напряжение на этих батареях составит 6,75 вольт, для 9- вольтовой солнечной батареи, 9 вольт для 12 вольтовой солнечной батареи.
Две последовательно включенные солнечные батареи, имеющие напряжение фото ЭДС 9 и 12 вольт можно с успехом использовать для зарядки 12 вольтовой аккумуляторной батареи. Превышение суммарного напряжения, которое для двух батарей составит 21 вольт, расчетного напряжения 20 вольт на один вольт не страшно. Это превышение будет компенсировано некоторым уменьшением выходного напряжения солнечной батареи которое произойдет из -за неравномерного освещения элементов, составляющих солнечную батарею. Конечно, следует не забывать, что ток солнечных батарей не должен превышать зарядный ток аккумуляторов.
Две последовательно включенные солнечные батареи на напряжение 9 вольт не смогут обеспечить полную зарядку аккумуляторной батареи. Они осуществят лишь ее подзарядку, до уровня не более 20% от необходимого заряда (см. рис. 3). Однако, подключенная к 12 вольтовой аккумуляторной батареи солнечная батарея с фото ЭДС 18 вольт поможет “разгрузить” режим работы этой аккумуляторной батареи. Она сможет сгладить пиковые токовые нагрузки и обеспечит по мере своих сил подзарядку аккумуляторов.
Обсудить на форуме >>
ВКонтакте
FaceBook
Наш домик
nashdomik.net
Устройство солнечной батареи | Читать ещё статьи...
Понимание принципов работы солнечных панелей крайне важно при проектировании и эксплуатации электростанций. В этой статье мы изложим некоторые физические основы работы солнечных ячеек, а также особенности конструкции солнечных батарей.
Устройство солнечной батареи
Рассмотрим устройство солнечной батареи. Фотоэлектрическая ячейка является полупроводниковой гетероструктурой, имеющей один p-n переход, который возникает на границе раздела двух полупроводниковых пластин p и n типа, соответственно, с «дырочной» и электронной проводимостью. На переднюю и заднюю поверхность ячейки нанесены электрические контакты. При падении света на солнечный элемент фотоны «выбивают» электроны из кристаллической решетки, образуя таким образом электронно- дырочную пару. Далее носители заряда свободно движутся под действием электрического поля p-n перехода. Таким образом, на обкладках солнечной ячейки появляется электро-движущая сила (ЭДС).
Простейшая эквивалентная схема фотоэлектрической ячейки выглядит следующим образом:
Рис.1 Эквивалентная схема солнечной ячейки.
Здесь Rп – последовательное сопротивление солнечного элемента, Rш – шунтовое сопротивление солнечного элемента.
Мощность всей солнечной батареи складывается из мощности входящих в нее солнечных элементов, которые могут быть соединены последовательно или параллельно. Введем обозначения: I – максимальный ток отдельного элемента, U – напряжение отдельного элемента, Nпс – число последовательно соединенных элементов, Nпр – число параллельно соединенных элементов, Iб – максимальный ток солнечной батареи, Uб – напряжение солнечной батареи.
При последовательном соединении солнечных ячеек имеем: Uб=U* Nпс, Iб=I.
Рис.2 Последовательное соединение солнечных элементов.
При параллельном соединении: Uб=U, Iб=I* Nпр
Рис.3 Параллельное соединение солнечных элементов.
Руководствуясь данным принципом можно рассчитать максимальный ток и напряжение для любой системы солнечных элементов
Приведем пример. Ячейки соединены в три каскада по 2 штуки, как показано на Рис.4
Рис.4 Схема соединения солнечных ячеек в три каскада.
Для данной системы имеем: Uб=2U, Iб=3I.
Роль диодов в схеме солнечной панели
Как правило, в солнечной батареи все элементы соединены последовательно, вследствие чего возникает так называемая проблема «темного пятна». Рассмотрим солнечные панели, состоящие из большого числа элементов, соединенных последовательно. К батарее подключена нагрузка Rн. (Рис. 5)
Рис. 5 Схема солнечной панели из большого числа элементов и под нагрузкой
Предположим, один из солнечных элементов затенен. Сопротивление затененной ячейки намного больше сопротивления нагрузки, следовательно, на ней выделится почти вся энергия солнечной батареи, вследствие чего ячейка может перегреться и выйти из строя.
Для борьбы с таким явлением параллельно каждой ячейке нужно включить шунтирующий диод Rш, как показано на Рис. 6.
Рис. 6 Схема солнечной батареи с шунтирующими диодами.
В результате, когда солнечный элемент освещен, шунтирующий диод находится под прямым напряжением смещения самого солнечного элемента и ток не пропускает. Когда элемент затенен, то есть его напряжение меньше падения напряжения на нем при протекании тока, создаваемого остальными ячейками в цепи, шунтирующий диод «открыт» обратным напряжением смещения.
В реальной жизни диодами шунтируется не каждый солнечный элемент (это слишком сложно и дорого), а группы элементов в солнечной батарее. Например, батарея из 72 ячеек 125*125мм, обычно имеет в своем составе три шунтирующих диода.
В рамках данной статье, мы затронули основные физические принципы работы солнечных фотоэлектрических систем. Более подробно тема изложена в монографии Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей: пер. с англ. – М.: энергоатомиздат, 1983.
Е.А. Коблучко
Вам также могут быть интересны другие статьи..
Устройство солнечной батареиЧто такое мобильные солнечные системы?Особенности и виды солнечных электростанцийВернуться к списку статей...www.helios-house.ru
Эффективность солнечных батарей для дома: отзывы потребителей
Сегодня солнечные батареи могут существовать только за счет энергии солнца. Человечество в процессе эволюции научилось правильно использовать энергию, преобразовывая ее в тепло и электричество. Именно поэтому солнечные батареи для дома, отзывы о которых чаще только положительные, стали весьма популярными в странах с солнечным климатом. Но на отечественных просторах их также применяют с успехом, ведь среди положительных сторон таких устройств находится высокая экологичность и возможность создавать единую систему снабжения электричеством.
Как устроена солнечная батарея
Многих интересует, чем примечательна подобная батарея? А ответ простой. Все дело в том, что такие устройства с легкостью преобразовывают радиацию солнечных лучей в полезное для человека электричество. Подобный вид батарей будет выгодным при правильной эксплуатации. Большая часть отзывов людей, которые купили себе солнечные батареи, свидетельствуют о том, что они очень удобны.
Правда, как и другие подобные элементы, солнечные батареи располагают своими критериями. К примеру, чем выше будет мощность батареи, тем большее количество электричества она сможет производить и наоборот. Ну, а эффективность такого устройства напрямую будет зависеть от количества солнечных лучей, попадающих на поверхность. Так что на эффективность работы солнечной батареи влияет количество солнечных дней в местности установки.
Вопрос о том, купить солнечную батарею для дома в магазине или же делать своими руками, для каждого человека индивидуальный. Большое влияние оказывает уверенность человека в своих средствах и силах. Домашнее производство такого аппарата вполне реально, и в интернете существует большое количество различных руководств. Но если человек не хочет рисковать, тогда можно приобрести солнечную батарею. Это, конечно, обойдется дороже, зато время и силы будут сохранены.
Виды солнечных батарей
Условно солнечные батареи можно разделить на несколько видов:
- маломощные;
- универсальные;
- солнечные панели.
Маломощные батареи имеют достаточно широкий спектр действий. Используя их, можно без проблем заряжать мобильные телефоны, а также запитывать прочие электронные устройства. Правда, подобные элементы не так популярны, как другие виды солнечных батарей. Все дело в невысокой мощности при довольно значительной стоимости. Если рассматривать маломощную солнечную батарею более обширно, то это хорошая игрушка для любителей чего-нибудь необычного.
Универсальные солнечные батареи имеют более высокую популярность. Иногда они отличаются не только высоким качеством, но еще и интересными дизайнерскими решениями. Стоимость таких устройств может существенно варьироваться, ведь зависит она как от мощности, так от площади и внешнего вида. Чаще всего их приобретают для полевых условий использования. А постоянные потребители – это любители путешествовать и туристы.
Кроме двух вышеперечисленных, имеется еще один класс – солнечные панели. По сути, это набор фотопластин, которые крепятся на специальной подложке. Их чаще всего используют в качестве заготовки для других устройств. Достаточно часто используют такой тип солнечных батарей для дома – стоимость их зависит в основном от мощности. Ими покрывают всю площадь крыши. В солнечную погоду такое сооружение позволяет получать достаточное количество энергии, которое используется для питания всех устройств в доме.
Батареи в работе
Вся электроэнергия, которая вырабатывается при помощи фотоэлементов, накапливается в специальных аккумуляторах. Последние представляют собой химические источники тока. Такой аккумулятор заряжается только при условии, что поступающий уровень электричества превышает номинал АКБ.
Количество всех солнечных элементов, должно обеспечивать поступление напряжения, которое будет превышать напряжение АКБ. К примеру, если нужно зарядить АКБ на 12 вольт, то нужно располагать солнечной батареей, состоящей из 36 фотоэлементов.
Если солнечное освещение слабое, то заряд аккумулятора уменьшается, а поэтому АКБ начинает отдавать часть своей энергии питающемуся прибору. То есть, химические батареи вынуждены работать в режиме постоянного разряда и подзарядки. Контроль данного процесса возложен на специальный контроллер. Для зарядки батареи нужен постоянный ток или напряжение.
Если освещение хорошее, то АКБ до 90 процентов своей емкости заряжаются быстро, остальные же 10 процентов набираются достаточно долго. Меньшая скорость заряда может быть выставлена при помощи специального контроллера зарядки.
Наиболее эффективно комплекты солнечных батарей для дома работают в паре с гелиевыми аккумуляторами, или же свинцовыми батареями, производимыми по технологии AGM. Специальные условия для установки им не требуются, и кроме этого, не нужно беспокоиться об обслуживании. При глубине разряда, не превышающей 20 процентов, такие батареи способны служить около 10-12 лет. Стоит заметить, что ни в коем случае нельзя допускать более глубокого разряда, иначе сроки эксплуатации сокращаются в разы.
К солнечной батарее такие АКБ присоединяются через специальный контроллер, контролирующий заряд. Если батарея заряжается полностью, то контроллер включает в цепь специальный резистор, поглощающий избыточную энергию. Но кислотные, солнечные и гелиевые батареи способны выдавать только постоянный ток, в то время как большая часть современных сетевых устройств работают только при переменном.
Для солнечных батарей нужен аккумулятор, и не одинДля такого случая существуют устройства, именуемые инверторами. Если их не использовать, то можно питать от солнечных батарей только электроприемники, работающие от постоянного напряжения, куда относится портативная техника, светодиодные лампы и т.д.
Расчет мощности
Для того чтобы вся система работала эффективно, стоит позаботиться о правильном расчете солнечных батарей для дома. Речь идет о подборе элементов таким образом, чтобы вырабатываемой энергии от солнечной батареи хватало на питание всех электрических приборов в доме. Кроме этого, производимые объемы энергии не должны сильно превышать номинал установленных аккумуляторных батарей, поскольку это будет вести к сокращению сроков их эксплуатации или выходу из строя контроллеров заряда аккумуляторных батарей.
Произведя правильные расчеты составных частей системы получения солнечной энергии, можно значительно сократить размеры счетов за электричество. Современные солнечные батареи можно считать долгосрочными инвестициями, ведь затраты на установку системы хотя и высокие, но все же они окупят себя в процессе эксплуатации.
Если все правильно рассчитать, то солнечные батареи могут быть основным источником электричестваКроме всего прочего, подобные элементы способствуют сохранению состояния экологии, ведь они не выбрасывают в атмосферу вредных веществ. Так что можно считать, что солнечные батареи – это та технология, которая по праву может называться перспективной.
energomir.biz
