4.4. Використання сонячної батареї

Найбільш розповсюдженими являються сонячні батареї типу БСК-1, БСК-2, електроніка М 4/1. Такі сонячні батареї здатні забезпечити зарядний струм акумулятора в межах 35–40 мА, при гарному сонячному освітленні. Таким чином, за допомогою таких сонячних батарей можна забезпечити зарядження малопотужних акумуляторів з ємністю не більше 0,45 А∙годин.

Необхідно також врахувати, що в середині літа, в липні світловий період, за який батарея ефективно віддає енергію, триває не більше 7–9 годин. Найбільш ефективний час для роботи сонячної батареї з 10 до 17 години. Після цього періоду струм сонячних батарей понижується. Струм сонячних батарей понижується також в хмарну погоду. Орієнтування сонячних батарей відносно положення сонця помагає збільшити створюваний ними струм.

Струм сонячних батарей можна збільшити за допомогою паралельного їх підключення. Звичайно, необхідно з’єднувати сонячні батареї, які мають однакову кількість елементів і тому забезпечують однакову напругу.

Розглянемо 2 способи паралельного підключення сонячних батарей, які показані на рис. 4.4.1.

Якщо сонячні батареї підключати паралельно по схемі (Рис. 5.4.1, а), то може мати місце різне освітлення та використання батарей. Генератори напруги будуть відрізнятися для різних батарей, тому ефективно буде працювати тільки одна батарея.

а) б)

Рис. 4.4.1 Способи паралельного підключення сонячних батарей

Якщо ж сонячні батареї підключати паралельно відповідно до схеми (Рис. 4.4.1,б), то напруга, утворена цими батареями буде більш рівномірно розподілена по сонячній батареї, тому, що часткове затінення частини елементів не принесе великої шкоди для роботи сонячної батареї. Але паралельне підключення по схемі (Рис. 4.4.1,б) потребує розпайки готових батарей, а потім нове підключення їх елементів між собою. Така робота може бути виправдана тим, що при паралельному підключенні сонячних батарей відповідно до схеми (рис. 4.4.1,б), загальна величина струму буде більша.

Для збільшення напруги сонячної батареї можна включати послідовно велику кількість сонячних елементів. Напруга такої сонячної батареї буде дорівнювати сумі напруг на всіх складових її сонячних елементів. Струм, створюваний такою батареєю, буде обмежений струмом гіршого елементу.

Найважливіший недолік сонячних елементів визначається в тому, що вони дорого коштують, але цей недолік нівелює ефективна робота акумуляторів, які в даному випадку заряджаються за допомогою сонця.

Таким чином, при достатній кількості сонячних елементів можна створити сонячну батарею з практичною любою напругою та струмом, яка здатна забезпечити зарядку будь якого типу акумуляторів. Проблема тільки в вартості такої сонячної батареї. Потрібно також пам’ятати, що потужна сонячна батарея буде займати велику площу для її установки. Потрібно також знати, якщо повноцінне освітлення батареї буває за обмежений термін на добу, тому бажано використовувати сонячну батарею, яка забезпечує прискорений зарядний струм, величина якого знаходиться в межах 0,15–0,3 від ємності акумуляторів.

Якщо ж сонячна батарея забезпечує струм менший, ніж мінімальний зарядний струм на величину менше 0,08 від ємності акумуляторів, тоді треба переходити на режим підзарядки акумуляторів. При цьому в світлий період часу сонячна батарея повинна постійно бути підключеною до акумулятора і весь цей термін постійно підзаряджати його. Потрібно контролювати, щоб під час роботи акумуляторної батареї напруга на одному елементі акумулятора була не нижче 1,2–1,15 вольт. При напрузі нижче 1,15 вольт акумулятор необхідно відключити від робочого режиму і поставити на зарядку. В іншому випадку за короткий термін напруга на елементах акумулятора понизиться до 1,1 вольта, і таку розряджену акумуляторну батарею неможливо буде використовувати без серйозного зарядження, це вказує на те, що обов’язково необхідно контролювати напругу на акумуляторній батареї під навантаженням.

На рис. 4.4.2 показана характеристика розряджання-заряджання нікель-кадмієвого акумулятора.

Рис. 4.4.2 Характеристика розрядження та зарядження нікель-кадмієвого акумулятора

Для подальшого розуміння процесу зарядження акумулятора за допомогою сонячної батареї, розглянемо характеристики елемента сонячної батареї.

Залежність струму одного елемента сонячної батареї типу БСК-2 від напруги на ньому показано на рис. 4.4.3. Цей графік знятий при оптимальному освітленні сонячного елемента. Такий графік є типічний і для других сонячних елементів. Звичайно значення максимального струму буде залежати від потужності сонячного елемента. Для зняття цього графіку до освітленого сонячного елемента підключають перемінний резистор, змінюють опір перемінного резістора, і вимірюють струм через резістор та напругу на сонячному елементі. Схема для зняття вольт-амперної характеристики сонячного елемента показано рис. 5.4.4.

Рис. 4.4.3. Вольт-амперна характеристика сонячного елемента типу БСК-2

Рис. 5.4.4. Схема для зняття вольт-амперної характеристики сонячного елемента

При роботі сонячного елемента без навантаження напруга енергорушійної сили ЕРС на ньому складає близько 0,6 В. При підключенні навантаження і після зменшення його опору, струм в навантаженні почне збільшуватись, напруга при цьому починає понижатися. Напруга приблизно 0,45 В на навантаженні являється оптимальним режимом роботи сонячного елемента. При спробах збільшити отбір струму, напруга на сонячному елементі понижується , а струм, який він генерує продовжує залишатись практично незмінним. Це говорить про те, що сонячна батарея являється майже ідеальним джерелом струму. Це якраз те, що потрібно для зарядження акумуляторів.

Для схеми вимірювання струму сонячного елемента (рис. 4.4.4) побудований графік (Рис. 4.4.5) залежності використовуємої потужності на опорі навантаження сонячного елемента. Графік (рис. 4.4.5) знятий при оптимальному освітленні сонячного елементу. Для побудови графіка вимірювався опір навантаження сонячного елемента при різних напругах на ньому. Потім, виходячи від значення опору навантаження та струму навантаження, побудований графік потужності, витраченої при навантаженні. Iз цього графіка видно, що максимальна потужність, яка віддається в навантаження сонячним елементом, буде при напрузі на опорі 0.45 В. Оптимальна напруга в навантаженні (0.45 В) відрізняється від напруги фото ЕРС (0.6 В) в 0.75 разів.

Таким чином, для зарядки акумуляторів можна застосовувати сонячну батарею, яка має максимальний генеруємий струм, що приблизно дорівнює струму зарядки акумуляторів. В такому випадку сонячна батарея буде автоматично заряджати акумулятори необхідним зарядним струмом при своєму освітленні. Батарею потрібно підключати до акумуляторів через діод, як це показано на рис. 4.4.6. Це необхідно тому, що при недостатньому сонячному освітленні напруга на сонячній батареї може мати нижчий рівень, ніж напруга на акумуляторах, що заряджаються. В такому випадку, акумулятори замість свого заряджання будуть розряджатися через внутрішній опір сонячної батареї. Буферний конденсатор С1 необхідний, якщо акумулятори будуть використовуватись для роботи під час свого заряджання або підзаряджання.

Рис. 4.4.5. Графік залежності витраченої потужності на опору навантаження від напруги на ньому

Рис. 4.4.6 Підключення сонячної батареї до акумуляторів

Послідовно з сонячною батареєю включений міліамперметр. Він показує якої величини струм використовує акумулятор від сонячної батареї. Це дає змогу бачити, чи знаходиться акумулятор під зарядним струмом та чи працює в даний момент сонячна батарея.

Для міліамперметра можна використати індикатор запису від старого магнітофона. Шунт для цього індикатора запису можна зробити достатньо просто. На резистор типу МЛТ-0.5 намотується 1м проволоки типу ПЕЛ-0.1. шунт підключається паралельно міліамперметру і перевіряється який максимальний струм при цьому може бути виміряний. Припустимо, отримали 100 млА, а для зарядки акумуляторів використовується сонячна батарея з максимальним струмом 40 млА. Отож, зручно мати максимальну шкалу 50 млА. З метою отримання опору шунта для такого максимального струму відхилення мікроамперметра необхідно збільшити довжину проволоки шунта до 2-х метрів. Аналогічно можна провести практичну підгонку шунта і для інших струмів відхилення міліамперметра.

Можна вважати процес заряджання акумуляторної батареї закінченим, якщо напруга на її елементах під навантаженням складає не менше 1.25 В на елемент, а їх ЕРС складає не менше 1.36 В на елемент.

Якщо ж сонячна батарея використовується лише для підзарядження акумуляторів, то це необхідно виконувати по мірі необхідності (по мірі розрядження акумуляторів). При несприятливих умовах підзарядження може продовжуватись цілий світловий день. На ніч сонячні батареї немає необхідності відключати від акумуляторів, оскільки вони будуть відключені автоматично за допомогою діода VD1 (рис. 4.4.6).

Доцільно привести приклад розрахунку сонячної батареї, яка необхідна для зарядження акумуляторів. Як показано на рис. 4.4.2 під час зарядження акумулятора напруга на ньому буде в межах 1.4В. Для живлення інвертора з метою переходу на змінну напругу 220 В звичайно застосовують напругу з акумулятора 12 В. Таку напругу можуть забезпечити 10 нікель – кадмієвих акумуляторів, які включені послідовно. Для цього необхідно отримати напругу на них, що дорівнює 14 В (10х1.4=14). При максимальному ККД роботи сонячної батареї, якщо напруга на одному сонячному елементі складає 0.45 В, то напруга 14 В може забезпечити сонячна батарея, яка складається із 31 елемента (14/0.45=31).

Враховуючи втрати напруги на діоді 0.7 В, сонячна батарея повинна мати ще 2 додаткових елементи. Таким чином, загальна кількість сонячних елементів в батареї в даному випадку буде визначатися числом 33. Напруга фото-ЕРС сонячної батареї, що складається з 33 елементів, дорівнює 19.8 В. Таким чином, для зарядки акумуляторної батареї напругою 12 В необхідна сонячна батарея з напругою в фото-ЕРС майже 20 В. Така батарея збирається з окремих сонячних елементів або з кількох готових сонячних батарей.

В паспорті на сонячні батареї вказують напругу фото-ЕРС. В продажі мають місце батареї з напругою фото ЕРС на 12В та на 9В. При оптимальному опорі навантаження (див. рис. 4.4.5) напруга на таких батареях дорівнює 6.75 В для 12-тивольотвої сонячної батареї.

Дві послідовно підключені сонячні батареї, які мають напругу фото-ЕРС на 9В та на 12В можна з успіхом використовувати для зарядження акумуляторної батареї на 12 В. Перевищення загальної напруги, яка для двох батарей складає 21 В, розрахункової напруги 20 В на 1 В не страшно. Таке перевищення буде компенсовано деяким зменшенням вихідної напруги сонячної батареї, яке буде мати місце внаслідок нерівномірного освітлення елементів, що складають сонячну батарею. Звичайно, не можна забувати, що струм сонячних батарей не повинен перевищувати зарядний струм акумуляторів.

Дві послідовно включені сонячні батареї з напругою 9 В не зможуть забезпечити повне заряджання акумуляторної батареї. Вони здійснять тільки її підзаряджання до рівня не більше 20% від необхідного заряджання ( див. рис. 4.4.2). Але підключена до 12-ти вольтової акумуляторної батареї сонячна батарея з ЕРС 18V почне «розвантажувати» режим роботи цієї акумуляторної батареї. Вона зможе згладити пікові струмові навантаження і забезпечити по мірі своїх сил підзаряджання акумуляторів.

При використанні сонячних батарей необхідно забезпечити умови, щоб вони були розташовані на максимально освітленому місці і були освітлені однаково. Необхідно прийняти міри, які виключають механічне пошкодження батарей, а також пряме попадання на них вологи та пилу. При транспортування потрібно уникати трясіння сонячних батарей.

Необхідно дотримуватись температурного режиму сонячних батарей, який показаний в їх паспорті, як правило, це –40^ºС, +50^ºС. Літом, в жарку погоду необхідно розташовувати сонячні батареї на поверхні, яка мало нагрівається, наприклад, на білій матерії або на блискучій алюмінієвій фользі. В цьому випадку вони слабо нагріваються і забезпечують задовільну роботу.

Необхідно відмітити, що нікель-кадмієві акумулятори також негарно працюють при повишених та понижених температурах. Пониження температури акумулятора нижче 0^ºС приводить до пониження його потужності.

Були проведені експериментальні роботи. Сонячна батарея з напругою 18V забезпечила з успіхом підзаряджання акумуляторної батареї з використанням елементів ЦПК-0,45 та 1,5 НКГН. На жаль тільки підзаряджання інтенсивно-розряджених під час нічної роботи акумуляторів така сонячна батарея уже зарядити не могла. Внаслідок цього на слідуючу ніч акумулятори працювали більш короткий термін. Але при невеликих струмах навантаження цих акумуляторів така сонячна батарея була достатньо корисною. Під час світлого періоду вона забезпечувала постійне під заряджання акумуляторів. В результаті цього акумулятори з сонячною батареєю працювали значно довше, чим без неї.

При використанні сонячної батареї з напругою 21V, яка була виконана із батарей на напругу 9V та 12V, така сонячна батарея забезпечила зарядження акумуляторів на протязі світового дня. Така батарея могла зарядити тільки акумулятори ЦНК- 45, які мають зарядний струм 45mA. Акумулятори типу 1,5 НКГН, в яких зарядний струм 150mA, така сонячна батарея повністю зарядити не могла, але вона їм значно прибавила розряджену за темний час ємність.

Батарею на напругу 21V можна підключати до працюючих вдень акумуляторів типу 1,5 НКГН, але підключати цю батарею до працюючих акумуляторів типу ЦНК-0,45 не бажано. В цьому випадку такі акумулятори будуть працювати у важкому режимі і можуть бути виведені із ладу. В таких умовах краще використовувати 2 акумуляторні батареї, одну для роботи, а другу в цей час для зарядження.

Необхідно звернути увагу на те, що в деяких випадках сонячна батарея може зробити перезаряджання акумуляторної батареї. Це приведе до виходу її із ладу.

При використанні 18-ти вольтової сонячної батареї можна не боятись перезаряджання акумуляторної батареї на 12V тому, що сонячна батарея на 18V зможе забезпечити тільки дозаряджання акумуляторної батареї на рівні 20% від номінальної потужності.

Для того, щоб не зіпсувати акумуляторну батарею, необхідно вести облік часу її роботи. Після цього проводити дозаряджання відданої ємності. Наприклад, акумуляторна батарея на елементах ЦНК- 45 (має зарядний струм 40mA) живить приймач зі струмом використання 40mA. Допустимо, що приймач працював ввечері 4 години. Тоді витрачена ємність акумулятора дорівнює 160mA/ годину (40×4 = 160). Для відновлення витраченої ємності акумуляторної батареї, вона повинна отримати заряджання, яке на 150% перевищує витрачену ємність. Таким чином, для відновлення заряду ця батарея вдень повинна знаходитись під зарядним струмом 40mA на протязі 6-ти годин (160/40 = 4; 4∙1,5=6).

Допустимо, трансивер (приймач-передавач) працює від акумуляторної батареї і потребує 50mA на приймання даних і 150mA на їх передачу. Працював трансивер на протязі 3 годин, із яких півгодини на передачу. Таким чином, акумуляторна батарея 2,5 годин віддавала струм 50mA і 0,5 годин 150mA. Розрахуємо втрачену ємність:

• за час прийому 125mA/годину (50∙2,5=125);

• за час передачі 75mA/годину (150∙0,5=75);

• загальна втрачена ємність дорівнює 200mA/годину (125+75=200).

Для відновлення витраченої ємності акумуляторної батареї вона повинна отримати заряд, який на 150% перевищує витрачений заряд. Отже для відновлення заряду ця акумуляторна батарея вдень повинна бути під зарядним струмом 40mA на протязі 7,5 годин (200/40=5,5; 5∙0,5=2,5).

На жаль нікель-кадмієві акумулятори мають так званий ефект пам’яті. Якщо не до кінця заряджати, припустимо на 30% від його ємності, а потім знову проводиться його розрядний цикл. Після цього акумулятор буде віддавати тільки 30% свого заряду. Для усунення ефекту пам’яті акумулятору необхідно дати не менше двох циклів розряджання-заряджання.