Тема альтернативной энергетики сейчас у всех на слуху, регулярно следуют новости о том, что энергия солнечных лучей и ветра замещает все большую часть энергетического баланса некоторых развитых стран [1]. Правда как понимает автор здесь все не так однозначно [2-4]. Главная проблема альтернативной энергетики состоит в том, что ее ресурсы крайне рассеянны в пространстве и испытывают значительные колебания во времени. Солнечная батарея бесполезна ночью и почти бесполезна в пасмурную погоду. Ветряной двигатель требует определенной скорости ветра, в штиль или ураган он неработоспособен. Одним словом, то, что хорошо в солнечной Испании или Калифорнии, будет работать гораздо менее эффективно в условиях средней полосы России, где небо полгода закрыто облаками, а морского бриза не предвидится, потому, что до ближайшего моря порядка тысячи километров. Тем не менее, в экспериментальных целях автор приобрел солнечную панель на Али за 40 долларов.
Солнечная панель имеет размер 510 х 310 мм.
Она оснащена кабелем питания длиной примерно 3000 мм. Параллельно нагрузке к панели подключен стабилитрон серии 1N53 для предотвращения выдачи в нагрузку слишком большого напряжения при высоком уровне солнечного излучения. Данная панель имеет номинальное рабочее напряжение 12 В, и номинальную мощность 30 Вт. Правда данный параметр указан для потока световой энергии в 1000Вт/м2, т.е. для того что бы получить от данной панели заявленную мощность придется везти ее в Сахару, а лучше поднять на околоземную орбиту. При этом плоскость батареи должна быть ориентирована перпендикулярно к солнечным лучам, так, что в идеале нужно либо постоянно поворачивать батарею, что усложняет конструкцию, либо жертвовать мощностью. Но в целом мощность батареи позволяет использовать ее для питания не слишком мощных потребителей, например энергосберегающих ламп, зарядных устройств бытовой электроники и т.п. По данным производителя ЭДС панели может доходить до 21 В, у автора в далеко не идеальных условиях ЭДС достигала 19 В.
Реальные данные испытания солнечной батареи в ясную погоду под прямыми солнечными лучами приведены в таблице. В качестве потребителя использованы резисторы типа ПЭВ. Следует отметить, что у автора свет падает на панель через двойное оконное стекло и угол падения лучей составлял около 60 градусов.
|
Сопротивление потребителя, Ом |
Напряжение на выводах батареи, В |
Ток, А |
|
10 |
5 |
0,4 |
|
20 |
10 |
0,4 |
|
40 |
15 |
0,38 |
|
130 |
18 |
0,15 |
Таким образом, хорошо видно, что в реальных условиях средней полосы максимально можно отобрать от данной панели мощность в 5-6 Вт. Следует отметить, что у автора окно смотрит на северо-запад и прямые солнечные лучи попадают на батарею 4-5 часов день через двойное стекло (летом). Зимой прямые солнечные лучи не заглядывают в комнату совсем. Разумеется такое размещение батареи — необходимость. Желательно , сделать так, что бы батарея поворачивалась следом за солнцем, или хотя бы сориентировать батарею на юг и выставить на такой угол, что бы лучи света падали на батарею под углом близким к отвесному.
Днем в пасмурную погоду, т.е. только при наличии рассеянного солнечного света, ток падает до 50-70 мА при напряжении 13-15 В. ЭДС в этом случае составляет 17-18 В. Ясное дело, что эти данные «средняя температура по больнице», пасмурная погода, пасмурной погоде рознь, но в целом небольшую нагрузку можно питать от батареи весь световой день.
Одна из главных проблем связанных с солнечной энергией состоит в том, что Солнце светит днем, а вот использовать искусственное освещение большинство людей желает в темное время суток. Поэтому без возможности аккумуляции полученной энергии полезность солнечной батареи резко уменьшается.
Подключать солнечную батарею напрямую к аккумуляторной батарее можно, но по ряду причин так делать нежелательно [5]. Для наиболее эффективного совместного использования солнечной и аккумуляторной батарей выпускаются специальные контроллеры. Данный контроллер был приобретен здесь
Устройство поставляется в картонной коробке. К устройству прилагается инструкция на английском и китайском языке.
Габариты модуля 135 х 70 х 25 мм.
На передней панели располагаются кнопки управления, ЖК экран, клеммы для подключения солнечной батареи, аккумулятора и потребителя. Корпус устройства пластиковый, но задняя стенка выполнена металлической, видимо она должна играть роль радиатора.
Схема подключения модуля
Клик для увеличения схемы
После снятия задней стенки можно получить доступ к печатной плате устройства.
В качестве аккумулятора была выбрана батарея 12 В емкостью 1,2 А/ч, потому, что она у автора была. На самом деле в ясный солнечный день панель сможет зарядить 2-3 таких аккумулятора. Для уменьшения опасности короткого замыкания в цепь аккумулятора включен плавкий предохранитель. Для недопущения разряда аккумулятора через солнечную панель при малом освещении последовательно с панель включен диод Шотки типа IN5817. Когда аккумулятор полностью заряжен ток, отбираемый от солнечной батареи, составляет около 50 мА, при напряжении 19 В.
В качестве тестовой нагрузки использована самодельная светодиодная фитолампа на 4-х последовательно включенных фитосветодиода мощностью 1 Вт, последовательно со светодиодами включен резистор типа МЛТ-2, сопротивлением 30 Ом. При напряжении 12,6 В, ток потребляемый лампой составит около 60 мА. Таким образом аккумулятор на 1,2 А*ч позволяет питать эту лампу около 20 часов.
В целом собранная автономная конструкция оказалась вполне работоспособной с технической точки зрения. Но с экономической точки зрения, учитывая стоимость солнечной батареи, аккумулятора и блока управления картина получается безрадостной. Солнечная батарея стоит 2700 р, аккумулятор 12 В 1,2 А/ч стоит около 500 р, блок управления 400 р. Так же автор пробовал использовать два последовательно включенных аккумулятора 6 В 12 А/ч (они будут иметь стоимость около 3000 р), такой аккумулятор у автора заряжается за 3-4 солнечных дня, при этом ток зарядки доходит до 270 мА.
Общая стоимость использованного оборудования в минимальной комплектации 3600 р. Как несложно видеть, данная фитолампа потребляет около 0,8 Вт. При тарифе 3,5 р за 1 кВт/ч, лампа должна работать от сети при КПД источника питания 50%, около 640000 ч или 73 года только для того, что бы можно было оправдать затраты на оборудование. При этом за такой промежуток времени, несомненно, придется несколько раз полностью сменить оборудование, деградацию аккумулятора и фотоэлементов ни кто не отменял.
Выводы про солнечные панели
Таким образом, беспощадное второе начало термодинамики делает картину еще более безрадостной. В общем, можно только согласиться с тем, что такой альтернативный источник питания оправдан в условиях отсутствия электросети или как резервный источник питания для маломощных потребителей, типа смартфона или планшета. Правда, если увеличить площадь панели минимум на порядок, расположить их с ориентацией на юг, а не как у автора и применить соответственно более емкую аккумуляторную батарею, то можно задуматься о более серьезном применении такой системы. Примером может служить питание небольшого холодильника, инкубатора или другого подобного прибора, для которого критичны перерывы в электроснабжении [6-7].
Литература и ссылки
- habr.com/ru/news/t/370459
- habr.com/ru/company/beeline/blog/154423
- habr.com/ru/post/158875
- В.Мейлицев Фукусима навеяла. Журнал «Техника –молодежи» №8 2011
- В. Полякова «Солнечная энергетика – своими руками» Юный техник, №4 за 2011 год, с. 73-77
- habr.com/ru/post/251359
- habr.com/ru/post/455154
Автор материала — Denev.
