Лодка с электроприводом и зарядкой аккумуляторов от солнца

August 21, 2012 by admin Комментировать »

   Познавательный аспект при конструировании такой лодки заключается в знакомстве с практическим освоением фотоэлектричества. Периодический характер солнечного освещения диктует необходимость во многих схемах использовать аккумуляторную батарею и таким образом, мы имеем электрическую энергию, когда в ней есть необходимость, а не тогда, когда светит солнце. Одна из главных проблем при использовании аккумуляторов заключается в управлении зарядным током: перезаряд аккумулятора может привести к выходу его из строя.

   До сих пор для гарантии надежности и большого срока службы батареи аккумуляторов использовался регулятор заряда или ограничивался выходной ток солнечной батареи. В этой главе вам предстоит познакомиться с новым режимом работы солнечных батарей, а именно с их саморегулированием. При их использовании не требуется никаких регуляторов зарядного тока аккумуляторных батарей.

   На режим саморегулирования солнечной батареи большое влияние оказывают характеристики свинцово-кислотной батареи, поэтому необходимо, как мне кажется, кратко ознакомиться с их принципом работы. Свинцово-кислотный аккумуляторный элемент состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в слабый раствор серной кислоты. В этом случае имеет место обратимая электрохимическая реакция, в результате которой может запасаться электрический заряд. Нас будет интересовать только процесс заряда.

   При разряде сульфатные ионы кислотного остатка поглощаются из раствора свинцовыми пластинами. Когда через пластины пропускается зарядный ток, электрическая энергия «вытягивает» сульфатные ионы обратно в раствор. После того как аккумулятор получит около 80% исходного заряда, начинает меняться химическое равновесие внутри элемента. Свинец из соли постепенно восстанавливается до чистого металла.

   Результат аналогичен помещению в водный раствор двух металлических стержней, когда создаются прекрасные условия для электролиза. На самом деле так и происходит. Электролиз сопровождается выделением пузырьков кислорода и водорода, т. е. так называемым эффектом «кипения» аккумуляторного элемента. Более правильно этот эффект назвать газовыделением.

   Именно газовыделение приводит к порче свинцово-кислотной батареи. Если не предпринять каких-либо мер, элемент в конечном счете выйдет из строя Для предотвращения повреждения необходимо снизить зарядный ток в самом начале газовыделения. Этой цели служат регуляторы заряда.

   Рис. 1

   Снизить зарядный ток можно с помощью резистора, подключенного последовательно с аккумуляторной батареей. Часть электрической энергии рассеивается на этом резисторе в виде тепла, что приводит к снижению зарядного тока.

   Другой, часто применяемый способ: на аккумуляторной батарее поддерживают постоянное напряжение, а сила тока принимает различные значения. Поскольку величина тока зависит от разности между напряжением на аккумуляторной батарее и зарядным напряжением, то можно регулировать скорость заряда, меняя напряжение. Подобным образом в электрической системе автомобиля, в которой используется регулятор напряжения, аккумулятор поддерживается в заряженном состоянии.

   К сожалению, применение регулятора напряжения при полной зарядке аккумуляторной батареи требует увеличения времени заряда. При ограниченном числе солнечных часов в течение суток времени для заряда, естественно, мало. Вероятно, вы уже догадались, что идеальное решение — объединение регулятора тока и регулятора напряжения в едином устройстве. Заряд начинается большим током без какого-либо ограничения по напряжению. Когда батарея достигнет стадии газовыделения, устройство уменьшает ток и переключается в режим регулирования напряжения.

   В аккумуляторной батарее запасается максимальное количество заряда в кратчайшее время, при этом вероятность перезарядки аккумулятора исключается. Графически идеальный цикл заряда представлен на рис. 1. Теперь можно рассмотреть характеристику кремниевого солнечного элемента, представленную на рис. 1 (верхняя кривая). Как известно (гл. 2), кремниевый солнечный элемент является генератором тока. Независимо от величины напряжения до изгиба кривой ток всегда постоянен. Напряжение на элементе определяется сопротивлением нагрузки.

   С уменьшением сопротивления нагрузки наступает момент, когда ток больше не является определяющим фактором. Эта часть кривой названа «коленом». При больших значениях напряжения на нагрузочном сопротивлении вступают в действие законы сохранения энергии и квантовой физики, и ток спадает. Обратим пристальное внимание на этот факт, так как в нем заключается смысл саморегулирования солнечной батареи.

   Эта переходная точка на характеристике солнечной батареи весьма важна при дальнейшем рассмотрении. В самом деле, она разделяет два режима работы солнечной батареи. Выше ее солнечный генератор выступает в роли генератора тока, а ниже — эквивалентен регулятору напряжения.

   Если сравнить график работы идеального зарядного устройства с вольт-амперной кривой солнечной батареи (рис. 1), можно отметить, что две кривые очень похожи. Фактически они почти конгруэнтны. Поэтому совершенно естественно увязать вместе обе характеристики. Согласовав точку перегиба вольт-амперной кривой солнечной батареи с моментом начала газовыделения аккумулятора, можно достичь эффекта саморегулирования.

   Возвратимся к типичному примеру. Предположим, что процесс начинается с полностью разряженной свинцово-кислотной батареи. Подключим теперь ее к саморегулирующемуся солнечному генератору. При освещении солнечной батареи аккумулятор начинает заряжаться. В начале процесса напряжение батареи мало (<10 В). При этом солнечная батарея работает в области выше «колена» в режиме генератора тока. Другими словами, аккумулятор получает максимальный ток, который может произвести солнечная батарея, что дает возможность достичь необходимого быстрого заряда.

   По мере накопления заряда в аккумуляторных элементах напряжение начинает постепенно увеличиваться. Вспомните, как мы воспользовались этим увеличением в конструкции регулятора заряда (гл. 6). Мы снова можем сделать то же самое.

   Если согласовать напряжение газовыделения, которое начинается при 12,6 В в 12-вольтовой аккумуляторной батарее, с напряжением «колена» вольт-амперной кривой солнечной батареи, мы сможем получить тот же результат, что и в гл. 6, а именно: снижение зарядного тока.

   Предполагая, что аккумулятор достиг стадии газовыделения, мы наблюдаем, что солнечная батарея выходит из режима стабилизации тока. Теперь увеличение заряда аккумуляторной батареи и напряжения на ней вынудит солнечную батарею работать в режиме регулятора напряжения. В результате снизится зарядный ток.

   Чем больше заряд на батарее, тем больше становится статическое напряжение и тем дальше рабочая точка на характеристике солнечной батареи продвигается в область ниже «колена». За ростом напряжения следует соответствующее снижение выходного тока солнечной батареи.

   К моменту полного заряда аккумуляторных элементов рабочая точка сдвигается по характеристике так далеко вправо, что теперь от солнечной батареи течет лишь небольшой подпитывающий ток. Он столь мал, что батарея может оставаться в таком состоянии сколько угодно долго, без опасения перезаряда. В этой точке напряжение на батарее принимает значение 13,2 В.

   В таком положении все остается до тех пор, пока мы не израсходуем энергию, накопленную в аккумуляторной батарее. Когда элементы отдают энергию, напряжение на батарее соответственно уменьшается и рабочая точка смещается по вольт-амперной кривой в обратном направлении. Сила зарядного тока от солнечной батареи будет зависеть от того, насколько уменьшилась величина напряжения на аккумуляторной батарее, т. е. от пропорционального этой величине количества израсходованной энергии.

   Вот мы и достигли цели, теперь у нас имеется саморегулирующийся солнечный генератор.

   Саморегулирующая солнечная батарея обладает весьма неожиданным свойством: она учитывает влияние температуры. Немногие из окружающих нас предметов не подвержены воздействию температуры. Не составляют исключения солнечные элементы и аккумуляторы. Электрический заряд сохраняется в свинцово-кислотной батарее благодаря химической реакции, которая весьма чувствительна к изменению температуры. Чем выше окружающая температура, тем быстрее протекает реакция. Практически это означает, что в более холодных погодных условиях требуется более высокое зарядное напряжение.

   У обычных регуляторов заряда слежение за температурой всегда составляло проблему. Решить ее простыми средствами не представляется возможным, а любой более или менее сложный способ будет приводить к усложнению и удорожанию конструкции.

   Рис. 2

   Температурная зависимость вольт-амперной характеристики кремниевого солнечного элемента компенсирует температурные свойства свинцово-кислотного аккумуляторного элемента. Понижение температуры фактически вызывает более эффективную работу солнечного генератора.

   Благодаря различным влияниям на объем полупроводника наиболее сильно затрагивается компонента напряжения. Именно это и требуется для аккумуляторной батареи. При понижении внешней температуры увеличивается выходное напряжение солнечных элементов (именно в тот момент), когда батарее требуется большее зарядное напряжение. Более того, при работе в обычном температурном диапазоне зависимости характеристик солнечной и аккумуляторной батарей от температуры настолько хорошо согласуются между собой (рис. 2), что не требуется каких-либо дополнительных мер для успешной совместной работы этих батарей в общем устройстве.

   Настала пора развлекательной части нашего повествования. Пусть теперь саморегулирующаяся солнечная батарея поработает на нас. Для данной конструкции была выбрана небольшая моторная лодка с электроприводом.

Моторная лодка

   Она представляет собой резиновую надувную лодку, изготовленную фирмой Metzeler. Ее длина 2,7 и ширина 1,2 м. Устойчивость лодки обеспечивается двумя разнесенными цилиндрами типа понтонов, а плоское дно служит в качестве просторной «каюты».

   Рис. 3

   Имея небольшую скорость движения по воде (9,4 км/ч), эта лодка прекрасно подходит для ловли рыбы или просто для приятной прогулки в солнечный день. Солнечные батареи устанавливаются на навесе, защищающем пассажиров от лучей солнца (рис. 3). Кроме питания лодочного электромотора фотоэлектрическая систем: может также обеспечить электроэнергией радиоприемник, систему освещения или водяной насос.

   Начинаем наше описание с лодки. Хотя для выбора имеется множество типов лодок, предпочтение было отдано мною надувной понтонной лодке по двум причинам.

   Во-первых, она надувная. А это означает, что она портативная и в спущенном состоянии удобна для хранения. Во-вторых, надувная лодка — добротное, устойчивое судно, которым можно пользоваться в течение длительного времени. В дальнейшем я подробно объясню, как было осуществлено преобразование солнечной энергии на данной конкретной лодке.

   Если вы лучше меня разбираетесь в лодках и захотите смонтировать солнечную батарею на лодке другого типа, воспользуйтесь тем не менее следующими рекомендациями. Вначале устанавливаются солнечные батареи. В данной конструкции использовались солнечные батареи М-61 фирмы ARCO Solar, Inc. саморегулирующего типа.

   Каждая батарея М-61 мощностью 25 Вт конструктивно выполнена в виде панели длиной 120 см, шириной 30 см и толщиной 4 см, содержащей 30 монокристаллических круглых элементов диаметром 10 см. Батарея рассчитана на напряжение 14,1 В и ток 1,75 А. Если вы хотите сами изготовить солнечную батарею, постарайтесь, чтобы ваша батарея имела такие же характеристики. Убедитесь в том, что солнечные батареи абсолютно водонепроницаемы: уж чего-чего, а влаги будет предостаточно!

   Для движения лодки потребуются четыре солнечные батареи с указанными характеристиками. Разместите их в один ряд на панели размером 120×120 см^2 и соедините параллельно. Полный ток четырех параллельно соединенных батарей составляет 7 А, а напряжение 14 В. Панель солнечных батарей крепится к палубе с помощью каркаса из полихлорвиниловых водопроводных труб диаметром 4 см (Schedule-40). Пластмассовая трубка — отличный материал для подобных целей; она жестка, недорога, легка и главное не подвержена коррозии.

   Каркас из труб выполняется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4. Соединения под 90° выполнены с помощью угольников, а верхняя рама прикрепляется с помощью тройников.

   Требуются четыре стойки длиной около 120 см каждая. Нижние концы двух передних стоек соединяются стяжкой, которая, как видно из рис. 3, покоится на дне лодки непосредственно перед передним сиденьем. Две задние стойки соединяются аналогично и закрепляются у заднего сиденья.

   Отрежьте ножовкой куски пластмассовых труб требуемой длины и соберите каркас, подгоняя детали по месту. Хотя на рис. 4 приведены точные размеры (в см), их необходимо использовать лишь в качестве рекомендации. Окончательная подгонка осуществляется на самой лодке. Несущий каркас солнечной батареи должен плотно входить между понтонами при установке его на место на дно лодки.

   Когда вы удостоверитесь, что все сделано верно, склейте детали чистым ПВХ-клеем, содержащим растворитель для пластмассы 1 При склеивании двух пластмассовых деталей образуется соединение столь же прочное, как и сам исходный материал.

   Необходимо работать с этим клеем быстро, он не оставляет времени для раздумий. Поэтому прежде, чем клеить, подготовьте и разместите все детали. Склеивайте не более двух деталей сразу и, прежде чем переходить к следующему соединению, дождитесь полного схватывания клея.

   Рис. 4

   Затем с помощью болтов соедините вместе солнечные батареи в единый блок площадью 1,5 ма. Для этой цели на металлической окантовке батарей имеются специальные отверстия. Между батареями необходимо оставить небольшой зазор, чтобы снизить парусность конструкции. Для разделения батарей можно использовать распорки.

   Затем панель солнечных батерей размещается на несущем каркасе и привязывается шнуром или веревкой по крайней мере в четырех точках с каждой стороны и в тех местах, где батареи свинчены между собой. Лучше не скупитесь на шнур, иначе ваша батарея после сильного порыва ветра упадет в воду. В качестве лодочного двигателя используется электрический мотор весом около 13 кг. Подобные электромоторы производятся различными фирмами, например Montgomery Ward и Sears.

   Лодочный двигатель поставляется прикрепленным к деревянной траверсе, которая легко выдержит небольшой электромотор, так как конструкция рассчитана на небольшую мощность до 4 л. с. (около 3 кВт).

   Электромотор питается от 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи. Это батарея гельных элементов, подобная описанному в гл. 14 типу. По существу гельный элемент аналогичен обычному свинцово-кислотному элементу с жидким электролитом. Однако в гельный элемент заливается не жидкий, а густой электролит фирмы Jell-O, имеющий консистенцию желе. Применение гельной аккумуляторной батареи вместо стандартной морской батареи обусловлено отсутствием протекания электролита. Даже если лодка перевернется (чего никогда не случалось), кислота не прольется.

   Поскольку солнечные батареи-саморегулирующие, единственное, что требуется,— это присоединить их к аккумуляторной батарее, а ту в свою очередь к электромотору. Все очень просто!

   С какой целью в данной конструкции используются солнечные саморегулирующие солнечные батареи? С одной стороны, такие батареи упрощают конструкцию и повышают надежность. Это — главная причина. С другой стороны, это дало мне возможность продемонстрировать вам еще одно свойство солнечных батарей. Хорошо ли работают солнечные батареи? Что ж, сознаюсь: на рис. 3 вы видите не мою лодку, она принадлежит Гэри Занстечеру (сидящему в ней), которому я и предоставляю возможность объяснить, хороша ли она. Вот его мнение:

   «Это — устойчивое судно, легкое в транспортировке и сборке. Обычно лодка пришвартована в Марина-дель-Рей. Мы пользуемся ею по выходным дням и в свободное время.

   Благодаря своим характеристикам лодка развивает скорость, составляющую 9,4 км/ч. При движении мотор потребляет 25 А, следовательно, аккумуляторной батареи емкостью 80 А*ч хватает приблизительно на 3 ч работы. Однако необходимо помнить, что одновременно происходит непрерывная подзарядка от солнечной батареи.

   Я катался на лодке по 4—5 ч подряд и никогда не испытывал недостатка в электроэнергии. Конечно, я пользовался лодкой только в солнечные дни. Лодка находится на стоянке по крайней мере в течение недели между поездками, поэтому у солнечных батарей достаточно времени для зарядки аккумуляторов.

   Посмотрите, солнечные батареи не ориентированы на солнце. Это делать неразумно, поскольку лодка постоянно меняет свою ориентацию и направление движения. Батареи установлены горизонтально и, конечно, большую часть времени не генерируют полного тока. Тем не менее, когда солнце находится высоко над горизонтом, они функционируют довольно хорошо.

   Батареи лишь привязаны к панели, поэтому их можно очень быстро снять. Они довольно дороги, и я не хочу потерять их в шторм. Правда, лодка выдерживала воздействия ветра, дующего со скоростью до 56 км/ч, без каких-либо проблем.

   Вообще должен сказать, что лодка с солнечной батареей — весьма забавная штука».

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты