Зарядка акумуляторів за допомогою сонячних батарей

Для забезпечення роботи з радіо експедицій часто застосовують нікель-кадмієві акумулятори (НКА). Але, з плином часу роботи в ефірі НКА необхідно підзаряджати. В умовах експедиційної роботи одним з найкращих варіантів підзарядки акумуляторів є використання сонячних батарей. Енергія Сонця цілком зможе забезпечити роботу із зарядки акумуляторів. Розберемо принципи використання сонячних батарей для зарядки акумуляторів

Ці сонячні батареї можуть забезпечити зарядний струм акумулятора в межах 35-50 міліампер, не більше того. Причому це буде при хорошому сонячному освітленні. Отже, за допомогою широко розповсюджених сонячних батарей можна забезпечити заряд малопотужних акумуляторів мають місткість не більше 0,45 А / г. Зауважу, що широко поширені акумулятори типу ЦНК-0, 45 як раз мають таку ємність …

Необхідно також враховувати, що в середині літа, у липні, світловий період, в який батарея ефективно віддає енергію, зазвичай триває не більше 7-9 годин. Найбільш ефективний час для роботи сонячної батареї з 10 до 17 години. Після цього часу струм сонячних батарей падає. Падає струм, що генерується сонячною батареєю у хмарну погоду. Деяка орієнтування сонячних батарей щодо положення Сонця, допомагає збільшити генерований ними струм, але … Спробуйте самі покриття батареї в пошуках їх кращого освітлення, і переконайтеся, що це нелегка справа.

Що ж можна зробити для збільшення струму, який генерується сонячною батареєю? Найбільш просто струм сонячних батарей можна збільшити за допомогою їх паралельного включення. Звичайно, необхідно включати сонячні батареї, які мають однакову кількість елементів і, отже, забезпечують однакову напругу фото ЕРС. Але все ж таки паралельне включення сонячних батарей, як це показано на рис. 1 , Небажано. Кращі результати будуть отримані при паралельному включенні елементів сонячних батарей, як це показано на рис. 2 .


Небажане включення сонячних батарей


Паралельне включення елементів сонячних батарей

Давайте розберемо, чому небажано паралельне включення сонячних батарей, показане на рис. 1 . Внаслідок різної освітленості сонячних батарей генеруються ними напруги будуть трохи відрізнятися один від одного. Внаслідок цього, ефективно буде працювати тільки одна сонячна батарея. При включення сонячних елементів за схемою, показаної на рис. 2, напруги, що генеруються ними, більш рівномірно розподіляються по сонячній батареї. Внаслідок цього, часткове затінення частини елементів не принесе великої шкоди для роботи сонячної батареї. Однак паралельне включення потребують розпаювання готових батарей, а потім нове включення їх елементів між собою. Робота досить нудна, коса проводів між батареями … Але якщо необхідний великий струм, то цю роботу все ж таки доведеться виконати.

Для збільшення напруги сонячної батареї, можна включати послідовно, скільки угодне велика кількість сонячних елементів. Напруга такий сонячної батареї буде дорівнює сумі напруг на всіх складових її сонячних елементах. Струм, що віддається цієї батареєю, буде обмежений струмом гіршого елемента.

Найголовніший недолік сонячних елементів, на мій погляд, це тільки їх відносна дорожнеча. Але цей недолік окупає ефективна робота заряджаються за допомогою сонця акумуляторів.

Зарядка / підзарядка акумуляторів

Отже, при достатній кількості сонячних елементів можна створити сонячну батарею з практично будь-якими напругою і струмом, і здатну забезпечити зарядку будь-якого типу акумуляторів. Вся справа тільки у вартості такої сонячної батареї. Звичайно, не слід забувати, що потужна сонячна батарея буде займати велику площу для своєї установки. Слід також зауважити, якщо повноцінне сонячне освітлення батареї буває обмежений час доби, то бажано використовувати сонячну батарею, що забезпечує прискорений зарядний струм, величина якого знаходиться в межах 0,15-0,3 від ємності акумуляторів.

Зазвичай в радіо експедиціях ефективна робота можлива у вечірній і нічний час. У цей час проходження на багатьох діапазонах поліпшується, з'являється багато місцевих станцій. Використання сонячної батареї дозволяє ввечері і вночі розрядити акумулятори під час роботи в ефірі, а вдень провести їх заряджання.

Якщо ж сонячна батарея забезпечує струм, менший ніж номінальний зарядний струм, менш 0,08 від ємності акумуляторів, то в даному випадку мова може йти не про зарядці , А тільки про заряджанні акумуляторів. Це означає, що в світлий період часу сонячна батарея повинна бути постійно підключена до акумулятора, весь цей час постійно підзаряджаючи його. При цьому необхідно контролювати, що б під час роботи акумуляторної батареї напруга на одному елементі акумулятора було б не нижче 1,2-1,15 вольт. При напрузі нижче 1,15 вольт акумулятор необхідно зняти з роботи і поставити на зарядку. В іншому випадку за короткий час напруга на елементах акумулятора впаде до 1,1 вольта, і таку використану акумуляторну батарею вже неможливо буде використовувати в експедиції без серйозної зарядки. Це вказує на те, що в експедиції, обов'язково необхідно контролювати напругу на акумуляторної батареї під навантаженням. Розрядна і зарядна характеристика одиночного акумулятора показана на рис. 3 .


Розрядна і зарядна характеристика нікель / кадмієвого акумулятора

Для подальшого розуміння процесу зарядки сонячною батареєю акумулятора розглянемо характеристики елемента сонячної батареї. Залежність струму одного елемента сонячної батареї типу БСК-2 від напруги на ньому показана на рис. 4 . Цей графік знятий при оптимальному освітленні сонячного елемента. Цей графік типовий і для інших сонячних елементів. Звичайно, значення максимального струму буде залежати від потужності сонячного елемента. Для зняття цього графіка до освітленого сонячного елементу підключають змінний резистор. Змінюють опір змінного резистора, і вимірюють струм, що надходить в резистор і напруга на сонячному елементі. Схема для зняття вольт / амперної характеристики сонячного елемента показана на рис. 5 .


Вольт / амперна характеристика сонячного елементу


Схема для зняття вольт / амперна характеристики сонячного елемента

При роботі сонячного елемента без навантаження напруга фото ЕДС на ньому складе близько 0,6 В. При підключенні навантаження, а потім при зменшенні її опору, струм у навантаженні почне збільшуватися. Напруга на навантаженні при цьому почне знижуватися. Напруга приблизно 0,45 вольт на навантаженні є оптимальним режимом роботи сонячного елемента. При спробах збільшити відбір струму, напруга на сонячному елементі падає, а струм, який він генерує, продовжує залишатися практично незмінним. Це говорить про те, що сонячна батарея є майже ідеальним джерелом струму, то, що як раз і треба для зарядки акумуляторів!

Для схеми вимірювання струму сонячного елемента (див. рис. 5 ) Був побудований графік залежності розсіюваною потужності в опорі навантаження сонячного елемента. Графік показаний на рис. 6 . Цей графік знятий при оптимальному освітленні сонячного елемента. Для спорудження графіка вимірювалося навантажувальний опір сонячного елемента при різних напругах на ньому. Потім, виходячи з значення опору навантаження, і струму, що протікає через навантаження, був побудований графік потужності, розсіюваною у навантаженні. З цього графіка видно, що максимальна потужність що віддається в навантаження сонячним елементом буде при напрузі на навантаженні 0,45 вольт. Оптимальне напруга на навантаженні (0,45 вольт) відрізняється від напруги фото ЕРС (о, 6 вольт) в 0,75 разів.


Графік залежно розсіюваною потужності в опорі навантаження від напруги на ній

Отже, для зарядки акумуляторів можна застосувати сонячну батарею, яка має максимальний генерований струм приблизно рівний струму зарядки акумуляторів. У цьому випадку сонячна батарея автоматично буде виробляти зарядку акумуляторів необхідним зарядним струмом при своєму освітленні. Батарею необхідно підключати до акумуляторів через діод, як це показано на рис. 7 . Це необхідно тому, що при несприятливому сонячному освітленні напруга на сонячній батареї може впасти нижче, ніж напруга на заряджаються акумулятори. У цьому випадку акумулятори замість свого заряду, розрядяться через внутрішній опір сонячної батареї. Буферний конденсатор необхідний, якщо, акумулятори будуть використовуватися для роботи під час своєї зарядки / підзарядки.


Підключення сонячної батареї до акумуляторів

Послідовно з сонячною батареєю включений міліамперметр. Включення міліамперметра вельми і вельми бажано. Він показує, якої величини струм споживає акумулятор від сонячної батареї. А це дає можливість судити, чи знаходиться акумулятор під зарядним струмом або тренувальним, і взагалі, чи працює в даний момент сонячна батарея чи ні. В якості міліамперметра зручно використовувати індикатор запису від старого магнітофона.

Шунт для цього індикатора записи теж зробити досить просто. На резистори типу МЛТ-0, 5 намотуємо 1 метр проводи типу ПЕЛ-0, 1. Підключаємо шунт паралельно мікроамперметра і вимірюємо, який максимальний струм він при цьому може вимірювати. Припустимо, вийшло 100 міліампер. А для заряду акумуляторів використовується сонячна батарея з максимальним струмом 40 міліампер. Отже, зручно мати максимальну шкалу в 50 міліампер. Для отримання такого максимального струму відхилення мікроамперметра опір шунта необхідно збільшити в два рази. Для цього необхідно збільшити довжину проводу шунт до двох метрів. Аналогічно можна провести практичну підгонку шунт і для інших струмів відхилення міліамперметра.

У похідних умовах можна вважати процес зарядки акумуляторної батареї завершеним, якщо напруга на її елементах під навантаженням становить не менше 1,25 В / на елемент, і їх ЕРС становить не менш 1,36 В / на елемент.

Якщо ж сонячна батарея використовується тільки для підзарядки акумуляторів, то її необхідно виробляти в міру необхідності – в міру розряду акумуляторів. За несприятливих умовах підзарядка може навіть тривати цілий світловий день. Вночі сонячні батареї немає необхідності відключати від акумуляторів, оскільки вони будуть відключені автоматично за допомогою діода lang = EN-US VD 1 (див. рис. 7 ).

Розрахунок параметрів сонячної батареї

Наведемо приклад розрахунку сонячної батареї, необхідної для зарядки акумуляторів. Як показано на графіках рис. 3 , Під час зарядки акумулятора напруга на ньому буде перебувати в межах 1,4 В. Для живлення апаратури в польових умовах, звичайно застосовують напругу живлення 12 вольт. Таке напруження можуть забезпечити 10 нікель-кадмієвих акумуляторів, включених послідовно. Для зарядки батареї з 10 нікель-кадмієвих акумуляторів, включених послідовно, необхідно забезпечити напруга на них рівне 14 вольт (10 * 1,4 = 14). При максимальному ККД роботи сонячної батареї, коли напруга на одному сонячному елементі складе 0,45 вольт, напруга 14 вольт може забезпечити сонячна батарея що складається з 31 елемента (14 / 0,45 = 31).

Врахуємо падіння напруга на діод, рівне 0,7 вольта. Отже, сонячна батарея повинна мати ще два зайвих елемента. Сумарна кількість сонячних елементів в батареї в цьому випадку буде дорівнювати 33 (31 +2 = 33). Напруга фото ЕРС сонячної батареї містить 33 елемента складе 19,8 вольт. Отже, ми підійшли до важливої речі. Виявляється, для зарядки акумуляторної батареї напругою 12 вольт, необхідна сонячна батарея напругою фото ЕРС майже 20 вольт! Таку батарею можна зібрати самостійно використовуючи окремі сонячні елементи або кілька готових сонячних батарей.

У паспорті на сонячні батареї вказують як раз напруга фото ЕРС. У продажу є сонячні батареї на напруги фото ЕРС рівне 12 і 9 вольт. Отже, при оптимальному опорі навантаження (Див. рис. 6 ) Напруга на цих батареях складе 6,75 вольт, для 9 – вольтової сонячної батареї, 9 вольт для 12 вольтової сонячної батареї.

Дві послідовно включені сонячні батареї, які мають напругу фото ЕРС 9 і 12 вольт можна з успіхом використовувати для зарядки 12 вольтової акумуляторної батареї. Перевищення сумарного напруги, яке для двох батарей складе 21 вольт, розрахункового напруги 20 вольт на один вольт не страшно. Це перевищення буде компенсовано деяким зменшенням вихідної напруги сонячної батареї що вийде з-за нерівномірного освітлення елементів, складових сонячну батарею. Звичайно, слід не забувати, що струм сонячних батарей не повинен перевищувати зарядний струм акумуляторів.

Дві послідовно включені сонячні батареї на напругу 9 вольт не зможуть забезпечити повну зарядку акумуляторної батареї. Вони здійснять лише її підзарядку, до рівня не більше 20% від необхідного заряду (див. рис. 3 ). Однак, підключена до 12 вольтової акумуляторної батареї сонячна батарея з фото ЕРС 18 вольт допоможе "розвантажити" режим роботи цієї акумуляторної батареї. Вона зможе згладити пікові струмові навантаження і забезпечить у міру своїх сил підзарядку акумуляторів.

Експлуатація сонячних батарей

При використанні сонячних батарей необхідно прагнути до того, щоб вони були розміщені на максимально освітленому місці і були висвітлені однаково. Необхідно вжити заходів, що виключають механічне пошкодження батарей, а також прямий вплив на них вологи і пилу. При транспортуванні необхідно уникати трясіння сонячних батарей.

Необхідно дотримувати температурний режим сонячних батарей, який вказаний в їх паспорті. Зазвичай це -40 ° +50 ° С. Улітку, у спекотну погоду необхідно розташовувати сонячні батареї на поверхні мало схильною до нагрівання, наприклад, на відріз білої матерії, або на блискучій алюмінієвої фользі. У цьому випадку вони слабо нагріваються і забезпечують задовільну роботу розташованої поверх їх сонячної батареї.

Необхідно відзначити, що нікель-кадмієві акумулятори теж погано працюють при підвищених і знижених температурах. Пониження температури акумулятора нижче 0 ° С призводить до значного зниження їх потужності.

Результати випробування сонячних батарей

Практичні випробування сонячних батарей спільно з акумуляторними батареями показали велику ефективність такої спільної роботи.

На практиці мною були використані кілька комплектів сонячних батарей. Один комплект забезпечував напруга фото ЕРС 18 вольт. Він був складений з двох сонячних батарей на напруга 9 вольт. Пізніше мені вдалося придбати сонячну батарею на напругу 12 вольт. У результаті цього, з'явилася можливість використовувати комплект сонячних батарей на напругу 21 вольт. Ці сонячні батареї забезпечували струм у навантаженні межах 40 міліампер.

Перший час експерименти проводились спільно з сонячною батареєю має напруга фото ЕРС 18 вольт. Сонячна батарея була постійно підключена до акумуляторів за схемою показаною на рис. 7 . Сонячна батарея на напругу 18 вольт забезпечувала успішну підзарядку акумуляторної батареї з використанням елементів ЦНК-0, 45 і 1,5-НКГН. На жаль тільки заряджання. Інтенсивно виряджені під час нічної роботи акумулятори така сонячна батарея вже зарядити не змогла. У результаті цього, на наступну ніч акумулятори працювали нетривалий час.

Однак при невеликих навантажувальних токах цих акумуляторів така сонячна батарея була досить корисною. Під час світлого періоду вона забезпечувала постійну підзарядку акумуляторів, тримала їх під тренувальним струмом, що сприятливо позначалося на роботі акумуляторів. У результаті цього, акумулятори спільно з сонячною батареєю працювали набагато довше, ніж без неї.

Але зовсім інша картина була при використанні сонячної батареї на напругу 21 вольт, яка була складена з батареї на напругу 9 і 12 вольт. Ця сонячна батарея дозволила виробляти зарядку акумуляторів під час світлового дня. Причому цією зарядки цілком вистачало для інтенсивної вечірньої роботи трансівера потужністю 1 ват. Звичайно, оптимальної таку сонячну батарею треба вважати тільки для зарядки акумуляторів типу ЦНК-0, 45, що мають зарядний струм рівний 45 міліампер. Акумулятори типу 1,5 НКГН, що мають зарядний струм рівний 150 міліампер, така батарея повністю зарядити не могла. Але в той же час вона їм значно додасть розтраченою за темний час роботи ємності!

Батарею на напругу 21 вольт можна підключати до працюючих в денний час акумуляторам типу 1,5 НКГН. Підключати її до працюючих спільно з радіоапаратурою акумуляторам типу ЦНК-0, 45 небажано. У цьому випадку цей тип акумуляторів буде працювати у важкому для них режимі, що може викликати їх прискорений вихід з ладу. Для уникнення цього в експедиції бажано використовувати дві акумуляторних батареї, одну для роботи, а іншу в цей час для зарядки.

Увага: можливий перезаряд!

Необхідно звернути увагу радіоаматора, що в деяких випадках сонячна батарея може зробити перезаряд акумуляторної батареї. А це призведе до переполюсовке елементів акумуляторної батареї і до виходу її з ладу. Відразу можна сказати, що при використанні 18 вольтової сонячної батареї можна не побоюватися перезарядження акумуляторної батареї на 12 вольт. Як ми вже розбирали, сонячна батарея на напругу 18 вольт зможе забезпечити тільки дозарядки акумуляторної батареї на рівні 20% від її номінальної потужності. Після цього сонячна батарея забезпечить лише тренувальний струм для цих акумуляторів.

Зовсім інший випадок буде при використанні сонячної батареї на напругу 21 вольт. Ця батарея здатна забезпечити зарядний струм навіть після повного заряду акумулятора. Відразу необхідно зазначити, що при використанні сонячної батареї забезпечує зарядний струм 40 міліампер можна зіпсувати тільки акумулятори типу ЦНК-0,45. Акумулятори типу 1,5-НКГН, які вимагають зарядного струму величиною 150 міліампер такий сонячною батареєю за час експедиції зіпсувати важко. Але, все ж таки необхідно дотримуватися обережності і при їх зарядці.

Для того, що б, не зіпсувати акумуляторну батарею, необхідно вести облік часу її роботи. Після цього проводити дозарядки відданої ємності. Наведу приклад такого розрахунку. Візьмемо найпростіший випадок. Акумуляторна батарея, складена з елементів ЦНК-0, 45 (отже, має зарядний струм 40 міліампер), живить приймач з струмом споживання рівним 40 міліампер. Припустимо, цей приймач пропрацював увечері 4 години. Отже, втрачена ємність акумулятора дорівнює 160мА/час (40 * 4 = 160). Для відновлення втраченої ємності акумуляторної батареї вона повинна отримати заряд на 150% перевищує втрачений заряд. Отже, для відновлення заряду ця акумуляторна батарея вдень повинна перебувати під зарядним струмом 40 міліампер протягом 6 годин (160/40 = 4; 4 * 1,5 = 6).

А якщо акумуляторна батарея використовувалася для живлення трансівера, який працює на передачу? Що ж, необхідно враховувати час, протягом якого він працює на передачу. Припустимо, трансивер споживає 50 міліампер на прийом і 150 міліампер під час передачі. Працював трансівер протягом 3 годин, з них півгодини на передачу. Отже, акумуляторна батарея 2,5 години віддавала струм 50 міліампер і 0,5 години 150 міліампер. Розрахуємо втрачену ємність:
-Під час прийому 125мА/час (50 * 2,5 = 125);
-Під час передачі 75мА/час (150 * 0,5 = 75);
-Загальна втрачена ємність дорівнює 200мА/час (125 +75 = 200).

Для відновлення втраченої ємності акумуляторної батареї вона повинна отримати заряд на 150% перевищує втрачений заряд. Отже, для відновлення заряду ця акумуляторна батарея вдень повинна перебувати під зарядним струмом 40 міліампер протягом 7,5 годин (200/40 = 5; 5 * 1,5 = 7,5).

Усунення ефекту пам'яті

На жаль, нікель кадмієві акумулятори володіють так званим ефектом пам'яті. У чому це проявляється? Якщо акумулятор кілька разів розряджати не повністю, припустимо на 30% від його ємності, а потім знову проводиться його дозарядки, то акумулятор "запам'ятає" розрядний цикл. Згодом акумулятор буде віддавати тільки 30% свого заряду, навіть при отриманні ним повного заряду. Зазвичай в радіо експедиціях акумулятори не встигають підхопити цю хворобу. Акумулятор кожен день зазнає різні розрядні / зарядні цикли, причому розрядні цикли бувають досить глибокими.

Проте, після закінчення експедиції, в якій використовувалася підзарядка акумуляторів, для усунення ефекту пам'яті, акумулятора необхідно дати не менше двох циклів повного розряду / заряду.

Вдалого використання сонячної батареї в радіоекспедиція!

Григоров І.М. (RK3ZK)

Стаття була опублікована: Радиоконструктор. – № 10 – 2002, С. – 13 – 17.

Джерело матеріалу