У багатьох випадках необхідно, щоб електроприлади та обладнання працювали і при відсутності сонячного світла. Для цього слід накопичити в акумуляторах сонячну енергію, вироблювану протягом дня, для подальшого використання. Найбільш прийнятними для цих цілей є свинцево-кислотні акумуляторні батареї.

Свинцево-кислотні акумуляторні батареї фактично складаються з декількох окремих елементів, з’єднаних послідовно. Кожен елемент, що розвиває напругу до 2 В, містить дві свинцеві пластини, поміщені в слабкий розчин сірчаної кислоти. При протіканні електричного струму через елемент відбувається оборотна електрохімічна реакція, і в елементі запасається електрична енергія, яку при необхідності можна згодом використовувати.

Незважаючи на уявну простоту, в дійсності процес зарядки акумуляторної батареї досить складний. Батарея свинцево-кислотних акумуляторів є чутливим електричним пристроєм, що вимагає дбайливого ставлення, особливо при зарядці. На підтвердження цього простежимо за різними стадіями типового зарядного циклу.

Заряд акумуляторної батареї починається при додатку напруги до пластин елементу, в результаті чого через нього починає протікати електричний струм. Він призводить до виникнень електрохімічної реакції, що змінює хімічний склад пластин і електроліту акумуляторного елемента. Швидкість цієї реакції залежить від величини зарядного струму. Чим більше струм, тим швидше протікає реакція. В кінцевому рахунку саме заряд, пов’язаний з цим струмом, запасається в елементі для подальшого використання.

Акумуляторна батарея накопичує все більший заряд, і врешті-решт наступає насичення. По суті хімічна реакція стабілізується або врівноважується, і подальше накопичення заряду припиняється. Рівновага настає, коли більшість сульфатних іонів, які були поглинені з розчину сірчаної кислоти свинцевими пластинами під час циклу розряду батареї, повертається з пластин в розчин.

При цьому пластини знову набувають металеві властивості і починають вести себе, як електроди, поміщені в водний розчин (прекрасне середовище для електролізу). Зарядний струм починає розкладати воду в електроліті на елементарні складові (водень і кисень).

Цей процес можна помітити, навіть не знаючи про його існування, спостерігаючи так зване «кипіння» батареї. Термін цей помилково використовують через зовнішню схожість пробульківанія бульбашок газу при електролізі з кипінням.

Правильніше цей ефект називати газовиділенням. Газовиділення починається, коли в батареї запасено близько 70-80% повного заряду. Якби батарея заряджалася з колишньою швидкістю, газовиділення призвело б до пошкодження акумуляторних елементів.

Однак швидкість електролізу, що викликає газовиділення, пропорційна струму, що протікає через елемент. Чим менше струм, тим повільніше розкладається вода і слабкіше виділення газу. Можна суттєво зменшити руйнівні наслідки виділення газу, знизивши зарядний струм при появі ознак газовиділення. Хоча воно повністю припиняється тільки в відсутність струму, величину зарядного струму можна знизити до такого рівня, щоб не погіршити якість батареї при накопиченні заряду. На останньому етапі заряду акумуляторну батарею заряджають струмом, величина якого зазвичай складає невелику частина початкового зарядового струму. Цим струмом повільно заряджають батарею і тим самим запобігають інтенсивне виділення газу.

Після повного заряду акумуляторної батареї її можна відключити від джерела живлення. Через наявність домішок в електроліті і зміни хімічного складу пластин в акумуляторних елементах виникають внутрішні струми, що зменшують з часом накопичений заряд. В остаточному підсумку акумуляторна батарея саморозряд.

Очевидно, що струм, необхідний для заряду акумуляторної батареї, залежить від ступеня зарядженості акумуляторних елементів. Звідси випливає необхідність створення регулятора заряду, що оцінює стан розрядженої батареї і в залежності від нього керуючого зарядним струмом. Відомі три способи заряду свинцево-кислотних акумуляторів. При заряді від сонячних елементів найбільш придатний спосіб з двоступінчастим зарядним циклом (рис. 1).

Перш за все припустимо, що акумуляторна батарея повністю розряджена. Почнемо пропускати струм через елементи. Оскільки зарядний цикл акумуляторної батареї повинен відповідати періоду генерації сонячними елементами корисної електричної потужності, бажано, щоб заряд батареї відбувався за можливе найкоротший час.

Оптимальним режимом заряду буде такий, при якому виділення газу почнеться приблизно через 4 години після початку заряду батареї. Це час відповідає найбільшої інтенсивності сонячного випромінювання в світлий час доби, зазвичай в інтервалі 10-14 ч. Незалежно від сезонних змін і погодних умов саме в цей час доби можна досягти максимальної віддачі від сонячних елементів.

Цього часу заряду чисельно відповідає зарядний струм величиною 20 А на кожні 100 А-год ємності батареї, якщо, звичайно, сонячні елементи дозволяють отримувати такий струм. Наприклад, батарея ємністю 75 А-ч повинна заряджатися струмом 15 А. Після 4-годинного заряду при фіксованій швидкості до початку газовиділення в батареї буде запасено 80% повного заряду. На наступному етапі необхідно знизити зарядний струм до більш низького рівня.

Рис. 1

Величина цього струму звичайно становить 2-5% ємності батареї. Для взятої в якості прикладу батареї ємністю 75 А-ч зарядний струм на кінцевому етапі заряду може становити 1,5-3,75 А. В залежності від обраного струму буде потрібно ще 4-10 год для остаточного заряду акумуляторної батареї.

При такій швидкості для повного заряду батареї потрібно більше 1 сут. Однак у скоєних енергетичних пристроях акумуляторні батареї зазвичай знаходяться в повністю зарядженому стані більшу частину часу експлуатації, а їх повна розрядка зустрічається вкрай рідко.

Після остаточного заряду акумуляторної батареї рекомендується додатково подати на неї струм резервного (компенсаційного) підзарядки. Величина цього струму звичайно становить 1-2 % Повної ємності акумуляторної батареї. Цей додатковий третій етап заряду батареї ускладнює конструкцію регулятора заряду.

Вийти з положення можна, об’єднавши другий і третій етапи заряду, використовуючи в якості кінцевого струму або резервного підземному рядного струму один і той же струм, значення якого становить 2% від ємності батареї. У результаті спрощується конструкція регулятора і підвищується його надійність.

Для нормальної роботи регулятора заряду, який задовольняє перерахованим вище вимогам до зарядного струму, необхідно мати відомості про ступінь зараженості акумуляторної батареї в будь момент часу.

На щастя, сама батарея дає ключ до вирішення цієї проблеми: мається надійно встановлене співвідношення між кількістю запасеного в батареї заряду і напругою на ній. Як видно з рис. 2, це відношення майже завжди лінійно.

Рис. 2

Цікавить нас область заряду лежить в межах 70-80% від повного заряду батареї. Саме при досягненні такого ступеня зарядженості починається газовиділення і необхідно змінити зарядний струм. Для 12-вольтової батареї в цій точці напруга становить 12,6 В. Повністю заряджена батарея розвиває напругу 13,2 В.

Визначаючи напруга на батареї, можна регулювати зарядний струм. Якщо напруга нижче 12,6 В, то акумуляторні елементи містять менше 80% заряду і регулятор видає повний зарядний струм. Коли ж напруга на батареї піднімається вище 12,6 В, необхідно знизити зарядний струм до рівня підживлює струму.

За напругою на батареї стежить спеціальний пристрій (компаратор), яке являє собою не що інше, як звичайний підсилювач з дуже великим коефіцієнтом підсилення. Дійсно, компаратор, включений у схему, подану на рис. 3, можна використовувати як операційний підсилювач.

Компаратор порівнює два напруги-вимірюване і опорне, що подається на його входи. На інвертується вхід компаратора (-) подається опорна напруга зі стабілітрона D2. Цим напругою задається рівень спрацювання пристрою.

Рис. 3

Напруга батареї ділиться резисторами R1, і R2 так, щоб воно приблизно дорівнювало напрузі стабілізації діода D2. Напруга, поділене резисторами, подається на неінвертуючий вхід (+) компаратора з движка потенціометра точної настройки порога перемикання.

Якщо напруга акумуляторної батареї зменшиться настільки, що сигнал на неінвертуючий вході опуститься нижче межі, що визначається діодом D2, на виході компаратора встановиться негативне напруга. Якщо ж напруга батареї піднімається вище опорного, на виході компаратора встановиться позитивна напруга. Перемикання знака напруги на виході компаратора і буде забезпечувати необхідне регулювання зарядного струму.

Зарядний струм регулюється за допомогою електромагнітного реле. Реле управляється через транзистор Q1 вихідною напругою компаратора. Негативна напруга на виході компаратора означає, що батарея розряджена і вимагається повний зарядний струм (транзистор Q1 закритий). Отже, колекторний струм рівний нулю і реле вимкнено.

Нормально замкнуті контакти реле шунтируют струмообмежувальні резистор Rs. Коли реле вимкнено, резистор виключений з ланцюга і повний струм від сонячних елементів надходить на акумуляторну батарею.

Зі збільшенням ступеня зарядженості зростає напруга на акумуляторної батареї. Виділення газу починається, коли напруга досягне 12,6 В. Компаратор, налаштований на цей рівень, перемикається (на виході компаратора – плюс). Транзистор відкривається, і колекторний струм включає реле. Контакти реле, шунтувати резистор Rs, розмикаються.

Рис. 4

Тепер зарядний струм від сонячних елементів повинен подолати опір обмежує резистора. Номінал цього резистора вибирається таким, щоб величина зарядного струму склала 2% від ємності батареї. У таблиці на рис. 4 представлені значення Rs залежно від ємності акумуляторної батареї.

Поблизу напруги перемикання компаратора є деяка невизначеність. Нехай, наприклад, напруга на батареї піднялося до 12,6 В, перевищивши поріг спрацьовування. У звичайних умовах при цьому зміниться вихідна напруга компаратора, спрацює реле і зменшиться зарядний струм. Однак вихідна напруга акумуляторної батареї залежить? не тільки від ступеня зарядженості, але і від інших факторів, і тому не так вже й рідко спостерігається невелике зниження напруги після виключення великого зарядного струму. Цілком імовірно, наприклад, зниження напруги на кілька сотих часток вольта (До 12,55 В). Як в цьому випадку буде працювати схема?

Очевидно, що компаратор переключиться назад і відновиться режим великого зарядного струму. Оскільки напруга на акумуляторної батареї дуже близько до 12,6 В, то різке зростання струму безсумнівно викличе стрибок напруги до рівня, що перевищує 12,6 В. В результаті реле знову вимкнеться.

У цих умовах буде відбуватися перемикання компаратора туди і назад поблизу напруги спрацьовування. Для виключення цього небажаного ефекту, званого «рискання», в підсилювач вводиться невелика позитивна зворотній зв’язок за допомогою резистора R4, що створює гістерезисних зону нечутливості.

При наявності гістерезису для спрацьовування компаратора потрібна більша зміна напруги, ніж раніше. Як і колись, компаратор переключиться при 12,6 В, але для його повернення у вихідне стан напруга на акумуляторної батареї повинно знизитися до 12,5 В. Тим самим коливальний ефект виключається.

Послідовне включення діода D1 в зарядну ланцюг оберігає акумуляторну батарею від розряду через сонячні елементи в темний час доби (вночі). Цей діод запобігає також споживання енергії регулятором заряду від акумуляторної батареї. Регулятор повністю живиться від сонячних елементів. У регулятор заряду введено індикаторний пристрій, призначений для відображення режиму роботи регулятора в будь-який момент часу. Хоча індикатор не є необхідною частиною пристрою (регулятор буде працювати і без нього), тим не менше його наявність підвищує зручність роботи з регулятором.

Індикаторний пристрій (рис. 3) складається з двох компараторів і двох світловипромінювальних діодів (СД). Інвертується вхід одного компаратора і неінвертуючий – іншого з’єднані зі стабілітронів, виробляє опорне напруга. Решта входи компараторів з’єднані з виходом компаратора, керуючого зарядним струмом.

Верхній компаратор спрацьовує і включає світлодіод СД1, коли регулятор працює в режимі великого зарядного струму. Якщо регулятор перемикається в режим підживлюється струму, верхній компаратор вимикається, а нижній спрацьовує і включає світлодіод ЦД2.

Регулятор заряду монтується на друкованій платі (рис. 5), розміщення компонентів схеми на якій показано на рис. 6. Особливу увагу слід звернути на розміщення напівпровідникових елементів (Щоб уникнути помилкового підключення висновків). Закінчена схема розміщується в будь-якому (бажано водонепроникному) ‘рорпусе. Для цих цілей цілком підійде невелика пластмасова коробочка.

Якщо корпус непрозорий, для індикації режимів роботи слід просвердлити в його кришці отвір для світлодіодів. Необхідно також зробити отвір збоку корпусу для виведення сполучних провідників,

Рис. 5

Рис. 6

Описаний регулятор може керувати зарядним струмом близько 5 А. Його величина обмежується властивостями контактор використовуваного електромагнітного реле.

Контакти реле розраховані на струм до ЗА, і цілком природним є питання, чому рекомендовано використовувати їх до 5 А. Цьому можна дати наступне пояснення. Коли контакти розмикають ланцюг, між ними зазвичай виникає невелика електрична дуга. Дуга призводить до явищ, аналогічним електрозварюванні, і на поверхні контактів з’являються виїмки. Чим більше протікаючий струм, тим сильніше вплив електричної дуги.

Для запобігання подібного процесу в схемі описуваного регулятора контакти реле зашунтовані невеликим опором. Тому значна частина енергії поглинається резистором, а не розсіюється в електричній дузі. Таким чином контакти, не руйнуючись, можуть регулювати струми, що перевищують номінальний.

Рис, 7

Якщо потрібно збільшити регульований струм, в схемі необхідно використовувати більш потужне реле, що включається контактами слабкострумового реле, як це показано на рис. 7.

Для установки другого реле в малюнок друкованої плати необхідно внести відповідні зміни.

Почніть зі зняття перемичок, що йдуть до контактів реле. Тим самим контакти відключаються від струмообмежувального резистора. Тепер використовуйте ці контакти для управління більш потужним реле. Необхідно також замінити діод D1 і струмообмежувальні резистор Rs на діод і резистор, що витримують великі струми. Розумніше розмістити обидва ці елементи поза плати поряд з реле, оскільки вони розсіюють більше тепла, ніж колишні елементи схеми. Акумуляторну батарею та сонячні елементи з’єднайте безпосередньо з потужним реле за допомогою товстих провідників, а за допомогою тонких провідників подайте харчування на схему регулятора з позитивного висновку сонячних елементів.

Можливий такий випадок, коли електричної енергії невеликий сонячної батареї не вистачить навіть для живлення реле. Тоді реле можна просто замінити транзистором. З цією метою можна прибрати реле RL1 і керуючий ним транзистор Q1 і підключити до резистору Rs pnp транзистор, а його базу – до резистора R5. На рис. 8 наведена електрична схема після повної модифікації.

Коли напруга на виході компаратора позитивно, транзистор включений і повний зарядний струм тече до батареї. Коли регулятор перемикається в режим підживлюється заряду, напруга на виході компаратора стає негативним, транзистор закривається і зарядний струм тепер тече тільки через резистор Rs в обхід транзистора.

Перевага цієї схеми перед релейного в тому, що її робота не обмежується напругою 12 В. Пристрій може регулювати зарядку батарей, розрахованих на напруги 3-30 В. Звичайно, необхідно змінити номінали резисторів R1 і R2 і тип діода D2, щоб зблизити значення напруги, що падає на потенціометрі ѴR1 і опорного на стабілітроні. Струм обмежується значенням близько 250 мА,

Рис. 8

Радіатором, що дозволяє відвести надлишкове тепло від використовуваного транзистора, служить сама друкована плата. Тепловідвідні майданчик формується із зворотного боку плати і не вимагає ніякої ізоляції. Для підключення регулятора необхідно зробити тільки чотири з’єднання. Два – до позитивного і негативного висновків сонячної батареї і два відповідно до позитивному і негативному затискачів акумуляторної батареї. Після установки регулятора в зарядний пристрій необхідно відкалібрувати схему і, зокрема, відрегулювати її чутливість до зміни напруги так, щоб струм переключався в потрібний момент Для цього спочатку нехай батарея злегка розрядиться. Потім движок потенціометра VR1 повертається за годинниковою стрілкою до упору 1). При цьому контакти реле замкнуться.

Напруга на батареї в міру зарядження контролюється про допомогою вольтметра. Коли воно досягне 12,6 В, движок потенціометра VR1 обертається в зворотну сторону до тих пір, поки не вимкнеться реле. Це буде відповідати «підживлюють» заряду. На жаль, зарядна напруга батареї залежить і від її температури. Чим холодніше батарея, тим більша напруга вимагається для заряду. Тим самим змінюється порогове напруга, при якому повинен спрацьовувати регулятор. Графік на рис. 9 показує залежність напруги спрацьовування від температури.

Рис. 9

Помилкою в установці напруги спрацьовування можна в принципі знехтувати. Якщо температура батареї під час заряду буде відносно стабільною і позитивною, що можна забезпечити тим або іншим способом, наприклад добре укривши її, то невеликі температурні зміни практично не вплинуть на роботу регулятора.

   Список деталей

Потужний регулятор

   Резистори

R1, R2-33 кОм

R3-510 Ом

R4-1 МОм

R5, R8-1 кОм

R6, R7-470 Ом

R – див. рис. 4

   Напівпровідники

   D1 —1N5400

D2-1NГ4735

IС1-LM339

СД1, ЦД2 – індикатори

   Q1—2N2222

   Інші деталі

RL1 – реле Radio Shack 275-247)

VR1-50 кОм, потенціометр

Малопотужний регулятор

   Резистори

R1, R 2-33 кОм

R 3-510 Ом

R4-1 мОм

R5, R8-1 кОм

R6, R7-480 Ом

R -100 Ом

   Напівпровідники

D1-Ш4001

   D2—1N4735

   IC1—LM339

СД1, ЦД2 – індикатори

   Q1—ECG 187

    Інші деталі

VR1-50 кОм, потенціометр

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.