Пізнавальний аспект при конструюванні такого човна полягає в знайомстві з практичним освоєнням Фотоелектрика. Періодичний характер сонячного освітлення диктує необхідність в багатьох схемах використовувати акумуляторну батарею і таким чином, ми маємо електричну енергію, коли в ній є необхідність, а не тоді, коли світить сонце. Одна з головних проблем при використанні акумуляторів полягає в управлінні зарядним струмом: перезаряд акумулятора може призвести до виходу його з ладу.

До цих пір для гарантії надійності і великого терміну служби батареї акумуляторів використовувався регулятор заряду або обмежувався вихідний струм сонячної батареї. У цій главі вам належить познайомитися з новим режимом роботи сонячних батарей, а саме з їх саморегулюванням. При їх використанні не потрібно ніяких регуляторів зарядного струму акумуляторних батарей.

На режим саморегулювання сонячної батареї великий вплив мають характеристики свинцево-кислотної батареї, тому необхідно, як мені здається, коротко ознайомитися з їх принципом роботи. Свинцево-кислотний акумуляторний елемент складається з двох свинцевих пластин, занурених у слабкий розчин сірчаної кислоти. У цьому випадку має місце оборотна електрохімічна реакція, в результаті якої може запасатися електричний заряд. Нас буде цікавити тільки процес заряду.

При розряді сульфатні іони кислотного залишку поглинаються з розчину свинцевими пластинами. Коли через пластини пропускається зарядний струм, електрична енергія «витягує» сульфатні іони назад в розчин. Після того як акумулятор отримає близько 80% вихідного заряду, починає змінюватися хімічну рівновагу всередині елемента. Свинець із солі поступово відновлюється до чистого металу.

Результат аналогічний приміщенню у водний розчин двох металевих стрижнів, коли створюються прекрасні умови для електролізу. Насправді так і відбувається. Електроліз супроводжується виділенням бульбашок кисню і водню, тобто так званим ефектом «кипіння» акумуляторного елемента. Більш правильно цей ефект назвати газовиділенням.

Саме газовиділення призводить до псування свинцево-кислотної батареї. Якщо не вжити якихось заходів, елемент в кінцевому рахунку вийде з ладу Для запобігання пошкодження необхідно знизити зарядний струм на самому початку газовиділення. Цій меті служать регулятори заряду.

Рис. 1

Знизити зарядний струм можна за допомогою резистора, підключеного послідовно з акумуляторною батареєю. Частина електричної енергії розсіюється на цьому резисторі у вигляді тепла, що призводить до зниження зарядного струму.

Інший, часто застосовуваний спосіб: на акумуляторній батареї підтримують постійну напругу, а сила струму приймає різні значення. Оскільки величина струму залежить від різниці між напругою на акумуляторної батареї і зарядним напругою, то можна регулювати швидкість заряду, змінюючи напругу. Подібним чином в електричній системі автомобіля, в якій використовується регулятор напруги, акумулятор підтримується в зарядженому стані.

На жаль, застосування регулятора напруги при повній зарядці акумуляторної батареї вимагає збільшення часу заряду. При обмеженому числі сонячних годин протягом доби часу для заряду, природно, мало. Ймовірно, ви вже здогадалися, що ідеальне рішення – об’єднання регулятора струму й регулятора напруги в єдиному пристрої. Заряд починається великим струмом без будь-якого обмеження по напрузі. Коли батарея досягне стадії газовиділення, пристрій зменшує струм і перемикається в режим регулювання напруги.

В акумуляторній батареї запасається максимальну кількість заряду в найкоротший час, при цьому ймовірність перезарядки акумулятора виключається. Графічно ідеальний цикл заряду представлений на рис. 1. Тепер можна розглянути характеристику кремнієвого сонячного елемента, представлену на рис. 1 (верхня крива). Як відомо (гл. 2), кремнієвий сонячний елемент є генератором струму. Незалежно від величини напруги до вигину кривої струм завжди постійний. Напруга на елементі визначається опором навантаження.

Зі зменшенням опору навантаження настає момент, коли струм більше не є визначальним фактором. Ця частина кривої названа «коліном». При великих значеннях напруги на нагрузочном опорі вступають в дію закони збереження енергії та квантової фізики, і струм спадає. Звернемо увагу на цей факт, тому що в ньому полягає сенс саморегулювання сонячної батареї.

Ця перехідна точка на характеристиці сонячної батареї вельми важлива при подальшому розгляді. У самому справі, вона розділяє два режими роботи сонячної батареї. Вище її сонячний генератор виступає в ролі генератора струму, а нижче – еквівалентний регулятору напруги.

Якщо порівняти графік роботи ідеального зарядного пристрою з вольт-амперної кривої сонячної батареї (рис. 1), можна відзначити, що дві криві дуже схожі. Фактично вони майже конгруентний. Тому абсолютно природно пов’язати разом обидві характеристики. Погодивши точку перегину вольт-амперної кривої сонячної батареї з моментом початку газовиділення акумулятора, можна досягти ефекту саморегулювання.

Повернемось до типового прикладу. Припустимо, що процес починається з повністю розрядженою свинцево-кислотної батареї. Підключимо тепер її до саморегульованої сонячному генератору. При висвітленні сонячної батареї акумулятор починає заряджатися. На початку процесу напруга батареї мало (<10 В). При цьому сонячна батарея працює в області вище «коліна» в режимі генератора струму. Іншими словами, акумулятор отримує максимальний струм, який може призвести сонячна батарея, що дає можливість досягти необхідного швидкого заряду.

У міру накопичення заряду в акумуляторних елементах напруга починає поступово збільшуватися. Згадайте, як ми скористалися цим збільшенням в конструкції регулятора заряду (гл. 6). Ми знову можемо зробити те ж саме.

Якщо узгодити напруга газовиділення, яке починається при 12,6 В в 12-вольтової акумуляторної батареї, з напругою «коліна» вольт-амперної кривої сонячної батареї, ми зможемо отримати той же результат, що і в гл. 6, а саме: зниження зарядного струму.

Припускаючи, що акумулятор досяг стадії газовиділення, ми спостерігаємо, що сонячна батарея виходить з режиму стабілізації струму. Тепер збільшення заряду акумуляторної батареї і напруги на ній змусить сонячну батарею працювати в режимі регулятора напруги. У результаті знизиться зарядний струм.

Чим більше заряд на батареї, тим більше стає статичну напругу і тим далі робоча точка на характеристиці сонячної батареї просувається в область нижче «коліна». За зростанням напруги слід відповідне зниження вихідного струму сонячної батареї.

До моменту повного заряду акумуляторних елементів робоча точка зсувається по характеристиці так далеко вправо, що тепер від сонячної батареї тече лише невеликий підживлює струм. Він настільки малий, що батарея може залишатися в такому стані скільки завгодно довго, без побоювання перезаряду. У цій точці напруга на батареї приймає значення 13,2 В.

У такому положенні все залишається до тих пір, поки ми не витратимо енергію, накопичену в акумуляторній батареї. Коли елементи віддають енергію, напруга на батареї відповідно зменшується і робоча точка зміщується по вольт-амперної кривої в зворотному напрямку. Сила зарядного струму від сонячної батареї буде залежати від того, наскільки зменшилася величина напруги на акумуляторній батареї, тобто від пропорційного цій величині кількості витраченої енергії.

Ось ми і досягли мети, тепер у нас є саморегулюючий сонячний генератор.

Саморегулівна сонячна батарея володіє вельми несподіваним властивістю: вона враховує вплив температури. Мало хто з оточуючих нас предметів не піддані впливу температури. Не становлять винятку сонячні елементи і акумулятори. Електричний заряд зберігається в свинцево-кислотної батареї завдяки хімічній реакції, яка вельми чутлива до зміни температури. Чим вище навколишня температура, тим швидше протікає реакція. Практично це означає, що в більш холодних погодних умовах потрібно більш високе зарядна напруга.

У звичайних регуляторів заряду спостереження за температурою завжди становило проблему. Вирішити її простими засобами не представляється можливим, а будь-який більш-менш складний спосіб буде призводити до ускладнення та подорожчання конструкції.

Рис. 2

Температурна залежність вольт-амперної характеристики кремнієвого сонячного елемента компенсує температурні властивості свинцево-кислотного акумуляторного елемента. Зниження температури фактично викликає більш ефективну роботу сонячного генератора.

Завдяки різним впливам на обсяг напівпровідника найбільш сильно зачіпається компонента напруги. Саме це і потрібно для акумуляторної батареї. При пониженні зовнішньої температури збільшується вихідна напруга сонячних елементів (саме в той момент), коли батареї потрібна більша зарядна напруга. Більш того, при роботі у звичайному температурному діапазоні залежності характеристик сонячної та акумуляторної батарей від температури настільки добре узгоджуються між собою (рис. 2), що не потрібно якихось додаткових заходів для успішної спільної роботи цих батарей в загальному пристрої.

Настала пора розважальної частини нашого оповідання. Нехай тепер саморегулююча сонячна батарея попрацює на нас. Для даної конструкції була обрана невелика моторний човен з електроприводом.

Моторний човен

Вона являє собою гумову надувний човен, виготовлену фірмою Metzeler. Її довжина 2,7 і ширина 1,2 м. Стійкість човни забезпечується двома рознесеними циліндрами типу понтонів, а плоске дно служить в якості просторій «каюти».

Рис. 3

Маючи невелику швидкість руху по воді (9,4 км / ч), цей човен чудово підходить для лову риби або просто для приємної прогулянки в сонячний день. Сонячні батареї встановлюються на навісом, що захищає пасажирів від променів сонця (рис. 3). Крім харчування човнового електромотора фотоелектрична систем: може також забезпечити електроенергією радіоприймач, систему освітлення або водяний насос.

Починаємо наше опис з човна. Хоча для вибору є безліч типів човнів, перевага була віддана мною надувний понтонної човні з двох причин.

По-перше, вона надувна. А це означає, що вона портативна і в спущеному стані зручна для зберігання. По-друге, надувний човен – добротне, стале судно, яким можна користуватися протягом тривалого часу. Надалі я докладно поясню, як було здійснено перетворення сонячної енергії на даній конкретній човні.

Якщо ви краще мене розумієтесь на човнах і захочете змонтувати сонячну батарею на човні іншого типу, скористайтеся тим не менш наступними рекомендаціями. Спочатку встановлюються сонячні батареї. У даній конструкції використовувалися сонячні батареї М-61 фірми ARCO Solar, Inc. саморегулюючого типу.

Кожна батарея М-61 потужністю 25 Вт конструктивно виконана у вигляді панелі довжиною 120 см, шириною 30 см і товщиною 4 см, що містить 30 монокристалічних круглих елементів діаметром 10 см. Батарея розрахована на напругу 14,1 В і струм 1,75 А. Якщо ви хочете самі виготовити сонячну батарею, постарайтеся, щоб ваша батарея мала такі ж характеристики. Переконайтеся в тому, що сонячні батареї абсолютно водонепроникні: вже чого-чого, а вологи буде вдосталь!

Для руху човни потрібні чотири сонячні батареї з вказаними характеристиками. Додайте їх в один ряд на панелі розміром 120×120 см ^ 2 і з’єднайте паралельно. Повний струм чотирьох паралельно з’єднаних батарей становить 7 А, а напруга 14 В. Панель сонячних батарей кріпиться до палуби за допомогою каркаса із поліхлорвінілових водопровідних труб діаметром 4 см (Schedule-40). Пластмасова трубка – відмінний матеріал для подібних цілей; вона жорстка, недорога, легка і головне не схильна до корозії.

Каркас з труб виконується у відповідності зі схемою, наведеною на рис. 4. З’єднання під 90 ° виконані за допомогою косинців, а верхня рама прикріплюється за допомогою трійників.

Потрібні чотири стійки довжиною близько 120 см кожна. Нижні кінці двох передніх стійок з’єднуються стяжкою, яка, як видно з рис. 3, покоїться на дні човна безпосередньо перед переднім сидінням. Дві задні стійки з’єднуються аналогічно і закріплюються у заднього сидіння.

Відріжте ножівкою шматки пластмасових труб необхідної довжини і зберіть каркас, підганяючи деталі за місцем. Хоча на рис. 4 наведені точні розміри (в см), їх необхідно використовувати лише в якості рекомендації. Остаточна підгонка здійснюється на самої човні. Несучий каркас сонячної батареї повинен щільно входити між понтонами при установці його на місце на дно човна.

Коли ви переконаєтеся, що все зроблено вірно, склейте деталі чистим ПВХ-клеєм, що містить розчинник для пластмаси 1 При склеюванні двох пластмасових деталей утворюється з’єднання настільки ж міцне, як і сам початковий матеріал.

Необхідно працювати з цим клеєм швидко, він не залишає часу для роздумів. Тому перш, ніж клеїти, підготуйте і розмістіть всі деталі. Склеювати не більше двох деталей відразу і, перш ніж переходити до наступного з’єднанню, дочекайтеся повного схоплювання клею.

Рис. 4

Потім за допомогою болтів з’єднайте разом сонячні батареї в єдиний блок площею 1,5 ма. Для цієї мети на металевій окантовці батарей є спеціальні отвори. Між батареями необхідно залишити невеликий зазор, щоб знизити парусність конструкції. Для поділу батарей можна використовувати розпірки.

Потім панель сонячних батерей розміщується на несучому каркасі і прив’язується шнуром або мотузкою принаймні в чотирьох точках з кожної сторони і в тих місцях, де батареї згвинчений між собою. Краще не скупіться на шнур, інакше ваша батарея після сильного пориву вітру впаде у воду. В якості човнового двигуна використовується електричний мотор вагою близько 13 кг. Подібні електромотори виробляються різними фірмами, наприклад Montgomery Ward і Sears.

Човновий двигун поставляється прикріпленим до дерев’яної траверсі, яка легко витримає невеликий електромотор, так як конструкція розрахована на невелику потужність до 4 л. с. (Близько 3 кВт).

Електромотор харчується від 12-вольтової свинцево-кислотної батареї. Це батарея гельних елементів, подібна до описаного в гл. 14 типу. По суті гельний елемент аналогічний звичайному свинцево-кислотного елементу з рідким електролітом. Однак у гельний елемент заливається не рідкий, а густий електроліт фірми Jell-O, який має консистенцію желе. Застосування гельной акумуляторної батареї замість стандартної морської батареї обумовлено відсутністю протікання електроліту. Навіть якщо човен перевернеться (чого ніколи не траплялося), кислота не проллється.

Оскільки сонячні батареї-саморегулюючі, єдине, що потрібно, – це приєднати їх до акумуляторної батареї, а ту в свою чергу до електромотора. Все дуже просто!

З якою метою в даній конструкції використовуються сонячні саморегулюючі сонячні батареї? З одного боку, такі батареї спрощують конструкцію і підвищують надійність. Це – головна причина. З іншого боку, це дало мені можливість продемонструвати вам ще одна властивість сонячних батарей. Чи добре працюють сонячні батареї? Що ж, зізнаюся: на рис. 3 ви бачите не мій човен, вона належить Гері Занстечеру (сидить в ній), якому я і надаю можливість пояснити, чи він добрий. Ось його думка:

«Це – стійке судно, легке в транспортуванні і збірці. Зазвичай човен пришвартована в Марина-дель-Рей. Ми користуємося нею по вихідним дням і у вільний час.

Завдяки своїм характеристикам човен розвиває швидкість, складову 9,4 км / ч. При русі мотор споживає 25 А, отже, акумуляторної батареї ємністю 80 А * год вистачає приблизно на 3 год роботи. Однак необхідно пам’ятати, що одночасно відбувається безперервна підзарядка від сонячної батареї.

Я катався на човні по 4-5 год поспіль і ніколи не відчував нестачі в електроенергії. Звичайно, я користувався човном тільки в сонячні дні. Човен знаходиться на стоянці по крайней мірою протягом тижня між поїздками, тому у сонячних батарей достатньо часу для зарядки акумуляторів.

Подивіться, сонячні батареї не орієнтовані на сонці. Це робити нерозумно, оскільки човен постійно змінює свою орієнтацію і напрямок руху. Батареї встановлені горизонтально і, звичайно, велику частину часу не генерують повного струму. Тим не менше, коли сонце знаходиться високо над горизонтом, вони функціонують досить добре.

Батареї лише прив’язані до панелі, тому їх можна дуже швидко зняти. Вони досить дорогі, і я не хочу втратити їх у шторм. Правда, човен витримувала впливу вітру, що дме зі швидкістю до 56 км / год, без яких-небудь проблем.

Взагалі мушу сказати, що човен з сонячною батареєю – вельми забавна штука ».

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