х.х.х Простой измеритель дневной солнечной активности.
Перед тем, как устанавливать солнечные батареи, было бы неплохо узнать, какой эффект это даст. Прибор, описанный ниже, позволяет это сделать с практической точностью.
Идея заключается в следующем.
Данные, электронно-механические часы работают от солнечной батареи. При недостаточном освещении или ночью – стрелки не двигаются. Если уровень освещенности превысит определенный порог, то часы начинают отсчитывать время. Разница между утренними и вечерними показаниями часов – время, в течении которого солнечная батарея вырабатывала достаточное количество электричества.
"Доработка" часов на фотографии, ниже.
Похожая переделка "практиковалась" уже давно. Правда, тогда применялись аккумуляторы НКГЦ-0,45 и набор солнечных элементов от фотоэкспонометров. Это работало, но очень условно, так как из трех некачественных изделий сделать «конфетку» не получается.
Прошло время, появились «садовые фонарики» с вмонтированными солнечными батареями. Их качество, то же, не космическое, но как набор элементов они очень даже подходят.
Итак, «входные» изделия на фотографии. Ниже расположены характеристики, которые нас могут заинтересовать.
Электронно-механические часы.
Питание – одна "пальчиковая" батарейка (размер АА).
Начинают работать при напряжении 1,0 Вольт.
Прекращают движение стрелок при 0,8 Вольт.
Сохраняют работоспособность – проверено до 2 Вольт.
* При питании от солнечного элемента требуют буферный конденсатор, емкостью от 220 мкФ.
* Точность практически не зависит от напряжения питания.
«Садовые фонарики»
Внутренний Ni-Cd аккумулятор: в оранжевых – ААА, 1,2V 200mA, в т.синих – 2/3 АА, 1,2V 250mA.
Солнечная батарея: пленочная, на стекле 30х30мм или 35х30мм.
Напряжение без нагрузки: 3V.
Ток короткого замыкания: 25мА и 30мА.
Нагрузочная характеристика: генератор тока.
* Ток, потребляемый преобразователем: 10мА (1,3V).
Устройство фонариков, с солнечными батареями, не отличается разнообразием. Общая схема на рисунке справа. Два «изделия», на фото слева - не исключение.
Для переделки, дополнительно, понадобятся диод (любой), электролитический конденсатор (470 мкФ или больше, на напряжение 6,3Вольт или выше), переключатель и резистор до 1 кОм (лучше переменный резистор на 470 Ом). Компьютерный разъем - сильно упрощает жизнь. В него аккуратно помещаются щупы тестера.
В фонарике остаются только аккумулятор и солнечная батарея. При этом, минус батареи и минус аккумулятора соединяются и выводятся наружу проводом, желательно темным. Еще два провода - плюс аккумулятора и плюс солнечной батареи.
* Пособие по урокам "ручного труда" в младших классах – пропущено.
Монтаж и схема устройства на фотографии ниже. Электролитический конденсатор находится в корпусе от батарейки.
* Два садовых фонарика установлены из соображений «что бы хорошо выглядело» и переделок на будущее (которое, уже пять лет как не наступает). Солнечные батареи / аккумуляторы соединены параллельно. Схема будет прекрасно работать и с одной солнечной батареей и аккумулятором.
Схема работает следующим образом. В положении переключателя «LOG» (LOGger - регистратор) часы подключаются к солнечной батарее. Часы начинают работать, когда напряжение превышает 1V и останавливаются при 0,8V. В положении «CLK» (CLocK - часы) – получаем обычные часы, в которых аккумулятор подзаряжается от солнечной батареи.
* В положении «LOG» аккумулятор не позволяет напряжению, в точке "а", подняться выше чем 1,8V (напряжение на аккумуляторе (1,4V) плюс падение напряжения на диоде (0,4V)).
Нагрузочный резистор RH*
- позволяет считать время, только, если мощность солнечной энергии превысит определенный уровень. Изменяем сопротивление резистора – меняем уровень с которого начинается отсчет.
Сопротивление нагрузочного резистора.
Для моего случая, когда работают две солнечных батареи по 25 мА, общий ток – 50 мА (при 1000 Ватт/м.кв.). Допустим, меня интересует время, в течении которого мощность солнечного излучения превышает 600 Ватт/м.кв. или 60% (от 1000 W/sq.m.).
Пленочный солнечный элемент работает как генератор тока, в котором ток прямо пропорционален освещенности (мощности). Таким образом, если при 1000 Ватт/м.кв. ток 50 мА, то при 600 Ватт/м.кв. - 30 мА.
Часы начинают работать при напряжении 1 Вольт. Остается узнать на каком сопротивлении резистора ток 30 мА даст падение напряжения 1 Вольт. Закон Ома, подсказывает, что при 1V и 0,03A сопротивление резистора, должно быть, 33 Ом.
* Потребление тока часами, настолько незначительное, что его можно не учитывать. К примеру, заряда электролитического конденсатора 470 микрофарад, хватает на 10 секунд работы часов.
Если Вы собрали подобное устройство, то первое испытание, которое Вы сделаете – работа без нагрузочного резистора. Восхитительный результат будет заключаться в том, что часы идут весь световой день, от рассвета до заката.
Ситуация немного подпортится после установки нагрузочного резистора, скажем, из соображений 50%-ной мощности солнечного излучения (50 Ом, для моего случая). Тут речь пойдет о нескольких часах в сутки. Зимой, все будет работать только в солнечные дни или при наличии, на земле, снега. В летнее время, облака на фоне яркого солнца останавливают часы, однозначно.
У меня, зимой, не набирается больше часа в сутки, когда мощность солнечного излучения превышает 500 Ватт/м.кв. Летом – до 5 часов.
Можно, конечно, увеличить сопротивление резистора и перевести систему на регистрацию мощности от 10% (для меня – 200 Ом). Но это больше напоминает самообман, так как мощность 100 Ватт/м.кв. практического интереса не представляет.
В заключение.
Можно, конечно, собрать более продвинутую систему, с даталоггерами, компьютерами, запоминающими вольтметрами ... Но это сложно и в ряде случаев – не нужно.
У меня все это работает, записывает «дату» и так далее. Но
солнечного излучения это не прибавляет. Большинство солнечных дней, с легкой
облачностью, выливается в график, который Вы можете видеть ниже. Здесь максимум,
по вертикальной координате, это 100% солнечной мощности или 1000 Ватт/м.кв. Текущее
время – по горизонтали. Фотография, подложенная под график - текущее состояние облачности, в полдень. Значками обозначены полдень, время восхода и захода солнца.
Выводы делаем сами.
P.S. Мой, грустный, опыт заключается в том, что для северного полушария, в районе 40 град. С.Ш. – 50 град. С.Ш. среднегодовая продолжительность солнечного дня с учетом облачности, в пересчете на 100% мощности солнечной батареи, находится в пределе от 2,7 до 3,5 часов.
P.S.S Фирма "Panasonic", при расчете солнечных батарей и аккумуляторов к ним, принимает этот коэффициент равным 3,2 часа. Более детально, этот расчет Вы можете посмотреть на этой странице.
_