4.  Преобразование энергии солнца в электричество.



    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.

Для измерения солнечной активности в течении дня.

  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.

Электромеханические часы на солнечной батарее.

    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.

    Работа устройства.
 
  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.

Проверка мощности солнечного излучения.

  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.

Солнечная активность в течении дня.


    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.



18.11.2011  SKootS

_

 
 
Make a Free Website with Yola.