ПРИКОСНОВЕНИЕ К СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Последние десятилетия в нашей стране развивались в основном информационные технологии при застое в энергетике, транспорте, промышленности. Но такое состояние дел в настоящее время, похоже, меняется. Уже сейчас можно видеть контуры нового технологического уклада: в промышленности широко используются технологии 3D печати, биотехнологии дают чудесные возможности медицине — мир, в котором, возможно, наконец-то будут созданы термоядерные реакторы, где по дорогам будут бегать электромобили, а новые высокоэффективные солнечные батареи и аккумуляторы дадут новую жизнь альтернативной энергетике.

Уже сейчас на рынке предлагаются солнечные энергосистемы для дач и усадебных домов, более предпочтительные из-за экономичности, чем оплата счетов энергетиков за установку столбов, проводку и оплату электроэнергии. Однако и солнечные системы стоят недешево и требуют периодической замены недолговечных свинцовых аккумуляторов. Тем не менее, применение таких систем будет расширяться, а сами они становиться все совершеннее. Понадобятся и специалисты, имеющие практические навыки в солнечной энергетике.

Первый такой опыт, причем имеющий практически полезный выход, можно приобрести на достаточно простых и дешевых системах. Я называю их «балконными солнечными электростанциями».

Проще всего воспользоваться солнечной энергией на практике тем читателям, что собрали и используют зарядную систему «Стандарт», описанную в «М-К» № 9 за 1998 г. Для этого достаточно приобрести панель солнечных батарей Exmork ФСМ-5М или ее более дешевый аналог из поликристаллического кремния — Exmork ФСМ-5П. Познакомимся с параметрами этой батареи подробнее. Ее размеры невелики — 280×230 мм, но она способна дать достаточно ощутимый ток — почти в 0,3 А. Батарея заключена в прочную алюминиевую рамку. При достаточной освещенности ее напряжение под нагрузкой составляет 17,5 В. Таким образом, батарея может работать с 12 В с приборами, невзирая даже на потери напряжения в регулирующих элементах. Следует, однако, помнить, что на холостом ходу напряжение батареи может разогнаться до 22 В.

Как видите, параметры батареи идеально соответствуют выпрямителю вышеупомянутой системы «Стандарт».

Подключите батарею параллельно конденсатору С1 и в солнечный день включать зарядное устройство в электросеть уже не понадобится. Впрочем, в пасмурный летний день батарея дает 15 — 20 мА, что может оказаться достаточным, например, для зарядки маленьких дисковых аккумуляторов.

Рис. 1. Принципиальная схема солнечной электростанции «Кирара»

Однако все-таки полноценная солнечная электростанция немыслима без накопителей энергии, благодаря которым солнечная энергия «не пропадет впустую» даже при отсутствии потребителей в данный момент. Зато ею можно будет воспользоваться и в пасмурную погоду, и даже ночью. А днем совместная работа солнечных панелей и аккумуляторов сможет вытянуть достаточно солидную нагрузку.

Для постройки балконной солнечной электростанции «Кирара» (названной по имени сказочного существа) возьмем более емкую батарею — Exmork ФСМ-15М или поликристаллическую Exmork ФСМ-15П.

Они способны выдавать ток до 0,8 А.

Кроме солнечной батареи данная электростанция имеет соединяющую все ее узлы двухпроводную электролинию, которую я называю «солнечная параллель». А также аккумуляторный блок, включающий в себя помимо аккумуляторов все остальное оборудование: контроллер заряда, выходные гнезда, контрольные приборы. На «солнечную параллель» может быть навешено несколько аккумуляторных блоков для разных потребителей, что увеличит суммарную мощность. Например, один блок для освещения, а другой — для всех остальных нужд. Солнечных батарей также может быть несколько. Например, на южной и западной сторонах балкона, что позволит брать максимум солнечной энергии до самого заката, а в пасмурный день, когда освещение равномерно со всех сторон, их суммарная выработка также может оказаться довольно значительной.

Фото 2. Солнечные батареи на балконе многоэтажного дома

В качестве накопителя энергии возьмем батарею из трех последовательно соединенных цилиндрических герметичных Li-ion аккумуляторов фирмы Robiton. Они выпускаются емкостью 2,8 и 3,4 А ч и имеют некоторые встроенные элементы защиты, делающие их надежнее и безопаснее в эксплуатации (в последнее время в продаже появились аккумуляторы аналогичной конструкции, но в более крупном корпусе и емкостью 4 А-ч). Li-ion аккумуляторы более долговечны и не столь капризны в отношении режимов заряда-разряда, как свинцово-кислотные. Таким образом, эксплуатация этой системы много лет не потребует никаких расходов. К тому же совершенно исключено выделение вредных кислотных испарений. Будучи полностью заряженными три Li-ion аккумулятора дают напряжение 12,6 В, что позволяет питать от них довольно широкий спектр электроприборов.

Устройство управления электростанцией (контроллер) должно защищать аккумуляторную батарею (АКБ) от перезаряда и не пропускать чрезмерных зарядных токов. Существующие программируемые контроллеры слишком сложны, дороги и, увы, рассчитаны на работу только со свинцовыми аккумуляторами. В электростанции «Кирара» применен простейший контроллер на микросхеме-стабилизаторе напряжения 7812. Между выходом стабилизатора и АКБ включен защитный диод \/D1. Это предотвращает выход из строя микросхемы в темное время суток, когда ток может идти «некорректно» (не из ее выхода, а, наоборот, в него). Кроме того, это предотвращает разрядку аккумуляторов на микросхему в темное время суток или в случае ее выхода из строя. Исключению аварийно высоких токов в цепях электростанции также способствует резистор R1. АКБ, к тому же, защищена плавким предохранителем FU1. Никаких других мер защиты более не требуется, так как в придачу ко всему перечисленному примененная микросхема имеет встроенные цепи защиты от перегрузки и от перегрева. Микросхему и диод VD1 необходимо установить на радиаторы. Да и примененная солнечная батарея не способна дать опасный для микросхемы и аккумулятора ток свыше 1 — 1,5 А.

Фото 3. Зарядка аккумулятора мобильного телефона от солнечной электростанции

Немного о настройке контроллера. Номинальное выходное напряжение микросхемы составляет ровно 12 В (это без учета разброса параметров разных экземпляров), тогда как АКБ для полного использования ее емкости следует заряжать до 12,6 В. А еще следует учесть потери напряжения на VD1 не менее 0,5 В. Выходное напряжение стабилизатора необходимо поднять. Способ классический — включение одного или нескольких диодов в прямом направлении между общим выводом микросхемы и общим проводом всей системы. Помните, что кремниевый диод поднимает напряжение где-то на 0,6 В, а германиевый — на 0,2 В. Подключите между общим проводом устройства и катодом VD1 вместо аккумулятора резистор нагрузки сопротивлением 5-10 кОм и точный вольтметр. Вам необходимо при освещенной солнечной батарее подобрать тип и количество диодов VD2, VD3 так, чтобы напряжение на выходе было как можно ближе к 12,6 В, но ни в коем случае не превосходило это значение. Диоды должны быть рассчитаны на прямой ток не менее 30 мА. Германиевые диоды могут быть серий Д310, Д311, ну а ассортимент кремниевых диодов настолько велик, что их не стоит и перечислять. В качестве VD1 следует использовать мощный выпрямительный диод на ток не менее 3 А. Конденсаторы С3, С4 — керамические, служат для более надежного предотвращения возникновения высокочастотных помех. Читателям может показаться непонятной такая щедрость на емкость конденсаторов С1, С6. Однако они тоже накапливают энергию. Это позволяет не дергать АКБ между режимами заряда-разряда при быстрых изменениях освещенности, например, если перед солнечной батареей пролетит птица или на нее упадет отблеск от чужого окна. Таким образом, будет повышена долговечность аккумуляторов.

Погода — вещь непостоянная. Чтобы грамотно эксплуатировать электросистему и обеспечить ее долговечность, будут необходимы сведения о ее фактическом состоянии: достаточен ли фототок, каков запас энергии в аккумуляторах. Разряжать их ниже напряжения 10,5 В нельзя. Поэтому надо обязательно поставить вольтметр с пределом измерения 20 В. Желателен также амперметр с нулем посредине шкалы и пределом измерения в 1,5 А. Только предостерегу от применения новых интегральных цифровых вольтметров со светодиодными индикаторами. Потребляемый ими ток доходит до 80 мА, что для такой системы совершенно неприемлемо. Лучше использовать стрелочные приборы. Например, можно изготовить на базе индикаторов уровня от старых магнитофонов достаточно точный и исключительно экономичный вольтметр. У меня вольтметр включен через трехпозиционный тумблер, как показано на схеме. Благодаря этому возможно измерять напряжение как на АКБ, так и на солнечной параллели или вовсе отключить вольтметр. Добавочное сопротивление вольтметра и шунт амперметра рассчитываются по стандартным методикам.

Фото 4. Зарядка «пальчиковых» аккумуляторов oт солнечной электростанции

Немного об использовании полученной таким образом энергии. Напряжение 12 В можно брать с разъема XS1 или с дополнительно подключенного параллельно ему гнезда автомобильного прикуривателя. От него можно питать маломощные светодиодные лампочки, светодиодные ленты, автомагнитолы и прочие 12-вольтовые приборы. Можно также оборудовать электростанцию USB-портом, воспользовавшись начинкой переходника: прикуриватель — USB. Вместо дорогих устройств для зарядки аккумуляторов типоразмеров АА или ААА достаточно будет найти только батарейный отсек. Что еще может понадобиться? Разъем для подключения к электростанции да рассчитанный по стандартной методике токоограничивающий резистор — вот и все.

Я эксплуатирую данное устройство уже в течение года. От него заряжаются: фонарик, фотоаппарат, аудиоплеер, DVD-плеер с экраном (самый «тяжелый» по нагрузке потребитель). Питается светильник в коридоре, электробритва, эпизодически другие приборы, вплоть до миниатюрной железной дороги. Несмотря на тяжелые условия эксплуатации — достаточно северный город, отсутствие выходящих на юг окон и балконов, в период с марта по октябрь включительно, энергии хватает на все потребители.

А. ЛИСОВ, (UA3UOW), г. Иваново