Системы автономного электропитания.
Солнечные элементы и батареи (фотоэлектрические генераторы, фотоэлементы) относятся к классу возобновляемых "эко" источников электропитания, преобразующих энергию солнца в электрическую.
Большинство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) производятся из кремния, после кислорода самого распространённого химического элемента в природе.
Плотность потока солнечного излучения для средней полосы России (51-60° с.ш.) – до 800 Вт/м2 (это максимум, в ясный летний день). При таком освещении, в полдень, современные солн. панели выдают до 120 Вт (при КПД=15% и температуре 20-25°C) электрической мощности с квадратного метра.
Полупроводниковые материалы из которых производят солнечные элементы и батареи:
• на основе кристаллического кремния (жесткие, КПД 12-20% – уменьшается при нагреве - 0.45%/°С считая от +25°С, спектр 0.5-1.0 – "видимый + инфракрасный");
• аморфный кремний (гибкие батареи, КПД 5-10%, спектр 0.2-0.7 – "ультрофиолет + видемый");
• арсенид галия (жесткие, тяжёлые модули с КПД 10-25%, сохраняют работоспособность до температур +150°С, спектр 0.5-0.9 – "видимый", дорогие);
• сульфидно-кадмиевые (тонкоплёночные – гибкие, КПД 5-10% – стабилен до температур +100°С, спектр 0.2-0.7 – "ультрафиолет")
Для справки – спектр электромагнитных колебаний (длины волн):
Ультрафиолетовое излучение – 0.005 - 0.4 мкм
Видимый свет – 0.36 - 0.75 мкм (360-750 нанометров)
Инфракрасное излучение – 0.75 - 500 мкм
Некоторые особенности эксплуатации:
• "жесткие" батареи – хрупкие, поэтому, обычно, помещаются в ударопрочный корпус;
• нельзя перегревать больше чем до 150-200 С, иначе – произойдут необратимые изменения в контактных слоях и покрытиях;
• использовать элементы с герметизирующими оболочками, для защиты от коррозии контактов, закорачивания n-p-переходов и потемнения покрытий. Для этого используют различные плёнки.
Защита особенно актуальна при эксплуатации в химически агрессивной среде городов и в походных условиях;
• в комплекте надо иметь не только гибкие солнечные батареи, но и обычные кристаллические, для возможности получения электропитания при рассеянном освещении, в помещении, через "стекло".
Срок службы современных солнечных модулей – десятки лет. Дольше живут (медленнее "выгорают") кристаллические, "жёсткие" батареи.
Высокий КПД имеют "неотражающие" солнечные элементы из кристалл. кремния с минимальной величиной отражения, имеющие текстурированную рельефную поверхность и просветляющее покрытие.
Такие батареи не пускают "зайчиков".
Элементы, прозрачные для инфракрасного излучения – меньше греются.
Современные солнечные батареи просты в эксплуатации и надёжны. Они могут работать в широком диапазоне температур окружающей среды,
имеют длительный срок службы, в зависимости от условий эксплуатации. Солнечная энергетика – экологически чистая, бесшумная и практически неисчерпаемая. Солнечные электростанции – перспективное направление развития энергетики в XXI-м веке.
Солнечные зарядные устройства, в минимальной комплектации – солн. батарея с диодом и кассетой под аккумуляторы. Может использоваться преобразователь / стабилизатор напряжения (понижающий импульсный – меньше теряет мощности) и контроллер заряда. Для получения переменного тока с напряжением 220 вольт – нужно подключать инвертор.
Термоэлектрические генераторы (батареи) – полупроводниковые термогенераторные модули работающие по известному принципу термопары (вырабатываемая электрическая мощность зависит от разности температур). Они, также, могут работать в качестве охладителя или нагревателя, если через устройство направить постоянный ток (элементы Пельтье).
Термогенераторы бывают низкотемпературные,
среднетемпературные и
высокотемпературные.
Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 - 150 °С).
Конечно, такие термоэлементы не бросишь в костёр. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 200 до 600-800 градусов по шкале Цельсия, в зависимости от дров (твердая или мягкая древесина дают при сжигании, соответственно, больше или меньше тепла огня).
Буферные аккумуляторы
Электроэнергию от солнечных батарей или термоэлектрических генераторов можно сначала накапливать в буферных аккумуляторах, используя в последующем, по мере необходимости.
Часто для этого используют гелевые свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid) и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы различных типоразмеров.
Для примера рассмотрим NiCd-элементы размера АА (пальчиковые).
Технические характеристики, особенности эксплуатации и другая информация:
• Допустимая температура разрядки: –40-+60 °С, хранения: –50-+70°С;
• Напряжение элемента: под средней нагрузкой - 1.2В, без нагрузки - 1.30-1.38 В
• Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют самое короткое время заряда и выдерживают высокие разрядные нагрузки. Имея низкое внутреннее сопротивление
, при коротком замыкании могут выдавать разрядный ток больше 4 ампер и хорошо, при этом, держат рабочее напряжение 1.2В (почти до времени полного разряда). Данные акк-ры могут использоваться как штатные (встроенные), аварийные и вспомогательные (буферные) источники питания.
• Форсированные режимы зарядки требуют контроля температуры и напряжения батареи, иначе, выделяющийся водород разорвёт корпус элемента.
• Заряжать NiCd акумулатор лучше при постоянном (стабилизированном) токе.
• Эксплуатация при высокой температуре (+40°С) за год снижает ёмкость акуммулятора на четверть.
• При зарядке элементы, обычно, соединяют последовательно – для выравнивания тока по элементам.
• Могут храниться разряженными (1 вольт на элемент). Оптимальная температура +5°С , в сухом и прохладном месте.
• Выдерживают более 1000 циклов зарядки/разрядки.
• Саморазряд меньше при низкой температуре хранения Т < +10 °С
• В необслуживаемом состоянии могут храниться несколько лет.
• Ресурс NiCd батарей – порядка 10 лет
Недостатки NiCd:
• Содержат вредные компоненты (особенно кадмий), сложные для утилизации. Этого недостатка лишены новые никель-гидридные (NiMH) акумуляторы;
• "Эффект памяти" при неполной зарядке;
• Относительно большая саморазрядка: NiCd – 20% в месяц при комн-й температуре.
Длительность и ток зарядки в зависимости от температуры элемента. Далее приведены примерные значения для никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 1000 мА·ч:
Нормальные условия зарядки акк. NiCd:
Т = +15 - +40 °С
I = 100 мА (14 часов, нормальный заряд током 0.1С).
I = 150-200 мА (7 ч., с контролем напряжения и температуры).
I = 250-500 мА (3 ч - ускоренный заряд, контролировать напряжение и температуру).
I = 1-2 А и дозаряд 100 mA (0.5-1 ч - быстрый заряд, с контр. U, Т)
I = 1-2 А импульсный
Особые условия - низкие, минусовые температуры:
Т = +5 °С
I = 50 мА (с контролем напряженья).
Т = –20 °С
I = 20 мА
стандартные режимы зарядки NiCd:
0.1С – 14-16 ч (100 мА для аккум. на 1000 мА·ч)
0.2С – 7 ч (200 mA для акка на 1000 мАч)
//
Оптимальная скорость – десятичасовая, при 1/10 С
//
"С" (Capacity) – ток разряда равный номинальной (обозначенной на корпусе) ёмкости аккумулятора. Для акк. на 1000 мА·ч заряд током 0.1С равен 100mA
Параметры отсечки зарядного тока NiCd (момент, когда отключают зарядку):
– конечное напряжение на элементе достигает значений
1.40 - 1.45 вольт при комнатной температуре (20-25 С);
1.45 - 1.55 - при 0°С
– перегрев, когда температура элемента питания превышает 55 градусов цельсия.
Если неизвестна степень разрядки аккумулятора, то перед зарядкой его надо разрядить до напряжения U = 1.0-1.1 В (на элемент) током 0,5 С (половина номинала ёмкости, 1 А.ч -> 0.5 А) и дать отстояться минут пятнадцать.
В многоканальных зарядниках - на одном канале должны ставиться только однотипные аккумуляторы.
Подаваемое на элемент расчетное напряжение – 1.35-1.45 В для десятичасовой (оптимальной) скорости зарядки при комнатной температуре. В случае превышения этих значений, например вдвое – последовательно включают балластный резистор с электрическим сопротивлением до нескольких десятков Ом. Такой же эффект даёт диод, на котором падает часть напряжения и который предотвращает обратный разряд (саморазряд, возможный при работе в цепи с солнечной батареей, при недостаточном освещении или в темноте).
При сверхразряде (U < 0.9 вольт), севший акк-р следует заряжать током 0.1С в течение 18-24 ч.
Раз в месяц, а также после длительного хранения – проводить цикл полной разрядки и зарядки.
Для лечения эффекта "памяти" никель-кадмиевого аккумулятора, нужно до трёх циклов такой "тренировки";
данная функция есть в зарядниках – "кондиционерах батарей" и в специальных устройствах – "анализаторах" и тестерах.
Периодичность проведения этой процедуры циклирования – раз в месяц для NiCd и через 2-3 мес. для NiMH.
Возможно длительное (год и более) хранение Ni-Cd батарей (и заряженных и разряженных) – при температурах от -20°С (саморазряд в холоде, при минус двадцати – минимальный, с потерей лишь 10-20% ёмкости в год) до +5°С.
Подзарядки складированных никель-кадмиевых аккумуляторов не требуется.
// комментарий от автора:
быстрый и надёжный способ проверки работоспособности – стрелочным тестером, имеющим автоматическую защиту от перегрузки, можно протестировать акк. элемент или обычную батарейку на "ток короткого замыкания", включая на 2-3 секунды. Должно быть не меньше 2 ампер. Норма – если будет больше 3 А. При таком тестировании видно "переходную характеристику" разряда (по стрелочному индикатору тестера) – насколько хорошо аккумулятор держит нагрузку.
После полугода хранения (или дольше) – сначала разрядить током 1 С (1А для акумулятора на 1000 мА.ч) до 1.0-1.1 вольт, а потом однократно, медленно зарядить током С/20 (50 мА) – в течение суток.
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи хорошо подходят в качестве аварийных источников электропитания, находясь всё время, непрерывно на зарядке током 0.02-0.05 С5 А (примерно 20-50 миллиампер для батареи ёмкостью 1Ач при температуре +15-+40 С, при минусовых – в несколько раз меньше) и переходя при нештатной ситуации в режим разряда – питания аварийного освещения и т.д. На малом токе перезаряд NiCd-аккумуляторам не страшен, в отличие от свинцовых, для которых нужен специальный контроллер, отключающий зарядку при достижении напряжения 14,5В на 12-вольтовой батарее.
Нагрузка: пиковая / оптимальная NiCd 20С 1С NiMH 5С 0,5С и ниже Lead Acid 5С 0,2С Li-Ion >2С 1С и ниже Li-Ion Polymer >2С 1С и ниже Батарейка Alkaline 0,5С 0,2С и ниже // Разрядка большим током, с пиковой нагрузкой – вызывает быстрый нагрев элемента / батареи.
Для новых никель-металл-гидридных акков допустимые токи заряда и разряда – меньше (в 2-4 раза) чем у NiCd и они плохо переносят переразряд (< 0.9 вольта). У них, так же, меньше срок службы, низкая устойчивость к перезаряду и сильный саморазряд (до 30% в месяц при Т=20-25°С). Они сильно нагреваются на заряде. Преимущества никель-металлгидридных аккумуляторов: больше ёмкость, отсутствует "эффект памяти" (допустимы неполные зарядки) и не содержат вредных веществ.
Современные литий-ионные / полимерные (Li-Ion / Polymer) аккумуляторные батареи могут превосходить обычные NiCd-е акк-ры по удельной энергоёмкости более чем в полтора раза, они имеют относительно низкий саморазряд (<10%) и легче по весу, но для них нужна дополнительная электроника.
______________________________________________
Л и т е р а т у р а
Берковский Б.М. Кузьминов В.А. Возобновляемые источники энергии на службе человека. - М.: Наука, 1987.
Материалы Международного Геотермального семинара, 2004 год. pdf, 850 Кб
Колтун М.М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 192 с.
Кромптон Т.Р. Вторичные источники тока: Пер. с англ.- М.: Мир, 1985. - 304 с.
Преобразование солнечной энергии в электрическую термоэлектрическим методом / из сборника под редакцией Л.Е.Рыбаковой. 1985.