Юный техник, 2011 № 04 - Журнал «Юный техник»

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Солнечная энергетика — своими руками

Поток солнечной энергии в средних широтах не так уж и мал — до 600 Вт на квадратный метр. Поэтому в местах, где много солнечных дней, всерьез думают о ее промышленном использовании. В Калифорнии, например, в пустынной местности, непригодной для сельского хозяйства, построен целый завод по производству электроэнергии, где люди кажутся букашками рядом с панелями солнечных батарей.

Когда-нибудь и мы будем строить такие заводы, а пока начнем с малого и обеспечим экологически чистым питанием хотя бы электронные часы и радиоприемники. Они станут «вечно ходящими» и «вечно говорящими», избавив вас от хлопот и расходов на замену батареек.

Солнечный элемент представляет, по сути дела, полупроводниковый диод с большой площадью контакта двух слоев полупроводника p и n типов проводимости. При освещении контакта на выводах появляется напряжение, а через подключенную нагрузку протекает электрический ток. Один элемент развивает небольшое напряжение, до 0,5 В, поэтому отдельные элементы соединяют последовательно в батарею, часто называемую солнечной панелью (СП или SP — solar panel).

Солнечный свет бывает далеко не всегда, поэтому СП всегда оснащают буферной аккумуляторной батареей. А чтобы аккумулятор не разряжался ночью на небольшое внутреннее сопротивление солнечных элементов, используют защитный диод VD1, как показано на рисунке 1а.

Рис. 1а

Именно так устроена СП «Электроника», выпускавшаяся когда-то в Зеленограде под Москвой (фото на стр. 73). Небольшое отступление: я решительно не понимаю, зачем надо было разваливать хорошо налаженную полупроводниковую промышленность Зеленограда, специально для того и построенного в 60-х годах прошлого века, чтобы теперь, на пустом месте и «с чистого листа», строить Сколково, вбухивая миллиарды! Когда-то я ездил в Зеленоград читать в местном вузе лекции по радиотехнике, и электронные наручные часы, тогда одни из первых, купленные там, исправно служат до сих пор не один десяток лет!

Эта СП, размером с записную книжку, имеет 20 солнечных элементов, а с обратной стороны корпуса — ячейки для пяти щелочных дисковых аккумуляторных элементов. Номинальное напряжение — 6 В. Однако при ярком солнечном свете СП выдает больше — до 10 В при токе до 30 мА. Это может привести к перезаряду, особенно если забыть СП где-нибудь на подоконнике на несколько суток в солнечную погоду, что вредно сказывается на аккумуляторах.

С подобным недостатком пришлось столкнуться при конструировании «солнечных часов» (на фото вверху).

СП от сломанного калькулятора, содержащая 4 элемента, развивала до 2 В светлым днем даже при отсутствии прямых солнечных лучей. Этого много для стандартного аккумуляторного элемента размера АА. Щелочные, никель-кадмиевые и металлогидридные аккумуляторные элементы с номинальным напряжением 1,2 В не рекомендуют заряжать до напряжения более 1,4–1,6 В. Чтобы ограничить напряжение на элементе уровнем 1,5 В, параллельно элементу следует включить в прямом направлении цепочку из трех кремниевых диодов. Тогда по достижении напряжения 1,5 В диоды откроются и замкнут излишний ток СП на себя.

Механизм электронных стрелочных часов использован самый обычный, со скачкообразным перемещением секундной стрелки. Он не подвергается никаким переделкам, только вместо гальванического элемента установлен элемент аккумуляторный. Под контактные площадки в отсеке элемента подсунуты тонкие проводнички (можно использовать выводы ограничивающей цепочки из трех кремниевых диодов), а к ним припаяны выводы СП и защитного диода VD1.

Таким же образом решается проблема перезаряда и для других СП и аккумуляторных батарей (рис. 1б).

Например, для 6-вольтовой батареи предельное напряжение заряда составит 7–7,5 В. Тогда параллельно батарее следует включить стабилитрон VD3 на указанное напряжение. Если есть стабилитрон на меньшее напряжение, например 6,8 В (КС168), то последовательно с ним включают кремниевый диод VD2, общее напряжение стабилизации составит уже 7,3 В.

Вполне разумно использовать в ограничивающей цепочке и светодиоды. Их напряжение открывания обычно 1,8–2 В, а свечение будет свидетельствовать о том, что аккумулятор заряжен полностью.

Другой крупный недостаток СП заключается в том, что при частично заряженном аккумуляторе они не работают при малой освещенности. Действительно, пока напряжение СП Uo меньше напряжения аккумулятора Uакк = Uпит (рис. 1), защитный диод VD1 закрыт и СП не отдает никакого тока. Это отображено зарядной кривой 1 на рисунке 2.

В пасмурный день, например, моя зеленоградская СП развивает от 1,5 до 5 В, но этого недостаточно. В то же время весьма желательно использовать и этот рассеянный свет, а не дожидаться солнечной погоды.

Этот недостаток устранить сложнее, но тоже удается. Поможет нам в этом импульсный преобразователь напряжения — обратноходовый инвертор, схема которого показана на рисунке 3.

Рис. 3

Он содержит маломощный транзистор VT1, импульсный трансформатор Тр1 и цепочку смещения R1, С2, определяющую период повторения импульсов. Схема напоминает блокинг-генератор, уже описывавшийся на страницах нашего журнала.

Работает он так: допустим, напряжение СП невелико, защитный диод VD1 закрыт, но генератор вырабатывает импульсы, амплитуда которых намного превосходит напряжение СП. Положительные выбросы напряжения с коллектора VT1 через защитный диод VD1 передаются в нагрузку — аккумуляторную батарею. И хотя средний ток заряда при слабой освещенности СП невелик, единицы, а то и доли миллиампера, все же это лучше, чем ничего, а батарея заряжается и утром, и вечером, и в пасмурную погоду. Кривая заряда 2 для этого случая также показана на рисунке 2. Генератор начинает работу при напряжении СП 0,6–0,7 В, частота повторения импульсов — несколько десятков килогерц.

Если же проглянуло солнце и напряжение СП стало больше Uпит, то защитный диод VD1 откроется постоянно, а генерация импульсов прекратится, поскольку обмотка Тр1 будет зашунтирована диодом и низким внутренним сопротивлением аккумулятора. Теперь вся зарядная установка работает так же, как и простейшая, собранная по схеме рисунка 1, а их кривые заряда (рис. 2) совпадают. Небольшим током транзистора VT1, приоткрытого через резистор R1, вполне можно пренебречь по сравнению со значительно большим током заряда батареи.

Два слова о деталях: конденсатор С1 накапливает энергию СП, способствуя генерации более мощных импульсов. Его емкость некритична, можно поставить и 470, и 1000 мкФ. Рабочее напряжение — не меньше, чем напряжение СП на ярком солнце. Трансформатор Тр1 намотан на ферритовой «шпульке» внешним диаметром 10 и высотой 15 мм (таких полно в старых мониторах и телевизорах). Допустимо использовать обломок ферритового стержня длиной 20–30 мм, насадив на него пару картонных щечек. Намотка ведется «внавал» любым изолированным проводом диаметром 0,15 — 0,25 мм.

Сначала наматывают коллекторную часть обмотки (правую по схеме) из 300 витков, затем делают отвод и доматывают (в ту же сторону!) базовую часть обмотки (левую по схеме) из 150 витков, можно более тонким проводом.

Транзистор VT1 — любого типа, кремниевый, маломощный. Защитный диод VD1 — также любой, маломощный, желательно германиевый, но будет работать и кремниевый. Налаживание инвертора сводится к подбору резистора и конденсатора цепочки R1, С2 по максимуму тока, отдаваемому инвертором при малой освещенности СП. Очень полезно проконтролировать наличие и форму импульсов на коллекторе VT1 с помощью осциллографа. Увеличивая освещенность (поднося СП к настольной лампе), наблюдают увеличение длительности импульсов, что соответствует росту зарядного тока, а затем и срыв колебаний при дальнейшем росте тока.

Автор очень надеется, что читатели повторят, а затем и усовершенствуют это простое устройство — «кирпичик» будущей Солнечной Энергетики.

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос — ответ

Известно, что вскоре наша милиция превратится в полицию. Интересно, а сколько стоит такое переименование?

Алексей Дубнов,

г. Тула

Около 1 млрд. рублей намерено потратить МВД только на изготовление номерных жетонов и нашивок для будущих российских полицейских. Причем речь идет только о тех сотрудниках органов правопорядка, которые будут нести службу непосредственно на улицах российских городов. В целом же переименование милиции в полицию должно обойтись государству в 2,2 млрд. рублей.