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, за городом, где нет смога). 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 – 0.01 - 0.38 мкм
// в озоновом слое атмосферы Земли (на высоте 20-50 км) поглащается ультрафиолет с длиной волны – меньше, примерно 2000 ангстрем (200 нм), так называемый "дальний или вакуумный УФ". Содержащиеся в воздушной среде, водный пар, кислород и углекислый газ – так же защищают поверхность планеты от чрезмерного солнечного излучения.
• Видимый свет – 0.38 - 0.74 мкм (380-740 нанометров).
• Инфракрасное (тепловое) излучение – 0.74 - 500мкм (в диапазоне от 0,7 до 15 мкм – от ламп накаливания и открытого пламени огня, температура составляет до нескольких тысяч градусов по цельсию).

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" оконное.

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 естественной 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 низкоомным защитным диодом Шоттки 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 к буферному акк-ру.

Распиновка USB-разъёма, если смотреть на гнездо со строны втыкаемого штекера – показана на рисунке. Плюсовой контакт (VCC, +5V) – слева, минусовая клемма (GND, Ground) – справа. Рабочий вольтаж на питающем входе DC-DC преобразователей, стоящих, например, в мобильных зарядках – может варьировать в широком диапазоне значений (в зависимости от электрической схемы и типа применяемых микросхем).

Термоэлектрические генераторы (батареи) – современные полупроводниковые (раньше, старые модели – изготавливались, так же, из металлов и сплавов) термогенераторные модули работающие по известному принципу термопары (вырабатываемая электрическая мощность зависит от разности температур на контактах / спаях). Они, также, могут работать в качестве охладителя или нагревателя, если через устройство направить постоянный ток (элементы Пельтье). Передача и отвод тепла – обеспечиваются пименением материалов с достаточно большим коэффициентом теплопроводности.



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 или печь. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 300 до 600-1200 градусов по шкале Цельсия, в зависимости от дров (твердая или мягкая древесина дают при сжигании, соответственно, больше или меньше тепла огня).

Для термоэлементов, применяемых, как в режиме генерации электроэнергии, так и для охлаждения, характерен относительно низкий КПД (коэффициент полезного действия), который, даже у многих современных моделей – не превышает 7%. Для получения электричества непосредственно на открытом пламени костра или над газовой горелкой – нужны термопары из металлических проводников, типа хромель-алюмелевых (ТХА). Для работы в качестве холодильника – больше подходят полупроводниковые термо-генераторы.

Учитывая количество теряемой тепловой энергии, во всех сферах жизни человека, и в быту и на производстве, использование термогенераторов выгодно и экономически целесообразно, а в условиях автономного пребывания в труднодоступных районах планеты, на необжитых территориях – это жизненно необходимо.

Электрогенератор ("динамка"), ветрогенератор (ветряк)

Электродинамические генераторы, в автономных условиях – неплохой вариант (компактный и всепогодный, работающий в любых погодных условиях, выручающий при отсутствии ветра и солнца), по обеспечению электроэнергией зарядных устройств (DC-преобразователи с USB-разъёмом) для аккумуляторов. В мобильном варианте, для турпоходов – это ручное динамо, вырабатывающее до 1-2 Вт в нажимном варианте (фонарь жучёк) и ещё больше – вращаемые ручкой электрические генераторы.

Для изготовления самодельной динамки – хорошо подходят низкооборотистые шаговые электромоторы малой мощности (например, исправные моторчики из списанного принтера, а так же двигатель из старого сканера или пятидюймового дисковода). Но, их максимальная выходная мощность невелика – 1-3 ватт.

Обычный велосипедный динамо-генератор может выдавать, примерно, до четырёх ватт мощности и более (при езде "под горку").

Сейчас широко распространены китайские вращательные динамомашинки (как на фотографии). Двухминутное вращение рукоятки – заряжает мобильный телефон на 1-4 минуты разговора.

Применение в фонариках энергосберегающих светодиодов вместо лампочек накаливания – обеспечивает освещение намного дольше, при той же яркости.

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, ВЭУ) — устройство, преобразующее энергию ветрового потока в электроэнергию. Лёгкие, по весу, разборные ветряки (переносные и умещающиеся в багажнике легкового автомобиля) – могут иметь мощность от десятков ватт (относительно малогабаритные устройства) до 0.5-0.6 киловатт (мачтовые ветрогенераторы с двухметровым диаметром ветроколеса). Минимальная (стартовая) скорость ветра – 2-3 метра в секунду, рабочая скор. (для большинства походных моделей) – ~ 4-11 м/с. Должны быть и другие, дополнительные источники энергии, если местность не ветреная.

У ветроэнергетики есть и минусы. Стоимость оборудования и значительные затраты на строительство, последующее обслуживание электростанции и её ремонт – окупятся не скоро. Потребуется грамотный, обученный техперсонал на полную ставку. Каждые несколько лет – нужна замена аккумуляторов и части электрического оборудования. Примерно, через полтора десятилетия, то есть, по истечение планового срока эксплуатации – потребуется капитальный ремонт механических узлов и деталей (замена подшипников, элементов и деталей поворотного механизма, генератора) Если у вас не бытовое, малогабаритное изделие, а промышленный агрегат, то могут возникнуть проблемы при получении официальных разрешений для установки ветряка в черте городской застройки. Рано или поздно, в местную администрацию начнут поступать жалобы от населения по поводу проблем (шум и заметное нарушение работы антенного оборудования – приёма телесигнала), испорченного ландшафта и неудобства от соседства с огромным и постоянно мельтешащим "вентилятором".

"Земляной" гальванический (электролитический) элемент.

Самодельная "земляная батарея" делается из имеющихся в наличии материалов, подходящих по максимальной разности их электродных потенциалов металлов (напряжение, в режиме холостого хода, между медной и цинковой пластиной – порядка 1 вольта, см. таблицу...
 читать дальше >>

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, "на холоде":
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 окружающей среды.
– 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 сайта KAKRAS.RU
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" во время разряда (по стрелочному индикатору тестера) – насколько хорошо аккумулятор держит большую нагрузку. Вместо тестера, используют и специальную "нагрузочную вилку", используемую для проверки автоаккумуляторов, с мощным низкоомным (0.1 Ом) шунтом и "показометром".

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(свинцово-кислотн)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.

// Покупая батарейки в магазине, надо обязательно убедиться в том, что они свежие – посмотреть их срок гарантии (указан маркировкой на корпусе). Должен быть, как минимум – "плюс 3-4 года" от текущей даты.

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.

Геотермальная и гидротермальная энергия – экологически чистая энергетика

Геотермальная энергия – естественное тепло планеты, земли. Количество её – колоссально. Температура недр земли с глубиной повышается, обычно на 20-40 °С на каждый километр, и с глубин 4-5 километров температура превышает 100 °С (температура кипения воды и парообразования).

В нашей стране большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка и Курилы (где имеются, так же, поверхностные гидротермальные источники), Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область. Дешевое, надежное, экологически чистое геотермальное теплоснабжение может заменить большинство существующих котельных систем, работающих на основе мазутных, угольных и газовых котлов, по давно устаревшим технологиям. Геотермальные ресурсы позволят сэкономить потребляемое углеводородное топливо и произвести более дешевое тепло, на основе инновационных, экологичных технологий.

На Камчатке уже работают геотермальные электростанции, мощность которых составляет более 400 млн. кВт.ч электроэнергии и это далеко не предел.



Экономическая эффективность и надежность, наряду с экологической безопасностью – главные факторы, благодаря которым геотермальная энергетика получает всё более широкое применение во многих странах. В настоящее время геотермальные электростанции работают в 25 странах и производят более 50 ГВт/год, наращивая объёмы с каждым годом.

В сейсмоопасных районах, где случаются сильные землетрясения – нет возможности эксплуатации атомных электростанций, что само по себе опасно и может иметь трагические последствия, подобные событиям на АЭС Фукусима в Японии.

В условиях сейсмичности региона, реальной, современной и экологически безопасной технологией является геотермальная энергетика ( https:// www.geotherm.rushydro.ru/press/ news-materials/smi/12749.html), для которой не нужно топлива в виде привозного мазута и дизельного топлива, а только тепло недр из подземных скважин или от геотермальных источников на поверхности земли.

Себестоимость электроэнергии вырабатываемой на ГеоЭС значительно ниже, чем на ТЭЦ. К тому же, это экологически чистое производство, которое позволяет исключить выбросы углерода и других вредных газов, вызывающих парниковый эффект.

Солнечные и геотермальные электростанции – перспективные направления развития энергетики в XXI-м веке.

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.

www.gesa.ru/downloads/ igw2004_abstracts_rus.pdf – 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.

  Поддержать этот сайт

 [ на главную страницу ]

Copyright © 2007-2024, KAKRAS.RU