Самодельная солнечная батарея для QRP

Наше время характерно поиском новых экологически чистых источников энергии, не загрязняющих окружающую среду, в отличие от традиционных, основанных на сжигании угля и нефти. Теперь это уже стало жизненно важным для всего человечества. Наиболее удобная в использовании энергия - электрическая, а самые чистые ее источники используют солнечный свет (солнечные батареи) и ветер (ветроэлектрогенераторы).

Поток солнечной энергии в средних широтах не мал - до 600 Вт/м2! Поэтому в местах, где много солнечных дней, всерьез думают о ее промышленном использовании. Например, в пустынной местности Калифорнии, непригодной для сельского хозяйства, построен целый завод по производству электроэнергии.

О масштабах предприятия можно судить по фигуркам людей на переднем плане фотографии.

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

Солнечный элемент представляет, по сути дела, полупроводниковый диод с большой площадью контакта двух слоев полупроводника р и n типов проводимости. Он обладает выпрямляющим действием, т. е. пропускает ток только в одном направлении. Но нам важно не это, а другое его свойство.

При освещении контакта на выводах появляется напряжение, а через подключенную нагрузку протекает электрический ток. Один элемент развивает небольшое напряжение, до 0,5 В, поэтому элементы соединяют последовательно в батарею, часто называемую солнечной панелью (СП или SP - solar panel).

Солнечный свет бывает далеко не всегда, поэтому СП оснащают буферной аккумуляторной батареей. А чтобы аккумулятор не разряжался ночью на малое внутреннее сопротивление солнечных элементов, используют защитный диод VD1, как показано на рис. 1, а. Именно так и устроена СП «Электроника» (слева на фото), выпускавшаяся когда-то под Москвой в городе Зеленограде.

Небольшое отступление: я решительно не понимаю, зачем надо было разваливать хорошо налаженную полупроводниковую промышленность города, специально для этого построенного в середине 60-х гг, чтобы теперь, на пустом месте и «с чистого листа» строить Сколково, тратя миллиарды? Когда-то я ездил в Зеленоград читать в местном вузе (МИЭТ) лекции по радиотехнике, и цифровые наручные часы «Электроника - 5», тогда одни из первых, купленные там, помнится дешево, исправно служат до сих пор не один десяток лет!

Самодельная солнечная батарея для QRP, схема

Рис. 1.

Эта СП, тоже «Электроника», 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, что вредно сказывается на аккумуляторах, особенно, если забыть СП где-нибудь на подоконнике на несколько суток в солнечную погоду.

С подобным недостатком пришлось столкнуться при конструировании «солнечных часов» (на фото справа). СП от сломанного калькулятора, содержащая 4 элемента, развивала до 2-х вольт светлым днем, даже при отсутствии прямых солнечных лучей. Этого много для стандартного аккумуляторного элемента размера АА.

Щелочные, никель-кадмиевые и другие современные аккумуляторные элементы с номинальным напряжением 1,2 В не рекомендуется заряжать до напряжения более 1,4... 1,6 В. Чтобы ограничить напряжение на элементе уровнем 1,5 В параллельно элементу следует включить цепочку из трех кремниевых диодов (в прямом направлении). 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 потребляет около 100 мкА, и 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. Все размещено на задней стенке корпуса часов.

Аналогичным образом решается проблема перезаряда и для других СП и аккумуляторных батарей (рис. 1, б). Например, для 6-ти 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 будет 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 иакк = ипит (рис. 1), защитный диод VD1 закрыт, и СП не отдает никакого тока.

Это отображено зарядной кривой 1 на рис. 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 солнца.

Самодельная солнечная батарея график

Рис. 2.

Такой недостаток устранить сложнее, но тоже удается. Поможет нам в этом случае импульсный преобразователь напряжения (рис. 3.)

Это обратноходовый инвертер, он собран на самом дешевом транзисторе VТ1.

Еще в схему входит импульсный трансформатор Тр1 и цепочка смещения R1C2, определяющая частоту и период повторения импульсов. Схема напоминает блокинг-генератор.

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 невелик, единицы, а то и доли миллиампера (при слабой освещенности СП), все же, это лучше, чем ничего, и батарея заряжается и утром, и вечером, и в пасмурную погоду. Кривая заряда 2 для этого случая также показана на рис. 2. Генератор начинает работу при напряжении СП 0,6.0,7 В, частота повторения импульсов - несколько десятков килогерц.

По мере увеличения освещенности положительные импульсы генератора становятся все длиннее и длиннее, в то время как их амплитуда постоянна и соответствует напряжению аккумуляторной батареи ипит плюс падение напряжения на защитном диоде VD1.

Самодельная солнечная батарея для QRP, схема преобразователя

Рис. 3.

Если же проглянуло солнце, напряжение СП стало больше ^ит, то защитный диод VD1 откроется постоянно, на все время, обмотка Тр1 будет замкнута на низкое внутреннее сопротивление GB1 и тогда генерация импульсов сорвется. Теперь вся зарядная установка будет работать так же, как и простейшая, собранная по схеме рис. 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 аккумуляторной 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 (у него меньше прямое падение напряжения), но будет работать и кремниевый. Налаживание инвертера сводится к подбору резистора и конденсатора цепочки R1C2 по максимуму тока, отдаваемому инвертером 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.

Для исключения возможности перезаряда батареи совместно с генератором можно использовать и ограничитель напряжения по схеме рис. 1, б.

В заключение автор очень надеется, что читатели повторят, а затем и усовершенствуют это простое зарядное устройство - «кирпичик» будущей Солнечной QRP Энергетики.

Автор: Владимир Поляков RA3AAE. CQ-QRP, №33.

0 1369 Энергия солнечных лучей
солнечная энергия альтернативная энергетика
cashback