Применение солнечных батарей для питания GPS приемников.

Вот уже более полувека герметичные щелочные аккумуляторы являются наиболее популярным средством в качестве источников питания переносных приборов. Всё это время постоянно улучшаются их технические характеристики, но, как и полвека тому назад даже самые современные аккумуляторы имеют ограниченную ёмкость. За прошедшие 20 лет она увеличилась всего в 5 раз (для сравнения характеристики электронных устройств улучшились в сотни и даже тысячи раз). Иными словами, ёмкость аккумулятора конечна и ограничена размерами его корпуса. Современные технологии не позволяют увеличить её значительно, более того, новейшие научные данные не предвидят значительных увеличений ёмкости среди этих источников энергии в обозримом будущем. До тех пор пока аккумуляторы основаны на электрохимических процессах, мы будем ограничены устройствами хранения энергии, используя большие по размерам, тяжелые, капризные, непредсказуемые в эксплуатации, весьма дорогие и при этом, с весьма коротким сроком жизни аккумуляторы.

Более того, попытки увеличения емкости, уменьшения массы и размеров аккумуляторов привели к побочным эффектам, таким как более короткий срок службы и увеличенный саморазряд, не говоря уже о более высоких эксплуатационных расходах. Дело в том, что одним из методов увеличения ёмкости аккумулятора является использование более тонкой пластины сепаратора разделяющей анод и катод, которая разрушается быстрее, следствием чего и является увеличенный саморазряд. Это значит, что приобретая аккумулятор максимальной ёмкости, мы заведомо приобретаем источник, рассчитанный на минимальный срок службы. Вероятно, многие из Вас замечали, что многие старые аккумуляторы выпущенные в 80-х, 70-х и даже 60-х годах ещё работают, в то время как купленные в 90-х - уже вышли из строя. К примеру, у меня в домашнем радиотелефоне до сих пор стоят советские аккумуляторы формата АА, ёмкостью 450ма/ч, выпущенные в 1985 году!

В настоящее время наиболее перспективными считаются разработки топливных элементов (водородных, спиртовых, газовых и т.п.) но и они ещё далеки от совершенства, да и пока недоступны для простого потребителя.

Наряду с усовершенствованием энергоносителей, происходит также модернизация энергопотребителей. Современные электронные устройства потребляют энергии значительно меньше, чем их предшественники. Все эти обстоятельства позволяют использовать новейшие достижения науки и техники в области электро-энергообеспечения для достижения более существенных результатов в комплексе.

С 1987 года я занимаюсь спелеологией и специфика этого занятия такова, что мне постоянно приходится зависеть от осветительных приборов, потребляющих электроэнергию, а, следовательно, батарей или аккумуляторов. Долгие годы это обстоятельство являлось самой большой проблемой в моих странствиях по лабиринтам пещер. В длительные экспедиции приходилось брать большой запас аккумуляторов, что существенно утяжеляло рюкзаки, порой заставляя отказываться от необходимых вещей.

Но благодаря улучшению современных электронных схем, ставших менее энергоемкими, с 1999 года я стал использовать солнечную батарею. Хочу отметить важное обстоятельство, - цены на солнечные батареи упали за последние 25 лет в 30-40 раз! С 70-100 $ за ватт в семидесятых годах - до 2 $ за ватт в 2003 г.! Более того, они продолжают снижаться, что делает их использование весьма перспективным. Применяя солнечные батареи я отказался от использования больших шахтёрских батарей, заменив их аккумуляторами формата АА. В свой последний поход я взял 30 аккумуляторов, которыми питал всю свою аппаратуру: GPS, радиостанции, фонарь, фотовспышку, приёмник (на каждый прибор по несколько комплектов). В сочетании небольших аккумуляторов с солнечной батареей, постоянно подзаряжая их, я не ощущал недостатка в энергоносителях. Да и вес моего рюкзака ощутимо уменьшился. Аккумуляторы с солнечной батарей, преобразователем и тестером, с боксом для аккумуляторов весят всего 1,5 кг (для сравнения - это вес одного шахтёрского фонаря мощностью всего 36 ватт/час). В этом походе моё энергообеспечение имело мощность от 65 ватт/час и более, благодаря использованию солнечной батареи. Для людей занимающихся пешим, вело- и водным туризмом это, по-моему, оптимальный вариант решить проблемы как с энергообеспечением, так и лишним грузом..

Вот некоторые характеристики моей батареи:

• напряжение под нагрузкой - 5,5в.; ток под нагрузкой - до 1,2 ампера; мощность батареи - 6,5 ватт; вес - 0,8кг.; КПД - 12%; выполнена в виде раскрывающейся книги размером 230х180мм.(в свёрнутом состоянии), элементы, составляющие ее собраны на гетинаксе (толщиной 2,5мм.) и закрыты оргстеклом (толщиной 3мм.). Общая толщина батареи 1,5 см (что делает её совсем не хрупкой!); В комплект входят:

• преобразователь для зарядки аккумуляторов, выдающий напряжение 17 в. и ток 300мА.

• обычные 4-х местные боксы с отсеками для пальчиковых батарей, которые служат для размещения заряжаемых аккумуляторов. В одном из отсеков установлена автомобильная лампочка подсветки заднего номера автомобиля (10вт), которая обеспечивает стабилизацию зарядного тока 2-3 аккумуляторов. Она подключается последовательно с аккумуляторами и стабилизирует ток в пределах 300-350мА. Использую два таких бокса склеенных между собой и подключенных параллельно. Это позволяет заряжать сразу от 1 до 8 аккумуляторов. Отмечу существенную деталь по использованию аккумуляторов - они должны использоваться только в своих группах и парах, в соответствии с прибором, в котором используются. Это существенно продлевает их деятельность;

• цифровой милливольтметр, необходимый для определения емкости заряда аккумулятора. Между количеством запасённого в аккумуляторе заряда и напряжением на нём, как подсказывает опыт, существует некое пропорциональное соотношение.

Ниже я привожу небольшую таблицу зависимости глубины разряда в % от напряжения на аккумуляторе (данные даны для температуры 20 градусов по Цельсию):

При изменении температуры окружающей среды и соответственно аккумулятора, напряжение характеризующее разряд изменяется на 0,03вольт/градус. Чтобы зарядить частично разрядившийся аккумулятор, нужно всегда к глубине разряда в процентах добавить ещё 25%. К примеру, произведя замер вы получили показания о том, что аккумулятор ёмкостью 1500мА/ч разряжен на 50%, следовательно, к этому значению необходимо добавить ещё 25%. В итоге получается 75%. Затем, паспортную ёмкость аккумулятора (1500мА/ч) нужно разделить на 100%, а полученный результат умножить на 75%:

1500 х 0,75 = 1125мА/ч. То есть, в данном случае аккумулятору для зарядки требуется 1125мА/ч. Зная ток заряда в нашем устройстве, высчитываем время и по прошествии его аккумулятор вновь готов к работе.

На форуме я читал возражения по поводу того, что использование солнечных батарей сильно ограничено. В частности, приводился аргумент, что для пользования солнечной батареей, необходимо иметь постоянное место базирования (стоянки или лагеря) в походе. Я не совсем согласен с этим. В настоящее время промышленность выпускает аккумуляторы, которые заряжаются всего за три часа. В течение дня, во время коротких передышек, привала на обед и т. п., такие аккумуляторы можно полностью зарядить, если это необходимо. В последнем походе я подзаряжал аккумуляторы от солнечной батареи во время пешеходного перехода к месту базирования. Я поместил её на верхнем клапане рюкзака, правда, во время движения в лесу опасность для батареи представляют ветви деревьев и кустарников, но на открытой местности этот метод вполне приемлем.

Главным минусом применения солнечной батареи обычно называют зависимость от ее питания - Солнца. В походе я специально произвел контрольные замеры. Далее привожу характеристики батареи (данные верны для горного Крыма, летом):

Как видим, зарядку аккумуляторов можно производить практически всегда, да и пасмурные дни чередуются обычно с солнечными. Заряд при этом конечно может производиться не всегда так эффективно, как хотелось бы, но на своём опыте скажу, что и этого было вполне достаточно для бесперебойного питания всех вышеперечисленных устройств.

Среди моих знакомых есть такие, которые применяют солнечные батареи на яхтах, заряжая при этом большие свинцовые аккумуляторные батареи до 180А/ч, а некоторые мои друзья применяют солнечные батареи для подзарядки мобильных телефонов в походах. Я слышал только положительные отзывы.

Далее приведу некоторые наиболее общие характеристики для солнечных батарей:

1. КПД обычного солнечного элемента на основе кремния в настоящее время колеблется в пределах 10-18%. Существуют так же арсенид-галлиевые солнечные элементы, КПД которых в два раза выше, правда, из-за очень высокой стоимости они применяются, в основном, только в космической промышленности.

2. Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В.

3. Элемент размером 100х100 мм генерирует 1-1,6 вт.

4. Стоимость самой энергии вырабатываемой солнечными элементами 1 квт/ч -7…8центов.

5. При нагревании солнечного элемента (модуля) излучением солнца происходит снижение рабочего напряжения. Температурный коэффициент для кремния составляет около минус 0,4% на 1 градус Цельсия (0,002 вольт/градус на один элемент). Элемент может нагреваться до температуры 60-70 градусов по Цельсию.

6. Для зарядки 12-ти вольтовой свинцовой аккумуляторной батареи необходимо 36 элементов, что позволит иметь запас по напряжению в сравнении с напряжением полного заряда батареи, и компенсации потерь в контроллере заряда АКБ.

7. При наличии воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом потери на отражение и поглощение излучения солнца достигают 20-30% по сравнению с 12% без воздушной прослойки.

8. Средняя цена солнечной батареи: Россия 1,5-3$ за ватт США 5-7$ за ватт.

9. Элемент вырабатывает в 9-18 раз больше энергии, чем затрачено на его изготовление.

10. Средний срок службы 20 лет.

11. Рабочая температура от -40 до +80 ° С

Цена солнечного элемента на Украине за 1 ватт от 2$ за элемент (без каркаса).

Производство моей солнечной батареи обошлось мне в 13$ и в два выходных дня, что как мне кажется не так уж и много, так как теперь я приобрёл существенную энергонезависимость в многодневных походах.

Рекомендации по производству и сборке:

1. При покупке элементы проверяются на целостность (трещины на элементах видны далеко не всегда!). Исправный элемент должен обеспечивать в яркий, солнечный день, заявленный на него ток короткого замыкания. Значения могут несколько отклоняться в зависимости от Вашей широты местонахождения. Не бойтесь кратковременно замыкать элементы для проверки его целостности, с ним ничего не случится! Если в батарее окажется всего один испорченный элемент, характеристика всей батареи будет ухудшена. Максимальный ток, который может дать батарея состоящая из множества элементов подключенных последовательно, равен максимальному току наихудшего элемента в её цепи!

2. Исходя из определённых требований разрабатывается и делается корпус батареи. Оптимальным является использование разъёмов в виде гнезд для вывода питания батареи;

3. Поочерёдно спаиваются, опять проверяются на целостность и по мере готовности приклеиваются к несущей части все элементы.

4. Производится конечная сборка батареи и её герметизация. Герметизация батареи не только защищает её от влаги, но и от засорения элементов пылью. Сильное засорение элементов может значительно снизить КПД всей батареи.

Внимание!!! Солнечные элементы очень хрупки! При самостоятельном изготовлении и монтаже батарей следует соблюдать особую осторожность! Пайка элементов на заводах производится раскалённой струёй инертного газа, монтаж элементов дома производится посредством паяльника, поэтому не рекомендую производить пайку людям не имеющим соответствующих навыков, в противном случае испорченных элементов скорей всего избежать не удастся.

Привожу ориентировочные цены на некоторые виды элементов на Украине:

С каждым днём мы всё больше и больше зависим от разного рода носителей энергии. Появление новых портативных приборов заставляет нас использовать всё больше и больше различных видов и моделей аккумуляторов. Статистика показывает, что каждые пять лет, количество продаж щелочных аккумуляторов увеличивается вдвое.

Современный мир уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств, а следовательно, чтобы идти в ногу со временем нам и самим нужно искать новые нетрадиционные методы энергоснабжения устройств, хотя бы для того, чтобы наш активный отдых на природе стал более комфортным.

Автор-  Шевцов Вадим

Источник - GPSinfo.Ru