Солнечная батарея «наоборот» — чудо наяву

Солнечные батареи для часов

Нет-нет, рассказ пойдет не о тех солнечных часах, что применялись еще в глубокой древности. Наш рассказ о вполне современных часах – электронных, получающих энергию от миниатюрной солнечной батареи, встроенной в корпус.

Вечные часы

Особенность таких часов в том, что они очень долговечны, поскольку нет  в ходе их эксплуатации никаких механических действий по замене источника питания.

Как правило, электронные часы с обычной батарейкой внутри, выходят из строя при попытках применить более доступные источники питания

При этом владелец часов зачастую обращает внимание лишь на размеры самой батарейки, а не на ее емкость и напряжение

Но даже в случае, если батарейка «подошла» по размеру, есть  риск неправильной ее установки. Итог при этом плачевный – часы выходят из строя.

Сейчас выпуском наручных часов с солнечной батарейкой занимаются фирмы (называю в порядке популярности): Casio, Sanyo, Citizen, Seiko, Orient, Pulsar, Timex, Swatch.

В чем же преимущества электронных часов на солнечной батареи по сравнению с обычными? Прежде всего, в том, что не требуется механическое воздействие на них со стороны владельца – отвинчивание задней крышки для смены батарейки. Операция, вроде бы, очень простая.

При самостоятельной же смене батарейки довольно часто рвется уплотнительная резинка и часы перестают быть водонепроницаемыми. Последствия этого предсказуемы.

Принцип действия часов на солнечной батареи

Солнечная батарея в часах может быть разной по «оформлению».  Обычно это небольшая, слегка выпуклая линза на корпусе. Или же под стеклом находится маленькое еще окошко, стилизованное под какой-либо дизайнерский знак.

1. Работают часы по следующему принципу: свет (не обязательно солнечный – любой) попадает на фотоэлемент-панельку, преобразуется в электричество, которое «отправляется» в миниатюрный аккумулятор.
2. Хотя его называют «батарейкой», на самом деле это – непрерывно подзаряжаемый аккумулятор.
3. Электронная «начинка» часов чрезвычайно экономно использует аккумулятор. Емкости полностью заряженного аккумулятора часам хватает на полгода работы в полной темноте.
4. При этом владелец не только видит показываемое время, но и может регулярно подсвечивать табло при необходимости. Полная зарядка достигается, если положить часы на подоконник в солнечный день на три часа.

Разумеется, процесс может быть прерван в любой момент. Фантастика, но даже минутная зарядка обеспечивает часам нормальную работу на сутки!

Условия работы солнечной батареи в часах

Но вообще-то нет никакой необходимости в специальной подзарядке часов. Дело в том, что они заряжаются даже в ситуации, когда на корпус падает любой свет – например, от электрической лампочки, монитора компьютера или экрана телевизора.

Яркий солнечный свет часам не нужен. Хотя, конечно, при таком свете подзарядка аккумулятора станет идти быстрее. Но не будем забывать о том, что подзарядка идет автоматически при любом попадании света на фотоэлемент.

Даже от свечи или горящей спички!

К сожалению, стоимость солнечных часов пока довольно приличная. Речь, конечно, о оригинальных таких часах, а не о китайских подделках под них, в которых нет дорогого фотоэлемента, хотя он и имитируется на корпусе.

Но «лишнюю» точку или букву очень трудно бывает увидеть из-за крайне мелкого шрифта. Так что будьте внимательными при покупке.

Как взять процент?

Земные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 3— 4% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент.

Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны.

Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в , руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе . Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и… почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Для космических кораблей этого вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей (1 кг кремния необходимого качества стоил тогда до 100 долларов) по сравнению с сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие — большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено.

В начале 90-х годов нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика у нас считается одним из ее видов) было бы потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще были не нужны. Судя по тому, что даже на тех крохах, которые выделялись «на Солнце», удалось к середине 90-х поднять КПД солнечных элементов до 15, а к началу нового века — до 20%, утверждение академика недалеко от истины.

Заряд

Для заряда использовались 3 купленные на ебее китайские солнечные панели можностью 1.5Вт и напряжением 9В каждая (цена вопроса $3.99/шт). На холостом ходу они действительно выдавали около 10В, ток КЗ при освещении через оконное стекло около 100мА. На самом деле 3 штуки оказалось ни то ни се, т.к. 30В для зарядки 16-вольтовой батареи много, надо брать либо 2 либо 4. Панели подключены к ионисторам последовательно через мощный диод (нужен для того, чтобы ионисторы не разряжались через панели ночью). Конечно подключение через диод — не самый эффективный способ снятия энергии с батарей, это не MPPT и даже не PWM, зато дешево и надежно.
В тестовом варианте вся конструкция из 3х батарей, приклеенных скотчем к коробке от печенья, и диода, выглядит так:
 

Как показала практика, даже в солнечный день диод не греется (разряженная батарея ионисторов фактически эквивалентна короткому замыканию для солнечных панелей). В ясную погоду уже к середине дня батарея ионисторов заряжается до 15В, затем это напряжение примерно так и держится до вечера. Окна выходят на восток и солнце светит только утром, так что во второй половине дня панели служат скорее для компенсации саморазряда.
 

Преимущества и недостатки

Садовые светильники на солнечных батареях имеют массу преимуществ:

• экономия электроэнергии, ведь они сами ее вырабатывают;
• простота в монтаже. Подключать светильники к электросети ненужно. Многие изделия достаточно просто вкопать в землю, на это уйдут считанные минуты;
• мобильность. При желании светильник достаточно просто установить на другое место, поменяв схему освещения сада. Так же просто собрать их все и сложить на зимнее хранение;
• широкий ассортимент. В продаже несложно найти светильники разных размеров и форм. Есть настолько оригинальные изделия, что такое освещение станет не только функциональным элементом, но и декоративным;
• большинство светильников сами включаются и выключаются, реагируя на смену уровня освещения;
• долговечность при условии покупки качественного изделия;
• безопасность;
• экологичность, ведь для работы светильника не нужна электроэнергия, а значит, не надо использовать уголь, газ или мощь атомных реакторов.

Увы, без минусов не обошлось, так что будьте готовы к следующим особенностям:

• садовый светильник на солнечных батареях – нежное устройство: зимой из-за охлаждения аккумулятора могут случаться сбои, а летом прибор может перегреться вплоть до того, что фотоэлемент выйдет из строя;
• плохая ремонтопригодность. Почти все поломки ведут за собой замену всего светильника полностью;
• эффективность зависит от количества солнечного света, потому в пасмурную погоду, да еще и осенью, когда день короче, аккумулятор зарядится плохо, и его хватит на пару часов работы. В тени же такие светильники нельзя ставить вовсе;
• простота монтажа играет злую шутку – злоумышленники могут легко выдернуть светильники;
• садовый солнечный светильник не даст мощный поток света и не сравнится с обычным фонарем, потому их используют для локальной и декоративной подсветки.

Если взглянуть на статистику продаж и на многочисленные отечественные дачи, можно прийти к выводу, что недостатки людей особо не пугают, а главные достоинства – экономичность и простота установки – обеспечили этим прибором сумасшедшую популярность.

Радуга – это солнечный свет

Радуга может возникнуть только в момент прохождения солнечного света сквозь дождевые капли. Может быть, поэтому с её появлением рождаются радостные чувства. Увидеть радугу – примета окончания потопа. Именно её увидел Ной, когда покинул ковчег и ступил на твёрдую землю.

«Солнечный» (или грибной) дождь, предшествующий появлению радуги, наши предки считали залогом большого счастья: деловые люди рассчитывали на прибыльные сделки, влюблённые – на долгую и счастливую супружескую жизнь, беременные – на лёгкие роды, старики – на крепкое здоровье, а военные – на повышение по службе.

Согласно связанным с радугой мистическим приметам, во время её появления нельзя плавать (есть риск утонуть) и пытаться пройти под «аркой» — мужчина, которому удастся это сделать, обернётся в женщину, а женщина, соответственно, в мужчину.

Правильный монтаж

Схема подключения солнечных панелей намного сложнее, чем централизованный ввод городской сети. Домашняя электростанция состоит минимум из четырех элементов.

Мы не рассматриваем примитивные системы освещения садовых дорожек на 12 вольт. Речь пойдет о полноценном энергоснабжении 220 вольт.

Собственно фотоэлементы. Принцип работы и критерии выбора мы уже рассмотрели. Расчет мощности производится от базовой цифры 5 кВт на 1 дом. Это приблизительно 20–40 стандартных панелей площадью по 0.5 м?.
Блок управления (контроллер). Без него невозможно функционирование вашей электростанции. Как правильно выбрать контроллер заряда для солнечной батареи? Он должен поддерживать общую мощность системы энергоснабжения, обеспечивать заряд аккумуляторов и правильно распределять поток мощности при одновременном потреблении и заряде.Кроме того, на контроллере лежит ответственность за безопасность системы, в том числе и пожарная.Прибор может входить в комплект электростанции, либо приобретается отдельно.
Функционал у всех моделей стандартный. При выборе вы определяете мощность, вольтаж (12 или 24) и главный критерий — срок службы (гарантия). При выходе из строя контроллера, ваше энергоснабжение определяется емкостью аккумуляторов (пока не разрядятся).
Модуль аккумуляторных батарей

Пожалуй, второй по важности элемент в «электростанции». Он служит накопительным буфером энергосистемы

Фактически, отбор мощности происходит именно от батарей. Солнечные элементы лишь восстанавливают отданный запас энергии (заряжают АКБ). Разумеется, могут быть периоды, когда часть нагрузки ложится на фотоэлементы (если вырабатываемая энергия существенно выше затрат на зарядку). Тогда можно сказать, что ваш телевизор или холодильник питается напрямую от солнца. Перед тем, как установить солнечные батареи, необходимо рассчитать емкость аккумуляторов. Делается это просто: при входной мощности 3 кВт, ток потребления не превышает 15 А (в сети 220 вольт). На выходе 12 вольтовых батарей ток будет уже 250 А (в соответствии с законом Ома). Разумеется, такая мощность отбирается не постоянно, но для примера в расчетах мы возьмем именно эти цифры. То есть, если вы установите 5 батарей емкостью по 100 Аxч каждая, то при такой нагрузке заряд закончится через 2 часа.Разумеется, это условные цифры: в реальности существует множество поправок в расчетах. Но базовый ток и мощность исчисляются именно по такому принципу.Существуют различные батареи: кислотные, щелочные, гелевые… По-большому счету, гоняться за самыми «продвинутыми» системами нет смысла. А сэкономить можно лишь на возможности обслуживания: батареи, за которыми требуется надзор, стоят дешевле.
Преобразователь напряжения. Вы можете отбирать мощность напрямую у АКБ, если ваши потребители рассчитаны на 12 вольтовое питание. Однако большинство электроприборов рассчитаны на 220 вольт. Поэтому на выходе устанавливается преобразователь 12–220В.
К нему подключается ваша внутренняя электросеть.

Количество элементов и напряжение

Количество элементов в солнечной панели должно быть:

для 12V – не менее 36шт

для 24V – 72шт или 60шт (PERC модули)

Одна 8d09;клетка9e6f; панели под нагрузкой вырабатывает в среднем 0,45-0,5В.

Ошибка №3
При этом общее напряжение вовсе не равняется 12В или 24В как некоторые думают, оно гораздо больше.

Объясняется это необходимостью компенсировать потери. Во-первых, из-за нагрева.

Ошибка №4
Чем жарче летний денек, тем больше энергии выработают панели.

На самом деле солнечные панели обожают свет, но при этом люто ненавидят жару. На черной крыше в середине июля панели могут нагреваться до +85 градусов.

Ячейки в этом случае уже не будут вырабатывать свои 0,45-0,5В. Потери напряжения могут доходить до 30%.

Наглядный график зависимости:

А вот результаты коротенького эксперимента. Температура панели и ее напряжение до охлаждения и спустя всего пару минут после. Солнце то же самое, просто панельку сверху полили холодной водичкой.

Солнечная панель до охлаждения

Солнечная панель после охлаждения

Не все знают, что технические характеристики, указанные на шильдике, рассчитаны на идеальную температуру в 25С. При отклонении на каждый градус потери изменяются примерно на 0,5%.

Поэтому точку максимальной мощности для солнечной панели 12V рассчитывают при напряжении 18В, а не 12В.

Прибавьте сюда потери в проводах и сопутствующем оборудовании.

Что касается напряжения холостого хода (это когда панель вообще ни к чему не подключена), то его величина превышает 20В (для 12V) и 30В (для 24V) соответственно. Зимой еще больше!

Из-за того, что инверторы очень не любят повышенного напряжения, его подключение напрямую без АКБ и нагрузки является самой частой причиной выхода из строя девайса.

Ошибка №5
Поэтому никогда не отсоединяйте аккумуляторы и не убирайте провода, оставляя панельку подключенной к инвертору без нагрузки.

Как выполнятся монтаж

Выбирают место, где будут фиксироваться панели. Оценивают факторы:

• тень: следует найти наиболее ярко освещаемый на протяжении всего дня участок;
• ориентация по сторонам света: если объект расположен на севере, модуль располагают лицевой панелью к югу и, наоборот;
• угол наклона: он должен соответствовать широте, в которой находится объект (в зависимости от положения относительно экватора осуществляется коррекция 12°).

Монтаж солнечных панелей

Крепить панели можно на крыше дома или при помощи специальных ферм. В первом случае достаточно зафиксировать профили. К ним уже крепят модули при помощи болтового соединения. Когда же солнечные батареи монтируются на специальных конструкциях (фермах), этапы работ будут отличаться:

1. Выполняется сборка профилей, уголков.
2. Подготавливают болты нужного размера, инструмент.
3. Фиксируют панели так, чтобы не было люфта между ними и опорной конструкцией.

Подключение электроники предполагает необходимость присоединения батареи посредством проводов. Соединяют контроллер, инвертор согласно схеме. На последнем этапе вся конструкция подключается к потребителю (обслуживаемому объекту).

Как работают солнечные панели зимой

Добрый день. Продолжу рассказывать о использовании панелей. Один из часто задаваемых вопросов — А как же они ведут себя зимой? Их же снегом заносит и солнца почти нет. Ну что же попытаюсь показать на фото как они себя ведут. И так ночью шел снег, на утро панели выглядели так:

После снегопада, если ветер дует, как это сказать то, если ветер дует в рабочую сторону панелей то их может припорошить как на фото, бывает сильнее, бывает слабее. Ну вот и солнышко встает.

Похоже будет изредка выглядывать, почти по всему небу какая то дымка и только на востоке более, менее чистое небо.

Пойду посмотрю на приборы. Было свободное время, включил в цепь панелей амперметры, все таки интересно что они там дают по току в зависимости от условий. Пока установил их в коробку из под студийного микрофона, немного кривовато получилось, ну да ладно, потом куплю пластиковый щиток и установлю их туда. А да еще в планах попробовать включить в цепь реле выбора фаз, для автоматического переключения на сеть когда сядут АКБ или наоборот. Ну а пока амперметры выглядят так:

Через часик солнце поднялось повыше, даже облачка пропали. Выхожу посмотреть как там панели.

А панели нормально, когда солнце выглядывает из за туч снег с них очень быстро сползает. Тут дает о себе знать «зимний» угол установки панелей почти 70 градусов. Ну пойду посмотрю на амперметры.

Ток увеличился, хотя я ожидал что будет больше. Только полез все проверять, блин вспомнил, у меня же АКБ полностью заряжены, вот контроллер ток и ограничивает. Врубаю мощную нагрузку, о и ток от панелей тоже растет

И еще, амперметр слева стоит на монокристаллической панели, думаю что это она меньше выдает, пошел опять смотреть на панели, ага, на монокристаллическую падает тень от столба возле дома (сразу даже не обратил внимание поэтому и не сфотографировал), а монокристалл не любит такой частичной затененности, что естественно сказывается на выработке

Ну, а теперь выводы. Панели работают замечательно, особенно если выглядывает солнышко то заражают мои два АКБ по 60АЧ ( соединенные в батарею на 24V) очень быстро. Монокристаллическую панель наверное перенесу чуть дальше, где до нее не будет доставать тень от столба. Два АКБ по 60АЧ маловато, а если точнее выразиться то маловато если использовать постоянно, лучше парочку по 100АЧ или гулять так гулять по 200АЧ, будем над этим работать. Да и вот еще у меня есть парочку свободных АКБ по 75АЧ думаю объединить их с АКБ на 60АЧ соорудив «развязку» типа такого

Вместо «ГЕН» естественно будет панель. Ну вроде пока все, жду замечаний и предложений.

Виды

Видов солнечных батарей на сегодня много:

• тонкопленочные и поликристаллические;
• монокристаллические;
• аморфные.

Все они отлично удерживают рассеянный свет. Осадки в виде дождя и снега несколько снижают коэффициент полезного действия, но глобальным образом не отражаются на эффективности солнечного модуля.

Важно: Чтобы они работали максимально эффективно, монтаж сделать необходимо грамотно, выставив точно наклон, что позволит использовать дополнительный источник дешевой энергии и зимой. Угол наклона важен, поскольку солнце в это время года находится низко

Тогда, даже во время дождя, они продолжают накапливать энергию.

Также необходимо панели очищать от снега и наледи. Температура не ухудшает функционирование современных панелей, поэтому в морозную и солнечную погоду у них отличная производительность.

Мужские часы на солнечных батареях

Часы с солнечными панелями на циферблате выпускают многие производители. Самая большая линейка таких устройств, пожалуй, у Casio (технология Tough Solar) и Orient (серия Light Powered4000). Впрочем, Seiko не отстает.

Для Casio с солнечными батареями подходит в принципе любой свет (отраженный, от ламп, рассеянный). То есть часы подзаряжаются постоянно, и для этого их не нужно держать на ярком солнце.

Часы Casio на солнечной батарее AQ-S810W-1B — мужские наручные час

ы из серии Sport Outgear. Подходят тем, кто любит спорт и активный образ жизни. Подзарядка от солнца будет полезной в длительном походе. Стекло пластиковое, корпус и ремень из полимерных материалов.

Водозащита стандартная в 10 Атм. Точность секундомера до 0,001 сек. Автоотключение жидкокристаллического дисплея помогает часам работать почти целый год при отсутствии подзарядки. Срок жизни аккумулятора составляет 8–10 лет.

Часы ударопрочные (линейка G-Shock). Время отражается в формате 12/24, есть обратный таймер, подсветка, автоматическая корректировка времени по радиосигнлалу.

В женской серии Sheen от Casio также представлены часы с солнечными батареями. Например, SHE-4508SBD-7A.

Часы Orient на солнечных батареях

Серия Light Powered 4000 содержит число в названии не случайно: запас хода у моделей в линейке заявлен производителем до 4000 часов (примерно полгода непрерывной работы). Первая зарядка занимает 3 часа.

Женские ORIENT VL05002B выполнены из стали. Стойкое минеральное стекло практически не царапается и устойчиво к образованию трещин. Кварцевый механизма гарантирует точность хода.

ORIENT WE00004B — мужские кварцевые часы в стальном корпусе с защитой от коррозии. Минеральное стекло, ремешок из черного каучука также крайне надежны. На циферблате отражается запас хода. Стрелки покрыты светонакопительным составом и светятся в темноте.

Другие бренды

Сапфировое стекло дополнено антибликовым покрытием Super-Clear. Кварцевый калибр часов — 7x52. 2 года назад цена Seiko Astron была в районе 60 тысяч, сейчас уже в среднем продают за 80 тысяч.

Китайские Hi-Power полная противоположность в плане стоимости. Цены на них в районе 1000 рублей без учета доставки. Часы умеют работать на солнечной энергии или от литиевой батареи.

Переключение между источниками энергии происходит автоматически. В характеристиках указано, что часы водостойкие, но вряд ли они выдержат большее, чем мелкие брызги.

Зато на электронный циферблат можно вывести не только время, но и дату.

В коллекции шесть цветовых решений от стального до оранжевого

Еще одной дорогой новинкой стали Tissot T-Touch Expert Solar Exclusive с сенсорным ЖК- экраном. Эти мужские часы можно приобрести в онланй-магазинах Европы и Америке, в России пока в продаже нет. Стоят в Англии 750 фунтов (63 750 руб.).

Гонки Дарвин – Аделаида – проверка возможностей солнцемобилей

 Если вы хоть немного знакомы с автомобилями, работающими на солнечной энергии, то вы непременно слышали о самых известных гонках, которые каждые 2 года проводят в Австралии. В них участвуют только автомобили, которые используют солнечную энергию. Начало им положил Ханс Толструп, о котором мы вам рассказывали еще в начале статьи. Гонки Дарвин – Аделаида подталкивают всех активистов, кому не безразлична судьба нашей экологии, к разработке новых усовершенствований для солнцемобилей.
Ко всем участникам организаторы гонок предъявляют достаточно жесткие требования:

1. емкость используемых аккумуляторов не должна превышать 5 кВт/ч;
2. движение по трассе строго по графику с 8 утра до 5 вечера.
3. водитель не должен весить меньше 80 кг, иначе к электромобилю крепится дополнительный балласт;
4. команда должна состоять из 2-4 водителей.

В  гонках участвовало 37 команд, но лишь 7 из них смогли пройти дистанцию до конца. Первой на финиш пришла машина на солнечных батареях японской команды. На втором месте оказались голландцы, а на третьем – американцы. Победителю гонки Tokai Challenger 2 (рис. Tokai Challenger 2) понадобилось 32 часа 45 минут, чтобы преодолеть гоночную трассу. Средняя скорость солнцемобиля составила 91,5 км/ч, а максимальная – 160 км/ч. Как мы видим, прогресс на лицо.

В 2013 году победу одержали студенты технического университета Эйндховена из Нидерландов. Их четырехместный автомобиль на солнечных батареях под названием Stella развивает скорость до 110 км/ч, а накопленной силиконовыми панелями солнечной энергии хватает на 600 километров, при условии отсутствия солнечного света. Весит Stella 380 кг при длине 4,5 метра и ширине 1,65 метра. Конструкция солнцемобиля изготовлена из алюминия и углеволокна.

Автомобили на солнечной энергии медленно, но верно входят в нашу жизнь. Пройдет несколько десятков лет, и солнцемобиль перестанет быть чем-то далеким и недоступным. Из уникальной разработки он превратится в массовое средство передвижения. И пусть сегодня многие относятся к «солнечному» автомобилю как к фантастической игрушке для богатых, обязательно придет время, и все переменится. Ведь как показывает история, многие из тех вещей, которые вызывали у людей непонимание и настороженность, сегодня стали для нас неотъемлемой частью нашей жизни.

Статью подготовила Абдуллина Регина

В следующем видео — еще один пример автомобиля на солнечных батареях: