Мобильная электростанция на солнечных батареях

Жизнь общества в 21 веке уже невозможно представить без всевозможных мобильных электронных устройств, о которых еще 20 – 30 лет тому назад фантасты писали как о чем-то очень далеком. Мобильная связь, портативные электронные устройства (ноутбуки, нетбуки, Ай-поды, Ай-фоны), GPS навигация хорошо знакомы даже первоклассникам. Современные школьники без мобильного телефона? Большая редкость. Уже не вызывают удивление серьезные люди в галстуках, которые в ожидании самолета в аэропорту стучат по кнопкам клавиатуры ноутбука – бизнес не может ждать!

Однако, несмотря на стремительно развивающиеся технологии для всех имеющихся на сегодня мобильных электронных устройств характерно высокое энергопотребление. В зависимости от типа устройства и самого аккумулятора, а также режима работы время поддержки работоспособности устройства варьируется в пределах 3 – 10 часов. Особые неудобства возникают у деловых людей в процессе рабочих поездок, когда нет возможности подзарядить аккумулятор от стационарной сети.

Обозначенная проблема решается двумя путями. Прежде всего, ведутся разработки аккумуляторов повышенной емкости. Допускается наличие запасного аккумулятора, но далеко не всегда в поездке это эффективно. Второй путь более логичен в связи с поисками альтернативных источников энергии, поскольку запасы углеводородов на Земле истощаются. В последние годы активно разрабатываются технологии использования естественного источника энергии – энергии солнца. И “мобильная электростанция”, работающая под воздействием солнечных лучей, которая позволяет подзарядить аккумулятор электронного устройства в “полевых” условиях уже не является фантастикой.

“Солнечная батарея” и принцип ее действия

Жизнь общества в 21 веке уже невозможно представить без всевозможных мобильных электронных устройств, о которых еще 20 – 30 лет тому назад фантасты писали как о чем-то очень далеком. Мобильная связь, портативные электронные устройства (ноутбуки, нетбуки, Ай-поды, Ай-фоны), GPS навигация хорошо знакомы даже первоклассникам. Современные школьники без мобильного телефона? Большая редкость. Уже не вызывают удивление серьезные люди в галстуках, которые в ожидании самолета в аэропорту стучат по кнопкам клавиатуры ноутбука – бизнес не может ждать!

Однако, несмотря на стремительно развивающиеся технологии для всех имеющихся на сегодня мобильных электронных устройств характерно высокое энергопотребление. В зависимости от типа устройства и самого аккумулятора, а также режима работы время поддержки работоспособности устройства варьируется в пределах 3 – 10 часов. Особые неудобства возникают у деловых людей в процессе рабочих поездок, когда нет возможности подзарядить аккумулятор от стационарной сети.

Обозначенная проблема решается двумя путями. Прежде всего, ведутся разработки аккумуляторов повышенной емкости. Допускается наличие запасного аккумулятора, но далеко не всегда в поездке это эффективно. Второй путь более логичен в связи с поисками альтернативных источников энергии, поскольку запасы углеводородов на Земле истощаются. В последние годы активно разрабатываются технологии использования естественного источника энергии – энергии солнца. И “мобильная электростанция”, работающая под воздействием солнечных лучей, которая позволяет подзарядить аккумулятор электронного устройства в “полевых” условиях уже не является фантастикой.

“Солнечная батарея” и принцип ее действия

Понятие “солнечная батарея” известна из школьного курса физики. На бытовом уровне это понятие обозначает несколько полупроводниковых устройств (фотоэлементов), которые объединены в группу, преобразующую солнечную энергию непосредственно в постоянный электрический ток.

Физика процесса проста. Среди полупроводниковых материалов (чаще всего это кремний) есть материалы, у которых при попадании светового излучения на p-n переход возникает разность потенциалов (разнополярные заряды). При замыкании выводов полупроводника через нагрузку потечет электрический ток. Для уменьшения потерь фотоэлементы располагают в непосредственной близости друг от друга и соединяют электрически между собой в необходимой последовательности (последовательно либо параллельно).

Электрически соединенные между собой фотоэлементы конструктивно представляют собой плоскую панель, которая с лицевой стороны покрыта светопроницаемым противоударным материалом. Площадь панели солнечной батареи (количество фотоэлементов в структуре) зависит от требуемой мощности и варьируется от сотых долей квадратного метра до тысячи квадратных метров. Каждый фотоэлектрический модуль (ФЭМ) описывается несколькими параметрами.

Срок службы. Этот параметр имеет значение более 25 лет. Однако следует учесть темпы развития электроники и совершенно очевидно, что через 25 лет применяемые сегодня ФЭМ будут устаревшими и для решения задачи построения мобильной электростанции этим параметром можно пренебречь.

Напряжение одной пластины ФЭМ. На сегодня это 0.6 вольт без нагрузки и 0.5 вольт под нагрузкой (при освещении пластины световым потоком мощностью 1 кВт/м2). Для обеспечения зарядки аккумулятора необходимо чтобы общее напряжение солнечной панели было не меньше номинального напряжения аккумулятора. Только в этом случае аккумулятор будет “принимать” зарядный ток. Поэтому одинарные пластины собирают в модуль.

Эффективность (КПД) ФЭМ. Этот параметр самый важный для мобильной системы зарядки аккумуляторов мобильных электронных устройств. Чем выше КПД, тем меньше необходимая площадь панели ФЭМ.

Для повышения КПД ФЭМ в научных лабораториях мира испытывают не только материалы на основе кремния (КПД около 24.7% у кристаллического кремния). Выяснилось, что большее значение КПД можно получить с использованием арсенида галлия (GaAs – КПД около 25.1% у кристаллического материала). Однако КПД 32% обеспечивают многослойные структуры. С января 2011 года американской компанией Spectrolab (дочерняя лаборатория компании Boeing) поставляются на рынок панели C3MJ+ с декларируемой эффективностью 39.2%.

Исследователи лаборатории Spectrolab доказали теоретическую возможность поднять эффективность солнечных батарей до 70% при практической возможности достижения 50%-го результата. Но это разговор об экспериментальных дорогих панелях. На практике же в торговую сеть поступают панели массового производства с эффективностью от 8% до 20%. К тому же на эффективности фотоэлементов отражается повышение их температуры и возможность частичного затемнения панели.

Для преодоления затемнения приходится брать в расчет продолжительность светового дня и наличие облачных дней в данном регионе. Получение максимального эффекта от данной солнечной батареи возможно при световом потоке мощностью 1000 Вт/м2. Поток с такой мощностью можно получить в промежутке времени с 10 утра до 17 дня, к тому же в южных широтах. Для компенсации ограничения по времени освещенности применяется метод повышенного зарядного тока. Если ФЭМ обеспечивает величину зарядного тока от 15 до 30 процентов величины емкости заряжаемого аккумулятора, то заряд осуществляется в ускоренном режиме.

В случае, когда зарядный ток будет составлять меньше 0.08 емкости аккумулятора, будет осуществляться только подзарядка. При таком зарядном токе солнечную батарею следует держать постоянно подключенной к аккумулятору. Объективно такой вариант не совсем удобен. В любом случае процесс зарядки или подзарядки должен контролироваться, чтобы напряжение, снимаемое с одного элемента аккумулятора, было не менее 1.15 вольт. Если напряжение падает до этого уровня, то следует обеспечить зарядку. После падения напряжения до 1.1 вольт аккумулятор можно просто не восстановить. Анализ процесса зарядки осуществляется контроллером заряда.

В целом можно сказать, что даже в пасмурную погоду современные портативные зарядные устройства на солнечных батареях смогут обеспечить достаточное количество энергии для включения и кратковременного использования мобильных устройств (например, телефона).

Развитие технологий производства ФЭМ приводит к постоянному обновлению ассортимента на прилавках магазинов. В текущем году появились ФЭМ массового производства, использующие пленочные технологии (аморфный кремний и микрокремниевая пленка). Уже опытные образцы таких ФЭМ показали уверенные положительные результаты. Эффективность их работы имеет меньшую зависимость от погодных условий. Процесс изготовления пленочных ФЭМ сродни печати, а стоимость будет снижаться по мере совершенствования технологии. Таким образом, мобильные средства зарядки аккумуляторов, использующие солнечную энергию, все увереннее входят в нашу обыденность, а их эффективность и надежность все выше.