Barca a energia solare. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative

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L'aspetto cognitivo nella progettazione di una barca del genere è conoscere lo sviluppo pratico del fotovoltaico. La natura intermittente della luce solare determina la necessità per molti circuiti di utilizzare una batteria, e quindi abbiamo energia elettrica quando ne abbiamo bisogno, e non quando splende il sole. Uno dei problemi principali quando si utilizzano le batterie è la gestione della corrente di carica: sovraccaricare la batteria può portare alla rottura della batteria.

Fino ad ora, per garantire l'affidabilità e la lunga durata della batteria, veniva utilizzato un regolatore di carica o la corrente di uscita del pannello solare era limitata. In questo capitolo conoscerete una nuova modalità di funzionamento dei pannelli solari, vale a dire la loro autoregolazione. Quando li si utilizza, non sono necessari regolatori della corrente di carica delle batterie.

Batterie al piombo

La modalità di autoregolazione di una batteria solare è fortemente influenzata dalle caratteristiche di una batteria al piombo, quindi mi sembra che sia necessario familiarizzare brevemente con il loro principio di funzionamento.

Una batteria al piombo è costituita da due piastre di piombo immerse in una soluzione debole di acido solforico. In questo caso si verifica una reazione elettrochimica reversibile, a seguito della quale è possibile immagazzinare una carica elettrica. Saremo interessati solo al processo di ricarica.

Durante lo scarico, gli ioni solfato del residuo acido vengono assorbiti dalla soluzione dalle lastre di piombo. Quando una corrente di carica passa attraverso le piastre, l'energia elettrica "riporta" gli ioni solfato in soluzione. Dopo che la batteria riceve circa l'80% della sua carica originale, l'equilibrio chimico all'interno della cella inizia a cambiare. Il piombo dal sale viene gradualmente ridotto a un metallo puro.

Il risultato è simile all'immersione di due barre metalliche in una soluzione acquosa, quando si creano condizioni eccellenti per l'elettrolisi. In effetti, questo è ciò che accade. L'elettrolisi è accompagnata dal rilascio di bolle di ossigeno e idrogeno, ovvero il cosiddetto effetto "ebollizione" della cella della batteria. È più corretto chiamare questo effetto evoluzione del gas.

È il degassamento che porta al deterioramento della batteria al piombo. Se non viene intrapresa alcuna azione, la cella finirà per guastarsi Per evitare danni, è necessario ridurre la corrente di carica proprio all'inizio del degassamento. I regolatori di carica servono a questo scopo.

È possibile ridurre la corrente di carica utilizzando un resistore collegato in serie alla batteria. Parte dell'energia elettrica viene dissipata in questo resistore sotto forma di calore, il che porta a una diminuzione della corrente di carica.

Un altro metodo spesso utilizzato: viene mantenuta una tensione costante sulla batteria e la forza attuale assume valori diversi. Poiché la quantità di corrente dipende dalla differenza tra la tensione sulla batteria e la tensione di carica, è possibile regolare la velocità di carica modificando la tensione. Allo stesso modo, nell'impianto elettrico di un'auto che utilizza un regolatore di tensione, la batteria viene mantenuta carica.

Sfortunatamente, l'uso di un regolatore di tensione quando la batteria è completamente carica richiede un aumento del tempo di ricarica. Con un numero limitato di ore di sole durante il giorno, c'è naturalmente poco tempo per la ricarica.

Probabilmente hai già intuito che la soluzione ideale è combinare un regolatore di corrente e un regolatore di tensione in un unico dispositivo. La carica inizia con una grande corrente senza alcuna limitazione di tensione. Quando la batteria raggiunge la fase di gassificazione, il dispositivo riduce la corrente e passa alla modalità di regolazione della tensione.

La batteria immagazzina la massima quantità di carica nel minor tempo, eliminando la possibilità di sovraccaricare la batteria. Graficamente, il ciclo di carica ideale è mostrato in Fig. 1.

Pannello solare autoregolante

Ora possiamo considerare le caratteristiche di una cella solare al silicio, mostrate in Fig. 1 (curva superiore).

Ris.1

Come sapete, una cella solare al silicio è un generatore di corrente. Indipendentemente dalla tensione prima che la curva si pieghi, la corrente è sempre costante. La tensione ai capi dell'elemento è determinata dalla resistenza di carico.

Man mano che la resistenza del carico diminuisce, arriva un punto in cui la corrente non è più il fattore determinante. Questa parte della curva è chiamata "ginocchio". Ad alte tensioni attraverso la resistenza di carico entrano in gioco le leggi di conservazione dell'energia e della fisica quantistica e la corrente diminuisce. Prestiamo molta attenzione a questo fatto, poiché è il significato di autoregolazione della batteria solare.

Questo punto di transizione sulla caratteristica della cella solare è molto importante nella seguente considerazione. Infatti separa le due modalità di funzionamento della batteria solare. Sopra di esso, il generatore solare funge da generatore di corrente e sotto di esso equivale a un regolatore di tensione.

Se confrontiamo il grafico di un caricabatterie ideale con la curva corrente-tensione di una cella solare (Fig. 1), possiamo vedere che le due curve sono molto simili. In effetti, sono quasi congruenti.

Pertanto, è del tutto naturale collegare insieme entrambe le caratteristiche. Coordinando il punto di flesso della curva corrente-tensione della batteria solare con il momento in cui la batteria inizia a degassare, è possibile ottenere l'effetto di autoregolazione.

Torniamo a un esempio tipico. Supponiamo che il processo inizi con una batteria al piombo completamente scarica. Ora colleghiamolo a un generatore solare autoregolante.

Quando il pannello solare è illuminato, la batteria inizia a caricarsi. All'inizio del processo, la tensione della batteria è bassa (<10 V). In questo caso, la batteria solare funziona nella zona sopra il "ginocchio" in modalità generatore di corrente. In altre parole, la batteria riceve la massima corrente che il pannello solare può produrre, il che consente di ottenere la ricarica rapida necessaria.

Man mano che la carica si accumula nelle celle della batteria, la tensione inizia ad aumentare gradualmente. Ricorda come abbiamo approfittato di questo aumento del design regolatore di carica. Possiamo fare lo stesso di nuovo.

Se combiniamo la tensione di gassificazione, che parte da 12,6V in una batteria da 12V, con la tensione al ginocchio della curva V/A della cella solare, possiamo ottenere una riduzione della corrente di carica.

Supponendo che la batteria abbia raggiunto la fase di gassificazione, osserviamo che il pannello solare esce dall'attuale modalità di stabilizzazione. Ora aumentando la carica della batteria e la tensione su di essa costringerà il pannello solare a funzionare in modalità regolatore di tensione. Di conseguenza, la corrente di carica diminuirà.

Maggiore è la carica della batteria, maggiore diventa la tensione statica e più il punto operativo sulla caratteristica della cella solare si sposta nell'area al di sotto del "ginocchio". Un aumento della tensione è seguito da una corrispondente diminuzione della corrente di uscita del pannello solare.

Quando le batterie sono completamente cariche, il punto di lavoro si è spostato così tanto a destra nella caratteristica che ora dalla batteria solare fluisce solo una piccola corrente di alimentazione. È così piccolo che la batteria può rimanere in questo stato per tutto il tempo desiderato senza timore di sovraccaricarsi. A questo punto, la tensione della batteria è di 13,2 V.

Tutto rimane in questa posizione finché non esauriamo l'energia immagazzinata nella batteria. Man mano che le celle emettono energia, la tensione ai capi della batteria diminuisce di conseguenza e il punto operativo si sposta nella direzione opposta lungo la curva volt-ampere. L'intensità della corrente di carica della batteria solare dipenderà da quanto è diminuita la tensione sulla batteria, cioè dalla quantità di energia consumata proporzionale a questo valore.

Quindi abbiamo raggiunto l'obiettivo, ora abbiamo un generatore solare autoregolante.

effetto della temperatura

Un pannello solare autoregolante ha una proprietà davvero inaspettata: tiene conto dell'influenza della temperatura. Pochi degli oggetti intorno a noi non sono influenzati dalla temperatura. Le celle solari e le batterie non fanno eccezione. La carica elettrica viene immagazzinata in una batteria al piombo attraverso una reazione chimica altamente sensibile alle variazioni di temperatura. Più alta è la temperatura ambiente, più velocemente procede la reazione. In pratica, ciò significa che in condizioni climatiche più fredde è necessaria una tensione di carica più elevata.

Con i regolatori di carica convenzionali, il monitoraggio della temperatura è sempre stato un problema. Non è possibile risolverlo con mezzi semplici e qualsiasi metodo più o meno complesso comporterà una complicazione e un aumento del costo del progetto.

Ris.2

La dipendenza dalla temperatura della caratteristica corrente-tensione di una cella solare al silicio compensa le proprietà di temperatura di una cella della batteria al piombo. L'abbassamento della temperatura fa effettivamente funzionare il generatore solare in modo più efficiente.

A causa di varie influenze sul volume del semiconduttore, la componente di tensione è maggiormente influenzata. Questo è esattamente ciò che è richiesto per la batteria. Quando la temperatura esterna scende, la tensione di uscita delle celle solari aumenta (proprio nel momento in cui la batteria necessita di maggiore tensione di carica). Inoltre, quando si opera nel normale intervallo di temperatura, le dipendenze dalla temperatura delle caratteristiche delle batterie solari e di accumulo sono così coerenti tra loro (Fig. 2) che non sono necessarie ulteriori misure per il corretto funzionamento congiunto di queste batterie in un dispositivo comune .

motoscafo

È il momento della parte divertente della nostra storia. Lascia che il pannello solare autoregolante funzioni* per noi ora. Per questo progetto è stata scelta una piccola barca a motore elettrico.

È un gommone in gomma prodotto da Metzeler. La sua lunghezza è di 2,7 e la sua larghezza è di 1,2 M. La stabilità della barca è assicurata da due cilindri distanziati tipo pontone, e il fondo piatto funge da spaziosa "cabina".

Ris.3

Con una bassa velocità dell'acqua (9,4 km/h), questa barca è perfetta per la pesca o semplicemente per una bella passeggiata in una giornata di sole. I pannelli solari sono installati su una tettoia che protegge i passeggeri dai raggi del sole (Fig. 3). Oltre ad alimentare il motore elettrico di una barca, un impianto fotovoltaico può anche alimentare una radio, un sistema di illuminazione o una pompa dell'acqua.

disegno

Iniziamo la nostra descrizione con una barca. Sebbene ci siano molti tipi di barche tra cui scegliere, ho scelto il pontone gonfiabile per due motivi.

Innanzitutto, è gonfiabile. Ciò significa che è portatile e sgonfio per una facile conservazione. In secondo luogo, un gommone è un'imbarcazione solida e stabile che può essere utilizzata a lungo. Di seguito, spiegherò in dettaglio come è stata effettuata la conversione dell'energia solare su questa particolare barca.

Se ne sai di più sulle barche di me e vuoi montare un pannello solare su un diverso tipo di barca, usa comunque i seguenti consigli.

I pannelli solari vengono installati per primi. In questo progetto sono stati utilizzati i pannelli solari M-61 di ARCO Solar, Inc.. tipo autoregolante.

Ogni batteria M-61 con una potenza di 25 W è strutturalmente realizzata sotto forma di un pannello lungo 120 cm, largo 30 cm e spesso 4 cm, contenente 30 celle rotonde a cristallo singolo con un diametro di 10 cm. per una tensione di 14,1 V e una corrente di 1,75 A.

Se vuoi realizzare tu stesso un pannello solare, cerca di assicurarti che la tua batteria abbia le stesse caratteristiche. Assicurati che i pannelli solari siano assolutamente impermeabili: ci sarà molta umidità!

Per il movimento della barca saranno necessari quattro pannelli solari con le caratteristiche specificate. Posizionarli in fila su un pannello di 120x120 cm2 e collegarli in parallelo. La corrente totale di quattro batterie collegate in parallelo è di 7 A e la tensione è di 14 V.

Il pannello solare è fissato al ponte con un telaio per tubi idraulici in PVC di 4 cm di diametro (Schedule-40). I tubi di plastica sono un materiale eccellente per tali scopi; è resistente, economico, leggero e, soprattutto, non si corrode.

Il telaio del tubo è realizzato secondo lo schema mostrato in fig. 4. I collegamenti a 90° sono realizzati con gomiti e il telaio superiore è fissato con raccordi a T.

Ris.4

Sono necessari quattro pali, ciascuno lungo circa 120 cm. Le estremità inferiori dei due montanti anteriori sono collegate da un giunto, che, come si può vedere dalla Fig. 3, appoggiato sul fondo della barca direttamente davanti al sedile anteriore. I due montanti posteriori sono collegati allo stesso modo e fissati al sedile posteriore.

Tagliare con un seghetto pezzi di tubi di plastica della lunghezza richiesta e assemblare il telaio, regolando le parti in posizione. Sebbene nella fig. 4 sono le dimensioni esatte (in cm) e devono essere utilizzate solo come guida. Il montaggio finale viene eseguito sulla barca stessa. Il telaio di supporto del pannello solare deve adattarsi perfettamente tra i pontoni quando viene installato in posizione sul fondo dell'imbarcazione.

Quando sei sicuro che tutto sia fatto correttamente, incolla le parti insieme con un adesivo in PVC pulito contenente solvente per plastica. Quando due parti in plastica vengono incollate insieme, si forma un legame forte quanto il materiale originale stesso. Il tetraidrofurano è usato come solvente per il PVC. Quando si lavora con esso, va ricordato che è velenoso, come del resto la maggior parte degli altri solventi.

È necessario lavorare rapidamente con questa colla, non lascia tempo per la riflessione. Pertanto, prima di incollare, preparare e posizionare tutti i dettagli. Incolla non più di due parti alla volta e attendi che la colla si fissi completamente prima di procedere alla connessione successiva.

Quindi imbullonare insieme i pannelli solari in un'unica unità di 1,5 m2. A tale scopo sono presenti appositi fori sui bordi metallici delle batterie.

Tra le batterie deve essere lasciato un piccolo spazio per ridurre la deriva della struttura. I distanziatori possono essere utilizzati per separare le batterie.

Il pannello solare viene quindi posizionato su un telaio di supporto e legato con spago o fune in almeno quattro punti per lato e dove le batterie vengono avvitate insieme. Meglio non lesinare sul cavo, altrimenti la batteria cadrà in acqua dopo una forte raffica di vento.

Un motore elettrico del peso di circa 13 kg viene utilizzato come motore di una barca. Motori elettrici simili sono prodotti da varie aziende, come Montgomery Ward e Sears.

Il motore della barca viene fornito fissato a un giogo di legno che sosterrà facilmente un piccolo motore elettrico, poiché il design è progettato per una potenza ridotta fino a 4 CV. Con. (circa 3kW).

Il motore elettrico è alimentato da una batteria al piombo da 12 volt. Si tratta di una batteria di celle al gel, simile a quella descritta nel cap. tipo 14. Essenzialmente, una cella gel è simile a una cella piombo-acido convenzionale con un elettrolita liquido. Tuttavia, non un liquido, ma un denso elettrolita Jell-O, che ha la consistenza della gelatina, viene versato nella cella del gel.

L'uso di una batteria al gel invece di una batteria marina standard è dovuto alla mancanza di perdite di elettrolita. Anche se la barca si capovolge (cosa che non è mai accaduta), l'acido non si rovescia.

Poiché i pannelli solari sono autoregolanti, l'unica cosa necessaria è collegarli a una batteria, che a sua volta a un motore elettrico. Tutto è molto semplice!

Qual è lo scopo dei pannelli solari autoregolanti in questo progetto? Da un lato, tali batterie semplificano il design e aumentano l'affidabilità. Questo è il motivo principale. D'altra parte, questo mi ha dato l'opportunità di dimostrarti un'altra proprietà dei pannelli solari.

Capacità della barca

I pannelli solari funzionano bene? Ebbene, lo confesso: in Fig. 3 vedete non è la mia barca, appartiene a Gary Zanstecher (seduto a bordo), al quale lascio la possibilità di spiegare se è buona. Ecco la sua opinione:

"È una barca stabile, facile da trasportare e montare. La barca è solitamente ormeggiata a Marina del Rey. La usiamo nei fine settimana e nel tempo libero.

Per le sue caratteristiche, la barca sviluppa una velocità di 9,4 km / h. Durante la guida, il motore consuma 25 A, quindi una batteria con una capacità di 80 Ah è sufficiente per circa 3 ore di funzionamento. Va però ricordato che allo stesso tempo c'è una ricarica continua dalla batteria solare.

Sono stato in barca per 4-5 ore di fila e non ho mai avuto mancanza di elettricità. Certo, ho usato la barca solo nei giorni di sole.

La barca è ormeggiata per almeno una settimana tra un viaggio e l'altro, quindi i pannelli solari hanno abbastanza tempo per caricare le batterie.

Guarda, i pannelli solari non sono orientati verso il sole. Non è saggio farlo, poiché la barca cambia costantemente orientamento e direzione di movimento. Le batterie sono montate orizzontalmente e, ovviamente, non generano la massima corrente per la maggior parte del tempo. Tuttavia, quando il sole è alto sopra l'orizzonte, funzionano abbastanza bene.

Le batterie sono attaccate solo al pannello, quindi possono essere rimosse molto rapidamente. Sono piuttosto costosi e non voglio perderli in una tempesta. È vero, la barca ha resistito senza problemi agli effetti del vento che soffiava a velocità fino a 56 km / h.

In generale, devo dire che una barca con una batteria solare è una cosa molto divertente".

Autore: Byers T.

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