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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Solarbetriebenes Boot. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Der pädagogische Aspekt beim Entwurf eines solchen Bootes liegt in der Einarbeitung in die praktische Entwicklung der Photovoltaik. Aufgrund der intermittierenden Natur der Solarbeleuchtung ist in vielen Stromkreisen der Einsatz einer Batterie erforderlich, sodass wir Strom dann haben, wenn er benötigt wird, und nicht dann, wenn die Sonne scheint. Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Batterien ist die Steuerung des Ladestroms: Eine Überladung der Batterie kann zu deren Ausfall führen. Um die Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten, wurde bisher ein Laderegler eingesetzt oder der Ausgangsstrom des Solarpanels begrenzt. In diesem Kapitel lernen Sie eine neue Funktionsweise von Solarmodulen kennen, nämlich deren Selbstregulierung. Bei deren Einsatz sind keine Batterieladestromregler erforderlich. Bleibatterien Der Selbstregulierungsmodus einer Solarbatterie wird stark von den Eigenschaften einer Blei-Säure-Batterie beeinflusst, daher erscheint es mir notwendig, sich kurz mit deren Funktionsprinzip vertraut zu machen. Eine Blei-Säure-Batteriezelle besteht aus zwei Bleiplatten, die in eine schwache Schwefelsäurelösung getaucht sind. Dabei findet eine reversible elektrochemische Reaktion statt, wodurch eine elektrische Ladung gespeichert werden kann. Uns wird nur der Ladevorgang interessieren. Beim Entladen werden die Sulfationen des Säurerückstandes von den Bleiplatten aus der Lösung absorbiert. Wenn ein Ladestrom durch die Platten geleitet wird, „zieht“ die elektrische Energie die Sulfationen zurück in Lösung. Nachdem die Batterie etwa 80 % ihrer ursprünglichen Ladung erhalten hat, beginnt sich das chemische Gleichgewicht innerhalb der Zelle zu ändern. Blei aus Salz wird nach und nach zu reinem Metall reduziert. Das Ergebnis ähnelt dem Eintauchen zweier Metallstäbe in eine wässrige Lösung und schafft hervorragende Bedingungen für die Elektrolyse. Tatsächlich passiert genau das. Bei der Elektrolyse kommt es zur Freisetzung von Sauerstoff- und Wasserstoffblasen, dem sogenannten „Siedeeffekt“ der Batteriezelle. Es ist richtiger, diesen Effekt als Gasentwicklung zu bezeichnen. Es ist die Freisetzung von Gas, die zu Schäden an einer Blei-Säure-Batterie führt. Wenn nichts unternommen wird, kommt es irgendwann zum Ausfall der Zelle. Um Schäden vorzubeugen, ist es notwendig, den Ladestrom gleich zu Beginn der Ausgasung zu reduzieren. Diesem Zweck dienen Laderegler. Sie können den Ladestrom reduzieren, indem Sie einen Widerstand in Reihe zur Batterie schalten. Ein Teil der elektrischen Energie geht in diesem Widerstand in Form von Wärme verloren, was zu einer Verringerung des Ladestroms führt. Eine andere, häufig verwendete Methode: Die Batterie wird auf einer konstanten Spannung gehalten und der Strom nimmt unterschiedliche Werte an. Da die Stromstärke von der Differenz zwischen der Spannung am Akku und der Ladespannung abhängt, können Sie die Ladegeschwindigkeit durch Veränderung der Spannung regulieren. Ebenso wird im elektrischen System eines Autos, das einen Spannungsregler verwendet, die Batterie geladen gehalten. Leider erfordert die Verwendung eines Spannungsreglers bei vollständig geladenem Akku eine Verlängerung der Ladezeit. Bei einer begrenzten Anzahl an Sonnenstunden am Tag bleibt naturgemäß wenig Zeit zum Aufladen. Sie haben wahrscheinlich schon vermutet, dass die ideale Lösung darin besteht, einen Stromregler und einen Spannungsregler in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Der Ladevorgang beginnt mit einem hohen Strom ohne Spannungsbegrenzung. Wenn die Batterie die Gasungsphase erreicht, reduziert das Gerät den Strom und wechselt in den Spannungsregelungsmodus. Der Akku speichert die maximale Ladungsmenge in kürzester Zeit und verhindert gleichzeitig die Möglichkeit einer Überladung des Akkus. Grafisch ist der ideale Ladezyklus in Abb. dargestellt. 1. Selbstregulierendes Solarpanel Nun können wir die Eigenschaften einer Siliziumsolarzelle betrachten, die in Abb. 1 (obere Kurve).
Bekanntlich ist eine Silizium-Solarzelle ein Stromgenerator. Unabhängig vom Spannungswert ist der Strom immer konstant, bevor die Kurve abknickt. Die Spannung am Element wird durch den Lastwiderstand bestimmt. Wenn der Lastwiderstand abnimmt, kommt irgendwann der Punkt, an dem der Strom kein entscheidender Faktor mehr ist. Dieser Teil der Kurve wird „Knie“ genannt. Bei hohen Spannungswerten am Lastwiderstand kommen die Gesetze der Energieerhaltung und der Quantenphysik zum Tragen und der Strom nimmt ab. Lassen Sie uns dieser Tatsache besondere Aufmerksamkeit schenken, denn darin liegt die Bedeutung der Selbstregulierung der Solarbatterie. Dieser Übergangspunkt in den Eigenschaften einer Solarzelle ist für die weitere Betrachtung sehr wichtig. Tatsächlich trennt es die beiden Betriebsarten der Solarzelle. Darüber fungiert der Solargenerator als Stromgenerator und darunter als Spannungsregler. Wenn Sie die Betriebskurve eines idealen Ladegeräts mit der Strom-Spannungs-Kurve einer Solarzelle vergleichen (Abb. 1), werden Sie feststellen, dass die beiden Kurven sehr ähnlich sind. Tatsächlich sind sie nahezu deckungsgleich. Daher ist es ganz natürlich, beide Merkmale miteinander zu verknüpfen. Durch die Anpassung des Wendepunkts der Strom-Spannungs-Kurve der Solarbatterie an den Moment, in dem die Batterie beginnt, Gas auszustoßen, kann ein selbstregulierender Effekt erzielt werden. Kehren wir zu einem typischen Beispiel zurück. Nehmen wir an, dass der Prozess mit einer vollständig entladenen Bleibatterie beginnt. Schließen wir es nun an einen selbstregulierenden Solargenerator an. Wenn das Solarpanel aufleuchtet, beginnt der Akku aufzuladen. Zu Beginn des Vorgangs ist die Batteriespannung niedrig (<10 V). In diesem Fall arbeitet die Solarbatterie im Bereich oberhalb des „Knies“ im Modus eines Stromgenerators. Mit anderen Worten: Die Batterie erhält den maximalen Strom, den das Solarpanel erzeugen kann, wodurch die erforderliche Schnellladung erreicht werden kann. Wenn sich in den Batteriezellen Ladung ansammelt, beginnt die Spannung allmählich anzusteigen. Denken Sie daran, wie wir diese Verbesserung des Designs ausgenutzt haben Laderegler. Wir können das gleiche wieder tun. Indem wir die Entgasungsspannung, die bei einer 12,6-V-Batterie bei 12 V beginnt, an die Kniespannung der I-V-Kurve der Solarzelle anpassen, können wir den Ladestrom reduzieren. Unter der Annahme, dass die Batterie das Gasungsstadium erreicht hat, beobachten wir, dass die Solarzelle den aktuellen Stabilisierungsmodus verlässt. Durch Erhöhen der Batterieladung und -spannung wird die Solarbatterie nun gezwungen, im Spannungsreglermodus zu arbeiten. Dadurch sinkt der Ladestrom. Je mehr Ladung in der Batterie vorhanden ist, desto größer wird die statische Spannung und desto weiter verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Solarbatterie-Kennlinie in den Bereich unterhalb des „Knies“. Eine Erhöhung der Spannung führt zu einer entsprechenden Verringerung des Ausgangsstroms der Solarzelle. Bis die Batteriezellen vollständig geladen sind, hat sich der Arbeitspunkt in der Kennlinie so weit nach rechts verschoben, dass nur noch ein geringer Speisestrom aus der Solarbatterie fließt. Es ist so klein, dass der Akku beliebig lange in diesem Zustand bleiben kann, ohne eine Überladung befürchten zu müssen. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Batteriespannung 13,2 V. Alles bleibt in dieser Position, bis wir die in der Batterie gespeicherte Energie aufgebraucht haben. Geben die Zellen Energie ab, sinkt entsprechend die Spannung an der Batterie und der Arbeitspunkt verschiebt sich entlang der Strom-Spannungs-Kurve in die entgegengesetzte Richtung. Die Stärke des Ladestroms der Solarbatterie hängt davon ab, wie stark die Spannung an der Batterie abgenommen hat, d. h. von der zu diesem Wert verbrauchten Energiemenge. Damit haben wir unser Ziel erreicht, jetzt haben wir einen selbstregulierenden Solargenerator. Temperatureffekt Eine selbstregulierende Solarbatterie hat eine ganz unerwartete Eigenschaft: Sie berücksichtigt den Einfluss der Temperatur. Nur wenige Objekte um uns herum werden nicht von der Temperatur beeinflusst. Solarzellen und Batterien bilden da keine Ausnahme. Die elektrische Ladung wird in einer Blei-Säure-Batterie durch eine chemische Reaktion aufrechterhalten, die sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert. Je höher die Umgebungstemperatur, desto schneller läuft die Reaktion ab. In der Praxis bedeutet dies, dass bei kälteren Wetterbedingungen eine höhere Ladespannung erforderlich ist. Die Temperaturüberwachung war bei herkömmlichen Ladereglern schon immer ein Problem. Es ist nicht möglich, das Problem mit einfachen Mitteln zu lösen, und jede mehr oder weniger komplexe Methode führt zu komplizierteren und teureren Designs.
Die Temperaturabhängigkeit der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Silizium-Solarzelle kompensiert die Temperatureigenschaften einer Blei-Säure-Batteriezelle. Niedrigere Temperaturen führen tatsächlich dazu, dass der Solargenerator effizienter arbeitet. Aufgrund der verschiedenen Einflüsse auf das Volumen des Halbleiters wird der Spannungsanteil am stärksten beeinflusst. Genau das ist für eine Batterie erforderlich. Mit sinkender Außentemperatur erhöht sich die Ausgangsspannung der Solarzellen genau dann, wenn die Batterie mehr Ladespannung benötigt. Darüber hinaus stimmen die Temperaturabhängigkeiten der Eigenschaften von Solar- und Batteriebatterien beim Betrieb in einem normalen Temperaturbereich so gut überein (Abb. 2), dass für den erfolgreichen gemeinsamen Betrieb dieser Batterien in a keine zusätzlichen Maßnahmen erforderlich sind gemeinsames Gerät. Motorboot Es ist Zeit für den unterhaltsamen Teil unserer Geschichte. Lassen Sie nun die selbstregulierende Solarbatterie für uns arbeiten*. Für diesen Entwurf wurde ein kleines Motorboot mit Elektroantrieb gewählt. Es handelt sich um ein Schlauchboot aus Gummi, hergestellt von Metzeler. Seine Länge beträgt 2,7 m und seine Breite 1,2 m. Die Stabilität des Bootes wird durch zwei voneinander entfernte pontonartige Zylinder gewährleistet, und der flache Boden dient als geräumige „Kabine“.
Mit einer niedrigen Wassergeschwindigkeit von 9,4 km/h eignet sich dieses Boot perfekt zum Angeln oder einfach für einen angenehmen Spaziergang an einem sonnigen Tag. Auf einem Vordach sind Sonnenkollektoren installiert, die die Passagiere vor Sonnenstrahlen schützen (Abb. 3). Eine Photovoltaikanlage kann nicht nur den Elektromotor eines Bootes antreiben, sondern auch ein Radio, eine Beleuchtungsanlage oder eine Wasserpumpe mit Strom versorgen. Design Wir beginnen unsere Beschreibung mit dem Boot. Obwohl es viele Bootstypen zur Auswahl gibt, habe ich aus zwei Gründen ein aufblasbares Pontonboot bevorzugt. Erstens ist es aufblasbar. Dadurch ist es tragbar und im entleerten Zustand leicht zu verstauen. Zweitens ist ein Schlauchboot ein hochwertiges, stabiles Boot, das über einen langen Zeitraum genutzt werden kann. Im Folgenden werde ich ausführlich erläutern, wie die Solarenergieumwandlung auf diesem speziellen Boot durchgeführt wurde. Wenn Sie mehr über Boote wissen als ich und ein Solarpanel auf einem anderen Bootstyp installieren möchten, befolgen Sie bitte die folgenden Richtlinien. Zunächst werden Sonnenkollektoren installiert. Bei diesem Design wurden M-61-Solarzellen von ARCO Solar, Inc. verwendet. selbstregulierender Typ. Jede M-61-Batterie mit einer Leistung von 25 W besteht strukturell aus einer Platte mit einer Länge von 120 cm, einer Breite von 30 cm und einer Dicke von 4 cm, die 30 monokristalline runde Elemente mit einem Durchmesser von 10 cm enthält. Die Batterie ist für a ausgelegt Spannung von 14,1 V und ein Strom von 1,75 A. Wenn Sie Ihr eigenes Solarpanel herstellen möchten, achten Sie darauf, dass Ihre Batterie die gleichen Eigenschaften aufweist. Stellen Sie sicher, dass die Solarmodule absolut wasserdicht sind: Es wird viel Feuchtigkeit eindringen! Um das Boot anzutreiben, benötigen Sie vier Solarmodule mit den angegebenen Eigenschaften. Platzieren Sie sie in einer Reihe auf einem 120 x 120 cm2 großen Paneel und verbinden Sie sie parallel. Der Gesamtstrom von vier parallel geschalteten Batterien beträgt 7 A und die Spannung beträgt 14 V. Das Solarpanel wird mit einem Rahmen aus PVC-Wasserrohren mit 4 cm Durchmesser an der Terrasse befestigt (Schedule-40). Kunststoffschläuche sind für solche Zwecke ein hervorragendes Material; Es ist robust, kostengünstig, leicht und vor allem nicht anfällig für Korrosion. Der Rohrrahmen wird gemäß dem in Abb. gezeigten Diagramm hergestellt. 4. Die 90°-Verbindungen werden mithilfe von Winkelstücken hergestellt und der obere Rahmen wird mithilfe von T-Stücken befestigt.
Es werden vier Pfosten mit einer Länge von jeweils ca. 120 cm benötigt. Die unteren Enden der beiden Vordersäulen sind durch einen Zug verbunden, der, wie aus Abb. 3, liegt auf dem Bootsboden direkt vor dem Vordersitz. Die beiden hinteren Säulen werden auf die gleiche Weise verbunden und an der Rückbank befestigt. Schneiden Sie Kunststoffrohrstücke mit einer Bügelsäge auf die erforderliche Länge, bauen Sie den Rahmen zusammen und passen Sie die Teile an ihren Platz an. Obwohl in Abb. 4 zeigt die genauen Maße (in cm) und sollte nur als Richtlinie dienen. Die Endmontage erfolgt am Boot selbst. Der Tragrahmen des Solarpanels muss bei der Montage am Bootsboden fest zwischen den Pontons sitzen. Wenn Sie überzeugt sind, dass alles richtig gemacht wurde, kleben Sie die Teile mit sauberem PVC-Kleber, der Kunststofflösungsmittel enthält, zusammen. Beim Zusammenkleben zweier Kunststoffteile entsteht eine Verbindung, die so stark ist wie das Originalmaterial selbst. Tetrahydrofuran wird als Lösungsmittel für Polyvinylchlorid verwendet. Beim Umgang damit sollten Sie bedenken, dass es, wie die meisten anderen Lösungsmittel auch, giftig ist. Mit diesem Kleber muss schnell gearbeitet werden, er lässt keine Zeit zum Nachdenken. Bereiten Sie daher vor dem Kleben alle Teile vor und platzieren Sie sie. Kleben Sie nicht mehr als zwei Teile auf einmal und warten Sie, bis der Kleber vollständig ausgehärtet ist, bevor Sie mit der nächsten Verbindung fortfahren. Anschließend verbinden Sie die Solarmodule mithilfe von Schrauben zu einer einzigen 1,5 m² großen Einheit. Zu diesem Zweck sind an der Metallkante der Batterien spezielle Löcher angebracht. Es ist notwendig, einen kleinen Spalt zwischen den Batterien zu lassen, um den Luftwiderstand der Struktur zu verringern. Zur Trennung der Batterien können Abstandshalter verwendet werden. Das Solarpanel wird dann auf den Tragrahmen gelegt und an mindestens vier Punkten auf jeder Seite mit einer Schnur oder einem Seil festgebunden und dort werden die Batterien verschraubt. Sparen Sie besser nicht am Kabel, sonst fällt Ihr Akku nach einem starken Windstoß ins Wasser. Als Bootsmotor kommt ein ca. 13 kg schwerer Elektromotor zum Einsatz. Solche Elektromotoren werden von verschiedenen Unternehmen hergestellt, beispielsweise Montgomery Ward und Sears. Der Bootsmotor wird an einer Holztraverse befestigt geliefert, die problemlos einen kleinen Elektromotor tragen kann, da die Konstruktion für kleine Leistungen bis zu 4 PS ausgelegt ist. Mit. (ca. 3 kW). Der Elektromotor wird von einer 12-Volt-Blei-Säure-Batterie angetrieben. Hierbei handelt es sich um eine Batterie aus Gelzellen, ähnlich der in Kap. Typ 14 Im Wesentlichen ähnelt eine Gelzelle einer herkömmlichen Blei-Säure-Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten. Allerdings ist die Gelzelle nicht mit einer Flüssigkeit, sondern mit einem dickflüssigen Elektrolyten aus Jell-O gefüllt, der die Konsistenz von Gelee hat Die Verwendung einer Gel-Batterie anstelle einer Standard-Schiffsbatterie ist darauf zurückzuführen, dass kein Elektrolyt austritt. Selbst wenn das Boot kentert (was noch nie passiert ist), läuft die Säure nicht aus. Da Solarmodule selbstregulierend sind, müssen sie lediglich an eine Batterie angeschlossen werden, die wiederum mit einem Elektromotor verbunden ist. Alles ist sehr einfach! Was ist der Zweck der Verwendung selbstregulierender Solarmodule in diesem Design? Einerseits vereinfachen solche Batterien das Design und erhöhen die Zuverlässigkeit. Dies ist der Hauptgrund. Andererseits hatte ich dadurch die Gelegenheit, Ihnen eine weitere Eigenschaft von Solarmodulen zu demonstrieren. Bootsfähigkeiten Funktionieren Solarmodule gut? Nun, ich gestehe: In Abb. 3 ist nicht mein Boot, es gehört Gary Zanstcher (der darin sitzt), dem ich die Gelegenheit gebe zu erklären, ob es gut ist. Hier ist seine Meinung: „Es ist ein stabiles Schiff, leicht zu transportieren und aufzubauen. Das Boot liegt normalerweise in Marina del Rey. Wir nutzen es an Wochenenden und in der Freizeit.“ Dank seiner Eigenschaften erreicht das Boot eine Geschwindigkeit von 9,4 km/h. Beim Fahren verbraucht der Motor 25 A, daher hält eine 80-Ah-Batterie etwa 3 Stunden. Es ist jedoch zu beachten, dass gleichzeitig eine kontinuierliche Aufladung durch die Solarbatterie erfolgt. Ich bin 4-5 Stunden am Stück mit dem Boot gefahren und hatte nie einen Stromausfall. Natürlich habe ich das Boot nur an sonnigen Tagen genutzt. Das Boot wird zwischen den Fahrten mindestens eine Woche lang geparkt, sodass die Solarmodule genügend Zeit haben, die Batterien aufzuladen. Schauen Sie, Sonnenkollektoren sind nicht auf die Sonne ausgerichtet. Dies ist unklug, da das Boot ständig seine Ausrichtung und Bewegungsrichtung ändert. Die Akkus sind waagerecht montiert und liefern natürlich meist nicht den vollen Strom. Wenn die Sonne jedoch hoch über dem Horizont steht, funktionieren sie recht gut. Die Batterien sind nur am Panel befestigt und können daher sehr schnell entnommen werden. Sie sind ziemlich teuer und ich möchte sie nicht bei einem Sturm verlieren. Zwar hielt das Boot Windgeschwindigkeiten von bis zu 56 km/h problemlos stand. Generell muss ich sagen, dass ein Boot mit Solarbatterie eine sehr lustige Sache ist." Autor: Byers T.
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Kommentare zum Artikel: Sergei Der Gesamtstrom beträgt 7A .... Die Messungen der Elektromotoren zeigen 9A im 1. Gang und 14A im 2. Gang. Es ist verlockend, eine Fläche von bis zu 1500 x 1400 hinzuzufügen (zwei Batterien 1500 x 700,7 A, 140 W = 14 A, 280 W, Wirkungsgrad 14 %, Gewicht 4 kg) und sich selbst bei bewölktem Wetter mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,5-3 km/h zu bewegen. Und macht es Sinn, einen schweren Aufbau auf dem Dach eines leichten Schlauchboots zu tragen, wenn das Aufladen vernachlässigbar ist, ein Strom von 25 A die Batterie in 3 Stunden entleert. Eher ist es ratsam, den gesamten Solaraufbau auf dem Parkplatz zu lassen! Die Größe des Gefäßes entspricht nicht der Sicherheit - die DH ist zu hoch, monokristallin. Die Paneele sind zerbrechlich und erfordern einen Verstärkungsrahmen, d. h. ein Gewicht von etwa 12 kg.
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