Существует мнение, что солнечные батареи смогут когда-нибудь существенно дополнить и даже вытеснить традиционные источники энергии. Тогда настанет время реальной проверки возможностей солнечных элементов.
В данной главе мы немного заглянем в будущее и проверим способность фотоэлектричества приносить реальную пользу. Больше никаких сувениров, никаких игрушек, только скромная, обыденная работа.
В этой главе читатель ожидает узнать, как солнечная энергия будет помогать нам в ежедневной домашней работе, включающей в себя приведение в действие мощной пилы, комнатного освещения, подачу электроэнергии на различные устройства развлечения и многое другое. Таково будущее солнечной энергетики.
Однако подробности подобных систем в этой книге описаны не будут. Вместо этого будет показано, как можно осуществить управление уже готовой фотоэлектрической системой. Этой цели служит блок управления мощностью.
Данный блок предназначен для полного контроля ресурса солнечных батарей. С пульта этого блока можно легко осуществлять управление электроснабжением до четырех потребителей энергии. Кроме того, для защиты каждого потребителя имеется плавкий предохранитель.
Но это еще не все. Поскольку работоспособность системы безусловно зависит от степени заряженности свинцово-кислотных батарей, в данное устройство непосредственно встроен блок контроля состояния батареи. Взглянув на пульт управления, можно сразу оценить рабочее состояние источника энергии. И если оно неудовлетворительно, запас энергии достигает опасного уровня, подается предупреждающий сигнал (зуммер).
Чего еще можно желать от контрольно-управляющего устройства?
Основная задача блока управления мощностью заключается в распределении фотоэлектрической энергии между различными частями системы. Он также предназначен для сохранения энергии про запас.
Рассмотрим, например, работу преобразователя напряжения, который преобразует постоянное напряжение 12 В, генерируемое солнечными батареями, в переменное напряжение 110 В. Такое напряжение необходимо для работы определенных устройств, например электропилы. Но преобразователь напряжения потребляет энергию постоянно, даже когда к нему не подключено никакой нагрузки. При этом бесполезно расходуется энергия, которую можно было бы потратить с большей пользой. Следовательно, в блоке управления мощностью необходимо предусмотреть тумблер для отключения инвертора.
В этом блоке предусмотрена возможность отключения любой нагрузки, которая снабжена своим тумблером. Чтобы отключить любую нагрузку от источника энергии, достаточно просто «щелкнуть» выключателем.
Рассматривая рис. 1, можно обнаружить, что блок имеет четыре отдельные схемы, каждая из которых снабжена тумблером, установленным на лицевой панели. Над каждым тумблером имеется небольшой СД. Когда схема запитана, светится соответствующий СД, информируя о том, что энергия подводится к выбранной нагрузке.
Однако контроля за подводом энергии к нагрузке недостаточно. В целях безопасности необходимо следить за силой тока в цепи.
Рис. 1
Именно поэтому в качестве выключателей используются не обычные тумблеры, а специальные прерыватели. В отличие от обычных прерывателей, которые быстро изнашиваются при использовании их в качестве выключателей, эти прерыватели предназначены для работы в качестве как ограничителя, так и в качестве выключателя.
Блок управления содержит устройство контроля напряжения, который указывает на состояние (степень заряженности) батарей.
Как было показано в гл. 6, напряжение свинцово-кислотиой батареи аккумуляторов зависит от заряда, хранящегося в ее элементах. Наглядно это видно из рис. 2, на котором показана зависимость между напряжением и степенью заряженности батареи. Из зависимости следует, что полностью заряженная батарея имеет напряжение 13,2 В, а полностью разряженная — 10,5 В. Для определения степени заряженности аккумуляторных элементов необходимо измерить напряжение на батарее и сравнить его со значением на рис. 2.
Это и делает устройство контроля заряженности батарей. Однако в нем вместо измерительного прибора для индикации напряжения используется световая полоска. Напряжение контролируемой батареи высвечивается 10 светодиодами. Шкала считывания построена так, что каждый последующий диод зажигается при увеличении напряжения на 0,5 В. Если горит первый диод, напряжение составляет 10,5 В, если второй — 11В, если третий — 11,5 В и т. д. вплоть до 15 В.
Блок индикации выполнен на отдельной интегральной микросхеме LM3914. Внутри ее имеется ряд компараторов, сравнивающих входное напряжение с опорным напряжением источника и включающих лампочку, соответствующую соотношению упомянутых напряжений.
Принцип работы схемы индикации ясен из рис. 3. Резисторы R1, R2, R3 образуют делитель напряжения, который позволяет снизить входное напряжение 12 В (от батареи) до 2,5 В, необходимых для работы микросхемы ІС. Масштаб преобразования напряжения микросхемой ІС1 устанавливается переменным резистором WR1. Теперь входное напряжение от батареи поступает на компараторы внутри IС1, которые выносят решение относительно его истинного значения. Это значение затем индицируется одним из 10 светодиодов.
Состояние батареи отображается двояко с помощью цветокоди-рования светодиодов. Например, 13-вольтовый диод имеет зеленый цвет. Считается, что батарея с напряжением 12—14 В работоспособна, следовательно, диод имеет зеленый цвет.
Однако если напряжение батареи снижается до 11,5 В, а затем до 11 В, то заряд истощается. Эти диоды имеют желтый цвет, индицирующий наличие проблемы, с которой можно столкнуться в дальнейшем.
Последний 10,5-вольтовый диод имеет красный цвет. Если напряжение аккумуляторной батареи упало до этого уровня, то в ней мало (или вообще не имеется) запасенной энергии. Простого взгляда достаточно, чтобы узнать не только точное значение напряжения батареи, но и ее зарядовое состояние (по изменению цвета) В табл 1 приводится список светодиодов с указанием их цвета и отображаемой ими информации.
Устройство контроля напряжения батареи позволяет также проверить состояние цепи заряда. В нормальных условиях зарядное напряжение не должно превышать 15,5 В, иначе батарея может выйти из строя.
Поэтому для устройства 15-вэльтового индикатора зарезервирован красный свет. Когда он загорается, это не обязательно означает, что что-то произошло, просто по какой-то причине зарядное напряжение чрезмерно велико.
И это не все! Знаете ли вы о том, что, допуская заряд батареи ниже 10,5 В, можно повредить ее. Произойдет сульфатация пластин, и крайне важно, чтобы этого не случилось. В схему введена сигнализация. Если по какой-либо причине напряжение в системе упадет ниже 10,5 В, зазвучит сигнал тревоги. Я подключил к сигнализации также 15-вольтовый вывод индикатора, чтобы сигнал подавался и в случае перезаряда батареи.
Управление сигналом осуществляется двумя логическими элементами микросхемы IC2. Питание на микросхему подается с диода D1. Устройство контроля напряжения батареи выполнено с применением печатного монтажа. Рисунок печатной платы представлен на рис. 4. Не забудьте о том, что в списке деталей приведен адрес поставщика готовой печатной платы для этого устройства.
Элементы схемы размещаются согласно рис. 5. Припаивая радио-детали, обратите внимание на следующие моменты.
Во-первых, на присоединение светодиодов. Необходимо соблюдать полярность, не всегда легко определить, какой вывод диода является анодом, а какой — катодом. Если подключить светодиоды в обратной полярности, они не будут светиться. Необходимо также перед пайкой обратить внимание на соответствие цвета свечения светодиодов и не укорачивать их выводов.
Во-вторых, на соблюдение полярности включения микросхемы ІС1, поскольку ошибочное включение приведет к выходу ее из строя. Микросхема — это чип КМОП-структуры, который весьма чувствителен к электростатическому заряду, поэтому необходимо обратить внимание и на этот момент.
Автоматические прерыватели размещаются на лицевой панели алюминиевого корпуса Для прерывателей, упомянутых в списке деталей, необходимы отверстия диаметром 10 мм.
Необходимо выбрать прерыватели для системы, которые постоянно пропускают необходимый ток, но срабатывают при перегрузке. Нельзя использовать прерыватели со слишком большим порогом срабатывания. Светодиоды размещаются точно над прерывателями. Под их хромированный корпус-держатель высверливаются отверстия диаметром 6 мм. Монтажная схема всего блока управления мощностью приведена на рис. 6.
Последовательно с четырьмя светодиодами включены резисторы. Их просто припаивают между катодами светодиодов и отключаемыми выводами прерывателей.
Для присоединения внешних устройств на задней стенке корпуса размещается переходная колодка. К внешним устройствам относятся солнечная батарея и коммутируемые приборы. Необходимо убедиться в том, что в цепях электропитания используется провод достаточного диаметра. Проводники, идущие к устройству контроля напряжения батареи, могут быть меньшего диаметра.
Устройство контроля напряжения батареи размещается под прерывателем. Печатная плата крепится на пластмассовых стойках параллельно дну корпуса.
Выводы светодиодов сгибаются так, чтобы светодиоды выступали за край платы, находясь в одной плоскости. Затем светодиоды выдвигают из щели, прорезанной под прерывателями.
Если имеется желание, сделаем надписи под выключателями, можно использовать для этой цели переводной шрифт.
Проверить устройство достаточно просто, необходимо лишь присоединить ко входу 12-вольтовую батарею. Для проверки подключать больше ничего не надо.
Нажмите на прерыватель и проконтролируйте срабатывание по светодиоду. Светодиод должен светиться при включенном прерывателе и гаснуть при отключенном.
Устройство контроля напряжения батареи необходимо предварительно откалибровать. Подключив вольтметр ко входу батареи, необходимо измерить ее напряжение. Затем, вращая переменный резистор W?l, добиваются свечения светодиода, соответствующего измеренному напряжению. На этом калибровка заканчивается.
Список деталей
Резисторы
R1—10 кОм
R2, R3, R4—1,5 кОм
R5, R8—1 кОм
R6, R 7—680 Ом
R11, R12, R13, R14—470 Ом
Конденсатор
С1—220 мкФ, 16 В
Полупроводники
D1 — 1N4735
IС1— LM3914
IC2—CD4011
СД1, 10 — красные (Radio Shack 276-070)
СД2, 3 — желтые (Radio Shack 276-072)
СД4—9 — зеленые (Radio Shack 276-071)
СД11—14 — Желтые СД с держателями (Radio Shack 276-073)
Остальные элементы
Лицевая панель Корпус (Radio Shack 270-274)
СВ11-14, автоматические выключатели (Potter & Brumfield, Модель 112)
Пьезодинамик (Radio Shack 273-066)
VR1 — 50 кОм, переменный резистор
Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.