Глава I. Солнечная электроэнергетика

6. Схема солнечной машины для самостоятельной сборки (по книге: John Lovine «Robots, Androids, and Animatrons» — рис. 1.11)

Солнечный элемент (рис. 1.12) заряжает главный конденсатор ёмкостью 4700 мкФ. Когда конденсатор заряжается, уровень напряжения в его цепи увеличивается. Однопереходный транзистор (UJT — unijunction transistor) входит в режим генерации и посылает запускающий импульс кремниевому управляемому диоду (SCR — silicon controlled rectifier). Когда напряжение в цепи главного конденсатора повышается приблизительно до 3 В, запускающий импульс становится достаточным, чтобы включить SCR. Когда SCR открывается, вся запасенная в главном конденсаторе энергия поступает на двигатель «высокой эффективности» (HE — high efficiency). Обороты мотора кратковременны, как и разряд конденсатора, а затем происходит остановка. И далее повторения цикла.

К двигателям «высокой эффективности» можно причислить не все электрические двигатели. Есть простой способ определить, является ли двигатель таковым. «Крутаните» ротор двигателя. Если он прокрутится плавно и продолжит вращение хотя бы на мгновение после того, как вы его отпустите, это, вероятнее всего, высокоэффективный двигатель. Если при прокрутке ротора чувствуется скрежет или встречается сопротивление, то вероятно, что имеет место тип двигателя низкой эффективности. Солнечный элемент, используемый в данной цепи, характеризуется высоким напряжением и высокой эффективностью. Типовые солнечные элементы обеспечивают приблизительно от 0,5 до 0,7 В при различных величинах тока в зависимости от размера элемента. Солнечный элемент, используемый в этой цепи, вырабатывает 2,5 В, но автор книги утверждает, что в его практике этот элемент заряжает конденсатор до 4,3 В в режиме без нагрузки. Автор уверен, что некоторые люди, планирующие собрать эту схему, уже думают о добавлении несколько большего количества солнечных элементов, чтобы ускорить процесс заряжания конденсатора, и не советует делать этого. Добавление солнечных элементов увеличит ток, и это ускорит зарядку только для первого цикла. Для повторения же циклов в цепи ток через SCR должен прекратиться (или по крайней мере быть очень маленьким), чтобы дать закрыться SCR. Если же ток, вырабатываемый солнечными элементами, слишком велик, SCR останется в открытом состоянии. И в этом случае, электрическая энергия от солнечного элемента будет непрерывно идти через SCR и рассеиваться, то есть электрическая энергия не будет накапливаться конденсатором и циклы солнечного двигателя прекратятся. Параметры деталей, используемых в цепи, сбалансированы для оптимальной работы. Компонент, который вы можете изменить — главный конденсатор. Использовать меньшие значения его ёмкости можно для более коротких циклов заряда разряда. Конденсатор (или батарея конденсаторов) большей ёмкости будет накапливать большее количество энергии и исполнять большее количество работы, но учтите, что при использовании конденсаторов большего номинала цикл заряда разряда получится более длительным. Теперь об аналогах. Параметры тиристора 2N 5060, согласно каталогу Distrelec, следующие:

• Uпр, зкр, max (максимально допустимое постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии тиристора) = 30 В. Такое же значение имеет и U обр, max (максимально допустимое постоянное обратное напряжение тиристора).

• Iоткр, max (максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии тиристора) = 0,8 А (для RMS: root mean square, среднеквадратичное значение).

• Iоткр, и, max (максимально допустимый импульсный ток в открытом состоянии тиристора) = 10 А (для частоты 60 Гц).

• Iу, от (постоянный отпирающий ток управляющего электрода тиристора) = 200 мкА. Здесь имеется в виду минимальное значение постоянного тока управляющего электрода, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определённых режимах в цепях основных и управляющего электродов.

Что касается транзистора 2N2646 Януш Войцеховский в книге «Радиоэлектронные игрушки» (рис. 1.13) рекомендует такой аналог — КТ117. Кроме того, Войцеховский даёт рекомендации о том, как быть, если под рукой не окажется установленного в схеме транзистора или тиристора (либо их аналогов). Такие детали можно заменить более распространёнными, установив, например, вместо одного, довольно редкого планарного однопереходного КТ117, два попроще — по схеме на рис. 1.14. На ней транзистору ASY35 37 соответствуют МП39 42 (в частности, согласно справочнику по аналогам, ASY35 можно заменить на МП42 или МП20А). Транзисторам BF504 511 соответствуют МП111 113 или КТ312 315.

7. Самодельная солнечная батарея (по книге Януша Войцеховского «Радиоэлектронные игрушки»)

Практически все полупроводниковые диоды и транзисторы в стеклянном корпусе могут служить фотоэлектрическими преобразователями. Для этого достаточно удалить их непрозрачную оболочку. Солнечную батарею можно изготовить из  неисправных транзисторов при условии, что у них нет короткого замыкания между базой и коллектором или базой и эмиттером. Чем больше мощность транзистора, тем лучший из него получается фотоэлемент. У транзисторов в металлическом корпусе осторожно удаляют корпус или спиливают верхнюю его часть (рис. 1.15). Перед сборкой батареи следует проверить каждый из ее элементов. Для этого между выводами базы и коллектора включают микроамперметр с пределом измерения до 1 мА: «плюс» прибора подключают к коллектору (или эмиттеру), а «минус» — к базе. При освещении элемента солнечным светом микроамперметр должен показать ток 0,2 0,3 мА. Напряжение, измеренное на зажимах элемента, будет около 0,15 В. Для солнечной батареи подбирают элементы с близкими вольтамперными характеристиками. Батарея состоит из двух параллельно соединенных рядов фотопреобразователей, в каждом ряду находится 10-12 соединенных последовательно элементов (принцип — на рис. 1.16).

Солнечная батарея, собранная на транзисторах типа ТG50 (отечественный аналог — МП39 42), дает ток 0,5 мА при напряжении 1,5 В. Применяя транзисторы ТG70 (отечественный аналог — П216), можно получить ток 3 мА при напряжении 1,5 В.

Громкость приемника, который питается от солнечной батареи, зависит не только от интенсивности освещения, но и от размеров антенны и качества заземления. Приемник с солнечной батареей особенно оправдывает себя на пляже, где яркое солнце и влажная почва, обеспечивающая хорошее заземление (рис. 1.17).

8. Мобильные аппараты на солнечных элементах

8.1. Робот газонокосильщик, Швеция. Еще в 2002 году в исследовании, подготовленном Экономической комиссией ООН для Европы и Международной федерацией по робототехнике, базирующейся в Стокгольме, было отмечено, что в спросе на роботы газонокосилки наблюдается настоящий бум. В этом контексте закономерно появление робота Solar Mover (рис. 1.18). Он имеет два колёсных двигателя со встроенной коробкой передач, ножевой диск и три инерционных ножа. Рекомендуемая площадь стрижки — 1200 м2. Рабочую зону определяет проволочное заграждение по периметру газона, получающее слабый ток от солнечной батареи (в правой нижней части рис. 1.17). Косилка стрижет почти постоянно, и это означает, что мелкие обрезки травы быстро разлагаются и удобряют почву и их не надо собирать граблями. При приближении к кромке газона сенсор обнаруживает границу. Косилка разворачивается и стрижет в противоположном направлении. Сенсор обнаруживает также другие препятствия на пути газонокосилки: деревья, камни, садовую мебель и т. д.

8.2. Марсоход «Соджорнер», США. Длина солнечной панели «Соджорнера» (рис. 1.19) составила 63,5 см, мощность — 16 Вт; количество элементов в солнечной батарее — свыше 200. Электродвигатели в ступицах колёс позволяли развивать скорость до 1 см/с.

8.3. Марсоход «Спирит», США (рис.1.20).

8.4. Автоматическая межпланетная станция «Марс», СССР (рис. 1.21). Максимальная стартовая масса — 4650 кг.

8.5. Конфигурация панелей солнечных батарей станции «Салют 6» СССР (рис. 1.22). Таких солнечных панелей на станции было три, каждая из них имела площадь 20 м2 и могла поворачиваться специальным электроприводом по сигналам датчиков положения Солнца: автоматика поворачивала панели таким образом, чтобы они были максимально освещены солнечными лучами. Маневровые двигатели «Салюта» могли ориентировать и автоматически поддерживать ориентацию станции так, чтобы плоскости батарей были направлены на Солнце, а также осуществлять «закрутку» станции по оси, перпендикулярно плоскости солнечных батарей.

8.6. Аэропланы, США: Продолжительность полёта аэропланов на солнечных батареях зависит от того, насколько скорость их полёта позволяет им успевать за перемещением видимого солнца.

8.7. Макет дирижабля с солнечными батареями для питания оборудования, Россия — (рис. 1.25). Площадь покрытия солнечными панелями автором выбрана из расчета мощности, развиваемой солнечными элементами, К = 260 Вт/м2. При этом учитывается, что солнце освещает только верхнюю и боковые части оболочки дирижабля.

8.8. Наноспутник ТНС 1 Россия — (рис.1.26).

В задачу спутника входят:

• разработка технологии передачи данных ДЗЗ (дистанционное зондирование Земли) для широкого круга пользователей в мониторинговом режиме с приемом на малые станции (диаметр антенн 2,6 м);

• проверка работоспособности в космосе коммерческих изделий (микросхем, ТВ камер и др.);

• продолжение отработки систем управления и ориентации спутника.

Параметры спутника:

• орбита синхронно солнечная 650 км;

• ориентация на солнце;

• стабилизация вращением;

• камеры ДЗЗ с разрешением 100 м и захватом 290 км;

• передатчик ДЗЗ 1,7 ГГц, 5 Вт.

Впервые солнечные батареи (наряду с химическими источниками тока) были применены на третьем советском искусственном спутнике Земли в 1958 г. Вес спутника составлял 1327 кг, длина — 3,57 м. Солнечные батареи состояли из пластин монокристаллического кремния с заранее заданной электронной проводимостью. Напряжение отдельных кремниевых элементов составляло 0,5 В, а коэффициент преобразования солнечной энергии — до 11%.

8.9. Наноспутник США (рис. 1.27). Проектировался как один из 64 — для межконтинентального телекоммуникационного сообщения. Гораздо более дешевый в производстве и при запусках, чем сегодняшние многотонные спутники связи. Каждый 15 фунтовый наноспутник содержит приемник, передатчик и микропроцессор. Что действительно делает наноспутники особенными, это их чрезвычайно низкая орбита. В противоположность обычным спутникам, у которых орбита находится в среднем на высоте 13000 миль, наноспутник будет вращаться вокруг земного шара лишь в 600 милях выше поверхности земли. Благодаря такой низкой высоте связь с наноспутниками требует гораздо меньшего количества энергии и намного меньшей антенны, чем необходимо, чтобы связаться с высотными спутниками. Наноспутник имеет встроенную GPS систему, которая информирует о его местоположении.

8.10. Студенческий микроспутник, Россия (рис. 1.28): высота орбиты — 500 км, пространственное разрешение комплекса ДЗЗ (для высоты 600 км) — не хуже 50 м, ширина полосы обзора — 104 км, средневитковое потребление — 22 Вт, скорость линии передачи информации — 27 Мбит/с, габариты — 700 × 700 × 700 мм.

8.11. Ремонтный робот США (рис. 1.29). Плавая в «жидком» пространстве, будущие члены экипажа «Шаттла» тренируются вместе с «Рейнджером», ремонтным роботом, помещенным в соответствующий его размерам бассейн Мэрилендского Университета исследований космических систем. «Рейнджер» на солнечных батареях предназначен для устранения неполадок в работе «Шаттла» в реальном времени под руководством техников на Земле, чтобы уберечь астронавтов «Шаттла» от опасностей при космических прогулках и позволить им сконцентрироваться на задачах интеллектуального свойства.

8.12. Модель лодки на солнечных батареях Россия (рис. 1.30). Автор конструкции (он на фото) приобретал эти солнечные батареи самостоятельно по цене 80 рублей за штуку.

8.13. Модель катера на солнечных батареях Россия. На рис. 1.31,а — автор, на рис. 1.31,b — созданная им конструкция