Если вы попали сюда впервые, например по ссылке из поисковой системы, эта статья - продолжение большого цикла публикаций об организации автономного видеонаблюдения. Вводная статья здесь, а ссылки на статьи о других компонентах системы - внизу публикации.
В прошлом выпуске мы разобрались с особенностями камеры. Теперь пора поговорить о солнечных батареях (а правильнее говорить - панелях).
В этом материале, в основном будет разбираться вопрос мощности, развиваемой солнечной панелью. Казалось бы, а что тут разбирать? Ведь мощность указана на панели производителем. Да, указана. Но это максимальная мощность, измеренная на специальной нагрузке при стандартной освещенности 1000 Вт/м2. В реальных условиях фактически генерируемая мощность зависит от целого ряда факторов: времени суток, состоянии неба, положения Солнца. Это, в принципе, очевидно. Но еще она зависит от того, как и чем отбирать энергию у солнечной панели. А еще мы посчитаем, сколько же энергии вырабатывает панель.
Сразу предупреждаю - материал объемный и рассчитан на тех, кто еще не знаком с солнечными панелями, но хотел бы узнать о них больше и научиться правильно выбирать и эксплуатировать. В данном материале инженерный термин "солнечная панель" и разговорный - "солнечная батарея" будут считаться синонимами.
Устройство панели
Солнечная панель состоит отдельных фотоэлементов, объединенных в единую конструкцию, представленную на рисунке. На самом деле это очень простое устройство.
Фотоэлементы 1 располагаются между подложкой 4 и защитным стеклом 3. Электрическое соединение фотоэлементов в столбце всегда последовательное проводниками 2. А вот соединение столбцов определяется количеством элементом и напряжением панели. Панель обрамляется жестким алюминиевым профилем 5. Зазоры между профилем, подложкой и стеклом герметизируются герметиком 8.
Крепление панели производится за обрамляющий профиль. Такая конструкция весьма надежна и не боится осадков.
Лайфхак. Все таки некоторую опасность вода для солнечных батарей представляет, но крайне неочевидным образом. Происходит это зимой. А вернее, когда последние сильные осенние дожди сменяются морозами. В нижней части панели, в профиле, скапливается вода, которая позже замерзает. Разрушить подложку или стекло ему не по силам, но профиль в зоне герметика деформируется и герметизация нарушается. В первую зиму батарея работает как будто ничего не произошло, но с наступлением тепла сквозь образовавшиеся щели в пространство между подложкой и стеклом начинает просачиваться влага. Особенно сильно этот процесс происходит в момент когда после сильной жары внезапно налетает грозовой ливень. Нагретый воздух между подложкой и стеклом быстро охлаждается, давление его падает и дождевая вода, текущая по стеклу как вакуумным насосом засасывается во все щели нарушенной заделки. А вот испариться ей оттуда достаточно сложно. Начинается коррозия как фотоэлементов так и проводников. Раз за разом количество воды внутри панели прибывает и в следующую зиму, предварительно хорошо сконденсировавшись в нижней части панели, замерзает и начинает рвать ее уже изнутри. В итоге за 3 зимы панель выходит из строя. Почему этого не предусмотрели разработчики? Да потому, что они живут и работают в Китае. Там зимы тоже холодные, но сухие. Но защита от этого эффекта простейшая - достаточно в нижней части панели в ее профиле насверлить сливных отверстий диаметром 6-8 мм.
Немного теории. Физика
Солнечная панель совершенно не похожа на привычные нам источники питания. Мы в повседневной жизни привыкли к источникам электродвижущей силы, таким как гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы, сетевые блоки питания да и сама электрическая сеть.
Часто путают напряжение и электродвижущую силу (э.д.с). С точки зрения размерности эти величины одинаковы, они показывают какую энергию несет 1 кулон электрического заряда (размерность Дж/Кл, единица измерения имеет собственное название - Вольт). И та и та величина характеризуют разность потенциалов. Разница в этих величинах в том, что они характеризуют. Э.д.с. это характеристика источника, она показывает какую энергию он способен отдать заряду. Напряжение - это характеристики нагрузки. Оно показывает какую энергию нагрузка способна забрать у заряда. Э.д.с и напряжение простой цепи связаны следующей формулой E=U+I*(ri+rw), где U - напряжение на нагрузке, I - ток, протекающей в цепи, ri - внутренне сопротивление источника, rw - сопротивление проводов, контактов и т.п. Когда мы подключаем вольтметр, например к аккумулятору без нагрузки, мы, конечно же, измеряем напряжение на самом вольтметре. Но так как потребляемый им ток микроскопически мал, то вторым слагаемым в формуле можно пренебречь и считать, что вольтметр нам показывает э.д.с.
Солнечная панель работает на принципе фотогальванического (или фотовольтаического) эффекта, являющегося частным случаем внутреннего фотоэффекта. Суть его заключается в том, что кванты света (фотоны) передают свою энергию валентным электронам полупроводника, которые освобождаясь создают разность потенциалов. В квантовой физике очень удобной единицей является электрон-вольт (эВ). Это энергия, которую приобретает (в случае э.д.с) или отдает (в случае напряжения) электрон пройдя разность потенциалов в 1 В. Энергия фотона, равна hν, где h - постоянная Планка, а ν - частота, которая обратно пропорциональна длине волны излучения ν=c/λ, где λ - длина волны. Энергия фотонов видимого света, к которому чувствительны солнечные батареи лежит в пределах от 1,6 до 3,2 эВ. Часть этой энергии расходуется на преодоление энергии связи электрона с кристаллической решеткой, оставшаяся энергия и создает нужную нам разность потенциалов. Так как в спектре излучения Солнца преобладает зеленый свет с энергией квантов около 2,2 эВ, а энергия связи электрона с кристаллической решеткой около 1,4 - 1,5 эВ, очевидно, что э.д.с одного освещенного фотоэлемента будет около 0,7-0,8 В. Поэтому элементы в панели и соединяют последовательно.
Казалось бы, генерируемая э.д.с. должна зависеть от интенсивности света. Это было бы так, если бы микрочастицы не имели квантовой природы. Но природа света квантовая и именно исследуя фотоэффект Альберт Эйнштейн и подтвердил это. Кстати, получил он Нобелевскую премию по физике как раз за исследование фотоэффекта, а не за Теорию относительности.
Теперь разберемся с током. Ток это заряд, производимый источником в секунду (1 А = 1 Кл/с). Так как один электрон в фотоэлементе порождается одним фотоном падающего света, генерируемый ток будет пропорционален количеству падающих на фотоэлемент фотонов в единицу времени. Поэтому максимальный ток, отдаваемый фотоэлементом будет ограничен интенсивностью падающего излучения.
Вот тут то и начинается самое интересное. Если мы возьмем классический источник э.д.с., например аккумулятор то его максимальный ток на уровне химической реакции при полном заряде практически не ограничен. Ограничение накладывает сопротивление самой активной массы и соединителей. Следовательно, напряжение на клеммах аккумулятора будет описываться уже знакомой формулой U=E-I*ri, где E - э.д.с., I - ток, потребляемый нагрузкой, ri - внутреннее сопротивление.
Построим вольт-амперную характеристику (ВАХ). Для иллюстрации выбираем 12-ти вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор.
Как видно, зависимость напряжения во внешней цепи от тока нагрузки линейная, падающая. Легко показать, что при коротком замыкании ток во внешней цепи будет ограничиваться только внутренним сопротивлением и определяться как I=E/ri. В рассмотренном примере ri будет 12,6В/800А=0.016Ом. Мощность, выделяемая в аккумуляторе при этом будет 12,6В*800А = 10 кВт! Естественно, что он не переживет этого и моментально вскипит и взорвется. Зато при малой величине нагрузки напряжение на выходе почти не будет зависеть от тока нагрузки. Перед нами классический источник э.д.с.
Казалось бы, за счет квантовых эффектов солнечная панель тоже будет источником э.д.с. Но нет, тут все гораздо сложнее именно из за квантового ограничения величины тока. Пока сопротивление нагрузки велико и она не способна отобрать весь вырабатываемый ток ВАХ действительно будет похожа на ВАХ источника э.д.с. и будет определяться внутренним сопротивлением батареи. При малых токах и высокой инсоляции концентрация свободных зарядов в полупроводнике будет достаточно высокой и внутренне сопротивление - малым. Однако, если сопротивление нагрузки уменьшается, то солнечная панель превращается в источник тока. У источника тока ток во внешней цепи практически не зависит от напряжения на нагрузке.
На заметку. Идеальный источник тока можно представить себе как последовательно соединенные бесконечно большую э.д.с. и бесконечно большое внутренне сопротивление.
Но мы имеем дело с конечными величинами. Что же происходит в фотоэлементах, когда ток нагрузки уже достаточно высок, но еще не достиг максимально возможного. В этом режиме внутренне сопротивление фотоэлемента растет, так как концентрация свободных зарядов убывает и вольт-амперная характеристика становится нелинейной.
Рассмотри ВАХ типичной 100 ваттной монокристаллической панели из 36 элементов. Ее э.д.с., которую численно равна напряжению холостого хода составляет 22,5 В, ток короткого замыкания 5,85 А. Казалось бы мощность батареи должна быть 132 Вт. Нет, это не так. Дело в том, что напряжение холостого хода реализуется при нулевом токе, когда мощность равна нулю, а ток короткого замыкания - при нулевом напряжении, когда мощность также равна нулю. Вот здесь пора ввести понятие рабочая точка. Под рабочей точкой понимается любая точка на кривой ВАХ, имеющая координаты напряжения Uт и тока Iт. Мощность для каждой рабочей точки будет равна произведению Uт*Iт.
На ВАХ солнечной панели хорошо видно три участка. В правой части графика синем обозначен линейный участок режима источника э.д.с. В этом режиме мощность приближенно можно считать равной P=Uхх*I, где Uxx - напряжение холостого хода. Однако достижимая в этом режиме мощность невысока и составляет всего 50-55 Вт, то есть половину максимальной мощности панели. В левой части красным обозначен линейный участок режима источника тока. Здесь P=Iкз*U, где Iкз ток короткого замыкания солнечной панели. Достижимая в этом режиме мощность уже больше и составляет порядка 80 Вт, то есть целых 80% мощности батареи. А вот рабочая точка, в которой и достигается максимальная мощность лежит в нелинейной области и для рассматриваемой панели достигается при Uмм=18,9 В и Iмм=5,35 А.
А теперь представим себе, что наша панель без каких либо дополнительных устройств подключена к свинцово-кислотному аккумулятору. День ясный, инсоляция полная. Аккумулятор достаточно сильно разряжен и напряжение его составляет всего-то 11 В. Найдем на ВАХ точку с напряжением 11 В. Мощность в этой точке при токе почти 5,85А составит 64 Вт. Теперь возьмем полностью заряженный аккумулятор. Напряжение уже 14 В и мощность мы снимаем уже 81 Вт. Вот так-то. Условия инсоляции одинаковые, панель одинаковая, а мощность отличается на 23%! А если инсоляция не полная, то мощность неизбежно падает (смотрим второй рисунок с семейством частных ВАХ).
Таким образом без применения специальных устройств реализовать полную мощности солнечной панели даже при наилучшей инсоляции невозможно.
Об устройствах, которые ее все таки реализуют в следующей статье.
Продолжение теории. Астрономия и геометрия
Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Для нас, землян, это выглядит как движение Солнца по небесной сфере. При суточном движении каждый день Солнце проходит с востока на запад достигая в полдень своей кульминации на юге. А вот годовое движение определяет склонение (то есть его угол над экватором) и прямое восхождение Солнца (то есть его положение на эклиптике и на фоне звезд зодиакальных созвездий).
Прямое восхождение и положение Солнца на фоне далеких звезд в зодиакальных созвездиях нам не интересно. "Знаки зодиака" не влияют ни на какие процессы на Земле. Никак не влияют! Прямое восхождение величина принципиально относительная и ее ноль можно выбрать в любой точке эклиптики. Так же как и любой меридиан на Земле можно выбрать нулевым. Просто для удобства ноль прямого восхождения выбран в точке весеннего равноденствия (в наше время она находится в созвездии Рыб).
Зато склонение Солнца - важнейшая для землян величина! Именно она задает долготу дня, высоту над горизонтом и времена года.
Азимут - это горизонтальный угол положения Солнца относительно направления на юг. Угол места - вертикальный угол положения Солнца относительно местного горизонта. Экваториальный угол это угол между местным горизонтом и плоскостью экватора Земли. Экваториальный угол равен 90 градусов минус широта местности. Например для моего места широта 52 градуса, значит экваториальный угол 38 градусов. Именно под таким углом Солнце будет на небе в полдень в дни равноденствия 20 марта и 23 сентября, когда склонение Солнца равно 0. Так как плоскость эклиптики наклонена к экватору на 23 градуса 26 минут, то склонение Солнца в течение года будет меняться. Угол места Солнца в полдень есть сумма склонения и экваториального угла. Следовательно для моего случая Солнце в полдень 21 июня будет над горизонтом на 61,5 градус, а 23 декабря всего лишь на 14,5 градусов.
Максимум генерации для солнечной панели будет, если свет падает на нее под прямым углом. Но, если она закреплена неподвижно, то этот угол будет меняться. Это приведет к тому, что площадь проекции панели на направление падения света будет уменьшаться, что равно снижению инсоляции. Если не принимать во внимание отражение, то можно заключить, что освещенность солнечной панели, при неизменной силе света Солнца будет зависеть от углов следующим образом
L=R*cos(A-A')*cos(F-F'), (1)
где A - азимут Солнца, A' - азимут установки солнечной панели, F - угол места Солнца, F' - угол установки плоскости панели к вертикали.
Угол места F зависит от азимута следующим образом
tg F = cos A * tg (E+S), (2)
где E - экваториальный угол, S - склонение.
Идеальный случай - когда специальный механизм поворачивает панель за Солнцем. Но эта система сложная и ненадежная, поэтому на практике применяется редко. Чаще солнечную панель ставят фиксированно по азимуту. Что касается угла места, то здесь можно сделать крепление таким образом, чтобы корректировать его по сезону. Так как суммарная инсоляция панели за день равна интегралу выражения (1), то угол азимут установки панели целесообразно выбирать таким, чтобы она смотрела на юг (то есть - нулевым). А вот угол места F' - можно выбрать примерно равным 1/2 от угла места кульминации Солнца в заданный сезон. В моем случае это примерно 30 градусов летом, 19 градусов осенью и 7 градусов зимой.
А вот что касается зимы - то смело можно ставить панель вертикально (нулевой угол). Все дело в снеге! Во первых он прекрасно отражает солнечный свет и вертикально установленная панель будет эффективно использовать это отражение. А во вторых на вертикально установленной панели не будет задерживаться даже мокрый снег.
А теперь - практика! Сколько же энергии вырабатывает солнечная панель
Разобравшись с теорией перейдем к практике, а именно к вопросу суточной выработки энергии солнечной панелью. Если панель установлена на фиксированный и оптимальный угол, то при ясной погоде выработку при работе в режиме точки максимальной мощности можно оценить примерно как
Wмм=0,27*Tс*Pмм - летом,
Wмм=0,31*Тс*Рмм - осенью и весной после схода снега,
Wмм=0,42*Тс*Рмм - зимой.
где Тс - время солнечного сияния, Pмм - максимальная мощность панели.
Да, не удивляйтесь, но летом выработка энергии на один час солнечного сияния ниже, чем осенью и зимой. И дело не только в снеге. Во первых летом утром и вечером Солнце будет за панелью и генерации не дает. Во вторых, по углу места солнце перемещается больше, чем зимой и осенью.
Давайте посчитаем, что мы имеем. У нас есть 100 Ваттная панель. Летом Солнце сияет 16 часов. Считаем W=0,24*14*100 = 432 Вт*ч. Осенью, когда день 12 часов - 372 Вт*ч, а зимой, когда день 6 часов - 252 Вт*ч.
Важно. Зимой Солнце низко над горизонтом и тени очень длинные. Учитывайте это, выбирая место для панели.
Панели, установленные на стене дома летом могут затеняться козырьком крыши.
Не забываем про облачность. А еще - про то, что при отсутствии системы поиска точки максимальной мощности реальная мощность, отдаваемая панелью при напряжении заряда аккумулятора всего 80% от максимальной.
Что же в итоге имеем? Если принимать, что в среднем в месяц летом и зимой приходится 7 пасмурных дней (23 ясных), а осенью и весной 10 пасмурных и 20 ясных, то среднесуточная выработка у нас будет такая:
- летом - 432*(23/30)*0,8 = 265 Вт*ч;
- осенью и весной - 372*(20/30)*0,8 = 198 Вт*ч;
- зимой - 252*(23/30)*0,8 = 155 Вт*ч.
Много это или мало. Комплект из камеры и маршрутизатора потребляет примерно 8 Вт. То есть на сутки ему необходимо 8*24=192 Вт*ч. Как видно, это на пределе осенью и весной, с минимальным запасом - летом и совершенно недостаточно зимой.
Вывод - стоваттной панели для автономного видеонаблюдения недостаточно. Необходима суммарная номинальная мощность панелей не менее 200 Вт!
Получаем 200 Вт. Как ставить панели?
Можно поставить одну панель на 200 Вт, как было сделано у меня в первой системе. Но лучше - 2 по 100 и вот почему. Дело в том, что тогда их можно ориентировать по сторонам света. Одну - на юго-восток, а вторую - на юго-запад. Тогда суммарная выработка станет больше. Особенно летом, так как Солнце будет освещать панели поочереди, но начиная от восхода и до заката. Зимой выигрыш от такой установки будет меньше, но все равно будет. Оптимальные углы установки панелей по азимуту - 20 градусов на восток "утреннюю" и 20 градусов на запад - "вечернюю". Угол места для каждой панели следует уменьшить с 1/2 до 1/3 максимальной высоты Солнца.
Энергии, вырабатываемой одной панелью 200 Вт или двумя по 100 Вт для работы станции видеонаблюдения уже хватит с большим запасом. Летом и осенью ее можно использовать и для прочих нужд. У меня это освещение бани и уличный фонарь.
В цикле статей рассмотрены особенности:
Камер видеонаблюдения, поддерживающих технологию p2p
Солнечных панелей - как основного источника питания
Применения аккумуляторных батарей для хранения электроэнергии
Контроллеров, управляющих зарядом батарей и нагрузкой
Модемов 3G/4G, антенн для них и маршрутизаторов, для доступа камеры в Интернет
Конструкции всей системы
Спасибо, что дочитали! Понимаю, что много букв, но надеюсь, что помог Вам разобраться с темой мощности и выработки энергии солнечными панелями. В следующем выпуске - про ее хранение в аккумуляторах. Следите за каналом.
