Практически опробуем наши микросхемы на схеме солнечной электростанции. Вообще-то мы уже публиковали на канале подобную конструкцию. Но хотя при отсутствии стационарного энергоснабжения даже она принесет некоторую практическую пользу, все же это - лишь демонстрационная модель, полуигрушка. Есть у нее и еще один недостаток. Накопителем энергии в ней служит батарея из трех литий-ионных аккумуляторов. Стандартного напряжения в 12,6 В она достигает только лишь при полном 100 % заряде аккумуляторов и отсутствии заметной нагрузки. А значительную часть энергии отдает при напряжении меньше 12 В. Если еще учесть падение напряжения на элементах схемы, то ей будет затруднительно обеспечить нормальную работу многих 12-вольтовых потребителей.
Современные технологии дают великолепное решение этой проблемы - использование батареи из четырех литий железо-фосфатных аккумуляторов - одних из самых современных и долговечных типов аккумуляторов и уже одних из самых дешевых. Возможно, некоторые читатели уже пользуются батареей из двух таких элементов для питания нашего лампового радиоприемника. Правда, такие элементы выпускаются без встроенных схем защиты, так что решать эту важнейшую проблему нам придется самим. В журнале "Моделист-конструктор" № 10 за 2019 год была опубликована подобная установка ОРИНЭ, названная в честь одной из героинь аниме "AKB 0048". Однако прогресс в технике стремителен, так что сейчас мы можем сделать ее еще лучше и почти вдвое мощнее.
Аккумулятор - сердце любой солнечной системы, позволяет пользоваться ее энергией ночью и даже нормально пережить 2-3 пасмурных дня. От его емкости и долговечности решающим образом зависит удобство и эффективность системы, стоимость "солнечного" кВтч. Мы используем батарею из четырех таких вот цилиндрических аккумуляторов немалой - 12,8 Ач емкости с соединением элементов на резьбе М4.
Солнечные панели будут у нас 12-вольтовой серии. Важно понимать, что 12 В в их названии - это напряжение аккумулятора, на работу с которым они рассчитаны. А реальное выходное напряжение этих панелей под нагрузкой - не менее 17 вольт. Этого как раз хватит, чтобы покрыть все потери в цепях зарядки. Целесообразная их суммарная мощность - 40 - 60 Вт. Автор не рекомендовал бы получать всю эту мощность с одной панели. Дело в том, что их элементы соединены последовательно, так что ток всей солнечной батареи равен току слабейшего из всех элементов. Если какой-нибудь из элементов будет или закрыт упавшим на него листком, или механически поврежден - это вырубит всю батарею. Так что лучше распределить мощность на 2-3 панели - такая система будет более живучей и надежной. Панели следует устанавливать вертикально или с небольшим - 5-10 градусов наклоном вверх. При большем наклоне на них зимой уже будет задерживаться снег. Кроме того, при таком положении падение солнечных лучей на панели будет более перпендикулярным именно зимой при низком положении Солнца, когда потребность в энергии выше, а светлое время суток, наоборот, короче.
Также вполне возможно, что солнечные панели, например на закате Солнца, могут оказаться в разных условиях освещения. В этом случае панели, освещенные совсем слабо могут стать уже не источниками, а потребителями энергии. Чтобы предотвратить это, каждая из них включается через диод (упомянутых в прошлой статье типов), пропускающий ток только от панелей, но не в них.
Таким образом общая схема солнечной электростанции "ОРИНЭ-2" будет следующей.
Токи от солнечных панелей суммируются в двухпроводной линии, называемой "солнечная параллель". И на нее же навешиваются 1-2 аккумуляторных блока, в которых помимо аккумуляторов размещаются все цепи защиты, контроля и распределения энергии.
Итак, от чего нам надо защитить аккумулятор? От:
1. Перезаряда
2. Чрезмерного тока заряда
3. Чрезмерного тока разряда и короткого замыкания
4. Глубокого разряда
5. Разбаланса элементов батареи.
Начнем по порядку. Понятно, что солнечные батареи, дающие 17 вольт, а на холостом ходу - и более 20, могут перезарядить аккумуляторы. Но вот тут-то и пригодится наша знакомая микросхема! Ведь если мы на ней сделаем стабилизатор на максимально допустимое напряжение батареи - 14,4 В и пустим ток от солнечных панелей через него, то аккумуляторы не смогут перезарядиться! Сама собой решится и проблема с током зарядки. Во-первых, солнечные панели указанной мощности просто не могут дать недопустимо высокого для данных аккумуляторов тока. А во-вторых, как вы помните, микросхема имеет защиту от тепловой перегрузки.
Но ток не должен быть и слишком малым. Упомянутые микросхемы выпускаются множеством фирм в различных исполнениях, так что среди них есть и стабилизаторы не на 1,5, а на 1 ампер. Так что мощность зарядки окажется совершенно недостаточной. Сами понимаете, что пусть ясного и солнечного, но короткого зимнего дня может просто не хватить для полного заряда. Как увеличить ток? Читатели, усвоившие работу транзистора, сразу подумают об усилителе на нем. Но нам это не подойдет и вот почему. Чтобы более-менее полностью заполнить энергией такую батарею, ее надо заряжать до напряжения не ниже 14 В. Панели дают под нагрузкой 17, от силы 17, 5 В. А микросхеме-стабилизатору для нормальной работы нужно превышение входного напряжения над выходным не менее двух с небольшим вольт. Да еще падение на защитных диодах и проводах... Если мы добавим к этому еще и падение напряжения не менее 0,6 В на регулирующем транзисторе, система не сможет нормально работать. В итоге автор пришел к простейшему решению - удвоить ток зарядки, задействовав две микросхемы параллельно.
Защита от чрезмерного тока разряда и короткого замыкания выхода осуществляется плавким предохранителем FU1. В итоге, схема аккумуляторного блока получилась такой:
Но важнейшим делом является балансировка аккумуляторной батареи. Если один из элементов окажется разряженным сильнее остальных, то даже при вроде бы допустимом напряжении разряда всей батареи он уйдет в недопустимо низкое напряжение и через несколько недель умрет, даже при дальнейшем соблюдении режима. Поэтому автор советует закупить не 4, а хотя бы 5 элементов батареи, выбрать из них с помощью точного вольтметра самые близкие по напряжению, да еще и подравнять их окончательно, подсаживая элементы, имеющие самое высокое напряжение с помощью 12 В лампочки накаливания мощностью 1 - 5 Вт. Пятый элемент будет на всякий случай запасным.
В дальнейшем при эксплуатации контроль за балансом, а также легкое воздействие, помогающее его сохранить, будет осуществлять 4-х звенная цепочка диодов, светодиодов и резисторов, подключенная к выводам отдельных элементов. С целью максимальной идентичности параметров ее звеньев резисторы и диоды в ней должны быть из одной партии. Светодиоды следует взять безвыводные, так называемые SMD типоразмера 1206. Они представляют собой запечатанные в бумажную ленту прямоугольнички размером 2х3 мм.
Светодиоды обязательно должны быть белого или синего свечения (у них пороговое напряжение выше).
