Солнечные батареи

Наряду с энергией ветра можно попытаться использовать и энергию Солнца.

Генерацию электричества под воздействием солнечного света (фотовольтаический (фотоэлектрический) эффект, англ. photovoltaic effect) впервые наблюдал в 1839 году Александр Эдмон Беккерель (фр. Alexandre-Edmond Becquerel):

Параметры солнечной батареи

Одна фотовольтаическая ячейка (англ. solar cell) вырабатывает в режиме холостого хода (англ. open-circuit voltage (OCV)) напряжение 0,55 В. Солнечная батарея составлена из таких последовательно и параллельно включенных ячеек.

внешняя характеристика (англ. I/V curve) солнечной панели

$V_{oc}$ - напряжение холостого хода (англ. open circuit voltage)
$I_{sc}$ - ток короткого замыкания (англ. short circuit current)

Точке максимальной мощности соответствует напряжение на одной ячейке около 0,45 В ($V_{mp}$) при токе ($I_{mp}$) около 90 % от тока короткого замыкания.

Исследование моих солнечных батарей

Я приобрел на торговой площадке ebay три солнечные батареи:

Батарея 1

Номинальные параметры: напряжение 5 В, мощность 1 Вт.

напряжение холостого хода
Нагруженная на резистор сопротивлением 100 Ом в солнечный сентябрьский день моя батарея выдает напряжение около 3,5 вольт при горизонтальном расположении батареи и 5 вольт при расположении панели перпендикулярно солнечным лучам. В пасмурный день напряжение составило около 0,3 вольта.

ток короткого замыкания
В начале апреля горизонтально расположенная батарея в течение солнечного дня с небольшой облачностью (5-6 часов) обеспечивает ток короткого замыкания 40 ... 60 мА:

Зарядка аккумулятора от солнечной батареи
Для проверки возможности заряда аккумуляторов от солнечной батареи я подключил эту батарею через германиевый диод Д310 к полностью разряженному (напряжение холостого хода 1,1 вольта) никель-кадмиевому аккумулятору GP емкостью 1000 мАч и разместил на горизонтальной достаточно открытой поверхности:

После окончания заряда в течение двух солнечных июньских дней напряжение холостого хода составило 1,380 В. При подключении нагрузки в виде резистора сопротивлением 6,8 Ом напряжение составило 1,327 В и снизилось до уровня 1,1 В через 180 минут, а до уровня 0,9 В - через 195 минут непрерывного разряда (эффективная емкость аккумулятора составила при этом ~ 500 мА·ч).
Таким образом, эксперимент по зарядке никель-кадмиевого аккумулятора можно признать успешным.

Зарядка ионистора от солнечной батареи
Также можно использовать солнечную батарею для заряда ионистора.
Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ток утечки ионистора достаточно велик и обычно составляет 1 мкА на 1 Ф емкости. Также у ионистора заметно проявление эффекта диэлектрической абсорбции.
Я располагаю двумя ионисторами -

1. ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В
   
2. ионистор емкостью 100 Ф на напряжение 2,7 В (приобретен на ebay)
   

Я использовал для эксперимента с солнечной батареей ионистор на 100 Ф.
Внутреннее устройство этого ионистора после его разборки:

1 - угольная прослойка
2 - металлическая пластина

Для ионистора важно не превышать предельно допустимое напряжение (в моем случае 2,7 В). Для ограничения напряжения я использовал шунтовой регулятор - параллельно подключенный к солнечной батарее "зеленый" светодиод (1). Опытным путём я установил, что падение напряжения 2,7 В на таком светодиоде соответствует току через светодиод, равному 50 мА (ток короткого замыкания солнечной батареи не должен превышать это значение для гарантии целости ионистора).

вольт-амперная характеристика "зеленого" светодиода

Для "красного" светодиода (2) при токе 50 мА падение напряжения составляет 1,94 В. Для "белого" светодиода (3) при токе 50 мА падение напряжения составляет 3,34 В (при 30 мА - 3,18 В).

Для предотвращения разряда ионистора я подключил его к солнечной батарее через эмиттерный p-n переход германиевого транзистора МП38 (падение напряжения на нем составляет 0,2 - 0,3 В), играющий роль блокирующего диода (англ. blocking diode).

Я расположил эту конструкцию на горизонтальной поверхности утром (в 10³⁵ ) довольно сумрачного февральского дня (ионисторы не слишком боятся низких температур, но при снижении температуры до - 30° C внутреннее сопротивление (ESR) ионистора возрастает в 2...3 раза.). При этом ионистор был разряжен до напряжения 0,088 В. Через семь часов (к 17³⁵) напряжение на ионисторе достигло 1,45 В!!! Для изучения саморазряда я оставил ионистор подключенным к схеме на ночь в слабоосвещенном помещении. Через час напряжение на ионисторе упало до 1,23 В, через два часа - до 1,11 В.

Батарея 2

Сначала я сделал на основе этой батареи вот такое герметичное зарядное устройство для аккумуляторов:

Затем я использовал эту солнечную батарею для питания акустического отпугивателя воробьев.

Батарея 3

Продолжение следует