Электросхема для солнечных батарей

Схема садового светильника на солнечных батареях

Дата публикации: 26 мая 2020

Устройство и принцип работы

Для того чтобы понять принцип работы рассматриваемого оборудования, необходимо разобраться со схемой садового светильника на солнечных батареях. Составными элементами данного устройства являются:

• блок освещения (светодиод, как правило);
• преобразователь энергии;
• устройство, осуществляющее контроль включения и отключения;
• аккумулятор;
• крепеж.

Сам светильник состоит из корпуса, в котором находится светодиод. Рядом расположены контрольная плата и аккумулятор. Над ними находится фоторезистор, солнечная панель и защитное стекло.

Днем при солнечной погоде преобразователь аккумулирует солнечную энергию и преобразует ее в электрическую, которая поступает в аккумулятор. Данная энергия и позволяет функционировать садовому фонарю в темное время суток.

Более дорогие модели данных устройств имеют контроллер движений, который автоматически включает светильник при приближении человека.

В устройство садового светильника на солнечных батареях входят транзистор или микросхема, выполняющие функцию датчика, с помощью которых светодиод отключается при полном разряде батареи либо может уменьшать яркость освещения в случае потери части заряда.

Основные характеристики

Качество подобного устройства определяется применяемым кремнием. В недорогих светильниках используют его поликристаллическую или аморфную разновидности. Монокристаллический кремний может работать в любой сезон, он стоек к агрессивному воздействию. Если нет возможности приобрести монокристаллический элемент, лучше использовать мультикристаллические солнечные батареи.

Для придания долговечности изделиям их покрывают специальной пленкой.

Производители стали изобретать маркетинговые ходы для скрытия некоторых изъянов своей продукции. В частности, поликристаллические устройства стали называть уличными светодиодными фонарями, но срок их нормальной службы составит только один сезон.

Длительным сроком эксплуатации могут похвастаться брендированные устройства. Здесь достаточно мощный фотоэлемент, солнечный свет в него попадает в глубокие слои, что обеспечивает стабильную работу светильников в течение продолжительного времени. У китайских светильников толщина фотоэлемента сравнима с фольгой, поэтому срок службы его гораздо меньше.

На освещение оказывает влияние и структура стекла. При преобладании дней с пасмурной погодой лучше использовать текстурированное стекло, поскольку оно накапливает излучение, в то время как гладкая поверхность способствует его частичному отражению. Наиболее дорогое и долговечное покрытие — закаленное стекло.

Принципиальная схема простого для повторения светильника

Приведенная ниже принципиальная схема светильника, работающего от энергии солнечного света весьма проста, и многократно опробована многочисленными любителями, специализирующихся на изготовлении полезных устройств своими руками.

Как она работает:

• В дневное время солнечная панель (S) преобразует энергию световых лучей в электрическую.
• Вырабатываемый ею ток через диод D1 заряжает аккумуляторную батарею (А).
• Положительный потенциал, приложенный к базе через резистор R1, «удерживает» транзистор Т1 в закрытом состоянии и светодиод D2 не горит.
• При значительном снижении освещенности солнечной панели транзистор открывается (из-за уменьшения положительного потенциала, приложенного к базе) и подключает светодиод D2 к аккумуляторной батарее. Светодиод начинает гореть.
• Диод D1 препятствует разряду аккумулятора через солнечную панель.
• С наступлением рассвета положительное напряжение, поступающее с «+» вывода солнечной панели на базу «закрывает» транзистор Т1 и светодиод D2 перестает гореть, а аккумуляторная батарея снова начинает заряжаться.

Положительные стороны устройств

Садово-парковые светильники на солнечных батареях способствуют облагораживанию таких зон отдыха, как сады, парки, скверы. Данные устройства могут быть снабжены никель-металл-гидридными аккумуляторами, что позволяет им включаться при наступлении темноты, отключаться и начинать заряжаться при наступлении утра.

В настоящее время светильники выпускаются в различных исполнениях. В основном производятся традиционные столбики, имеющие различную высоту, а также гирлянды. Помимо этого начали выпускать светильники в виде собак, кошек, гномов, улиток и других потенциальных обитателей зеленой зоны. Также производители предлагают приборы в виде светильников, вокруг которых летают бабочки.

Рассматриваемые устройства не нуждаются во владении основами установки электропроводки, поскольку схема садового светильника на солнечных батареях не подразумевает подвода к нему электричества, что обеспечивает экономию финансовых средств их владельцам.

Свет, падающий от данных фонарей, не бьет по глазам, поскольку не является сверхъярким.

Данные светильники являются автоматическим оборудованием и могут обмануть воришек в случае имеющегося у них злого умысла напасть на вашу недвижимость.

Они не требуют осуществления работ по заземлению и полностью безопасны как для людей, так и для окружающей среды.

Не требуется какого-либо особого ухода за ними.

При этом срок эксплуатации рассматриваемых видов светильников достаточно продолжительный.

Так как они эксплуатируются на открытой местности, производители предусматривают для них высокий уровень защиты от неблагоприятных факторов погоды.

Какие детали и где лучше заказывать

Наиболее сложно разжиться солнечными элементами. Подойдут некондиционные элементы, их проще всего купить на различных интернет-аукционах, таких как Aliexpress. Подбирайте модуль с напряжением на выходе не ниже 5 вольт, мощность должна соответствовать числу светодиодов. Очень важно, чтобы модуль имел отпайки проводников, в ином случае покупайте те, которые идут в комплекте с плоскими проводниками и карандашом-флюсом.

Самый дорогостоящий элемент светильника — это никель-металл-гидридный или литий-ионный аккумулятор . Нужны аккумуляторы напряжением 3,6 В, они выглядят как три пальчиковые батарейки, затянутые в пленку. Емкость также должна соответствовать суммарной мощности светодиодов, умноженной на количество часов автономной работы + 30%. Купить можно вместе с модулями.

Источниками света служат светодиоды. Опираясь только на характеристики, вы, скорее всего, не сможете подобрать подходящий уровень освещенности, поэтому выбирать придется опытным путем. Рекомендуется использовать яркие белые светодиоды BL-L513. Их легко найти в магазинах электронных компонентов, например, в «Чип и Дип» они стоят по 10 руб. К каждому светодиоду нужен токоограничивающий резистор на 33 Ом.

Также для каждого светильника нужен транзистор 2N4403, выпрямительный диод 1N5391 или КД103А, а также резистор, номинал которого рассчитывается по формуле R = Uбат х 100/N х 0,02, где N — количество светодиодов в цепи, а Uбат — рабочее напряжение аккумулятора.

Критерии выбора деталей и цены

Выбор деталей зависит от того, насколько мощный светильник вы намереваетесь изготовить. Приводим конкретные номиналы для самодельного осветительного прибора мощностью 1 Вт и интенсивностью светового потока 110 Лм.

Так как в вышеприведенной схеме отсутствуют элементы контроля уровня заряда аккумуляторной батареи, то, прежде всего, необходимо обратить внимание на выбор солнечной батареи. Если выбрать панель со слишком маленьким током, то за световой день она просто не успеет зарядить аккумулятор до нужной емкости. И наоборот слишком мощная световая панель может перезарядить батарею за время светового дня и привести ее в негодность.

Вывод: ток, вырабатываемый панелью, и емкость аккумулятора должны соответствовать друг другу. Для грубого расчета можно воспользоваться соотношением 1:10. В нашем конкретном изделии мы используем солнечную панель с напряжением 5 В и вырабатываемым током 150 мА (120-150 рублей) и аккумуляторную батарею форм-фактора 18650 (напряжением 3,7 В; емкостью 1500 мАч; стоимостью 100-120 рублей).

Также для изготовления нам понадобятся:

• Диод Шоттки 1N5818 с максимальным допустимым прямым током 1 А – 6-7 рублей. Выбор именно этой разновидности выпрямительной детали обусловлен низким падением напряжения на нем (около 0,5 В). Это позволит использовать солнечную панель наиболее эффективно.
• Транзистор 2N2907 с максимальным током коллектор-эмиттер до 600 мА – 4-5 рублей.
• Мощный белый светодиод TDS-P001L4U15 (интенсивность светового потока – 110 Лм; мощность – 1 Вт; рабочее напряжение – 3,7 В; потребляемый ток – 350 мА) – 70-75 рублей.

Важно! Рабочий ток светодиода D2 (или суммарный общий ток при использовании нескольких излучателей) должен быть меньше максимального допустимого тока коллектор-эмиттер транзистора T1. Это условие с запасом выполняется для примененных в схеме деталей: I(D2)=350 мА

Источник

Схемы сборки и подключения солнечных батарей

Здесь вы узнаете:

Схемы подключения солнечных панелей При монтаже солнечных электростанций неизбежно возникает вопрос — как соединять солнечные панели и в каком порядке подключать их в систему энергоснабжения дома. Сейчас все подробно разберем.

Что представляет собой бытовая солнечная батарея

Гелиоэнергетика – это настоящая находка для получения дешевой электроэнергии. Однако даже одна солнечная батарея стоит достаточно дорого, а для того чтобы организовать эффективную систему их нужно немалое количество. Поэтому многие решаются собрать солнечную батарею своими руками. Для этого нужно уметь немного паять, так как все элементы системы собираются в дорожки, а потом крепятся на основание.

Чтобы понять, подходит ли гелиостанция для ваших нужд, надо понимать, что такое бытовая солнечная батарея. Само устройство состоит из:

• солнечных панелей
• контроллера
• аккумулятора
• инвертора

Если устройство предназначено для отопления дома, в комплект будут также включены:

Солнечные панели — прямоугольники 1х2 м либо 1,8х1,9 м. Для обеспечения электричеством частного дома с 4-мя жильцами надо 8 панелей (1х2 м) либо 5 панелей (1,8х1,9 м). Устанавливают модули на крышу с солнечной стороны. Угол наклона крыши 45° с горизонтом. Существуют вращающиеся солнечные модули. Принцип работы солнечной батареи с поворотным механизмом аналогичен стационарной, но панели поворачиваются вслед за солнцем благодаря фоточувствительным датчикам. Стоимость их выше, но КПД достигает 40%.

Конструкция стандартных солнечных батарей следующая. Фотоэлектропреобразователь состоит из 2 слоев n и p типа. n-слой изготавливают на основе кремния и фосфора, что приводит к избытку электронов. p-слой делают из кремния и бора, в результате чего образуется избыток положительных зарядов («дыр»). Слои помещают между электродов в таком порядке:

• покрытие против бликов
• катод (электрод с отрицательным зарядом)
• n-слой
• тонкий разделительный слой, препятствующий свободному переходу заряженных частиц между слоями
• p-слой
• анод (электрод с положительным зарядом)

Фотоэлектрические модули производят с поликристаллической и монокристаллической структурами. Первые отличаются большим КПД и высокой стоимостью. Вторые – дешевле, но менее эффективны. Мощности поликристаллических достаточно для освещения/отопления дома. Монокристаллические используются для генерации малых порций электричества (в качестве резервного источника энергии). Существуют гибкие солнечные батареи на основе аморфного кремния. Технология находится в процессе модернизации, т.к. КПД аморфной батареи не превышает 5%.

Устройство солнечной батареи

Планируя выполнить подключение солнечных панелей собственноручно, необходимо иметь представление, из каких элементов состоит система.

Солнечные панели состоят из комплекта батарей на фотоэлектрических элементах, основное предназначение которых – преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Сила тока системы зависит от интенсивности света: чем ярче излучения, тем больший ток генерируется.

Помимо солнечного модуля, в устройство такой электростанции входят фотоэлектрические преобразователи – контроллер и инвертор, а также подключенные к ним аккумуляторы

Основными конструктивными элементами системы выступают:

• Солнечная батарея – преобразует солнечный свет в электрическую энергию.
• Аккумулятор – химический источник тока, который накапливает сгенерированную электроэнергию.
• Контроллер заряда – следит за напряжением аккумуляторов.
• Инвертор, преобразующий постоянное электрическое напряжение аккумуляторной батареи в переменное 220В, которое необходимо для функционирования системы освещения и работы бытовой техники.
• Предохранители, устанавливаемые между всеми элементами системы и защищающие систему от короткого замыкания.
• Комплект коннекторов стандарта МС4.

Помимо основного предназначения контроллера – следить за напряжением аккумуляторов, устройство по мере необходимости отключает те или иные элементы. Если показатель на клеммах аккумулятора в дневное время достигает отметки в 14 Вольт, что указывает на их перезарядку, контроллер прерывает зарядку.

В ночной период, когда показатель напряжения аккумуляторов достигает предельно низкой отметки в 11 Вольт, контроллер останавливает работу электростанции.

Виды фотоэлементов

Основная и довольно сложная задача – найти и купить фотоэлектрические преобразователи. Они представляют собой кремниевые пластины, которые преобразовывают солнечную энергию в электричество. Фотоэлементы делятся на два типа: монокристаллические и поликристаллические. Первые более эффективны и отличаются высоким КПД – 20-25%, а вторые всего до 20%. Поликристаллические фотоэлементы ярко синие и менее дорогостоящие. А моно- можно отличить по форме – она не квадратная, а восьмиугольная, и цена на них выше.

Если паять получается не очень хорошо, то для подключения солнечной батареи своими руками рекомендуется приобретать готовые фотоэлементы с проводниками. Если же присутствует уверенность, что припаять элементы получится самостоятельно, не повредив преобразователь, можно приобрести набор, в котором проводники приложены отдельно.

Самостоятельно вырастить кристаллы для фотоэлементов — довольно специфическая работа, и сделать её практически нереально в домашних условиях. Поэтому фотоэлементы лучше покупать готовые.

Варианты подключения

Не возникает вопросов при подключении одной панели: к соответствующим разъемам контроллера подсоединяют минус и плюс. Если же панелей много, их можно подсоединить:

• параллельно, т.е. соединим между собой одноименные клеммы и, получив на выходе напряжение 12В;

• последовательно, т.е. плюс первой соединить с минусом второй, а оставшиеся минус первой и плюс второй – к контроллеру. На выходе будет 24 В.

• последовательно-параллельно, т.е. использовать смешанное подключение. Подразумевает такая схема, что несколько групп батарей соединены между собой. Внутри каждой из них панели соединены параллельно, а группы – последовательно. Эта схема на выходе дает самые оптимальные характеристики.

Разобраться детальнее с подключением альтернативных источников в доме поможет видео:

Такие электростанции с помощью аккумуляторных батарей накапливают для дома заряд Солнца и сохраняют его, резервируя в аккумуляторных банках. В Америке, Японии, европейских странах применяется нередко гибридное электроснабжение.

То есть, работают две схемы, одна из которых обслуживает оборудование низковольтное, питающееся от 12 В, другая схема – отвечает за бесперебойное снабжение энергией высоковольтного оборудования, работающего от 230 В.

Как соединить солнечные батареи максимально используя возможности всех элементов

Смешанная схема резервного подключения. Они будут зависеть от габаритов самих панелей и их количества.

Теперь остается дело за малым.

При одинаковых характеристиках, следующий вид панелей — тонкопленочный, потребует для установки в доме большей площади. Конечно же на свой страх и риск, можно подключить панель напрямую, и аккумулятор будет заряжаться, но такая система должна быть под присмотром.

Если дом находится в тени других построек, то установка солнечных панелей целесообразна разве что только поликристаллических, и то эффективность будет снижена. Во всех случаях должны отсутствовать затемнения. Решить эту проблему поможет естественный обдув аккумуляторной батареи. Все эти факторы нужно учитывать при выборе места установки и ставить панели по наиболее удобному варианту.

Конечно же на свой страх и риск, можно подключить панель напрямую, и аккумулятор будет заряжаться, но такая система должна быть под присмотром. Это интересно: Многие из стандартных радиокомпонентов также могут вырабатывать электроэнергию при воздействии яркого света.

На этом этапе важно не перепутать тыльную сторону панели с лицевой. Это важнейший момент, так как от того будут ли панели в тени других зданий, деревьев будет зависеть их продуктивность, а значит, и количество вырабатываемой электроэнергии.

При последовательном соединении нескольких панелей, напряжение всех панелей будет складываться. Собирается каркас с помощью болтов диаметром 6 и 8 мм. Изменения напряжения в данном случае не будет.

Нередко используется и смешанная схема подключения. Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии — в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. Крепить фотоэлементы во избежание повреждения рекомендуется на длинной стороне, индивидуально выбрав способ: болты крепятся через отверстия рамки , фиксаторы и пр. Закрепить его можно тонким слоем силиконового герметика, а вот эпоксидную смолу для этих целей лучше не использовать, так как снять стекло в случае необходимости проведения ремонтных работ и не повредить панели будет крайне сложно.

Солнечные панели. Как сделать дешёвую и эффективную солнечную электростанцию.

Этапы подключения панелей к оборудованию СЭС

Подключение солнечных панелей представляет собой поэтапный процесс, который может быть выполнен в разном порядке. Обычно производят соединение модулей между собой, затем собирают комплект оборудования и аккумуляторы, после чего панели подключают к приборам. Это удобный и безопасный вариант, позволяющий проверить правильность соединения всех элементов перед подачей напряжения. Рассмотрим эти этапы внимательнее:

К аккумулятору

Разберемся, как подключить солнечную батарею к аккумулятору.

Внимание! В первую очередь надо уточнить — прямого подключения панелей к АКБ не используют. Неконтролируемый процесс получения энергии опасен для батарей, может вызвать как чрезмерный расход, так и избыточную зарядку. Обе ситуации губительны, поскольку могут окончательно вывести АКБ из строя.

Поэтому между фотоэлектрическими элементами и батареями обязательно устанавливают контроллер, обеспечивающий штатный режим зарядки и отдачи энергии. Кроме того, на выходе контроллера обычно устанавливают инвертор, чтобы иметь возможность преобразования накопленной энергии в стандартное напряжение 220 В 50 Гц. Это наиболее удачная и эффективная схема, которая позволяет батареям отдавать или получать заряд в оптимальном режиме и не превышать свои возможности.

Перед тем, как подключить солнечную панель к аккумулятору, необходимо проверить параметры всех компонентов системы и убедиться в их соответствии. В противном случае результатом может стать потеря одного или нескольких приборов.

Иногда используется упрощенная схема подключения модулей без контроллера. Этот вариант применяется в условиях, когда ток от панелей заведомо не сможет создать перезаряд аккумуляторов. Обычно такой способ применяют:

• в регионах с коротким световым днем
• низким положением солнца над горизонтом
• маломощными солнечными панелями, не способными обеспечить избыточный заряд АКБ

При использовании этого метода необходимо обезопасить комплекс, установив защитный диод. Он ставится как можно ближе к аккумуляторам и защищает их от короткого замыкания. Панелям оно не страшно, но для АКБ это весьма опасно. Кроме того, при расплавлении проводов сможет начаться пожар, что создает опасность для всего дома и людей. Поэтому обеспечить надежную защиту — первоочередная задача владельца, решение которой должно быть выполнено до ввода комплекта в эксплуатацию.

К контроллеру

Второй способ часто используется владельцами частных или загородных домов для создания низковольтной осветительной сети. Они приобретают недорогой контроллер и подключают к нему солнечные панели. Устройство компактное, по размерам соотносимо с книгой средних размеров. Оно оснащено тремя парами контактов на лицевой панели. К первой паре контактов подключают солнечные модули, к другой — присоединяют АКБ, а к третей — освещение или другие низковольтные приборы потребления.

Сначала на первую пару клемм подают напряжение 12 или 24 В от аккумуляторов. Это проверочный этап, он нужен для определения работоспособности контроллера. Если прибор верно определил величину заряда батарей, приступают к подключению.

Важно! Солнечные модули присоединяют ко второй (центральной) паре контактов. Важно не перепутать полярность, иначе система не будет работать.

К третьей паре контактов присоединяют низковольтные светильники или иные приборы потребления, питающиеся от 12 (24) В постоянного тока. Больше ни с чем соединять такой комплект нельзя. Если необходимо обеспечить питанием бытовую технику, надо собирать полнофункциональный комплект оборудования — частную СЭС.

К инвертору

Рассмотрим, как подключить солнечную панель к инвертору.

Он используется только для питания стандартных потребителей, нуждающихся в 220 В переменного тока. Специфика использования прибора такова, что подключать его приходится в последнюю очередь — между блоком АКБ и конечными потребителями энергии.

Сам процесс никакой сложности не составляет. В комплекте с инвертором идут два провода, обычно черного и красного цвета («-» и «+»). На одном конце каждого провода есть специальный штекер, на другом — зажим типа «крокодил» для присоединения к клеммам аккумулятора. Провода согласно цветовой индикации присоединяют к инвертору, затем подключают к аккумулятору.

Экономическая обоснованность

Сроки окупаемости солнечных панелей посчитать несложно. Умножьте суточное количество производимой энергии в сутки на количество суток в году и на срок эксплуатации панелей без снижения мощности — 30 лет. Рассмотренная выше электроустановка способна генерировать в среднем от 52 до 100 кВт·ч в сутки в зависимости от продолжительности светового дня. Среднее значение составляет около 64 кВт·ч. Таким образом, за 30 лет электростанция в теории должна выработать 700 тыс. кВт·ч. При одноставочном тарифе в 3,87 руб. и стоимости одной панели около 15 000 руб, затраты окупятся за 4–5 лет. Но реальность более прозаична.

Дело в том, что декабрьские значения солнечной радиации меньше среднегодовых примерно на порядок. Поэтому для полностью автономной работы электростанции зимой требуется в 7–8 раз больше панелей, чем летом. Это существенно увеличивает вложения, но уменьшает срок окупаемости. Перспектива введения «зеленого тарифа» выглядит вполне ободряюще, но даже на сегодняшний день можно заключить договор на поставку электроэнергии в сеть по оптовой цене, которая втрое ниже розничного тарифа. И даже этого достаточно, чтобы выгодно продавать 7–8 кратный излишек выработанной электроэнергии в летний период.

Источник