Экспериментальные источники энергии

Мощность солнечных лучей, падающих вертикально на наружную часть атмосферы, равна примерно 1350 Вт/м². В средних широтах мощность для поверхности Земли равна 300 Вт/м² летом и 80 Вт/м² зимой. Приблизительные значения интенсивности различных источников освещения (в микроваттах на метр квадратный) равны соответственно: солнечный свет 10⁶ и выше, лампа дневного света 1...10, лунный свет — 10-1...1, хорошее электроосвещение— 10^-2, слабый свет (еле различимый) 10^-10.

Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи, называемые также солнечными батареями, состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Если преобразователь должен заряжать аккумулятор, питающий, например, радиоустройство в облачное время, то его подключают параллельно к выводам солнечной батареи (см. рис.1).

Рис.1. Солнечные батареи: а — последовательное (или параллельное) 1 и смешанное 2 соединения фотоэлектрических элементов; б — схема для заряда миниатюрных аккумуляторов; в — конструкция источника питания, смонтированного на корпусе приемника, угол освещения батарей (в нашем случае из четырех элементов) можно регулировать; г — конструкция источника питания| д— модель парома; е — батарея элементов, изготовленных из транзисторов.

Элементы, применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим К. П. Д., выгодной спектральной характеристикой, довольно небольшим внутренним сопротивлением, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. Это прежде всего некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них — селеновый — имеет максимум спектральной характеристики на волне длиной X, равной 560 нм, что почти отвечает максимуму излучения в солнечном спектре. К сожалению, к. п. д. лучших селеновых фотоэлементов мал (0,1...1 %), а их внутреннее сопротивление достигает (1 ...50) * 10³ Ом, что не позволяет подключать их к цепям с малым входным сопротивлением и сводит на нет их практическую ценность. Но эти элементы охотно применяют радиолюбители, так как они дешевы и доступны (они установлены во многих фотоэкспонометрах). Основой солнечных батарей являются кремниевые фотопреобразователи, имеющие вид круглых или прямоугольных пластин толщиной 0,7... 1 мм и площадью до 5...8 ². Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы,площадью около 1 см ^2. Фотоэлемент с рабочей поверхностью 1 см ² создает ток 24 мА при напряжении 0,5 В (под нагрузкой 0,3 В), имеет к. п. д. около 10%. Несколько примеров практического использования солнечных батарей показано на рис.1. Они применяются вместе с химическими источниками тока для питания устройств на искусственных спутниках Земли и их моделях.Кремниевые фотоэлементы пока еще очень дороги. Однако предвидится, что в будущем они найдут широкое применение и в домашнем хозяйстве. Подсчитано, что для освещения помещения с помощью ламп мощностью 3 Ах 110 В достаточно применить солнечную батарею размерами 2x2x0,05 м, которая заряжает щелочной аккумулятор. Созданы также фотоэлементы из полупроводниковых материалов, например из сульфида кадмия CdS с теоретическим к. п. д. 18% и э. д. с. 2.,.2,5 В при прямом солнечном освещении. Кстати, практический к. п. д. фотоэлектрических преобразователей (около 10%) превышает, в частности, к. п. д. паровоза (8%), коэффициент полезного использования солнечной энергии в растительном мире (1%), а также к. п. д. многих гидротехнических и ветровых устройств. Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Приведем для сравнения значения к. п. д. различных источников электрической энергии (в процентах): Теплоэлектроцентраль — 20...30, полупроводниковый термоэлектрический преобразователь— 6. .,8, селеновый фотоэлемент — 0,1.. 1, солнечная батарея — 6...11, топливный элемент — 70, свинцовый аккумулятор—80...90, щелочной аккумулятор — 50…60, серебряно-цинковый аккумулятор — 88... 95.

Фотоэлементы можно соединять последовательно, параллельно, смешано (рис. 6.1, а): Они Могут работать и при искусственном освещении электролампой мощностью 200...300 Вт. При этом следует обращать внимание на то, чтобы температура фотоэлемента не превышала +70°С. Минимальна допустимая температура —30° С.
Самодельная солнечная батарея. 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, но 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 (см. рис. 2.10, в—д). Перед сборкой батареи следует проверить каждый из ее элементов. Для этого между выводами базы и коллектора включают миллиамперметр с пределом измерения до 1 мА: «плюс» прибора подключают к коллектору (или эмиттеру), а «минус»—к базе. При освещении элемента солнечным или искусственным 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 вольт- амперными характеристиками. Батарея состоит из двух параллель¬но соединенных рядов фотопреобразователей, в каждом ряду находится 10...12 соединенных последовательно элементов (рис. 1е). Лицевая панель фотоприемника показана на (рис.1г), элементы защищены тонким стеклом или оргстеклом. Выключатель питания практически не нужен, так как батарея сама выключается, когда ее прячут в карман или ящик письменного стола. Солнечная батарея, собранная на транзисторах типа TG50, дает ток 0,5 мА при напряжении 1,5 В. Применяя транзисторы П 201...203,(любые мощные транзисторы) 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. В квартире заземлением может служить водопроводная труба или батарея центрального отопления, а в открытой местности — заземляющий металлический стержень длиной 0,5... 0,7 м, соединенный многожильным проводом с гнездом «Земля» приемника. Приемник с солнечной батареей особенно оправдывает себя на пляже, где яркое солнце и влажный песок (хорошее заземление).

Моя опытная солнечная батарея на транзисторах кт 808. 10 элементов соединенных последовательно дают 5В при токе 10mA.