Автономное электроснабжение частного дома своими руками

Интересно, что в течение первого года эксплуатации солнечные батареи теряют до 1,5 % своей первоначальной мощности из-за старения кремния. Если при изготовлении солнечной батареи был допущен брак, то он может «внезапно» обнаружиться даже через несколько лет после ее первоначальной проверки. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому, что они в результате могут оказаться очень дорогостоящими (скупой платит дважды и трижды), а также нет смысла покупать впрок (и хранить в консервации до поры до времени).

Тем не менее, мнений и соображений противников и сторонников солнечных батарей очень много, и, пожалуй, единственное, в чем все противоборствующие стороны солидарны, так это в том, что использование солнечной энергии для альтернативных источников питания устройств весьма оправдано и очень перспективно.

Большинство солнечных элементов в солнечных модулях сделаны из дорогостоящего кремния. Как следствие сегодня еще довольно высока стоимость производства электроэнергии, получаемых с помощью солнечных батарей. Однако, предполагается, что уже через 5…6 лет – энергоресурсы, добытые с помощью солнца, будут продаваться по цене на 50 % ниже добываемой при помощи угля, природного газа и даже ядерного топлива электроэнергии. Соответственно рынок производства, услуг монтажа и обслуживания (ремонта) и эксплуатации солнечных батарей имеет очень большие перспективы.

1.4.6. Виды солнечных элементов и их применение для автономного энергоснабжения в быту

Электронных устройств на основе фотоэлементов очень много. Причем миниатюрные фотоэлементы, такие, как будут рассмотрены далее, имеют относительно малую мощность и, соответственно, малую стоимость.

Однако, для составления солнечной батареи, посредством которой можно будет без проблем зарядить сотовый телефон, прослушать новости по радиоприемнику, побриться портативной бритвой (и сделать другие полезные дела) уместно применять недорогие фотоэлементы и даже составлять из них солнечные батареи небольшой мощности. Как один из примеров рассмотрим устройство фонарика с «солнечным» элементом.

«Камень» для дачи с элементом солнечной батареи

На рис. 1.14 представлен внешний вид светильника в виде камня.

Рис. 1.14. Внешний вид светильника с элементом EL44

На рис. 1.15 представлен вид внутри с печатной платой устройства контроля зарядки.

Рис. 1.15. Вид на печатную плату (с залитой микросхемой) устройства контроля зарядки и бокс для пальчикового аккумулятора типоразмера АА

Такой «экзотический» фонарь хорошо использовать на практике для подсветки в ночное время пальмы, стоящей рядом с окном. Получается красиво.

Простой метод усовершенствования устройств с солнечными элементами

На рис. 1.16 представлен внешний вид декоративного светильника с четырьмя последовательно включенными элементами RS5415.5, пальчиковым аккумулятором 1400 мА/ч и устройством контроля зарядки.

Рис. 1.16. Декоративный светильник с 4-мя последовательно включенными элементами RS5415.5

В быту встречаются и другие конструкции, отличающиеся по внешнему виду (к примеру, предназначенные для «втыкания» (вертикального крепления) непосредственно в землю на дачном участке). Предназначение у разного вида светильников может быть различным, емкость аккумуляторов и их тип (а также мощность солнечной батареи) отличается в зависимости от конструкции, но принцип действия у всех один.

При ясной погоде с большой солнечной активностью (днем) устройство, с помощью фотоэлементов солнечной батареи преобразует солнечную энергию в электрический ток, который заряжает маломощные аккумуляторы. При наступлении темноты естественная солнечная активность снижается, зарядка аккумуляторов прекращается.

Внутренняя схема «чувствует» наступление сумерек, и разрешает мерцание светового элемента, которым является светодиод оранжевого свечения. Конструктивно светодиод выполнен в трубке из матовой пластмассы так, что кажется, как будто внутри корпуса фонаря мерцает свеча.

На рис. 1.17 представлена конструкция матовой трубки в корпусе фонаря, в которой «спрятан» светодиод оранжевого свечения.

Рис. 1.17. Конструкция матовой трубки со светодиодом оранжевого свечения

Благодаря конструктивным особенностям корпуса, удачным эстетическим решениям, а также электронной схеме устройства, управляющей светодиодом хаотичными пачками импульсов, удалось получить эффект мерцания свечи.

Прогресс в области новых световых элементов необратим. В 2000-х годах ХХ века в продаже имелись специальные лампы (рассчитанные под патрон Е27 и напряжение осветительной сети 220 В), которые производили аналогичный эффект мерцающей свечи благодаря инертному (неоновому) газу в колбе лампы.

Сегодня такой же эффект без затруднений можно получить от светодиода.

Стоимость подобных фонарей – светильников невелика и колеблется от 100 до 500 рублей. В России и ближнем зарубежье подобные светильники продаются в отделах электротоваров, сувениров и гипермаркетах.

Рассмотрим электрическую схему устройства и ее основные элементы (на рис. 1.18).

Рис. 1.18. Электрическая схема фонаря с мерцающим светом и автоматической подзарядкой от солнечных батарей

Микросхема DA1 является конструктивно «залитой» и на печатной плате представляет собой каплю твердой композиции с тремя выводами. Функция этой микросхемы– выработка импульсов с хаотичной частотой следования и скважностью.

Как только на нее поступает питания с помощью замыкания электрической цепи включателем SB1, на выводе 3 DA1 «OUT» присутствуют хаотичные импульсы положительной полярностью амплитудой 1,5–1,6 В (при нормально заряженных аккумуляторах).

Ограничительный резистор R3 ограничивает ток через светодиод HL1, чем осуществляет энергосберегающую функцию устройства в вечернее время.

Импульсы хаотичного порядка с выхода микросхемы поступают в базу транзистора VT3, на котором реализован усилитель тока.

В свою очередь, на транзисторах VT1, VT2 собран фоточувствительный узел (фотореле), управляющее работой усилителя тока VT2 и светодиода HL1.

При ясной погоде или заметной солнечной активности пасмурный день (короче, говоря, в дневное время) солнечная батарея на элементах FB1—FB4 является генератором постоянного тока.

Максимальное суммарное напряжение на ее элементах (замеренное у катода диода VD1 и общего провода) не менее 3,4 В. Это напряжение поступает в базу транзистора VT1 (включенного вместе с VT2 по схеме Дарлингтона– с максимальным коэффициентом умножения напряжения) через делитель напряжения на резисторах R1, R4. То есть, пока светло, напряжение на солнечной батарее достаточно для открывания транзистора VT1, и, соответственно, запирания VT2. Через транзистор VT3 ток не течет, светодиод не мерцает.

Аккумуляторы GB1, GB2 соединенные последовательно, когда SB1 замкнут, заряжаются небольшим током через диод VD1, вторая функция которого – не допустить разряд аккумуляторов в темное время суток через элементы солнечной батареи.

В вечернее (темное) время суток, когда естественного освещения недостаточно для зарядки аккумуляторов, фотореле на транзисторах VT1, VT2 разрешает ток через транзистор VT3 светодиод HL1 мерцает, напоминая горение свечи. В этом случае через светодиод течет ток порядка 8 мА.

При погашенном светодиоде устройство практически не потребляет ток. Соответственно, хорошо заряженных аккумуляторов при условии свечения светодиода только в вечернее время и ночью (то есть ½ суток) было бы достаточно на трое суток (примерно, 88 час).

Однако, в дневное время аккумуляторы заряжаются, поэтому на практике время работы нового фонаря увеличивается намного и зависит (в основном) от солнечной активности в дневное время, то есть тока заряда аккумуляторов.

Как правило, фонарь устанавливают в комнате на окне, с тем, чтобы он лучше заряжался днем. На практике, устанавливать фонарь в глубину комнаты, а тем более в темные интерьеры нельзя, так как не удастся получить желаемый уровень зарядки аккумуляторов и заявленные в руководстве (инструкции по эксплуатации) возможности «бесконечной работы, так как ресурс светодиода составляет не менее 100000 часов» не соответствуют действительности. Конечно, не из-за светодиода, а просто устройство требует постоянной солнечной энергии для подзарядки, которую в темном углу или помещении будет неоткуда взять, да и аккумуляторы имеют не бесконечный цикл заряд– разряд.

Устройство комплектуется Ni-Сd аккумуляторами типа АА с номинальным напряжением 1,2 В и емкостью 700 мА/ч. На рис. 10 представлен вид на монтаж с внутренней стороны корпуса оригинального светильника.

Рис. 1.19. Вид на монтаж с внутренней стороны корпуса оригинального светильника

Рекомендации по улучшению работы устройства

Для улучшения работы устройства, включающего длительную бесперебойную работу в течении нескольких месяцев подряд (а не нескольких суток, как до доработки) необходимо сделать ряд простых изменений в схеме.

• Параллельно диоду VD1 установить еще два аналогичных диода увеличения тока заряда аккумуляторов. Главное, чтобы все диоды были аналогичными по марке и электрическим характеристикам.

• Аккумуляторы заменить на Ni-Mh (это продлит срок их полезной эксплуатации) в таком же корпусе АА, но с емкостью от 1400 мА/ч.

• Резистор R4 из схемы удалить. При этом фотореле будет срабатывать раньше, уже при минимальной освещенности и включать светодиод позже (в сумерки), что способствует более длительному заряду аккумуляторов, тем более с большей емкостью, чем штатные.

• Днем эксплуатировать (как уже было отмечено выше) фонарь лучше в максимально освещенных местах (к примеру, на окне), а к ночи, в преддверии романтического ужина можно переносить его уже вглубь комнаты, что придаст атмосфере человеческого общения романтичность и оригинальность.

Спектр применения устройства

Спектр применения в быту и на природе солнечных элементов и миниатюрных солнечных батарей на их основе весьма разнообразен.

К примеру, две-три пластины солнечных батарей, встроенные в плечевой ремень цифрового фотоаппарата или камеры, не позволят полностью зарядить АКБ устройства, но их вполне хватит на то, чтобы «подпитать» тот же аккумулятор и не позволить путешественнику остаться без возможности фотографировать на природе, вдали от цивилизации, где подзарядить миниатюрный АКБ попросту нечем, кроме естественных солнечных лучей.

Для этого ремень крепится к камере обычным способом. От него отводится небольшой провод, который подсоединяется к фотоаппарату через разъем для внешнего питания DC-out.

Такой ремень можно использовать для подзарядки аккумулятора в течение 6-10 часов при условии солнечной активности.

Аналогичным методом, имея с собой отдельные элементы или солнечную батарею в сборе, можно обеспечить работоспособность сотового телефона в условиях невозможности его зарядки традиционным способом – с помощью осветительной сети 220 В или автомобильной АКБ.

Солнечная батарея состоит из отдельных элементов, соединенных последовательно-параллельно.

Элемент RS5415.5 имеет напряжение 1,2 В, ток 22 мА. Такие элементы применяются в портативных устройствах радиоэлектронной техники, для миниатюрных светильников (на светодиодах) и зарядных устройств сотовых телефонов.

Правила эксплуатации несложны.

Проследите, чтобы в течение светового дня лицевая поверхность солнечного модуля не затенялась листвой деревьев или рядом стоящими объектами.

Модуль должен быть полностью освещен. Затенение хотя бы одного или двух элементов солнечного модуля в течение светового дня существенно снизит эффективность выработки энергии.

Кратковременное затенение не влияет на работоспособность солнечного модуля и не может привести к выходу его из строя, однако пропорционально увеличивает время зарядки. Время полной зарядки аккумуляторов при солнечном свете в средних широтах существенно зависит от времени года и емкости аккумулятора.

Необходимо содержать лицевую панель солнечного модуля в чистоте. Рекомендуется протирать лицевую сторону панели увлажненной тканью раз в месяц.

Хотя модуль выполнен в герметичном исполнении, необходимо предохранять его от механических повреждений (царапанья лицевой поверхности стекла острыми и абразивными предметами), а также от попадания влаги в соединительную коробку. Не допускайте разогрев выше +85 °C, и контакта модуля с парами вредных химических веществ (кислоты, щелочи, органические растворители).

Для обеспечения максимальной выработки электроэнергии и гарантированной работы солнечного модуля, старайтесь его ориентировать лицевой поверхностью на юг, с учётом расчётного угла к горизонту (угол зависит от широты местности), используя специальное крепление солнечного модуля.

В этом случае, в среднем за одни только сутки, модуль будет вырабатывать наибольшее количество электроэнергии.

Глава 2

«Автоматические» устройства для автономного размещения

2.1. Устройство для автоматизированного полива цветов

Тем из читателей, кто выращивает цветы на своих участках или в домашних условиях, не надо рассказывать о пользе этого увлечения. Большинство людей делает это по велению души. В последнее время даже стали проводить конкурсы и выявлять победителей в соревнованиях «Чей балкон краше?».

Некоторые цветоводы имеют много свободного времени и с удовольствием наблюдают за ростками часами, другие ограничены во времени и могут посвятить любимому занятию только несколько минут в день.

Самым главным при взращивании растений и поддержании уже взрослых декоративных цветов является создание соответствующего микроклимата – поддержание и постоянный контроль влажности почвы, окружающего воздуха и солнечных ванн. И если создать благоприятный климат окружающей температуры воздуха и дозировать солнечную энергию относительно просто – установив горшок с цветком в соответствующее место в интерьере квартиры, то поддержание влажности почвы требует ежедневного и тщательного внимания. А между тем, процесс полива можно автоматизировать, собрав и включив простое в повторении электронное устройство, схемы которого представлены на рис. 2.1 и 2.2.

Рис. 2.1. Электрическая схема дозатора и контроля влажности почвы устройства автоматического полива

Рис. 2.2. Электрическая схема таймера (задержки выключения) на 1 час

Устройство состоит из трех частей, электрически взаимосвязанных между собой. Части устройства и их функциональная взаимосвязь отражены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Блок схема устройства автоматического полива растений

Контроллер влажности почвы в постоянном режиме измеряет сопротивление почвы между контактами датчика влажности R и выдает на выходе управляющий сигнал – низкий уровень напряжения, если почва засушлива и требует увлажнения.