Експериментальніджерела електроенергії
Я. Войцеховський, 1979
Описано різні методи одержання електричної енергії. Для саморобів.
Файл знаходиться в RAR-архівіСторінка завантаження архіватора WinRAR
Крім класичних хімічних джерел струму: сухих гальванічних елементів і батарей, а також різноманітних перетворювачів (машинних, вібраторних, транзисторних) - ми застосовуємо в наших дослідах пристрої, що перетворюють на електричний струм тепло, світло, радіохвилі, звук. Слід, однак, зауважити, що, незважаючи на простоту схем, такі перетворювачі енергії, як правило, важко регулювати передусім через невелику потужність і низький к.п.д. Тут таки відкривається велике поле діяльності для наполегливих експериментаторів.
6.1. Світлова енергія
Потужність сонячних променів, що падають вертикально на зовнішню частину атмосфери, дорівнює приблизно 1350 Вт/м 2 . У середніх широтах потужність поверхні Землі дорівнює 300 Вт/м 2 влітку і 80 Вт/м 2 взимку. Приблизні значення інтенсивності різних джерел освітлення (у мікроватах на квадратний метр) рівні відповідно: сонячне світло 10 6 і вище, лампа денного світла 1. 10, місячне світло - 10 -1 . 1, хороше електроосвітлення - 10 -2 , слабке світло (леді помітне) 10 -10 .
Зусилля конструкторів йдуть шляхом використання фотоелементів для прямого перетворення сонячної енергії в електричну. Фотоперетворювачі, які називаються також сонячними батареями, складаються з ряду фотоелементів, з'єднаних послідовно або паралельно. Якщо перетворювач повинен заряджати акумулятор, що живить, наприклад, радіопристрій у хмарний час, його підключають паралельно до висновків сонячної батареї (рис. 6.1, б).
Елементи, що застосовуються всонячних батареях, повинні мати великий к.п.д., вигідну спектральну характеристику, досить невеликий внутрішній опір, малу вартість, просту конструкцію і невелику масу. На жаль, лише деякі з відомих на сьогодні фотоелементів відповідають хоча б частково цим вимогам. Це насамперед деякі види напівпровідникових фотоелементів. Найпростіший з них - селеновий - має максимум спектральної характеристики хвилі довжиною 560 нм, що майже відповідає максимуму випромінювання в сонячному спектрі. На жаль, к.п.д. кращих селенових фотоелементів малий (0,1. 1%),а їх внутрішній опір досягає (1. 50)х10 3 Ом, що не дозволяє підключати їх до ланцюгів з малим вхідним опором і зводить нанівець їхню практичну цінність. Але ці елементи охоче застосовують радіоаматори, оскільки вони дешеві та доступні (вони встановлені у багатьох фотоекспонометрах).
Основою сонячних батарей є кремнієві фотоперетворювачі, що мають вигляд круглих або прямокутних пластин завтовшки 0,7. 1 мм та площею до 5. 8 см 2 . Досвід показав, що добрі результати дають невеликі елементи площею близько 1 см 2 . Фотоелемент з робочою поверхнею 1 см 2 створює струм 24 мА при напрузі 0,5 (під навантаженням 0,3 В), має к.п.д. близько 10%
Декілька прикладів практичного використання сонячних батарей показано на рис. 6.1. Вони застосовуються разом із хімічними джерелами струму живлення пристроїв на штучних супутниках Землі та його моделях (див. рис. 16.22).
Кремнієві фотоелементи поки що дуже дорогі. Однак, передбачається, що в майбутньому вони знайдуть широке застосування і в домашньому господарстві. Підраховано, що для освітлення приміщення за допомогою ламп потужністю 3 A x 110 В достатньо застосувати сонячну батарею розмірами 2 x 2 х 0,05 м, яказаряджає лужний акумулятор.
Створено також фотоелементи з напівпровідникових матеріалів, наприклад, з сульфіду кадмію CdS з теоретичним к.п.д. 18% та е.д.с. 2. 2,5 при прямому сонячному освітленні. До речі, практичний к.п.д. фотоелектричних перетворювачів (близько 10%) перевищує, зокрема, к.п.д. паровоза (8%), коефіцієнт корисного використання сонячної енергії у рослинному світі (1%), а також к.п.д. багатьох гідротехнічних та вітрових пристроїв. Фотоелектричні перетворювачі мають практично необмежену довговічність.
Наведемо для порівняння значення к.п.д. різних джерел електричної енергії (у відсотках): теплоелектроцентраль – 20.30, напівпровідниковий термоелектричний перетворювач – 6.8, селеновий фотоелемент – 0,1. 1, сонячна батарея - 6.11, паливний елемент - 70, свинцевий акумулятор 80.90, лужний акумулятор - 50.60, срібно-цинковий акумулятор 88.95.
Мал. 6.1. Сонячні батареїа - послідовне (або паралельне) 1 і змішане 2 з'єднання фотоелектричних елементів; б – схема для заряду мініатюрних акумуляторів; в - конструкція джерела живлення, змонтованого на корпусі приймача, кут освітлення батарей (у нашому випадку з чотирьох елементів) можна регулювати; г – конструкція джерела живлення; д – модель порома; е - батарея елементів, виготовлених із транзисторів.
Фотоелементи можна з'єднувати послідовно, паралельно, змішано (рис. 6.1 а). Вони можуть працювати при штучному освітленні електролампою потужністю 200. 300 Вт. При цьому слід звернути увагу на те, щоб температура фотоелемента не перевищувала +70 ° С. Мінімально допустима температура -30 ° С.
1. Селенова сонячна батарея.Можна використовувати селеновіфотоелементи будь-якого типу від фотоекспонометра чи саморобні (див. рис. 2.10). Джерело живлення такого типу забезпечує енергією приймач із 1.3 транзисторами. Він повинен складатися із 10 фотоперетворювачів, з'єднаних послідовно. Батарея дає струм 1 мА і напруга 4,5 при освітленні сонячним світлом пли електролампою великої потужності. Для живлення однотранзисторних приймачів достатньо, щоб батарея містила 4. 6 елементів і при опроміненні сонячними променями, що перпендикулярно падають на її поверхню, розвивала струм 1 мА при напрузі 2. 3 В. Та ж батарея, встановлена вдень на вікні, але не освітлена сонцем, забезпечує струм лише 1 мА при напрузі 1,5 Ст.
Можна прийняти, що одиночний селеновий фотоперетворювач площею 3 см 2 може дати (при повному освітленні) струм 1 мА при напрузі 0,5 В. Якщо потрібно живити електричний двигун або зарядити мініатюрний акумулятор, перетворювачі з'єднують паралельно. На рис. 6.1д зображена модель порома з електричним двигуном, що споживає струм 5 мА, і схема його живлення від сонячної селенової батареї. Модель зроблена з бальси [Дерево бальсу росте в Пн. Андах, деревина його в шість разів легша за деревину верби, іноді навіть легша за кору коркового дуба.] у вигляді катамарана, щоб уникнути втрат на тертя гребного валу. При такому рішенні як підшипник гребного валу достатньо використовувати кільце з дроту.
Досвідченим шляхом встановлено, що при змішаному з'єднанні селенових фотоперетворювачів (вісім послідовно з'єднаних груп, у кожній групі шість паралельно включених елементів) можна отримати струм близько 20 мА при напрузі 4 В, З'єднувати фотоперетворювачі рекомендується за допомогою пружинних затискачів (з фосфористою . 13, 7, а, б), так як паяння можезруйнувати елемент.
2. Кремнієва сонячна батарея.Виготовляється вона майже так само, як селенова батарея, тому покажемо лише спосіб розміщення батареї на корпусі пристрою (рис. 6.1, б). Чотири фотоелементи з'єднані послідовно і за повного сонячного освітлення дають струм близько 50 мА при напрузі 1,5 В. Та ж батарея може живити струмом 90. 100 мА при напрузі 0,5. 0,7 В невеликий електричний вентилятор.
3. Саморобна сонячна батарея. Практично всі напівпровідникові діоди і транзистори в скляному корпусі можуть бути фотоелектричними перетворювачами. Для цього достатньо видалити їхню непрозору оболонку. Сонячну батарею можна виготовити з несправних транзисторів, але за умови, що вони не мають короткого замикання між базою і колектором або базою і емітером. Чим більша потужність транзистора, тим кращим з нього виходить фотоелемент. У транзисторів у металевому корпусі обережно видаляють корпус або спилюють його верхню частину (див. рис. 2.10, в-д). Перед збиранням батареї слід перевірити кожен із її елементів. Для цього між висновками бази та колектора включають міліамперметр з межею вимірювання до 1 мА: "плюс" приладу підключають до колектора (або емітера), а "мінус" - до бази. При освітленні елемента сонячним плі штучним світлом мікроамперметр має показати струм 0,2. 0,3 мА. Напруга, виміряна на затискачах елемента, буде близько 0,15 В.
Для сонячної батареї підбирають елементи із близькими вольт-амперними характеристиками. Батарея складається з двох паралельно з'єднаних рядів фотоперетворювачів, у кожному ряді знаходиться 10. 12 послідовно з'єднаних елементів (рис. 6.1, е). Лицьова панель фотоприймача показана на рис. 6.1 г, елементи захищені тонким склом або оргсклом.Вимикач живлення практично не потрібен, оскільки батарея сама вимикається, коли її ховають у кишеню чи ящик письмового столу.
Сонячна батарея, зібрана на транзистори типу TG50, дає струм 0,5 мА при напрузі 1,5 В. Застосовуючи транзистори TG70, П201. 203 можна отримати струм 3 мА при напрузі 1,5 В.
Гучність приймача, який живиться від сонячної батареї, залежить не лише від інтенсивності освітлення, а й від розміру антени та якості заземлення. У квартирі заземленням може бути водопровідна труба або батарея центрального опалення, а у відкритій місцевості - металевий стрижень, що заземлює, завдовжки 0,5. 0,7 м, з'єднаний багатожильним проводом з гніздом "земля" приймача. Приймач із сонячною батареєю особливо виправдовує себе на пляжі, де яскраве сонце та вологий пісок (добре заземлення).
6.2. Теплова енергія
У термоелектричних перетворювачах використаний ефект появи струму під впливом різниці температур у ланцюгах, що складаються з різних металів або напівпровідників. Цей струм виникає у ланцюгах батареї термоелементів, де теплова енергія перетворюється на електричну. Якщо взяти, наприклад, два електричні провідники, які виготовлені з різних металів, та їх кінці спаяти, то при нагріванні одного та охолодженні іншого кінця в ланцюзі цих провідників термоелементів (називаються також термопарою) – потече електричний струм. Створена в такий спосіб е.р.с. буде залежати від різниці температур, а також від підбору матеріалів, що становлять термоелемент. Висока теплопровідність металевих термоелементів не дозволяє досягти значної різниці температур і тим більшого к.п.д. джерела. В даний час застосовують напівпровідникові термоелементи або елементи, що складаються з провідника та напівпровідника.
Термоелектричні перетворювачі (або генератори) до появи транзисторних приймачів широко використовувалися в багатьох країнах для живлення лампових акумуляторних радіоприймачів (нагрівалися вони за допомогою гасових або газових ламп). У роки війни були відомі радянські "партизанські казанки", які застосовувалися для приготування їжі, і заразом для вироблення електроенергії для харчування рацій.
Напівпровідникові термоелектричні батареї використовують у холодильних установках і навіть у домашніх холодильниках. Принцип дії таких батарей заснований на оборотності властивостей термоелементів. Всі спаї, що охолоджуються, термоелектричної батареї поміщають всередині холодильника, а нагріваються - зовні. Обидві системи спаїв мають металеві радіатори. Внутрішні радіатори поглинають тепло з холодильної камери, а зовнішні (розташовані позаду холодильника) випромінюють при підключенні такої системи до батареї постійного струму. Достоїнством таких пристроїв є рухомих частин і довговічність.
Коефіцієнт корисної дії термоелектричних батарей дорівнює 5. 6%, але передбачається, що в майбутньому досягне 8. 10%. З цього моменту настане безперечний переворот у техніці так званої малої енергетики.
При роботі з термоелементами використовують також різницю температур між поверхневим шаром ґрунту та повітря. Вона зазвичай становить 2...6°С (у деяких випадках 8...10°С). У такий спосіб отримують потужність 70. 160 Вт із квадратного метра поверхні, що в середньому складе 1000 кВт/га.
1. Термоелектрична батарея. Розглянемо конструкцію термоелектричного джерела живлення, що має, швидше, пізнавальну цінність, так як він дозволяє відчути проблеми термоелектрики. Джерело може знайти застосування для харчування простихтранзисторних радіоприймачів, моделей, невеликих вентиляторів тощо.
Спершу кілька загальних зауважень. Максимальну температуру, до якої можна нагріти термопар, визначає точка плавлення одного з елементів. Отже, пару мідь - константан можна нагріти до З50 ° С, сталь - константан - до 315. 649 ° С (залежно від діаметра дроту). Захист оголених дротів дозволяє підвищити температуру нагрівання. Пару хромель - алюмель можна нагріти до 700. 1151 ° С. Найчастіше застосовують дріт діаметром 0,25. 3,5 мм, причому товстий дріт витримує вищі температури. Для збільшення к.п.д. термопари слід максимально збільшити різницю температур між спаями (кінцями) термоелементів, тобто треба підібрати пари металів таким чином, щоб отримати максимальну термоелектрорушійну силу; слід прагнути до того, щоб відношення середньої теплопровідності матеріалів до середньої електропровідності було мінімальним.
У табл. 6.1 подано ряд металів, які можна використовувати для створення термоелементів. Для найкращих результатів слід підбирати матеріали, максимально віддалені один від одного в стовпці. Наприклад, пара сталь (нагорі) - константан (унизу) дає хороші результати, а мідь та срібло є малоактивною парою. Пара сурма - вісмут є найкращою, але практично недоступною для любителя: вона дає велику термоелектричну напругу - близько 112 мкВ / ° С. Крім того, кожен матеріал, вказаний у табл. 6.1, має негативний потенціал (-) по відношенню до всіх інших, що знаходяться вище в цьому стовпці. Наприклад, у парі сталь - константан (53 мкВ/° С) сталь матиме позитивний потенціал (+). а константан негативний (-). У термопарі хромель-алюмель, хромель буде (+), а алюмель (-).