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无线电电子与电气工程百科全书 太阳能船。 无线电电子电气工程百科全书
设计这种船时的教育意义在于熟悉光伏发电的实际发展。 阳光的间歇性决定了许多电路需要使用电池，因此我们在需要时才能获得电能，而不是在阳光照射时。 使用电池时的主要问题之一是管理充电电流：电池过度充电可能会导致其故障。 到目前为止，为了确保电池的可靠性和较长的使用寿命，需要使用充电调节器或限制太阳能电池板的输出电流。 在本章中，您将熟悉太阳能电池板的一种新操作模式，即它们的自我调节。 使用它们时，不需要电池充电电流调节器。 铅酸电池 太阳能电池的自调节模式受铅酸电池的特性影响很大，所以我觉得有必要简单熟悉一下它们的工作原理。 铅酸电池由两块浸入弱硫酸溶液中的铅板组成。 在这种情况下，发生可逆电化学反应，由此可以存储电荷。 我们只对充电过程感兴趣。 在放电过程中，酸残留物的硫酸根离子被铅板从溶液中吸收。 当充电电流通过极板时，电能将硫酸根离子“拉”回溶液中。 当电池收到约 80% 的原始电量后，电池内部的化学平衡开始发生变化。 盐中的铅逐渐还原为纯金属。 当创造良好的电解条件时，其结果类似于将两根金属棒放入水溶液中。 事实上，事情就是这样的。 电解伴随着氧气和氢气气泡的释放，即电池的所谓“沸腾”效应。 将这种效应称为气体演化更为正确。 正是放气导致铅酸电池劣化。 如果不采取措施，电池最终会失效。为了防止损坏，有必要在排气开始时降低充电电流。 充电调节器就是用于此目的。 您可以使用与电池串联的电阻来降低充电电流。 部分电能以热量的形式消耗在该电阻器中，从而导致充电电流减小。 另一种常用的方法是：保持电池电压恒定，电流强度呈现不同的值。 由于电流量取决于电池电压和充电电压之间的差异，因此可以通过改变电压来调整充电速率。 同样，在使用电压调节器的汽车电气系统中，电池保持充电状态。 不幸的是，当电池充满电时使用电压调节器需要增加充电时间。 由于白天日照时数有限，充电的时间自然就少。 您可能已经猜到理想的解决方案是将电流调节器和电压调节器组合在单个设备中。 充电以大电流开始，没有任何电压限制。 当电池达到析气阶段时，该器件会降低电流并切换到电压调节模式。 电池在最短的时间内存储最大电量，同时消除电池过度充电的可能性。 理想的充电周期如图 1 所示。 XNUMX. 自调节太阳能电池板 现在我们可以考虑硅太阳能电池的特性，如图1所示。 XNUMX（上曲线）。
如您所知，硅太阳能电池是电流发生器。 无论曲线弯曲之前的电压如何，电流始终恒定。 元件两端的电压由负载电阻决定。 随着负载电阻减小，电流将不再是决定因素。 曲线的这一部分称为“拐点”。 当负载电阻上的电压较高时，能量守恒定律和量子物理定律开始发挥作用，电流减小。 让我们密切关注这一事实，因为这就是太阳能电池自我调节的意义。 太阳能电池特性的转变点在进一步考虑中非常重要。 事实上，它将太阳能电池的两种工作模式分开。 在它上面，太阳能发电机充当电流发生器，在它下面相当于一个电压调节器。 如果将理想充电器的工作图与太阳能电池的电流-电压曲线（图 1）进行比较，您会发现两条曲线非常相似。 事实上，它们几乎是一致的。 因此，将这两个特征联系在一起是很自然的。 通过协调太阳能电池电流电压曲线的拐点与电池开始放气的时刻，可以达到自我调节的效果。 让我们回到一个典型的例子。 我们假设该过程从完全放电的铅酸电池开始。 现在让我们将其连接到自调节太阳能发电机。 当太阳能电池板发光时，电池开始充电。 在该过程开始时，电池电压较低（<10 V）。 在这种情况下，太阳能电池以电流发生器的模式工作在“膝盖”上方的区域。 换句话说，电池接收太阳能电池板可以产生的最大电流，这使得实现所需的快速充电成为可能。 随着电池中电荷的积累，电压开始逐渐增加。 请记住我们如何利用设计的这种改进 充电调节器. 我们可以再次这样做。 通过将排气电压（12,6V 电池中的起始电压为 12V）与太阳能电池 I-V 曲线的拐点电压相匹配，我们可以减少充电电流。 假设电池已达到析气阶段，我们观察到太阳能电池板退出当前的稳定模式。 现在，增加电池电量和电压将迫使太阳能电池在电压调节器模式下运行。 结果，充电电流将会减小。 电池充电越多，静态电压就越大，太阳能电池特性的工作点就越移至“膝盖”以下的区域。 电压增加后，太阳能电池的输出电流相应减少。 当电池充满电时，工作点的特性已向右移动很远，现在只有很小的馈电电流从太阳能电池流出。 它是如此之小，以至于电池可以根据需要保持在这种状态，而不必担心过度充电。 此时电池电压为13,2V。 一切都保持在这个位置，直到我们用完电池中存储的能量。 当电池释放能量时，电池两端的电压相应降低，工作点沿着电流-电压曲线向相反方向移动。 太阳能电池充电电流的强度取决于电池电压下降的程度，即与该值成比例的消耗能量。 所以我们已经达到了目标，现在我们有了一个自动调节的太阳能发电机。 温度效应 自调节太阳能电池板有一个非常意想不到的特性：它考虑了温度的影响。 我们周围的物体很少会不受温度的影响。 太阳能电池和电池也不例外。 电荷通过对温度变化高度敏感的化学反应存储在铅酸电池中。 环境温度越高，反应进行得越快。 实际上，这意味着在寒冷的天气条件下需要更高的充电电压。 对于传统的充电控制器，温度监控一直是一个问题。 不可能通过简单的手段来解决它，任何或多或少复杂的方法都会导致设计的复杂化和成本的增加。
硅太阳能电池的电流-电压特性的温度依赖性补偿了铅酸电池的温度特性。 降低温度实际上可以使太阳能发电机更有效地工作。 由于对半导体体积的影响多种多样，其中电压分量受到的影响最为强烈。 这正是电池所需要的。 随着外部温度降低，当电池需要更高的充电电压时，太阳能电池的输出电压（在同一时刻）增加。 此外，当在正常温度范围内运行时，太阳能电池和电池组特性的温度依赖性彼此非常一致（图2），因此无需采取额外措施即可在正常环境下成功联合运行这些电池。通用设备。 摩托艇 现在是我们故事中有趣的部分了。 现在就让自调节太阳能电池阵列为我们工作*吧。 本设计选择了一艘小型电动摩托艇。 这是Metzeler制造的橡胶充气船。 它的长度为2,7 m，宽度为1,2 m，船的稳定性由两个间隔开的浮筒式油缸保证，平坦的底部充当宽敞的“船舱”。
该船水速较低（9,4 公里/小时），非常适合钓鱼或在阳光明媚的日子里散步。 太阳能电池板安装在顶篷上，可保护乘客免受阳光照射（图 3）。 除了为船舶的电动机提供动力外，光伏系统还可以为收音机、照明系统或水泵提供动力。 设计 我们从一艘船开始我们的描述。 虽然有很多类型的船可供选择，但我选择充气浮桥船有两个原因。 首先，它是充气的。 这意味着它是便携式的并且可以放气以便于存储。 其次，充气船是一种坚固、稳定、可以长期使用的容器。 下面我将详细解释这艘船是如何进行太阳能转换的。 如果您比我更了解船只，并且想在不同类型的船上安装太阳能电池板，请仍然使用以下建议。 首先，安装太阳能电池板。 该设计使用 ARCO Solar, Inc. 的 M-61 太阳能电池。 自调节型。 每块功率为61 W的M-25电池在结构上采用长120厘米、宽30厘米、厚4厘米的面板形式，包含30个直径为10厘米的单晶圆形元件。电压为 14,1 V，电流为 1,75 A。 如果您想制作自己的太阳能电池板，请尽量确保您的电池具有相同的特性。 确保太阳能电池板完全防水：会有大量的水分！ 为了推动船，您将需要四个具有指定特性的太阳能电池板。 将它们排成一排放在 120x120 cm2 面板上，并将它们并联。 四节电池并联后总电流为7A，电压为14V。 太阳能电池板通过直径 4 厘米的 PVC 管道框架 (Schedule-40) 连接到甲板上。 塑料管是用于此类用途的极佳材料； 它坚固、便宜、重量轻，最重要的是，不易腐蚀。 管架按照图4所示的方案制作。 90. 使用弯头进行 XNUMX° 连接，并使用三通连接顶部框架。
需要四根柱子，每根长约 120 厘米。 两根前柱的下端通过拉杆连接，如图所示。 3、休息在前排座位正前方的船底上。 两个后立柱以同样的方式连接并固定在后座上。 用钢锯切割所需长度的塑料管并组装框架，调整零件到位。 虽然在图中。 4 是精确尺寸（以厘米为单位），仅供参考。 最后的安装是在船上完成的。 当安装在船底的适当位置时，太阳能电池阵列的支撑框架必须紧密地安装在浮桥之间。 当您确定一切都正确完成后，使用含有塑料溶剂的干净 PVC 粘合剂将部件粘合在一起。 当两个塑料部件粘合在一起时，就会形成与原始材料本身一样坚固的粘合。 四氢呋喃用作聚氯乙烯的溶剂。 使用它时，应该记住它和大多数其他溶剂一样有毒。 你需要用这种胶水快速工作；它没有时间思考。 因此，在粘合之前，请准备好并放置所有部件。 一次粘合不超过两个部件，并等到胶水完全凝固后再进行下一个连接。 然后使用螺栓将太阳能电池板连接在一起，形成一个 1,5 平方米的单元。 为此，电池的金属边缘上有特殊的孔。 电池之间必须留有小间隙，以减少结构的风阻。 垫片可用于分隔电池。 然后将太阳能电池板放置在支撑框架上，并在每侧至少四个点以及将电池拧在一起的地方用绳子或绳子系紧。 最好不要吝惜电源线，否则你的电池会在一阵强风后掉入水中。 重约13公斤的电动机被用作船舶发动机。 此类电动机由蒙哥马利沃德和西尔斯等多家公司生产。 船用发动机附在一个木轭上，可以轻松支撑小型电动机，因为该设计专为高达 4 马力的低功率而设计。 和。 （约3千瓦）。 电动机由 12 伏铅酸电池供电。 这是一个凝胶电池组，与第 14 章中描述的类似。 XNUMX型本质上，凝胶电池类似于带有液体电解质的传统铅酸电池。 然而，凝胶电池中填充的不是液体，而是来自 Jell-O 的浓稠电解质，具有果冻的稠度 使用凝胶电池代替标准船用电池是因为不会发生电解液泄漏。 即使船翻了（从未发生过），酸也不会溢出。 由于太阳能电池板是自我调节的，唯一需要做的就是将它们连接到蓄电池，然后再连接到电动机。 一切都很简单！ 此设计中太阳能自调节太阳能电池板的目的是什么？ 一方面，此类电池简化了设计并提高了可靠性。 这是主要原因。 另一方面，这让我有机会向大家展示太阳能电池板的另一个特性。 船能力 太阳能电池板工作得好吗？ 好吧，我承认：如图。 3 你看这不是我的船，它属于加里·赞斯特（Gary Zanstcher）（他坐在船上），我给他机会向他解释这艘船是否好。 以下是他的观点： “这是一艘稳定的船，易于运输和组装。这艘船通常停泊在玛丽安德尔湾。我们在周末和空闲时间使用它。 由于其特性，该船的速度可达 9,4 公里/小时。 行驶时，电机消耗 25 A 电流，因此 80 Ah 电池可持续使用约 3 小时。 然而，必须记住，同时太阳能电池会持续充电。 我一次坐船4-5个小时，从来没有遇到过缺电的情况。 当然，我只在晴天使用船。 船在两次旅行之间至少停泊一周，因此太阳能电池板有足够的时间为电池充电。 看，太阳能电池板不是面向太阳的。 这样做是不明智的，因为船不断改变其方向和运动方向。 电池水平安装，当然，大多数时候不会产生全电流。 然而，当太阳高于地平线时，它们的功能就很好。 电池仅固定在面板上，因此可以非常快速地取出。 它们非常昂贵，我不想在暴风雨中丢失它们。 确实，这艘船能够承受时速高达 56 公里/小时的风，没有出现任何问题。 总的来说，我必须说一艘装有太阳能电池的船是一件非常有趣的事情。” 作者：拜尔斯 T.
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▪ 超冷芯片
文章评论： 谢尔盖 总电流为 7A .... 电动机的测量结果显示，第一档时为 9A，第二档时为 1A。 增加一个高达 14X2 的面积（两节电池 1500X1400A 1500W = 700,7A，140W，效率 14%，重量 280kg），即使在阴天也能以大约 14-4 km.h 的速度移动。 还有，把沉重的结构放在轻便的充气车顶上有什么意义，如果充电可以忽略不计，2,5A的电流在3小时内耗尽电池。相反，建议将整个太阳能结构留在停车场！ 容器的大小不符合安全性 - DH 太高，单晶。 面板易碎，需要加固框架，即重量约为 25 公斤。
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