Barco movido a energia solar. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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O aspecto cognitivo no projeto de tal barco é conhecer o desenvolvimento prático da energia fotovoltaica. A natureza intermitente da luz solar dita a necessidade de muitos circuitos usarem uma bateria e, assim, temos energia elétrica quando precisamos dela, e não quando o sol está brilhando. Um dos principais problemas ao usar baterias é o gerenciamento da corrente de carga: sobrecarregar a bateria pode levar à falha da bateria.

Até agora, para garantir a confiabilidade e longa vida útil da bateria, um regulador de carga era usado ou a corrente de saída do painel solar era limitada. Neste capítulo ficará a conhecer um novo modo de funcionamento dos painéis solares, nomeadamente a sua autorregulação. Ao usá-los, não são necessários reguladores da corrente de carga das baterias.

Baterias de chumbo-ácido

O modo autorregulado de uma bateria solar é muito influenciado pelas características de uma bateria de chumbo-ácido, por isso me parece necessário familiarizar-se brevemente com seu princípio de operação.

Uma bateria de chumbo-ácido consiste em duas placas de chumbo imersas em uma solução fraca de ácido sulfúrico. Nesse caso, ocorre uma reação eletroquímica reversível, como resultado da qual uma carga elétrica pode ser armazenada. Estaremos interessados ​​apenas no processo de carregamento.

Durante a descarga, os íons sulfato do resíduo ácido são absorvidos da solução pelas placas de chumbo. Quando uma corrente de carga passa pelas placas, a energia elétrica "puxa" os íons sulfato de volta à solução. Depois que a bateria recebe cerca de 80% de sua carga original, o equilíbrio químico dentro da célula começa a mudar. O chumbo do sal é gradualmente reduzido a um metal puro.

O resultado é semelhante à colocação de duas hastes metálicas em solução aquosa, quando são criadas condições excelentes para a eletrólise. Na verdade, é isso que acontece. A eletrólise é acompanhada pela liberação de bolhas de oxigênio e hidrogênio, ou seja, o chamado efeito de "ebulição" da célula da bateria. É mais correto chamar esse efeito de evolução do gás.

É a desgaseificação que leva à deterioração da bateria de chumbo-ácido. Se nenhuma ação for tomada, a célula acabará falhando.Para evitar danos, é necessário reduzir a corrente de carga logo no início da desgaseificação. Os reguladores de carga servem a esse propósito.

Você pode reduzir a corrente de carga usando um resistor conectado em série com a bateria. Parte da energia elétrica é dissipada neste resistor na forma de calor, o que leva a uma diminuição da corrente de carga.

Outro método frequentemente usado: uma tensão constante é mantida na bateria e a intensidade da corrente assume valores diferentes. Como o valor da corrente depende da diferença entre a tensão da bateria e a tensão de carga, é possível controlar a taxa de carga alterando a tensão. Da mesma forma, no sistema elétrico de um carro que utiliza um regulador de tensão, a bateria é mantida carregada.

Infelizmente, o uso de um regulador de tensão quando a bateria está totalmente carregada requer um aumento no tempo de carga. Com um número limitado de horas de sol durante o dia, há naturalmente pouco tempo para carregar.

Você provavelmente já adivinhou que a solução ideal é combinar um regulador de corrente e um regulador de tensão em um único dispositivo. A carga começa com uma grande corrente sem qualquer limitação de tensão. Quando a bateria atinge o estágio de gaseificação, o dispositivo reduz a corrente e muda para o modo de regulação de tensão.

A bateria armazena a quantidade máxima de carga no menor tempo, eliminando a possibilidade de sobrecarga da bateria. Graficamente, o ciclo de carga ideal é mostrado na Fig. 1.

Painel solar auto-regulável

Agora podemos considerar as características de uma célula solar de silício, mostrada na Fig. 1 (curva superior).

Figura.1

Como você sabe, uma célula solar de silício é um gerador de corrente. Independentemente da tensão antes da curvatura da curva, a corrente é sempre constante. A tensão através do elemento é determinada pela resistência de carga.

À medida que a resistência da carga diminui, chega um ponto em que a corrente não é mais o fator determinante. Esta parte da curva é chamada de "joelho". Em altas tensões na resistência de carga, as leis de conservação de energia e a física quântica entram em ação e a corrente diminui. Prestemos muita atenção a este fato, pois é o significado de auto-regulação da bateria solar.

Este ponto de transição na característica da célula solar é muito importante na seguinte consideração. Na verdade, separa os dois modos de operação da bateria solar. Acima dela, o gerador solar atua como gerador de corrente e, abaixo dela, equivale a um regulador de tensão.

Se compararmos o gráfico de um carregador ideal com a curva corrente-tensão de uma célula solar (Fig. 1), veremos que as duas curvas são muito semelhantes. Na verdade, eles são quase congruentes.

Portanto, é bastante natural vincular ambas as características. Ao coordenar o ponto de inflexão da curva de corrente-tensão da bateria solar com o momento em que a bateria começa a desgaseificar, é possível obter o efeito de auto-regulação.

Vamos voltar a um exemplo típico. Vamos supor que o processo comece com uma bateria de chumbo-ácido completamente descarregada. Agora vamos conectá-lo a um gerador solar auto-regulável.

Quando o painel solar está iluminado, a bateria começa a carregar. No início do processo, a tensão da bateria é baixa (<10 V). Neste caso, a bateria solar opera na área acima do "joelho" no modo gerador de corrente. Ou seja, a bateria recebe a corrente máxima que o painel solar pode produzir, o que permite obter a carga rápida necessária.

À medida que a carga se acumula nas células da bateria, a tensão começa a aumentar gradualmente. Lembre-se de como aproveitamos esse aumento no design regulador de carga. Podemos fazer o mesmo novamente.

Se igualarmos a tensão de gaseificação, que começa em 12,6 V em uma bateria de 12 V, com a tensão de joelho da curva V/A da célula solar, podemos obter uma redução na corrente de carga.

Supondo que a bateria tenha atingido o estágio de gaseificação, observamos que o painel solar sai do modo de estabilização atual. Agora, aumentar a carga da bateria e a tensão nela forçará o painel solar a funcionar no modo regulador de tensão. Como resultado, a corrente de carga diminuirá.

Quanto maior a carga da bateria, maior se torna a tensão estática e mais o ponto de operação na característica da célula solar se move para a área abaixo do "joelho". Um aumento na tensão é seguido por uma diminuição correspondente na corrente de saída do painel solar.

No momento em que as baterias estão totalmente carregadas, o ponto de operação mudou tanto para a direita na característica que agora apenas uma pequena corrente de alimentação flui da bateria solar. É tão pequeno que a bateria pode permanecer nesse estado pelo tempo que desejar, sem medo de sobrecarga. Neste ponto, a tensão da bateria é de 13,2 V.

Nesta posição, tudo permanece até esgotarmos a energia armazenada na bateria. À medida que as células liberam energia, a tensão na bateria diminui proporcionalmente e o ponto de operação muda na direção oposta ao longo da curva volt-ampère. A força da corrente de carga da bateria solar dependerá de quanto diminuiu a tensão da bateria, ou seja, da quantidade de energia consumida proporcional a esse valor.

Assim atingimos o objetivo, agora temos um gerador solar autorregulável.

Efeito de temperatura

Um painel solar auto-regulável tem uma propriedade muito inesperada: leva em consideração a influência da temperatura. Poucos dos objetos ao nosso redor não são afetados pela temperatura. Células solares e baterias não são exceção. A carga elétrica é armazenada em uma bateria de chumbo-ácido por meio de uma reação química altamente sensível a mudanças de temperatura. Quanto maior a temperatura ambiente, mais rápido a reação prossegue. Na prática, isso significa que em condições climáticas mais frias é necessária uma tensão de carga mais alta.

Com os controladores de carga convencionais, o monitoramento da temperatura sempre foi um problema. Não é possível resolvê-lo por meios simples, e qualquer método mais ou menos complexo levará a uma complicação e aumentará o custo do projeto.

Figura.2

A dependência da temperatura da característica corrente-tensão de uma célula solar de silício compensa as propriedades de temperatura de uma célula de bateria de chumbo-ácido. Abaixar a temperatura realmente faz com que o gerador solar funcione com mais eficiência.

Devido a várias influências no volume do semicondutor, o componente de tensão é mais fortemente afetado. Isso é exatamente o que é necessário para a bateria. Quando a temperatura externa cai, a tensão de saída das células solares aumenta (precisamente no momento em que a bateria precisa de mais tensão de carga). Além disso, ao operar na faixa de temperatura usual, as dependências de temperatura das características das baterias solares e de armazenamento são tão consistentes umas com as outras (Fig. 2) que nenhuma medida adicional é necessária para a operação conjunta bem-sucedida dessas baterias em um dispositivo comum .

Barco a motor

É hora da parte divertida da nossa história. Deixe o painel solar auto-regulável trabalhar* para nós agora. Para este projeto, foi escolhido um pequeno barco a motor elétrico.

É um barco inflável de borracha fabricado pela Metzeler. Seu comprimento é de 2,7 e sua largura é de 1,2 M. A estabilidade do barco é garantida por dois cilindros tipo pontão espaçados, e o fundo plano serve como uma espaçosa "cabine".

Figura.3

Com uma velocidade de água baixa (9,4 km/h), este barco é perfeito para pescar ou apenas para um agradável passeio num dia de sol. Os painéis solares são instalados em um dossel que protege os passageiros dos raios solares (Fig. 3). Além de alimentar o motor elétrico de um barco, um sistema fotovoltaico também pode alimentar um rádio, sistema de iluminação ou bomba d'água.

projeto

Começamos nossa descrição com um barco. Embora existam muitos tipos de barcos para escolher, escolhi o pontão inflável por dois motivos.

Primeiro, é inflável. Isso significa que é portátil e desinflado para fácil armazenamento. Em segundo lugar, um barco inflável é uma embarcação sólida e estável que pode ser usada por muito tempo. A seguir, explicarei detalhadamente como foi realizada a conversão da energia solar neste barco em particular.

Se você sabe mais sobre barcos do que eu e deseja montar um painel solar em um tipo diferente de barco, use as seguintes recomendações.

Os painéis solares são instalados primeiro. Neste projeto, foram usados ​​painéis solares M-61 da ARCO Solar, Inc. tipo autorregulado.

Cada bateria M-61 com potência de 25 W é feita estruturalmente na forma de um painel de 120 cm de comprimento, 30 cm de largura e 4 cm de espessura, contendo 30 células redondas de cristal único com diâmetro de 10 cm. para uma tensão de 14,1 V e uma corrente de 1,75 A.

Se você mesmo quiser fazer um painel solar, tente garantir que sua bateria tenha as mesmas características. Certifique-se de que os painéis solares são absolutamente à prova d'água: haverá muita umidade!

Para a movimentação do barco serão necessários quatro painéis solares com as características especificadas. Disponha-os em fila sobre um painel de 120x120 cm2 e ligue-os em paralelo. A corrente total de quatro baterias conectadas em paralelo é de 7 A e a tensão é de 14 V.

O painel solar é preso ao deck com uma estrutura de tubo de encanamento de PVC de 4 cm de diâmetro (Anexo-40). A tubulação de plástico é um excelente material para tais propósitos; é resistente, barato, leve e, o mais importante, não sofre corrosão.

A estrutura do tubo é feita de acordo com o esquema mostrado na fig. 4. As conexões de 90° são feitas com cotovelos e a estrutura superior é fixada com tês.

Figura.4

Quatro postes são necessários, cada um com cerca de 120 cm de comprimento. As extremidades inferiores dos dois pilares frontais são conectadas por um acoplador, que, como pode ser visto na Fig. 3, apoiado no fundo do barco diretamente na frente do banco da frente. Os dois pilares traseiros são conectados da mesma forma e fixados no banco traseiro.

Corte com uma serra pedaços de tubos de plástico do comprimento necessário e monte a moldura, ajustando as peças no lugar. Embora na fig. 4 são dimensões exatas (em cm) e devem ser usadas apenas como guia. O ajuste final é feito no próprio barco. A estrutura de suporte do painel solar deve se encaixar perfeitamente entre os pontões quando instalado no fundo do barco.

Quando tiver certeza de que tudo foi feito corretamente, cole as peças com um adesivo de PVC limpo contendo solvente de plástico. Quando duas peças de plástico são coladas, forma-se uma ligação tão forte quanto o próprio material original. Tetrahidrofurano é usado como solvente para PVC. Ao trabalhar com ele, deve-se lembrar que é venenoso, como, aliás, a maioria dos outros solventes.

É preciso trabalhar com essa cola rapidamente, não deixa tempo para reflexão. Portanto, antes de colar, prepare e coloque todos os detalhes. Não cole mais do que duas partes de uma vez e espere a cola endurecer completamente antes de prosseguir para a próxima conexão.

Em seguida, aparafuse os painéis solares em uma única unidade de 1,5 m2. Para isso, existem orifícios especiais nas bordas metálicas das baterias.

Um pequeno espaço deve ser deixado entre as baterias para reduzir o vento da estrutura. Espaçadores podem ser usados ​​para separar as baterias.

O painel solar é então colocado em uma estrutura de suporte e amarrado com barbante ou corda em pelo menos quatro pontos de cada lado e onde as baterias são aparafusadas. Melhor não economizar no cabo, senão sua bateria cairá na água após uma forte rajada de vento.

Um motor elétrico pesando cerca de 13 kg é usado como motor de barco. Motores elétricos semelhantes são fabricados por várias empresas, como Montgomery Ward e Sears.

O motor do barco é fornecido acoplado a uma forquilha de madeira que suportará facilmente um pequeno motor elétrico, pois o projeto é projetado para baixa potência de até 4 hp. Com. (cerca de 3 kW).

O motor elétrico é alimentado por uma bateria de chumbo-ácido de 12 volts. Esta é uma bateria de células de gel, semelhante à descrita no Cap. 14 tipo. Essencialmente, uma célula de gel é semelhante a uma célula de chumbo-ácido convencional com um eletrólito líquido. No entanto, não é um líquido, mas um eletrólito espesso de gelatina, que tem a consistência de geleia, é derramado na célula de gel.

O uso de uma bateria de gel em vez de uma bateria marítima padrão se deve à falta de vazamento de eletrólito. Mesmo que o barco vire (o que nunca aconteceu), o ácido não derramará.

Como os painéis solares são auto-reguláveis, a única coisa necessária é conectá-los a uma bateria de armazenamento, que por sua vez a um motor elétrico. Tudo é muito simples!

Qual é o propósito dos painéis solares auto-reguláveis ​​neste projeto? Por um lado, essas baterias simplificam o design e aumentam a confiabilidade. Este é o principal motivo. Por outro lado, isso me deu a oportunidade de demonstrar a vocês mais uma propriedade dos painéis solares.

Capacidades do barco

Os painéis solares funcionam bem? Bem, confesso: na Fig. 3 você vê não é meu barco, pertence a Gary Zanstecher (sentado nele), a quem deixo a oportunidade de explicar se é bom. Aqui está a opinião dele:

"Este é um barco estável, fácil de transportar e montar. O barco geralmente fica atracado em Marina del Rey. Usamos nos finais de semana e nas horas vagas.

Devido às suas características, o barco desenvolve uma velocidade de 9,4 km/h. Ao dirigir, o motor consome 25 A, portanto, uma bateria com capacidade de 80 Ah é suficiente para aproximadamente 3 horas de operação. No entanto, deve-se lembrar que, ao mesmo tempo, há uma recarga contínua da bateria solar.

Estou navegando de 4 a 5 horas seguidas e nunca senti falta de eletricidade. Claro, só usei o barco em dias ensolarados.

O barco fica atracado por pelo menos uma semana entre as viagens, para que os painéis solares tenham tempo suficiente para carregar as baterias.

Veja, os painéis solares não são orientados para o sol. Não é sensato fazer isso, pois o barco muda constantemente de orientação e direção de movimento. As baterias são montadas horizontalmente e, claro, não geram corrente total na maioria das vezes. No entanto, quando o sol está alto acima do horizonte, eles funcionam muito bem.

As baterias são fixadas apenas no painel, portanto podem ser removidas muito rapidamente. Eles são muito caros e não quero perdê-los em uma tempestade. É verdade que o barco resistiu sem problemas aos efeitos do vento soprando em velocidades de até 56 km / h.

Em geral, devo dizer que um barco com bateria solar é uma coisa muito engraçada."

Autor: Byers T.

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