Солнечная электроэнергетика для автономного электроснабжения малой мощности

© Валерий Дудышев, д.т.н., академик
Россия. Самара
Контакт с автором:
Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script  
http://www.energy21.ru 
моб. 8 927 726 23 83

В статье обсуждаются  простые конструкции маломощных автономных источников дармовой  электроэнергии  с преобразованием солнечной лучистой энергии в электроэнергию посредством фотоэлектрическпх матриц различных типов и с использованием  концентраторов светового потока.

Введение

Проблема создания  дешевых малогабаритных и эффективных автономных источников электроэнергии для подзарядки мобильных телефонов и ноутбуков и карманных ПК очень остра во всем мире. Особенно при небольшом удалении от электросети. Есть простой, дешевый и элегантный способ решения данной проблемы - эффективно использовать  явление фотоэффекта, применив стандартные фотоэлементы с концентратором солнечного света

 
Фото 1

Краткий обзор и анализ мобильных телефонов с встроенными фотобатареями

Разработки по созданию мобильных телефонов с встроенными фотоэлектрическими батареями, активно проводят многие мировые фирмы. И даже кое что уже внедрено и серийно выпускается для них (фото1). Одна из самых распространенных марок фотобатарей — Acme Power (Гонконг). Простейшая модель (от $35) совместима с телефонами Nokia, Siemens, Samsung, Sony Ericsson, Motorola и всеми приборами с разъемом miniUSB. На солнечном свету аккумулятор самой Acme Power полностью заряжается за 10-12 часов, мобильник до готовности зреет 2-3 часа в зависимости от модели. Другая новинка в сфере мобильных телефонов получила название Solar Guru и комплектуется обычным аккумулятором, а также солнечной батареей, расположенной на задней панели.

По информации изготовителей,если продержать этот телефон под лучами солнца в течение часа, ее часовой зарядки хватит на 5-10 минут разговора. Основным источником питания телефона служит литий-ионный аккумулятор емкостью 800 миллиампер\час. Однако, как видно из приведенных  технических показателей упомянутых солнечных батарей, пока вырабатываемая электрическая мощность от них, и как следствие скорость зарядки аккумулятора мобильника от такой фотоэлектрической батареи пока крайне мала, потому что мала  ее площадь и крайне низкий кпд. Так есть ли более эффективные методы решения данной проблемы?

Да – есть, если совместить солнечные батареи с концентратором солнечного излучения, причем вполне логично  в качестве фотоэлементов использовать дешевые и компактные фотоэлементы (например светодиоды) в нужном количестве и сверху них  разместить концентратор солнечного излучения. Рассмотрим данную конструкцию оригинального автономного фотоэлектрического источника электроэнергии малой мощности, достаточной для эффективной подзарядки мобильников.

Принцип работы фотоэлектронного источника электроэнергии

Фотоэлементы широко применяются  даже в калькуляторах, но пока дешевых и простых источников электроэнергии такого типа практически невозможно найти в магазинах, столь нужных для подзарядки мобильных телефонов и это огорчает – ведь на природе нет розетки электропитания, а бесперебойная и четкая связь нужна всем и везде.

Давайте подумаем вместе, как просто сделать такой источник для всех.Как известно, светодиоды и микросхемы от транзисторов могут работать и в обратимом режиме как обычные фотоэлементы. В этом режиме при освещении светодиодов солнечным излучением - они начинают вырабатывать электроэнергию. Причем электроэнергии они выработают тем больше, чем больше светодиодов соединено последовательно-параллельно в матрице и чем сильнее концентрированное солнечное излучение. Концентрацию солнечного излучения на светодиодной матрице осуществляем  фокусирующей линзой.

Требуемую мощность электроэнергии на выходе получаем путем  конструктивного совмещения  матрицы со светодиодами  и линзы-концентратора световой энергии. По нашим данным требуемая мощность для зарядки мобильных примерно составляет 3-5 ватт, при  напряжении 3-5 вольт, для ноутбуков примерно 20 вольт при токе 3.5 ампера, что составляет 65 ватт. Естественно размеры данного автономного источника и его пластины из обычных фотоэлементов или светодиодной матрицы в зависимости от сферы применения будут различны.

Рис.1

Автономный источник электроэнергии на основе фотоэффекта
1 - блок преобразования световой энергии в электроэнергию
2 - светодиодная матрица или пластина из фотоэлементов
3 – механический концентратор света
4 – фокусирующая линза
5 – концентратор световой энергии
6 – преобразователь напряжения с управляющей схемой
7 – заряжаемое устройство (мобильный, ноутбук и пр)

Описание конструкции

Устройство содержит фотоэлектрический преобразователь , например,светодиодною матрицу 2, вставленную в общий корпус 1 вместе с фокусирующей линзой 4, концентраторами света 3, 5. Устройство дополнено малогабаритным преобразователем напряжения 6, который выполняет роль согласующего устройства и стабилизатора напряжения. В состав преобразователя 6 также входит накопитель электроэнергии – супераккумулятор-ионистор.

Предлагаемый  автономный источник электроэнергии 1 работает на основе явления фотоэффекта, обладает высокой эффективностью и может найти широкое применение на практике. Примеры технических решений по новым конструкциям фотоэлектрических источников электроэнергии с концентратором солнечного излучения

Рис.2 Фотоэлектрический источник электроэнергии со световым концентратором  светового излучения – вид спереди

Рис.3 Фотоэлектрический источник электроэнергии со световым концентратором  светового излучения – вид спереди

Рис. 4   Матрица из светодиодов

Как сделать такой  фотоэлектриеский источник электроэнергии для подзарядки  мобильника самому?

Самый доступный вариант для самодельщиков – это по видимому сделать солнечную батарею для зарядки мобильников из серийного фотоэлектрического садового фонаря. Выпускается он в виде факела или камушка. Света от него конечно никакого, скорее он нужен для определения границ садовых дорожек. Но стоит он недорого - от 400 рублей.     В него входит фотоэлемент на 3 вольта, 2 аккумулятора АА, светодиод и блок автоматики, который включает светодиод при наступлении темноты. Если все это покупать в рознице раздельно, то только один аккумулятор отдельно и тот стоит дороже!!!

Конструкция  полностью автономного источника электроэнергии на основе типовых фотоэлектрических элементов

Идея такого устройства состоит в том, что вначале создаем мощный источник света от светодиодной матрицы и потом подаем его через фокусирующую линзу на фотоэлемент, например, на микросхему мощного транзистора, которая и вырабатывает электрическую энергию. Причем с учетом явления фотоэлектронного умножения и фокусирования света на фжэтоэлементе, выработанной электроэнергии от него при определенных условиях  будет больше, чем затраченной электроэнергии на создание светового потока. Значит, часть электроэнергии можно пустить на работу светодиодной матрицы, а остаток потребляем полезной электрической нагрузкой.  Таким образом, нами предложен «вечный» фотоэлектрический источник энергии.

Описание конструкции «вечного» фотоэлектрического источника электроэнергии

Данное устройство показано упрощенно на рис.2. В качестве фотоэлемента в нем  использована микросхема 5 силового транзистора, в качестве малозатратного источника света использованы в пальчиковые (игольчатые) светодиоды 2, в качестве концентратора светового потока использован направляющий конус 4 и фокусирующая линза 3. Первичным источником электроэнергии 10 являются обычные пальчиковые батареи, с регулятором напряжения (не показан).

Выходная электроэнергия, поступающая с микросхемного фотоэлемента 5, преобразуется блоком 11 в требуемые параметры вторичной электроэнергии. Устройство 1 может быть дополнено накопительным электрическим конденсатором значительной емкости (суперконденсатором-ионистором).

Выводы

1. Предложен и разработан простой автономный источник электроэнергии на основе светодиодной матрицы и концентратора светового потока. По различным конструкциям
2. Предложен «вечный» фотоэлектрический источник электроэнергии на основе явления фотоэффекта.
3. Использование ионистора в качестве сверхемкого и компактного накопителя электроэнергии позволяет использовать данный фото- электрический источник электроэнергии независимо от наличия солнечного освещения, причем , в любое время суток, и днем и ночью

Литература

1. Фотоэффект в Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотоэффект
2. Светодиоды в Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод
3. Солнечные ватты –сайт про источники электроэнергии на солнечных   батареях http://www.marketelectro.ru/articles/perspectives/article_0227.html