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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Barco con energía solar. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía El aspecto educativo a la hora de diseñar un barco de este tipo consiste en familiarizarse con el desarrollo práctico de la energía fotovoltaica. La naturaleza intermitente de la iluminación solar requiere el uso de una batería en muchos circuitos, de modo que tengamos energía eléctrica cuando la necesitemos y no cuando brille el sol. Uno de los principales problemas a la hora de utilizar baterías es la gestión de la corriente de carga: una sobrecarga de la batería puede provocar su fallo. Hasta ahora, para garantizar la fiabilidad y una larga vida útil de la batería, se utilizaba un regulador de carga o se limitaba la corriente de salida del panel solar. En este capítulo conocerá un nuevo modo de funcionamiento de los paneles solares, es decir, su autorregulación. Al usarlos, no se requieren reguladores de corriente de carga de batería. Baterías de plomo ácido El modo de autorregulación de una batería solar está muy influenciado por las características de una batería de plomo-ácido, por lo que me parece que es necesario familiarizarse brevemente con su principio de funcionamiento. Una celda de batería de plomo-ácido consta de dos placas de plomo sumergidas en una solución débil de ácido sulfúrico. En este caso se produce una reacción electroquímica reversible, como resultado de la cual se puede almacenar una carga eléctrica. Sólo nos interesará el proceso de carga. Durante la descarga, los iones sulfato del residuo ácido son absorbidos de la solución por las placas de plomo. Cuando una corriente de carga pasa a través de las placas, la energía eléctrica "jala" los iones de sulfato nuevamente a la solución. Una vez que la batería ha recibido aproximadamente el 80% de su carga original, el equilibrio químico dentro de la celda comienza a cambiar. El plomo de la sal se reduce gradualmente a metal puro. El resultado es similar a colocar dos varillas de metal en una solución acuosa, creando excelentes condiciones para la electrólisis. De hecho, esto es lo que sucede. La electrólisis va acompañada de la liberación de burbujas de oxígeno e hidrógeno, es decir, el llamado efecto de "ebullición" de la celda de la batería. Es más correcto llamar a este efecto evolución de gas. Es la liberación de gas lo que causa daños a una batería de plomo-ácido. Si no se toman medidas, la celda eventualmente fallará y, para evitar daños, es necesario reducir la corriente de carga al comienzo de la desgasificación. Los reguladores de carga sirven para este propósito. Puede reducir la corriente de carga utilizando una resistencia conectada en serie con la batería. Parte de la energía eléctrica se disipa en esta resistencia en forma de calor, lo que provoca una disminución de la corriente de carga. Otro método muy utilizado: la batería se mantiene a un voltaje constante y la corriente adquiere diferentes valores. Dado que la cantidad de corriente depende de la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje de carga, puedes regular la velocidad de carga cambiando el voltaje. De manera similar, en el sistema eléctrico de un automóvil, que utiliza un regulador de voltaje, la batería se mantiene cargada. Desafortunadamente, usar un regulador de voltaje cuando la batería está completamente cargada requiere un aumento en el tiempo de carga. Con un número limitado de horas de sol durante el día, naturalmente hay poco tiempo para cargar. Probablemente ya habrás adivinado que la solución ideal es combinar un regulador de corriente y un regulador de voltaje en un solo dispositivo. La carga comienza con una corriente alta sin ninguna limitación de voltaje. Cuando la batería alcanza la etapa de gasificación, el dispositivo reduce la corriente y cambia al modo de regulación de voltaje. La batería almacena la máxima cantidad de carga en el menor tiempo posible, eliminando al mismo tiempo la posibilidad de sobrecargar la batería. Gráficamente, el ciclo de carga ideal se muestra en la Fig. 1. Panel solar autorregulable Ahora podemos considerar las características de una célula solar de silicio, como se muestra en la Fig. 1 (curva superior).
Como es sabido, una célula solar de silicio es un generador de corriente. Independientemente del valor del voltaje, la corriente siempre es constante antes de que la curva se doble. El voltaje a través del elemento está determinado por la resistencia de carga. A medida que la resistencia de la carga disminuye, llega un punto en el que la corriente ya no es un factor determinante. Esta parte de la curva se llama "rodilla". A valores de alto voltaje a través de la resistencia de carga, entran en juego las leyes de conservación de la energía y la física cuántica, y la corriente disminuye. Prestemos mucha atención a este hecho, ya que este es el significado de la autorregulación de la batería solar. Este punto de transición en las características de una célula solar es muy importante a la hora de considerarlo más a fondo. De hecho, separa los dos modos de funcionamiento de la célula solar. Por encima de él, el generador solar actúa como generador de corriente, y por debajo equivale a un regulador de tensión. Si comparas el gráfico de funcionamiento de un cargador ideal con la curva corriente-voltaje de una célula solar (Fig. 1), notarás que las dos curvas son muy similares. De hecho, son casi congruentes. Por tanto, es bastante natural vincular ambas características. Al hacer coincidir el punto de inflexión de la curva corriente-voltaje de la batería solar con el momento en que la batería comienza a emitir gas, se puede lograr un efecto de autorregulación. Volvamos a un ejemplo típico. Supongamos que el proceso comienza con una batería de plomo-ácido completamente descargada. Conectémoslo ahora a un generador solar autorregulable. Cuando el panel solar se ilumina, la batería comienza a cargarse. Al inicio del proceso, el voltaje de la batería es bajo (<10 V). En este caso, la batería solar funciona en la zona por encima de la “rodilla” en modo de generador de corriente. Es decir, la batería recibe la máxima corriente que el panel solar puede producir, lo que permite conseguir la carga rápida requerida. A medida que la carga se acumula en las celdas de la batería, el voltaje comienza a aumentar gradualmente. Recuerda cómo aprovechamos este aumento en el diseño. regulador de carga. Podemos hacer lo mismo otra vez. Al hacer coincidir el voltaje de desgasificación, que comienza en 12,6 V en una batería de 12 V, con el voltaje de rodilla de la curva I-V de la célula solar, podemos obtener una reducción en la corriente de carga. Suponiendo que la batería ha alcanzado la etapa de gasificación, observamos que la célula solar está saliendo del modo de estabilización actual. Ahora, aumentar la carga y el voltaje de la batería obligará a la batería solar a funcionar en modo regulador de voltaje. Como resultado, la corriente de carga disminuirá. Cuanta más carga tenga la batería, mayor será el voltaje estático y más se moverá el punto de funcionamiento de la característica de la batería solar hacia el área debajo de la “rodilla”. Un aumento de voltaje va seguido de una disminución correspondiente en la corriente de salida de la célula solar. Cuando las celdas de la batería están completamente cargadas, el punto de funcionamiento se ha desplazado tanto hacia la derecha en la característica que ahora sólo fluye una pequeña corriente de alimentación de la batería solar. Es tan pequeño que la batería puede permanecer en este estado todo el tiempo que se desee sin miedo a sobrecargarse. En este punto, el voltaje de la batería es de 13,2 V. Todo permanece en esta posición hasta que agotamos la energía almacenada en la batería. Cuando las celdas liberan energía, el voltaje a través de la batería disminuye en consecuencia y el punto de operación se desplaza a lo largo de la curva corriente-voltaje en la dirección opuesta. La intensidad de la corriente de carga de la batería solar dependerá de cuánto haya disminuido el voltaje de la batería, es decir, de la cantidad de energía consumida proporcional a este valor. Así hemos conseguido nuestro objetivo, ahora tenemos un generador solar autorregulable. efecto de la temperatura Una batería solar autorregulable tiene una propiedad muy inesperada: tiene en cuenta la influencia de la temperatura. Son pocos los objetos que nos rodean que no se vean afectados por la temperatura. Las células solares y las baterías no son una excepción. La carga eléctrica se mantiene en una batería de plomo-ácido mediante una reacción química que es muy sensible a los cambios de temperatura. Cuanto mayor es la temperatura ambiente, más rápida se produce la reacción. En la práctica, esto significa que en condiciones climáticas más frías se requiere una tensión de carga más alta. El control de la temperatura siempre ha sido un problema con los reguladores de carga convencionales. No es posible solucionarlo por medios sencillos, y cualquier método más o menos complejo conducirá a diseños más complicados y caros.
La dependencia de la temperatura de la característica corriente-tensión de una célula solar de silicio compensa las propiedades de temperatura de una célula de batería de plomo-ácido. De hecho, las temperaturas más bajas hacen que el generador solar funcione de manera más eficiente. Debido a las diversas influencias sobre el volumen del semiconductor, el componente de tensión es el que se ve más afectado. Esto es exactamente lo que se requiere para una batería. A medida que la temperatura exterior disminuye, el voltaje de salida de las células solares aumenta (en el momento exacto) en que la batería requiere más voltaje de carga. Además, cuando se opera en un rango de temperatura normal, las dependencias de la temperatura de las características de las baterías solares y de baterías concuerdan tan bien entre sí (Fig. 2) que no se requieren medidas adicionales para el funcionamiento conjunto exitoso de estas baterías en un dispositivo común. Lancha fuera borda Es hora de la parte entretenida de nuestra historia. Ahora dejemos que la batería solar autorreguladora trabaje* por nosotros. Para este diseño se eligió una pequeña embarcación a motor con propulsión eléctrica. Es una embarcación neumática de goma fabricada por Metzeler. Su longitud es de 2,7 my su ancho es de 1,2 m. La estabilidad del barco está garantizada por dos cilindros tipo pontón espaciados entre sí, y el fondo plano sirve como una espaciosa "cabina".
Con una velocidad baja en el agua de 9,4 km/h, este barco es perfecto para pescar o simplemente para dar un agradable paseo en un día soleado. Los paneles solares están instalados sobre una marquesina que protege a los pasajeros de los rayos del sol (Fig. 3). Además de alimentar el motor eléctrico de un barco, un sistema fotovoltaico también puede alimentar una radio, un sistema de iluminación o una bomba de agua. diseño Comenzamos nuestra descripción con el barco. Aunque hay muchos tipos de embarcaciones para elegir, mi preferencia fue por un pontón inflable por dos razones. Primero que nada, es inflable. Esto significa que es portátil y, una vez desinflado, fácil de guardar. En segundo lugar, un bote inflable es una embarcación estable y de buena calidad que puede usarse durante mucho tiempo. A continuación explicaré en detalle cómo se logró la conversión de energía solar en este barco en particular. Si sabe más sobre barcos que yo y desea instalar un panel solar en un tipo diferente de barco, utilice las siguientes pautas. Primero, se instalan paneles solares. Este diseño utilizó células solares M-61 de ARCO Solar, Inc. tipo autorregulable. Cada batería M-61 con una potencia de 25 W está construida estructuralmente en forma de un panel de 120 cm de largo, 30 cm de ancho y 4 cm de espesor, que contiene 30 elementos redondos monocristalinos con un diámetro de 10 cm. voltaje de 14,1 V y una corriente de 1,75 A. Si quieres fabricar tu propio panel solar, intenta que tu batería tenga las mismas características. Asegúrate de que los paneles solares sean completamente impermeables: ¡habrá mucha humedad! Para propulsar el barco necesitarás cuatro paneles solares con las características especificadas. Colócalos en una fila sobre un panel de 120x120 cm2 y conéctalos en paralelo. La corriente total de cuatro baterías conectadas en paralelo es de 7 A y el voltaje es de 14 V. El panel solar se fija a la cubierta mediante un marco formado por tuberías de agua de PVC de 4 cm de diámetro (Anexo-40). Los tubos de plástico son un material excelente para tales fines; es resistente, económico, liviano y, lo más importante, no está sujeto a corrosión. El marco de la tubería se fabrica de acuerdo con el diagrama que se muestra en la Fig. 4. Las conexiones de 90° se realizan mediante codos y el marco superior se fija mediante T.
Se necesitan cuatro postes, cada uno de unos 120 cm de largo. Los extremos inferiores de los dos pilares delanteros están conectados por una brida que, como puede verse en la Fig. 3, descansa en el fondo de la embarcación, directamente delante del asiento delantero. Los dos pilares traseros están conectados del mismo modo y fijados al asiento trasero. Corte trozos de tubos de plástico a la longitud requerida con una sierra para metales y ensamble el marco, ajustando las piezas en su lugar. Aunque en la Fig. 4 muestra las dimensiones exactas (en cm) y debe usarse únicamente como guía. El montaje final se realiza en el propio barco. El marco de soporte del panel solar debe encajar perfectamente entre los pontones al instalarlo en el fondo del barco. Una vez que esté satisfecho de que todo se hizo correctamente, pegue las piezas con pegamento de PVC limpio que contenga solvente plástico. Cuando se pegan dos piezas de plástico, se forma una unión que es tan fuerte como el propio material original. El tetrahidrofurano se utiliza como disolvente del cloruro de polivinilo. Cuando trabaje con él, debe recordar que es venenoso, al igual que la mayoría de los demás disolventes. Es necesario trabajar rápidamente con este pegamento, no deja tiempo para pensar. Por eso, antes de pegar, prepara y coloca todas las piezas. Pegue no más de dos partes a la vez y espere hasta que el pegamento se haya endurecido por completo antes de pasar a la siguiente conexión. Luego use pernos para conectar los paneles solares en una sola unidad de 1,5 m2. Para ello, en el borde metálico de las baterías hay orificios especiales. Es necesario dejar un pequeño espacio entre las baterías para reducir la resistencia al viento de la estructura. Se pueden utilizar espaciadores para separar las baterías. Luego se coloca el panel solar sobre el marco de soporte y se ata con cordón o cuerda en al menos cuatro puntos a cada lado y donde se atornillan las baterías. Es mejor no escatimar en el cable, de lo contrario la batería caerá al agua tras una fuerte ráfaga de viento. Como motor de barco se utiliza un motor eléctrico que pesa unos 13 kg. Estos motores eléctricos son producidos por varias empresas, como Montgomery Ward y Sears. El motor del barco se suministra sujeto a una viga transversal de madera, que puede soportar fácilmente un pequeño motor eléctrico, ya que el diseño está diseñado para una potencia pequeña de hasta 4 CV. Con. (alrededor de 3kW). El motor eléctrico funciona con una batería de plomo-ácido de 12 voltios. Se trata de una batería de células de gel, similar a la descrita en el Cap. Tipo 14 Esencialmente, una celda de gel es similar a una celda de plomo-ácido convencional con un electrolito líquido. Sin embargo, la celda de gel no está llena de líquido, sino de un electrolito espeso de Jell-O, que tiene la consistencia de una gelatina. El uso de una batería de gel en lugar de una batería marina estándar se debe a la ausencia de fugas de electrolitos. Incluso si el barco vuelca (lo que nunca ha sucedido), el ácido no se derramará. Como los paneles solares son autorregulables, lo único que se requiere es conectarlos a una batería, que a su vez está conectada a un motor eléctrico. ¡Todo es muy sencillo! ¿Cuál es el propósito de utilizar paneles solares autorregulables en este diseño? Por un lado, estas baterías simplifican el diseño y aumentan la fiabilidad. Ésta es la razón principal. Por otro lado, esto me dio la oportunidad de demostrarles otra propiedad de los paneles solares. Capacidades del barco ¿Funcionan bien los paneles solares? Bueno, lo confieso: en la Fig. El 3 que ves no es mi barco, pertenece a Gary Zanstcher (que está sentado en él), a quien le doy la oportunidad de explicar si es bueno. Aquí está su opinión: "Es una embarcación estable, fácil de transportar y montar. El barco suele estar amarrado en Marina del Rey. Lo utilizamos los fines de semana y en el tiempo libre. Gracias a sus características, el barco alcanza una velocidad de 9,4 km/h. Al conducir, el motor consume 25 A, por lo tanto, una batería de 80 Ah dura aproximadamente 3 horas. Sin embargo, hay que recordar que al mismo tiempo se produce una carga continua de la batería solar. Viajé en el barco durante 4 o 5 horas seguidas y nunca experimenté escasez de electricidad. Por supuesto, sólo usé el barco en los días soleados. El barco permanece estacionado al menos una semana entre viajes, por lo que los paneles solares tienen tiempo suficiente para cargar las baterías. Mira, los paneles solares no están orientados hacia el sol. No es aconsejable hacerlo, ya que el barco cambia constantemente su orientación y dirección de movimiento. Las baterías están montadas horizontalmente y, por supuesto, la mayor parte del tiempo no generan corriente completa. Sin embargo, cuando el sol está alto sobre el horizonte, funcionan bastante bien. Las baterías sólo están unidas al panel, por lo que se pueden quitar muy rápidamente. Son bastante caros y no quiero perderlos en una tormenta. Es cierto que el barco resistió sin problemas vientos de hasta 56 km/h. En general, debo decir que un barco con una batería solar es algo muy divertido". Autor: Byers T.
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Comentarios sobre el artículo: Sergei La corriente total es 7A.... Las medidas de los motores eléctricos muestran 9A en la 1ra velocidad y 14A en la 2da. Es tentador agregar un área de hasta 1500X1400 (dos baterías 1500X700,7A 140W = 14A, 280W, eficiencia 14%, peso 4kg) y moverse incluso con tiempo nublado a una velocidad de unos 2,5-3 km.h. Y tiene sentido llevar una estructura pesada en el techo de un hinchable ligero, si la recarga es insignificante, una corriente de 25 A agota la batería en 3 horas, ¡más bien es recomendable dejar toda la estructura solar en el aparcamiento! El tamaño del recipiente no corresponde a la seguridad: el DH es demasiado alto, monocristalino. Los paneles son frágiles y requieren un marco de refuerzo, es decir, pesan alrededor de 12 kg.
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