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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽光発電ボート。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
このようなボートの設計における認知的側面は、太陽光発電の実際的な開発について知ることです。 太陽光の断続的な性質により、多くの回路でバッテリーを使用する必要があるため、太陽が輝いているときではなく、必要なときに電気エネルギーを得ることができます。 バッテリ使用時の主な問題の XNUMX つは充電電流の管理です。バッテリの過充電はバッテリの故障につながる可能性があります。 これまで、信頼性と長いバッテリ寿命を確保するには、充電レギュレータを使用するか、太陽電池アレイの出力電流を制限していました。 この章では、ソーラーパネルの新しい動作モード、つまり自己制御について説明します。 これらを使用する場合、バッテリーの充電電流のレギュレーターは必要ありません。 鉛蓄電池 太陽電池の自己調整モードは鉛蓄電池の特性に大きく影響されるため、その動作原理を簡単に知っておく必要があると思われます。 鉛蓄電池は、薄い硫酸溶液に浸した XNUMX 枚の鉛板で構成されています。 この場合、可逆的な電気化学反応が起こり、その結果、電荷を蓄積することができる。 ここでは充電プロセスのみに注目します。 放電中、酸残留物の硫酸イオンが鉛板によって溶液から吸収されます。 充電電流がプレートに流れると、電気エネルギーによって硫酸イオンが溶液中に「引き戻され」ます。 バッテリーが元の充電量の約 80% を受け取ると、セル内の化学バランスが変化し始めます。 塩に含まれる鉛は徐々に還元されて純粋な金属になります。 電気分解に優れた条件が作られると、結果は水溶液に XNUMX 本の金属棒を入れるのと同じになります。 実際、このようなことが起こります。 電気分解には、酸素と水素の気泡の放出、つまりバッテリーセルのいわゆる「沸騰」効果が伴います。 この効果をガス発生と呼ぶのがより正確です。 鉛蓄電池の劣化につながるのはアウトガスです。 何も対策を講じなければ、セルは最終的に故障するため、損傷を防ぐために、ガス放出の開始時に充電電流を減らす必要があります。 充電レギュレータはこの目的に役立ちます。 バッテリーと直列に抵抗を接続すると、充電電流を減らすことができます。 電気エネルギーの一部はこの抵抗器内で熱の形で消費され、充電電流の減少につながります。 もう XNUMX つのよく使用される方法は、バッテリーに一定の電圧が維持され、電流の強さが異なる値になります。 電流量はバッテリーの電圧と充電電圧の差に依存するため、電圧を変えることで充電速度を調整することができます。 同様に、電圧レギュレータを使用する自動車の電気システムでは、バッテリーは充電された状態に保たれます。 残念ながら、バッテリが完全に充電されているときに電圧レギュレータを使用すると、充電時間の増加が必要になります。 日中の日照時間は限られているため、当然充電する時間はほとんどありません。 おそらく、理想的なソリューションは、電流レギュレータと電圧レギュレータを XNUMX つのデバイス内で組み合わせることであることはすでにおわかりでしょう。 電圧制限なく大電流で充電を開始します。 バッテリーがガス発生段階に達すると、デバイスは電流を減らし、電圧調整モードに切り替わります。 バッテリーは、バッテリーが過充電される可能性を排除しながら、最短時間で最大量の電荷を蓄えます。 理想的な充電サイクルを図に示します。 1. 自己調整型ソーラーパネル ここで、図に示すシリコン太陽電池の特性を考えてみましょう。 1 (上の曲線)。
ご存知のとおり、シリコン太陽電池は電流発生器です。 曲線が曲がる前の電圧に関係なく、電流は常に一定です。 素子にかかる電圧は負荷抵抗によって決まります。 負荷抵抗が減少すると、電流が決定要因ではなくなる点が来ます。 曲線のこの部分は「膝」と呼ばれます。 負荷抵抗の両端に高電圧がかかると、エネルギー保存則と量子物理学が働き、電流が減少します。 このことは太陽電池の自主規制の意味もありますので、十分注意しましょう。 この太陽電池特性の変化点は、以下の考察において非常に重要である。 実際、これは太陽電池の XNUMX つの動作モードを分離します。 その上では、太陽光発電機は電流発生器として機能し、その下では電圧レギュレーターに相当します。 理想的な充電器のグラフと太陽電池の電流電圧曲線 (図 1) を比較すると、XNUMX つの曲線が非常に似ていることがわかります。 実際、それらはほぼ一致しています。 したがって、両方の特性を結び付けることは非常に自然です。 太陽電池の電流電圧曲線の変曲点を、電池がガスを放出し始める瞬間と一致させることで、自己調整の効果を得ることができます。 典型的な例に戻りましょう。 完全に放電した鉛蓄電池からプロセスが始まると仮定しましょう。 それでは、自己調整型太陽光発電機に接続してみましょう。 ソーラーパネルが点灯すると、バッテリーの充電が始まります。 プロセスの開始時点では、バッテリー電圧は低くなります (<10 V)。 この場合、太陽電池は発電モードで「膝」より上の領域で動作します。 言い換えれば、バッテリーはソーラーパネルが生成できる最大の電流を受け取り、必要な急速充電を実現することができます。 バッテリーセルに電荷が蓄積されると、電圧が徐々に上昇し始めます。 このデザインの増加をどのように活用したかを思い出してください。 チャージレギュレーター. もう一度同じことができます。 12,6V バッテリーでは 12V から始まるガス発生電圧を、太陽電池の V/A 曲線のニー電圧と一致させると、充電電流を削減できます。 バッテリーがガス発生段階に達したと仮定すると、ソーラー パネルが電流安定化モードを終了することが観察されます。 ここで、バッテリーの充電量とその電圧を増加させると、ソーラーパネルが電圧レギュレーターモードで動作するようになります。 その結果、充電電流が減少します。 バッテリーの充電量が増えるほど、静電圧は大きくなり、太陽電池の特性上の動作点は「膝」より下の領域に移動します。 電圧が増加すると、それに対応して太陽電池アレイの出力電流が減少します。 電池が完全に充電されるまでに、動作点は特性の右に大きくシフトし、太陽電池からは小さな供給電流しか流れなくなります。 非常に小さいため、バッテリーは過充電を心配することなく、必要なだけ長くこの状態を維持できます。 この時点でのバッテリー電圧は13,2Vです。 バッテリーに蓄えられたエネルギーを使い切るまで、すべてがこの位置に留まります。 セルがエネルギーを放出すると、それに応じてバッテリーの両端の電圧が減少し、動作点が電圧-電流曲線に沿って逆方向にシフトします。 太陽電池からの充電電流の強さは、電池の電圧がどれだけ低下したか、つまり、この値に比例して消費されるエネルギー量に依存します。 これで目標は達成され、自己調整型の太陽光発電装置が完成しました。 温度効果 自己調整型ソーラー パネルには、温度の影響を考慮するという、非常に予期せぬ特性があります。 私たちの周りの物体の中で温度の影響を受けないものはほとんどありません。 太陽電池や蓄電池も例外ではありません。 温度変化に非常に敏感な化学反応を通じて、鉛蓄電池に電荷が蓄えられます。 周囲温度が高いほど、反応はより速く進行します。 実際には、これは、寒い気象条件ではより高い充電電圧が必要であることを意味します。 従来の充電コントローラーでは、温度の追跡が常に問題でした。 これを単純な手段で解決することは不可能であり、多かれ少なかれ複雑な方法をとれば、設計の複雑化とコストの増大につながる。
シリコン太陽電池の電流電圧特性の温度依存性により、鉛蓄電池セルの温度特性が補償されます。 実際、温度を下げると、太陽光発電装置の効率が向上します。 半導体の体積に対するさまざまな影響により、電圧成分が最も強く影響を受けます。 これはまさにバッテリーに求められるものです。 外気温が低下すると、太陽電池の出力電圧が増加します（正確には、バッテリーがより多くの充電電圧を必要とする瞬間です）。 さらに、通常の温度範囲で動作する場合、太陽電池と蓄電池の特性の温度依存性は互いに非常によく一致しているため（図2）、共通のデバイス内でこれらの電池をうまく組み合わせて動作させるために追加の対策は必要ありません。 パワーボート 物語の楽しい部分の時間です。 自己調整型太陽電池アレイを機能させましょう*。 この設計では、小型の電気モーターボートが選択されました。 メッツラー社製のゴム製インフレータブルボートです。 長さは 2,7 m、幅は 1,2 m で、間隔をあけて配置された XNUMX つのポンツーン型シリンダーによってボートの安定性が確保され、平らな底部は広々とした「キャビン」として機能します。
水速が遅い (9,4 km/h) ため、このボートは釣りや晴れた日の散歩に最適です。 キャノピーには太陽光パネルが設置されており、乗員を太陽光から守ります（図3）。 太陽光発電システムは、ボートの電気モーターに電力を供給するだけでなく、ラジオ、照明システム、または給水ポンプにも電力を供給できます。 デザイン ボートから説明を始めます。 ボートにはたくさんの種類がありますが、私がインフレータブルポンツーンボートを選んだ理由はXNUMXつあります。 まず、インフレータブルです。 つまり、持ち運び可能で、空気を抜くと保管しやすくなります。 第二に、インフレータブルボートは頑丈で安定した船であり、長期間使用できます。 以下では、この特定のボートで太陽エネルギーの変換がどのように行われたかを詳しく説明します。 あなたが私よりもボートについて詳しく、別のタイプのボートにソーラーパネルを取り付けたい場合は、次の推奨事項を使用してください。 まずは太陽光パネルを設置します。 この設計では、ARCO Solar, Inc. のソーラー パネル M-61 が使用されました。 自己調整型。 出力 61 W の各 M-25 バッテリーは、長さ 120 cm、幅 30 cm、厚さ 4 cm のパネルの形で構造的に作られており、直径 30 cm の円形単結晶セル 10 個が含まれており、電圧 14,1 V、電流 1,75 A 向けに設計されています。 ソーラーパネルを自分で作りたい場合は、バッテリーが同じ特性を持っているかどうかを確認してください。 ソーラーパネルが完全に防水であることを確認してください。湿気がたくさんあります。 ボートの移動には、指定された特性を持つ 120 枚のソーラー パネルが必要です。 120x2 cm7 のパネルに並べて配置し、並列に接続します。 並列接続された 14 つの電池の合計電流は XNUMX A、電圧は XNUMX V です。 ソーラーパネルは、直径 4 cm の PVC 配管パイプフレーム (Schedule-40) を使用してデッキに取り付けられます。 プラスチックチューブはそのような目的には優れた材料です。 丈夫で、安価で、軽量であり、そして最も重要なことに、腐食しません。 パイプフレームは図4に示すスキームに従って作成されます。 90. エルボでXNUMX°接続し、上フレームをティーで取り付けます。
支柱は120本必要で、それぞれの長さは約3cmです。 XNUMX本のフロントピラーの下端はカプラーで接続されています。 XNUMX、前席の真正面の船底に腰掛けます。 XNUMX 本の後部ピラーも同様に接続され、後部座席に固定されます。 弓鋸で必要な長さのプラスチックパイプを切断し、所定の位置に部品を調整しながらフレームを組み立てます。 図ではありますが。 4 は正確な寸法 (cm) であり、ガイドとしてのみ使用してください。 最終的なフィッティングはボート自体で行われます。 太陽電池アレイの支持フレームは、ボートの底に設置するときにポンツーンの間にぴったりと収まる必要があります。 すべてが正しく行われたことを確認したら、プラスチック溶剤を含むきれいな PVC 接着剤を使用してパーツを接着します。 XNUMX つのプラスチック部品を接着すると、元の素材自体と同じくらい強い接着が形成されます。 テトラヒドロフランはPVCの溶剤として使用されます。 これを扱うときは、他のほとんどの溶剤と同様に有毒であることを忘れないでください。 この接着剤は迅速に作業する必要があり、熟考する時間がありません。 したがって、接着する前に、すべての詳細を準備して配置します。 一度に接着するパーツは XNUMX つまでにして、接着剤が完全に固まるまで待ってから次の接続に進みます。 次に、太陽電池アレイをボルトで固定して、単一の 1,5 m2 ユニットにします。 この目的のために、バッテリーの金属エッジに特別な穴があります。 構造の風損を軽減するために、バッテリー間に小さな隙間を残す必要があります。 スペーサーを使用してバッテリーを分離できます。 次に、ソーラーパネルを支持フレームに置き、両側の少なくともXNUMXつの点とバッテリーがネジで固定されている場所を紐またはロープで結びます。 コードをケチらないほうがいいです。そうしないと、強風の後にバッテリーが水に落ちてしまいます。 ボートのエンジンには重さ約13kgの電動モーターが使われています。 同様の電気モーターは、Montgomery Ward や Sears などのさまざまな企業によって製造されています。 ボート エンジンは、最大 4 馬力までの低出力向けに設計されているため、小型電気モーターを簡単にサポートできる木製ヨークに取り付けられて供給されます。 と。 （約3kW）。 電気モーターは 12 ボルトの鉛蓄電池によって駆動されます。 これは、第 14 章で説明したものと同様のゲル セルのバッテリーです。 XNUMX型。 基本的に、ゲル電池は液体電解質を使用した従来の鉛蓄電池と似ています。 ただし、液体ではなく、ゼリーの粘稠度を有する濃厚なJell-O電解質がゲルセルに注入されます。 標準的な船舶用バッテリーの代わりにゲルバッテリーが使用されるのは、電解液の漏れがないためです。 たとえボートが転覆しても（実際には起こったことはありません）、酸はこぼれません。 ソーラーパネルは自己調整機能を備えているため、必要なのは、ソーラーパネルを蓄電池に接続し、さらに蓄電池を電気モーターに接続することだけです。 すべてがとてもシンプルです！ この設計における太陽光自己調整型ソーラーパネルの目的は何ですか? 一方で、このようなバッテリーは設計を簡素化し、信頼性を高めます。 これが主な理由です。 一方、これにより、ソーラーパネルのもう XNUMX つの特性を説明する機会が得られました。 ボートの能力 ソーラーパネルはうまく機能しますか？ さて、告白します。 あなたが見ている 3 号は私のボートではありません。それはゲイリー ザンステッチャー (船に座っています) のものです。それが良いかどうかを説明する機会は彼に任せます。 彼の意見は次のとおりです。 「これは安定したボートで、輸送や組み立てが簡単です。このボートは普段マリナ・デル・レイに係留されており、週末や自由時間に使用しています。 その特性により、ボートは時速9,4kmの速度を発揮します。 走行時にはモーターが25Aを消費するため、容量80Ahのバッテリーで約3時間の稼働が可能です。 ただし、同時に太陽電池からの充電が継続的に行われることを覚えておく必要があります。 私は連続4～5時間ボートに乗っていますが、電力不足を経験したことはありません。 もちろん、ボートに乗るのは晴れた日だけです。 ボートは航行の間に少なくとも XNUMX 週間停泊するため、ソーラー パネルがバッテリーを充電するのに十分な時間があります。 見てください、ソーラーパネルは太陽の方向を向いていません。 ボートは常に向きや進行方向を変えるため、これを行うのは賢明ではありません。 バッテリーは水平に取り付けられており、もちろん、ほとんどの場合は最大電流を生成しません。 ただし、太陽が地平線の高い位置にある場合、それらは非常にうまく機能します。 バッテリーはパネルに取り付けられているだけなので、すぐに取り外すことができます。 かなり高価なので、嵐で紛失したくないです。 確かに、ボートは時速 56 km までの速度で吹く風の影響にも問題なく耐えました。 一般的に言って、太陽電池を搭載したボートはとても面白いものだと言わざるを得ません。」 著者：バイヤーズT。
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