Принцип работы батареи – конструкция, принцип работы и характеристики, как работает батарея, фото и видео примеры

  • 17.03.2020

Содержание

принцип, функции и что такое

Как работает контроллер батареи: принцип, функции и что такое контроллер аккумулятора

Столкнувшись с неполадками в зарядке мобильного гаджета, следует разобраться в особенностях этого процесса и в том, как именно работает контроллер батареи на основе литий-ионной технологии. Мы должны понимать источник возникшей проблемы, чтобы исправить её.


В этой статье предлагаем вкратце рассмотреть принцип работы контроллера батареи и узнать его назначение.


Как работает контроллер батареи: принцип, функции и что такое контроллер аккумулятора

Что такое контроллер батареи?

Контроллер заряда аккумулятора — простыми словами, это печатная плата внутри элемента питания (иногда крепится прямо на его корпусе). Правильное её название «

BMS-плата» (Battery Management System), то есть плата системы управления аккумулятором.


Прежде всего, контроллер нужен для сохранения дорогостоящего аккумулятора от критических отклонений напряжения от номинальных 3,7 Вольт путём отключения.

На BMS-плате распаяны электронные компоненты для защиты устройства от неисправностей по электроцепи питания. Без неё работать литий-ионные аккумуляторы теоретически могут, но это приведёт к их скорейшему выходу из строя с высокой вероятностью взрыва.


Как работает контроллер батареи: принцип, функции и что такое контроллер аккумулятора

Из чего состоит контроллер батареи?

Электросхема очень простая и не требует глубоких познаний в схемотехнике. Хотя производители дорогостоящих смартфонов и пытаются усовершенствовать её, но принцип конструкции остаётся одинаковым для всех.


На печатной плате контроллера батареи в большинстве случаев размещаются:

  • • резистор в схеме питания,
  • • накопительный конденсатор,
  • • непосредственно сам контроллер защиты в виде микросхемы,
  • • резистор в схеме защиты,
  • • терморезистор,
  • • MOSFET-транзисторы.

В ряде случаев контроллер распаян на три контакта вместо двух — тогда помимо традиционных «плюса» и «минуса» производитель применяет так называемый «информационный контакт».


Как работает контроллер батареи: принцип, функции и что такое контроллер аккумулятора

Принцип работы контроллера батареи в гаджетах

Каких-то редких узлов контроля цепи питания на аккумуляторах в телефонах, планшетах и ноутбуках вы не встретите, поэтому можно условиться, что все они выполняют примерно одинаковые задачи в мобильных устройствах.


1. Контролирует процесс заряда устройства.

При зарядке с 0% включает режим предварительной зарядки до примерно 10%. Затем увеличивает скорость заполнения ёмкости аккумулятора и постоянным током заряжает до 70-85%. Далее снижает напряжение для завершающего этапа в режиме дозарядки — процесс замедляется для меньшей нагрузки на элемент питания.


Бывает, что контроллер неправильно определяет пограничные значения процента заряда и требует «калибровки».


2. Не даёт аккумулятору перезарядиться.

Есть установленное максимальное значение напряжения для Li-Ion — 4,15-4,2 В. При достижении такой высокой цифры питание отключается (иначе батарея вздуется или даже взорвётся).


3. Защищает батарею от глубокого разряда

Есть также пороговое минимальное значение напряжения для Li-Ion — 2,9-3 В. Более низкие значения приводят к потере ёмкости и другим неприятным последствиям.


4. Ограничивает ток

Принципиальная функция для защиты по току электросиловой цепи («просадки» напряжения на 150 мВ и более), без которой срок службы аккумулятора уменьшится, а также от короткого замыкания.


Как работает контроллер батареи: принцип, функции и что такое контроллер аккумулятора

5. Оптимизация батареи

Её ещё называют «балансировка аккумулятора» — система из последовательно установленных электронных компонентов. Нужна для устранения разброса значений по электросхеме, что увеличивает срок службы слабых звеньев элемента питания, а значит и его самого.


6. Отслеживание температуры

Присутствует не во всех аккумуляторных контроллерах для удешевления, но практически всегда такая функция необходима для защиты от перегрева или переохлаждения. Операционная система также получает эту информацию для отслеживания состояния батареи.

Все значения однократно вносятся в контроллер ещё на производстве. Подстройка через ОС или «перешивка» значений встречается крайне редко. Также производители нередко удешевляют конструкцию контроллера для аккумуляторов телефона и урезают принцип работы в том или ином виде.


Посмотрите видео

Рекомендуем увидеть ликбез с YouTube-канала Energy DIY, в котором подробно и наглядно показано то, о чём мы здесь рассказали вкратце.


***

Теперь вы знаете, что такое контроллер батареи в мобильном устройстве и сможете разобраться, является ли причиной неполадки одна из его функций. Например, это может быть перегрев, либо неисправный адаптер питания со слишком высоким значением напряжения.


Узнайте больше о неполадках Логотип компании «Неовольт»

Хотите добавить что-то важное о контроллерах? Оставьте информацию или вопрос в комментарии. Ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.



Солнечные батареи: принцип работы, как сделать своими руками в домашних условиях

Использование солнечной энергии для обеспечения жизненных потребностей в 21 веке является актуальным вопросом не только для корпораций, но и для населения. Теперь использование солнечных батарей для получения экологической электроэнергии привлекает много людей своей доступностью, автономностью, неиссякаемостью и минимальными вложениями. Теперь эти явления настолько привычны и обыденны, что уже давно прочно обосновались в нашу каждодневную жизнь.

Данный источник электроэнергии используется для освещения, функционирования бытовых электроприборов и отопления. Уличные фонари на солнечных батареях используются повсеместно в городской черте, на дачных участках и территориях загородных коттеджей.

Содержание

Принцип работы солнечной батареи

Устройство предназначено для непосредственного преобразования лучей солнца в электричество. Этот действие называется фотоэлектрическим эффектом. Полупроводники (кремневые пластины), которые используются для изготовления элементов, обладают положительными и отрицательными заряженными электронами и состоят их двух слоев n-слой (-) и р-слой (+). Излишние электроны под воздействием солнечного света выбиваются из слоев и занимают пустые места в другом слое. Это заставляет свободные электроны постоянно двигаться, переходя из одной пластины в другую вырабатывая электричество, которое накапливается в аккумуляторе.

Как работает солнечная батарея, во многом зависит от ее устройства. Первоначально фотоэлементы изготавливались из кремния. Они и сейчас очень популярны, но поскольку процесс очистки кремния достаточно трудоемок и затратен, разрабатываются модели с альтернативными фотоэлементами из соединений кадмия, меди, галлия и индия, но они менее производительны.

КПД солнечных батарей с развитием технологий вырос. На сегодняшний день это показатель возрос от одного процента, который регистрировался в начале столетия, до более двадцати процентов. Это позволяет в наши дни использовать панели не только для обеспечения бытовых нужд, но и производственных.

Технические характеристики

Устройство солнечной батареи довольно простое, и состоит из нескольких компонентов:

  • Непосредственно фотоэлементы / солнечная панель;
  • Инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный;
  • Контроллер уровня заряда аккумулятора.

Аккумуляторы для солнечных батарей купить следует с учетом необходимых функций. Они накапливают и отдают электроэнергию. Запасание и расход происходит в течение всего дня, а ночью накопленный заряд только расходуется. Таким образом, происходит постоянное и непрерывное снабжение энергией.

Чрезмерная зарядка и разрядка батареи укорачивает ее эксплуатационный срок. Контроллер заряда солнечной батареи автоматически приостанавливают накопление энергии в аккумуляторе, когда он достиг максимальных параметров, и отключают нагрузку устройства при сильной разрядке.

(Tesla Powerwall — аккумулятор для солнечных панелей на 7 КВт — и домашняя зарядка для электромобилей)

Сетевой инвертор для солнечных батарей является самым важным элементом конструкции. Он преобразовывает полученную от солнечных лучей энергию в переменный ток различной мощности. Являясь синхронным преобразователем, он совмещает выходное напряжение электрического тока по частоте и фазе со стационарной сетью.

Фотоэлементы могут соединяться как последовательно, так и параллельно. Последний вариант увеличивает параметры мощности, напряжения и тока и позволяет устройству работать, даже если один элемент потеряет функциональность. Комбинированные модели изготовлены с использованием обеих схем. Эксплуатационный срок пластин около 25 лет.

Установка солнечных батарей

Если конструкции будут использоваться для электрообеспечения жилых пространств, то место установки следует выбирать тщательно. Если панели будут загорожены высотными зданиями или деревьями, то трудно будет получить необходимую энергию. Их необходимо разместить там, где поток солнечных лучей максимален, то есть на южную сторону. Конструкцию лучше установить под наклоном, угол которого равен географической широте месторасположения системы.

Солнечные панели должны размещаться таким образом, чтобы хозяин имел возможность периодически очищать поверхность от пыли и грязи или снега, поскольку это приводит к более низкой способности выработки энергии.

Солнечная батарея своими руками

Те, кто хочет сэкономить, задумываются, как сделать солнечную батарею в домашних условиях самостоятельно, чтобы она обладала необходимыми эксплуатационными параметрами и полностью обеспечивала энергетические потребност. Это особенно актуально для мест отдаленных от главных артерий цивилизации.

Солнечные батареи своими руками в домашних условиях изготавливаются из соответствующих элементов, которые можно купить в открытом доступе в специализированных компаниях или через интернет магазины. Если кремниевые пластины должны приобретаться у производителей, то остальные элементы, такие как лента, рамка, пленка, стекло, припой и прочее можно вполне обнаружить и дома в хозяйстве.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств изготавливается некоторыми умельцами из медных листов, зажимов, мощных электроплит, соли и из других материалов. Такие кустарные устройства не смогут полностью обеспечить необходимой электроэнергией и могут использоваться лишь в небольших масштабах.

Лучше всего солнечные батареи купить у производителя, поскольку они обладают гарантией и необходимыми функциональными и эксплуатационными параметрами, и, значит, не подведут. Производство солнечных батарей базируется на применении новейших технологий, которые постоянно развиваются, предлагая более усовершенствованные модели. В зависимости от размеров устройств, они могут использовать для различных целей в местах, где нет снабжения электроэнергией. Они встречаются на калькуляторах, часах, различных мобильных устройствах.

Так, например, рюкзак с солнечной батареей будет незаменимым помощником тех, кто любит путешествовать с комфортом. Он накопит достаточно энергии, чтобы зарядить фонарик для освещения туристической палатки или чтобы во время похода заряжать необходимые гаджеты. Судя по отзывам, солнечные батареи используются часто и с удовольствием для удовлетворения разнообразных нужд не только на природе, но и в быту.

Современные устройства со встроенными солнечными модулями

  • Power bank с солнечной батареей – внешний накопитель с фотоэлементами для преобразования солнечных лучей в заряд аккумулятора. Он обладает несколькими портами и предназначен для зарядки смартфонов или планшетов. Это незаменимое устройство для тех кто, много времени тратят в дороге и пользуются гаджетами. Устройство, зависимо от модели может дополняться различными функциями, как, к примеру, фонариком.
  • Робот конструктор – наборы с различными элементами, из которых можно собрать несколько конструкций, которые двигаются автономно. Это лучшая игрушка для любознательных детей. Робот конструктор на солнечной батарее купить интересно будет не только малышам, но и вполне взрослым дяденькам, поскольку захватывающим является не только движение робота, но и сам процесс сборки.
  • Уличные садовые светильники на солнечных батареях – идеальное решение для сада, огорода или приусадебного участка. Благодаря накопленному заряду они будут светиться всю ночь. Для этого не нужно прокладывать специальную проводку. Их можно брать с собой на рыбалку или семейный поход. Чрезвычайная мобильность, компактность и удобство делают фонари самыми востребованными изделиями на солнечных батареях.

Возможности эксплуатации настолько разнообразны, а технологии так быстро развивается, что скоро солнечные модули охватят все сферы жизни современного человека.

Проточные батареи (аккумуляторы) — почему за ними будущее

Изобретение проточных батарей — нового уникального источника хранения энергии, стало настоящим прорывом в промышленной отрасли. Почему их называют аккумуляторами будущего, где они применяются и чем лучше других накопителей энергии, мы подробно расскажем в данной статье.

Проточная батарея (аккумулятор) — что это такое и как работает

Проточная батарея (или проточная редокс-батарея) – тип гальванического элемента, в котором химическая энергия обеспечивается за счет двух химических компонентов, растворенных в жидкости, содержащейся в системе и разделенной мембраной.Проточные батареи - почему за ними будущее

Ионный обмен, сопровождающийся движением электрического тока, происходит через мембраны, в то время как обе жидкости циркулируют в собственном отдельном пространстве.  Напряжение элемента определяется химически через уравнение Нернста и в практических отраслях колеблются от 1 до 2,2 Вт.

Проточная батарея может использоваться как топливный элемент (где извлекается потраченное топливо и добавляется новое), или как перезаряжаемая батарея (где источник электрической энергии запускает регенерацию топлива).

Хотя она обладает такими техническими преимуществами над традиционными перезаряжаемыми батареями, как потенциально отделяемые баки для жидкости и почти безграничный срок службы, на данный момент разработки обладают сравнительно меньшей мощностью и требуют большего количества сложной электроники.
Энергетическая емкость зависит от объема электролита (количества жидкого электролита), а мощность – от площади поверхности электродов.

Принцип построения

Проточная батарея – перезаряжаемая топливная ячейка, где электролит содержит один или больше растворенных электропроводящих элементов, протекающих сквозь гальванический элемент, который напрямую преобразует химическую энергию в электричество (электропроводящие элементы – «элементы в растворе, которые могут участвовать в реакции электрода, или которые могут быть адсорбированы электродом»).

Резервный электролит располагается снаружи, как правило – в емкости, и, как правило, закачивается через элемент (или элементы) реактора, хотя известны и системы подачи самотеком. Проточные батареи могут быстро «перезаряжаться» путем замены жидкого электролита (наподобие заправки топливных баков для двигателей внутреннего сгорания), или синхронного восстановления затраченного материала для повторной подачи питания.

Другими словами, проточная батарея практически похожа на обычный гальванический элемент за исключением того, что ионный раствор (электролит) не сохраняется в элементе вокруг электродов. Чаще всего, ионный раствор хранится вне элемента и может подаваться туда для выработки электричества. Общий объем потенциально произведенной энергии зависит от размера емкостей для хранения.

Работа проточных батарей происходит по принципам, заложенным электрохимической технологией.

Типы батарей

Были разработаны различные типы проточных элементов (батарей), в том числе – редокс-батареи, гибридные и безмембранные. Фундаментальным отличием между стандартными батареями и проточными элементами является то, что энергия хранится не в материале электродов, как в стандартных батареях, а в электролите, как в проточных элементах.

Редокс-батареи

Редокс-элемент (окислительно-восстановительный элемент) – реверсивный элемент, где электрохимические компоненты растворены в электролите. Проточные редокс-батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами). Так как они работают чаще по принципу переноса разнозаряженных электронов, чем диффузии в твердом теле или внедрения, они, скорее всего, могут называться топливными элементами, а не батареями. В промышленной практике топливные элементы – обычное дело, и, как правило, первичные элементы типа системы h3/O2, не требуются.

Еще одним примером реверсивного топливного элемента является составной регенеративный топливный элемент, используемый на аппарате «Helios Prototype» от НАСА. Европейская патентная организация классифицирует проточные редокс-элементы (H01M8/18C4) как подкласс регенеративных топливных элементов (H01M8/18). Примерами проточных редокс-элементов являются ванадиевая проточная батарея, полисульфидно-бромидная батарея (Regenesys) и урановая проточная батарея. Топливные редокс-элементы менее распространены в коммерческих масштабах, хотя предлагалось большое количество подобных систем.

Был продемонстрирован прототип полийодно-цинковой проточной батареи с плотностью 167 Вт*ч/л. Более старые бромидно-цинковые элементы достигают плотности в 70 Вт*ч/л. Для сравнения, литий-железо-фосфатные батареи накапливают 233 Вт*ч/л энергии.

Заявляется, что полийодно-цинковая батарея безопаснее, чем другие проточные батареи благодаря отсутствия кислотных электролитов, негорючесть и рабочий диапазон температур от -4 до 122F (от -20 до 50C), что убирает потребность во внешней охлаждающей схеме, которая бы дала лишнюю массу и заняла место. Нерешенной проблемой остается то, что цинк оседает на негативном электроде, пропитывая мембрану и уменьшая КПД.

Из-за роста дендритов цинка галоидно-цинковые батареи не могут работать при высокой плотности электрического тока (свыше 20 мА/см2), что, таким образом, ограничивает емкость энергии. Добавление спирта в электролит йодно-цинковой батареи частично помогает решить проблему.

При полной разрядке батареи обе емкости содержат одинаковый раствор электролита: смесь положительно заряженных ионов цинка (Zn2+) и отрицательно заряженных ионов йода, I- . При заряде одна из емкостей содержит еще один отрицательно заряженный ион йода – полийодид (I3-). Батарея производит энергию, закачивая жидкость из внешних емкостей в сечение канала батареи, где жидкости смешиваются. Внутри канала ионы цинка проходит через селективную мембрану и превращается в металлический цинк в отрицательной клемме сечения канала.

Чтобы увеличить энергетическую емкость йодно-цинковой проточной батареи, ионы бромида (Br-) используются в качестве комплексообразующего агента для стабилизации свободного йода, формируя ионы бромистого йода (I2Br-) для освобождения ионов йода для хранения заряда.

Стандартные химикаты проточной батареи обладают как низкой удельной энергией (которая делает их слишком тяжелыми для полноразмерных электромобилей), так и малой удельной мощностью (которая делает ее слишком дорогой для стационарного накопления энергии). Однако была продемонстрирована высокая мощность (в 1,4 В/см2) для бромо-водородных проточных батарей, а броматно-водородные проточные батареи показали удельную энергию в 530 Вт*ч/кг на уровне емкости.

Одна из систем использует органические полимеры и солевой раствор с целлюлозной мембраной. Прототип был способен выдержать 10 000 циклов зарядки при сохранении значительной доли емкости. Плотность энергии составляла 10 Вт*ч/л. Плотность тока достигала 100 мА/см2.

Гибридные батареи

Гибридная проточная батарея использует один и более электропроводящих компонентов, оседающих как твердый слой. В этом случае гальванический элемент содержит один электрод батареи и один электрод топливного элемента. Этот тип ограничен в производстве энергии из-за площади поверхности электрода. Среди гибридных батарей – цинк-бромные, цинк-цериевые и свинцово-кислые проточные батареи.

Безмембранные батареи

Безмембранные батареи основаны на принципе ламинарного потока, где две жидкости перекачиваются через канал. Они проходят через электрохимические реакции для хранения и высвобождения энергии. Растворы перетекают параллельно и немного смешивается. Поток легко разделяет жидкости, устраняя потребность в мембране.

Мембраны часто – самый дорогостоящий и ненадежный компонент батарей, так как они могут ржаветь при повторном воздействии определенных реагентов. Отсутствие мембран позволяет использовать раствор жидкого брома и водорода. Это сочетание проблематично при использовании мембран, потому что они образуют бромистоводородную кислоту, которая может разрушить мембрану. Оба материала доступно по низкой цене.

Концепт использует маленький канал между двумя электродами. Жидкий бром перетекает через канал над графитовым катодом, а бромистоводородная кислота – под пористым анодом. В то же время газообразный водород протекает через анод. Химическая реакция может быть обращена для перезарядки батареи – новация для безмебранных батарей. Одна из таких безмембранных проточных батарей была продемонстрирована в августе 2013 года. Ее максимальная емкость энергии составляет 7950 Вт/м2 — в три раза больше, чем у других безмембранных систем – а ее размеры — гораздо больше, чем у ионно-литиевых батарей.

Компания «Primus Power» разработала запатентованную технологию для своей цинк-бромной проточной батареи – типа проточной редокс-батареи, для устранения потребности в мембране или сепараторе, что уменьшает цену и количество ошибок. Безмембранная проточная редокс-батарея от этой компании работает в сооружениях США и Азии, а появление изделия второго поколения обещалось на 21 февраля 2017 года.

Органические батареи

По сравнению с традиционными водными неорганическими проточными редокс-батареями, как-то ванадиевые или бромисто-цинковые, которые были разработаны десятки лет назад, органические проточные редокс-батареи появились в 2009 году и подавали большие надежды в плане уменьшения главных недостатков, предотвращающих экономическое и экстенсивное сворачивание разработок традиционных неорганических проточных редокс-батарей. Главной заслугой органических проточных редокс-батарей являются изменяемые окислительно-восстановительные свойства редокс-активных компонентов.

В дальнейшем органические проточные редокс-батареи можно разделить на две категории: Водные Органические Проточные Редокс-Батареи (ВОПРБ) и Неводные Органические Проточные Редокс-Батареи (НВОПРБ).

ВОПРБ используют воду в качестве электролита, а НВОПРБ используют органические растворители для растворения редокс-активных материалов.

В зависимости от использования одного или двух органически редокс-активных материалов в качестве анода и/или катода, ВОПРБ и НВОПРБ можно разделить на исключительно органические системы и гибридные органические системы, использующие неорганические материалы в качестве анода или катода. Экспериментальная версия ВОПРБ произошла раньше, чем НВОПРБ.

В случае накопления энергии в промышленных масштабах, ВОПРБ обладает потенциалом куда большим, чем НВОПРБ, так как первые – дешевле, лучшие эксплуатационные характеристики и производительность, а также – преимущества водных электролитов в области безопасности над неводными.

НВОПРБ могут быть применены в ограниченных специальных отраслях за счет более высокой плотности энергии по сравнению с ВОПРБ, несмотря на большее количество проблем безопасности, стоимость органических растворителей, вызванные радикалами побочные реакции, смешение электролитов и ограниченный срок службы. Данные ниже демонстрируют, в основном, особенности ВОПРБ.

Основой некоторых ВОПРБ являются хиноны. В одном исследовании в качестве катодов использовались 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота и 1,4- дигидробензохинон-2-дисульфокислота, а анолитом в кислотном ВОПРБ служило соединение Pb/PbSO4.

Первые ВОПРБ были гибридными системами, так как они используют органические редокс-активные материалы только для катода. Хиноны принимают две единицы электрического заряда, в сравнении с одной в традиционном католите, что подразумевает, что такая батарея может хранить в два раза больше энергии при аналогичном объеме.

9,10-антрихинон-2,7-дисульфокислота, как и хинон, также была оценена по достоинству. Это соединение подвергается быстрому обратимому восстановлению двух электронов/двух протонов в электроде из стеклоуглерода, погруженного в серную кислоту.

Водная проточная батарея с недорогими углеродными электродами, сочетающая хиноновую/гидрохиноновую пару с окислительно-восстановительную пару Br2/Br- , вырабатывают пиковую гальваническую удельную мощность свыше 6 000 Вт/м2 при 13 000 А/м2. Циклирование показывает сохранение емкости за цикл на уровне свыше 99 %. Удельная энергия за единицу объема достигала 20 Вт*ч/л. Антрахинон-2-дисульфокислота и антразинон-2,6-дисульфокислота на отрицательном полюсе и 1,2-дигидробензохинон-3,5-дисульфокислота на положительном полюсе предотвращают образование опасного брома.

Несмотря на отсутствие опубликованной официальной информации, заявлялось о том, что батарея после тысячи циклов не показала тенденции к ухудшению свойств. Несмотря на то, что эта целиком органическая система оказалась громоздкой, она обладает небольшим напряжением элемента (около 0,55 В) и малой плотностью энергию (менее 4 Вт*ч/л.).

Бромистоводородная кислота, используемая в качестве электролита, была замещена гораздо менее токсичным щелочным раствором (1 моль/литр гидроксида калия) и ферроцианидом. Более высокий pH дает меньшую коррозию, что позволяет использовать недорогие полимерные емкости. Увеличившееся электрическое сопротивление в мембране компенсируется ростом напряжения.

Напряжение элемента составило 1,2 В. КПД элемента превышает 99 %, в то время как цикличный КПД равен 84 %. Батарея обладает ожидаемым сроком службы, как минимум, в 1 000 циклов. Теоретическая плотность энергии составила 19 Вт*ч/л. Химическая стабильность ферроцианидов в растворе гидроксида калия с высоким pH без формирования гидроксида железа (II) и гидкросида железа (III) должна быть проверена, прежде чем пойти в промышленность.

Другая органическая ВОПРБ показала работу параквата в качестве анолита, а 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил – в качестве католита, а также – соль и дешевая мембрана обмена анионов для обеспечения заряда и разряда. Эта система класса «MV/TEMPO» обладает наибольшим напряжением элемента (1,25 В) и, возможно, наименьшими капитальными затратами (180 долларов/кВт*ч) для класса ВОПРБ.

Жидкие электролиты на водной основе были разработаны как случайная замена для нынешних систем без замены существующей инфраструктуры. Тестовая 600-мВ батарея была способна работать после 100 циклов с КПД около 100 %, плотность тока достигает 20-100 мА/см2, а оптимальная характеристика оценивается на уровне 40-50 мА, что позволяет сохранить примерно 70 % изначального напряжения батареи.

Важность исследований состоит в том, что нейтральные ВОПРБ будут гораздо безопаснее для окружающей среды, чем кислотные или щелочные аналоги, хотя они показывают электрохимические свойства, сравнимые с коррозийными кислотными или щелочными ПРБ.

ВОПРБ типа «MV/TEMPO» обладают плотностью энергии 8,4 Вт*ч/л с ограничением на полюсе «TEMPO». Следующий шаг – определение высшей емкости католита, подходящей для «MV» (растворимость в воде – примерно 3,5 М/л, 93,8 А*ч/л).

Один из концептов проточной батареи основан на редокс-активных органических полимерах, использующих паракват и TEMPO с диализными мембранами. Полимерная проточная редокс-батарея (ППРБ) использует функционализированные макромолекулы (схожие с органическим стеклом или пенопластом), растворенные в воде, выступающей в качестве активной среды и для анода, и для катода.

Таким образом, металлы и сильно коррозионные электролиты – типа солей ванадия в серной кислоте – уже не используются, и можно использовать простые диализные мембраны. Мембрана, разделяющая катод и анод в проточной ячейке, работает как фильтр и гораздо проще и дешевле в производстве, чем обычные ионоселективные мембраны. Она сохраняет крупные полимерные «спагетти-подобные» молекулы, хоть и позволяет пройти мелким противоионам.

Концепт может решить проблему дороговизны стандартной мембраны на основе полифторэтилена с боковыми сульфогруппами, но разработка и синтез редокс-активных полимеров с высокой растворимостью в воде – нестандартная задача.

Металлогидридные батареи

Протонные проточные батареи (ППБ) включает топливный элемент, состоящий из металлогидридного накопительного электрода в реверсивной мембране протонного обмена. Во время зарядки, ППБ сочетает ионы водорода, произведенные после разложения воды, с электронами и частицами метала в одном электроде топливного элемента. Энергия хранится в форме твердого металлогидрида. Разрядка производит электричество и воду, когда процесс обращается вспять, а протоны сочетаются с кислородом из окружающей среды. Могут применяться металлы, гораздо более дешевые, чем литий, и обеспечивать большую плотность энергии в сравнении с литиевыми элементами.

Батареи с сетью наночастиц

Серно-литиевая система, которая была смонтирована в сеть наночастиц, устраняет потребность в том, чтобы заряд двигался к частицам и от них, которые находятся в прямом производстве с проводящей пластиной. Вместо этого сеть наночастиц позволяет электричеству протекать сквозь жидкость. Это позволяет извлекать больше энергии.

Полутвердые батареи

В полутвердых проточных батареях, аноды и катоды состоят из частиц, подвешенных в жидкости-носителя. Суспензии для положительных и отрицательных полюсов хранятся в отдельных емкостях и перекачиваются по отдельным трубопроводам в ряд смежных реакционных камер, где они разделяются барьером типа тонкой пористой мембраны. Подход сочетает основную структуру проточных батарей на водной основе, использующих электродный материал, подвешенный в жидком электролите, с химией ионно-литиевых батарей с безуглеродными суспензиями и жидкими растворами с проводящей углеродной сетью. Безуглеродной полутвердой проточной редокс-батареей также иногда называется проточная редокс-батарея с твердой суспензией. Растворение материала сильно меняет ее химический процесс. Однако, взвешенные частицы твердого материала сохраняют характеристики твердого тела. В результате появляется вязкая суспензия, текущая как меласса.

Преимущества и недостатки

Проточные редокс-батреи и менее распространенные гибридные проточные батареи обладают преимуществами в плане гибкости компоновки (благодаря разделению активных составляющих), длительности срока службы (так как там не происходит фазовых переходов их твердого состояния в твердое), скорости времени отклика, отсутствия потребности в «уравнивании» заряда (перезарядка батареи для обеспечения равным зарядом всех элементов) и отсутствия вредных выбросов. Некоторые типы также предлагают легкое изменение заряда (через зависимость напряжения от заряда), низкую стоимость обслуживания и допуск перезарядки и переразряду. В сравнении с твердыми перезаряжаемыми батареями типа ионно-литиевых, проточные редокс-батареи, а также – их аналоги на водной основе, в частности, могут работать при больших напряжении и плотности энергии. Эти технические достоинства делают проточные редокс-батареи отличным вариантом для хранения энергии в промышленных масштабах.

Проточные батареи - почему за ними будущееВ качестве недостатка выступает плотность энергии, которая, хоть и сильно отличается, но все же ниже, чем у портативных батарей типа ионно-литиевых.

Также в сравнении с нереверсивными топливными элементами или электролизерами, использующими простые электролитические соединения, проточные батареи, в основном, обладают несколько меньшим КПД.

Развитие и экономия, идущая от лабораторий к промышленным предприятиям, продолжается и сегодня. Стоимость компонентов – один из важных аспектов этого процесса. В лаборатории было продемонстрировано серно-кислородно-солевое соединение.

Отрасли применения

Проточные батареи в большинстве случаев нужны для относительно крупных (1 кВт*ч – 10 МВт*ч) стационарных сооружений. Здесь присутствуют следующие отрасли:

  1. Выравнивание нагрузки, где батарея, соединенная с электрической сетью, накапливает избыточное электричество во внепиковые периоды и высвобождает его в периоды пиковой потребности. Общая проблема, которая ограничивает использование большинства химических веществ в проточных батареях – их низкая площадная мощность (рабочая плотность тока), которая приводит к высокой стоимости энергии;
  2. Хранение энергии из возобновляемых источников типа ветряной или солнечной для разрядки во время периодов пиковой потребности;
  3. Ограничение пика нагрузки, где его удовлетворяет батарея;
  4. Бесперебойное питание, где батарея используется в случае, если главный источник энергии не может обеспечить ее непрерывную подачу;
  5. Преобразование энергии, так как все элементы содержат один и тот же электролит(ы). Следовательно, электролит(ы) могут быть заряжены с использованием определенного числа элементов и разряжаться с его изменением. Так как напряжение батареи пропорционально количеству используемых в батарее элементов, следовательно, она может быть крайне мощным преобразователем постоянного тока. К тому же, если постоянно изменяется число элементов (на стороне входа и/или стороне выхода), также может происходить преобразование переменного тока в постоянный, переменного тока или постоянного тока в переменный с частотой, ограниченной коммутационным оборудованием;
  6. Электромобили – так как проточные батареи можно быстро перезарядить, заменив электролит, они могут использоваться там, где транспорту требуется взять энергию так же быстро, как и транспорту с ДВС. Обшей проблемой, связанной с большинством химикатов в ПРБ при применении их в электромобилях – низкая плотность энергии, что приводит к короткому запасу хода. Проточные батареи на основе высокорастворимых галогенатов являются исключением, достойным внимания.
  7. Автономные электростанции – Примером такого применения являются автоматические телефонные станции, где не требуется электросеть. Батарея может использоваться вместе с солнечными или ветряными источниками энергии для компенсации колебаний уровня мощности или вместе с генераторами для максимального увеличения КПД и сохранения топлива. На данный момент, проточные батареи используются в солнечных микрогридах по всем Карибским островам.
Проточные батареи - почему за ними будущее Загрузка…

Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Эффективное преобразование бесплатных лучей солнца в энергию, которую можно использовать для электроснабжения жилья и иных объектов, – заветная мечта многих апологетов зеленой энергетики.

Но принцип работы солнечной батареи, и ее КПД таковы, что о высокой эффективности таких систем пока говорить не приходится. Было бы неплохо обзавестись собственным дополнительным источником электроэнергии. Не так ли? Тем более что уже сегодня и в России с помощью гелиопанелей “дармовой” электроэнергией успешно снабжается немалое количество частных домохозяйств. Вы все еще не знаете с чего начать?

Ниже мы расскажем вам об устройстве и принципах работы солнечной панели, вы узнаете, от чего зависит эффективность гелиосистемы. А размещенные в статье видеоролики помогут собственноручно собрать солнечную панель из фотоэлементов.

Содержание статьи:

Солнечные батареи: терминология

В тематике «солнечной энергетики» достаточно много нюансов и путаницы. Часто новичкам разобраться во всех незнакомых терминах поначалу бывает трудно. Но без этого заниматься гелиоэнергетикой, приобретая себе оборудование для генерации “солнечного” тока, неразумно.

По незнанию можно не только выбрать неподходящую панель, но и попросту сжечь ее при подключении либо извлечь из нее слишком незначительный объем энергии.

Галерея изображений

Фото из

Установка из солнечных панелей позволяет рационально использовать бесплатную, к тому же неисчерпаемую энергию солнечных лучей

Миниатюрные электростанции, собранные из солнечных батарей, обеспечат энергией неэлектрифицированные объекты и дома, расположенные в регионах с перебоями в поставке электричества

Установки, перерабатывающие УФ излучение в электроэнергию, занимают минимум места. их располагают на крышах домов, хозпостроек, гаражей, беседок, веранд. Реже их располагают на открытых, не занятых постройками и насаждениями площадках

Солнечные батареи — незаменимое оборудование для любителей путешествий. Оно обеспечит энергией вдали от источников электропитания

Использование солнечной энергии предоставит возможность существенно сократить затраты на содержание дач и загородных домов. собрать и установить экономически полезную систему без затруднений можно собственными руками

Расположенные на корме яхты, палубе корабля или носу катера солнечные батареи обеспечат электроэнергией, благодаря которой можно поддерживать стабильную связь с берегом

Портативная солнечная панель с аккумулятором исключит возникновение экстремальных ситуаций вдали от населенных пунктов, гарантирует зарядку мобильных устройств для общения с близкими

Выпускаемые специально для походов легкие компактные зарядные устройства на основе солнечных батарей обеспечат энергией телефоны, рации, планшеты и медиа-технику

Рациональное использование природных ресурсов

Обеспечение энергией неэлектрифицированных объектов

Монтаж солнечных панелей на крыше

Мобильная солнечная батарея в кемпинге

Самостоятельный монтаж на дачном участке

Генератор энергии в морских прогулках

Портативная солнечная панель с аккумулятором

Занимающий минимум места прибор

Вначале следует разобраться в существующих разновидностях оборудования для гелиоэнергетики. Солнечные батареи и солнечные коллекторы – это два принципиально разных устройства. Оба они преобразуют энергию лучей солнца.

Однако в первом случае на выходе потребитель получает энергию электрическую, а во втором тепловую в виде нагретого теплоносителя, т.е. солнечные панели используют для .

Солнечная батареяСолнечная батарея

Максимум отдачи от солнечной панели можно будет получить, только зная, как она работает, из каких компонентов и узлов состоит и как все это правильно подключается

Второй нюанс – это понятие самого термина «солнечная батарея». Обычно под словом «батарея» понимается некое аккумулирующее электроэнергию устройство. Либо на ум приходит банальный отопительный радиатор. Однако в случае с гелиобатареями ситуация кардинально иная. Они ничего в себе не накапливают.

Принцип работы солнечной батареиПринцип работы солнечной батареи

Солнечной панелью генерируется постоянный электроток. Чтобы преобразовать его в переменный (используемый в быту), в схеме должен присутствовать инвертор

Солнечные батареи предназначены исключительно для генерации электрического тока. Он, в свою очередь, накапливается для снабжения дома электричеством ночью, когда солнце опускается за горизонт, уже в присутствующих дополнительно в схеме энергообеспечения объекта аккумуляторах.

Батарея здесь подразумевается в контексте некой совокупности однотипных компонентов, собранных в нечто единое целое. Фактически это просто панель из нескольких одинаковых фотоэлементов.

Внутреннее устройство гелиобатареи

Постепенно солнечные батареи становятся все дешевле и эффективней. Сейчас они применяются для подзарядки аккумуляторов в уличных фонарях, смартфонах, электроавтомобилях, частных домах и на спутниках в космосе. Из них стали даже строить полноценные солнечные электростанции (СЭС) с большими объемами генерации.

Солнечная батареяСолнечная батарея

Гелиобатарея состоит из множества фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей ФЭП), преобразующих энергию фотонов с солнца в электроэнергию

Каждая солнечная батарея устроена как блок из энного количества модулей, которые объединяют в себе последовательно соединенные полупроводниковые фотоэлементы. Чтобы понять принципы функционирования такой батареи, необходимо разобраться в работе этого конечного звена в устройстве гелиопанели, созданного на базе полупроводников.

Виды кристаллов фотоэлементов

Вариантов ФЭП из разных химических элементов существует огромное количество. Однако большая их часть – это разработки на начальных стадиях. В промышленных масштабах сейчас выпускаются пока что только панели из фотоэлементов на основе кремния.

Виды солнечных батарейВиды солнечных батарей

Кремниевые полупроводники используются при изготовлении солнечных батарей из-за своей дешевизны, особо высоким КПД они похвастаться не могут

Обычный фотоэлемент в гелиопанели – это тонкая пластина из двух слоев кремния, каждый из которых имеет свои физические свойства. Это классический полупроводниковый p-n-переход с электронно-дырочными парами.

При попадании на ФЭП фотонов между этими слоями полупроводника из-за неоднородности кристалла образуется вентильная фото-ЭДС, в результате чего возникает разность потенциалов и ток электронов.

Кремниевые пластины фотоэлементов различаются по технологии изготовления на:

  1. Монокристаллические.
  2. Поликристаллические.

Первые имеют более высокий КПД, но и себестоимость их производства выше, нежели у вторых. Внешне один вариант от другого на солнечной панели можно различить по форме.

Галерея изображений

Фото из

Гелио-электростанция на загородном участке

Солнечные монокристаллические батареи

Внешний вид солнечных батарей на монокристаллах

Монокристаллическая единица солнечной батареи

Поставка готовой к монтажу солнечной батареи

Поликристаллический фотоэлемент для солнечной батареи

Гелио-батарея из поликристаллических фотоэлементов

Изготовление солнечной батареи своими руками

У монокристаллических ФЭП однородная структура, они выполняются в виде квадратов со срезанными углами. В отличие от них поликристаллические элементы имеют строго квадратную форму.

Поликристаллы получаются в результате постепенного охлаждения расплавленного кремния. Метод этот предельно прост, поэтому такие фотоэлементы и стоит недорого.

Но производительность в плане выработки электроэнергии из солнечных лучей у них редко превышает 15%. Связано это с “нечистотой” получаемых кремниевых пластин и внутренней их структурой. Здесь чем чище p-слой кремния, тем более высокий выходит КПД у ФЭП из него.

Чистота монокристаллов в этом отношении гораздо выше, нежели у поликристаллических аналогов. Их делают не из расплавленного, а из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. Коэффициент фотоэлектрического преобразования у таких ФЭП уже достигает 20-22%.

Устройство солнечной батареиУстройство солнечной батареи

В общий модуль отдельные фотоэлементы собираются на алюминиевой раме, а для защиты их сверху закрывают прочным стеклом, которое нисколько не препятствует солнечным лучам

Обращенный к солнцу верхний слой пластинки-фотоэлемента делается из того же кремния, но уже с добавлением фосфора. Именно последний будет источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Настоящим прорывов в области использования солнечной энергии стала разработка гибких панелей с аморфным фотоэлектрическим кремнием:

Галерея изображений

Фото из

Гибкий вариант солнечной батареи

Наклейка гибкого фотоэлемента на жалюзи

Зарядка для мобильников на гибкой батарее

Устойчивая к механическим воздействиям панель

Принцип работы солнечной панели

При падении солнечных лучей на фотоэлемент в нем генерируются неравновесные электронно-дырочные пары. Избыточные электроны и «дырки» частично переносятся через p-n-переход из одного слоя полупроводника в другой.

В итоге во внешней цепи появляется напряжение. При этом на контакте p-слоя формируется положительный полюс источника тока, а на n-слоя – отрицательный.

Работа фотоэлектрического преобразователяРабота фотоэлектрического преобразователя

Разность потенциалов (напряжение) между контактами фотоэлемента появляется из-за изменения числа «дырок» и электронов с разных сторон p-n-перехода в результате облучения n-слоя солнечными лучами

Подключенные к внешней нагрузке в виде аккумулятора фотоэлементы образуют с ним замкнутый круг. В результате солнечная панель работает, как своеобразное колесо, по которому вместе белки “бегают” электроны. А аккумуляторная батарея при этом постепенно набирает заряд.

Стандартные кремниевые фотоэлектрические преобразователи являются однопереходными элементами. Переток в них электронов происходит только через один p-n-переход с ограниченной по энергетике фотонов зоной этого перехода.

То есть каждый такой фотоэлемент способен генерировать электроэнергию только от узкого спектра солнечного излучения. Вся остальная энергия пропадает впустую. Поэтому-то и эффективность у ФЭП так низка.

Чтобы повысить КПД солнечных батарей, кремниевые полупроводниковые элементы для них в последнее время стали делать многопереходными (каскадными). В новых ФЭП переходов уже несколько. Причем каждый из них в этом каскаде рассчитан на свой спектр солнечных лучей.

Суммарная эффективность преобразования фотонов в электроток у таких фотоэлементов в итоге возрастает. Но и цена их значительно выше. Здесь либо простота изготовления с невысокой себестоимостью и низким КПД, либо более высокая отдача вкупе с высокой стоимостью.

Работа солнечной батареиРабота солнечной батареи

Солнечная батарея может работать как летом, так и зимой (ей нужен свет, а не тепло) – чем меньше облачность и ярче светит солнце, тем больше гелиопанель сгенерирует электрического тока

При работе фотоэлемент и вся батарея постепенно греется. Вся та энергия, что не пошла на генерацию электротока, трансформируется в тепло. Часто температура на поверхности гелиопанели поднимается до 50–55 °С. Но чем она выше, тем менее эффективно работает фотогальванический элемент.

В итоге одна и та же модель солнечной батареи в жару генерирует тока меньше, нежели в мороз. Максимум КПД фотоэлементы показывают в ясный зимний день. Тут сказываются два фактора – много солнца и естественное охлаждение.

При этом если на панель будет падать снег, то электроэнергию она генерировать все равно продолжит. Более того, снежинки даже не успеют на ней особо полежать, растаяв от тепла нагретых фотоэлементов.

Эффективность батарей гелиосистемы

Один фотоэлемент даже в полдень при ясной погоде выдает совсем немного электроэнергии, достаточной разве что для работы светодиодного фонарика.

Чтобы повысить выходную мощность, несколько ФЭП объединяют по параллельной схеме для увеличения постоянного напряжения и по последовательной для повышения силы тока.

Эффективность солнечных панелей зависит от:

  • температуры воздуха и самой батареи;
  • правильности подбора сопротивления нагрузки;
  • угла падения солнечных лучей;
  • наличия/отсутствия антибликового покрытия;
  • мощности светового потока.

Чем ниже температура на улице, тем эффективней работают фотоэлементы и гелиобатарея в целом. Здесь все просто. А вот с расчетом нагрузки ситуация сложнее. Ее следует подбирать исходя из выдаваемого панелью тока. Но его величина меняется в зависимости от погодных факторов.

Параллельное и последовательное подсоединениеПараллельное и последовательное подсоединение

Гелиопанели выпускаются с расчетом на выходное напряжение, кратное 12 В – если на аккумулятор надо подать 24 В, то две панели к нему придется подсоединить параллельно

Постоянно отслеживать параметры солнечной батареи и вручную корректировать ее работу проблематично. Для этого лучше воспользоваться , который в автоматическом режиме сам подстраивает настройки гелиопанели, чтобы добиться от нее максимальной производительности и оптимальных режимов работы.

Идеальный угол падения лучей солнца на гелиобатарею – прямой. Однако при отклонении в пределах 30-ти градусов от перпендикуляра эффективность панели падает всего в районе 5%. Но при дальнейшем увеличении этого угла все большая доля солнечного излучения будет отражаться, уменьшая тем самым КПД ФЭП.

Если от батареи требуется, чтобы она максимум энергии выдавала летом, то ее следует сориентировать перпендикулярно к среднему положению Солнца, которое оно занимает в дни равноденствия по весне и осени.

Для московского региона – это приблизительно 40–45 градусов к горизонту. Если максимум нужен зимой, то панель надо ставить в более вертикальном положении.

И еще один момент – пыль и грязь сильно снижают производительность фотоэлементов. Фотоны сквозь такую “грязную” преграду просто не доходят до них, а значит и преобразовывать в электроэнергию нечего. Панели необходимо регулярно мыть либо ставить так, чтобы пыль смывалась дождем самостоятельно.

Некоторые солнечные батареи имеют встроенные линзы для концентрирования излучения на ФЭП. При ясной погоде это приводит к повышению КПД. Однако при сильной облачности эти линзы приносят только вред.

Если обычная панель в такой ситуации будет продолжать генерировать ток пусть и в меньших объемах, то линзовая модель работать прекратит практически полностью.

Солнце батарею из фотоэлементов в идеале должно освещать равномерно. Если один из ее участков оказывается затемненным, то неосвещенные ФЭП превращаются в паразитную нагрузку. Они не только в подобной ситуации не генерируют энергию, но еще и забирают ее у работающих элементов.

Панели устанавливать надо так, чтобы на пути солнечных лучей не оказалось деревьев, зданий и иных преград.

Схема электропитания дома от солнца

Система солнечного электроснабжения включает:

  1. Гелиопанели.
  2. Контроллер.
  3. .
  4. Инвертор (трансформатор).

Контроллер в этой схеме защищает как солнечные батареи, так и АКБ. С одной стороны он препятствует протеканию обратных токов по ночам и в пасмурную погоду, а с другой – защищает аккумуляторы от чрезмерного заряда/разряда.

Аккумуляторы для гелиопанелейАккумуляторы для гелиопанелей

Аккумуляторные батареи для гелиопанелей следует подбирать одинаковые по возрасту и емкости, иначе зарядка/разрядка будут происходить неравномерно, что приведет к резкому снижению срока их службы

Для трансформации постоянного тока на 12, 24 либо 48 Вольта в переменный 220-вольтовый нужен . Автомобильные аккумуляторы применять в такой схеме не рекомендуется из-за их неспособности выдерживать частые перезарядки. Лучше всего потратиться и приобрести специальные гелиевые AGM либо заливные OPzS АКБ.

Выводы и полезное видео по теме

Принципы работы и не слишком сложны для понимания. А с собранными нами ниже видеоматериалами разобраться во всех тонкостях функционирования и установки гелиопанелей будет еще проще.

Доступно и понятно, как работает фотоэлектрическая солнечная батарея, во всех подробностях:

Как устроены солнечные батареи смотрите в следующем видеоролике:

Сборка солнечной панели из фотоэлементов своими руками:

Каждый элемент в коттеджа должен быть подобран грамотно. Неизбежные потери мощности происходят на аккумуляторах, трансформаторах и контроллере. И их обязательно надо сократить до минимума, иначе и так достаточно низкая эффективность гелиопанелей окажется сведена вообще к нулю.

В ходе изучения материала появились вопросы? Или вы знаете ценную информацию по теме статьи и можете сообщить ее нашим читателям? Пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

admin

E-mail : admin@volonter61.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о