Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Лицей № 35»
Всероссийский конкурс «Детский проект»
Тема:
Конструирование зарядного устройства
на основе солнечной батареи
Выполнил:
,
обучающийся 4-б класса
Научный руководитель:
,
учитель начальных классов
г. Новокузнецк
2013
Содержание
Введение………………………………………………………………………..3
1.Основная часть……………………………………………………………… 5
1.1.Солнечная батарея и получение солнечной энергии…………………5
1.2. Компоненты зарядного устройства на основе солнечных батарей
и их соединение………………………………………………………. . 8
2. Практическая часть……………………………………………………… ..9
2.1. Изготовление корпуса для зарядного устройства……………………9
2.2. Сборка зарядного устройства………………………………………. . 10
2.3. Расчёт зарядного устройства………………………………………….11
2.4. Испытание зарядного устройства…………………………………… 12
2.5. Практическая значимость……………………………………………..13
Заключение………………………………………………………………….. .14
Список используемой литературы…………………………………………..15
Приложение…………………………………………………………………...16
Введение
Проблема: с каждым днем в нашу жизнь входит все больше устройств, расстаться с которыми мы не готовы ни на минуту. Это и мобильный телефон, и карманный компьютер, и цифровой фотоаппарат, и GPS навигатор и другие. Все эти устройства называются гаджеты. Когда мы находимся рядом с электрической розеткой, то проблем не возникает, но когда мысобирается в путешествие на природу, да ещё на длительное время, нам необходимо иметь под рукой зарядное устройство. Ведь бывают моменты, когда нужнопозвонить, а телефон разрядился, или «сели» батарейки у карманного фонарика, без которого в походе не обойтись. Как зарядить все эти гаджеты вдали от привычной электрической розетки? Очевидно, нужны зарядные устройства, которые работают от природного источника энергии, например, солнца.
Актуальность: мы часто бываем за городом, вдали от источников электричества, поэтому решили сконструировать такое зарядное устройство, которое будет работать на солнечных батареях, заряжать мобильный телефон, GPS навигатор, цифровой фотоаппарат и прочие устройства.
Гипотеза:зарядное устройство на основе солнечных батарейявляется преобразователем, который превращает солнечный свет в нужное нам электричество и его можно использовать для зарядки мобильного телефона и различных устройств в походных условиях, где доступа к электрической розетке нет.
Объект исследования:электричество, получаемое из природного источника – солнца.
Предмет исследования:зарядное устройство на основе солнечной батареи.
Цель научно – исследовательской работы: конструирование зарядного устройства на основе солнечных батарей, испытание его на практике.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Найти и изучить информацию о солнечных батареях, о получении солнечной энергии.
2. Сконструировать собственное зарядное устройство и описать механизм работы.
3. Провести испытание зарядного устройства.
Методы:
- изучение теоретических источников;
- практический;
- эксперимент.
1. Основная часть
1.1 Солнечная батарея и получение солнечной энергии
Солнечная батарея - устройство для преобразования энергии солнца в электричество.
Покупая солнечную батарею, для зарядки различных устройств в походных условиях, многие считают, что решили все свои проблемы в данной области. Но, как показывает практика, не тут-то было, то зарядка не идёт, то мощности не хватает. Энергия, получаемая от солнечной батареи - это пока ещё некий полуфабрикат, во многих случаях непригодный для питания различных устройств. Лишь самые «некапризные» из них могут её «переварить», в основном это аккумуляторы, да и то, не всех типов. Плохое качество энергии заключается в нестабильности выходного тока и напряжения и в малом количестве этой энергии, явно меньше тех цифр, что присутствуют в описании солнечных батарей. Как же «правильно» использовать солнечную батарею, чтобы получить от неё максимум энергии, которую она может дать?
Для грамотного использования батарей необходимо придерживаться двух основных правил. Первое правило - солнечная батарея должна как можно больше времени находиться на солнце, второе - она должна работать и отдавать всё, что может.
Также должно быть устройство, которое накапливает всю энергию, которую выдает солнечная батарея. Чаще всего, это либо аккумулятор, либо более сложный накопитель. Их использование позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз, и при этом обеспечить гарантированную зарядку устройств (гаджетов), даже когда солнца нет.
Для примера, возьмём две солнечные батареи, мощность каждой - 2 Вт. По данным завода изготовителя солнечная батарея мощностью 2Вт, имеет выходное напряжение 5 В, выходной ток - около 400 мА. При параллельном подключении батарей, общая мощность станет 4 Вт, соответственно увеличится сила тока в два раза и составит 800 мА. Этой мощности вполне достаточно, чтобы обеспечить потребности туриста с набором из GPS, фотоаппарата, рации.
Что же мы можем подключить напрямую к этим батареям? Проще всего зарядить от солнечных батарей обычные «пальчиковые» аккумуляторы. От солнечной батареи мощностью 4Вт можно заряжать от одного до четырехаккумуляторов. Возможность зарядки аккумуляторов напрямую от солнечной батареи обусловлена тем, что эти аккумуляторы допускают пропускание через себя тока даже в полностью заряженном состоянии. Этот ток составляет примерно 1/10 от их ёмкости, т. е. через аккумулятор ёмкостью, например, 2700 мА/ч можно и после зарядки «прокачивать» ток до 270 мА. В большинстве случаев, ток,«снимаемый» с солнечной батареи, намного ниже паспортного (которыйсоответствует жаркому летнему дню), так как не всегда ясное небо, и неточная ориентация батареи на солнце, да и само солнце может быть не в зените. В результате, ток с солнечной батареи зачастуюоказывается не слишком превышающим безопасные для аккумуляторов величины, что и позволяет нам заряжать «пальчики» напрямую, без специального зарядного устройства. Необходимость следить за перегревом возникает лишь при ярком солнце.
А какое электронное устройство можно подключить к этим солнечным батареям? Чтобы гарантированно и безопасно заряжалось - практически ничего. Каждый раз нужно проверять эту возможность методом проб и ошибок.
Мобильный телефон, можно заряжать от солнечной батареи, но при этом следует учесть, что на ярком солнце батарея даёт слишком большой ток, а сам телефон его ограничивать в большинстве моделей, не умеет. Поэтому на ярком солнце следует ставить солнечную батарею под углом, чтобы ограничить ток.
95 % моделей телефонов зарядить напрямую от 4-х ваттной батареи не получится. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, недостаточное количество тока из солнечной батареи, приводит к падению напряжения на выходе ниже допустимого и схема зарядки прекращает работу, считая, что что-то случилось с источником питания. Во-вторых, даже если тока достаточно, то напряжение с солнечной батареи нестабильно, а многие устройства имеют весьма узкие границы допустимого входного напряжения 4,8В – 5,5В. И как только мы выходим за эти пределы, зарядка прекращается, то есть физически зарядка идти могла бы, но запрещена разработчиками большинства устройств.
Поэтому самым простым способом исправления ситуации является применение электронных стабилизаторов напряжения, установленных на выходе солнечной батареи. Стабилизатор не позволяет напряжению подняться выше заданного, поэтому исчезает риск «сжечь»устройство, и дает возможность использовать солнечные батареи для зарядки «капризных» к питанию устройств.
После обеспечения безопасности процесса зарядкиразличных устройств питать их стало возможным от любой солнечной батареи. Но что делать, когда солнце вроде бы и есть, но его недостаточно для нормальной зарядки? То есть мы могли бызарядить нашеустройство пусть и за более долгое время, ноэлектроника запрещает нам это делать, так как мы не можем обеспечить достаточный ток. Конечно, можно купить ещё более мощную солнечную батарею, но выход ли это? Дороже, тяжелее носить, и есть вероятность, что слабый свет не позволит даже мощной батарее «прокормить»устройство-потребитель (гаджет).
И еще, когда устройство частично заряжено, оно уже не берёт весь ток от солнечной батареи, и ток просто теряется. Более разумный выход заключается в использовании буферного аккумулятора -накопителя. Такой накопитель поглощает практически весь ток, который может выработать солнечная батарея. По аналогии, накопитель - это большое ведро, в которое льётся струйка энергии из солнечной батареи. Причём мощность струи может колебаться в десятки раз, неважно - любой поток сгодится для наполнения ведра - всё, что может дать солнечная батарея, всё складируется в аккумуляторы накопителя. Когда же нужно зарядить какое-либоустройство, то оно просто подключается к накопителю и черпает из него столько энергии и с такой скоростью, с какой ему удобно, и зарядившись, не ждёт, когда же солнечная батарея даст ему нужную порцию. Одним из плюсов использования буферного накопителя, является возможность зарядки в любое удобное время, а не только когда есть солнце.
1.2 Компоненты зарядного устройства на основе солнечных батарей
и их соединение
Рациональный набор для максимального использования энергии солнечной батареи, которая обеспечит питанием различные устройства в походных условиях:
1. Солнечная батарея (мощность 2Вт) - 2 шт.;
2. Накопительный аккумулятор АА - 4шт.;
3. Стабилизатор напряжения (вх.U-4,5-10вольт; вых.U- 5 вольт).
Солнечная батарея подключена непосредственно к аккумулятору, что позволяет исключить потери тока на работу схемы его зарядки. Стабилизатор подключается к контактам аккумулятора и питает нагрузку. Естественно, зарядка аккумуляторов и питание устройств-потребителей могут выполняться одновременно.
Четыре последовательно включенных аккумуляторов имеют выходное напряжение около 4,8 В. При таком напряжении солнечная батарея 5Вуже не может пропустить в аккумуляторы большой ток, и он резко снижается до безопасного. Процесс заряда самостоятельно и безопасно прекращается. Буферный аккумулятор имеет стандартноенапряжение 4,8 В, поэтому к нему можно без труда подключать любые адаптеры для устройств, работающие отзарядных устройств 5В(лишь бы они не потребляли ток, больший, чем может отдать аккумулятор).
Достоинства зарядного устройства на основе солнечных батарей: простота и компактность, минимум проводов, не нужно контролировать аккумуляторы. Для более быстрой зарядки накопительных аккумуляторов мы используем параллельное соединение, то есть подключаем их попарно(два последовательно +два последовательно).
На основании вышеизложенного можно сделать выводы:
1. Использованиесолнечной батареибез буферного аккумулятора (накопителя) заставляет завышать её мощность и при этом качественная и безопасная зарядка различных устройств в реальных условиях эксплуатации всё равно не гарантируется. Буферный аккумулятор (накопитель) позволяет снизить требования к мощности солнечной батареи в несколько раз и обеспечивает дополнительные удобства в эксплуатации.
2. Использование электроники (стабилизаторов, преобразователей напряжения) не просто желательно, а, во многих случаях, обязательное условие безопасной зарядки сложных потребителей.
2. Практическая часть
Рассмотрим универсальное зарядное устройство на основе солнечных батарей, сконструированное своими руками.
2.1 Изготовление корпуса для зарядного устройства
Корпус решили делать из фанеры толщиной 5 мм, так как она легко обрабатывается и все детали прочно клеются (см. Приложение 1).
У нас получился прочный корпус для зарядника, в которм есть отсек для аккумуляторов, а также место для расположения солнечных панелей и электронной части.
В корпусе выпилили отверстия для выключателя и для кнопки переключения накопителей в режиме параллельно, последовательно, а так же под светодиод, и обтянули кожей (искусственной). Корпус готов.
Корпус для зарядного устройства визуально напоминает небольшую записную книжку, компактного размера (210 мм х 150 мм х 20мм) и маленького веса.
2.2 Сборка зарядного устройства
Детали, изкоторых сделано зарядной устройство, соответствуют
электрической схеме (см. Приложение 2):
1. Солнечные панели;
2. Кнопка переключатель SB;
3. Диод с малым сопротивлением(Шотке) VD1;
4. Выключатель накопительных аккумуляторов SB1;
5. Разъем для зарядки от блока питания 220В;
6. Стабилизатор напряжения SCW03E-05;
7. Резистор (сопротивление)R1 330 Ом;
8. Светодиод;
9. Разъём USB.
Для зарядного устройства нам понадобитсяUSB разъем для подключения к различным приборам (гаджетам),ведь многие телефоны имеют «ДАТА»-кабель. Такой разъем нашли в сломанном блоке питания и выпаяли его. Зная расположениеразъёма, вмонтировать его не сложно.
Так же придусмотрели зарядку внешних пальчиковых аккумуляторов для тех устройств, которые работают от батарек размера АА. Это может быть фотоаппарат, плеер, фонарь и т. п.В обычный бокс для четырёх аккумуляторов размера АА впаяли USB кабель, и теперь он подключается к нашему зарядному устройству, у нас всегда будут под рукой резервные аккумуляторы.
2.3Расчёт зарядного устройства
Произведем теоретический расчёт работы нашего зарядного устройства. Мы знаем, что солнечные панели по характеристике имеют напряжение (U) - 5 Вольт и мощность (Р) - 2 Ватта. Зная мощность и напряжение, можно узнать силу тока, которая будет протекать по электрической цепи.
Расчет делаем по формуле:
P= I х U, отсюда следует, что I=P/U,
где P-мощность; I-сила тока; U-напряжение.
Получаем: I=2/5; I=0,4 А или 400мА.
Сила тока измеряется в Амперах, миллиамперах. 1А=1000мА. Одна солнечная батарея (панель) выдаёт U– 5В, I – 400мА. У нас две солнечные батареи, если их подключить параллельно, то они будут выдавать мощность 800мА при напряжении 5В.
Теперь нам надо знать, какаясила тока понадобится для нормальной зарядки аккумуляторов.
Производители аккумуляторов рекомендуют заряжать их 1/10 часть от их полной ёмкости. Например: если у нас аккумулятор 2700 мА/ч, то его зарядный ток должен быть 270мА. Мы имеем 4 аккумулятора по 2700мА/ч, но они подключены последовательно, поэтому их ёмкость не увеличилась, а осталась 2700мА/ч. Получается, что для зарядки последовательно включённых аккумуляторов потребуется ток 270мА. Поэтому наших солнечных батарей (панелей), которые выдают ток 400 мА, вполне хватает. Но на всякий случай, предусмотрим в схеме параллельное и последовательное включение накопительных аккумуляторов, что позволит нам регулировать скорость зарядки. Ещё надо учитывать падение напряжения на электронной части зарядного устройства: диоде, который не даёт разряжаться буферным аккумуляторам (накопителям) когда нет солнца; стабилизаторе напряжения, который необходим для безопасной зарядки сотовых телефонов и различных устройств. Стабилизатор забирает примерно 40мА, но он включён параллельно буферным аккумуляторам, и его можно отключить выключателем. Диод, который не дает разрядиться буферным аккумуляторам (накопителям), имеет небольшое сопротивление. Последовательноеподключение отнимает некоторое напряжение от зарядки, но оно незначительное. Если всё правильно рассчитать, то зарядное устройство должно работать.
2.4Испытание зарядного устройства
Испытание зарядного устройства сначала происходило в домашних условиях. Поставили зарядное устройство на подоконник. Зарядка буферных аккумуляторов (накопителей) в квартире на подоконнике шла очень медленно, так как окна выходили на север, и солнца не было. Но выйдя на улицу, стабилизатор напряжения включился и загорелся светодиод, что означает напряжение на выходе 5 вольт, и это зимой, когда плотность солнечной энергии слабая.
Замер силы тока показал, что мы имеем 380мА (это меньше характеристики завода изготовителя). Но и солнце светит не так ярко, как летом. При такой силе тока вполне можно зарядить наши накопительные аккумуляторы, только понадобится больше времени.
Ёмкость буферных аккумуляторов (накопителей) 2700 мА/ч. Это значит, чтобы зарядить их, надо дать им в течении часа 2700 мА. При силе тока380 мА они будут заряжаться примерно 7 часов 10 минут(2700 мА /380 мА = 7,1 часов).
Мы не стали ждать полной зарядки. После 3 часов зарядки аккумуляторов подключили к устройству мобильный телефон, зарядка пошла, телефон начал заряжаться от накопительных аккумуляторов.
Мы достигли ожидаемого результата. Солнечные батареи вполне справились со своей работой. Летом зарядка будет идти в два раза быстрее, так как солнце светит ярче и плотность солнечной энергииочень высокая.
Для работы с данным устройством была составлена инструкция по эксплуатации (см. Приложение 3).
2.5Практическаязначимость
В результате работы над изобретением, мы показали, что зарядное устройство сочетает в себе две солнечные батареи, резервные аккумуляторыи преобразователь напряжения, с помощью которого солнечный свет превращается в нужное нам электричество и это очень удобное туристическое снаряжение. С помощью зарядного устройства мы всегда можем зарядить телефон и быть на связи, зарядить фонарик, который просто необходим, когда мы отдыхаем на природе. Ведь в течение дня энергия накапливается во внутренний аккумулятор, а ночью – переливается в мобильный телефон или другое устройство (фонарик и т. д.).
Сконструированное зарядное устройство на основе солнечных батарей пригодится всем тем людям, кто часто и надолго уезжает из дома, и находится далеко от цивилизации - это и геологи, и археологи, и туристы, и работники спасательной службы.
Заключение
Выполняя научно – практическую работу мы пришли к выводам:
1. Сконструировать собственное зарядное устройство на основе солнечных батарей - это познавательно. В собственное зарядное устройство можно внести те конструктивные особенности, которые требуются лично вам.
2. Зарядное устройство визуально напоминает небольшую записную книжку, компактного размера и маленького веса.
3. Проведя испытание, можно утверждать, что зарядное устройство, изготовленное самостоятельно можно считать пригодным по назначению. В эксплуатации оно простое и неприхотливое.
Сконструированное зарядное устройство на основе солнечных батарей является правильным техническим решением, потому что, уезжая на длительное время или уходя в поход, где нет электрической розетки, нам необходимо иметь с собой эту вещь, с помощью которой можно зарядить все необходимые мобильные устройства.
Список используемой литературы
1. Осадчий, энергоустановка [Текст] / // Электрические станцииN1, - с. 44-Нетрадиционная энергетика). - Библиогр.: с.назв.).
2. Тимошкин, энергетика и солнечные батареи [Текст] / . – М.: 1966. - с. 163-194.
3.Фугенфиров, солнечной энергии в России [Текст] / // ТеплоэнергетикаN4, - с. 6-12. - Библиогр.: с.назв.).
4. Элементы солнечных батарей и дополнительные компоненты [Электронный ресурс]: – Режим доступа:http://www. *****/solar-cell. php.
Приложение
Приложение 1
Схема сборки корпуса
Для сборки корпуса необходимо 7 деталей.
Выпилили заготовки размером:
1 деталь - 210мм х 150мм - 1шт.;
2 деталь - 210мм х 105мм - 1шт.;
3 деталь - 210мм х 25мм - 1шт.;
4 деталь - 210мм х 20мм - 1шт.;
5 деталь - 28мм х 20мм - 2шт.;
6 деталь - 210мм х 10мм - 4шт.;
7 деталь - 84мм х 10мм - 4шт..
К детали 1 в торец приклеить деталь 3, затем детали 5 по бокам. Деталь 6 приклеивается к деталям 1и 5. На деталь 2 надо приклеить по периметру 6 и 7. Остальные 6 и 7 надо клеить на 1-ю деталь, тоже по периметру.
Приложение 2
Приложение 3
Инструкция по эксплуатации зарядного устройства
1. Зарядка накопительных аккумуляторов от солнечных батарей.
Открыть крышку солнечных батарей, направить на солнце. Включить накопительные аккумуляторы выключателем SB1. Для регулировки заряда использовать кнопку переключения накопителей в режиме последовательно – параллельно. При последовательном соединении загорится диод.
2. Зарядка различных устройств (сот. телефона и т. д.) от накопителей.
Подключить сотовый телефон с помощью ДАТА-кабель к USBразъёму. Включить SB1, накопители включить последовательно. Загорится красный диод.
3. Зарядка накопительных аккумуляторов от сети 220В.
Подключить сетевой адаптер к штекерному разъёму, включить в сеть. Заряжать не более 4-х часов.
