Печать солнечных батарей — будущее солнечной энергии arduino+

Печать солнечных батарей: будущее солнечной энергии

Американская компания по производству солнечных батарей “Тритон Солар” (Triton Solar) недавно подписала соглашение на 100 миллионов долларов.

Деньги пойдут на открытие фабрики в Индийском штате Карнатака с целью начать производство на месте с августа 2016 года. Компания анонсировала данное решение 14-го декабря, планируя уже в апреле построить объект в штате Мадхья-Прадеш.

Штаб-квартира “Тритона” находится в Нью-Джерси и компания специализируется на печати солнечных батарей (или элементов) с помощью нанотехнологий и запатентованной техникой печати. Такие батареи могут работать на открытом воздухе и могут производить солнечную энергию от окружающего освещения, без необходимости наличия прямого солнечного света.

На данный момент немногие компании и организации развивают область печати солнечных тонкопленочных батареи, несмотря на громкие заголовки в СМИ два года назад в 2013 году. В этом году, Австралийский Викторианский Органический Консорциум Солнечных Батарей (VICOSC), часть Австралийского Содружества Научных и Промышленных Исследовательских Организаций (CSIRO), продемонстрировал масштабный процесс печати органических солнечных батарей, который позволил провести непрерывную печать гетеропереходных (BHJ) солнечных элементов, используя подложку шириной 30 см.

Несколько демонстрационных модулей были разработаны для оценки. Это были окрашенные сенсибилизированными клетками (DSC) модули, которые могут быть напечатаны на ряде субстратов, в том числе пластике, стекле или стали. Это может потенциально позволить им быть интегрированными во многих направлениях, таких, как смартфоны, планшетные или портативные устройства. Тем не менее, в настоящее время они в 10 раз менее эффективным, чем стандартный кремний.

В марте 2014 года, группа британских ученых из Национальной физической лаборатории (NPL) в Миддлсексе также разработала печатаемые солнечные батареи. Они могут работать на серые дни, когда довольно мало солнечного света. Эти модули доступны и могут использоваться в различных областях применения, например, интеграцию в материале пальто или сумки, где они могут быть использованы для зарядки мобильных устройств.

Еще одна компания участвующая в разработке таких технологий является “Eight19”, использующая органические полупроводниковые материалы, которые получены из стандартных, потенциально дешевых, материалов. Эти полупроводники имеют сильную способность поглощения света, около 100 раз сильнее, чем у кремния, и они могут быть получены из раствора в условиях окружающей среды, которые, в свою очередь делают материал ультратонким. Это также означает, что они могут быть распечатаны с помощью непрерывной печати, что очень сильно снижает затраты. Печатные устройства, используемые для достижения этой цели уже доступны. Они могут печатать материал от нескольких десятков до нескольких сотен метров в минуту, и обычно используются для изготовления упаковочных и высоко-качественных покрытий.

Учитывая, что тонко-пленочный материал очень легкий – нет необходимости для, например, укрепления крыши, а возможность печати батарей в различных диапазонах цветов – означает, что они потенциально могут быть гораздо менее навязчивым, чем стандартные кремниевые солнечные батареи. Автомобильная промышленность также становится заинтересованной в печати тонкопленочных солнечных батарей, с целью установки солнечных фотоэлектрических элементов на крышах автомобилей, где они могли бы помочь для зарядки аккумуляторов автомобилей.

Эта технология все еще находится на ранней стадии развития, так что еще пройдет время, прежде чем мы увидим их в коммерческих областях. Тем не менее, прогресс в этой области гонят вперед университеты по всему миру, а также крупные химические компании. Очень часто это требует некой договоренности о партнерстве, так, “Eight19” работает с Кембриджским университетом и различными компаниями, разрабатывающими такие материалы.

История на этом не заканчивается, однако, печатные органические солнечные элементы теперь имеют конкурирующую технологию – солнечные батареи из перовскита , – которые достигли 20 процентов эффективности против 10 процентов.

Перовскит — сравнительно редкий для поверхности Земли минерал, титанат кальция. Эмпирическая формула: CaTiO3.

Перовскит начал привлекать внимание “солнечного” сектора около пяти лет назад. Это материал, который содержит свинец, йод и органический компонент. Когда он был впервые изучен, он смог достичь только 3 процентов эффективности. Но в течение всего пяти лет эта цифра подскочила до 20 процентов, что вдвое больше чем у печатной органической тонкой пленки, упомянутой ранее. По словам Михаила Грацель, солнечного исследователя в Политехнической школе в Лозанне (Швейцария), из издания “Nature Materials”, повышение металлического галоидного соединения перовскита в солнечном секторе ошеломил сообщество. Фиона Скоулз, органический фотоэлектрический эксперт в компании CSIRO, в интервью журналу “Cosmos Magazine”, описал событие как “без сомнения, самый большой шаг вперед в органических солнечных элементах”.

Основываясь на материалах инженера Жинсона Хуана из Университете штата Небраска, – ключ к способности перовскита генерировать электричество является внутренняя структура, которая позволяет электронам легко добраться до электрода в этих напечатанных солнечных элементах. Тем не менее, для того, чтобы эффективно конкурировать с кремнием, – по-прежнему необходимо достичь около 25 процентов эффективности, что вполне может быть возможным в течение следующих пяти лет.

Есть и некоторые минусы у солнечных батарей из перовскита – они чувствительны к влаге, т.к. содержат свинец, и таким образом, становятся источником токсичности, в случае нарушения герметичности. Тем не менее, Хуан считает, что батареи из перовскита могут быть оптимизированы для того, чтобы сделать их более стабильными, а другие исследователи работают над способами замены содержащегося свинца на что-то менее вредное.

Фиона Скоулз считает, что печатные солнечные элементы станут “ключевой частью возобновляемой энергии” в ближайшие годы. Это, конечно, верно, учитывая необходимость сделать что-то с изменением климата декарбонизацией энергоснабжения в мире, так что мы должны исследовать как можно больше возможностей из тех что нам даны.

Печать солнечных батарей становится большой и важной частью в вопросе мировой энергетики.

Фото: David Westmore, Flickr / University of Oxford Press, Flickr

Солнечная батарея 5В

Товары

Содержание

Обзор солнечной батареи 5В

В процессе эволюции человечество научилось добывать электрическую энергию, используя природные ресурсы. Это могут быть полезные ископаемые (теплоэлектростанции, использующие нефть, уголь или атомные, использующие ядерное топливо), водные ресурсы (гидроэлектростанции), поток ветра (ветроэлектростанции). Солнечные батареи – это набирающий популярность источник дешевого электричества, получаемого из солнечных лучей. Солнечная батарея состоит из фотоэлементов на основе кремния, которые прямо преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток.

К преимуществам солнечных батарей относятся:

постоянство – если полезные ископаемые могут закончиться, то наcчет солнечной энергии беспокоиться не стоит;

обширная область использования – могут применяться как в сельской местности, так и в космосе.

Однако у солнечных батарей есть и недостатки:

cсолнечное освещение – непостоянная величина и КПД (коэффициент полезного действия) батареи будет снижаться в пасмурную погоду.

Солнечная батарея 5В 1.2 Вт (рис. 1) идеально подходит для зарядки небольших аккумуляторных батарей и питания маломощных устройств.

Технические характеристики

Максимальная выходная мощность: 1.2 Вт;

Напряжения холостого хода: 5 В;

Рабочий ток: 200 мА;

Коэффициент полезного действия (КПД) : 17%;

Размеры: 70 х 55 х 3 (±0.2) мм;

Пример использования

Перейдем к практическому использованию батареи. Проверяем напряжение холостого хода – 5 В, как и заявлено. Попробуем подключить к батарее светодиод (рис. 2).

Мощность естественно зависит от освещенности. Ток КЗ на окне при ярком солнце 50-70 мА.

Проверим, насколько эффективно можно использовать данные солнечные батареи, точнее нескольких батарей, соединенных параллельно, для зарядки Li-ion аккумулятора 18650.

солнечная батарея 5 В, 1.2 Вт – 4 шт;

Li-ion аккумулятор 18650 – 1 шт;

Модуль для зарядки Li-ion батарей на микросхеме TP4056 – 1 шт;

По документации рабочий ток 200 мА на одну батарею. Соединим 4 данных солнечных батареи параллельно и проверим ток кз. На окне при ярком солнце 150-220 мА. Для зарядки аккумулятора 18650 будем использовать модуль для зарядки Li-ion батарей на микросхеме TP4056 (рис. 3).

Контроллер заряда TP4056 отключается от аккумулятора при достижении на аккумуляторе заряда в 4.2 В, при заряде сила тока постепенно понижается.

Схема подключения показана на рисунке 4.

Собираем схему (рис. 5) и приступаем к испытаниям.

Выставляем устройство на солнце. Пошел процесс зарядки. Об окончании зарядки сигнализирует синий светодиод. Скорость зарядки очень сильно зависит от освещения.

Контакты OUT+ и OUT- выводим на USB-разъем и можем использовать заряженный аккумулятор, например для зарядки телефона.

Часто задаваемые вопросы FAQ

  1. Батарея выдает недостаточный ток

Ток батареи зависит от солнечного освещения, найдите более солнечное место;

Объедините несколько батарей, подключив их параллельно.

Двухосевой солнечный трекер на Arduino

Для начала, наверное, стоит рассказать, что в этой статье понимается под солнечным трекером. Коротко говоря, устройство представляет собой подвижную подставку под солнечную панель, нужную, чтобы в условиях наших умеренных широт панель собирала достаточное количество света, меняя своё положение вслед за солнцем.

В данном случае прототип солнечного трекера собирался на базе Arduino. Для вращения платформы в горизонтальной и вертикальной оси используются сервоприводы, угол поворота которых зависит от мощности падающего на фоторезисторы света. В качестве корпуса используется всеми любимый советский металлический конструктор.

Нелишним будет упомянуть, что всё это делалось как курсовой проект, поэтому я не стал заниматься приобретением и креплением собственно, самой солнечной панели и аккумулятора, так как их наличие не имеет отношения к работе трекера. В оправдание могу сказать, что возможности советского металлического конструктора необъятны, так что прикрутить к нему небольшую солнечную панель для зарядки телефона не составит особенного труда, если возникнет такое желание.

Итак, что использовалось при сборке:

  • Arduino MEGA 2560 R3
  • Сервопривод Tower SG90 — 2x
  • Фоторезистор MLG4416 (90mW; 5-10kOhm/1.0MOhm) — 4x
  • Звонок пьезоэлектрический KPR-G1750
  • Металлический конструктор
  • Резистор выводной 10 kOhm; 0,25W; 5% — 4x
  • Печатная макетная плата, корпус, шнуры для соединения

Mega использовалась исключительно по причине её наличия в шкафу на момент утверждения темы проекта, если учитывать покупку всех элементов с нуля, то в данном случае вполне себе хватит и Uno, но выйдет, конечно, дешевле.

Внезапно оказавшийся в списке спикер потребовался для пущего эффекта высокотехнологичности. Дело в том, что сервоприводы могут поворачиваться только на 180 градусов, да большего нам и не требуется, при учёте того, что следим мы за солнцем. Но при тестировании работы проекта, когда за солнцем в две минуты демонстрации особо не последишь, оказалось, что неплохо было бы сигнализировать, в какой момент стоит перестать размахивать фонариком, потому что сервопривод достиг мёртвой зоны. Для этого и был добавлен вышеупомянутый звонок.

Итак, начнём собирать трекер. Для начала разделим предстоящий фронт работ на условные четыре этапа: сборка подставки для солнечных панелей и крепление сервоприводов, крепление к собранной конструкции светочувствительных элементов, пайка и написание кода для Arduino.

Фигура первая: конструкторская

Путём интенсивного поиска была найдена парочка примеров конструкции подобных устройств. Наибольшего внимания удостоились два:

  • www.youtube.com/watch?v=SvKp3V9NHZY – победитель в номинации «Подача материала» проиграл в надёжности и практичности устройства: конструкция представляет собой соединение двух сервоприводов напрямую.
  • www.instructables.com/id/Simple-Dual-Axis-Solar-Tracker — собственно, отсюда и была взята основная идея моей конструкции, за исключением материала и общего внешнего вида поворотного корпуса.

Сборка из металлического конструктора была сопряжена с определёнными трудностями: пришлось подогнать дрелью отверстия для подключения сервоприводов, а также надёжно приклеить их к платформам в двух плоскостях. То, что получилось, показано на видео ниже.

Фигура вторая: схемотехническая

Главной задачей крепления фоторезисторов было даже не их подключение, а обеспечение разделения света для каждого из четырёх элементов. Понятно, что оставить их без каких-нибудь перегородок было нельзя, так как тогда значения, получаемые с фоторезисторов, были бы примерно одинаковы и поворота бы не получилось. Тут, к сожалению, возможности металлического конструктора подвели, главным образом из-за наличия во всех деталях отверстий. Найти подходящей металлической детали не получилось, поэтому мой солнечный трекер обзавёлся инновационной перегородкой из картона. Несмотря на достаточно убогонький вид, своё предназначение она выполняет отлично.

Фоторезисторы к корпусу прикреплены вполне надёжно, единственное, с чем стоило бы поработать – это с аккуратностью их расположения на платформе: сейчас они смотрят вверх недостаточно перпендикулярно, что может расстраивать перфекционистов и слегка портить точность поворота.

Немного схемотехники: подключение светочувствительных элементов осуществляется по схеме делителя напряжения, для чего потребовались указанные в списке элементов выводные резисторы. Все фоторезисторы припаяны к общему контакту, подключенному к пятивольтному выходу питания Arduino. Для удобства и эстетики ноги фоторезисторов припаяны к контактам двух трёхжильных изолированных проводов (один контакт остался неиспользуемым и спрятан). Все схемотехнические детали можно рассмотреть на схеме ниже.

Фигура третья: паяльная

Что-либо подробно описывать тут не несёт особого смысла, поэтому просто прилагаю фото используемых материалов и полученную в результате макетную плату.

Фигура четвёртая: с новым кодом!

Общий алгоритм работы заключается в обработке данных с фоторезисторов при помощи АЦП. Имеем 4 элемента, то есть 4 показания, находим среднее показание по левой стороне ((верхний левый + нижний левый) / 2), аналогично по правой, верхней и нижней сторонам. Если разница по модулю между левой и правой стороной больше порога, то осуществляем поворот в сторону с большим средним значением. Аналогично для верха и низа. Особые плюшки в коде: можно задавать вручную чувствительность срабатывания и максимальный и минимальный угол в двух плоскостях. Листинг рабочего кода приведён ниже.

Результат работы

Солнечный трекер

Солнечный трекер – система, предназначенная для слежения за перемещением солнца, чтобы получить максимальный КПД от солнечных батарей.
Концепция трекера предельно проста – по двум датчикам контроллер заставляет серводвигатель поворачивать платформу с солнечной батареей в ту сторону, где больше света.
Домашний прототип рабочего трекера показан на фото ниже:

В проекте используется два датчика-фоторезистора, которые направлены в разные стороны от плоской поверхности на 45°, т.е. относительно друг-друга фоторезисторы сориентированы на 90°. На сами датчики надеты колпачки, чтобы поток света, падающий на них был узконаправленным.

В проекте используется контроллер Arduino. Контроллер периодически считывает значения с двух датчиков и сравнивает их. Если значения с датчиков одинаковы, значит панель наведена на солнце. В случае, если значение одного из датчиков отличается от другого, контроллер дает команду на серводвигатель для поворота платформы. Команда на серво работает до тех пор, пока значения с датчиков не сравняются.

Для предотвращения чрезмерного поворота платформы присутствуют программные лимиты поворота, которые в случае необходимости можно отключить. Также, в коде программы предусмотрена константа deadband, при разности с датчиков меньше значения этой константы, контроллер не будет давать команду на поворот серводвигателя. Т.о. предотвращается дергание платформы (джиттер).
Также, на всякий случай добавлено 2 переменные позволяющие сгладить значения от датчиков. Это помогает отфильтровать “выбросы” и шум.

Скетчи для Arduino

В начальной секции программы описываются подключаемые библиотеки (в нашем случае servo.h), определяются пины и константы

В следующей части кода описывается функция Setup(). Данная функция выполняется только один раз при запуске программы или после сброса контроллера. Здесь вы можете вывести в Serial Monitor какие либо данные для отладки, или как в приведенном ниже примере сделать “прогон” серводвигателя по всей траектории до лимитов.

Финальная часть кода выполняется в циклической функции loop(). Здесь считываются значения с датчиков, производятся все расчеты и выдаются команды на серводвигатель.

Также, в программе используется вспомогательная функция getTravel(), которая используется для вычисления, куда поворачивать серво – влево, вправо или вообще ничего не делать. Функция просто возвращает значение: 0 – ничего не происходит, -1 поворот влево, +1 поворот право.

Конечно, это простой солнечный трекер и может служить основой для более сложных устройств. К примеру можно сделать более лучшую фильтрацию входных переменных, добавить ПИД-регулирование, в схему добавить второй сервопривод для перемещения солнечной панели по вертикали и получения максимального КПД.

Источники:

http://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/solnechnaya-batareya-5v/

http://habr.com/post/357900/

http://cxem.net/arduino/arduino20.php

http://kropochev.com/?go=all/wyliodrin-about/

Ссылка на основную публикацию