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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Bateau à énergie solaire. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives L'aspect pédagogique lors de la conception d'un tel bateau réside dans la familiarisation avec le développement pratique du photovoltaïque. La nature intermittente de l’éclairage solaire nécessite l’utilisation d’une batterie dans de nombreux circuits, afin que nous puissions disposer de l’énergie électrique lorsqu’elle est nécessaire plutôt que lorsque le soleil brille. L'un des principaux problèmes lors de l'utilisation de batteries est la gestion du courant de charge : une surcharge de la batterie peut entraîner sa panne. Jusqu'à présent, pour garantir la fiabilité et la longue durée de vie de la batterie, un régulateur de charge était utilisé ou le courant de sortie du panneau solaire était limité. Dans ce chapitre vous ferez connaissance avec un nouveau mode de fonctionnement des panneaux solaires, à savoir leur autorégulation. Lors de leur utilisation, aucun régulateur de courant de charge de batterie n'est requis. Batteries au plomb Le mode d'autorégulation d'une batterie solaire est fortement influencé par les caractéristiques d'une batterie au plomb, il me semble donc qu'il est nécessaire de se familiariser brièvement avec leur principe de fonctionnement. Une cellule de batterie au plomb est constituée de deux plaques de plomb immergées dans une solution d’acide sulfurique faible. Dans ce cas, une réaction électrochimique réversible a lieu, grâce à laquelle une charge électrique peut être stockée. Nous ne nous intéresserons qu'au processus de recharge. Lors de la décharge, les ions sulfate du résidu acide sont absorbés de la solution par les plaques de plomb. Lorsqu'un courant de charge traverse les plaques, l'énergie électrique « ramène » les ions sulfate dans la solution. Une fois que la batterie a reçu environ 80 % de sa charge initiale, l’équilibre chimique à l’intérieur de la cellule commence à changer. Le plomb du sel est progressivement réduit en métal pur. Le résultat est similaire à celui obtenu en plaçant deux tiges métalliques dans une solution aqueuse, créant ainsi d'excellentes conditions pour l'électrolyse. En fait, c'est ce qui se passe. L'électrolyse s'accompagne de la libération de bulles d'oxygène et d'hydrogène, c'est-à-dire l'effet dit « d'ébullition » de la cellule de la batterie. Il est plus correct d’appeler cet effet évolution gazeuse. C’est le dégagement de gaz qui endommage une batterie au plomb. Si aucune mesure n'est prise, la cellule finira par tomber en panne. Pour éviter tout dommage, il est nécessaire de réduire le courant de charge au tout début du dégazage. Les régulateurs de charge servent à cet effet. Vous pouvez réduire le courant de charge à l'aide d'une résistance connectée en série avec la batterie. Une partie de l'énergie électrique est dissipée dans cette résistance sous forme de chaleur, ce qui entraîne une diminution du courant de charge. Autre méthode souvent utilisée : la batterie est maintenue à une tension constante, et le courant prend des valeurs différentes. Étant donné que la quantité de courant dépend de la différence entre la tension de la batterie et la tension de charge, vous pouvez réguler la vitesse de charge en modifiant la tension. De même, dans le système électrique d’une voiture, qui utilise un régulateur de tension, la batterie reste chargée. Malheureusement, l’utilisation d’un régulateur de tension lorsque la batterie est complètement chargée nécessite une augmentation du temps de charge. Avec un nombre limité d’heures d’ensoleillement pendant la journée, il y a naturellement peu de temps pour recharger. Vous avez probablement déjà deviné que la solution idéale est de combiner un régulateur de courant et un régulateur de tension dans un seul appareil. La charge commence avec un courant élevé sans aucune limitation de tension. Lorsque la batterie atteint le stade de gazage, l'appareil réduit le courant et passe en mode régulation de tension. La batterie stocke la quantité maximale de charge dans les plus brefs délais, tout en éliminant le risque de surcharge de la batterie. Graphiquement, le cycle de charge idéal est représenté sur la Fig. 1. Panneau solaire autorégulateur Nous pouvons maintenant considérer les caractéristiques d’une cellule solaire au silicium, illustrées sur la figure. 1 (courbe supérieure).
Comme on le sait, une cellule solaire au silicium est un générateur de courant. Quelle que soit la valeur de la tension, le courant est toujours constant avant que la courbe ne se courbe. La tension aux bornes de l'élément est déterminée par la résistance de charge. À mesure que la résistance de charge diminue, il arrive un moment où le courant n’est plus un facteur déterminant. Cette partie de la courbe est appelée le « genou ». Aux valeurs de tension élevées aux bornes de la résistance de charge, les lois de conservation de l'énergie et de la physique quantique entrent en jeu et le courant diminue. Soyons attentifs à ce fait, car c’est là le sens de l’autorégulation de la batterie solaire. Ce point de transition dans les caractéristiques d’une cellule solaire est très important lors d’un examen ultérieur. En fait, il sépare les deux modes de fonctionnement de la cellule solaire. Au-dessus, le générateur solaire fait office de générateur de courant, et en dessous, il équivaut à un régulateur de tension. Si vous comparez le graphique de fonctionnement d'un chargeur idéal avec la courbe courant-tension d'une cellule solaire (Fig. 1), vous remarquerez que les deux courbes sont très similaires. En fait, ils sont presque congruents. Il est donc tout à fait naturel de lier ces deux caractéristiques. En faisant correspondre le point d'inflexion de la courbe courant-tension de la batterie solaire avec le moment où la batterie commence à émettre du gaz, un effet d'autorégulation peut être obtenu. Revenons à un exemple typique. Supposons que le processus démarre avec une batterie au plomb complètement déchargée. Connectons-le maintenant à un générateur solaire autorégulé. Lorsque le panneau solaire est allumé, la batterie commence à se charger. Au début du processus, la tension de la batterie est faible (<10 V). Dans ce cas, la batterie solaire fonctionne dans la zone au-dessus du « genou » en mode générateur de courant. En d’autres termes, la batterie reçoit le courant maximum que le panneau solaire peut produire, ce qui permet d’obtenir la charge rapide requise. À mesure que la charge s’accumule dans les cellules de la batterie, la tension commence à augmenter progressivement. Rappelez-vous comment nous avons profité de cette augmentation du design régulateur de charge. Nous pouvons refaire la même chose. En faisant correspondre la tension de dégazage, qui commence à 12,6 V dans une batterie de 12 V, à la tension de genou de la courbe I-V de la cellule solaire, nous pouvons obtenir une réduction du courant de charge. En supposant que la batterie ait atteint le stade de dégazage, on observe que la cellule solaire sort du mode de stabilisation en cours. Désormais, augmenter la charge et la tension de la batterie forcera la batterie solaire à fonctionner en mode régulateur de tension. En conséquence, le courant de charge diminuera. Plus la batterie est chargée, plus la tension statique augmente et plus le point de fonctionnement de la caractéristique de la batterie solaire se déplace vers la zone située sous le « genou ». Une augmentation de la tension est suivie d'une diminution correspondante du courant de sortie de la cellule solaire. Au moment où les cellules de la batterie sont complètement chargées, le point de fonctionnement s'est tellement décalé vers la droite que seul un faible courant d'alimentation sort de la batterie solaire. Il est si petit que la batterie peut rester dans cet état aussi longtemps que souhaité sans crainte de surcharge. À ce stade, la tension de la batterie est de 13,2 V. Tout reste dans cette position jusqu'à ce que nous épuisions l'énergie stockée dans la batterie. Lorsque les cellules libèrent de l'énergie, la tension aux bornes de la batterie diminue en conséquence et le point de fonctionnement se déplace le long de la courbe courant-tension dans la direction opposée. L'intensité du courant de charge de la batterie solaire dépendra de la diminution de la tension sur la batterie, c'est-à-dire de la quantité d'énergie consommée proportionnellement à cette valeur. Nous avons donc atteint notre objectif, nous disposons désormais d'un générateur solaire autorégulé. Effet de la température Une batterie solaire autorégulatrice possède une propriété très inattendue : elle prend en compte l’influence de la température. Rares sont les objets qui nous entourent qui ne sont pas affectés par la température. Les cellules et batteries solaires ne font pas exception. La charge électrique est maintenue dans une batterie au plomb grâce à une réaction chimique très sensible aux changements de température. Plus la température ambiante est élevée, plus la réaction est rapide. Concrètement, cela signifie que par temps froid, une tension de charge plus élevée est nécessaire. La surveillance de la température a toujours été un problème avec les régulateurs de charge conventionnels. Il n’est pas possible de le résoudre par des moyens simples, et toute méthode plus ou moins complexe conduira à des conceptions plus compliquées et plus coûteuses.
La dépendance en température de la caractéristique courant-tension d'une cellule solaire au silicium compense les propriétés thermiques d'une cellule de batterie au plomb. Des températures plus basses permettent en fait au générateur solaire de fonctionner plus efficacement. En raison des diverses influences sur le volume du semi-conducteur, la composante de tension est la plus fortement affectée. C'est exactement ce qui est requis pour une batterie. À mesure que la température extérieure diminue, la tension de sortie des cellules solaires augmente (au moment précis) où la batterie nécessite plus de tension de charge. De plus, lors d'un fonctionnement dans une plage de température normale, les dépendances en température des caractéristiques des batteries solaires et des batteries sont en si bon accord les unes avec les autres (Fig. 2) qu'aucune mesure supplémentaire n'est requise pour le bon fonctionnement conjoint de ces batteries dans un appareil commun. Bateau à moteur Il est temps de passer à la partie divertissante de notre histoire. Laissez maintenant la batterie solaire autorégulée travailler* pour nous. Pour cette conception, un petit bateau à moteur à propulsion électrique a été choisi. Il s'agit d'un bateau pneumatique en caoutchouc fabriqué par Metzeler. Sa longueur est de 2,7 m et sa largeur de 1,2 m. La stabilité du bateau est assurée par deux vérins de type ponton espacés, et le fond plat fait office de « cabine » spacieuse.
Avec une faible vitesse d'eau de 9,4 km/h, ce bateau est parfait pour la pêche ou tout simplement pour une agréable promenade par une journée ensoleillée. Des panneaux solaires sont installés sur un auvent qui protège les passagers des rayons du soleil (Fig. 3). En plus d'alimenter le moteur électrique d'un bateau, un système photovoltaïque peut également alimenter une radio, un système d'éclairage ou une pompe à eau. conception Nous commençons notre description par le bateau. Bien qu’il existe de nombreux types de bateaux parmi lesquels choisir, ma préférence s’est portée sur un bateau ponton gonflable pour deux raisons. Tout d’abord, c’est gonflable. Cela signifie qu’il est portable et, une fois dégonflé, facile à ranger. Deuxièmement, un bateau pneumatique est un bateau stable et de bonne qualité qui peut être utilisé pendant longtemps. Dans ce qui suit, j'expliquerai en détail comment la conversion de l'énergie solaire a été réalisée sur ce bateau particulier. Si vous en savez plus que moi sur les bateaux et souhaitez installer un panneau solaire sur un autre type de bateau, veuillez suivre les directives suivantes. Dans un premier temps, des panneaux solaires sont installés. Cette conception utilisait des cellules solaires M-61 d'ARCO Solar, Inc. type autorégulateur. Chaque batterie M-61 d'une puissance de 25 W est structurellement réalisée sous la forme d'un panneau de 120 cm de long, 30 cm de large et 4 cm d'épaisseur, contenant 30 éléments ronds monocristallins d'un diamètre de 10 cm. La batterie est conçue pour un tension de 14,1 V et un courant de 1,75 A. Si vous souhaitez fabriquer votre propre panneau solaire, essayez de vous assurer que votre batterie possède les mêmes caractéristiques. Assurez-vous que les panneaux solaires soient totalement étanches : il y aura beaucoup d’humidité ! Pour propulser le bateau, vous aurez besoin de quatre panneaux solaires présentant les caractéristiques spécifiées. Placez-les en rangée sur un panneau de 120x120 cm2 et connectez-les en parallèle. Le courant total de quatre batteries connectées en parallèle est de 7 A et la tension est de 14 V. Le panneau solaire est fixé à la terrasse à l'aide d'un cadre constitué de conduites d'eau en PVC de 4 cm de diamètre (Annexe-40). Les tubes en plastique sont un excellent matériau à de telles fins ; il est résistant, peu coûteux, léger et, surtout, insensible à la corrosion. Le cadre tubulaire est réalisé conformément au schéma illustré à la Fig. 4. Les connexions à 90° sont réalisées à l'aide de coudes et le cadre supérieur est fixé à l'aide de tés.
Quatre poteaux sont nécessaires, chacun mesurant environ 120 cm de long. Les extrémités inférieures des deux montants avant sont reliées par une attache qui, comme le montre la Fig. 3, repose sur le fond du bateau directement devant le siège avant. Les deux montants arrière sont reliés de la même manière et solidaires de la banquette arrière. Coupez des morceaux de tuyaux en plastique à la longueur requise avec une scie à métaux et assemblez le cadre en ajustant les pièces en place. Bien que sur la Fig. 4 indique les dimensions exactes (en cm) et doit être utilisé uniquement à titre indicatif. L'aménagement final se fait sur le bateau lui-même. Le cadre de support du panneau solaire doit être bien ajusté entre les pontons lors de sa mise en place sur le fond du bateau. Une fois que vous êtes convaincu que tout est fait correctement, collez les pièces ensemble avec de la colle PVC propre contenant du solvant plastique. Lorsque deux pièces en plastique sont collées ensemble, il se forme un joint aussi solide que le matériau d'origine lui-même. Le tétrahydrofurane est utilisé comme solvant pour le chlorure de polyvinyle. Lorsque vous travaillez avec, n’oubliez pas qu’il est toxique, comme la plupart des autres solvants. Avec cette colle, il faut travailler vite, elle ne laisse pas le temps de réfléchir. Par conséquent, avant de coller, préparez et placez toutes les pièces. Ne collez pas plus de deux pièces à la fois et attendez que la colle ait complètement pris avant de passer à la connexion suivante. Utilisez ensuite des boulons pour relier les panneaux solaires ensemble en une seule unité de 1,5 m2. À cet effet, des trous spéciaux sont prévus sur le bord métallique des batteries. Il est nécessaire de laisser un petit espace entre les batteries pour réduire le vent de la structure. Des entretoises peuvent être utilisées pour séparer les batteries. Le panneau solaire est ensuite placé sur le cadre de support et attaché avec un cordon ou une corde en au moins quatre points de chaque côté et là où les batteries sont vissées ensemble. Mieux vaut ne pas lésiner sur le cordon, sinon votre batterie tombera à l'eau après un fort coup de vent. Un moteur électrique pesant environ 13 kg est utilisé comme moteur de bateau. Ces moteurs électriques sont produits par diverses sociétés, telles que Montgomery Ward et Sears. Le moteur du bateau est fourni fixé à une traverse en bois, qui peut facilement supporter un petit moteur électrique, car sa conception est conçue pour une petite puissance allant jusqu'à 4 CV. Avec. (environ 3 kW). Le moteur électrique est alimenté par une batterie au plomb de 12 volts. Il s'agit d'une batterie de cellules à gel, similaire à celle décrite au Chap. Tapez 14 Essentiellement, une cellule à gel est similaire à une cellule au plomb conventionnelle avec un électrolyte liquide. Cependant, la cellule de gel n'est pas remplie d'un liquide, mais d'un électrolyte épais de Jell-O, qui a la consistance d'une gelée. L’utilisation d’une batterie gel au lieu d’une batterie marine standard est due à l’absence de fuite d’électrolyte. Même si le bateau chavire (ce qui n’est jamais arrivé), l’acide ne se répandra pas. Les panneaux solaires étant autorégulés, il suffit de les connecter à une batterie, elle-même reliée à un moteur électrique. Tout est très simple ! Quel est l’intérêt d’utiliser des panneaux solaires autorégulants dans cette conception ? D'une part, ces batteries simplifient la conception et augmentent la fiabilité. C'est la raison principale. Par contre, cela m'a donné l'occasion de vous démontrer une autre propriété des panneaux solaires. Capacités du bateau Les panneaux solaires fonctionnent-ils bien ? Eh bien, je l'avoue : sur la Fig. 3 vous voyez, ce n'est pas mon bateau, il appartient à Gary Zanstcher (qui est assis dedans), à qui je donne l'occasion d'expliquer s'il est bon. Voici son avis : "C'est un bateau stable, facile à transporter et à monter. Le bateau est généralement amarré à Marina del Rey. Nous l'utilisons le week-end et pendant le temps libre. Grâce à ses caractéristiques, le bateau atteint une vitesse de 9,4 km/h. En roulant, le moteur consomme 25 A, donc une batterie de 80 Ah dure environ 3 heures. Cependant, il ne faut pas oublier qu'en même temps, une charge continue à partir de la batterie solaire se produit. J'ai roulé sur le bateau pendant 4 à 5 heures d'affilée et je n'ai jamais connu de pénurie d'électricité. Bien entendu, je n’ai utilisé le bateau que les jours ensoleillés. Le bateau est stationné pendant au moins une semaine entre les voyages, ce qui laisse aux panneaux solaires suffisamment de temps pour charger les batteries. Regardez, les panneaux solaires ne sont pas orientés vers le soleil. Ceci n'est pas judicieux, car le bateau change constamment d'orientation et de direction de mouvement. Les batteries sont montées horizontalement et, bien entendu, ne génèrent pas de courant complet la plupart du temps. Cependant, lorsque le soleil est haut au-dessus de l’horizon, ils fonctionnent plutôt bien. Les piles sont uniquement fixées au panneau, elles peuvent donc être retirées très rapidement. Ils sont assez chers et je ne veux pas les perdre dans une tempête. Certes, le bateau a résisté sans problème à des vents soufflant à des vitesses allant jusqu'à 56 km/h. En général, je dois dire qu'un bateau avec une batterie solaire est une chose très amusante." Auteur : Byers T.
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Commentaires sur l'article : Sergei Le courant total est de 7A.... Les mesures des moteurs électriques montrent 9A à la 1ère vitesse et 14A à la 2ème. Il est tentant d'ajouter une surface jusqu'à 1500X1400 (deux batteries 1500X700,7A 140W = 14A, 280W, efficacité 14%, poids 4kg) et de se déplacer même par temps nuageux à une vitesse d'environ 2,5-3 km.h. Et est-il utile de porter une structure lourde sur le toit d'un gonflable léger, si la recharge est négligeable, un courant de 25A vide la batterie en 3 heures, il est plutôt conseillé de laisser toute la structure solaire sur le parking ! La taille de la cuve ne correspond pas à la sécurité - le DH est trop élevé, monocristallin. les panneaux sont fragiles et nécessitent une armature de renfort, soit un poids d'environ 12 kg.
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