Baterie słoneczne-ogniwa fotowoltaiczne

Baterie słoneczne są darmowymi źródłami energii, chociaż nie możemy ich nazwać stu procentowymi FreeEnergyDevice, ponieważ ta etykieta zarezerwowana jest dla urządzeń dających energie w dowolnym miejscu i czasie. Baterie słoneczne uzależnione są głównie od energii świetlnej-fotonów, zatem bez światła zwyczajnie nie będą one działać... Jest to pewne utrudnienie, gdyż nie otrzymujemy energii elektrycznej w dowolnym czasie. Problem ten można w pewnym stopniu rozwiązać podłączając akumulatory. Bateria słoneczna, zwana też ogniwem fotowoltaicznym ładuje akumulator w czasie nadwyżek energii. Gdy nastąpi deficyt tej energii będzie ona czerpana z akumulatora, jaki pełni role swego rodzaju bufora. Tego typu rozwiązania mają już swoje ustabilizowane miejsce na rynku, Jednak z powodu bardzo wysokich cen nie ma póki, co szans na ich powszechne stosowanie. Poniżej opisane projekty mają na celu przybliżenie technologii wykonywania oraz działania tego typu mini elektrownii.

Pierwszy projekt, jakim się zajmiemy będzie niezbyt wydajny, jeśli chodzi o ilość dostarczanej energii elektrycznej, jednak ma pewien wielki plus; jest banalnie prosty w wykonaniu! Zachęcam wiec do rozpoczęcia swojej przygody z ogniwami, fotowoltaicznymi właśnie od tego przykładu. Poniżej znajduje się mała specyfikacja techniczna tego urządzenia: Ilość watów na metr kwadratowy ogniwa: 1,25mW Przykładowe parametry ogniwa: 50mA i 0,25V Części, jakie będziemy potrzebowali do budowy tego typu baterii solarnej nie są drogie, oraz są wszędzie dostępne. Po pierwsze najpierw powinniśmy zająć się obudową. Oczywiście musi być przeźroczysta i bez koloru. To oznacza, że wszelkie butelki po napojach mające zabarwione szkło (zielone, brązowe i inne) odpadają. Są to filtry przepuszczające tylko wybrane spektrum światła. Działanie baterii słonecznej będzie, zatem o wiele mniej wydajne. Najlepszym do tego celu wydają się być białe szklane, lub plastikowe butelki. Można odciąć szyjkę tak by wlot od góry był jak najbardziej otwarty, światło będzie wpadało bez żadnych przeszkód. Jedyną wada takiego rozwiązania jest to, że niestety nie będziemy mogli w łatwy sposób transportować tego typu baterii. Kolejnym elementem są dwie miedziane płytki, to właśnie one są głównym wydatkiem przy budowie. Oczywiście im większa ich powierzchnia tym lepiej! Jeśli chodzi o grubość to z powodów technologii produkcji naszej baterii powinniśmy użyć jak najcieńszych płytek. Musimy też zaopatrzyć się w czystą wodę, jej ilość musi być wytaczająca do napełnienia pojemnika (butelki), w jakiej zamontujemy całe ogniwo, oraz sól kuchenną. Potrzebujemy też odpowiednie odcinki drutu w izolacji. Po zgromadzeniu tych wszystkich elementów musimy też mieć jakieś źródło ciepła, najlepiej kuchenkę z płytą elektryczną. Jej moc powinna wynosić minimum 1kW. Właśnie na tej kuchence przeprowadzimy proces przygotowania miedzianej płytki. Przed procesem utleniania należy obydwie dokładnie wyczyścić (lepiej nie używać środków chemicznych, jedynie mydła, potem etanolem) i kładziemy jedną z nich na palnik. Nie powinniśmy dotykać miedzianych płytek, należy też zachować laboratoryjną czystość. Nie wolno zapomnieć o czystych dłoniach, najlepiej płytki dotykać i przenosić ja za jeden z rogów pęsetą. Teraz rozgrzewamy tylko jedną z płytek. Na początku zrobi się czarna, potem cały ten `nalot' zacznie odpadać.

Podgrzewamy ją jeszcze trochę, by straciła jak najwięcej czarnego `nalotu'. Gdy stwierdzimy, ze już proces nie zachodzi kończymy podgrzewanie i czekamy aż nastąpi schłodzenie do temperatury pokojowej. Cały czarny `nalot' powinien łatwo odpaść, można zdmuchnąć jego nadmiar, lub, jeśli to konieczne spłukać wodą. Trzeba pamiętać by nie naruszyć delikatnej struktury, jaką wytworzyliśmy na powierzchni blaszki.

Teraz obydwie blaszki wsadzamy do przezroczystego pojemnika. Blaszki oczywiście nie mogą się ze sobą stykać. Należy przygotować roztwór wody z rozpuszczoną w niej soli kuchennej. Sól powinna być jak najbardziej czysta! I tak przygotowany płyn wlewamy do naszego ogniwa. Teraz bateria słoneczna jest już gotowa i możemy przeprowadzić pomiary ilości dostarczanej energii elektrycznej. Do blaszek możemy dołączyć druciki by łatwiej było podłączać urządzenia lub mierniki.

Drugi projekt, jest bardziej rozbudowany, co za tym idzie trudniejszy w wykonaniu, ale możliwe jest osiągnięcie lepszych wyników. Jest to sposób wytwarzania baterii słonecznych, jakiego uczą się inżynierowie podczas studiów, autor tego artykułu zaczerpnął go z literatury anglojęzycznej. Proces produkcji rozpoczyna się od zdobycia dwóch płaskich szkiełek (TIO). To właśnie na nich zbudowana jest cała struktura ogniwa słonecznego. Należy dokładnie wyczyścić szkiełka etanolem. Trzeba pamiętać o zachowaniu laboratoryjnej czystości i nie wolno dotykać powierzchni szkiełek (można to robić delikatnie jedynie pęsetą, łapiąc za rogi płytki). Szkło TIO (Indium Tin Oxide) przewodzi prad elektryczny. Należy sprawdzić, jaka ze stron jest przewodnikiem i ułożyć je jedna obok drugiej. Jedno szkiełko musi być ułożone stroną przewodzącą do góry, drugie natomiast do dołu.

Tak jak zostało pokazane na rysunku, należy skleić taśmą klejącą dwie płytki. Głębokość, na jaką możemy wejść z taśmą przyjmijmy jeden milimetr.

Po stronie szkiełka z przewodzącą warstwą u góry, naklejamy taśmę zgodnie z ryciną. Wchodzimy z nią w głąb szkiełka na pięć milimetrów.

Nanieś dwie kropelki TiO2 na szkiełko z warstwą przewodzącą u góry.

Następnie „rozsmaruj” kropelki po całym szkiełku szklaną pipetką.

Usuń plasterki naklejone na płytki. Szkiełko z naniesioną warstwą TiO2 połóż na gorącej płycie. Nie należy używać palników.

Teraz można wyczyścić etanolem pipetkę (nie będzie już potrzebna) oraz drugie szkiełko. Następnie płytkę z TiO2 zamaczamy na dziesięć minut w soku malinowym.

Podczas zachodzącej reakcji płytki z sokiem malinowym możemy nie tracić czasu i przeznaczyć go na dalsze czyszczenie etanolem drugiej płytki. Gdy płytka jest już bardzo czysta sprawdzamy, jaka strona jest przewodnikiem. Na przewodzącą stronę nanosimy warstwę karbonu. W tym celu należy delikatnie rysować po powierzchni płytki ołówkiem (jego twardość powinna wynosić „dwa stopnie”). Uwaga! Proces nanoszenia karbonu po przemyciu etanolem nie powinien trwać dłużej niż dwie minuty!

Teraz wyjmujemy pierwsze szkiełko z soku i przemywamy je dejonizowaną wodą. Następnie bardzo delikatnie osuszamy. Przechodzimy do fazy połączenia. Warstwę karbonową dociskamy do warstwy TiO2 na drugim szkiełku.

Nie należy szkiełek nakładać jedno na drugie a przesunąć je o jakieś pięć milimetrów w jedną ze stron (jak na rysunku). W miejsca te podepniemy kabelki odbierające energie elektryczną.

Możemy już złączyć razem szkiełka.

Fotoogniwo zostało zbudowane! Poniżej znajduje się sposób pomiaru za pomocą multimetru wydajności i napiecia jakie ma bateria.

Budowa mini elektrownii słonecznej z buforem akumulatorowym. Przy budowie układów zasilanych z dwóch punktów należy pamiętać o tym, że prąd elektryczny pobierany jest ze źródła o większym potencjale.

Należy brać to pod uwagę, gdyż mamy tu dwa punkty zasilania; akumulator oraz baterie słoneczną. Trzeba zdecydować czy układ ma być zasilany za pomocą energii słonecznej a gdy jej zabraknie z akumulatorów, czy też na odwrót. Problem zanika, gdy w dzień akumulatory są ładowane, natomiast w nocy czerpana jest z nich elektryczność. W takim wypadku schemat elektryczny wygląda następująco. Bateria SOL to bateria słoneczna, natomiast BAT jest akumulatorem magazynującym energie na noc. Przełącznik A odłącza SOL, co można odczytywać jako nastanie nocy, braku energii słonecznej. Przełącznik B włącza lampkę. W układ włączono też amperometry. Elementem elektronicznym jest dioda, jaka ładuje akumulator nie pozwalając na prąd odwrotny. Schemat ten możemy użyć, gdy czasowo pobieramy też energie w dzień.

W przypadku czerpania energii i jednoczesnym ładowaniu wymyśliłem następujące rozwiązanie. Układ zbudowany jest z baterii solarnej oraz dwóch akumulatorów buforujących. Podczas gdy z jednego pobierana jest energia drugi jest ładowany. Gdy energia spadnie w pierwszym akumulatorze pobierana energia jest z drugiego akumulatora a pierwszy jest ładowany.

Uwaga! Podzespoły i ich wartości zostały użyte tylko w celu zobrazowania systemu działania układu. Użycie tych elementów zostało spowodowane ograniczeniami symulacyjnymi programu crocodile clips. Wszystkie schematy zostały wykonane w programie Crocodile Clips I on jest wymagany do otworzenia plików tu zamieszczonych z rozszerzeniem CKT.

Przeznaczenie baterii slonecznych
Przeznaczenie baterii słonecznych jest dość ograniczone ze względu na ich koszt. Zastosowanie znajdują w zasilaniu oświetlenia, szczególnie opartego nie o żarówki starego typu (z żarnikiem) a o nowoczesne półprzewodnikowe moduły LED. Żarówki LED nie wytwarzają ciepła (minimalne ilości), są energooszczędne i ich czas życia jest bardzo długi. Potrafią też dostarczyć znaczne ilości światła. Baterii słonecznych nie używa się do produkcji energii cieplnej gdyż jest to zupełnie nieopłacalne. Ich podstawowym zastosowaniem jest; dostarczyć energię aparaturze elektronicznej w miejscach gdzie nie ma dostępu do innego źródła zasilania. Akumulatory jakich się używa muszą być bardzo dobrej jakości, powinny mieć pojemność dostosowaną do baterii słonecznej i jak najwyższą ilość dopuszczalnych cykli rozładowania-ładowania. Jest to ważne, ponieważ często, to z akumulatorów pobiera się energię (noc) jaka została zgromadzona w dzień. Z uwagi na koszt akumulatora i jego ograniczoną żywotność zaleca się unikanie jego użycia wszędzie gdzie jest to tylko możliwe. Omówię to na przykładzie. Gdy chcemy użyć baterii słonecznej do zasilania pompy w studni, tak by mieć całodobowy dostęp do wody rozwiązujemy to w sposób następujący. Buduje się wieżę ciśnień, tak by magazynować wodę powyżej punktu jej odbioru. Pompa pracuje cały czas gdy to tylko możliwe, aż do czasu napełnienia zbiornika w wieży ciśnień. Pompa zasilana jest tylko i wyłącznie baterią słoneczną (jeśli to tylko możliwe). Nie należy budować instalacji tak, że bateria słoneczna ładuje akumulatory i te zasilają pompę gdy odkręci się kurek z wodą. Energia magazynowana jest w akumulatorze co jest mało opłacalne. W poprawnym rozwiązaniu energia elektryczna wykorzystana jest od razu a magazynowanie energii następuje poprzez umieszczenie wody w zbiorniku powyżej punktu odbioru. Jest to zamiana na energię potencjalną a nie chemiczną.

---