Avantajele Folosirii Energiilor Regenerabile Într Un Context Favorabil Pentru Utilizatorul Casnic

Cuprins

Introducere ………………………………………………………………………………………………..4

Generare curent cu celula solară……………………………………………………………………5

Explicația simplă ………………………………………………………………5

Fotogenerarea purtătorilor de sarcină……………………………………………………… 5

Separarea purtătorilor de sarcină……………………………………………………………..7

Joncțiunea p-n……………………………………………………………………………………….7

Conexiunea la o sarcină externă………………………………………………………………7

Circuitul echivalent/simbol pentru celula solară………………………………………..8

Ecuația caracteristică………………………………………………………….8

Tensiunea de circuit deschis și curent de scurtcircuit…………………………………9

Temperatura celulei. ……………………………………………………………………………11

Rezistența serie………………………………………………………………………………12

Rezistența șunt……………………………………………………………………………… 13

Curent de saturație invers ……………………………………………………………….13

Factor de idealitate ……………………………………………………………………….. 14

TFSC – thin-film solar cell (celulă solară cu membrană subțire) ………… 15

Istorie………………………………………………………………………………………15

Siliciu – strat subțire………………………………………………………………….16

Design și fabricare…………………………………………………………………… 16

Siliciu micromorfic …………………………………………………………………. 16

Eficiența…………………………………………………………………………………. 17

Exemplu de construcție a sistemelor PV integrate…………………………….. 18

Celule solare organice……………………………………………………………………..18

Eficiența, volum și preț……………………………………………………………………18

Producție, cost și piață…………………………………………………………………….19

Instalații………………………………………………………………………………………..19

Generare curent cu dinam ………………………………………………………………………… 20

Istorie și modele ………………………………………………………………………………… 20

Eficiența ………………………………………………………………………………….21

Dynohub………………………………………………………………………………….21

Testare dinamuri ……………………………………………………………………………….. 22

Bottle, Roller și Hub………………………………………………………………… 22

Ieșirea electrică……………………………………………………………………….. 23

Frecare (drag) …………………………………………………………………………. 24

Putere la viteză scăzută (Low Speed Power)……………………………….. 25

Eficiență la viteză normală (Normal Speed Efficiency)………………… 26

Frecare la viteză ridicată (High Speed Drag)………………………. 26

Analiza produselor……………………………………………………………………………… 27

AXA-HR………………………………………………………………………………… 27

Bisy Bike RND2……………………………………………………………………… 27

FER 2002……………………………………………………………………………….. 28

FER Powerlight L95………………………………………………………………… 28

Jenymo…………………………………………………………………………………… 28

Marwi…………………………………………………………………………………….. 28

Nordlicht 2000R………………………………………………………………………. 28

Pioneer Spanninga…………………………………………………………………… 29

Renak Enparlite………………………………………………………………………. 29

Shimano Inter-L………………………………………………………………………. 29

Shimano Inter-L*…………………………………………………………………….. 29

Soubitez Electra………………………………………………………………………. 30

Union Roller 8601……………………………………………………………………. 30

Union Roller 9501……………………………………………………………………. 30

Union Tramp………………………………………………………………………. 30

Union Turbo……………………………………………………………………………. 30

Dinamul original Schmidt (cel mai bun în test)……………………………. 31

Metoda de test……………………………………………………………………………………. 31

Tipuri de acumulatori………………………………………………………………………………. 33

Glosar………………………………………………………………………………………………. 33

Caracteristici și fenomene chimice………………………………………………………. 33

NiMH (Nickel-metal hydride) …………………………………………………. 33

Li-ion……………………………………………………………………………………. 34

Incarcărea acumulatorilor…………………………………………………………………… 34

Încărcarea bateriilor pe bază de nichel……………………………………….. 34

Încărcarea bateriilor pe bază de Li…………………………………………….. 36

Determinarea încărcării pe baza masurării tensiunii celulei…………………….. 38

Sfaturi generale…… …………………………………………………………………………… 38

Descărcarea acumulatorilor………………………………………………………………… 39

Dispozitive utilizate….. ……………………………………………………………………………. 41

SOLAR CELL TRICKLE CHARGER FOR 12V BATTERY SOL5N……..41

Introducere…………………………………………………………………………….. 41

Conținut…………………………………………………………………………………. 41

Mod de utilizare………………………………………………………………………. 42

Specificații tehnice………………………………………………………………….. 42

5.2 MULTIMETRU DVM831…………………………………………………………………. 43

5.2.1 Introducere……………………………………………………………………………….. .44

5.2.2 Simboluri utilizate……………………………………………………………………… 44

5.2.3 Supratensiune/categorie de instalare…………………………………………….. 45

5.2.4 Gradul de poluare ……………………………………………………………………… 46

5.2.5 Descrierea panoului central…………………………………………………………. 47

5.2.6 Instrucțiuni de operare………………………………………………………………… 47

5.2.6.1 Măsurători de tensiuni………………………………………………………… 48

5.2.6.2 Măsurători de curent continuu……………………………………………… 48

5.2.6.3 Măsurători de rezistențe………………………………………………………. 49

5.2.6.4 Test de continuitate…………………………………………………………….. 40

5.2.6.5 Test de diodă……………………………………………………………………… 50

5.2.6.6 Test de tranzistor………………………………………………………………… 50

5.2.3 Accesorii……………………………………………………………………………………50

5.2.4 Specificații…………………………………………………………………………………51

5.2.5 Caracteristici: …………………………………………………………………………….51

Circuite de alimentare baterii………………………………………………………………………52

Generatoare utilizate…………………………………………………………………………….52

Schema bloc a circuitului de alimentare………………………………………………….52

Circuit în detaliu………………………………………………………………………………….54

Energie regenerabila vs acumulatori…………………………………………………………….56

Analiza caracteristicii curent-tensiune I(U) a celulei solare SOL5N……………56

Alte componente utilizate pentru analiza caracteristicii curent – tensiune……63

Concluzii………………………………………………………………………………………………….65

Bibliografie………………………………………………………………………………………………67

Introducere

Scopul acestei lucrări de licența este de a analiza care sunt avantajele folosirii energiilor regenerabile într-un context favorabil pentru utilizatorul casnic, atât în privința costului, cât și ușurința de a folosi diverse dispozitive generatoare de curent. De asemenea, se urmarește ca tensiunea de ieșire sa fie de tip DC, întrucât un numar important din aparatele electronice se alimentează cu curent continuu.

Importanța folosirii de surse alternative de electricitate ar parea la prima vedere nesimnificativă dacă am raporta la un singur utilizator casnic, dar dacă miliarde de oameni ar economisi fiecare cațiva W pe zi, atunci în mod natural nivelul de poluare ar scădea considerabil, instituțiile de stat de asemenea ar economisi foarte mulți bani. Bani ce ar putea fi folosiți în alte domenii unde există deficiențe.

Prin urmare voi analiza pe rând caracteristicile curent-tensiune, putere, durabilitate, eficiența a două dispozitive care se găsesc destul de des pe piața, ce au fost produse în diferite tipuri de către mulți dezvoltatori industriali. Aceste două dispozitive sunt: dinamul de bicicletă (output maxim de 3W, U=6V) și panoul solar de mici dimensiuni (output maxim de 1.5W, U=12V). De la prima vedere putem observa, că deși panourile au o capacitate mai mare de 12V, ele de fapt generează un curent mult mai mic decât dinamul. Alimentarea mai rapidă se realizează printr-un curent cât mai mare, dar se ține cont și de o anumită tensiune care se aplică. Curentul maxim pentru panoul solar SOL5N este de 125mA conform datelor tehnice și poate fi, de asemenea verificat teoretic și practic. Cu ajutorul aceluiași principiu vom calcula curentul maxim generat de dinam ( are valoarea de 500mA). Astfel, voi analiza în ce condiții se realizează încărcarea diverselor tipuri de baterii uzuale de telefon mobil (de exmplu Li-Ion), precum și acumulatorii de NiMH (folosiți pentru aparate foto, video, MP3, LED-uri pentru iluminat cu suprafață mică de acoprire).

Un alt scop este de a realiza un circuit care poate fi folosit pentru a încărca diversele electronice. Modul de proiectare, precum și motivația pentru folosirea diverselor componente vor fi explicate într-un capitol separat. Circuitul este adaptabil pentru dinam, celula solară și se dorește ca la ieșire sa fie un port USB (4 sau 5 pini), întrucat acesta este standardizat și larg folosit în industrie, dar mai ales de către utilizatorii casnici. Circuitul se va numi modul de adaptare și trebuie proiectat în așa fel încat să scoată la ieșire un curent suficient de mare pentru a putea încărca acumulatori, ori alte baterii pentru aparate foto, video etc.

Lucrarea va conține documentații teoretice despre modul cum generează curent un dinam, o celulă solară, modul cum se încarcă acumulatorii și bateriile. De asemenea se prezintă dispozitivele folosite, rolul acestora, cum se utilizează un multimetru digital pentru a măsura caracteristicile curent-tensiune. Un alt aspect important este explicarea modulului de adaptare în termeni cât mai simpli pentru ca oricare doritor să-și poată construi un circuit simplu, fără a avea nevoie neapărat de cunoștințe tehnice sau cercetări în domeniu. Sunt multe beneficii: pe deoparte se poate dezvolta modulul, noi îmbunătățiri aduse de diverși utilizatori, iar pe de altă parte se conștientizează avantajele utlizării energiilor regenerabile pentru a încărca diverse dispozitive fără a polua mediul și o reducere a facturii energiei electrice.

2. Generare curent cu celula solară

O celulă solară (numită și celulă fotovoltaică sau fotoelectrică) reprezintă un dispozitiv electric care transformă energia luminii solare în electricitate prin intermediul efectului fotovoltaic. Ansamblurile de celule constituie module solare și sunt folosite pentru a capta energia solară (se numesc și panouri solare).

Efectul fotovoltaic generează tensiune electrică sau un curent electric corespunzător

într-un material după expunerea la lumină. Deși, efectul fotovoltaic este direct legat de efectul fotoelectric, totuși cele două procese sunt diferite și trebuie deosebite.

În cazul efectului fotoelectric, electronii sunt respinși de pe suprafața materialului după expunerea la radiația de energie suficientă.

Efectul fotovoltaic este diferit întrucât electronii generați sunt transferați între benzi diferite (de exemplu: din banda de valență în banda de conducție) în cadrul materialului, rezultând formarea de tensiune între doi electrozi. În majoritatea aplicațiilor fotovoltaice: radiația este reprezentată de lumina solară și din acest motiv dispozitivele sunt numite celule solare. Pentru o celulă solară cu joncțiune p-n, iluminarea materialului creează un curent electric pe masură ce electronii sunt excitați și golurile rămase sunt împrăștiate pe diferite direcții din cauza campului electric constituit în regiunea de golire.

Efectul fotovoltaic a fost prima oară observat de Alexandre-Edmond Becquerel in 1830.

2.1 Explicația simplă

Fotonii din lumina soarelui lovesc panoul solar și sunt abosrbiți de materialele semiconductoare (de exemplu: siliciu). Fotonul reprezintă o particulă elementară a radiației electromagnetice care posedă energie și impuls, dar care nu poate exista în stare de repaus.

Electronii (încarcați negativ) se eliberează din atomi, permițându-le să curgă prin material pentru a produce energie elctrică. Datorită compoziției speciale a celulei solare, electronii sunt obligați să se miște într-o singură direcție.

O matrice de celule solare converge energia solara într-o cantitate utilizabilă de curent continuu (DC).

2.2 Fotogenerarea purtătorilor de sarcină

Când un foton lovește o parte a siliciului, unul din trei lucruri se pot întampla:

fotonul poate să treacă direct prin siliciu – se intamplă în general pentru fotoni care au energie joasă

fotonul poate fi reflectat de suprafață

fotonul poate fi absorbit de siliciu dacă energia fotonului este mai mare decât valoarea benzii de decalaj a siliciului

Diagrama benzii celului solare formate din siliciu

Când fotonul este absorbit, energia sa este cedată unui electron din structura cristalină. De obicei acest electron face parte din banda de valență (gama cea mai ridicată de energii a electonilor, care se regsăesc în mod normal la temperatura de zero absolut) și este strâns corelată de legaturile covalente dintre atomii învecinați, prin urmare incapabil sa se miște departe. Energia electronului transmisă de foton permite electronului să se miște liber în banda de conducție din cadrul semiconductorului. Legatura covalentă din care făcea parte electronul are în momentul de fața un electron în minus – numit gol. Prezența unei legături covalente cu un electron in minus permite electronilor legați din atomii invecinați să se miște în gol, lăsând un alt gol in urmă. În acest fel un gol se poate deplasa prin structură. Astfel, se poate spune că atomii absorbiți în semiconductor creează perechi mobile de electron-gol.

Un foton are nevoie doar de energie mai mare decât cea a benzii de decalaj (band gap), în scopul de a excita un electron din banda de valență în banda de conducție. Cu toate acestea, spectrul de frecvențe solar aproximează un spectru de corp negru, la aproximativ 5800 K și, ca atare, o mare parte din radiația solară care ajunge pe Pământ este compusă din fotoni cu energii mai mari decât cea a benzii de siliciu. Acești fotoni cu energii mai mari vor fi absorbiți de celula solară, dar diferența de energie între acești fotoni și banda de siliciu este convertită mai degrabă în caldură (via vibrațiile din structură – numiți fononi), decât în energie electrică utilizabilă.

Fononul reprezintă o particulă fictivă asociată vibrațiilor care se propagă prin masa unui corp cristalin, având frecvențe comparabile cu cele ale sunetelor.

2.3 Separarea purtătorilor de sarcină

Există două moduri principale pentru separarea purtătorilor de sarcină într-o celulă solară – driftul purtătorilor, datorită unui câmp electric stabilit în dispozitiv

– difuzia purtătorilor datorită mișcării termice aleatoare, până când purtătorii sunt capturați de câmpurile electrice existente la marginile regiunii active.

În celulele solare nu există câmp electric în regiunea activă, așa că modul dominant de separare a purtătorilor de sarcină este difuzia. În aceste celule distanța difuziei purtătorilor minoritari (distanța purtătorilor foto-generați pe care se pot deplasa până când se recombină) trebuie să fie mare prin comparație cu grosimea celulei. În cazul celulelor subțiri (de exemplu: siliciu amorfic), lungimea de difuzie a purtătorilor minoritari este de obicei foarte scurtă din cauza prezenței defectelor și, astfel, separarea purtătorilor majoritari se face prin drift, cu ajutorul unui câmp electrostatic al joncțiunii, care extinde întreaga grosime a celulei.

2.4 Joncțiunea p-n

Cea mai cunoscută celulă solară este formată dintr-o joncțiune p-n (extinsă) facută din siliciu. Privind simplu ne putem imagina că aducem un strat de siliciu de tip n în contact direct cu stratul de siliciu de tip p. În practica, joncțiunile p-n din siliciu ale celului solare nu sunt construite în acest mod, ci mai degrabă prin difuzia unui dopant de tip n într-o parte a unui wafer de tip p (sau viceversa).

Dacă o parte din siliciul de tip p este plasată în contact cu o parte de siliciu de tip n, atunci difuzia electronilor are loc din regiunea de concentratii ridicate de electroni (partea de tip n a jonctiunii) in regiunea de concentrații slabe ale electonilor (partea de tip p a joncțunii). Când electronii difuzează de-a lungul joncțiunii p-n, aceștia se recombină cu golurile din partea de tip p. Difuzia purtătorilor este temporară deoarece sarcinile create pe oricare părti generează un camp electric. Câmpul electric creează un flux de sarcină, numit si curent de drift, care se opune și eventual balansează difuzia electronilor și a golurilor. Această regiune unde electronii și golurile au difuzat în cadrul joncțiunii se numește regiune de golire deoarece nu mai conține purtători de sarcină mobilă. Se mai folosește și denumirea de regiune spațiala de sarcină.

2.5 Conexiunea la o sarcină externă

Contactele ohmice dintre metal și semiconductor sunt realizate la ambele parți de tip n și tip ale celulei solare iar electrozii sunt conectați la o sarcina externă. Electronii care sunt creați pe partea de tip n (sau care au fost “colectați” de către joncțiune și măturati pe partea de tip n) se pot deplasa prin fir, incarcă sarcină și continuă prin fir până când ajung la contactul de tip p dintre semiconductor și metal. Aici se recombină cu un gol care a fost măturat de-a lungul joncțiunii de la partea de tip n după ce a fost creat aici. Tensiunea măsurata este egală cu diferența purtătorilor minoritari din nivelurile cvasi Fermi, adică electronii în partea de tip p și goluri în partea de tip n.

2.6 Circuitul echivalent/simbol pentru celula solară

Circuit echivalent Simbol

Pentru a înțelege comportamentul electronic al unei celule solare, s-a creat un model care este echivalent din punct de vedere electric și care e bazat pe componente electrice discrete, al căror comportament este bine cunoscut. O celulă solară ideală poate fi modelată de o sursă de curent în paralel cu o diodă. În practică nu există o celulă solară ideală și de aceea sunt adăugate în model: o rezistență șunt și o rezistență serie.

2.7 Ecuația caracteristică

Conform circuitului echivalent este evident că acel curent produs de celula solară este egal cu cel produs de sursa de curent, din care se scad curentul care circulă prin diodă și cel care circulă prin rezistența șunt.

I = IL − ID − ISH

unde

I = output curent -> curent de ieșire (amper)

IL = curent fotogenerat (amper)

ID = curent din diodă (amper)

ISH = curent de șunt (amper)

Se utilizează relația de tensiuni

Vj = V + IRS

unde

Vj = tensiunea ce cade atât pe diodă și rezistență RSH (volt)

V = tensiunea dintre terminalele de ieșire (volt)

I = curent de ieșire (amper)

RS = rezistență serie (ohm)

Ecuația diodei Shockley presupune expresia curentului prin diodă

unde

I0 = curent de saturație invers (amper)

n = factor ideal al diodei (1 pentru dioda ideală)

q = sarcina elementară

k = constanta Boltzmann

T = temperatura absolută

La 25°C kT/q ≈ 0.0259 V

După Legea lui Ohm:

unde

RSH = rezistența șunt (Ω)

Înlocuind în relația de mai sus vom obține ecuația caracteristică a celulei solare

În principiu, pentru o valoare particulară a tensiunii V, ecuația poate fi rezolvată pentru a afla curentul I aferent tensiunii. Cu toate acestea ecuația are pe I în ambele părți într-o funcție și nu oferă o soluție generală analitică. Se poate rezolva mai ușor utilizând metode numerice precum funcția Lambert W. Întrucât parametrii I0, n, RS si RSH nu pot fi măsurați direct se utilizează regresia nonlineară pentru a extrage valorile acestor parametrii.

2.8 Tensiunea de circuit deschis și curent de scurtcircuit

Când celula funcționeză la circuit deschis, I=0 și tensiunea la ieșirea terminalelor este definită ca o tensiune de circuit deschis. Presupunând că rezistența de șunt este suficient de mare pentru a neglija ultimul termen al ecuației caracteristice, tensiunea de circuit deschis VOC va fi:

Similar, cand celula funcționează la scurt-circuit, V=0 și curentul I prin terminale este definit ca fiind curent de scurt-circuit. Poate fi demonstrat că pentru o celulă solară de calitate superioară (RS, I0 mici și RSH mare) curentul de scurt-circuit ISC va fi:

Trebuie menționat că nu este posibil să extragi putere din dispozitiv când funcționează în condiții de circuit deschis sau scurt-circuit.

Efectul dimensiunii fizice

Valorile mărimilor I0, Rs, RSH sunt dependente de dimensiunea celulei solare. Comparând două celule identice din punct de vedere al structurii vom observa că la celula cu suprafață dublă va avea în principiu un curent dublu I0 deoarece are joncțiunea de două ori mai mare prin care curentul se scurge. Totodată are rezistențele Rs și RSH înjumătățite ca valoare întrucat are de două ori secțiunea transversală prin care poate să circule curentul. Din acest motiv ecuația caracteristică este scrisă de obicei în funcție de densitatea de curent sau curent produs per suprafața unei singure celule.

unde:

J = densitate de curent (amper/cm2)

JL = densitate de curent fotogenerată (amper/cm2)

J0 = densitate de curent saturat inversat (amper/cm2)

rS = rezistență serie specifică (Ω*cm2)

rHS = rezistență șunt specifică (Ω*cm2)

Această formulare are câteva avantaje. Prima dintre acestea este că din moment ce caracteristicile celulei sunt referite la sectiunea transversala și pot fi comparate cu celule de diferite dimensiuni. În timp ce reprezintă un beneficiu mic în realizarea fizică, unde toate celulele tind să aibe aceeași dimensiune, este totuși utilă în cercetare pentru a compara celulele dintre diverși constructori. Un alt avantaj este că ecuația de densitate în mod natural scalează valoarea parametrilor la niveluri de magnitudine similare, care pot face ca extracția numerică sa fie mai simplă, mai eficientă chiar și cu soluții mult mai simple.

Totuși există limitări practice la această formulare. De exemplu, prezența unor efecte parazite determină scăderea suprafeței celulei și pot afecta extragerea valorilor parametrilor. Recombinarea și contaminarea joncțiunii tind să fie maxime în perimetrul celulei și de aceea celulele foarte mici pot avea valori mai mari pentru J0 sau mici pentru RSH decât celulele mai mari (deși sunt identice ca structură). În asemenea cazuri, comprația dintre celule trebuie facută cu atenție, ținând cont și de aceste efecte.

2.9 Temperatura celulei

Efectul temperaturii în cazul caracteristicii curent-tensiune pentru o celulă solară

Temperatura afectează ecuația caracteristică în două cazuri: direct, via parametrul T din exponențială și indirect, via efectului asupra I0 (temperatura afectează toți termenii, dar T și I0 sunt cei mai vizați). Pe masură ce T (temperatura) crește, se reduce magnitudinea exponentului din ecuația caracteristică, valoarea I0 crește exponențial cu T. Efectul net este de a reduce VOC (tensiunea de circuit deschis) liniar cu creșterea temperaturii.

Magnitudinea acestei reduceri este invers proporțională cu VOC; ceea ce înseamnă ca celulele cu valori mai ridicate de VOC suferă reduceri mai mici în tensiune odată cu creșterea temperaturii. Pentru majoritatea celulelor solare din siliciu cristalin schimbarea VOC cu temperatura este de – 0.50%/°C, deși rata pentru cea mai eficientă celulă solară din siliciu cristlin este in jur -0.35%/°C. Prin urmare, rata pentru celulele solare din siliciu amorf este de -0.20%/°C la 0 – 0.30%/°C, dependența fiind dată de caliltatea producției.

Cantitatea de curent fotogenerat IL se marește ușor odată cu creșterea temperaturii datorită măririi numarului de purtători generați termic în cadrul celulei. Acest efect este, însa nesemnificativ de 0.065%/°C pentru celulele de siliciu cristalin și de 0.09%/°C pentru celulele din siliciu amorf.

Astfel, efectul temperaturii asupra eficienței celulei poate fi cuantificat folosind acești factori împreuna cu ecuația caracteristică. Totuși, variația în tensiune este mult mai puternică decât variația în curent, ceea ce face ca efectul compus asupra eficienței tinde sa fie similar cu cel al tensiunii. Majoritatea celulelor solare din siliciu cristalin scad în eficiență cu 0.50%/°C și majoritatea celulelor din siliciu amorf scad cu 0.15-0.25%/°C.

2.10 Rezistența serie

Efectul rezistenței serie asupra caracteristicii curent-tensiune a celulei solare

Pe masură ce rezistența serie crește, tensiunea scade sub tensiunea de joncțiune și tensiunea de terminal devine mai mare pentru același curent. Rezultatul este: curba zonei unde se afla un curent control începe să scadă către origine, producând o descreștere seminficativă a tensiunii-terminal V și nesimnificativă a curentului de scurtcircuit ISC. Valori foarte ridicate ale rezistenței RS vor produce o reducere semnificativă ISC. În aceste regimuri rezistențele serie domină și comportamentul unei celule solare seamană cu un rezistor. Aceste efecte se regăsesc și la celulele solare din siliciu cristalin.

Pierderile cauzate de rezistența serie sunt date de Ploss=VRsI=I2RS și se maresc pătratic cu foto-curentul. Pierderile rezistenței serie sunt prin urmare foarte importante la intensitați luminoase ridicate.

2.11 Rezistența șunt

Efectul rezistenței șunt asupra caracteristicii curent-tensiune pentru o celula solară

Pe masură ce rezistența șunt descrește, curentul transmis prin rezistorul șunt se marește pentru un nivel al tensiunii de joncțiune dat. Rezultatul este: curba I-V a zonei cu tensiune controlată începe să scadă către origine, producând o descreștere semnificativă pentru curentul terminal I și o mică reducere a tensiunii VOC. Valori foarte scăzute a rezistenței RSH vor produce o reducere semnificativă a VOC, precum în cazul unei rezistențe serii mari, o celula solară șuntată greșit va avea o caracteristică de operare similară cu cea a unui rezistor.

2.12 Curent de saturație invers

Efectul curentului de saturație invers asupra caracteristicii curent-tensiune a celulei solare

Pentru o rezistentă șunt infinită, ecuația caracteristică poate fi rezolvată pentru VOC:

Astfel, o creștere a I0 va produce o reducere a VOC proporțional cu inversul logaritmului. În acest fel se explică matematic motivul pentru reducerea tensiunii VOC. Efectul curentului de saturație invers asupra curbei I-V a celulei solare din siliciu cristalin este înfatisata în figură. Din punct de vedere fizic, curentul de saturație invers reprezintă o masură a unei “scurgeri” a purtătorilor de-a lungul jonctiunii p-n. Scurgerea este un rezultat al purtătorilor recombinați în regiunile neutre pe oricare parte a joncțiunii.

2.13 Factor de idealitate

Efectul factorului de idealitate asupra caracteristicii curent-tensiune al celulei solare

Factorul de idealitate (numit și factor de emisivitate) este un parametru de ajustare care descrie cât de apropriat este comportamentul diodei de modelul teoretic, care presupune că joncțiunea p-n a diodei este un plan infinit și nicio recombinare nu are loc în regiunea de sarcină spațială. Potrivirea perfecta va fi indicată pentru n=1. Când recombinarea în regiunea de sarcină spațială domină orice altă recombinare se folosește n=2. Majoritatea celulelor solare, care sunt mari dimensional prin comparație cu diodele convenționale, aproximează bine un plan infinit și de obicei înfățiseaza un comportament apraope ideal conform Condiței de Testare Standard (n ≈ 1). În anumite condiții de operare dispozitivul poate fi dominat de recombinare în regiunea de sarcină spațiala, fiind caracterizat de o creștere semnificativă a curentului de saturație I0 la fel ca și o creștere a factorului de idealitate la n ≈ 2. Efectul cel din urmă tinde să mărească tensiunea de ieșire a celulei solare, în timp ce primul efect tinde să erodeze tensiunea de ieșire. Astfel, efectul net este o combinație a creșterii tensiunii pentru mărirea factorului n și descreșterea tensiunii pentru mărirea curentului de saturație I0 (tipic, mult mai influent ca factor și rezultatul este o reducere a tensiunii).

2.14 TFSC – thin-film solar cell (celulă solară cu membrană subțire)

TFSC – thin-film solar cell, numită și TFPV – thin film photovoltaic cell, reprezintă o celulă solară care se realizează prin așternerea unuia sau a mai multor straturi (layere) subțiri (thin film) sau material fotovoltaic pe substrat. Marja de grosime a unui asemenea strat este mare și variază de la câțiva nanometri la zeci de microni. Multe materiale fotovoltaice diferite sunt depozitate cu ajutorul diverselor metode pe substraturi separate. Celulele solare cu membrană subțire (thin film) sunt categorizate în funcție de materialul fotovoltaic folosit:

siliciu amorfic (a-Si) și alt thin-film silicon (TF-Si)

Cadmiu Teluriu (CdTe)

Cupru indium galium seleniu (CIS sau CIGS)

Dye-sensitized solar cell (DSC) sau alte celule solare organice

Posibile combinații a elementelor din Grupele I, III, VI din cadrul sistemului periodic care se pot combina și genera un efect fotovoltaic (Cu, Ag, Au | Al, Ga, In | S, Se, Te)

2.14.1 Istorie

Inițial au aparut ca mici benzi cu rolul de a alimenta calculatoarele de mână, însă acum celulele fotovoltaice cu strat subțire se regăsesc în multe module sofisticate precum instalații pentru casă și alimentarea vehiculelor. GBI Research estimeaza că producția de celule solare cu straturi subțiri va crește cu 24% față de nivelul din 2009 și va ajunge la 22,214 MW în 2020, iar tehnologia thin-film va depași tehnologia convențională de celule PV (photo-voltaic).

2.14.2 Siliciu – strat subțire

O celulă din siliciu cu strat subțire folosește siliciu: amorfic (a-Si sau a-Si:H), protocristalin, nanocristalin (nc-Si sau nc-Si:H) sau siliciu negru.

2.14.3 Design și fabricare

Siliciul se depozitează în principal cu tehnici CVD (chemical vapor deposition), tipic plasma-enhanced (plasma-intensificat) – PE-CVD, de la gaz silan și gaz hidrogen. Alte tehnici de depozitare sunt: sputtering (împrăștiere) sau hot wire (fir cald).

Siliciul este depozitat pe geam, plastic sau metal care a fost învelit cu un strat de TCO (transparent conducting oxide).

O structură p-i-n este de obicei utilizată, spre deosebire de n-i-p. Motivul fiind: mobilitatea electronilor în a-Si:H este de aproximativ 1 sau 2 ordine de magnitudine mai mari decât cel al golurilor și de aceea rata de colectare a electronilor ce se deplasează de la tipul p la contactul de tip n este mai bună decat ce a golurilor care se deplasează de la tipul p la contactul de tip n. Prin urmare stratul de tip p ar trebui plasat deasupra unde intesitatea luminoasa este mai puternică, ca majoritatea purtătorilor de sarcină ce trec prin joncțiune să fie electroni.

2.14.4 Siliciu micromorfic

Tehnologia modulului de siliciu micromorfic combină două tipuri diferite de siliciu: amorfic și microcristalin pentru top-ul și baza celulei fotovoltaice. Aceste două materiale sunt alese datorită spectrelor diferite de absorbție și procesului de combinare ușor. Deoarece ambele materiale sunt din siliciu, ele pot fi fabricate cu aceeași tehnologie (PECVD). Band gap-ul a-Si este 1.7 eV respectiv 1.1 eV pentru c-Si, care eventual pot lărgi regiunea spectrală a celulei solare micromorfice. Stratul c-Si poate ajuta să absoarbă energia spectrului roșu și infraroșu. Astfel să crească eficiența totală. Cea mai bună eficiență poate fi obținută la tranzițiile dintre a-Si si c-Si. Folosirea siliciului policristalin pentru straturile intrinsece a demonstrat că optimizează tensiunea de circuit deschis a unei celule fotovoltaice a-Si.

2.14.5 Eficiența

Eficiența celulei solare

Aceste tipuri de siliciu prezintă legături încurcate, rezultate din defecte mari (niveluri de energie în golul de banda), la fel ca și deformarea benzilor de valență și de conducție (cozi de bandă). Celulele solare construite din aceste materiale tind să aibe eficiențe de conversie a energiei mai scăzute decât substratul siliciului (numit și siliciu cristalin de tip “wafer”), dar costul producției este mai mic. Eficiența cuantică a celulei solare cu film subțire este de asemenea mai redusă din cauza numărului micșorat de purtători de sarcină per foton incident colectati.

Siliciulul amorfic are un bandgap de 1.7 eV, spre deosebire de siliciul cristalin c-Si ce are 1.1 eV, ceea ce înseamnă că poate absorbi partea vizibilă a spectrului solar mai puternic decât porțiunea de infraroșu a spectrului. Cum nc-Si are cam aceeași banda de gol (bandgap) ca și c-Si, cele doua pot fi combinate în straturi subțiri în mod avantajos, creând o celulă structurată numită celulă tandem. Celula de top a a-Si absoarbe lumina vizibilă și lasă partea de infraroșu pentru celula de bază nc-Si. Recent soluțiile de a depăși limitările siliciului cu strat subțire au fost dezvoltate. Astfel, s-au folosit scheme de captură a luminii unde lumina incidentă este cuplată oblic în siliciu și traversează stratul subțire de câteva ori pentru a mări absorbția luminii în strat. Tehnicile de procesare termică măresc cristalinitatea siliciului și rezolvă din defectele electronice.

2.15 Exemplu de construcție a sistemelor PV integrate

Exemplu de panou fotovoltaic cu strat subțire

Panourile solare cu strat subțire se pot folosi în mod comercial pentru a îmbraca clădiri sau acoperișuri de case. Avantajele fața de panourile fotovoltaice tradiționale sunt: foarte ușoare, nu pot fi suflate de vânt și se poate merge (cu grijă) peste ele. Ca dezavantaje: cost ridicat si eficiența scăzută. O tehnologie de siliciu cu strat subțire este în dezvoltare pentru BIPV (building integrated photovoltaics) sub formă de celule solare semitransparente care pot fi aplicate ca geamuri, dar totodata generând și curent electric.

2.16 Celule solare organice

Celulele solare organice reprezintă o alternativă la materialele convenționale folosite în construcția dispozitivelor fotovoltaice. Deși este o tehnologie neobișnuita este foarte promițătoare întrucat oferă soluții cu un cost scăzut.

2.17 Eficiența, volum și preț

Încă de la inventarea primei celule solare moderne în anul 1954, s-au pus la punct diverse tehnici care au reușit să transforme 12-18% din radiația solarară în electricitate. Performanța și potențialul materialelor cu straturi subțiri este ridicată, cu o eficiență de 12-20%. În momentul de față există prototipuri cu eficiență de 7-13%, iar în producție eficiența este în jurul valorii de 9%. Se estimează că viitoarele modele se vor apropria de valorile celor mai bune celule de astăzi sau în jur de 10-16%. Costurile se așteaptă să scadă sub 100$/m2 pentru producția în volum și poate ajunge la niveluri mult mai joase de 50$/ m2. Astfel, modulele cu peliculă subțiri vor costa mai puțin de 50 cenți/watt pentru manufactură și datorită deschiderii a unor noi piețe de desfacere.

2.18 Producție, cost și piață

În ultimii ani constructorii de module solare cu pelicula subțire au reușit să reducă costurile și să câștige în competivitate cu ajutorul tehnologiei de peliculă subțire. Totuși, companiile ce posedă tehnologiile tradiționale de siliciu cristalin nu vor renunța la pozițiile lor pe piața pentru cațiva ani deoarece încă dețin potențiala dezvoltare din punct de vedere al costului. Eficiența celulei solare cu pelicula subțire este considerabil mai mică și constructorii de echipamente doresc să scadă costul sub 1$/W, iar Amwell Technologies Limited susțin că-l pot scădea chiar și sub 0.5$/W, făcând R&D (research & development – cercetare și dezvoltare) încă din 2008 pentru modulele de siliciu mico-morfice. Această tehnologie reprezintă o dezvoltare bazată pe panourile din peliculă subțire constituite din siliciu amorfic care oferă o eficiență ridicată prin depozitarea unui strat absorbant adițional din micro-siliciu cristalin pe stratul amorfic. Alți competitori susțin că au reușit să construiască noi module la 0.70$/W. Cu un asemenea potential EPIA (European Photovoltaic Industry Association) au estimat pentru 2010 4GW capacități de construcție pentru aceste tehnologii și reprezentând o cotă de piață de aproximativ 20%. GE (General Electric) au anunțat planuri de a cheltui 600 milioane de $ pentru o nouă centrală de celule solare CdTe și să intre puternic pe piața.

2.19 Instalații

First solar, constructorul de celule solare cu pelicula subțire CdTe au afirmat că la sfârșitul anului 2007 peste 300MW de module First Solar au fost instalate în lume:

In 2008, cel mai mare sistem de celule cu pelicule subțiri au fost construite de Riedel Recycling în Moers lângă Duisburg. Peste 11.000 module de cadmiu-teluriu, de la First Solar produc un total de 837 kW.

First Solar tocmai a completat recent instalații de acoperiș cu o putere totală de 2.4 MW ca parte a programului Edison din California de Sud cu rolul de a instala panouri solare cu puterea de 250 MW până in 2013.

First Solar a anunțat un plan pentru un sistem de 7.5 MW ce va fi instalat în Blythe, CA, unde comisia locală a acceptat un preț de 12 ¢/kWh.

Construcția unei centrale de 10 MW în deșertul Nevada ce a început în iulie 2008. First Solar are un parteneriat cu Sempra Generation, care va deține și va administra centrala de PV, fiind și construită lângă centrala lor de gaz natural.

Stadtwerke Trier (SWT) în Trier, Germania se așteaptă să producă peste 9 GWh anual.

3. Generare curent cu dinam

SON

Schmidt-Nabendynamo

Dinamul de bicicleta este un mic generator electric ce poate fi amplasat pe roata ori pe butucul rotii si are de obicei rolul de a alimenta becuri. Majoritatea dinamurilor sunt folosite cu puterea de 3W la o tensiune de 6V, desi unele au si caracteristica de 6W la 12V.

3.1 Istorie și modele

Piata a fost pionerata de Sturmey-Archer cu Dynohub intre anii 1930-1970. Acesta a fost in competitie cu bottle dynamos (dinamurile de sticla) si generatoarele de pe axul pedalier. Sturmey-Archer au lansat recent X-FDD care combina dinamul de butuc cu un tambur de frana de 70mm intr-o carcasa din aliaj de aluminiu usoara.

SON (Schmidt Original Nabendynamo) poate alimenta doua lampi de 6V in serie la viteze de peste 12 mph (peste 20 km/h). Aceste lampi se bazeaza pe luminile de strada Bisy FL. Eficienta unui SON este, conform constructorilor, de 65% (ceea ce inseamna ca din 5W cat reprezinta iesirea, doar 3W este convertita pentru a produce 3W putere electrica), dar cu conditia de a fi aplicata la 15km/h (10mph). La viteze mai mari eficienta scade. Alternatoarele auto au eficiente de peste 90% fiindca utilizeaza electromagneti pentu a ajusta curentul de camp. In schimb, dinamurile de bicicleta utilizeaza magneti permanenti pentru a elimina nevoia de baterie ca sa dezvolte un camp si sa initieza generarea electrica.

Shimano ofera o varietate de dinamuri pentru bicicleta sub brandul “Nexus”, cum ar fi DH-3N70/DH-3N71, iar unele din modulele Shimano au incorporate un switch automat sezitiv la lumina.

SRAM construieste dinamul i-Light. Modelul D7 este valabil atat pentru discurile de frana si roata, in timp ce seriile D3 sunt proiectate sistemul de franare. In 2006 germanii de la Shiftung Warentest au estimat o eficienta de 66% pentru D1 cu serie i-Light la 15km/h, fiind cu 10% mai buna decat cea a lui SON-28.

SR Suntour ofera dinamul DH-CT-630 cu un sistem integrat de protectie impotriva supratensiunii.

3.1.1 Eficiența

Bicycle Quarterly a comparat 7 dinamuri de biciclete diferite in 2005 si a ajuns la concluzia ca SON28 este cel mai eficient, chiar daca costul este semnificativ mai mare decat modele de la Shimano.

3.1.2 Dynohub

Dynohub este un dinam pentru biciclete inventat de Sturmey-Archer si a fost proiectat pentru a genera electric lumina pentru biciclete in Al Doilea Razboi Mondial. Modelul initial GH12 de 12 V a fost introdus in 1936. Peste cativa ani a urmat modelul GH8 de 8V, care la randul sau a fost inlocuit de modeul GH6 de 6V in anul 1950 si a fost folosit in productie pana la inceputul anilor 1980.

Versiunea GH6 are iesirea de 6V, 2W ce provin de la un magnet cu 20 de poli ce contine un stator cu bobinaj continuu. Farurile din fata originale au 6V, 0.25A (1.5W), de exemplu CRY5, iar farurile din spate au tot 6Vm dar un amperaj de 0.04A (0.24W), fiind acest caz dat ca exemplu CRY8. Modelele noi au evoluat semnificativ: faruri de 2.4W si lampi spate de 0.6W. Biciclistul va produce mult mai multa lumina la 6.3V, 0.25A, 1.6W pentru un tip cu 40 becuri.

Valoarea nominala la iesire a fost obtinuta la 20km/h (12 mph), cu o viteza de rotatie de aproximativ 60 rpm. Numele de dinam implica iesire DC (direct current), dar de fapt pentru dinamurile folosite la biciclete iesirea este AC (alternating current).

3.2 Testare dinamuri

3.2.1 "Bottle", "Roller" și "Hub"

Cel mai comun tip de generator nu are nevoie de prezentare: arata ca o sticla si de astfel i s-a dat numele de "bottle". Se amplaseaza de obicei pe roata si se monteaza cu scripetele in fata monturii. Amplasarea in fata este folosita atunci cand se proiecteaza un model pentru partea stanga sau dreapta, desi un model de partea stanga poate fi amplasat in spate pe partea dreapta a bicicletei si viceversa. Pentru acest test generatoarele de tip sticla (bottle) au fost amplasate pentru a se deplasa inainte.

Exista doua clase de generatoare de tip "bottle", care difera in functie de directia scripetelui data de roata. Un tip de generator sticla se inclina, pivotand axa sa catre centru la unghiuri potrivite, directia de mers nemodificand semnificativ performanta. Un alt tip este cel numit "balama" – care se deschide ca o usa in jurul unei axe paralele si este montat in spate determinand ca presiunea de contact sa creasca invariabil. Aceasta reduce sansa ca scripetele sa alunece, dar poate mari piedica (frana).

Generatoarele de tip sticla sunt simple, ieftine si destul de eficiente. Totusi sunt un pic inclinate in conditii umede. Aceasta problema se poate remedia prin ajustari atente si alegerea tipului corect de roata, dar poate fi mai greu de eliminat pe drumurile unsuroase.

Generatoare de tip rotile (roller) se bazeaza chiar pe roller, fiind pornit de contactul cu treapta de centru a rotilor.

Rollerele au nevoie de o presiune de contact ridicata pentru a putea functiona pe ploaie, deoarece apa ajunge, datorita fortei centrifuge, pe roata si este transmisa pe roller de protectorul de noroi din spate. Se presupune ca pentru un diamteru mai mare (comparat cu scripetele obisnuit de generator de sticla) trebuie sa reduca frecarea. Cu siguranta zgomotul este redus.

Prin plasarea unui generator in sau pe butucul de la bicicleta se elimina cateva din incertitudinile de condus concomitent cu o dorinta pentru sporirea eficientei si sigurantei au determinat pe multi cercetatori sa dezvolte hub-ul integral sau generatoarele de butuc. Acestea pot fi clasificate in doua moduri: ori se rotesc odata cu butucul, ori sunt angrenati pentru a spori viteza de rotatie a generatorului. Si sunt fixati sa se roteasca tot timpul, ori sunt prinsi, ca generatorul sa fie declansat cand luminile sunt cerute. Butucurile neangrenate au nevoie de multi poli magnetici pentru a compensa viteza de rotatie scazuta, dar nu sunt neaparat mai grele decat angrenajele. Intucat acestea sunt mai putin eficiente sunt prine pentru a elimina frecarea reziduala si uzura inutila.

3.2.2 Ieșirea electrică

Este dificil de a recomanda cel mai bun dinam, dupa cum se observa pe grafic, intrucat au caracteristicile putere in functie de viteza destul de asemanatoare. Acest aspect nu este surprinzator intrucat toate sunt proiectate sa alimenteze acelasi set de iluminat cu caracterisiticile de 6V, 3W (impartit, de obicei, 2.4W in fata si 0.6W in spate). Diferentele apar in principal pentru dinamurile ce depasesc nivelul de 3W, dar chiar si asa se observa foarte bine luminozitatea oferita de dinam. Cu alte cuvinte generatoarele sunt destul de asemanatoare ca performante, dar ttrebuie alese becurile cu atentie pentru a nu le strica. Astfel, s-a propus o solutie la aceasta problema prin folosire lampilor ce contin diode Zener pentru a limita tensiunea. Totusi, aceste dispozitive nu sunt simple switch-uri si chiar si asa exista scurgeri de tensiune ce pot arde becurile din cauza unei generator puternic, mai ales daca biciclistul pedaleaza la viteze mari.

Optimizarea dinamului pentru iluminat (utilizare pentru biciclisti) si proiectata pentru a depasi standardele Germaniei – care presupun ca un geneator sa depaseasca 95% din iesirea nominala la viteza 15km/h (9 mph).

Cateva tipuri de scripeti mai mari reduc frecarea si de multe ori maresc tractiunea. In mod paradoxal modelele cele mai putin puternice sunt si cele de preferat, desi diferentele aratate in diagrama de mai sus sunt minore.

Posibile exceptii ar fi Bisy Bike RND2 (sa fie evitate pentru viteza ridicata), Union 9501 Roller (foarte bun pentru ciclistii lenti) si Jenymo.

3.2.3 Frecare (drag)

Se stie ca dinamurile (mai ales cele mari) incetineste viteza de deplasare a bicicletei. Insa, in mod normal este insesizabil la fel ca si frecarea, intrucat au evoluat foarte mult generatoarele moderne. Nu este de neglijat subiectul frecarii generatorului si astfel s-au facut masuratori pentru un efort extra de 90kg (75 kg masa biciclistului si 15 kg masa biciclistului). S-a luat in calcul si terenul accidentat (denivelari fata de axa orizontala). Pentru a deplasa masa totala de 90kg ciclistul trebuia sa produca 70W pentru a mentine viteza de 20km/h pe suprafata orizontala. Daca porneste dinamul va avea nevoie de cel putin 6W, maxim 14W.

Exista doua generatoare de butuc care au frecarea cea mai mica 1/1000 (6fpm – foot per climbing mile). Ambele generatoare, impreuna cu alt model ce se monteaza pe butuc apartin tipului fix. Aceasta inseamna ca generatorul nu poate fi declansat si intotdeauna se invarte odata cu roata. Prin urmare exista intotdeauna o frecarea extra – relativa la cea a rotii. Frecarea reziduala este si ea aratata pe grafic cu o linie discontinua. Este mult mai mica comparand cu electricitatea ce trece prin dinam. Iar pentru dinamul original al lui Schmidt, frecarea reziduala este mai mica decat 1fpm (foot of climbing per mile).

Frecarea reziduala nu este atat de bine controlata de Shimano si Pioneer: peste o anumita viteza (23 si respectiv 37km/h) generatoarele devin mai usor de pornit cu luminile aprinse din nou. Chiar si asa, cele doua au nevoie de un efort de a urca de sub 7fpm.

Pentru a face mai usoara comparatia intre modele testate si a decide pe cel care indeplineste cel mai bine cerintele fiecarei persoane au fost atasate in continuare 3 grafice. Cele mai bune dinamuri se gasesc in varf, iar cele mai slabe in josul graficului (s-au utilizat 3 criterii de performanta difierite).

3.2.4 Putere la viteză scăzută (Low Speed Power)

Dupa cum spune se anticipeaza in titlu, in graficul urmator se va urmari puterea de iesire a diferitelor marci de dinamuri la viteza de 10 km/h (6mph). Aceasta ar putea fi viteza cu care un biciclist coboara un deal abrupt sau in conditii meteo nefavorabile, drumuri grele (noroi, teren accidentat). Daca e nevoie de multa putere pentru viteze reduse, atunci e de recomandat modeul Union 9501, ce are eficienta cea mai mare la viteza de 10 km/h.

3.2.5 Eficiență la viteză normală (Normal Speed Efficiency)

Este reprezentata de ciclisti, navetisti care merg cu viteza de 20 km/h (12 mph) cu un efort minim. Astfel, generatoarele sunt proiectate ca eficienta sa fie maxima in aceste conditii. In general ciclisti normali (exceptand atletii) se deplaseaza in modul normal in jurul valorii de 20 km/h. Trebui sa se aibe in vedere frecarea la viteza mare.

3.2.6 Frecare la viteză ridicată (High Speed Drag)

Este gresit sa ai un generator mai eficient exces va face ca becurile sa se arda. Din moment ce nu exista problema la iesirea (output) majoritatea modelelor, se pune problema intrarii (input). In acest caz se gasesc pentru ciclistii de mare viteza, ce pedaleaza pe distante lungi (atleti). Se recomanda consultarea urmatorului grafic daca depasesti adesea viteza de 30 km/h (19 mph). Trebuie avut in vedere ca in acest grafic este inclusa si frecarea reziduala (lumini oprite) pentru generatoare de butuc. Acestea pot fi oprite electric, dar tot functioneaza odata cu roata. Cu cat mergi pe lumina la orice viteza, cu atat e de recomandat sa ai o frecare reziduala cat mai mica.

3.3 Analiza produselor

3.3.1 AXA-HR

Este un generator de tip sticla (recomandat in cadrul CTC mag pg 28 A/M 93). Primul design modern cu eficienta ridicata si in continuare unul din cele mai bune datorita diametrului mare. Versiunile anterioare au suferit din cauza legaturilor mari, pentru ca axul rotorul se coroda. Astfel, s-a trecut la folosirea componentelor din otel inoxidabil. Acest model are un resort puternic cu privire la presiunea aplicata, aluneca rareori, dar poate exercita prea multa presiune de contact cand este amplasat in spate. Este incorporata o dioda zener pentru protectie impotritva supraincarcarii si are conexiuni electrice separate.

3.3.2 Bisy Bike RND2

Generator de butuc aplicat integral pe angrenaj (viteze), produs anterior sub numele de S'Light (revizionat in CTC mah pg 24 D/J 96). Vitezele epiciclice pot fi deculplate pentru mersul liber, dar s-a dovedit ca nu sunt de incredere: foarte putine rezistand pentru un sezon cu utilizare regulata. Cifra 2 din nume indica ca este o versiune imbunatatita. Conform datelor s-a dedus ca este mai eficient decat AXA la viteza joasa, dar nu mai bun decat orice generator de sticla la viteza normala sau ridicata. Modelul are un diametru mare si cantareste greu.

3.3.3 FER 2002

Ultima versiune a acestui generator de butuc unic care se ataseaza net pe o parte a rotii din fata (revizuit in CTC mag p33 F/M 92 ). Se prinde prin legarea unei manivele in spite si angrenat de curele zimtate interne. Poate fi adaptat usor de la o cursiera la un mountain-bike si din datele analizate reiese ca este una din cele mai usoare pentru a impinge. Desi este atractiva pentru ciclistii de viteza mare sau de distante lungi, experienta cu modelele GS2000 si 2001 indica probleme cu distorsiunea indusa de caldura corpului de plastic, rezultand nealinierea, zimti cazuti si curele stricate. Probleme putine au fost reportate de catre ciclistii lenti sau de distante scurte. Modelul GS2002 poate fi, in schimb, dezasamblat pentru mentenanta.

3.3.4 FER Powerlight L95

Este un generator simplu de tip sticla (balama) de la FER. Cu toate ca are o proiectare recenta, are cea mai ridicata frecare si cel mai scazuta iesire din categorie. Utilizatorii reporteaza durabilitate scazuta de la generatoarele de sticla FER (mai ales cele din plastic), prin urmare nu sunt de recomandat.

3.3.5 Jenymo

Model unic de generator de sticla de origine elevetiana cu baterie integrala de back-up (tine luminile aprinse pentru 10 minute dupa ce t-ai oprit), ce este in mod continuu incarcat de catre generator. Masuratorile au fost facute cu acest tip de baterie incarcata complet, pentru a minimiza efectul de reincarcare la iesire. Totusi, nu este corect sa compari iesirea si eficienta cu generatoare simple deoarece circuitul de incarcare consuma ceva putere. Multi ar considera ca un output mai scazut in timp ce pedalezi este de preferat cu conditita sa fie o iesire continua atunci cand stationezi. Frecarea este similara cu cea a unui generator de roata. Modelul Jenymo este unul de tip balama, numai putin mai mare decat un generator de sticla obisnuit (cantareste 180g) si se potriveste in acelasi tip de slot (modelul nu se rageseste in UK).

3.3.6 Marwi

Compania daneza a cumparat Soubitez si Union, iar cateva produse vor fi prezentate in cele ce urmeaza.

3.3.7 Nordlicht 2000R

Generator clasic de tip sticla, dar eficient si silentios datoria cauciucului atasat peste inel. A fost testat si suplimentat cu un inel mic de 22 mm (revizie in CTC mag p33 A/S 95). Scripetele din otel este similar si este setat sa aibe o iesire maxima la 15 km/h, respectand reglementarile germane. Inelul de cauciuc este mai larg (26 mm) si imbunatateste tractiune si ar trebui sa reduca frecare cu cel putin 15%. Produsul este recomandat ciclistilor de viteza normala sau ridicata, pentru care reducerea iesirii este mai degreaba un beneficiu. Performanta modelului cu inel largit este similara cu cea a modelului AXA. Dinamul Nordlicht este mult mai sigur decat generatoarele de tip sticla: corpul de metal ajuta la protectie indelungata in cazul deplasarii cu viteza ridicata.

3.3.8 Pioneer Spanninga

Acest nou generator de butuc (menționat în CTC MAG p39 D / J 97) se monteaza pe butucul liber din spate Shimano. Ieșirea este standard 6V, 3W, dar este destinata în special să fie utilizat cu sistemul său de iluminat dedicat. Deși este destul de eficient atunci când generează, nu poate fi destprins și exercită în continuare franare semnificativa. Dar efectele de franare, nu ar trebui să fie exagerate (aceasta te vor încetini doar cu aproximativ 5%), iar unele pot totuși avea caracteristici high-tech (luminile se aprind automat atunci când se întuneca).

3.3.9 Renak Enparlite

Integrat foarte compact, pe viteze, generator strîns pe butuc, menționat în CTC MAG p39 D / J 97. Pornirea este greoaie, iar cele trei viteze epiciclice faceau un zgomot descurajator. Cu toate acestea: după o funcționare de lungă durată, pare mai puțin zgomotos și, probabil, oarecum mai ușor pentru propulsat. Acest test arată că, deși nu este deosebit de eficient, franarea este comparabil cu un generator de sticlă bun și, desigur, nu este afectată deloc de vreme.

3.3.10 Shimano Inter-L

Un alt generator de butuc integral (fara viteze), dar la un preț competitiv. Inter-L este un concurent bun pentru dinamul original Schmidt, într-adevăr, avand franare ceva mai puțina peste 28 km / h. Eroarea fiind aceea ca franarea poate fi redusa cu greu prin oprirea luminilor. Într-adevăr: dacă doriți sa mergeti mai repede de 23 km / h (14 mph) ar fi de indicat sa mergeti cu luminile aprinse. Efectul acestei franari nu ar trebui să fie totuși exagerat. Este ca un gradient de numai 1 din 900 și reduce viteza cu mai puțin de 4%. Acest lucru nu va fi observat de cei mai multi ciclisti, care pot aprecia, in schimb, fiabilitatea.

3.3.11 Shimano Inter-L*

În loc de o lampă de modificata: Shimano a pus la dispozitie un comutator montat pe ghidon la care se poate lega orice lumini standard de dinam. Acest comutator conține, deasemenea, un regulator Zener pentru a proteja lămpile de puterea în exces. Foloseste o tensiune mai mică decât cea in mod normal utilizata pentru far cu halogen, reducand putere chiar si la viteze mici și rezultand o eficiență mai mica.

3.3.12 Soubitez Electra

Designul modern, stilat de generator de sticlă (tip balama) de la acest fabricant francez bine cunoscut. Tensiunea de ieșire puțin mai mica decât media celorlalte dinamuri, dar are franare mai mica decât majoritatea competitorilor, ceea ce face un produs bun pe piata. Dinamul de la Soubitez este, probabil, o alegere buna pentru ciclistii rapizi cu un buget restrans.

3.3.13 Union Roller 8601

Dacă trebuie să amplasezi generatorul în partea de jos a consolei, reprezinta unul din putinele avantaje ale acestui dinam. In schimb e mai greu, mai scump, mai puțin eficient și, în medie, mai puțin durabile decât un dinam de tip sticla, deci într-adevăr ar trebui să reconsidere opțiunile. 8601 este operat prin intermediul unui cablu si maneta pe sub, astfel încât să puteți reduce cu ușurință franarea doar oprindul.

3.3.14 Union Roller 9501

Design nou, mai compact decat modelul anterior, de asemenea, cunoscut sub numele de Maus (soricelul) – probabil din cauza modului in care ruleaza de-a lungul partii de sus a anvelopei. Se poate combina perfect cu un far pentru a se potrivi în fața ghidonului. Are caracteristici excelente de ieșire a tensiunii, dar are aceeasi franare ca modelul 8601.

3.3.15 Union Tramp

Generator de sticlă clasic de la omniprezentul german. Vine clasat câteva locuri în spatele modelului din aceeasi clasa, dar mult mai costisitor. Iar cifrele reale de performanță sunt foarte apropiate, avand o excelenta valoare pentru bani.

3.3.16 Union Turbo

Ultra-compact, extrem de eficient și bine placut ca aspect pentru acest generator de sticla. Are un eșec atunci când a fost revizuit de CTC MAG (p33 O / N, 96 și P42 F / M 97), dar feedback-ul din partea membrilor este mult mai încurajator. Este legat de tipul de înclinare, astfel nu ar trebui să fie afectata de direcție de calatorie. Cu toate acestea, unele raportează o tendință de alunecare atunci când este montat în spate, probabil din cauza lipirea pivotului atunci când este împins în acest fel. Un pic zgomotos, dar performanța este pe picior de egalitate cu AXA-HR. Una dintre cele mai bune generatoare tip sticla.

3.3.17 Dinamul original Schmidt (cel mai bun în test)

Generator de butuc integral, fara viteze, reprezinta conceprul de "dynohub" (dinam de butuc). Are inclus o lampa modificata care are un comutator pentru aprinderea/oprirea luminilor. Desi, acest generator nu este in top pentru toate clasamentelor (de exemplu alte generatoare depasesc usor tensiunea de iesire la viteze scazute), este cel mai bun in test. Spre deosebire de modelul Shimano mai are si avantajul de franare reziduala destul de mica. Aceste caracteristici sunt recomandabile pentru ciclistii de distante lungi sau de viteza mare.

3.4 Metoda de test

O mașină specială de testare a fost construită, pe care o roată sau orice tip cunoscut de generator ciclic de iluminat ar putea fi montate. Roata ciclu a fost cuplată la o mare (30 kg) volanta și accelerată de un motor electric la viteza maximă. Apoi, motorul a fost decuplat și viteza a fost monitorizată de computer pe masură ce roata a fost întârziată (în principal) de către generator. Computerul a fost programat pentru a calcula rata de decelerare și consumul de energie (având măsurată în primul rând inerția volantului și a rotii de bicicletă printr-o metodă pendul) într-un interval de viteze.

Testele de calibrare au fost efectuate , de asemenea, fără un generator, chiar și fără o roată ciclu pe platforma. Din aceste teste s-au putut calcula coeficientul aerodinamic, franarea a volantului și a rotii de ciclu ar putea, și scade, după caz, din datele de test. În timp ce frecare in legatura (în ciclul de roata si masina de testare), ar trebui să fie relativ mic, spițe acționează ca un ventilator centrifug, care produce o frânare aerodinamica semnificativa chiar și atunci când roata nu se mișca înainte. Toți acești factori au dovedit a fi mult mai puțin decât frânarea generator, care ar putea fi calculată cu o precizie adecvată. Calculatorul a monitorizat, de asemenea, producția de energie electrică în timpul încercărilor cu generatorul in funcționare. Becurile nu sunt suficient de fiabile pentru scopuri de testare, astfel încât tensiune a fost masurata pe un rezistor de 12Ω de înaltă calitate ohm 12 (1%, 50W) cu diode Zener paralel de 7.8V (BZW7V8B). Aceste componente sunt modelate pentru caracteristicile 6V, 3W folosite pentru sistemul de iluminat sprijinit de dinam.

Deoarece dinamurile au o eficiența mai mica de 100% , generatoare se încălzesc în timpul utilizării. Acest aspect modifică proprietățile lor mecanice și electrice; astfel încât fiecare dispozitiv a fost testat timp de 5 minute la 15 kilometri pe oră înainte de accelerarea la 50 km / h (fiind simulata coborarea pe o panta abrupta).

Un program de pre-testare a investigat încălzirea și alți factori. Variabila cea mai importanta a cursului de dezvoltare a fost, de fapt, presiunea scripetelui. Modelul Union 8601 Roller preseaza în special anvelopă cu o forță de aproximativ 20 de newtoni (N). Atunci când acest lucru a fost redusă la 10 N, prin intermediul unui arc extern, franarea a fost redusa cu aproximativ o treime. Generatoarele cu role vechi, utilizate sunt mult mai eficiente, deoarece arcurile lor vechi nu apasă atât de greu, dar, desigur, atunci ele alunecă în ploaie.

În timpul încercărilor principalele toate generatoare de tip sticla laterale au fost montate cu un decalaj inchis de 10 mm, care, în general, a dus la o presiune de contact (dacă sunt in contact cu anvelopa) de aproximativ 10 N, în timp ce generatoare de role s-au poziționat la o distanță pe jumatate între a atinge atunci când functiona si, respectiv, atunci cand nu functiona – în așa fel încât să producă o presiune la jumătate între minimul și maximul obținut. De reținut că standardele oficiale germane de testare diferă prin faptul ca mentioneaza o presiune de 10 N, care face modele cu arcuri puternice sa para mult mai eficiente decât sunt acestea de obicei. Astfel, rezultatele oficiale (cu toate acestea înșelătoare) tind sa fie citat în cataloage.Cel puțin trei probe din fiecare model au fost testate. Dupa cercetare, s-a ajuns la concluzoa ca mai degraba se folosesc dinamurile cu caracteristici extreme, decat o mediere a acestora.

4. Tipuri de acumulatori

4.1 Glosar

C=capacitatea sau curentul de încărcare
Trickle charge= încărcare la curent mai mic de C/10
Încărcare lentă= încărcare la C/10
Topping= încărcare la capacitatea maximă acceptată de celulă (de regulă, ea este cea indicată de producător)
Autodescărcare=fenomen care apare la bateriile pe baza de Ni și care constă în pierderea capacitații prin stocare.
Densitate de energie=raportul dintre energia furnizată de o celulă și greutatea ei.
Curent nominal/capacitate nominala=parametri indicați de producător
Descărcare profundă=descărcare completă până la tensiunea minimă specifică tipului de baterie.

4.2 Caracteristici și fenomene chimice

4.2.1 NiMH (Nickel-metal hydride)

Hidrură de Nichel-Metal

Electrochimie

Reacția electrodului negativ care apare într-o celulă NiMH este:

Reacția de încărcare este citită de la stânga la dreapta și reacția de descărcare este citită de la dreapta la stânga.

La electrodul pozitiv, oxihidroxidul de nichel (NiOOH) se formează:

Anod: Diferite aliaje metalice de nichel
MH + OH- —> M + H2O + e- 0,83V

Catod: Oxi-Hidroxid de Nichel Ni(OH)2
NiOOH + H2O + e- —> Ni(OH)2 + OH- 0,52V
Electrolit: Hidroxid de potasiu
Tensiunea electrochimică per element: 1,35

Cu excepția anodului, acest tip de celulă este apropiat de celula NiCd. Evoluția de la anod de Cd la anod din metale rare în aliaj cu Ni este datorată capacității de absorbție marită a acestor aliaje a hidrogenului din electrolit, ceea ce se traduce într-o densitate de putere mai mare, cel puțin teoretic, cu până la 50%. Practic, această creștere este de aproximativ 25%. În bateriile moderne, anodul cuprinde, în general, și următoarele elemente: V, Ti, Zr, Ni, Cr, Co, și Fe. Interesant este că, deoarece reacțiile chimice nu sunt în intregime stăpânite din punct de vedere teoretic în industria constructoare de celule NiMh, proporțiile de aliere sunt stabilite prin metode empirice! Deși celulele NiMH costă mai mult decat cele NiCd iar numărul de cicluri utile este mai redus, ele sunt utilizate, in principal, datorită capacității mai mari. Referitor la efectul de memorie, deși se crede că celulele NiMH nu îl dezvoltă, el a fost observat în practică. Remediul este de a efectua o descărcare completă (până la 0,84V) la aproximativ 30 de cicluri normale.

4.2.2 Li-ion

Anod: Grafit
Catod: Oxid de Li
Electrolit: LiPF6 sau LiBF4

Utilizarea Li metalic în acest tip de baterii generează probleme legate de siguranță în exploatare, motiv pentru care au fost dezvoltate anumite combinații de structuri fizice pe bază de litiu pentru anod. Una din soluțiile găsite a fost intercalarea litiului într-o rețea cristalină de grafit. Electrolitul are și el marele dezavantaj de a coroda aluminiul. Din aceste motive, structurile bateriilor pe bază de Li sunt diverse și dificil de expus pe larg. Totodată, dezvoltarea acestui tip de baterii este continuată în prezent, un standard general valabil nefiind, încă, tradus în practică. Principalul avantaj al acestor baterii este densitatea mare de energie, ajungând până la 250 Wh/kg.

4.3 Incarcărea acumulatorilor

4.3.1 Încărcarea bateriilor pe bază de nichel

3 faze: inițiala>>>topping>>>trickle

Obținerea randamentului maxim al bateriilor reîncărcabile se bazează, în principal, pe modul în care decurge alimentarea lor.

Ca regulă generală, pe durata procesului de încărcare, bateriile nu trebuie să prezinte fenomenul de supraîncălzire deoarece temperaturile crescute scurtează dramatic viața acestora. Cu toate acestea, încălzirea bateriilor pe bază de nichel este inevitabilă în cursul încărcarii. Ori de cate ori acest fenomen apare, trebuie limitat in timp.

Creșterea de temperatură apare întotdeauna în a doua parte a ciclului de încărcare. Mereu încărcarea de tip trickle trebuie să se desfășoare la temperatura camerei. Dacă bateria este caldă în această fază, înseamnă că încărcătorul nu funcționează corect iar bateria trebuie scoasă din încărcător.

Această precauție trebuie luată, în mod special, în cazul bateriilor NiMH datorită imposibilității acestora de a converti chimic caldura.

Încărcătoarele de baterii pe bază de nichel se grupează in 3 categorii:

∙ Încărcătoare lente- Bateria este încărcată cu un curent de C/10 tot timpul cât aceasta este conectat la încărcător. Acest tip de încărcător se gasește incorporat în diferitele echipamente care folosesc acumulatori.

∙ Încărcătoare rapide- Bateria este încărcată în aproximativ 3-6 ore. După această perioadă, încărcătorul intra în mod trickle nelimitat.

∙ Încărcătoare ultra-rapide-Acest tip de încărcătoare sunt proiectate pentru bateriile pe bază de nichel și alimentează complet bateria în aproximativ o ora. Încărcarea rapidă are marele avantaj de a reduce cristalizarea elementelor chimice (efectul de memorie) și acționează în trei faze: încărcarea ultrarapida, topping (faza în care se atinge capacitatea nominală maximă) și trickle, care preîntimpină autodescarcarea.

Bateriile pe baza de nichel necesită, înainte de prima utilizare o încarcare în mod trickle pentru 24 de ore (formatare). Aceasta este necesară pentru echilibrarea celulelor înseriate și pntru a reduce zonele uscate din separatorul electrolitic, apărute datorită acțiunii gravitației în timpul stocării îndelungate.

Unii producatori de baterii nu le încarcă complet înainte de livrare. Întreaga capacitate a bateriei este obținută după formatarea prin cicluri de încărcare/descărcare, uneori chiar dupa 50/100 de cicluri. În general, capacitatea specificată de producător se obține după 5-7 cicluri de utilizare.

Majoritatea bateriilor de acest tip au prevazută o supapă de ventilare care împiedică acumularea de gaze în celulă. Supapa se deschide la atingerea unei presiuni interne mai mari de 10-13 bari, de 5 ori mai mari decât cea dintr-un pneu de automobil!

Functionarea supapei generează o depunere de pulbere albă în zona supapei. Prin deschiderea supapei de ventilare are și semnificația unei pierderi de substanța din electrolit.

Alimentarea acestor celule necesită încărcătoare mult mai complexe decât cele necesare la celulele NiCd, în special datorită faptului ca variația negativă de tensiune este mult mai mică. Mai mult, la încărcări cu valori mai mici de C/5 sau în cazul unor temperaturi ridicate, aceasta variație nu apare. De asemeni, dezechilibrarea pack-urilor de celule NiMH înseriate reduc aceasta variație.

Variația de tensiune negativă este în intervalul 8-16mV per celula pentru o baterie nouă.

O sensibilitate sporită a circuitului de detecție la -dV face ca încărcarea să ia sfârșit înainte de atingerea capacitații programate datorită fluctuațiilor de tensiune din rețea sau datorită zgomotului electric. Cele mai multe încărcătoare de baterii NiMH utilizează toate metodele de detecție a încărcării, respectiv -dV, dT/dt, măsurarea temperaturii absolute și timer, dar în alt mod decât încărcătoarele destinate bateriilor NiCd.

Datorită variației foarte mici -dV, precum și absenței acestei variații la încărcarea cu curenți mai mici de C/5, încărcarea bateriilor NiMH se realizează corect în încărcătoare rapide sau ultrarapide. Încărcătoarele care se bazează pe timer ca metoda de terminare a încărcării fie nu încarcă destul celula, fie o supraîncarcă. Spre deosebire de bateriile NiCd, cele NiMH au o toleranță redusă la supraîncărcare datorită reacțiilor chimice specifice. Tot un element specific este faptul că încărcarea trickle trebuie să se desfășoare la curenți de 5 ori mai mici decat la bateriile NiCd.

Încărcătoarele ieftine nu asigură o alimentare corectă a bateriilor NiMH, spre deosebire de cele NiCd întrucât ele opresc încărcarea pe baza detecției unui vârf de tensiune sau a unui vârf de temperatură.

4.3.2 Încărcarea bateriilor pe bază de Li

Două faze: inițială>>>topping

Indiferent de ce se spune de către diferiți "experți", la încărcarea celulelor pe bază de Li nu există încărcătoare rapide sau care să regenereze acest tip de acumulator. Aceasta datorită reacțiilor chimice specifice. Fabricanții de baterii au instrucțiuni foarte clare și precise referitoare la încărcarea celulelor pe bază de Li iar acestea diferă de la un fabricant la altul. Întrucât modul în care se produc reacțiile chimice într-o celulă bazată pe Li este oarecum empiric determinat, și încărcarea urmează sa fie făcută în baza specificațiilor producătorului.

Bateriile pe bază de Li sunt "curate", nu generează emisii de gaze și nici nu necesită formatare înaintea utilizării. De asemeni nu dezvoltă fenomenul de memorie. Prima încărcare este identică cu cea de a, sa zicem, o suta. Indicațiile referitoare la încărcarea de minim 12 ore la prima utilizare nu au nici un sens decat acela de a crea o umbrelă de mister în jurul adevăratelor informații.

Cele mai multe celule Li au, în starea de încărcare, o tensiune de 4,20V cu o toleranță de +/- 0,05V per celulă. Pentru prelungirea duratei de exploatare se admite o reducere cu 10% a tensiunii de încărcare, respectiv la 4,10V/celulă. În ultima perioadă, au aparut tipuri noi de astfel de baterii care pot suporta încărcări la tensiunea maximă fără ca aceasta să scurteze durata de exploatare.

Timpul de încărcare al celor mai multor încărcătoare este de aproximativ 3 ore. Bateriile mici, utilizate în telefoane mobile pot fi încărcate la 1C în timp ce bateriile de capacități mai mari, cum ar fi cele utilizate la calculatoare portabile sunt încărcate la aproximativ 0,8C. Eficiența la încărcare este de 99% iar bateria rămâne rece pe toată durata încărcării.

Încărcarea completă este atinsă atunci când este atins pragul de tensiune ori când curentul de încărcare a scăzut la 0,03C.

Creșterea curentului de încărcare în faza inițială nu are drept consecință o scădere a duratei de încărcare căci a doua perioadă, de topping, va dura proporțional mai mult.

Totuși, unii producători de încărcătoare de celule Li pretind ca încarcă bateria într-o oră sau mai puțin. Aceste încărcătoare parcurg doar faza inițială incărcând bateria la aproximativ 70% din capacitatea nominală.

A doua fază durează, de obicei, de două ori mai mult decât prima!

În cazul celulelor pe bază de Li, nu este necesară faza a treia, întâlnită la bateriile pe bază de Ni, ba chiar este contraindicată întrucât după atingerea tensiunii de 4,05V/celulă începe depunerea electrochimică a Li pe electrozi ducând la instabilitate chimică și la explozii, bateriile neavând posibilitatea de a converti în caldură supraîncărcarea. În loc de faza trickle, se aplică o încărcare topping periodică pentru a compensa consumul. Pentru compensarea autodescărcării, odată la 20 de zile se recomandă o încărcare topping. De regulă, această încărcare se recomandă să aibă loc pe palierul de la 4,05V/celulă-4,20V/celulă.

Fenomenul care apare la supraîncărcare (peste 4,30V/celula) este, în rezumat, următorul: Litiul metalic se acumulează pe anod iar materialul din care este confecționat catodul devine agent oxidant determinând generarea de oxigen. Oxigenul eliberat astfel reacționează violent cu Litiul declanșând o mică (dar nu prea) explozie.

În general, bateriile reîncărcabile pe bază de Li conțin circuite de protecție și urmărire a tensiunii pentru a asigura funcționarea corectă ataât la încărcare cât și la descărcare. Totodată, temperatura celulei trebuie urmărită cu mare atenție! Tensiunea per celulă nu trebuie să coboare sub 2,50V. De regulă, odată atinsă această tensiune, încărcarea pe încărcătoarele obișnuite destinate bateriilor pe bază de Li nu mai este posibilă întrucât curba de încărcare diferă de cea normală.

De regula, circuitul de protecție este încorporat în echipamentul care utilizează acest tip de baterie iar fabricanții livrează bateriile parțial încărcate (cam 40% din capacitate) pentru a preîntâmpina autodescărcarea. Unele baterii au chiar un circuit care nu permite consumatorului să consume energie electrică dacă bateria nu este activată cu o încărcare.

Experții în acumulatori sunt unanimi în a aprecia că viitorul aparține tehnologiei pe bază de Li datorită complexității reduse cerute încărcătoarelor. Deși acestea trebuie sa fie deosebit de precise în decelarea tensiunilor de prag care determină ciclul de încărcare, sunt, totuși, mult mai simple decât cele destinate tehnologiei pe bază de Ni care trebuie să monitorizeze un număr mai mare de factori. Curentul de încărcare nu este critic și poate varia. Un curent mic va avea drept consecință doar o durată mai mare la încărcare. Totuși, față de tehnologia pe bază de Ni, aceste celule au dezavantajul unei îmbătrâniri mult mai rapide.

O celulă pe bază de Li va avea același număr de cicluri, fie că descărcarea are loc până la 1% din capacitate fie ca este descărcată doar cu 10%. Așadar, înainte de a introduce un acumulator pe bază de Li în încărcător, întrebați-vă dacă este nevoie, într-adevăr să fie incărcat…

Bateriile pe bază de Li-polimer sunt asemănătoare cu cele Li-ion. Diferența constă în faptul că este utilizat un electrolit gel polimerizat pentru îmbunătățirea conductivității. În cele mai multe cazuri, același încărcător poate fi folosit.

4.4 Determinarea încărcării pe baza masurării tensiunii celulei

Măsurarea tensiunii pe celula neconectată poate fi utilizată pentru determinarea stării de încărcare a bateriei pe bază de Li (la fel ca și la bateriile alcaline sau pe bază de plumb). Din nefericire, metoda nu poate fi aplicată la bateriile pe bază de Ni.

O celulă pe bază de Li cu o tensiune în gol de 3,8V relevă o capacitate de 50%. Totuși, utilizarea acestei măsuratori nu este universal valabilă datorită fluctuațiilor de parametri de la producător la producător precum și datorită temperaturii ambiante. Cu cât crește temperatura, cu atât scade tensiunea furnizată de celulă.

4.5 Sfaturi generale

Evitați încălzirea bateriilor în timpul incărcării. De regulă generală, orice fenomen chimic care generează caldură în baterie are drept efect pierderea de substanță în electrolit prin evaporare și transformare în gaz. Energia electrică "pompată" în celulă duce la generarea de energie termică în loc să genereze reacțiile chimice proiectate. Dacă un încărcător de acumulatori are ca efect încălzirea bateriilor, înseamnă că undeva este o problemă! Desigur, undeva trebuie sa existe un compromis iar acesta sa fie asumat de utilizator…

Încărcătorul destinat celulelor de tip NiMH poate încărca celule NiCd. Nu și invers! Încărcătorul de NiCd va supraîncărca celulele NiMH, degradându-le;

Bateriile de tip NiMH se încarcă la curenți mari în încărcătoare rapide sau ultrarapide. În acest fel se previne dezvoltarea formațiunilor cristaline pe electrozi (fenomenul de memorie);

Bateriile pe bază de Ni și cele pe bază de Li sunt diferite din punct de vedere al chimiei interne și necesită metode de încărcare complet diferite. Încărcătoarele, de asemeni, sunt diferite și nu sunt interschimbabile;

Dacă nu aveți de gând să utilizați bateriile după încărcare, nu le lăsați în încărcător, indiferent de "prescripții". Mai bine scoateți-le și aplicați înainte de utilizare o încărcare de tip topping.

Un încărcător care să protejeze investiția în acumulatori este un dispozitiv la rândul lui complex și, pe cale de consecință, scump. Nu aruncați banii pe fereastră cumpărând acumulatori scumpi și încărcătoare ieftine!

Scurtă dizertație cu privire la încărcarea bateriilor utilizand încărcătoarele încorporate în echipament

Majoritatea echipamentelor actuale au încorporate circuite de încărcare a acumulatorilor. Personal prefer ca încărcarea să aiba loc într-un încărcător dedicat din două motive:

 circuitele de detecție sunt mult mai elaborate;

 influența temperaturii asupra celulei care se încarcă este mult mai redusă prin externalizarea sursei de energie termicaă (transformatorul încărcătorului este, de regulă, extern)

4.6 Descărcarea acumulatorilor

Mai sus am discutat despre tipurile de baterii și modul în care se realizează încărcarea lor. Este timpul să spunem câteva cuvinte și despre exploatarea lor, care are semnificația unei descărcări. Scopul unei baterii (fie baterie chioară fie acumulator) este acela de a stoca energia și de a o pune la dispoziția utilizatorului atunci când acesta are nevoie. Curentul de încărcare și descărcare al bateriei se evaluează în funcție de C. Majoritatea bateriilor folosite în echipamentele portabile sunt considerate ca fiind 1C, adică, o baterie marcată la 1000mA va livra timp de o oră 1000mA. Aceeași baterie va livra 500mA pentru 2 ore. La 2C, aceeași baterie va livra 2000mA pentru o jumatate de oră. În practică însă, la 2C, bateria din exemplu va livra doar aproximativ 95% din capacitate iar la 0,5C, bateria va livra 105% energie. Diferența între măsuratori este dată de rezistența internă.

Bateriile SLA nu pot opera la curent de descărcare de 1C. Pentru a indica în mod corect capacitatea bateriilor SLA producătorii precizează timpul de descărcare sau indică o capacitate de 0,05C.

Bateriile pe bază de Li au curentul de descărcare la maxim 2C ceea ce le face improprii anumitor domenii de utilizare. Unele baterii pe bază de Li au chiar circuite de limitare a curentului la 1,5C.

Bateriile pe bază de Ni au curenți mari de descărcare, ce depășesc 5C (NiCd) și pot tolera schimbări de polaritate (max 0,2V) pentru electrodul pozitiv în pack-uri cu mai multe celule înseriate. Totuși, această schimbare de polaritate nu trebuie prelungită întrucât schimbarea de polaritate poate duce la scurtcircuit intern ireversibil.

Aceste baterii ating o tensiune minimă de 0,9V/celulă la descărcare mai mare de 1C și sunt mai puțin afectate de cicluri profunde de descărcare. Pe durata descărcarii, celulele pe bază de Ni iși mențin tensiunea constantă până la aproximativ 15% din capacitate apoi urmează o scădere abruptă a tensiunii. De asemeni, dintre toate tipurile de baterii descrise, bateriile pe bază de Ni sunt cel mai puțin afectate de cicluri de descărcare profunde, putând suporta câteva mii de astfel de cicluri. Din acest motiv, acest tip de baterii sunt cele mai indicate pentru echipamente ce necesită asigurarea unui consum mare de curent și cicluri rapide de încărcare/descărcare, cum ar fi uneltele electrice sau echipamentele de comunicații. Bateriile pe bază de Li se descarcă până la aproximativ 3,0V/celulă iar unele baterii au circuite care deconectează permanent celula de la contactele externe, aceasta nemaiputând fi încărcată în încărcătoare uzuale.

Fabricanții indică pentru bateriile pe bază de Li ca descărcare normală o descărcare de până la 20% din capacitate. Descărcările repetate, de 100% duc la scurtarea numărului de cicluri disponibile pentru acea baterie. Din acest motiv este recomandat ca descărcarea acestor baterii să nu fie profundă.

Tensiunea de descărcare pentru bateriile SLA este de 1,75V/celulă. Descărcarea are loc la tensiune variabilă lent apoi abrupt pe măsură ce se apropie de 100%. Durata de exploatare a acestui tip de baterie depinde foarte mult de profunzimea descărcărilor. Astfel, o baterie SLA poate avea un număr de peste 1000 de cicluri la o profunzime de descărcare de 30% dar mai puțin de 200 la o profunzime de 100%. În ceea ce privește "ciclul de descărcare" în sine, este greu de definit. Unele baterii care au circuite electronice de urmărire a descărcării iau în calcul o descărcare de 70% din capacitate în timp ce, în anumite situații, descărcarea atinge doar 10% din capacitate (cazul sateliților).

5. Dispozitive utilizate

5.1 SOLAR CELL TRICKLE CHARGER FOR 12V BATTERY

SOL5N

5.1.1 Introducere

Acest dispozitiv (dupa simbolul atasat) poate afecta mediul inconjurator dupa ciclul de viata al sau si prin urmare trebuie sa fie dus la o companie specializata de reciclare. Dispozitivul SOL5N, format din celule solare, protejeaza impotriva scurgerii acumulatorilor pentru bateriile de 12V si nu numai. In cazul in care bateriile se uzeaza total acestea nu mai pot fi incarcate ca inainte si este necesara dispunerea lor.

5.1.2 Conținut

1. gaură pentru ventuze

2. ventuze

3. cablu de conectare

4. cleme de baterie

5. indicator LED

6. mufă pentru brichetă de țigară

IMPORTANT: in cazul anumitor vehicule, bricheta electrica nu este conectata atunci cand nu este pus contactul. In acest caz se poate conectat dispozitivul SOL5N direct la bateria masinii cu ajutorul clemelor in felul urmator: crocodilul negru la borna negativa (-), respectiv cel rosu la borna pozitiva (+).

5.1.3 Mod de utilizare

• se poate folosi ca un incarcator pentru bricheta electrica, fiind si conceput pentru 12V

• pentru lucrarea prezentata am ales ca dispozitivul SOL5N sa fie utilizat in domeniul incarcarii bateriilor (acumulatori, baterii de telefon)

• atata timp cat este suficient lumina solara, încărcătorul va produce un curent electric de valoare mica pentru a incarca bateriile (se va observa un LED care sclipeste)

• incarcatorul nu va supraîncărca sau dauna bateria deoarece are incorporata un dioda de blocare ce are rolul ca incarcatorul sa nu strice bateria.

• modelul SOL5N este proiectat pentru a compensa scaderea naturala a baterii (prin urmare nu va incarca total bateria descarcata)

• pentru rezultate optime se recomanda plasarea dispozitivului direct la razele soarelui.

5.1.4 Specificații tehnice

Putere 1.5W max.

Tensiune de intrare 12V (± 20%)

Tensiune nominala 17.5V

Curent 125mA max.

Dimensiuni 340 x 120 x 14mm

Greutate 0.45kg

Testare pentru conditii standard: AM1.5, 100mW/c m², la T=25°C.

5.2 MULTIMETRU DVM831

5.2.1 Introducere

Dispozitivul DVM831 este un multimetru digital de tipul CAT II – 500V cu un ecran LCD de 3 ½ digiti, fiind adecvat pentru masurarea curentilor si tensiunilor alternative si continue, rezistente, diode, tranzistoare.

5.2.2 Simboluri utilizate

reprezinta: citeste instructiunile

5.2.3 Supratensiune/categorie de instalare

DMM-urile (Digital MultiMeter) sunt categorisite ca depinzand de riscul si severitata supratensiunii de regim tranzitoriu, care poate avea loc in momentul testului. De exemplu fulgerul poate cauza mici izbucniri de energie (durata de viata scurta) in sistem ce pot provoca deteriorari.

Conform standardului ENN 61010-1 exista urmatoarele categorii:

to voltages andd voltage peaks whichh can occur within the environment of use.

Refer to the ta ble above.

Acest multimetru a fost proiectat conform standardului ISO EN 61010-1 pentru categoria CAT II 500V. Aceasta implica anumite restrictii in utilizarea aparatului si sunt referite la tensiuni si la varfurile de tensiune care pot avea loc in mediul in care este utilizat (ca referinte tabelul anterior).

Multimetrul DVM831 este adecvat pentru masuratori pana la 500V:

• circuite electronice protejate, care nu sunt direct conectate la sursă de alimentare principală, cum ar fi circuitele electronice, semnale de control si circuitele din spatele transformatorului de izolare

• circuite care sunt direct conectate la sursă de alimentare, dar sunt limitate de:

• masuratori a electrocasnicleor monofazice, care sunt conectate la retea printr-o priza

• electrocasnice monofazice si circuite direc conectate la retea intr-un mediu normal domenstic, cu conditia ca circuitul sa fie la cel putin 10m distata de CAT III, respectiv 20m de la mediu CAT IV: aparate de uz casnic, unelte portabile, circuite de lumină, ce se afla la o distanta mai mare de 10 metri fata de panoul de distributie

• Acest dispozitiv nu este adecvat pentru:

• tensiuni peste 500V

• masuratori pentru tablouri de distributie la tensiune joasa (tablouri de distributie în spatele casetei de masurare)

• masuratori asupra electrocasnicelor mono sau polifazate (fixat) si a circuitelor

din mediile CAT III si CAT IV (prize de alimentare, cuptoare electrice, bare de autobuz, circuite pentru fulgere, panouri de distributie pentru tensiuni joase si pentru întrerupătoare de circuite)

• masuratori a echipamentelor de distributie si a instalatiilor exterioare, incluzand dulapuri cu contor si echipamente/circuite exterioare sau de la distanță din domeniul casnic: circuite în grajduri, gradini si garaje sau circuite ce folosesc fire impamantate (iluminare gradina, pompa de piscina).

5.2.4 Gradul de poluare

Standardul IEC 61010-1 specifica diferite tipuri de poluare a mediului, pentru care au fost luate diferite masuri de protectie care sunt necesare pentru asigurarea sigurantei. Mediile mai aspre necesita mai multa protectie si depind in principal de izolare. Gradul de poluare a DVM-ului(digital voltmeter) indica in ce mediu poate fi folosit dispozitivul.

Conform standardului IEC 61010-1 dispozitivul de masura DVM 831 se incadreaza in gradul de poluare numarul 2, ceea ce inseamna ca trebuie luate in considerare efectele conform cu tabelul de mai sus.

5.2.5 Descrierea panoului central

Comutatorul de selectie: aparatul de masura are multiple functii si domenii care pot fi selectate via comutatorul de selectie.

Observatie: intotdeauna sa scoateti sondele de testare inainte de a selecta o functie diferita sau un alt domeniu.

Pentru opri multimetrul se pune comutatorul pe pozita OFF.

JACK de "10A"

Conectați cablul de testare roșu la acest jack pentru măsurători curent > 200mA

JACK de "COM":

Conectați cablul de testare negru la acest jack

JACK de "VΩmA": Conectați cablul de testare roșu la acest jack pentru toate măsurătorile cu excepția măsurătorilor de curent > 200mA

5.2.6 Instrucțiuni de operare

Trebuie avut o atentie sporita pentru riscul de electrocutare din timpul masuratorilor. Inainte de masuratori se are in vedere daca multimetru sau sondele de testare nu prezinta defectiuni, alegere gresita a gamei sau pozitionare eronata a sondelor de masura.

• Nu se depaseste valoarea limita pentru protectie, fiind specificata separat pentru fiecare gama de masura.

• Nu se ating terminalele nefolosite atuncti cand multimetrul este atasat unui circuit, care este testat.

• Se foloseste multimetrul numai in categoria de supratensiune/instalatie indicata si nu se masura tensiuni ce ar putea depasi valorile categoriilor indicate.

• Deconectați cablurile de testare din circuitul analizat pentru a roti selectorul de gama, în scopul de a modifica funcțiile.

• Atunci când se efectuează măsurători pe un televizor sau comutarea circuitelor de putere, amintiți-vă mereu că impulsuri de înaltă tensiune la punctele de test ar putea deteriora multimetrul

• Intotdeauna sa fiti atenti atunci când se lucrează cu tensiuni mai mari de 60 Vdc sau rms 30Vac. Țineți degetele în spatele barierelor de sonda în orice moment din timpul de măsurare.

• Nu măsurati curent în circuite cu tensiuni > 250V

• Nu efectuați niciodată măsurări de rezistență, dioda sau continuitatea pe circuitele deschise. Asigurați-vă că toate condensatoarele din circuit sunt descarcate

• Când afișajul indică "OL", în timpul unei măsurători, valoarea măsurată este mai mare decât intervalul curent selectat manual. Selectați un interval mai mare.

• Atunci când o gamă de joasă tensiune este selectată, ecranul poate prezenta o citire diferită, deși sondele nu sunt conectate la un dispozitiv sau circuit. Acest lucru este normal și este cauzat de sensibilitate de intrare mare. Citirea se va stabiliza și va da o măsurare corespunzătoare atunci când este conectat la un circuit.

5.2.6.1 Măsurători de tensiuni

• Conectați cablul de testare negru la mufa COM și cel de testare roșu la mufa „VΩmA”

• Pentru tensiuni DC, setați selectorul de V în limitele dorite. În cazul în care gama este necunoscută, stabilitiîntotdeauna gamă cât mai mare și coborati catre gama corespunzătoare.

• Pentru tensiuni AC, setati comutatorul selectorului V în limitele dorite. Când
gama este necunoscută, stabiliti întotdeauna gamă cât mai mare și apoi coborati la gama corespunzătoare.

• Conectați sondele de testare cu circuitul

Connect thee test probes with the circuit under test.

• Tensiunea masurata este afisata pe ecrand

Note:

• Pentru măsurători DC: atunci când o polaritate negativa este prezent la sonda roșie, valoarea indicată este precedată de un semnul "-".

• În cazul în care gama de mV este selectată, ecranul poate prezenta o afisare diferită, deși sondele nu sunt conectate la dispozitiv sau circuit. Acest lucru este normal și este cauzat de sensibilitate de intrare mare. Afisarea se va stabiliza și va da o măsurare corespunzătoare atunci când sunt conectate la un circuit.

5.2.6.2 Măsurători de curent continuu

• Pentru măsurători de până la 200mA: conectați sonda roșie la „VΩmA” și cablul negru la mufa COM (protejat cu o siguranță ceramică de 500mA/250V).
•Pentru măsurători de până la 10A: Conectați cablul de testare roșu la mufa de 10A și cablul negru la mufa COM (protejat cu o siguranță ceramică de 10A/220V).
• Pentru măsurători de până la CC 200mmA, setați comutatorul A în dorit gamă.
• Pentru măsurători de până la 10A DC, setați comutatorul A în limitele dorite (utilizează mufa 10A).
• În cazul în care gama este necunoscută, stabiliți întotdeauna gamă cât mai mare și apo scazi la gama corespunzătoare.
•Conectați sondele de testare în serie cu circuitul.
• Citiți curentul măsurat pe ecran.

Note:

• Pentru măsurători curent DC, atunci când p polaritate negativă este prezentă la sonda roșie, valoarea indicată este precedată de semnul "-".
• Gamele μA și mA sunt protejate împotriva supra-curent, cu o siguranta ceramica F500mA//250V, gama 10A este protejată cu o ceramică siguranță ceramică F10A/250 V

5.2.6.3 Măsurători de rezistențe

• Conectați cablul de testare roșu la mufa VΩmA și cablul negru la mufa "COMM".
• Puneți comutatorul de selecție la gama dorită "Ω". În cazul în care gama este necunoscută, o modalități este să selectați gama cea mai înaltă și să micsorati la gama corespunzătoare.
• Conectați sondele de testare la circuitul / componentei supuse încercării.
• Valoarea măsurată apare pe afișaj.
Note:
• Nu efectuați niciodată măsurări de rezistență pe un circuit deschis și asigurați-vă că toate condensatoarele sunt complet descărcate.
• Pentru a spori precizia de măsurare atunci când valorile rezistentei sunt scăzute, țineți prima oara sondele de măsurare împreună pentru a determina valoarea rezistenței cablurilor de testare. Scădeti această numar din valoarea măsurată a circuitului.
• Pentru măsurări de rezistențe mai mari de 1MΩ e nevoie de câteva secunde pentru a stabiliza citirea.
• În cazul în care rezistenței măsurată depășește gama selectată sau în caz de un circuit deschis, afisajul va arata "1".

5.2.6.4 Test de continuitate

• Conectați cablul de testare negru la mufa COM și respectiv cel de testare roșu la mufa VΩmA.
• Setați comutatorul de selecție la 200
• Conectați cablurile de testare la circuitul / componenta de testare.
• Atunci când rezistența măsurată este mai mică de 50Ω un bip continuu este produs si rezistenta este arătată pe ecran. În cazul în care rezistența măsurată depășește gama selectată sau în caz de un circuit deschis, afisajul va arata "1".
Nota:
• Nu efectuați niciodată măsurători de continuitate pe un circuit deschis și asigurați-vă că toate condensatoarele sunt complet descãrcat.

5.2.6.5 Test de diodă

• Conectați cablul de testare negru la mufa COM și respectiv de testare roșu la mufa VΩmA.
• Setați comutatorul de selecție până în 2000
• Conectați cablurile de testare la circuitul / componenta de testare (sonda de testare roșu la anod, sonda de testare negru la catod).
• Contorul va afișa căderea aproximativă de tensiune. În cazul în care conexiunea de probă este inversată, contorul va afișa "1"; în cazul în care dioda este scurtcircuitata, pe ecran se afișează 0mV ..
Note:
• Nu efectuați niciodată măsurări de diodă pe un circuit deschis și asigurați-vă că toate capacitoarele sunt complet descărcate.
• Măsurarea diodelor care sunt parte a unui circuit ar putea avea rezultate eronate. Luați în considerare deconectarea lor din circuit.

5.2.6.6 Test de tranzistor

Observatii:

nu testati tranzistoarele pe circuite deschise

folositi soclul de tranzistor din dotare

• Conectați cablul de testare negru la mufa COM și respectiv de testare roșu la mufa VΩmA.
• Setați comutatorul de selecție a hFE.
• Determinați dacă tranzistorul este NPN sau PNP-tip-și localizati emitorul, baza și colectorul. Introduceți sondele în găurile corespunzătoare în priză adaptorul inclus.
• Conectați sondele de testare la mufa adaptor (sonda roșie la "+", sonda negru la "COM").
• câștigul de curent hFE este indicat pe ecran (10μA curent de bază, Vce 2,8 V)).
  Nota:
• Asigurați-vă că inserați tranzistorul corect în soclu.

5.2.3 Accesorii

o Set cu sonde de testare, cu izolație dublă și 10A CAT III 1000V
o Soclu adaptor pentru testare tranzistoare
o Baterie (în interiorul metru)

o Manualul utilizatorului

5.2.4 Specificații

Acest aparat nu este calibrat atunci când este cumpărat!
Regulamentele privind mediul de utilizare:
• Folosiți acest multimetru numai pentru masuratori in medii CAT I și II
• Folosiți acest multimetru numai într-un mediu de gradul de poluare de gradul 2

5.2.5 Caracteristici:

Temperatura ideala: 23°C± 5°C
Umiditate relativa ideala: 45%~75% RH
Altitudine maxima: 2000m
Supratensiune / categorie de instalare: 500V CAT II
Grad de poluare: Pollution degree 2
Temperatura de operare: 0°C~40°C
Indicație de polaritatea: ‘-’ in mod automat
Depășire indicație: ‘1’ in mod automat
Baterie descarcată: semn de baterie
Masurare viteza: 2~3 esantioane pe secunda, nominal
Ecran: 3 ½ digit LCD

Alimentare: baterii 2 x AAA 1.5V (a nu se folosi baterii reincarcarbile)

Dimensiuni: 126 x 70 x 27 (H X B X D)
Greutate: ± 170g

6. Circuite de alimentare baterii

6.1 Generatoare utilizate

Dinamul ProFex de 6V, 3W și celula solară SOL5N de 12V, 1.5W generează curent continuu și are multe utilizari practice fără a fi nevoie de curentul alternativ de la priză. Astfel, se elimină un pas intermediar și anume redresorul (convertorul AC/DC), ceea ce va ușura în final schema de proiectare. Deși, au output-ul tensiune de tip DC (VDC), cele două dispozitive care utilizează resurse regenerabile au performanțe diferite, în funcție și de condițiile de lucru.

Am creeat un circuit comun care are rolul de a alimenta orice dispozitiv (care are desigur input DC) prin intermediul unui port USB cu 4 pini. Alegerea acestui conector nu este întamplătoare, întrucât este des folosit peste tot în lume și este, de asemenea standardizat.

Se observă, din caracteristicile celor două dispozitive, că au un output maxim de 6V pentru dinam, respectiv de 12V pentru celula solară cu strat subțire. Reamintesc, că tensiunea maximă de 6V pentru dinam se realizează la o viteză de 20km/h, respectiv 12V pentru o radiație solară puternică (cer liber).

6.2 Schema bloc a circuitului de alimentare

După cum am specificat mai devreme, generatorul de tensiune contină VDC poate fi ori dinamul ProFex, ori celula solară SOL5N. Înainte de a explica, circuitul de adaptare trebuie facută precizarea că bateriile de telefon mobil au o capacitate de 3.6V (ma refer la cele de Sony Ericsson Li-Ion). Însa, pentru a le putea alimenta trebuie ca încarcatorul folosit pentru priză sa aibe un output de 5V (mai exact 4.9V) cu un curent ce poate fi 450mA sau 700mA, în funcție de tipul telefonului. Prin urmare circuitul de adaptare va avea integrat un stabilizator de tensiune de 5V 7805CT cu 3 pini (1. Input 2. GND 3. Output).

Circuitul este format din două porturi paralele cu doi pini fiecare (se pot pune pe rând sau în acelasi timp cele două generatoare). Se recomandă folosirea celor două generatoare atunci când biciclistul merge mai incet și nu este însorit pentru a putea a avea o tensiune cumulata ce depasește 5V, pentru a putea funcționa optim încarcarea. Aceasta se poate realiza și cu o tensiune mai mică de 5V, dar evident timpul de alimentare va fi mult mai mare, fiind posibil și fenomenul de trickle (prelinge).

Cei doi pini se pot alimenta cu un cablu de tip tata ce are două porturi. Fiecărui port ii este asociat câte un fir de alimenatare (unul roșu pentu + și celălalt negru pentru GND). După porturile de alimentare urmează câte un LED verde (2V) (fiecare are rolul de protecție suplimentară a stabilizatorului). Acestea au și rolul de a verifica prin aprinderea lor dacă circuitul primește tensiune. De remarcat este și faptul că LED-urile sunt, de fapt, diode ce au și o rezistență. Astfel, pentru a putea depași cei 5V necesari stabilizatorului, mai sunt necesari înca 2V pentru diodă. În total sunt necesari minim 7V și nu reprezintă o problema pentru celula solară SOL5N, care în mod obișnuit funcționează cu un output de 12V. În schimb, pentru dinam ar fi maxim o tensiune de ieșire de 4V pentru 20km/h. Se recomandă în acest caz un circuit cât mai simplu (fără LED-uri și condensatoare de filtrare). Astfel, cea mai simplă variantă pentru alimentarea unui dispozitiv cu ajutorul dinamului ar fi atașarea a doi crocodili (unul pentru borna pozitvă și celălalt pentru GND). Aceștia se leagă la mufa tată de USB cu 4 pini în felul următor: borna pozitivă a crocodilului se leagă la pinul 1 al USB-ului, respectiv cea negativă la pinul 4. Pinii 2 și 3 sunt pentru D- și D+ (data minus și data plus). Se poate utiliza circuitul cu diode dacă se folosesc în serie două dinamuri. Se poate simplifica și mai mult circuitul de adaptare pentru dinam, deoarece rar se depașește tensiunea de ieșire de 5V. Prin urmare, în mod natural se încarca bateria telefonului, ori a acumalatorilor de NiMH (1.2V)

Condensatorul conectat la ieșirea LED-ului are rolul de a "netezi" tensiunea obținută după diodă. El reduce variația tensiunii care se aplica stabilizatorului la valori reduse de ordinul a 0.5…2 V. Acest condensator mai poarta denumirea de condensator de filtrare sau mai simplu filtru. Valoarea lui se poate determina aproximativ într-o prima etapă cu formula următoare:

Stabilizatorul de tensiune are rolul de a asigura o valoare constantă a tensiunii furnizate de sursă indiferent de variațiile tensiunii rețelei de alimentare sau ale consumului. Stabilizatorul se poate realiza cu componente discrete sau se poate utiliza un stabilizator integrat. Personal, recomand utilizarea stabilizatoarelor integrate datorit ă simplificării pe care o aduc, a prețului scăzut și nu în ultimul rînd a performanțelor foarte bune pe care acestea le au.

În final urmează portul mamă al USB-ului cu 4 pini ce reprezintă ieșirea circuitului stabilizată la 5V curent continuu pentru încărcarea unei baterii de telefon mobil sau a acumulatorilor NiMH.

6.3 Circuit în detaliu

Circuitul de ansamblu (sursa, modulul de adaptare, bateria de telefon)

LED-ul albastru aprins – celula solară SOL5N generează curent

LED-ul verde aprins – modulul de adaptare primește curent de la sursă

Bateria de telefon mobil se încarcă (numai dacă soarele este puternic, iar contactele bine realizate între modulul de adaptare și cablul de alimentare al telefonului)

7. Energie regenerabila vs acumulatori

7.1 Analiza caracteristicii curent-tensiune I(U) a celulei solare SOL5N

Am analizat caracteristica curent-tensiune a panoului solar SOL5N in functie de intensitatea energiei solare. Astfel, am ales diferite ore ale zilei, cu conditii atmosferice diferite.

Obs: la final una din concluzii este ca odata ce lumina solara este mai scazuta ca intensitate va duce la o tensiune mai mica.

Am ales ca celula solara cu strat subtire dispozitivul SOL5N, la care am atasat crocodii. Am legat sondele de testare la bornele celulei solare in felul urmator: borna rosie prinde crocodilul de culoare rosie, respectiv borna neagra prinde sonda neagra.

Ziua si ora: Sambata 28 mai 2011 ora 19:00

Conditii atmosferice: lumina slaba

Scara utlizata: 20V

Deci, o tensiue Umed=7.17521 V

Dupa cum se observa, variatia tensiunii pe un interval restrans este de 1-1.75V. Maximul este de 8.07V, iar minimul este de 6.25V.

Eroarea este ε=(8.07-6.25)/8.07

ε=22.55%

Desi, este o eroare foarte mare, acest aspect este totusi explicabil, intrucat pe durata masurarilor cerul a fost variabil. Cu cat este mai innorat, cu atat tensiunea de iesire este mult mai scazuta.

O prima observatie ar fi ca: pentru a avea o incarcare cat mai rapida a bateriilor este indicat un cer curat.

Am reluat masuratorile peste aproximativ 1 ora si 15 minute

Ziua si ora: Sambata 28 mai 2011 ora 20:15

Conditii atmosferice: lumina slaba, intensitatea luminoasa fiind mai scazuta fata de ora 19:00

Scara utlizata: 20V

Obervatii:

1) tensiunea medie este semnificativ mai mica decat cea anterioara(de aproximativ doua ori)

Umed(t-75')/Umed(t)=0.43469

Acest raport indica o scaderea drastica a tensiunii de iesire in functie de cantitatea de energie solara primita. Astfel, in interval de o ora de la prima masuratoare curentul va fi in mod teoretic de aproximativ doua ori mai mic. Din cauza acestui aspect viteza de incarcare a bateriilor va fi mult mai mica.

2) diferenta dintre valoarea maxima si minima este de aproximativ 1.25V, ce nu va conduce la o eroare mai mica, ba din contra.

ε=(3.96-2.71)/3.96

ε=31.565%

Acesta eroare se explica prin doua cauze:

a) cerul innorat variabil

b) celula solara cu strat subtire este proiectata pentru intensitate luminoasa ridicata si va avea in acest caz o eroare si mai mare de captare energiei solare

In ambele cazuri trebuie luata in considera si eroarea de pe circuit, dintre bornele de alimentare ale panoului solar si sondele de masura ale multimetrului.

Dupa comparea celor doua tensiuni am ales sa masor curentul I, pentru a putea ridica

caracteristica curent – tensiune.

Se observa ca valoarea curentului este mica, mult sub necesarul de a alimenta in mod optim o baterie Li-Ion, ori acumulatori AA ori AAA.

Valoarea medie de 520.2 μA sau 0.52 mA este departe de curentul de Imax al panoului solar SOL5N, acesta fiind de 125mA. Si din aceasta simpla observatie se demonstreaza ca pentru a obtine un optim de incarcare este necesar ca intensitatea luminoasa trebuie sa fie suficient de mare pentru ca valoarea obtina a curentului sa fie in apropiere de 125 mA.

ε=(535-508)/535

ε=5.046%

In acest eroarea relativa este mult mai mica, spre deosibire de eroarea relativa a tensiunilor. Este explicabil, intrucat toti curentii depind de raportul U/R, unde R reprezinta rezistenta de iesire a panoului.

Celula solara are caracteristicile Imax=125mA, iar U=12V. Prin urmare R este raportul dintre U si I, rezultand in final R=96Ω.

Pentru o ultima confirmare am masurat la ora 20:50, in aceeasi zi, rezultatele fiind cele scontate.

Dupa ora 21:30, multimetrul nu mai masura nimic, fiind confirmata si de faptul ca LED-ul celulei solare nu mai lumineaza intermitent (aparatul nu mai capteaza energie solara).

Ziua si ora: Duminica 29 mai 2011 ora 18:20

Conditii atmosferice: cer curat, nu bate soarele direct pe panou

Scara utlizata: 20V

Obs: 1) Curentul se masoara in mA!

2) Curentul are o variatie de 0.01-0.02 mA (nesemnificativa) si, de aceea, se considera constant.

3) De asemenea, si tensiunea are o variatie mica (variatia maxima fiind de 0.8V).

ε=(11.70-10.9)/11.70

ε=6.837%

Variatia mica se confirma si prin eroarea relativa scazuta. Din graficul de mai sus se observa o liniaritate aproximativa a caracteristicii curent-tensiune I(U), ceea ce se si doreste in practica, intrucat o caracteristica stabila va da, de fapt, optimul de incarcare.

Prin optim de incarcare se intelege ca valorile masurate U si I sa fie apropriate de referinte, astfel incat incarcarea bateriei sa fie intr-un timp cat mai redus.

In ciuda stabilitatii iesirii, valorile curentilor sunt departe de Imax=125mA. Prin urmare, incarcarea acumulatorilor NiMh, ori a bateriei Li-Ion se face doar prin modul trickle (prelinge). Nu se recomanda utilizarea acestui mod, intrucat nu va alimenta mai deloc bateriile.

Ziua si ora: Luni 30 mai 2011 ora 13:05

Conditii atmosferice: soare puternic, nor amestecat

Scara utlizata: 200V

Se remarca variatia mica a tensiunii in conditii de soare puternic, ce va conduce la incarcarea mult mai rapida a bateriilor. Privind caracteristicile dispozitivului SOL5N: 12V si 14.5V tensiune nominala, am fi tentati sa zicem ca valorile sunt eronate. Insa, acestu aspect nu este adevarat deoarece depinde de modul de masurare a tensiunii de catre multimetrul DVM831. Se poate face o scurta verificare masurand curentul I, care se apropie de valoarea Imax.

ε=(22-21.4)/22

ε=2.727%

Eroarea relativa ε are o valoare absoluta foarte mica, ce va conduce la o stabilitate si liniaritate a capacitatii de incarcare a bateriilor. Se poate verifica si in graficul U(V) ce urmeaza.

Valoarea mare a tensiunii, in cazul in care exista dubii asupra masuratorilor, se poate verifica si prin masurarea unor celule solare mici de 0.5V, dar, care au, in mod paradoxal un curent mult mai mare decat cel al dispozitivului SOL5N (400mA, fata de 125mA).

Celula solara SOL1 este produsa de compania Velleman si este de tip incapsulata. Prezinta doua borne: una de culoare rosie (pozitiva), cealalta neagra (borna negativa). Dimensiunile sunt mici: 46x72x6mm. Pentru protectia materialului din siliciu, s-a folosit un plastic deasupra. Acesta are rolul de absorbi socurile mecanice, dar si de a nu permite ca praful sa nu se aseze. Masuratorile celului solare mici au fost facute la 5 minute dupa cele ale dispozitivului SOL5N, in aceleasi conditii.

Ziua si ora: Luni 30 mai 2011 ora 13:10

Conditii atmosferice: soare puternic, nor amestecat

Scara utlizata: 2V (2000mV dupa cum e notat pe multimetrul digital DVM831)

Analizand tensiunea medie calculata a celor 15 masuratori, vom ajunge la concluzia ca este la capacitate maxima. Motivatia fiind in prima faza apropierea de valoarea inscrisa pe produs de catre distribuitor, apoi fiind secondat de faptul ca masuratorile au fost facute in aceleasi condtii ca in cazul dispozitivului SOL5N. In cazul acestuia s-a remarcat depasirea cu aproape 8V a tensiunii nominale (14.5V).

Problema principala a acestor celule solare mici o reprezinta tensiunea mica. Pentru un incarcator standard este nevoie de un output de 4.9V (aproximativ 5V). Pentru a ajunge la aceasta tensiune ar fi nevoie teoretic de inca 10 celule solare de 0.5V puse in serie. Astfel, s-ar obtine un circuit de generare a curentului necesar incarcarii destul de bun. Practic circuitul echivalent ar avea 5V, dar un curent de 400mA. Acesta este mult mai util pentru bateria de telefon mobil, intrucat curentul necesar variaza intre 450mA si 700mA.

Ca sa putem obtine curentul de 700 mA, putem folosi doua circuite paralele ca cel de mai sus cu 10 celule inseriate. La o stralucire puternica, s-ar putea obtine cei 5V, insa un curent de 800mA. Pe acesta il putem stabiliza la curentul necesar folosind stabilizatoare de curent. Problema acestei configuratii ar fi pretul deoarece ar fi nevoie de 20 celule de 0.5V. Cum una singura costa 17 RON ar insemna ca am da in total, doar pe celule, 340RON, ceea ce ar face circuitul mult mai scump decat dispozitivul SOL5N, care a costat 100RON.

O prima concluzie ar fi ca momentan, tehnologia fotovoltaica este scumpa, coroborat si cu faptul ca randamentul este scazut (doar 10-20% din energia solara primita se transforma in energie electrica utila pentru gospodorie).

Ziua si ora: Miercuri 01 iunie 2011 ora 13:40

Conditii atmosferice: soare puternic, cer curat (niciun nor)

Scara utlizata: 200V

Cea mai importanta observatie ar fi valoarea curentului mediu de 105.533 mA, care este apropiata de valoarea maxima de 125mA, pentru care panoul a fost proiectat. Cum era si normal, un curent mai mare se obtine si pentru o tensiune corespunzatoarea. Tensiunea medie este de 22.28V, fiind si cea mai ridicata dintre cele masurate. Chiar si cu aceasta valoare, in utlizarea casnica poate alimenta 3 sau 4 led-uri de 6V. Iar, in cazul incarcarii unei baterii de telefon mobil se poate realiza, insa intr-un timp destul de mare.

Pentru a analiza calitativ in cat timp se incarca telefonul mobil, am inceput prin a verifica cat ii este necesar pentru alimentarea bateriei folosind priza de 220V.

Pentru test am folosit bateria Li-Ion BST-39 a telefonului Sony Ericsson W910i.

Baterie Li-Ion complet descarcata la ora 13:40, pe data de 5.06.2011

Baterie Li-Ion complet incarcata la ora 15:10, pe data de 5.06.2011

Prin urmare au fost necesare 90 minute (5400 secunde) pentru o incarcare completa folosind un incarcator de priza standard cu iesirea: 5V pentru tensiune, respectiv 700mA pentru curent. Daca ar fi sa aproximam cat mai simplu, am trage concluzia ca panoul solar SOL5N ar incarca de circa 7 ori mai greu fata de priza obisnuita, evident tinand cont de stabilizarea tensiunii la 5V si, de asemenea, conditiile atmosferice sa fie aceleasi (soare puternic, cer curat). Cum in practica se dovedeste ca nu este eficient acest panou solar mic, se recomanda utilizarea unui dispozitiv care sa aibe un curent de iesire suficient de mare incat sa poata incarca bateria chiar in acelasi timp ca si cum s-ar alimenta de la priza de 220V.

7.2 Alte componente utilizate pentru analiza caracteristicii curent – tensiune

Celula de mai sus reprezintă un model de la fabricantul Velleman și se numește SOL1. Are caracteristicile maxime: o tensiune de 0.5V și un curent de 400mA. Aceste valori se realizează doar in condiții de cer senin și soare puternic.

Acumulatorul de NiMH GP 2300 reprezintă o baterie ce poate fi reîncărcată de la priză, ori folosind resurse alternative. Are caracteristicile: 1.2V și 2250mAh (1 Ah = 3600 Coulombi).

Acest tip de acumulator se încarcă foarte greu: în 16 ore la un curent de 220mA. Din start utilizarea panoului solar ce alimenteaza un soclu este o eroare. Ar insemna ca la un curent pe jumatate sa încarce teoretic în dublul orelor (32 ore), ceea ce este imposibil, întrucat nu sunt 32 de ore la rând de lumină solara puternică. Chiar și așa durata este foarte mare și nu recomand utilizarea acestor acumulatori pentru a fi încărcati la dispozitivul SOL5N. Daca se folosește un panou solar de mai mari dimensiuni și care printr-un circuit ce are incluse stabilizatoare de curent și de tensiune pentru a putea obține tensiunea de 1.2V și curentul de 220mA, atunci se recomanda energia regenerabila pentru a nu consuma curent de la priza inutil, atâta timp cât durata de încărcare este aceeași.

Diverse modele de socluri UM-3X4 pentru încărcare acumulatori

8. Concluzii

Proiectarea unui modul care sa realizeze transfer de electricitate de la o sursa de curent la o baterie , fie ea de telefon mobil sau acumulator pentru aparat foto, video reprezinta un efort semnificativ, intrucat pe masura ce crezi ca esti gata cu realizarea practica, de fapt descoperi ca mai sunt foarte multi pasi adiacenti. Acestia implica, pe deoparte cunostinte tehnice (notiuni mai avansate despre componentele folosite), iar pe de alta parte apar o serie de probleme de conectica, de compatibilitate, acestea se rezvola, poate cel mai greu.

Am urmarit si realizat un modul de adaptare ce are ca surse o celula solara de mici dimensiuni SOL5N (caracteristici: 1.5W, 12V, 0.125A) sau un dinam ProFex de bicicleta

(caracteristici: 3W, 6V, 0.5A) si are ca rolul incarcarea unor dispozitive prin intermediul unui port USB. Una este testarea, utilizarea, dezvoltarea unui circuit si cu totul altceva este gandirea, proiectarea acestui. Astfel, am intampinat o sumedenie de probleme. Prima si cea mai importanta este chiar alegerea sursei. Din cauza timpului scurt, a cunostintelor limitate si a unui buget relativ restrans, am ales un panou solar ce, desi are o tensiune de iesire (conform producatorului) de 12V, totusi curentul este de maxim 125mA. Trebuie facuta o mentiune in privinta output-ului deoarece tensiune masura cu multimetrul digital DVM831 poate fi de peste 20V pentru un cer fara nori si un soare puternic. La prima vedere, am fi tentati sa spunem ca este o eroare, insa nu este asa, pentru ca producatorul s-a referit ca dispozitivul este prevazut initial pentru o bricheta electrica de masina. Cum stim aceasta necesita o tensiune de 12V, fiind si standardizata in acest scop. Cu toate acstea celula poate genera o tensiune mai mare, masurata la borne + si – cu sondele de la multimetru. Pentru a elimina aspectul ca dispozitivul de masura are erori semnificative, am verificat tensiune pe diverse baterii incarcate (1.2V, 12V) si am observat ca variatia fata de aceasta valoare este mica. Principala problema este ca la iesire este un curent foarte mic (maxim 125mA) si practic pana in 110mA, ceea ce face foarte greu alimentarea unei baterii de telefon mobil ce necesita de la 450mA pana la 700mA pentru unele module mai noi, cu toate ca aplicam o tensiune de 20V, care a fost stabilizata standard la 5V. Pe urma apar probleme de pierderi, atat pe traseu, cat si pe firele de legatura. Cablul de telefon mobil are un cablu de alimentare cu o grosime semnficativ mai mare decat cel al USB-ului (materialul conducator de electricitate fiind cupru). Pentru buna functionare se recomanda utilizarea unui cablu de aceleasi dimensiuni, dar mai ales o sursa care sa aibe un curent de minim 450mA, pentru ca timpul de incarcare ar fi, teoeretic, identic daca incarcam telefonul de la priza de 220V.

Desi, dinamul ProFex nu a fost la fel de analizat fata de celula solara SOL5N, din cauza faptului ca produsul cumparat nu era compatibil cu bicicleta pe care urma sa-l montez. Chiar si asa, teoretic dinamul are un output surprinzator de bun. Acesta scoate un curent maxim de 500mA la o viteza a biciclistului de 20km/h. Diversele probleme legate de frecare, de contactul bun cu roata se pot neglija prin conectarea unui alt dinam pe cealalta roata in paralel, pentru a obtine suma dintre cei doi curenti (exista o diferenta intre roata din fata si cea din spate din felul cum sunt proiectate). Prin utilizarea unui controler de incarcare, si a unui alt modul de adaptare, de data aceasta ce foloseste atat stabilizatoare de tensiune, cat si de curent. Insa exisa o problema, in privinta tensiunii de iesire mici. Se stie ca este nevoie de 5V stabili si nu tot timpul biciclistul merge cu 20 km/h. Astfel, nu se poate recomanda folosirea unui dinam mai mare deoarece acesta ar incetini foarte mult deplasarea. Dimensiuni mai mari implica frecare mai mare, alterarea cauciului si un diconfort pentru biciclist. Pentru cei care vor sa pedaleze pe distante lungi, la viteze ridicate, dinamul ar fi chiar util, intrucat timpul de incarcare al bateriei de telefon ar fi acelasi cu cel de la priza de 220V.

Utilizarea resurselor regenerabile este un aspect mult dorit de unii, prin prisma reducerii gazelor cu efect de sera, dar si a energiei folosite inutil. Insa, in mod practic randamentul scazut a celulelor solare si valoarile de iesire foarte mici nu vor reusi nici pe departe sa elimine in totalitatea energiile obtinute din activitati poluante. Este clar, ca tehnologiile existente au limitari semnificative, fapt confirmat si de faptul ca se tot cerceteaza din 1950. Pana la gasirea unor idei revolutionare in acest domeniu, se pot folosi ca o sursa alternativa pentru iluminat public, alimentare baterii mici, televizoare noi. S-a lucrat foarte mult in compatibilitatea dintre surse (celula solara, eoliana) si LED-uri si prin urmare la nivel gloabal gradul de poluare se diminueaza semnificativ.

9. Bibliografie

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_effect

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_module

http://en.wikipedia.org/wiki/Thin_film_solar_cell

http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamo

http://en.wikipedia.org/wiki/Bottle_dynamo

http://en.wikipedia.org/wiki/Hub_dynamo

http://en.wikipedia.org/wiki/Sturmey-Archer#Dynohub

DYNOTEST de Chris Juden, bazat pe date de la teste realizate la Wilfried Schmidt

Maschinenbau, Tübingen, Germany.

http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_%28electricity%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_charger

http://en.wikipedia.org/wiki/Usb

http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

www.islavici.ro/cursuri/Curs%20DCE/Curs%203%20Aplicatii%20Diode.doc

http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel-metal_hydride_battery

http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery

http://www.batterymart.com/pdfs/sol5n.pdf

http://www.ronex.ee/index.php?group_id=1478&page=79&

http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=173

http://www.youtube.com/watch?v=8otErGsi8No&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=TrSUwZciExE&feature=related

http://www.instructables.com/id/How-to-make-a-solar-iPodiPhone-charger-aka-Might/step1/Tools-and-materials/

http://www.instructables.com/id/How-to-make-a-solar-iPodiPhone-charger-aka-Might/

http://www.electrokits.com/downloads/pdf/7805-datasheet-fairchild.pdf

http://www.indinf.pub.ro/catalinp/surse/surse.htm