پاوربانک خورشیدی بسازیم _ جلسه ششم
پاور بانک خورشیدی یکی از اقسام پاوربانک میباشد که علاوه بر اینکه می‌توان باتری آن را با برق شهر شارژ نمود، می‌توان با استفاده از پنل خورشیدی نصب شده بر روی آن، باتری پاوربانک را نیز شارژ کرد.
اهداف : آشنایی با اجزای پاوربانک خورشیدی
پیش نیاز : ...............
وسایل مورد نیاز : ..............
6-1) پاوربانک خورشیدی و اجزای آن :
پاور بانک خورشیدی یکی از اقسام پاوربانک میباشد که علاوه بر اینکه می‌توان باتری آن را با برق شهر شارژ نمود، می‌توان با استفاده از پنل خورشیدی نصب شده بر روی آن، باتری پاوربانک را نیز شارژ کرد.
هر پاوربانک خورشیدی از 3 بخش اصلی تشکیل شده است که در ادامه به توضیح این 3 بخش پرداخته می شود:
1- پنل خورشیدی
2- باتری لیتیم یون
3- بخش کنترل شارژ باتری
4- قسمت خروجی پاور بانک (مبدل به همراه پورت USB)
1) پنل خورشیدی:
پنل استفاده شده در این پاوربانک از نوع پلی کریستال میباشد که برای کشور ایران که خورشید سوزنده‌تری دارد مناسب‌تر است. باید توجه شود که توان ذکر شده برای یک پنل خورشیدی، توان ایده‌آل است و این توان با توجه به زاویه تابش خورشید (وابسته به ماه و زمان تابش)، دمای هوا و میزان شفاف و تمیز بودن محیط فرق خواهد کرد. هرچه زاویه تابش خورشید مستقیم تر باشد، توان تولیدی توسط پنل بیشتر خواهد شد. در نتیجه بیشترین توان را در یک روز در حوالی ظهر خواهیم داشت. همچنین در یکسال نیز ماه های اردیبهشت تا شهریور بهترین ماه ها هستند. دمای هوا نیز تاثیر مهمی بر توان دارد. البته باید توجه شود که دمای مناسب برای تولید 25درجه سانتیگراد است و دمای بالاتر و یا پایین تر باعث کاهش تولید توان خواهد شد. وجود آلودگی و گرد و غبار در هوا می تواند مانند ابر، مانع از رسیدن تابش خورشید به سطح پنل خورشیدی و در نتیجه کاهش توان تولیدی شود.
برای استفاده بهتر از قسمت پنل خورشیدی، بهتر است آن را به طور مستقیم جلوی خورشیدی قرار دهید و اگر گرد و خاکی بر روی آن نشسته است، آن را تمیز نمایید.
بخش پنل خورشیدی می تواند برای افرادی که نیاز زیادی به موبایل دارند و یا در سفرهای برون شهری هستند و یا کوهنوردان مناسب باشد.
6-2) انواع سلول خورشیدی :
سلولهای خورشیدی به دو دسته عمده سلول های سیلیکون کریستالی و سلولهای فیلم نازک یا تین فیلم تقسیم می شوند.
سلول سیلیکون کریستالی: مهم ترین ماده در این نوع سلول ، سیلیکون میباشد. بعد از اکسیژن سیلیکون بیشترین عنصر روی زمین میباشد. در طبیعت بصورت خالص وجود ندارد ولی در ترکیبات شیمیایی با اکسیژن در شکل کوارتز یا شن وجود دارد. چون برای ساخت سلول خورشیدی از سیلیکون خالص استفاده می گردد ، کارخانجات تولیدی ملزم به استحصال این نوع سیلیکون میباشند.سلول های سیلیکون کریستالی خود به چند گونه مختلف تقسیم می شوند که مهمترین آنها در زیر توضیح داده خواهد شد.
1- سلول های سیلیکونی تک کریستال یا مونو کریستال : در فرآیندی که به فرآیند ژورچالسکی معروف است ، مواد اولیه پلی کریستال در دمای 1420 درجه سانتیگراد ذوب شده و هسته کریستال با یک جهت مشخص به داخل سیلیکون مذاب برده شده و به آرامی به خارج از مذاب کشیده میشود که در طول این فرایند ، کریستال به میزان یک مونو کریستال استوانه ای تا قطر 30 سانتیمتر و چندین متر در طول رشد خواهد کرد. سپس بصورت لایه لایه یا ویفر بریده میشود و بعد از آن پوشش ضد انعکاس2 و سپس خطوط عبور جریان روی آن چاپ شده و نهایتا برای جلوگیری از اتصال کوتاه ، عملیات کلیشه سازی انجام شده تا لبه های لایه های p , n بصورت مجزا مشخص گردند. بازده سلولهای مونو کریستال بین 15 تا 20 درصد بوده و بر اساس میزان بریده شدن آن دارای اشکال مختلفی مانند گرد ، نیمه گرد و یا مربع میباشند.
2- سلولهای سیلیکونی پلی کریستال : ابتدا سیلیکون در بوته آزمایش کوارتز ذوب گردیده و در قالبهایی بشکل مکعب قالب گیری و در حین کنترل حرارت ، قالب را بصورت تک جهتی سرد میکنند که هدف از این جامد سازی یکطرفه ، شکل دادن تعداد زیادی کریستال های سیلیکونی تا حد امکان همگن و در سایزهای چند میلیمتر تا چند سانتیمتر می باشد. چون دانه های کریستالی ایجاد شده در جهات مختلف شکل گرفته اند ، باعث پایین تر بودن بازده این سلول نسبت به سلول مونو کریستال می گردد. سایر مراحل تولید مانند سلول های مونو کریستال خواهد بود. بازده سلول های پلی کریستال بین 13 تا 16 درصد بوده و تمامی آنها مربع شکل میباشند.
3 - سلول های تین فیلم یا فیلم نازک از اوایل سال 1990 ساخته شده و به تولید انبوه رسیده است. در این تکنولوژی از برخی نیمه هادی های حساس به نور اسفاده می گردد که بعلت ضخامت کم لایه های آن دارای قیمت مناسبی بوده و توجیه اقتصادی خواهد داشت. در این سلول ها موادی مانند سیلیکون آمورف ، دی سلنید ایندیوم مس4 و کادمیوم تلوراید5مورد استفاده قرار گرفته که بعلت جذب بالای نور در این مواد ، لایه های کمتر از 001/0 میلیمتر نیز میتواند براحتی تبدیل نور به الکتریسیته را انجام دهد.در مقایسه با سلول های کریستالی که حرارت مورد نیاز آنها حدود 1500 درجه سانتیگراد می باشد ، سلول های فیلم نازک به درجه حرارت 200 تا 600 درجه سانتیگراد نیاز دارند. همچنین برای تولید آنها هیچ محدودیتی برای سایز و ابعاد وجود ندارد.
2) باتری لیتیم- یون:
امروزه بیشتر باتری هایی که ما می بینیم، مانند باتری گوشی های موبایل، دوربین های دیجیتال، لپ تاپ ها و بسیار از دستگاههای دیگر، از نوع گروه باتری های لیتیمی و مخصوصا لیتیم یون هستند و این باتری ها به تدریج در حال جایگزین شدن به جای تکنولوژی های قدیمی تر، مانند انواع باتری های Nixx مثل نیکل-کادمیوم یا نیکاد (NiCd) و نیکل- متال هایدراید (NiMH) می باشند.
6-3 مقایسه انواع باتری ها
در نمودار بالا مشاهده می شود که باتری لیتیم یون چگالی انرژی ( انرژی بر وزن و انرژی بر حجم) بالاتری نسبت به انواع باتری های دیگر دارد. بنابراین استفاده از آنها برای کاربردهایی که وزن مهم است مطلوب تر خواهد بود.
3) بخش کنترل کننده شارژ :
ی کنترل نحوه شارژ هر باتری قابل شارژ، باید یک سیستم مدیریت سیستم شارژ (Battery management system) وجود داشته باشد. این سیستم الگوی شارژ باتری را چه برای زمان شارژ با برق شهر و چه برای شارژ با پنل خورشیدی کنترل می کند. این سیستم اجازه نمی دهد که باتری با انرژی بالا شارژ شود که باعث صدمه دیدن باتری خواهد شد.
طبق نمودار زیر لازم است ولتاژ و جریان برای شارژ باتری طبق نمودار رعایت گردد و در صورت عدم رعایت آن امکان آسیب دیدن باطری ( ترکیدن, باد کردن ..) وجود دارد.
6-4 نمودار شارژ باتری لیتیوم یون
برای مثال، شما یک باتری بزرگ با برچسب 2400 mAhیا 2.4 Ah دارید. این برچسب به این معنی است که این باتری می تواند از طریق مدار شما 2.4 آمپر جریان را عبور دهد و بعد از یک ساعت دشارژ می شود. نرخ دشارژ این باتری 1C خواهد بود و باتری شما بعد از اتمام ظرفیت مشخص شده خالی خواهد شد.
اگر باتری شما 1200 میلی آمپر برای مدار تامین کند، نرخ دشارژ آن 0.5C خواهد بود و دو ساعت عمر خواهد کرد.
نرخ دشارژ برخی از باتری ها بیشتر از C1 خواهد بود و اگر باتری تان را با 4.8 آمپر (C2) دشارژ کنید، عمر باتری سی دقیقه خواهد بود.
باتری های لیتیوم-یون (آنهایی که از حاوی اسید سرب هستند) حتماً نباید کاملاً شارژ شوند. در واقع بهتر است کاملاً شارژ نشود زیرا ولتاژهای بالا به باتری فشار می آورند. انتخاب یک آستانه ولتاژ پایین یا حذف مرحله اشباع شارژ، طول عمر باتری را زیاد می کند اما ران تایم آن را کاهش می دهد. از آنجا که بازار مصرف ران تایم حداکثری را بین مصرف کنندگان ترویج می دهد، این شارژرها هم به جای افزایش طول عمر بدنبال حداکثر ظرفیت هستند.
شرکت Linear Technology در این مورد محصولات خوبی طراحی و ارائه کرده است. یکی از این محصولات آی سی TP4056 است. این چیپ را با کمترین متعلقات می‌توان استفاده نمود.
این چیپ بطور کامل مراحل شارژ و آنلاین نگه داشتن باطری را پشتیبانی می‌کند. سایز تمام شده این شارژر به حدی کوچک است که می‌توان آن را همه جا استفاده نمود.
در زیر تصویر برخی بردهای مبتنی بر این چیپ را می توانید مشاهده نمایید.
6-5 برد کنترل کننده شارژ TP4056
4) قسمت خروجی پاور بانک (مبدل به همراه پورت USB) :
به طور معمول ولتاژ باتری های لیتیوم یون مقدار کمی دارند و معمولا باتری هایی که به عنوان ذخیره ساز پاوربانک استفاده می شوند ولتاژی حدود 3.7 ولت دارند که این ولتاژ برای شارژ تلفن های همراه پایین است .
ولتاژی که برای شارژ اکثر تلفن های همراه استفاده می شود حدود 5 ولت است.
به علاوه باید در خروجی پاور بانک یک پورت USB برای شارژ آسان تلفن همراه وجود داشته باشد . بدین منظور از برد های تقویت کننده ولتاژ خروجی باتری به همراه پورت USB استفاده میشود .
نکته ای که در انتخاب این برد ها اهمیت دارد میزان جریان مجاز عبوری از آن ها است که باید با توجه به جریان مورد استفاده انتخاب شوند .
6-7 برد خروجی پاوربانک به همراه USB
تکلیف : در مورد چگونگی تثبیت و افزایش ولتاژ خروجی در برد خروجی پاوربانک ها تحقیق کنید
کار عملی : جریان نامی باتری چندتلفن همراه در دسترس خود را پیدا کنید و با هم مقایسه کنید وهمچنین سعی کنید به وسیله آزمایش هایی ولتاژ و جریان خروجی شارژ تلفن همراه خود را بیابید
محل اردو/خرید : ..........................
منابع مطالعه : ......................................
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه اول
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه دوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه سوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه چهارم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه پنجم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه ششم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هفتم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هشتم
پیش نیاز : ...............
وسایل مورد نیاز : ..............
6-1) پاوربانک خورشیدی و اجزای آن :
پاور بانک خورشیدی یکی از اقسام پاوربانک میباشد که علاوه بر اینکه می‌توان باتری آن را با برق شهر شارژ نمود، می‌توان با استفاده از پنل خورشیدی نصب شده بر روی آن، باتری پاوربانک را نیز شارژ کرد.
هر پاوربانک خورشیدی از 3 بخش اصلی تشکیل شده است که در ادامه به توضیح این 3 بخش پرداخته می شود:
1- پنل خورشیدی
2- باتری لیتیم یون
3- بخش کنترل شارژ باتری
4- قسمت خروجی پاور بانک (مبدل به همراه پورت USB)
1) پنل خورشیدی:
پنل استفاده شده در این پاوربانک از نوع پلی کریستال میباشد که برای کشور ایران که خورشید سوزنده‌تری دارد مناسب‌تر است. باید توجه شود که توان ذکر شده برای یک پنل خورشیدی، توان ایده‌آل است و این توان با توجه به زاویه تابش خورشید (وابسته به ماه و زمان تابش)، دمای هوا و میزان شفاف و تمیز بودن محیط فرق خواهد کرد. هرچه زاویه تابش خورشید مستقیم تر باشد، توان تولیدی توسط پنل بیشتر خواهد شد. در نتیجه بیشترین توان را در یک روز در حوالی ظهر خواهیم داشت. همچنین در یکسال نیز ماه های اردیبهشت تا شهریور بهترین ماه ها هستند. دمای هوا نیز تاثیر مهمی بر توان دارد. البته باید توجه شود که دمای مناسب برای تولید 25درجه سانتیگراد است و دمای بالاتر و یا پایین تر باعث کاهش تولید توان خواهد شد. وجود آلودگی و گرد و غبار در هوا می تواند مانند ابر، مانع از رسیدن تابش خورشید به سطح پنل خورشیدی و در نتیجه کاهش توان تولیدی شود.
برای استفاده بهتر از قسمت پنل خورشیدی، بهتر است آن را به طور مستقیم جلوی خورشیدی قرار دهید و اگر گرد و خاکی بر روی آن نشسته است، آن را تمیز نمایید.
بخش پنل خورشیدی می تواند برای افرادی که نیاز زیادی به موبایل دارند و یا در سفرهای برون شهری هستند و یا کوهنوردان مناسب باشد.
6-2) انواع سلول خورشیدی :
سلولهای خورشیدی به دو دسته عمده سلول های سیلیکون کریستالی و سلولهای فیلم نازک یا تین فیلم تقسیم می شوند.
سلول سیلیکون کریستالی: مهم ترین ماده در این نوع سلول ، سیلیکون میباشد. بعد از اکسیژن سیلیکون بیشترین عنصر روی زمین میباشد. در طبیعت بصورت خالص وجود ندارد ولی در ترکیبات شیمیایی با اکسیژن در شکل کوارتز یا شن وجود دارد. چون برای ساخت سلول خورشیدی از سیلیکون خالص استفاده می گردد ، کارخانجات تولیدی ملزم به استحصال این نوع سیلیکون میباشند.سلول های سیلیکون کریستالی خود به چند گونه مختلف تقسیم می شوند که مهمترین آنها در زیر توضیح داده خواهد شد.
1- سلول های سیلیکونی تک کریستال یا مونو کریستال : در فرآیندی که به فرآیند ژورچالسکی معروف است ، مواد اولیه پلی کریستال در دمای 1420 درجه سانتیگراد ذوب شده و هسته کریستال با یک جهت مشخص به داخل سیلیکون مذاب برده شده و به آرامی به خارج از مذاب کشیده میشود که در طول این فرایند ، کریستال به میزان یک مونو کریستال استوانه ای تا قطر 30 سانتیمتر و چندین متر در طول رشد خواهد کرد. سپس بصورت لایه لایه یا ویفر بریده میشود و بعد از آن پوشش ضد انعکاس2 و سپس خطوط عبور جریان روی آن چاپ شده و نهایتا برای جلوگیری از اتصال کوتاه ، عملیات کلیشه سازی انجام شده تا لبه های لایه های p , n بصورت مجزا مشخص گردند. بازده سلولهای مونو کریستال بین 15 تا 20 درصد بوده و بر اساس میزان بریده شدن آن دارای اشکال مختلفی مانند گرد ، نیمه گرد و یا مربع میباشند.
2- سلولهای سیلیکونی پلی کریستال : ابتدا سیلیکون در بوته آزمایش کوارتز ذوب گردیده و در قالبهایی بشکل مکعب قالب گیری و در حین کنترل حرارت ، قالب را بصورت تک جهتی سرد میکنند که هدف از این جامد سازی یکطرفه ، شکل دادن تعداد زیادی کریستال های سیلیکونی تا حد امکان همگن و در سایزهای چند میلیمتر تا چند سانتیمتر می باشد. چون دانه های کریستالی ایجاد شده در جهات مختلف شکل گرفته اند ، باعث پایین تر بودن بازده این سلول نسبت به سلول مونو کریستال می گردد. سایر مراحل تولید مانند سلول های مونو کریستال خواهد بود. بازده سلول های پلی کریستال بین 13 تا 16 درصد بوده و تمامی آنها مربع شکل میباشند.
3 - سلول های تین فیلم یا فیلم نازک از اوایل سال 1990 ساخته شده و به تولید انبوه رسیده است. در این تکنولوژی از برخی نیمه هادی های حساس به نور اسفاده می گردد که بعلت ضخامت کم لایه های آن دارای قیمت مناسبی بوده و توجیه اقتصادی خواهد داشت. در این سلول ها موادی مانند سیلیکون آمورف ، دی سلنید ایندیوم مس4 و کادمیوم تلوراید5مورد استفاده قرار گرفته که بعلت جذب بالای نور در این مواد ، لایه های کمتر از 001/0 میلیمتر نیز میتواند براحتی تبدیل نور به الکتریسیته را انجام دهد.در مقایسه با سلول های کریستالی که حرارت مورد نیاز آنها حدود 1500 درجه سانتیگراد می باشد ، سلول های فیلم نازک به درجه حرارت 200 تا 600 درجه سانتیگراد نیاز دارند. همچنین برای تولید آنها هیچ محدودیتی برای سایز و ابعاد وجود ندارد.
امروزه بیشتر باتری هایی که ما می بینیم، مانند باتری گوشی های موبایل، دوربین های دیجیتال، لپ تاپ ها و بسیار از دستگاههای دیگر، از نوع گروه باتری های لیتیمی و مخصوصا لیتیم یون هستند و این باتری ها به تدریج در حال جایگزین شدن به جای تکنولوژی های قدیمی تر، مانند انواع باتری های Nixx مثل نیکل-کادمیوم یا نیکاد (NiCd) و نیکل- متال هایدراید (NiMH) می باشند.
6-3 مقایسه انواع باتری ها
در نمودار بالا مشاهده می شود که باتری لیتیم یون چگالی انرژی ( انرژی بر وزن و انرژی بر حجم) بالاتری نسبت به انواع باتری های دیگر دارد. بنابراین استفاده از آنها برای کاربردهایی که وزن مهم است مطلوب تر خواهد بود.
3) بخش کنترل کننده شارژ :
ی کنترل نحوه شارژ هر باتری قابل شارژ، باید یک سیستم مدیریت سیستم شارژ (Battery management system) وجود داشته باشد. این سیستم الگوی شارژ باتری را چه برای زمان شارژ با برق شهر و چه برای شارژ با پنل خورشیدی کنترل می کند. این سیستم اجازه نمی دهد که باتری با انرژی بالا شارژ شود که باعث صدمه دیدن باتری خواهد شد.
طبق نمودار زیر لازم است ولتاژ و جریان برای شارژ باتری طبق نمودار رعایت گردد و در صورت عدم رعایت آن امکان آسیب دیدن باطری ( ترکیدن, باد کردن ..) وجود دارد.
برای مثال، شما یک باتری بزرگ با برچسب 2400 mAhیا 2.4 Ah دارید. این برچسب به این معنی است که این باتری می تواند از طریق مدار شما 2.4 آمپر جریان را عبور دهد و بعد از یک ساعت دشارژ می شود. نرخ دشارژ این باتری 1C خواهد بود و باتری شما بعد از اتمام ظرفیت مشخص شده خالی خواهد شد.
اگر باتری شما 1200 میلی آمپر برای مدار تامین کند، نرخ دشارژ آن 0.5C خواهد بود و دو ساعت عمر خواهد کرد.
نرخ دشارژ برخی از باتری ها بیشتر از C1 خواهد بود و اگر باتری تان را با 4.8 آمپر (C2) دشارژ کنید، عمر باتری سی دقیقه خواهد بود.
باتری های لیتیوم-یون (آنهایی که از حاوی اسید سرب هستند) حتماً نباید کاملاً شارژ شوند. در واقع بهتر است کاملاً شارژ نشود زیرا ولتاژهای بالا به باتری فشار می آورند. انتخاب یک آستانه ولتاژ پایین یا حذف مرحله اشباع شارژ، طول عمر باتری را زیاد می کند اما ران تایم آن را کاهش می دهد. از آنجا که بازار مصرف ران تایم حداکثری را بین مصرف کنندگان ترویج می دهد، این شارژرها هم به جای افزایش طول عمر بدنبال حداکثر ظرفیت هستند.
شرکت Linear Technology در این مورد محصولات خوبی طراحی و ارائه کرده است. یکی از این محصولات آی سی TP4056 است. این چیپ را با کمترین متعلقات می‌توان استفاده نمود.
این چیپ بطور کامل مراحل شارژ و آنلاین نگه داشتن باطری را پشتیبانی می‌کند. سایز تمام شده این شارژر به حدی کوچک است که می‌توان آن را همه جا استفاده نمود.
در زیر تصویر برخی بردهای مبتنی بر این چیپ را می توانید مشاهده نمایید.
4) قسمت خروجی پاور بانک (مبدل به همراه پورت USB) :
به طور معمول ولتاژ باتری های لیتیوم یون مقدار کمی دارند و معمولا باتری هایی که به عنوان ذخیره ساز پاوربانک استفاده می شوند ولتاژی حدود 3.7 ولت دارند که این ولتاژ برای شارژ تلفن های همراه پایین است .
ولتاژی که برای شارژ اکثر تلفن های همراه استفاده می شود حدود 5 ولت است.
به علاوه باید در خروجی پاور بانک یک پورت USB برای شارژ آسان تلفن همراه وجود داشته باشد . بدین منظور از برد های تقویت کننده ولتاژ خروجی باتری به همراه پورت USB استفاده میشود .
نکته ای که در انتخاب این برد ها اهمیت دارد میزان جریان مجاز عبوری از آن ها است که باید با توجه به جریان مورد استفاده انتخاب شوند .
تکلیف : در مورد چگونگی تثبیت و افزایش ولتاژ خروجی در برد خروجی پاوربانک ها تحقیق کنید
کار عملی : جریان نامی باتری چندتلفن همراه در دسترس خود را پیدا کنید و با هم مقایسه کنید وهمچنین سعی کنید به وسیله آزمایش هایی ولتاژ و جریان خروجی شارژ تلفن همراه خود را بیابید
محل اردو/خرید : ..........................
منابع مطالعه : ......................................
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه اول
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه دوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه سوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه چهارم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه پنجم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه ششم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هفتم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هشتم
