1.1. Старое-новое изобретение А.С. Попова
О первенстве изобретения Александра Степановича Попова, которому 7 мая 2014 года исполнилось бы 155 лет, возникло гораздо меньше споров, чем о первенстве изобретения радиотелеграфа.
Речь пойдет о детектировании. Детекторный приемник происходит от слова детектор, выпрямитель. Однако, в истории известны несколько способов детектирования сигналов или, иначе говоря, несколько разных устройств, осуществляющих детектирование – трубка Бранли, радиокондуктор Попова, «кошачий ус» Г. Пикарда (США, 1906), «карборунд» Г. Данвуди (США, март 1906), двухэлектродная лампа Флеминга, детектор Д. Боше (Индия, патиент США 1904 года), ртутный когерер Маркони – все они, созданные в разное время и разными исследователями считаются детекторами по своим свойствам.
Каждый из перечисленных по-своему ценен для международной науки, и каждый добавил в нее что-то свое. К примеру, именно Боше ввел понятие «детектор».
Оказывается, над темой детектирующих ток устройств, в свое время работали не только Попов и Маркони. Но А.С. Попов прославился изобретением нового типа когерера, свойства которого связаны с реакцией платины и окисных пленок, что позволило слышать сигнал даже с помощью наушника от телефонов, которые ранее использовали в опытах Минного класса в Кронштадте. Таким образом, доподлинно известно, что в Минном классе «лаборатории Попова» телефон уже употреблялся для изучения электрических колебаний.
Попов запатентовал свое изобретение детекторного приемника в нескольких странах (Российская Империя, Радиокондуктор, 1900, Англия, 1900, Декогер (декогерирующий прибор), США, 1903, Испания, 1900, а также в Швейцарии, и Франции). «Неразбериха» не только с датами, а значит и с первенством, но и с названиями, ведь каждое запатентованное изобретение А.С. Попова в области детектирования и радио имело разное уточняющее название. Более того, в американском патенте 1903 года фамилия автора записана как Popoff, а в английском патенте, признанном научным сообществом на три года ранее – Popov. Описания его патентов по смыслу отличаются от патентов американских исследователей. К слову, об американском патенте Попова до последнего времени знали лишь единицы.
В одном из двух вариантов, запатентованного (март 1903 года) А.С. Поповым в США детекторного приемника, предложена схема с простым – как сказали бы сегодня – согласующим трансформатором, первичная обмотка которого включена в цепь детектирующего элемента – радиокондуктора. Вторичная обмотка трансформатора (который в патенте Попова 1903 года называется индукционной бобиной) подключена непосредственно к катушке телефона. При экспериментах с этой схемой отмечается «повышенная» слышимость в телефоне за счет резонансного усиления сигнала. Во время Попова
В данном ключе понятия когерер (в некоторых источниках – кохерер) и радиокондуктор, декогерер и детектор по смыслу аналогичны.
По общему правилу первенство научного открытия остается за исследователем, зафиксировавшим его в соответствующем патенте. К примеру, если заявка поступила в 1900 году, а патент выдан в 1903, то и его действие начинается с 1903 года.
Но мы не лишены возможности знать историю радио, в связи с великой датой вновь вспомнить подробности, в части того, что 155 лет назад 7 мая 1895 года А.С. Попов реально продемонстрировал первый приемник радиоволн. Случилось это на заседании Русского физико-химического общества.
За Поповым в части изобретения первого детекторного приемника в научном мире прочно закрепилось первенство изобретения и описания эффект детекторного действия когерера с металлическим окисленным порошком.
Радиокондуктор Попова в одном из наиболее известных его опытов представлял собой хорошо просушенную, герметичную стеклянную трубку, внутри которой с помощью клея установлены две ленточки из платины, опыленные крупинками стали, и «обладающие многочисленными участками с окисленной поверхностью» – в кавычках фраза из описания запатентованного Поповым изобретения. Мельчайшие частицы угля, помещенные в корпус с вставленными туда двумя электродами-стержнями (в разных опытах – из металла и графита), при подключении этой конструкции в электрическую цепь, показывали интересное явление: при акустическом воздействии на угольный порошок ток в цепи менялся. Так появился угольный микрофон, принцип действия которого на протяжении всего ХХ века оставался неизменным.
Плоские катушки из «пластиковых» карт-меток (другое их название – транспондеры) – как необычный способ тоже можно использовать в современной радиоэлектронике.
На рис. 1.1 представлена катушка к магнитной карте, которая выполняла функцию антенны для трансляции (изменения) информации в чипе, его инициализации в устройствах кодового доступа. Сопротивление постоянному току представленной на рис. 1.1 «антенны» (при замере омметром) составило 18 кОм.
Рис. 1.1. «Плоская» катушка из пластиковой карты-метки
При подключении такой катушки в приемник, построенный по принципу прямого усиления – вместо «магнитной» антенны и использовании вместо выносной антенны телескопического штыря, вытянутого на максимальное расстояние 45 см, обеспечило прием радиосигнала в диапазоне КВ на частотах 182…450 кГц. Этого локального опыта оказалось достаточно для того, чтобы предположить, что «плоская» антенна из карты доступа может быть применена и в других радиоприемниках.
Такое решение – по форме – катушки, на мой взгляд, вполне оправдано в ряде случае, к примеру, когда требуется создать компактную антенну, дроссель или трансформатор плоской формы. Это еще одна область применения.
В качестве магнитной основы для подобного трансформатора или дросселя могут применяться магнитные пластины соответствующей формы из трансформаторной стали или магнитострикционные сердечники плоской формы, или, в подходящих под определенные задачи, даже фольга, уложенная в «корпус карты» в несколько слоев.
Эта идея для последующей разработки еще ждет своего Попова или Маркони, но уже сегодня по результатам практического опыта очевидно, что плоская катушка из карты доступа может быть и альтернативной антенной для радиоприемника, в том числе и такого, что создан по типу детекторного (классическая схема детекторного приемника) и не имеет отдельного элемента (источника) питания.
1.2. Выявление зоны неблагоприятного электромагнитного излучения автономным способом
В разделе рассматриваются аспекты безопасности и сохранения здоровья при длительной работе человека в зоне локальных электромагнитных излучений, на примере рабочего места оператора ПК и радиомонтажника. Автор проводит анализ неблагоприятных последствий для здоровья человека и обосновывает необходимость ограничения работы в зоне электромагнитных излучений, дают практические рекомендации по диагностике таких зон в пределах жилого помещения.
Электромагнитное излучение связано с современными технологиями, прочно вошедшими в нашу жизнь, именно поэтому риск оказаться в зоне, где плотность потока энергии превышает нормы, сегодня достаточно высок.
К примеру, не рекомендуется долго работать на ПК не только потому, что такая работа опасна для глаз, но и потому, что электромагнитное излучение от ПК вблизи него столь высоко, что диагностируется даже простейшими бытовыми приборами – индикаторами ЭМ излучения, и это излучение пагубно сказывается на здоровье человека и его общем самочувствии, что проявляется в результатах клинических анализов и является фактором, способствующим онкологическим заболеваниям.
С точки зрения ученых влияние магнитных полей на живые организмы формулируется так: «длительное воздействие слабых магнитных полей промышленной частоты при определенных условиях может способствовать возникновению онкологических заболеваний крови и мозга». Сегодня в такие «группы риска», на которых постоянно воздействует электромагнитное излучение разной частоты, проживают не только вблизи линий электропередач, но и в обычных квартирах.
Имеются нормативные документы, которые регламентируют уровень допустимого облучения для работников, занятых на производстве (работающих в условиях электромагнитного излучения – далее ЭМИ – на рабочем месте) и обычных граждан, которые могут находиться в зоне действия ЭМИ по доброй воле (дома, на отдыхе, в путешествии и т. д.).
В Российской Федерации предельно допустимые уровни (далее – ПДУ) воздействия электромагнитного излучения закреплены в нормативном документе СанПиН 2.1.8/ 2.2.4.1383-03 («Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов»).
У автора нет научно обоснованных сведений и (по их результатам) однозначных выводов об опасности или безопасности длительного влияния ЭМИ радиочастоты, однако в СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» в п.6.9 – указано, что «необходимо ограничить возможность использования мобильных радиостанций (телефонов) лицами, не достигшими 18 лет, женщинами в период беременности». Поэтому такую фразу, закрепленную в нормативном документе, я трактую, как подтверждающую опасность.
Поэтому уместно задумываться о том, что если воздействия компьютера на человека не видно, то, это не означает, что ПК не влияет на организм человека вообще. Это общепринятая теория, которая помогает многим людям не задумываться о сути вещей глубже, чем конец сегодняшнего дня.
Между тем в документах представлены нормы, параметры и единицы измерения уровней электромагнитного излучения, оценки воздействия электромагнитных полей на организм, определяются гигиенические требования к передающим радиотехническим объектам (ПРТО), требования к контролю уровня электромагнитных полей. Приведу две выдержки из него.
Для персонала на рабочих местах ПДУ электромагнитных полей диапазона частот 30 кГц – 300 ГГц представлен в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей диапазона частот 30 кГц – 300 ГГц для персонала на рабочих местах
Примечание к табл. 1: «расшифровка» некоторых аббревиатур
ЭЭ-е – энергетическая экспозиция электрического поля (Вольт на метр)
ЭЭ-н – энергетическая экспозиция электромагнитного поля (Ампер на метр)
ЭЭ-ппэ – плотность потока энергии
Для граждан действуют другие предельно допустимые уровни электромагнитных полей диапазона частот 30 кГц – 300 ГГц, они представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Предельно допустимые уровни электромагнитных полей диапазона частот 30 кГц – 300 ГГц для граждан, подвергающимся ЭМИ по доброй воле вне рабочих мест
Примечание к табл. 1.2.
*Воздействие ППЭ 25мкВт/см² м.б. допустимо только на ограниченный период времени, до 8 часов непрерывной работы. В этом ключе надо заметить, что если человек работает в зоне ППЭ ежедневно в течение многих лет даже с ограничением во времени (ежедневной работы), то у многих выявляется так называемый «накопительный» эффект, который в конечном итоге все равно сказывается на здоровье и общем самочувствии человека. Это замечание важно для тех, кто, так или иначе, связан с работой на ПК (в офисах или дома), работает в лабораториях с электрическими приборами и радиоэлектронными устройствами.
С другой стороны в соответствии с требованиями СанПиН 2.2.2.1340 – 03 работа оператора ПК относится к категории – «1а», производимые сидя и не требующие физического напряжения, при которых расход энергии составляет до 120 ккал/ч.
В производственных помещениях, в которых работа на ПК является основной, обеспечиваются оптимальные параметры микроклимата (температура воздуха – в среднем 23°…24 °C, относительная влажность воздуха в пределах 40…60 %, скорость движения воздуха в помещении без кондиционеров 0,1 м/с и др.).
По определенным критериям – требованиям делается и расчет искусственного освещения. Это все то, что есть на производстве (где соблюдают нормы и требования СанПин), и нет в частном секторе.
Чувствительность к ЭМИ конкретного индивидуума может значительно увеличиваться под воздействием разных факторов среды. К примеру, принятые внутрь в процессе лечения фармакологические и химические препараты, из-за которых при длительном воздействии электромагнитного излучения провоцируются побочные химические реакции в организме, могут повлиять на ход реакции, изменять состояние человека.
Разумеется, исследования о воздействии ЭМИ на человека и его члены, изменения при этом свойств электронных оболочек атомов организма человека проводятся постоянно.
Особо опасна ситуация, когда в зоне действия ЭМИ оказывается вся квартира. Сегодня эта ситуация актуально почти для всех, живущих в многоквартирных домах и даже в деревне.
Электромагнитное излучение в обычных бытовых условиях можно замерить (установить) даже простыми приборами, к примеру, отверткой-индикатором типа ОИ-1 или ОИ-2э, предназначенных для тестирования электрических цепей. Вид такого устройства представлен на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Внешний вид отвертки-индикатора модели ОИ-1
Это устройство, конструктивно предназначенное для тестирования путем звуковой и световой индикации элементов цепей переменного и постоянного тока в бытовых электроприборах, а также в автотранспорте.
По своим функциональным особенностям и электрическим (техническим) характеристикам устройство позволяет проверять наличие переменного напряжение в диапазоне 70-600 В (ОИ-2э: 70-10000 В) бесконтактным способом. При частоте электрической сети переменного тока в диапазоне 50-500 Гц.
В данном разделе я рассматриваю именно бесконтактный (дистанционный) метод диагностики, выявляющий локальные зоны ЭМИ, хотя описываемые устройства индицируют напряженность поля и контактным методом.
Персональный компьютер (и некоторые другие электронные устройства) в рабочем состоянии излучают ЭМИ в высокочастотном спектре.
Индикация высокочастотных электромагнитных полей с помощью ОИ-1 и ОИ-2э происходит при их наличии свыше 2 мВт/см². Поэтому, из за их относительно высокой чувствительности (и небольшой цены, что делает прибор доступным любому человеку) с помощью такого устройства удобно находить зоны ЭМИ.
На практике я столкнулся с этим следующим образом.
Свою домашнюю мастерскую я организовал на лоджии жилой квартиры (см. фото рис. 2), на пол установил стабилизатор напряжения, системный блок ПК.
Рис. 1.3. Мастерская (рабочее место) на лоджии
Спустя примерно год активной многочасовой (в день) работы я стал чувствовать слабость в ногах. По фото совершенно очевидно, что именно ноги – ниже коленного сустава – попадают в зону активного ЭМИ. Диагностировав устройством ОИ-2э уровень высокочастотного электромагнитного поля, я получил потрясающие результаты: оказывается ЭМИ свыше 2 мВт/см² распространяется от системного блок ПК примерно на 1 метр.
Этот пример из моей практики подтверждается исследованиями (публикациями), имеющимися и в открытом доступе.
Оказывается, ЭМИ могут создавать даже трубы сантехнических коммуникации многоквартирного дома (в таком доме – сеть труб). Если проводить замеры излучения электромагнитного поля в доме с металлическими трубами и с более современными – пластиковыми (полипропиленовыми) трубами, при прочих равных условиях, показатели излучения после проведения работ – замены труб – оказались гораздо более низкими.
На рис. 1.4 видна индикация устройства ОИ-2Э.
Рис. 1.4. Иллюстрация индикации устройства ОИ-2Э
В данном случае индикатором фиксируются радиоволны, для которых свойственны частоты от 3 кГц до 300 ГГц (Герц – это единица измерения частоты колебаний, 1 Гц равен одному полному колебанию в секунду) и длина волн, соответственно от сотых долей миллиметра до сотен километров.
Кроме того, существуют оптическое, инфракрасное, ультрафиолетовое, ионизирующее излучение, которые в свою очередь имеют особенности.
Вообще же источники электромагнитного излучения могут быть как естественными (атмосферные явления), так и искусственными (переменный ток, возникающий в проводниках, телевизионные и радиостанции, линии электропередач и т. д.).
Существуют и профессиональные измерители параметров электрических и магнитных полей, которые используется на производствах, к примеру, устройство ПЗ-70 (и (или) другие аналогичные). Однако, обычный гражданин в частном порядке хоть и имеет возможность приобрести такой прибор, но не делает этого, поскольку измерение электрических и магнитных полей на рабочих местах с ПК, измерение электрических и магнитных полей промышленной частоты 50 Гц с его помощью нерентабельно в связи с относительно большой стоимостью профессионального устройства.
Важно и то, что при измерениях полей ЭМИ предпочтение следует отдавать приборам, принцип действия которых основан на одновременном измерении всех пространственных координат поля и приборам с непрерывной визуальной индикацией измеряемого в каждый момент времени значения.
Получается, что почти все диапазоны электромагнитного излучения оказывают негативное влияние на человека: на иммунную, нервную, половую и сердечно-сосудистую системы. Не исключено также информационное влияние электромагнитных полей на организм человека, реакция при этом зависит в большей степени непосредственно от факта контакта, а не от интенсивности поля. Примерно, такая же по критичности ситуация в сфере сотовой связи, высокочастотное ЭМИ воздействует на голову (мозг) человека, незначительно нагревая его, при длительном телефонном разговоре (когда корреспондент держит трубку у головы). Система «свободные руки» несколько снижает значение этой проблемы.
Одним из средств защиты от электромагнитных излучений является их своевременное выявление, диагностирование и уточнение мест локальных электромагнитных полей с тем, чтобы ограничить время их воздействия на человека или его члены.
Для этого используется специальное оборудование – измерители электромагнитных полей, их напряженности. Кроме описанного, существует несколько типов приборов, которыми – в определенных условиях среды (условия производства или жилого помещения) выявляют наличие и зоны действующего электромагнитного излучения.
Исходя из сказанного, измерение электромагнитного излучения в помещении – первый шаг на пути к личной безопасности и здоровью.
Интересно, что если анализировать ситуацию – почему проблематика с ЭМИ стала активно влиять на здоровье людей в последние две декады лет, я бы обратился к … истории возникновения старых домов (1960–1970 гг. постройки).
В то время еще не было большого количества мощных и излучающих бытовых приборов; электроплиты и электрообогреватели не в счет. И в те годы дома строили с заземляющими контурами, но не выводили их к розетками (розетки без заземления). А любой электроприбор требует заземления, как в части безопасности – против поражения электрическим током, так и в части купирования проблемы с ЭМИ.
Если нет заземления – появляется электромагнитное поле. Один из способов уменьшить вредное ЭМИ заземлять не только электрические и радиоэлектронные устройства, находящиеся в квартире (в моем случае металлический корпус ПК), но заменить старую электропроводку на новую в металлической оплетке, которую также заземлить.
После заземления корпуса ПК, уровень ЭМИ, замеренный тем же прибор уменьшился.
Интересно, что до сих пор в России безвредным признан уровень до 100000 нТл (Тесла – единица измерения электромагнитной индукции), а, к примеру, в Швеции – 200 нТл.
Для гражданина, проживающего в квартире (в частном секторе), предельно допустимый уровень 5000 нТл.
Кроме частного сектора в городских квартирах, люди жует еще и на природе – в деревнях. Принято считать, что там экологический фон, в том числе в части вредного воздействия ЭМИ, крайне низкий. Отчасти это так. Однако, с вездесущим распространением высокотехнологичной радиоэлектронной техники, такой, к примеру, как Wi-Fi роутеры, ПК, усилители сотовой связи (и др. устройства) и сельское население сегодня уже нельзя считать полностью «спасенным» от вредного воздействия ЭМИ различного формата.
На рис. 1.5 представлен внешний вид монтажной мастерской в моей загородной резиденции (Вологодская область).
Рис. 1.5. Вид мастерской в деревенском доме
Как видно на фото, в мастерской (среди прочих устройств) установлены несколько радиостанций и источников питания.
Вредное ЭМИ незаметно для человека проявляет себя и здесь. Поэтому я настоятельно рекомендую защищаться в ЭМИ. Этого можно достичь путем заземления всех металлических корпусов радиоэлектронных устройств, создание «общей» заземляющей «шины» для ПК и компьютерной периферии, а также для радиостанций, которыми пользуется владелец дома. Для производственных помещений и рабочих мест на производстве, там, где ценят здоровье своих сотрудников, и «страховые» фонды, где нет ротации кадров, характерно применение металлической мебели, где системный блок ПУ установлен в тумбе, которая сама по себе является «экраном» и заземлена.
На таком рабочем месте риск потери здоровья сведен к минимуму, в отличие от всех тех рабочих мест (их подавляющее большинство), где «системники» стоят у ног пользователя.
К важности заземления надо особо добавить и аспекты электробезопасности. До 80 % всех случаев поражения электрическим током со смертельным исходом приходится на электроустановки напряжением до 1000 В (работающих под напряжением 220–380 В), к которым относятся и вся компьютерная техника.
Сопротивление заземляющего устройства является основным показателем, характеризующим пригодность его в качестве защитного устройства. Сопротивление не превышает 4 Ом. (ГОСТ 12.1.030-81). Сопротивление изоляции токоведущих проводов не менее 0,5 МОм, что вполне соответствует требованиям.
Второй простой путь (и он может быть вполне эффективным дополнением первому) – устанавливать мощные излучающие устройства (к примеру, корпус ПК, дисплей) на максимально возможное расстояние от человека. Этот же путь хорош и для ситуации, когда радиоэлектронное устройство, такое, к примеру, как мощный стабилизатор преобразователь (в моем варианте мощность 5 кВт) находится (реализован) в непроводящем ток, пластиковом корпусе.
Поскольку аналогичными замерами установлено, что ЭМИ имеется вблизи СВЧ-печей и даже вокруг электрических удлинителей с несколькими розетками (в том числе, содержащими в едином корпусе фильтр по питанию) в нашей семье уже много лет выключают на ночь все электроприборы, в том числе и Wi-Fi.
Несколько простых правил для защиты от электромагнитного излучения
1. Системный блок и монитор должен находиться как можно дальше от вас.
2. Не оставляйте ПК включенным на длительное время если его не используете, хотя это ускорит износ компьютера, но здоровье полезней. Так же, не забудьте использовать «спящий режим» для монитора.
3. В связи с тем, что электромагнитное излучение от стенок монитора намного больше, постарайтесь поставить монитор в угол, так что бы излучение поглощалось стенами. Особое внимание стоит обратить на расстановку мониторов в офисах.
4. По возможности сократите время работы за компьютером, и почаще прерывайте работу. На мой взгляд, оптимальное время работы на ПК – 20 минут в день.
5. Корпус компьютера должен быть заземлен. Если используете защитный экран (для рабочего места у системного блока), то его тоже следует заземлить.
1.3. Автономная подземная радиосвязь
Поверхность Земли определяющим образом влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (кривизна участков поверхности и отдельные неровности рельефа – горы, ущелья). Влияние это различно для волн разной длины, для условий относительно передачи радиосигнала над грунтом и под ним, и для разных расстояний между передатчиком и приемником. Поэтому способы распространения радиоволн над землей и тем более под ней существенно зависят от множества факторов, в том числе – от длины волны и даже от освещенности земной атмосферы солнцем.
Меня издавна интересовал вопрос: а возможна ли подземная радиосвязь с помощью непрофессиональных, портативных радиостанций?
В 2014 году в своем фермерском хозяйстве в Верховажском районе Вологодской области мною проведен ряд экспериментов, о которых поведаю далее. Был поставлен вопрос: возможна ли радиосвязь под землей, и какие факторы влияют на ее качество.
1.3.1. Особенности эксперимента
Для подготовки условий эксперимента углублены подземные катакомбы (глубина 1,6 метра под землей) в районе д. Боровичиха в месте естественного кратера, который в здешних краях носит название «Коробовая яма». Длина прямолинейного подземелья (подземного тоннеля) после подготовительных работ достигла 22 м.
Обязательные условия
Основным и обязательным условием подземной радиосвязи является то, что радиосвязь должна осуществляться между корреспондентами, находящимися в прямой видимости (на прямолинейном участке дистанции). Тогда она возможна практически без ограничений – в соответствии с мощностью радиостанции.
Распространение радиоволн под землей подчиняется определенным общим законам:
Прямолинейное распространение в однородной среде, свойства которой во всех точках одинаковы. Встречая на своем пути непрозрачное тело, радиоволны огибают его; это явление, называемое дифракцией проявляется в зависимости от соотношения геометрических размеров препятствия и длины волны, и в нашем эксперименте под землей оказывает на качестве и дальность связи определяющее значение.
С другой стороны, если радиоволна встречает препятствие, то она распространяются по криволинейным траекториям, сила сигнала при этом ослабляется (вяление рефракции).
Чем резче изменяются свойства среды в виде криволинейного участка между двумя корреспондентами под землей, тем больше кривизна траектории волны и тем слабее сигнал.
Для определения эффективности и самой возможности радиосвязи между двумя корреспондентами в описанных условиях был испытан трансивер Kenwood TH-F7 c выходной мощностью 5 Вт в диапазоне 2 м – на частотах 144,550 МГц и 444,300 МГц (70 см). Внешний вид трансивера представлен на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Трансивер Kenwood TH-F7. Внешний вид
Трансивер Kenwood TH-F7 и эксперименты с ним широко описаны в книге: Кашкаров А.П.
Трансивер Kenwood TH-F7: дома, в офисе, на отдыхе. Пошаговые рекомендации. – М.: ИП РадиоСофт, 2011.– 222 с.: ил.– ISBN 978-5-93037-237-3,
а также тесты – на сайте:
Частоты
При проведении эксперимента в сельских условиях сигнал с портативного трансивера был получен другим корреспондентом, находящимся в 22 м от меня – принят на идентичную радиостанцию, настроенную на те же частоты.
При экспериментировании замечена интересная особенность: на частоте UNF (444.3 МГц – длина волны 70 см) слышимость лучше, распознавание сигнала отчетливее, чем при работе (при прочих равных условиях) в частотном диапазоне VNF (144.55 МГц – длина волны 2 метра).
Таким образом, по проведенному эксперименту, а также, опираясь на комплексные данные других исследователей, можно сделать простой вывод-подтверждение о том, что диапазоны радиоволн – на которых длина волны меньше, наиболее предпочтительны для радиосвязей в замкнутых помещениях, с перегородками (радиоволны огибают препятствия); радиостанции на данных диапазонах хорошо работают в зданиях.
Чем больше длина волны, тем критичнее к препятствиям (естественным и искусственным) качество радиосвязи.
Как можно заметить на практике, портативными трансиверами (рациями) часто пользуются вспомогательные и аварийные службы в помещениях (охранники, лифтеры, администраторы и др.).
Итак, данная гипотеза нашла подтверждения и в моем «подземном» эксперименте 2014 года, проведенном в Верховажском районе Вологодской области, в 400 м от границ н.п. Боровичиха.
Если пойти в той же логике рассуждений дальше, разумно предположить, что длина волны менее 10 см (к примеру, частоты диапазона 500–800 МГц) на практике окажутся еще более приспособлены (перспективны) – для объектов с множественными естественными препятствиями (перегородками внутри здания или изгибами рельефа местности).
При этом действует и другой общепризнанный принцип распространения радиоволн: чем короче длина волны, тем короче расстояние, на котором можно осуществлять устойчивую (уверенную) радиосвязь при прочих равных – в части мощности передатчика – условиях.
Так, радиосвязь в обычных (наземных) с помощью комплекта все тех же идентичных портативных радиостанций Kenwood TH-F7 (между собой) с максимальной мощностью передатчика 5 Вт на частоте 590 МГц можно осуществить на расстояние менее 0,8 км.
А, к примеру, на частоте 146,550 МГц максимальная дальность связи (при прочих равных условиях) уже будет (зафиксирована мною) 4,8 км.
Поэтому радиолюбителям удается осуществлять радиосвязи на КВ (коротких волнах) на расстояния тысяч километров между городами и странами, к примеру, на частотах 1,8…3,6 МГц. К примеру, в диапазоне Си-Би (Sitizen Band – гражданский диапазон с частотным округлением 26–28 МГц) максимальная дальность связи не превысит 50 км. Конечно, все эти сведения нужно воспринимать через призму ряда условностей, как агентов влияния на ситуацию: важны и конкретные радиостанции, с помощью которых осуществляется радиосвязь, и настройка антенны, и условия местности, и даже погодные условия.
Глубина погружения
Еще одну особенность хотел бы изложить здесь же.
Связь под землей возможна и при более глубоком погружении под землю: радиосвязь под землей почти в равном качестве будет осуществляться как при помещении обоих корреспондентов на глубину 2 метра (в прямой видимости друг от друга), так и при помещении на глубину 10 метров. Однако, если канал (тоннель) будет иметь хотя бы незначительные изменения в своей траектории (условие прямой видимости перестанет соблюдаться) связь под землей прекратится на любых волнах. Тем не менее, это знание все же можно использовать на практике и работать – при необходимости – в пещерах. Примеры таких (прямолинейных) пещер имеются (приведу те, в которые спускался сам): это старые, времен финской войны 1939–1940 гг.
ДОТы на Карельском перешейке, Саблинские пещеры недалеко от Санкт-Петербурга и огромные – по своей дине (более 3 км) пещеры (на глубине до 20 метров) в Новом Афоне, что в Абхазии. Разумеется, это не полный список пещер.
На рис. 1.7 представлены практические условия эксперимента в подземном бункере.
Рис. 1.7. Автор в подземном бункере финского ДОТа-миллионника
Радиосвязь под землей невозможна, если будет естественное препятствие. По той же логике – и это доказано проведенным экспериментом радиосвязь через толщу земли – даже если корреспонденты с участвующими в эксперименте радиостанциями будут находиться всего в одном метре друг от друга, разделенные земляным валом (поверхностью земли) уже невозможна.
Но если сквозь толщу земли пропустить даже металлическую трубу (по определению законов физики экранирующую радиоволны) и расположить антенны портативных радиостанций вдоль ее траектории (ориентировать трансиверы так, чтобы излучающая и приемная антенна находились в одной траектории – в прямой видимости через трубу) можно осуществить радиопереговоры между корреспондентами – один на поверхности земли, другой – под ее толщей.
Этот эксперимент может иметь практическое значение в будущем.
Отражение и преломление радиоволны волны при переходе – из под земли на ее поверхность предполагает, что угол падения равен углу отражения. Так при переходе из более плотной среды в менее плотную, угол падения превышает некоторые критические значения, то луч во вторую среду не проникает и полностью отражается от границы раздела сред (эффект полного внутреннего отражение). Именно поэтому чтобы осуществить радиосвязь через препятствие в виде земной коры (к примеру, между подземельем и поверхностью) потребуется вывод антенн (см. рис. 1.8).
Рис. 1.8. Иллюстрация возможности радиосвязи «сквозь толщу земли»
1.3.2. Связь «через землю» – передача звуковой частоты
Если же говорить о распространении радиоволн в земле (грунте), то увы, радиоволны в землю не проникают (если не используется мегаваттный передатчик). Связь «через землю» может осуществляется с помощью магнитной индукции между многовитковыми рамками (своеобразными антеннами), которые можно считать разнесенными обмотками трансформатора – информация переносится не электромагнитным излучением, а магнитной индукцией. То есть можно передавать звуковой сигнал (сигнал ЗЧ) через землю на небольшие расстояние до 1 км (в зависимости от мощности усилителя и комплекса других условий местности), но это не будет передачей радиоволн.
Несущая частота в такой связи выбирается около 70…90 кГц. Выбор слишком низкой несущей частоты приведет к увеличению массы и габаритов рамок, а при высокой несущей частоте увеличиваются потери на излучение.
Прием ведется на вертикально установленную рамку. Переменное магнитное поле убывает по закону «обратных кубов»: каждый раз, когда удваивается расстояние между рамками, сила сигнала уменьшается на 18 дБ.
В простых экспериментальных устройствах для передачи сигнала ЗЧ через землю применяется амплитудная или однополосная модуляция (с подавленной несущей – SSB). Определяющее значение для максимальной дальности связи имеет форма рамок.
К примеру, круглая рамка обеспечивает выигрыш силы сигнала в два раза по сравнению с квадратной.
Для увеличения дальности связи, рамки должны иметь резонанс на частоте несущей. Частота несущей должна быть выше максимальной частоты речевого сигнала, который ее модулирует.
Альтернативой рамок являются токовые электроды, погруженные в почву.
В этом случае фиксируется выигрыш в силе сигнала – по сравнению с рамкой достигает в несколько десятков дБ.
Земля для радиоволн представляет собой проводник электрического тока, в котором токи, возбуждаемые естественными электрическими зарядами, искусственно – электротехническими устройствами и другими явлениями, текут в определенных направлениях. Можно провести и другой эксперимент.
Ввести в землю 2 электрода (отрезки арматуры) каждый длиной 120 см и диаметром 80 мм на расстоянии, к примеру, 10–50 м (друг от друга; чем дальше – тем лучше), и подключить их экранированным проводом к входу усилителя с высоким входным сопротивлением (более 1 МОм).
Для сопряжения импедансов и изоляции схемы от внешних сигналов штыри подключают к усилителю не напрямую, а через разделительный (повышающий) трансформатор с коэффициентом трансформации 1:100. «Низкоомную» обмотку подключают к штырям, а «высокоомную» – к усилителю, в качестве которого можно применить любой с выходной мощностью до 20 Вт.
В результате на выходе усилителя можно зафиксировать сигналы звуковой частоты (ЗЧ) – преобразованные низкочастотные токи Земли на данном участке. Если смешать эти сигналы с фоновым шумом, то можно обнаружить, на первый взгляд, странную, еще не вполне раскрытую, последовательность звуков, расшифровка которых, возможно, даст интереснейшие открытия.
Если электроды невозможно вкопать в землю (из-за плотности, к примеру, зимой), то вместо них можно использовать отрезки медной оплетки коаксиального кабеля, помещенные в воду или наиболее сырой участок подземного образования. Это еще одно направление перспективных исследований, результатами которых можно поделиться на страницах журнала.
Конечно, с учетом более легких способов радио и проводной связи, сегодня широко доступных, связь через землю может рассматриваться только как область экспериментальных исследований. Ее «минусом» является и то, что помехи от грозовых разрядов или расположенных недалеко силовых линий переменного тока сильно ухудшают качество такой связи.
И тем не менее, связь в однородной среде возможна. В том числе радиосвязь. Подтверждением тому (что радиосвязь в тоннелях возможна) служит организация радиосвязи в метро.
1.3.3. Эксперимент в городском метро
Для подтверждения сего, снова пришлось захватить с собой под землю портативные рации. На этот раз в деле радиообмена были использованы безлицензионные (не требующие специального разрешения Россвязьнадзора) компактные радиостанции диапазона PMR (446 МГц) Motorola TLKR T6 (см. рис. 1.9).
Рис. 1.9. Внешний вид раций Motorola TLKR T6
Эти рации работают на фиксированных каналах на частоте 446 МГц. Если быть точным, то частотные каналы таковы.
Рабочая частота у всех раций Motorola TLKR T6 в диапазоне 446.00625-446.09375 МГц распределена по восьми фиксированным каналам так: 446.00625 МГц (1), 446.01875 (2), 446.03125 (3), 446.04375 (4), 446.05625 (5), 446.06875 (6), 446.08125 (7), 446.09375 (8).
Таким образом, дискретность составляет 01250 МГц или говоря иным языком – частотный шаг канала 12,5 Гц.
Эти сведения можно учитывать для прослушивания данных частот или организации радиосвязи на них, в том числе с помощью других радиостанций, к примеру, широкодиапазонной станции Kenwood TH-F7, описанной выше.
В этом случае, чтобы обмениваться сообщением в радиоэфире, в том числе под землей, нужно все рации «сети» настроить на одну частоту (частотный канал) и удостовериться, что все они «запрограммированы» на одни и те же субкоды.
Гипотеза о том, что радиосвязь в метро возможна, нашла свое подтверждение. На подземной платформе станции метро «Лесная» (г. Санкт-Петербург) на расстоянии прямой видимости 75 метров (дальность ограничена платформой станции), в августе 2014 года осуществлен радиообмен между двумя корреспондентами. Если бы платформа была длиннее, и канал (тоннель) имел высокую прямолинейность, есть основания полагать, что дальность связи под землей (в метро) ограничивалось бы – как и над землей – другими факторами: мощностью радиостанций и частотным диапазоном (длиной волны).
Известно, на большинстве станций (и на перегонах между станциями) в Санкт-Петербургском метрополитене уже есть устойчивая GSM-связь (для сотовых телефонов – 900 МГц) и cеть Wi-Fi (2,4 ГГц – для компьютерных систем).
Здесь она имеет, правда, свои особенности в части организации.
По всей длине тоннеля проложен излучающий кабель – в виде антенны, и пассажир с сотовым телефоном, КПК, планшетом или ноутбуком имеет возможность оставаться на связи, даже спустившись под землю.
Но это (профессиональная организация радиосвязи, в том числе сотовой – под землей – в метро) совсем другая история.
Стоя на платформе в подземном вестибюле метро можно заметить, что вдоль стены тоннеля в его глубь уходят два натянутых провода.
Нет, в метро не ходят троллейбусы, а провода эти имеют вполне объяснимое значение – это антенны для служебной связи между движущимися поездами и станционными постами дежурных служб управления движением. Здесь используется важнейшая область связи – проводная высокочастотная связь (ВЧ связь). Она осуществляется путем подключения группы маломощных длинноволновых передатчиков, настроенных на разные волны с промежутками между ними в 3…4 кГц, к обычным проводам.
Токи высокой частоты, созданные такими передатчиками, распространяются вдоль проводов, оказывая воздействие на радиоприемники в кабине машиниста, не связанные с этими проводами, и обеспечивая в то же время хороший, свободный от многих помех прием на специальных приемниках, присоединенных к этим проводам.
Таким образом, решается проблема обеспечения оперативной связи в «кривых» тоннелях под землей.
1.3.4. Перспективы подземной связи
Подземная связь востребована спелеологами и спасательными службами, поэтому разработка аппаратуры и антенн для подземной связи актуальна. Немаловажным достоинством такой связи является ее доступность – не требуются никакие разрешения государственных органов, а приемники и передатчики могут быть выполнены на не дорогой современной элементной базе с использованием высокоэффективных методов модуляции и обработки принимаемого сигнала.
Основные недостатки «классической» (надземной) радиосвязи, обнаружены еще А.С. Поповым – атмосферные помехи и замирания сигнала, хотя и получили теоретическое объяснение, но со временем не уменьшились, все также оказывают влияние на качестве связи в радиоэфире.
С ростом числа радиостанций появились еще и взаимные помехи станций друг другу.
Именно поэтому данный раздел книги начат с обзора изобретений Попова.
Объединение с проводной связью потребовало от радиосвязи такой же высокой надежности при составлении комбинированных каналов связи, какой обладала связь по проволоке.
Для повышения надежности радиосвязи применяются меры повышения помехозащиты: выбор длин волн с учетом времени дня и года, составление «радиопрогнозов», прием на несколько разнесенных (относительно друг друга) антенн, специальные методы передачи сигналов и другие.
Очень короткие (сантиметровые) волны позволяют использовать остронаправленные антенны при сравнительно небольших размерах. Общепринятая теория дальнего распространения сверхкоротких волн давно разработана, определилась техника дальней радиосвязи, и успешно работают дальние радиолинии на сантиметровых волнах.
Таким образом, пользуясь диапазоном ультракоротких волн можно ограничить дальность радиосвязи горизонтом, иным препятствием, или же осуществлять дальнюю связь, обеспечивая устойчивую силу приема в нужном районе и сохраняя острую направленность такой передачи – при условии прямолинейности участка (в части ультракоротких волн справедливо как для подземной, так и надземной радиосвязи).
Большим преимуществом определенных диапазонов радиоволн (UNF, VNF, и особенно диапазона 800 МГц и выше) является то обстоятельство, что в них можно разместить очень много радиостанций с большими промежутками между ними по длине волны.
В диапазоне коротких волн, учитывая их перспективную дальность действия и относительно малую направленность, можно разместить не более 2–3 тыс. радиостанций во всем мире, если задаться целью полного исключения помех друг другу. Этого можно добиться только при соблюдении жесткого условия, что радиостанции будут отличаться по частоте на 6– 10 кГц. При таком разносе между станциями можно вести только телеграфную или телефонную радиопередачу.
Если же использовать область ультракоротких волн, то те же 2 тыс. радиостанций можно расставить одна от другой по частоте на 10 МГц и при этом все они могут работать в одном и том же районе.
Подобные возможности разделения станций по частоте сегодня реально обеспечивают передачу безграничной информации.
1.4. Солнечные батареи и модули как источники автономного питания
Нетрадиционные источники энергии – ветер и солнце являются постоянно возобновляемыми, практически вечными видами энергии; тем они особенно перспективны для отдельных строений, возведенных на природе.
Раздел предназначен читателям, имеющим стремление к самостоятельному техническому творчеству, строителям своего счастья в прямом и переносном смысле этого понятия, интересующихся новыми идеями современной электроники, нетрадиционными источниками питания, солнечными батареями в эпоху всеобщей экономии и оптимизации издержек.
В реальном мире отождествленная с сущностью форма сияет в качестве света, так же как в идеальном мире сияет сама мысльГегель
С каждым днем люди на планете все больше зависят от разного рода носителей энергии. Один из них, безусловно, солнце. Но что есть такое его лучи?
Весь электромагнитный спектр солнечного излучения представляет собой излучение физических тел. И основные источники света – атомы – никогда не испускают его непрерывно. Так, атомы генерируют свет только в виде отдельных квантов электромагнитного поля – фотонов, поэтому световое излучение носит прерывистый, дискретный характер. Однако даже в простом физическом опыте по разложению белого света с помощью призмы обнаруживается «световой» порядок, наглядно демонстрирующий не только энергетический, но и явно семиотический (знаковый) характер светового спектра.
Примерно такой же по многогранности спектр, представляют собой и солнечные лучи, воздействующие на кремний (заложенный в основе) фотоэлементов, соединенных (с помощью электрической цепи) в батареи.
Современный экологически чистый дом уже невозможно представить без электричества, и аккумулирующих его устройств – солнечных батарей, а, следовательно, чтобы идти в ногу со временем, людям придется применять на практике новые методы энергоснабжения, хотя бы для того, чтобы жизнь в быту и на природе стала более безопасной и комфортной.
1.4.1. Все о модулях солнечных батарей
Прототипом современных солнечных элементов являют фотоумножители (ФЭУ).
Процесс преобразования световой (photons) энергии в электрическую (voltage) называется «PV-эффект». Он был открыт в 1954 году, когда ученые обнаружили, что кремний (этот элемент – основа обыкновенного песка) создает электрическую энергию, когда его освещают солнечным светом. Вскоре солнечные элементы стали применять для питания электронной аппаратуры космических спутников и небольших электронных устройств таких, как калькуляторы и наручные часы.
Когда аккумулятор для зарядки подсоединяется к солнечной панели, обычно в цепь необходимо включать контроллер для предупреждения перезаряда. Эта схема использует параллельный способ подключения: солнечная панель всегда подключена к аккумулятору через последовательно включенный в электрической цепи диод.
Когда солнечная панель заряжает аккумулятор до желаемого максимального напряжения, схема параллельно солнечной панели подключает нагрузочный резистор, чтобы поглощать избыточную мощность с солнечной панели.
Функция полезной мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, зависит от вырабатываемого напряжения, которое в свою очередь зависит от инсоляции – то есть от интенсивности солнечного света – и температуры самой батареи.
Работа на кривой зависимости ток/напряжение где-либо еще кроме точки максимальной получаемой мощности, приводит к снижению эффективности работы и потере доступной энергии.
Следовательно, контроль точки максимальной мощности является необходимой функцией в передовых системах управления источниками солнечной энергии, так как это может увеличить практическую эффективность часто на 30 % и более.
Системы, получающие энергию от возобновляемых источников, таких как солнечные батареи или ветровые генераторы, обычно накапливают энергию в аккумуляторах, а затем отдают ее в нагрузку; нередко оба эти процесса происходят независимо.
Модули солнечных батарей конструктивно реализуются в виде монолитного ламината спаянных монокристаллических элементов.
«Каркасная» солнечная батарея конструктивно выполнена в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты ламинированными на ней элементами.
К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен диодный блок, под крышкой которого размещены электрические контакты, предназначенные для подключения модуля.
Беcкаркасные модули представляют собой ламинат, выполненный на алюминии, стеклотекстолите, а также – без всякой подложки.
Солнечные элементы расположены между двумя слоями ламинирующей пленки ЭВА (этил-винил-ацетат). Лицевая сторона защищена оптически прозрачной пленкой типа ПЭТ (полиэтилентерефталат), а тыльная – либо подложкой (стеклотекстолит, алюминий), либо той же пленкой ПЭТ без дополнительных требований к оптическим характеристикам.
Солнечные батареи сохраняют работоспособность в условиях:
• температур в диапазоне -50 +75º С;
• атмосферного давления 84-106,7 кПа;
• относительной влажности до 100 %;
• дождя интенсивностью 5мм/мин;
• снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 П
Солнечная батарея являет собой, прежде всего, законченный фотоэлектрический преобразователь, который был рассмотрен выше, его технические характеристики справедливы как для отдельных элементов, так и для солнечных батарей.
1.4.2. Принципы применения солнечных батарей
Сегодня можно самостоятельно собрать устройство для обеспечения электропитания посредством солнечной энергии, специально преобразованной в электрический ток и накопленной с помощью электронных устройств и аккумуляторов. Такие электронные устройства состоят непосредственно из солнечной батареи (солнечных элементов, соединенных в батарею), аккумулятора, преобразователя (инвертора) тока (из постоянного – в переменный). Таким образом, иметь дома источник альтернативного питания с сетевым напряжением 220 В вполне доступно.
На рис. 1.10 представлена блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи.
Рис. 1.10. Блок-схема устройства источника питания от солнечной батареи
Согласно представленной иллюстрации полезная мощность (и ее смысл для потребителя) зависит от мощности каждого элемента устройства. Здесь уместно вспомнить старую, но верную поговорку: «скорость эскадры определяет самый тихоходный корабль».
И, соответственно, при разработке проекта обеспечения дома альтернативной энергией, учитывать технические и электрические характеристики каждого и слагаемых.
Давайте рассмотрим этот тезис на простом примере. Для обеспечения работы одного современного электрочайника требуется запас мощности около 2 кВт, то есть не менее 11 батарей типа ТСМ-180-12 (с запасом).
Солнечные батареи мощностью 1 кВт, сегодня имеет розничную цену порядка 180 000 руб. Для сравнения дизельному электрогенератору для выработки 1 кВт/час электроэнергии потребуется до 0,33 литров дизельного топлива. При стоимости топлива 32 руб./литр затраты на топливо составят примерно 10 руб. за 1 кВт/час. Приобрести такой генератор с размером, сопоставимым с двумя-тремя системными блоками ПК, можно за 15 000 руб. Выводы делайте сами.
Ценообразующим фактором солнечной батареи (и ее отдельных элементов) является полезная мощность (напряжение и выходной ток).
К примеру, сегодня стоимость готовой солнечной батареи типа ТСМ-180-12 (производится в России) с номинальным напряжением 12 В и полезной мощностью 180 Вт сегодня составит порядка 15 тыс. рублей (для сравнения 2011 год – 30 000 рублей).
Устройство ТСМ-180-12 представляет собой монокристаллический солнечный фотоэлектрический модуль (панель) максимальной мощностью 180 Вт ±5 %, разработанный специально для систем автономного и резервного электроснабжения частных домов. Для примера – в летний ясный день один лишь модуль ТСМ-180-12 способен выработать до 1080 Вт/часов электроэнергии.
Солнечные элементы ламинированы под закаленным текстурированным стеклом, увеличивающим количество пропускаемого света, что позволило повысить выработку электроэнергии до 15 % при различных уровнях освещенности и любых погодных условиях. Станина модуля (рамка) изготовлена из анодированного алюминия. На тыльной стороне расположена пластиковая влагозащищённая клеммная коробка.
Такие факторы, как герметичная конструкция и использование монокристаллических кремниевых солнечных элементов (их значение выше) вполне обеспечивают срок службы модуля не менее 20 лет с сохранением не менее 90 % первоначальной мощности (декларированная гарантия производителя).
КПД примененных солнечных элементов составляет порядка 17 %. Итоговый КПД единицы площади модуля ТСМ-180 (12) составляет около 14 %.
Преимущества этого модуля продолжают такие фактора, как низкая цена, отсутствие обязательного требования квалифицированного обслуживания (необслуживаемая), защищенность от осадков и непогоды, может работать в сочетании с ветрогенераторами, другими генераторами, с перспективными возможностями «помодульно» наращивать эквивалентную мощность.
В табл. 1.3 представлены некоторые технические и электрические характеристики модуля ТСМ-180-12
Таблица 1.3. Технические и электрические характеристики модуля ТСМ-180-12
Примечание к табл. 1.3.
*Максимальная выходная мощность соответствует максимальному значению произведения силы тока Uм на напряжение Iм, в «точке максимальной мощности» на графике ВАХ модуля. Мощность модуля измеряется под воздействием симулятора солнечного излучения при 3-х обязательных условиях:
• уровень освещенности равен 1000 Вт/м², что в естественных условиях может достигаться довольно в редких случаях: на экваторе в день осеннего/весеннего равноденствия, когда солнечные лучи падают перпендикулярно поверхности Земли;
• спектр соответствует спектру солнечной засветки на широте местности 45° при AM 1,5 (после прохождения солнечного света полторы толщины атмосферы);
• температура фотоэлектрического модуля при тестировании составляет 25 °C.
**Uхх – напряжение холостого хода, которое соответствует напряжению между положительным и отрицательным контактами солнечного модуля при разомкнутой цепи (сила тока равна нулю).
Uхх может быть измерено цифровым вольтметром с большим сопротивлением.
***Номинальное напряжение – условное обозначение, показывающее каким номинальным напряжением должна обладать аккумуляторная батарея (или банк аккумуляторных батарей), при подключении к солнечному модулю. Подключение осуществляется через электронный контроллер заряда, способный работать на данном номинальном напряжении и передавать максимальную мощность, вырабатываемую солнечным модулем.
Внимание, важно!
На обратной стороне модуля указывается реальная измеренная величина мощности. В связи с этим итоговая стоимость модуля может незначительно измениться пропорционально отклонению от стандартной мощности, указанной в наименовании модели.
Для сравнения в табл. 1.4 представлены некоторые технические и электрические характеристики модуля ФСМ-300.
Таблица 1.4. Электрические и технические характеристики солнечного модуля ФСМ-300
Учитывая относительно небольшую выходную мощность, источник на основе лишь одного элемента-модуля нельзя назвать удовлетворительным для дома. Поэтому, потребители, обладающие серьезным финансовым ресурсом, соединяют модули в солнечные батареи, дополняют их устройствами контроля заряда аккумуляторов, мощными преобразователями энергии и в таком виде система может уже обеспечивать бесперебойное энергоснабжение, к примеру, коттеджа, хотя окончательная стоимость соизмерима с несколькими сотнями тысяч рублей.
1.4.3. Солнечные батареи разных производителей
В табл. 1.5 и 1.6 представлены электрические характеристики солнечных модулей и батарей.
Таблица 1.5. Электрические характеристики солнечных модулей отечественного производства
Примечание к табл. 1.5.
Измерения проводились при стандартных температурных условиях +25 °C.
Табл. 1.6. Электрические характеристики солнечных батарей
Примечание к табл. 1.6.
*Односторонний кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке с клеммной коробкой на обратной стороне корпуса. Применено специальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы, что позволило получить примерно на 15 % больше мощности с единицы площади модуля.
Ток при напряжении максимальной мощности: 7,7 А; вес 22 кг.
На рис. 1.11 представлена солнечная батарея TSM-30 12.
Рис. 1.11. Солнечная батарея TSM-30-12
Ее пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В (на одном элементе).
Элемент размером 100×100 мм может генерировать 1…1,6 Вт. Средний срок службы 20 лет. Рабочая температура TSM-30 12 в диапазоне -40 до +80 °C
На рис. 1.12 представлена гибкая солнечная батарея TSM-15F-12.
Рис. 1.12. Гибкая солнечная батарея TSM-15F-12
Характеристики солнечного модуля ТСМ-15F-12
Кремниевый монокристаллический модуль на гибкой основе мощностью 15 Вт ±5 % с номинальным напряжением 12 В, полезным током 0,9 А, весом 330 г.
Сверхтонкий, погодостойкий, сверхоблегченный.
Аналогичные гибкие солнечные панели типов FPS-33W и FPS-54W компании AcmePower из аморфного кремния можно поместить практически в любой туристический багаж – от рюкзака до автомобильного багажника.
Миниатюрные батареи солнечных элементов (панели) применяются в широком спектре электронных устройств, в том числе и для зарядки определенных моделей сотовых телефонов.
Солнечные батареи фирмы Sharp
Солнечные батареи из монокристаллического кремния фирмы Sharp, произведенные из монокристаллического кремния, состоят из 72 ячеек (серия NT) или 48 ячеек (серия NU). Диапазон рабочих температур -40 °C… +90 °C.
В табл. 1.7 представлены некоторые характеристики популярных мощных солнечных батарей серий NT и NU.
Таблица 1.7. Некоторые характеристики популярных мощных солнечных батарей серий NT и NU
Основные характеристики солнечных панелей Sharp представлены в табл. 1.8.
Таблица 1.8.
Основные характеристики солнечных панелей Sharp
Примечание к табл. 1.7.
* модули, произведенные в Европе и Японии, идентичны по конструкции
** при освещении 800 Вт/м², окружающей температуре 20 °C и силе ветра 1 м/сек
Область применения
Область возможного применения рассмотренных солнечных модулей – регионы с недостаточным энергоснабжением, например районы добычи и транспортировки углеводородных энергоресурсов, необслуживаемые железнодорожные переезды. Расширенный диапазон рабочих температур (от –40…до +90 °C) позволяет использовать модули в качестве питающих станций для базовых вышек GSM (иного оборудования, к примеру, станций видео фиксации скорости и дорожной обстановки ГИБДД) в отдаленных (с низкой плотностью населения) районах.
Солнечные батареи применяются и для решения бытовых задач, в частности, для организации энергоснабжения частного жилья в регионах с большим количеством солнечных дней в году.
1.4.4. Общие перспективы практического применения или Некоторые интересные особенности солнечных батарей
КПД обычного солнечного элемента на основе кремния колеблется в пределах 10…18 %. Существуют арсенид-галлиевые солнечные элементы, КПД которых в 2 раза выше; из-за очень высокой стоимости они применяются ограниченно, в основном в военной и космической сфере.
При нагревании солнечного элемента (модуля) излучением солнца происходит снижение его рабочего напряжения. Температурный коэффициент для кремния составляет около 0,4 % на 1º С (0,002 В/ºС на один элемент); таким образом, один элемент может нагреваться до температуры +60…70º С.
Для зарядки 12-ти вольтовой аккумуляторной батареи необходимо 36 элементов, что позволит иметь запас по напряжению в сравнении с напряжением полного заряда батареи, и компенсации потерь в контроллере заряда АКБ. При наличии воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом потери на отражение и поглощение излучения солнца достигают 20–30 % по сравнению с 12 % без воздушной прослойки.
Учитывая вышесказанное фотогальванические солнечные батареи рекомендуется использовать на их максимальной мощности, только тогда они дают максимальное напряжение и ток.
Такой модуль не боится ни влаги (полностью герметичная клеммная коробка), и мелких царапин, поскольку выполнен на гибкой основе (пластик).
Может применяться для питания любой портативной техники, включая фотоаппараты и видеокамеры с соответствующим напряжением. Несколько аналогичных модулей можно соединять как последовательно (для увеличения напряжения), так и параллельно.
В качестве примера рассмотрим панель для зарядки портативных устройств PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы Sundance Solar (см. рис. 1.13).
Рис. 1.13. Вид солнечной панели PowerFilm WeatherPro Solar panel фирмы «Sundance Solar»
Технические характеристики солнечной батареи
Коэффициент превращения солнца 15–17%
Сила тока солнечной батареи (для зарядки аккумулятора устройства) при Uвых=5,5 В, 80 мА
Емкость встроенного Li-ion АКБ 1350 мА/ч
Выходной ток до 1 А
Время заряда от естественного солнечного света 12–15 ч
Подходит для всех типов сотовых телефонов
Имеет разъем для подключения miniUSB
Производство КНР
За источниками альтернативной энергии, безусловно, будущее. Год от года солнечные элементы будут «дешеветь», а их полезная мощность, на радость потребителю, повышаться. Сегодня солнечные батареи (в быту) массово применяются в качестве зарядных устройств небольшой мощности – для сотовых телефонов и другой бытовой техники.
Главным же минусом применения солнечной батареи обычно называют зависимость от ее питания – Солнца; именно поэтому (см. рис. 1.9…1.10) в системе альтернативного источника питания предусмотрена мощная АКБ, которая «отдает» ток в нагрузку в то время, когда солнечная энергия ослабевает, к примеру, ночью.
Немаловажным фактором является и то, что максимальная польза или коэффициент полезного действия (КПД) солнечной батарей имеет место быть тогда, когда солнечные лучи падают на поверхность фотоэлектрических элементов (ФЭЭ) под углом 90º, то есть перпендикулярно. В иных случаях (земля, как известно, постоянно вращается вокруг солнца) при изменении угла падения солнечных лучей и их отражения, эффективность батареи несколько снижается даже в самую солнечную погоду.
В ясную погоду на 1 м² земной поверхности в среднем падает 1000 Вт световой энергии солнца. В зависимости от местности участка земли солнечная энергия поступает неравномерно из-за облачности в пасмурную погоду, есть места, где солнце светит 320…350 дней в году, а есть такие места, где наблюдение солнце вообще считают за праздник.
Исходя из этого, необходимо рассчитать эффективность применения системы обеспечения питания в каждом конкретном случае.
В помощь этому в табл. 1.9 приведены сведения о поступлении солнечной радиации для некоторых городов России. Таблица построена по данным спутников NАSА (актуальность 2015 год).
Таблица 1.9. Примерная таблица солнечной активности (солнечной радиации), для некоторых городов
* К – коэффициент суммарной солнечной радиации по отношению к г. Москва.
На широте Москвы в течение ясного солнечного дня поступает около 3 кВт/час солнечной энергии на 1 м².
В табл. 1.10 представлены сведения о суммарной солнечной радиации применительно к широтам (по ней можно приблизительно высчитать солнечную энергию в других городах).
Таблица 1.10. Суммарная солнечная радиация на разных широтах
Учитывая эти факторы необычным (нетрадиционным) вариантом применения солнечной батареи может быть даже принудительный подогрев почвы или воды на приусадебном участке (при обеспечении ряда условий по монтажу и мощности нагревательных устройств)
1.4.5. Рекомендации по сборке и эксплуатации элементов и модулей солнечных батарей
• При покупке элементы проверяются на целостность (визуально трещины на элементах видны далеко не всегда). Исправный элемент должен обеспечивать в яркий, солнечный день, заявленный в паспортных данных ток короткого замыкания. Не бойтесь кратковременно замыкать элементы для проверки его целостности; с ним ничего не случится;
• Если в батарее, составленной из нескольких солнечных элементов, окажется всего один испорченный элемент, характеристика всей батареи ухудшается. Максимальный ток, который может дать батарея, состоящая из множества элементов подключенных последовательно, равен максимальному току наихудшего элемента в ее цепи;
• Оптимальным является использование разъемов в виде гнезд для вывода питания батареи;
• Герметизация батареи не только защищает ее от влаги, но и от засорения элементов пылью. Сильное засорение элементов может значительно снизить КПД всей батареи.
Внимание, важно!
Солнечные элементы весьма хрупки! При самостоятельном изготовлении и монтаже батарей следует соблюдать особую осторожность. В промышленных условиях пайка элементов производится раскаленной струей инертного газа, монтаж элементов дома производится посредством низковольтного паяльника с тонким жалом, мощностью не более 25 Вт.
Выводы
Интересно, что в течение первого года эксплуатации солнечные батареи теряют до 1,5 % своей первоначальной мощности из-за старения кремния. Если при изготовлении солнечной батареи был допущен брак, то он может «внезапно» обнаружиться даже через несколько лет после ее первоначальной проверки. Именно поэтому не стоит покупать «дешевые» солнечные батареи, потому, что они в результате могут оказаться очень дорогостоящими (скупой платит дважды и трижды), а также нет смысла покупать впрок (и хранить в консервации до поры до времени).
Тем не менее, мнений и соображений противников и сторонников солнечных батарей очень много, и, пожалуй, единственное, в чем все противоборствующие стороны солидарны, так это в том, что использование солнечной энергии для альтернативных источников питания устройств весьма оправдано и очень перспективно.
Большинство солнечных элементов в солнечных модулях сделаны из дорогостоящего кремния. Как следствие сегодня еще довольно высока стоимость производства электроэнергии, получаемых с помощью солнечных батарей. Однако, предполагается, что уже через 5…6 лет – энергоресурсы, добытые с помощью солнца, будут продаваться по цене на 50 % ниже добываемой при помощи угля, природного газа и даже ядерного топлива электроэнергии. Соответственно рынок производства, услуг монтажа и обслуживания (ремонта) и эксплуатации солнечных батарей имеет очень большие перспективы.
1.4.6. Виды солнечных элементов и их применение для автономного энергоснабжения в быту
Электронных устройств на основе фотоэлементов очень много. Причем миниатюрные фотоэлементы, такие, как будут рассмотрены далее, имеют относительно малую мощность и, соответственно, малую стоимость.
Однако, для составления солнечной батареи, посредством которой можно будет без проблем зарядить сотовый телефон, прослушать новости по радиоприемнику, побриться портативной бритвой (и сделать другие полезные дела) уместно применять недорогие фотоэлементы и даже составлять из них солнечные батареи небольшой мощности. Как один из примеров рассмотрим устройство фонарика с «солнечным» элементом.
«Камень» для дачи с элементом солнечной батареи
На рис. 1.14 представлен внешний вид светильника в виде камня.
Рис. 1.14. Внешний вид светильника с элементом EL44
На рис. 1.15 представлен вид внутри с печатной платой устройства контроля зарядки.
Рис. 1.15. Вид на печатную плату (с залитой микросхемой) устройства контроля зарядки и бокс для пальчикового аккумулятора типоразмера АА
Такой «экзотический» фонарь хорошо использовать на практике для подсветки в ночное время пальмы, стоящей рядом с окном. Получается красиво.
Простой метод усовершенствования устройств с солнечными элементами
На рис. 1.16 представлен внешний вид декоративного светильника с четырьмя последовательно включенными элементами RS5415.5, пальчиковым аккумулятором 1400 мА/ч и устройством контроля зарядки.
Рис. 1.16. Декоративный светильник с 4-мя последовательно включенными элементами RS5415.5
В быту встречаются и другие конструкции, отличающиеся по внешнему виду (к примеру, предназначенные для «втыкания» (вертикального крепления) непосредственно в землю на дачном участке). Предназначение у разного вида светильников может быть различным, емкость аккумуляторов и их тип (а также мощность солнечной батареи) отличается в зависимости от конструкции, но принцип действия у всех один.
При ясной погоде с большой солнечной активностью (днем) устройство, с помощью фотоэлементов солнечной батареи преобразует солнечную энергию в электрический ток, который заряжает маломощные аккумуляторы. При наступлении темноты естественная солнечная активность снижается, зарядка аккумуляторов прекращается.
Внутренняя схема «чувствует» наступление сумерек, и разрешает мерцание светового элемента, которым является светодиод оранжевого свечения. Конструктивно светодиод выполнен в трубке из матовой пластмассы так, что кажется, как будто внутри корпуса фонаря мерцает свеча.
На рис. 1.17 представлена конструкция матовой трубки в корпусе фонаря, в которой «спрятан» светодиод оранжевого свечения.
Рис. 1.17. Конструкция матовой трубки со светодиодом оранжевого свечения
Благодаря конструктивным особенностям корпуса, удачным эстетическим решениям, а также электронной схеме устройства, управляющей светодиодом хаотичными пачками импульсов, удалось получить эффект мерцания свечи.
Прогресс в области новых световых элементов необратим. В 2000-х годах ХХ века в продаже имелись специальные лампы (рассчитанные под патрон Е27 и напряжение осветительной сети 220 В), которые производили аналогичный эффект мерцающей свечи благодаря инертному (неоновому) газу в колбе лампы.
Сегодня такой же эффект без затруднений можно получить от светодиода.
Стоимость подобных фонарей – светильников невелика и колеблется от 100 до 500 рублей. В России и ближнем зарубежье подобные светильники продаются в отделах электротоваров, сувениров и гипермаркетах.
Рассмотрим электрическую схему устройства и ее основные элементы (на рис. 1.18).
Рис. 1.18. Электрическая схема фонаря с мерцающим светом и автоматической подзарядкой от солнечных батарей
Микросхема DA1 является конструктивно «залитой» и на печатной плате представляет собой каплю твердой композиции с тремя выводами. Функция этой микросхемы– выработка импульсов с хаотичной частотой следования и скважностью.
Как только на нее поступает питания с помощью замыкания электрической цепи включателем SB1, на выводе 3 DA1 «OUT» присутствуют хаотичные импульсы положительной полярностью амплитудой 1,5–1,6 В (при нормально заряженных аккумуляторах).
Ограничительный резистор R3 ограничивает ток через светодиод HL1, чем осуществляет энергосберегающую функцию устройства в вечернее время.
Импульсы хаотичного порядка с выхода микросхемы поступают в базу транзистора VT3, на котором реализован усилитель тока.
В свою очередь, на транзисторах VT1, VT2 собран фоточувствительный узел (фотореле), управляющее работой усилителя тока VT2 и светодиода HL1.
При ясной погоде или заметной солнечной активности пасмурный день (короче, говоря, в дневное время) солнечная батарея на элементах FB1—FB4 является генератором постоянного тока.
Максимальное суммарное напряжение на ее элементах (замеренное у катода диода VD1 и общего провода) не менее 3,4 В. Это напряжение поступает в базу транзистора VT1 (включенного вместе с VT2 по схеме Дарлингтона– с максимальным коэффициентом умножения напряжения) через делитель напряжения на резисторах R1, R4. То есть, пока светло, напряжение на солнечной батарее достаточно для открывания транзистора VT1, и, соответственно, запирания VT2. Через транзистор VT3 ток не течет, светодиод не мерцает.
Аккумуляторы GB1, GB2 соединенные последовательно, когда SB1 замкнут, заряжаются небольшим током через диод VD1, вторая функция которого – не допустить разряд аккумуляторов в темное время суток через элементы солнечной батареи.
В вечернее (темное) время суток, когда естественного освещения недостаточно для зарядки аккумуляторов, фотореле на транзисторах VT1, VT2 разрешает ток через транзистор VT3 светодиод HL1 мерцает, напоминая горение свечи. В этом случае через светодиод течет ток порядка 8 мА.
При погашенном светодиоде устройство практически не потребляет ток. Соответственно, хорошо заряженных аккумуляторов при условии свечения светодиода только в вечернее время и ночью (то есть ½ суток) было бы достаточно на трое суток (примерно, 88 час).
Однако, в дневное время аккумуляторы заряжаются, поэтому на практике время работы нового фонаря увеличивается намного и зависит (в основном) от солнечной активности в дневное время, то есть тока заряда аккумуляторов.
Как правило, фонарь устанавливают в комнате на окне, с тем, чтобы он лучше заряжался днем. На практике, устанавливать фонарь в глубину комнаты, а тем более в темные интерьеры нельзя, так как не удастся получить желаемый уровень зарядки аккумуляторов и заявленные в руководстве (инструкции по эксплуатации) возможности «бесконечной работы, так как ресурс светодиода составляет не менее 100000 часов» не соответствуют действительности. Конечно, не из-за светодиода, а просто устройство требует постоянной солнечной энергии для подзарядки, которую в темном углу или помещении будет неоткуда взять, да и аккумуляторы имеют не бесконечный цикл заряд– разряд.
Устройство комплектуется Ni-Сd аккумуляторами типа АА с номинальным напряжением 1,2 В и емкостью 700 мА/ч. На рис. 10 представлен вид на монтаж с внутренней стороны корпуса оригинального светильника.
Рис. 1.19. Вид на монтаж с внутренней стороны корпуса оригинального светильника
Рекомендации по улучшению работы устройства
Для улучшения работы устройства, включающего длительную бесперебойную работу в течении нескольких месяцев подряд (а не нескольких суток, как до доработки) необходимо сделать ряд простых изменений в схеме.
• Параллельно диоду VD1 установить еще два аналогичных диода увеличения тока заряда аккумуляторов. Главное, чтобы все диоды были аналогичными по марке и электрическим характеристикам.
• Аккумуляторы заменить на Ni-Mh (это продлит срок их полезной эксплуатации) в таком же корпусе АА, но с емкостью от 1400 мА/ч.
• Резистор R4 из схемы удалить. При этом фотореле будет срабатывать раньше, уже при минимальной освещенности и включать светодиод позже (в сумерки), что способствует более длительному заряду аккумуляторов, тем более с большей емкостью, чем штатные.
• Днем эксплуатировать (как уже было отмечено выше) фонарь лучше в максимально освещенных местах (к примеру, на окне), а к ночи, в преддверии романтического ужина можно переносить его уже вглубь комнаты, что придаст атмосфере человеческого общения романтичность и оригинальность.
Спектр применения устройства
Спектр применения в быту и на природе солнечных элементов и миниатюрных солнечных батарей на их основе весьма разнообразен.
К примеру, две-три пластины солнечных батарей, встроенные в плечевой ремень цифрового фотоаппарата или камеры, не позволят полностью зарядить АКБ устройства, но их вполне хватит на то, чтобы «подпитать» тот же аккумулятор и не позволить путешественнику остаться без возможности фотографировать на природе, вдали от цивилизации, где подзарядить миниатюрный АКБ попросту нечем, кроме естественных солнечных лучей.
Для этого ремень крепится к камере обычным способом. От него отводится небольшой провод, который подсоединяется к фотоаппарату через разъем для внешнего питания DC-out.
Такой ремень можно использовать для подзарядки аккумулятора в течение 6-10 часов при условии солнечной активности.
Аналогичным методом, имея с собой отдельные элементы или солнечную батарею в сборе, можно обеспечить работоспособность сотового телефона в условиях невозможности его зарядки традиционным способом – с помощью осветительной сети 220 В или автомобильной АКБ.
Солнечная батарея состоит из отдельных элементов, соединенных последовательно-параллельно.
Элемент RS5415.5 имеет напряжение 1,2 В, ток 22 мА. Такие элементы применяются в портативных устройствах радиоэлектронной техники, для миниатюрных светильников (на светодиодах) и зарядных устройств сотовых телефонов.
Правила эксплуатации несложны.
Проследите, чтобы в течение светового дня лицевая поверхность солнечного модуля не затенялась листвой деревьев или рядом стоящими объектами.
Модуль должен быть полностью освещен. Затенение хотя бы одного или двух элементов солнечного модуля в течение светового дня существенно снизит эффективность выработки энергии.
Кратковременное затенение не влияет на работоспособность солнечного модуля и не может привести к выходу его из строя, однако пропорционально увеличивает время зарядки. Время полной зарядки аккумуляторов при солнечном свете в средних широтах существенно зависит от времени года и емкости аккумулятора.
Необходимо содержать лицевую панель солнечного модуля в чистоте. Рекомендуется протирать лицевую сторону панели увлажненной тканью раз в месяц.
Хотя модуль выполнен в герметичном исполнении, необходимо предохранять его от механических повреждений (царапанья лицевой поверхности стекла острыми и абразивными предметами), а также от попадания влаги в соединительную коробку. Не допускайте разогрев выше +85 °C, и контакта модуля с парами вредных химических веществ (кислоты, щелочи, органические растворители).
Для обеспечения максимальной выработки электроэнергии и гарантированной работы солнечного модуля, старайтесь его ориентировать лицевой поверхностью на юг, с учётом расчётного угла к горизонту (угол зависит от широты местности), используя специальное крепление солнечного модуля.
В этом случае, в среднем за одни только сутки, модуль будет вырабатывать наибольшее количество электроэнергии.