Как работает светильник на солнечной батарее

Существование современной цивилизации невозможно представить без электричества. Оно используется во всех сферах человеческой деятельности. Конечно, были времена, когда электричество еще не было изобретено, но насколько были ограничены возможности человека той эпохи. Сегодня прекращение энергообеспечения даже на минимальное время приводит к полному параличу жизнедеятельности человека. А что говорить об удаленных регионах, куда еще не дотянулись линии электропередач? Это оправдывает многочисленные и давние попытки ученых использовать бесплатную энергию солнца для получения электричества. От случайного обнаружения французским физиком А. Беккерелем в 1839 году явления фотогальванического эффекта и изобретения в 1873 году первой фотоэлектрической ячейки до начала коммерческого производства солнечных батарей во второй половине двадцатого века было десятки открытий. Зато сегодня устройства, преобразующие солнечный свет в электричество, все настойчивее входят в наш быт и служат прекрасной альтернативой централизованному энергоснабжению.

Существуют целые города, которые полностью обеспечивают свою потребность в электричестве, преобразуя солнечную энергию. В России осветительные приборы на солнечных батареях часто используются в загородных и частных домах. Такой тип светильников применяется также на автомагистралях, городских улицах и других труднодоступных для подводки электричества местах.

Как работает светильник на солнечной батарее

Основой светильника, обеспечивающей его функциональность, является солнечная батарея. На сегодняшний день это его самая дорогая составная часть. Солнечная панель представляет собой набор фотогальванических ячеек, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток с использованием фотоэлектрического эффекта.

Конструкция выполнена из двух слоев кремниевых полупроводников с разной проводимостью. При нагревании солнечным светом верхнего «солнечного» слоя, выступающего в качестве катода, электроны из атомов кремния «выбиваются» фотонами света. После чего они перетекают к атомам нижней пластины, которая служит анодом. С нижней пластины электроны двигаются по соединительным проводникам через аккумулятор, заряжая его, и возвращаются в верхнюю пластину.

В зависимости от строения кремниевых кристаллов различают три типа фотоэлементов для солнечных панелей:

поликристаллические;
монокристаллические;
аморфные.

Производство поликристаллических панелей наименее затратное, но такие фотоэлементы имеют низкий коэффициент полезного действия при преобразовании энергии света в электричество. Монокристаллические фотоэлементы отличаются максимальным КПД в 25%. В этом случае кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам перемещаться с большей скоростью. Стоимость таких батарей, соответственно, выше, но зато для выработки одинакового количества электроэнергии используется меньшая площадь фотоэлементов, чем в случае применения поликристаллических моделей. Для производства аморфных панелей требуется в несколько раз меньше кремния, чем для производства кристаллических аналогов. При этом они способны вырабатывать электроэнергию при недостаточной освещенности, поэтому считаются более эффективными в регионах с небольшим количеством солнечных дней.

Следующий важный элемент в составе солнечной батарее – аккумулятор. Он предназначен для накопления энергии, которую производит панель. Обычно используются никель-металлогидридные или никель-кадмиевые модели, которые выдерживают большое количество циклов заряда-разряда.

Для исключения перезаряда аккумулятор в состав светильника входит контроллер заряда. В зависимости от уровня заряда он производит подключение или отключение солнечной панели. Контроллер может выполнять функцию автоматического включения света с наступлением сумерек. На некоторых моделях эта опция дублируется механическим выключателем. Более сложные типы устройства способны контролировать максимальный уровень мощности.

В перечень элементов солнечной панели может входить инвертор — преобразователь постоянного тока в переменный. Обеспечить защиту системы от возможных скачков напряжения призван стабилизатор.

Источники света в светильниках на солнечных батареях чаще всего изготавливаются с использованием светодиодов. Они потребляют небольшое количество энергии, не нагреваются и имеют длительный гарантийный срок эксплуатации.

Все перечисленные компоненты размещаются в корпусе, устойчивом к воздействию прямых солнечных лучей, атмосферным осадкам и пыли. Иногда конструктивно солнечная батарея размещается отдельно от самого светильника.

Основные характеристики садовых солнечных фонарей

Солнечные светильники можно объединить в три группы по следующим характеристикам:

Особенности дизайна и конструкции. Они в свою очередь разделяются на:
встраиваемые в ступени лестницы;
используемые для подсветки водоемов. Такие светильники погружаются в воду;
используемые в декоративном оформлении цветников и клумб. Днем светильники сливаются с растениями, а с наступлением темноты акцентируют внимание на цветочных композициях;
используемые для подсветки отдельно стоящих деревьев. Ствол дерева, охваченный в сумраке направленным лучом света, будет выглядеть очень эффектно и необычно.
Качественные характеристики. Фотоэлемент, используемый в солнечных светильниках, изготавливается из кремния, а точнее из его модификаций. Традиционно используется поликристаллический кремний. Он по качеству значительно уступает монокристаллическому кремнию, т. к. эта модификация химического элемента при первом контакте с воздушной средой покрывается оксидной пленкой. Она защищает фотоэлемент от воздействия окружающей среды.
Поверхность стекла:
структурированное стекла собирает диффузно рассеянное излучение;
закаленное стекло обладает наилучшими качествами.

Достоинства и недостатки светильников на солнечных батареях

Для того чтобы знать, как правильно выбрать светильник на солнечной батарее нужно грамотно оценить их достоинства и недостатки.

Это оборудование имеет следующие преимущества перед обычными светильниками.

Автономность. Нет необходимости прокладывать провода от центральной электросети до светильника. Светильники на солнечных батареях не требуют регулярной замены батареек.
Компактность. Бытовые модели таких осветительных приборов обладают незначительным весом, малыми размерами и универсальным креплением, что позволяет перемещать их без специальной техники.
Экономичность. Нет необходимости платить за электричество. Светодиодные лампы, используемые в современных светильниках, имеют весьма длительный срок эксплуатации.
Простота и легкость монтажа. При установке светильников не требуются специальные профессиональные навыки и особые инструменты.
Электро- и пожаробезопасность. Оборудование не подключается к электросети. В процессе эксплуатации исключается вероятность контакта с электрической начинкой прибора, а лампы не нагреваются.

Важно учитывать не только плюсы, но и минусы этого типа осветительных элементов.

Зависимость функционирования от климатических факторов. Чем больше географическая широта, тем короче световой день. Количество солнечных дней в большинстве регионов нашей страны тоже невелико. Солнечные батареи могут не добирать энергии для полной зарядки аккумулятора и эффективной работы фонарей в ночное время. Использовать такие светильники в средней полосе России целесообразно только в летнее время.
Нестабильный уровень освещения. Во время работы яркость ламп постепенно снижается по мере разряда аккумулятора. Особенно это заметно во время длинных ночей.
Вероятность сбоев в работе светильника в экстремальных погодных условиях. При чрезмерных морозах могут возникать проблемы с функционированием аккумуляторных батарей, а в сильную жару не исключен перегрев и выход из строя полупроводников.
Повышенные требования к обслуживанию. Солнечные панели в процессе эксплуатации могут засоряться, что приведет к снижению производительности светильников. В случае выхода из строя аккумулятора или светодиодной лампы ремонт не целесообразен. Изделие придется утилизировать и заменять.

Устройство и принцип работы

Яркость прибора зависит от количества светодиодных ламп, а продолжительность работы — от емкости аккумулятора. Чтобы работа уличных светильников не разочаровала, все это необходимо учитывать при покупке.

Автономные фонари имеют простое устройство:

Солнечная батарея. Преобразует энергию солнца в электрический ток.
Светодиодная лампа. Бывает холодного или желтого (теплого) свечения. Бывают динамические модели с постепенным переходом от одного цвета до другого.
Аккумулятор. Днем накапливает напряжение, а ночью отдает.
Контроллер. Служит для преобразования напряжения.
Фотоэлемент. Необходим для автоматического включения или выключения света.
Корпус и детали крепежа.

Дополнительно светильники могут быть укомплектованы датчиками движения и регулировки уровня освещенности. Некоторые модели имеют звуковые эффекты.

Приборы работают по такому принципу: батарея преобразует энергию, исходящую от солнца, в электрический ток, который, в свою очередь, заряжает аккумулятор. После наступления темноты в фонаре срабатывает фотоэлемент, и прибор начинает работать в режиме рассеянного свечения.

Садовые фонари имеют не очень большую емкость аккумулятора, при условии полной зарядки они проработают не более 8−9 часов. Летом этого достаточно для освещения территории в ночное время. В осенний период световой день сокращается, фонари могут разрядиться до рассвета.

Нецелесообразно устанавливать солнечные фонари в тенистых участках сада, здесь они попросту не смогут зарядиться.

Как правильно выбрать светильник на солнечной батарее

При устройстве освещения прежде всего нужно проанализировать технические характеристики понравившейся модели, чтобы понять какую площадь и насколько ярко может осветить прибор. Это напрямую влияет на требуемое количество светильников и на расстояние между ними. Не все могут сходу разобраться в номинальной мощности светодиодных ламп, вот почему обычно в паспорте светильника указывается соответствующее число для аналогичной лампы накаливания.

Покупатели, хорошо учившие физику в школе, могут попробовать по справочникам перевести ватты мощности в люксы, люмены на метр или фоты. Для маркировки дорожек или садовых объектов, а также в качестве декора используются приборы небольшой мощности, обеспечивающие освещенность до 100 Лм. Для полноценного освещения участка территории подбираются светильники с более мощными лампами, гарантирующими значение от 700 Лм и выше.

Для длительной и надежной эксплуатации светильники на солнечных батареях должны иметь корпус и плафон, защищенные от пыли и влаги. О степени защиты от влияния внешних факторов говорит индекс IP, указанный в паспорте прибора. Для уличных фонарей значение индекса должно быть не ниже IP44.

Также следует уделить внимание материалу, из которого изготовлен прибор. Чаще всего это ударопрочный пластик, алюминий, бронза или нержавеющая сталь. Такие светильники не покрываются ржавчиной и сохраняют внешний вид длительное время. При выборе прибора по материалу корпуса принято ориентироваться на концепцию ландшафтного дизайна и условия эксплуатации светильника. Светильник может иметь и деревянный корпус, но тогда его придется периодически обрабатывать защитными средствами.

При покупке светильника на солнечной батарее надо обратить внимание на параметры аккумулятора, которым укомплектован прибор. Чем больше ёмкость, тем дольше будет работать светильник ночью и дольше заряжаться в светлое время суток.

В качестве дополнительных опций светильники могут иметь в своем составе датчики, отслеживающие уровень освещённости и датчики объема, реагирующие на движение. Эти элементы обеспечивают рациональный расход заряда аккумуляторной батареи, автоматически включая освещение с приходом темноты и отключая утром. Также прибор будет включаться, реагируя на приближение движущегося объекта и отключаться через некоторое время.

Учитывая различные принципы установки, светильники можно классифицировать по следующим группам.

Грунтовые. Такие светильники имеют небольшую высоту и монтируются на стойке с заострённым концом, которая просто втыкается в грунт. Они идеально подходят для маркирования дорожек или подсветки цветников и без особых усилий могут переноситься в другое место.
Светильники-столбы. Модели с высотой стойки выше 1,5 метров. Из-за своей массивности требуют некоторых земляных работ при установке. Есть светильники для установки на дорожную плитку, асфальт или другое твердое покрытие. Стойка в этом случае имеет фланец на нижнем конце.
Светильники для вертикальных поверхностей. Монтируются на стену или забор. Ассортимент моделей поражает разнообразием стилей — от классического газового городского фонаря до моделей в стиле хай-тек.
Подвесные светильники. Сюда входят модели с креплением к потолку, выносной балке и даже к деревьям. Применяются в качестве декоративной подсветки зон отдыха и беседок.
Встраиваемые светильники. Монтируются внутрь вертикальных или горизонтальных поверхностей. Идеально подходят для подсветки лестниц на уровне ступеней.
Декоративные светильники. Выглядят как сказочные фигурки для ландшафтного декора.

Степень защиты

Уличный садовый светильник будет подвергаться регулярному воздействию влаги: это и дождь, и полив, и, возможно, игры детей. Чтобы ничего не повредилось, корпус должен быть соответствующим образом защищен. Изучая характеристики изделия, обращайте внимание на буквы IP в маркировке. После них должны быть две цифры – нам необходим светильник с IP44 и выше. Для светильников, которые устанавливаются под водой или на воду, степень защиты от воды должна быть максимальной – IP67, а лучше IP68.

Правила установки

Грамотный выбор места установки светильника на солнечной батарее — это залог его длительной эксплуатации с заявленными производителем параметрами.

Главная задача заключается в обеспечении максимальной освещенности в течение светового дня. Даже незначительная тень, падающая на поверхность полупроводниковой панели, не позволяет батарее заряжаться полностью и, в конечном счете, сказывается на работе аккумулятора. Выбирайте максимально открытое место без высоких деревьев, кустарников и строений, отбрасывающих тень. В этом случае вы сможете в полной мере оценить всю прелесть светильника.

Условия эксплуатации приборов

Оборудуя территорию садового участка осветительными приборами, каждый хозяин рассчитывает, что все они прослужат долго и сохранят презентабельный вид. Для этого необходимо четко соблюдать требования по эксплуатации.

Нельзя размещать рядом с водоемами светильники, не предназначенные для установки на участке с большой влажностью. Только плавающие фонари имеют высокую герметичность, позволяющую им контактировать с водой.

Работа светильников полностью зависит от попадания солнечных лучей на поверхность батареи, поэтому приборы необходимо регулярно протирать от пыли.

По завершении сезонных работ до наступления зимних холодов, фонари убирают в помещение, извлекают аккумулятор и оставляют до весны при комнатной температуре.

Грамотно подобранные осветительные приборы украшают фасады, дорожки и водоемы и придают садовому участку особое очарование и уют.

Как включить светильник на солнечной батарее

В розничных торговых сетях светильники должны продаваться с полностью заряженной аккумуляторной батареей. При долгом хранении, даже если прибор не включался на короткое время и не стоял на демонстрационной полке, аккумулятор все равно потеряет часть заряда. Чтобы продлить ему срок эксплуатации и сохранить паспортные параметры емкости, желательно сначала выполнить цикл разрядки, а потом зарядить до максимального значения.

Солнечная энергия – это энергия будущего. Выбирая освещение с фотопанелями, вы выбирайте независимость и экологичность. Оборудуйте свет на даче или во дворе коттеджа и оцените возможности таких светильников.

Места использования

В зависимости от места размещения и выполняемых задач устройства уличного освещения подразделяются на такие категории:

парковые фонари – обеспечивают светом большие территории, имеют высокую ножку с подставкой внизу.
уличные фонари – предназначены для освещения улиц, подвешиваются или монтируются на столбы и опоры, конструктивные элементы зданий и т.д.
для подсветки беседок, террас, веранд и других полуоткрытых построек, расположенных на улице.
садовые фонарики для освещения дорожек – являются не только указателями тротуара, но и создают достаточную видимость, чтобы ориентироваться на них в темноте.
декоративные – предназначены для украшения придомовых и садовых участков.

Как установить фонарь?

Для того чтобы установить такой фонарь в саду, вам не нужно выполнять земляные работы, прокладывать траншеи, протягивать электрический кабель и тем более вызывать мастера. Фонари имеют специальные ножки (для бетона) либо приспособление в виде колышка, которое достаточно воткнуть в газон.

Единственное условие – не используйте грубую силу и молоток. Если земля на вашем участке твердая, выкопайте сперва углубление с помощью лопаты или совка, аккуратно установите в него светильник и утрамбуйте почву по бокам.

Улучшаем садовые светильники

Недорогие садовые светильники, как правило, китайского производства, имеют некоторые изъяны. Основной проблемой таких устройств становится малое время работы. Фонарь горит несколько часов, после чего аккумулятор оказывается разряжен и светильник гаснет до следующего цикла зарядки. Эту проблему легко исправить, установив на плате перед светодиодом резистор, ограничивающий питание.

Необходимо подобрать его номинал таким образом, чтобы он пропускал ток 4-5 мА, этого хватит для нормального питания светодиода, но значительно снизит скорость разряда аккумулятора. Потом разрезать острым канцелярским ножом дорожку, ведущую к контактам светодиода и припаять резистор. Для красного светодиода его номинал обычно находится в пределах 75-91 Ом, а для зеленого нужен резистор 45-62 Ом.

Штатные аккумуляторы обычно выходят из строя после года использования. Вместо вышедшего из строя никель-кадмиевого аккумулятора можно использовать николь-марганцевый, самый дешевый, так как он все равно не будет заряжаться полностью. Подробно про аккумуляторы для солнечных панелей мы написали здесь.

Добавляем цвета

Для увеличения декоративного эффекта от садовых светильников можно заменить светодиоды на цветные. Можно использовать разные сочетания, получать интересные световые комбинации и эффекты. Единственным условием будет грамотная установка цветных светодиодов, так как не все схемы допускают подобное вмешательство. Напряжение питания может не соответствовать потребностям элемента, он проработает несколько часов и погаснет навсегда. Для того, чтобы исключить такой исход событий, следует установить дополнительный резистор, понижающий напряжение на контактах цветного светодиода.

Плюсы и минусы

К достоинствам использования фонарей, оборудованных солнечными батареями, относятся:

Возможность выполнить автономную систему освещения территории.
Экологическая безопасность подобных устройств.
Снижение затрат на оплату счетов за потребленную электрическую энергию.
Простота монтажа и обслуживания устройств.
Продолжительные сроки эксплуатации.
Возможность использования при дизайнерском оформлении территории.

Недостатками считаются:

Сезонность использования.
Требования к освещенности на месте размещения.
Высокая стоимость.

Как сделать своими руками

Имея навыки обращения с электрическим устройствами и умение работать паяльником, можно изготовить фонарь, работающий на солнечной энергии, своими руками.

Для этого понадобится:

Солнечная батарея, лучше всего из поликристаллического кремния.
Аккумулятор, наиболее подойдет литий-ионный.
Светодиод или несколько светодиодов.
Электронный блок управления, отвечающий за контроль заряда аккумулятора.
Корпус светильника, или любой иной корпус, в котором будет собран фонарь.

Электронный блок управления может быть собран на основе отдельных электронных элементов (транзисторы и диоды), как показано на схеме, приведенной ниже, так и с использованием микросхем и иных устройств.

После того, как будет изготовлен электронный блок, собирается вся схема. Для удобства, можно приобрести универсальную плату типа DIY PCB размером 42х25мм, после чего все элементы помещаются в корпус и устанавливаются на место монтажа.