Panele fotowoltaiczne w robotyce

Panele fotowoltaiczne składają się z warstw półprzewodnika (zobacz rysunek 4.2), który wytwarza prąd po wystawieniu na działanie światła słonecznego. Efekt fotowoltaiczny zaobserwował po raz pierwszy Aleksander Edmund Becquerel w 1839 r. podczas eksperymentu, w którym chlorek srebra wystawiony na działanie światła woltaicznego stał się źródłem prądu elektrycznego. Od 1959 r. wszystkie satelity wynoszone w przestrzeń kosmiczną są wyposażone w panele słoneczne,
a teraz, ponad 50 lat później, możemy zastosować takie panele do zasilania robotów.

RYSUNEK 4.2. Wafle krzemowe składają się z dwóch warstw materiału będącego półprzewodnikiem

Często słyszy się różne terminy związane z energią słoneczną. Ogniwo słoneczne jest elementem wykonanym z materiału fotowoltaicznego — zwykle kryształów krzemu. Ogniwa słoneczne są często umieszczane blisko siebie na różnych konstrukcjach — takie instalacje można określić mianem modułu, a zespół modułów można określić mianem panelu.

Ogniwa słoneczne dostarczają prąd stały. Charakteryzujące je wielkości są mierzone w określonych warunkach, np. podczas słonecznego czerwcowego dnia w San Francisco. Panele charakteryzują się określoną mocą oraz wydajnością fotowoltaiczną. Jeźeli prąd stały wytworzony przez ogniwa słoneczne miałby zostać zastosowany do zasilania urządzeń AGD, to należałoby zastosować w tym celu falownik.

Istnieją dwa rodzaje ogniw słonecznych. Najpopularniejsze ogniwa są wykonane z krzemowego wafla. Ogniwa tego typu są osłonięte warstwą szkła lub plastiku. Materiały te mają chronić delikatną krzemową strukturę.

Istnieją również ogniwa słoneczne mające formę giętkiego plastiku. Określa się je mianem ogniw cienkowarstwowych (ogniw typu TFCS). Materiał fotowoltaiczny tych ogniw jest osadzony na cienkiej warstwie elastycznego materiału. Na początku stosowano je w zegarkach zasilanych energią słoneczną. Ogniwa cienkowarstwowe są droższe od opisanych wcześniej paneli i charakteryzują
się niższą wydajnością. Jednakże da się je zastosować, gdy panel musi być giętki lub lekki.

Robotyka BEAM

Panele fotowoltaiczne zaczęły być stosowane przez amatorów najpierw podczas konstrukcji robotów BEAM (akronim ten w języku angielskim oznacza biologię, elektronikę, estetykę i mechanikę). Roboty tego typu mają udawać żywe stworzenia. Pierwszym twórcą tego typu robotów był Robert Tilden, który starał się tworzyć jak najprostsze roboty — roboty bez układów scalonych i programów sterujących ich pracą. Tilden tworzył na bazie komponentów dyskretnych, takich jak kondensatory i rezystory, roboty reagujące na zmiany otaczającego ich środowiska. Silnik przykładowego robota widocznego na rysunku 4.3 jest włączany tylko, gdy robot zostanie oświetlony.

RYSUNEK 4.3. Robot zasilany światłem słonecznym porusza się tylko, gdy jest oświetlany
Zdjęcie: Adam Wolf

Głównym elementem składowym robota BEAM jest małe ogniwo fotowoltaiczne, które generuje prąd o małym natężeniu, gdy jest gromadzony np. za pomocą kondensatorów. Po zebraniu odpowiedniej ilości energii włączane są silniki lub diody LED.

Roboty BEAM mają coś wspólnego z biologią — bardzo często mają one udawać insekty lub inne organizmy żywe. Obwody sterujące robotem działają jak neurony zwierzęcia, które umożliwiają żywemu organizmowi znalezienie pożywienia.

Tilden opracował trzy podstawowe zasady robotyki BEAM:

• Staraj się, aby konstrukcja robota była jak najprostsza.
• Do budowy robota stosuj podzespoły wyjęte z niepotrzebnych urządzeń.
• Korzystaj z energii słonecznej.

Miłośnicy robotów BEAM określają swoje konstrukcje różnymi terminami naukowymi. Np. fotofoby są robotami, które uciekają od źródeł światła, a termofile są robotami, które podążają w kierunku źródeł ciepła. Roboty BEAM można również określać, w zależności od sposobu poruszania się, mianem urządzeń pełzających, skaczących lub toczących się.

Trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych przydatnych podczas amatorskiej konstrukcji robotów

Istnieje wiele rodzajów ogniw fotowoltaicznych. Opiszę tutaj jedynie trzy rodzaje tanich i łatwo dostępnych ogniw.

Giętka błona

Ogniwa tego typu (rysunek 4.4) są cienkie, giętkie i trwałe, a więc często nakładane są na krzywe powierzchnie, takie jak np. skrzydło zdalnie sterowanego samolotu. Przykładowo ogniwo SP3-37 firmy PowerFilm ma wymiary 3,8x6,4 cm i grubość kartki papieru. Generuje ono prąd o napięciu 3 V i kosztuje około 15 zł.

Firma PowerFilm produkuje ogniwa o róźnych rozmiarach, a największe z nich ma wymiary około 25x15 cm. Firma Adafruit ma w swojej ofercie giętki panel fotowoltaiczny o wymiarach 10x20 cm, który generuje prąd o napięciu 6 V (numer katalogowy komponentu: 1485).

Szkło i krzem

Krzemowe ogniwa słoneczne są często obudowywane szkłem. Nie wiem, czy zabezpiecza to ogniwo przed wpływem wody, ale z pewnością nie sprawia, że jest ono bardziej odporne na uszkodzenia. Panel widoczny na rysunku 4.5 pochodzi z latarni oświetlającej chodnik. Demontując tego typu urządzenia oświetleniowe, możesz uzyskać wiele przydatnych komponentów, takich jak akumulatory, kolorowe diody LED i ogniwa słoneczne.

RYSUNEK 4.4. Ogniwa słoneczne mające formę giętkiej błony są idealne do montażu na zaokrąglonych powierzchniach

RYSUNEK 4.5. Panel fotowoltaiczny wyjęty z ogrodowej latarni

Ogniwa zabezpieczone warstwą szkła znajdziesz również w innych urządzeniach, takich jak np. przenośny panel fotowoltaiczny SunVolt (http://www.gomadic.com/) kosztujący około 350 zł.

Plastik i krzem

Większość paneli fotowoltaicznych stosowanych przez hobbystów ma postać ogniw zabezpieczonych warstwą przeźroczystego plastiku. Na rysunku 4.6 przedstawiono panel firmy Adafruit (komponent o numerze katalogowym 417), który składa się z 12 ogniw i charakteryzuje się mocą 3,7 W (dostarcza prąd o napięciu 6 V). Kosztuje równowartość około 100 zł. Panel ten jest dość duży — ma formę kwadratu o boku długości około 18 cm, ale dzięki temu znakomicie sprawdzi się do zasilania większych projektów.

RYSUNEK 4.6. Najbardziej wytrzymałe panele fotowoltaiczne są wykonane z plastiku i krzemu

Dysponuję również innym panelem nieznanego producenta (numer katalogowy YH30-18), który ma konstrukcję podobną do panelu o numerze 2136913 w katalogu firmy Jameco. Ma on około 2,5 cm długości i znajdują się na nim styki lutownicze. W przeszłości stosowałem go wielokrotnie w roli światłomierza.
 

Fascynujący świat robotów. Przewodnik dla konstruktorów, Autor: John Baichtal. wyd. Helion