практические. практическиепрпп. Руководство к выполнению лабораторных работ по дисциплине Режимы использования установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики Бишкек 2015
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
МПТ Автономный генератор МПТ– электрическая машина типа МУН-2, универсального исполнения (работает на постоянном и переменном токе. Технические характеристики автономного генератора − возбуждение независимое от общей сети − номинальная мощность 100 Вт; НАГ Р = − номинальная скорость вращения ротора 2200 об/мин; − номинальный ток якоря 0,9 А; ян I = − номинальное напряжение 220 В; н U = − номинальный КПД 0,51. вэу η = Счетчик расхода воды (ВМ) Водяной расходомер – стрелочный водяной счетчик с набором шкал для отсчета расхода воды. Работа с прибором Перед пуском водяного насоса Н обязательно следует записать показания всех шкал ВМ, определить начальную отметку прибора в м, согласовать правильность записи данных шкалы ВМ сведущим занятия преподавателем. После остановки водяного насоса Н записывают показания всех шкал ВМ. Показания расхода воды определяют вычитанием предварительно записанных начальных данных из полученных после остановки насоса Н. Перед каждым пуском насоса Н повторяют все сначала. Секундомер Секундомер служит для определения производительности водяного насоса стенда в мс. Отсчет времени, фиксируемого секундомером прибора, начинают с одновременным пуском водяного насоса Низа- канчивают в момент его остановки. 47 Преобразователь частоты (ПЧ) питающей сети «Toshiba» Преобразователь частоты необходим для установления напора и расхода водного потока нагнетательного насоса Н на стенде (рис. 2.4) изменением скорости вращения рабочего колеса. При этом вентиль В должен быть максимально открытым. Устанавливается (по заданию преподавателя) три режима работы водяного насоса максимальная, средняя и минимальная скорости вращения. При отсутствии ПЧ производительность насоса возможно регулировать вентилем В. Проведение лабораторной работы Ход работы 1. Для проведения анализа определения энергетического потенциала микроГЭС подключите к силовым проводам прибор комбинированный цифровой Щ для измерения постоянного тока и цифровой мультиметр A830L для измерения постоянного напряжения. 2. Запишите начальные показания водяного счетчика расхода воды, м 3. Нарисуйте электрическую схему установки. 4. Произведите замер диаметра рабочего колеса D гидротурбины, м 5. Определите площадь отверстия сопла С 6. Соберите схему для исследования опыта холостого хода. 7. Определите диаметр d выходного сечения насадка (сопла. 8. Определите мощность водного потока при полной производительности водяного насоса Н. 9. Повторите п. 8 для трех других расходов, уменьшив производительность насоса Н. 10. Произведите необходимые расчеты. 11. Постройте графики ( ) и ( ). хх n f P n f P = = По ним получите график ( ) т n f N = для всех проведенных серий экспериментов. 12. Постройте графики ( ), ( т Q f Опыт холостого хода микроГЭС 1. Определение потерь в МПТ Запустите установку от приводного электродвигателя МПТ без воды) при питании от внешней сети в направлении вращения турбины. Меняя подводимое к двигателю напряжение, снимите зависимость мощности, подведенной к двигателю, от частоты вращения установки (потери холостого хода. Для этого необходимо фиксировать и заносить в табл. 2.1 48 значения напряжения, тока и частоты вращения. Частоту вращения необходимо изменять в пределах от 0 об/мин до 2000 об/мин. Таблица 2.1 Определение потерь холостого хода № измерения n, об/мин U 0 , В I 0 , А P хх , Вт 2. Определение мощности турбины Установите насадок сопла, запустите насос. При помощи ПЧ или вентиля В установите максимальный расход, засеките показания водомера (занесите в табл. 2.2) и время. Определите частоту вращения установки с приводом от активной турбины на холостом ходу, занесите в табл. 2.2. Постепенно увеличивая подводимое к МПТ напряжение (двигатель МПТ включается в режим противовключения от внешней сети, фиксируйте и записывайте в табл. 2.2 значения частоты вращения n, тока I и напряжения U. Получите, таким образом, не менее 5–7 точек. Последняя точка должна быть снята при полной остановке вала турбины режим короткого замыкания МПТ). По окончанию эксперимента снимите отсчет времени ∆t и водомера 2 и занесите в табл. 2.2. Опыт работы микроГЭС под нагрузкой 1. Для заполнения правой части табл. 2.2 проведите расчеты • Мощность потерь холостого хода (табл. 2.1): 0 0 хх Р U I = • Площадь сечения выходного отверстия сопла 2 / 4. S d π = • Расход воды, подаваемый на турбину ( 2 – 1) / Q W W t = ∆ • Скорость струи на выходе из насадка / . V Q S = 49 • Мощность потока 2 / 2. N Q V ρ = ⋅ ⋅ • Электрическая мощность М П Т P U I = • Максимально возможная частота вращения турбины приданной скорости струи 60 / (и Мощность, развиваемая турбиной т хх N P P = + Данное действие проще всего выполнить графически, построив графики ( ) и ( ) хх n f P n f P = = водной системе координат. • КПД турбины ( / ) 100 т Таблица 2.2 Характеристики активной турбины № Измеренные Рассчитанные Диаметр сопла Сечение сопла Сто кво ды до Сток воды после Время Частота вращения Напряжен ие Т ок Р ас ход Скорость струи на выходе Подведенная мощность потока Электрическая мощность Идеальная частота вращения турбины Мощность турбины КПДту рб ин ы n U I Ритм мм м c м ин –1 В А м 3 /с м /с В т Вт м ин –1 В т % 1 2 3 4 5 6 7 8 50 2. Подключите нагрузочный блок НБ к генератору МПТ. Включите силовую установку для создания потока воды натур- бину микро-ГЭС. Насосная установка имеет несколько положений скоростей, выбираем три скорости на всем диапазоне максимальная, средняя и минимальная скорости воды Выбор скоростей проводится по заданию преподавателя и проводятся следующие измерения − скорости воды, мс − числа оборотов ротора автономного генератора, об/мин; − напряжения вырабатываемого автономным генератором В − силы тока вырабатываемой автономным генератором А. − мощности вырабатываемой автономным генератором Р, Вт. Результаты занесите в табл. 2.3. Таблица 2.3 Характеристика генератора МПТ для максимальной скорости водного потока под нагрузкой при максимальной подаче воды от Н на сопло № измерения V 1 , мс, об/мин U 1 , В I 1 , А P 1 , Вт Повторите п. 2 для двух других расходов, уменьшив производительность водяного насоса (по заданию преподавателя. Данные опытов занесите в табл. 2.4, 2.5. 3. Дайте характеристику полученным новым режимам работы микроГЭС. 51 Таблица 2.4 Характеристика генератора МПТ для средней скорости водного потока под нагрузкой № измерения V 2 , мс, об/мин U 2 , В I 2 , А P 2 , Вт Таблица 2.5 Характеристика генератора МПТ для минимальной скорости водного потока под нагрузкой № измерения V 3 , мс, об/мин U 3 , В I 3 , А P 3 , Вт Примечание на одном графике отобразите все 3 графика Сравните и проанализируйте графики. 4. Сделайте выводы по полученным графикам, таблицами всей работе. Содержание отчета В отчете должны быть кратко отражены 1. Задачи проведения работы. 2. Схема и описание установки. 3. Методики замеров параметров. 52 4. Условия и методика проведения исследований. 5. Журнал наблюдений. 6. Обработка опытных данных. 7. Результаты обработки экспериментов. 8. Графики с характеристиками генератора микроГЭС. 9. Ответы на контрольные вопросы (для защиты. 10. Выводы по всей работе. Контрольные вопросы 1. Объясните работу энергетической установки стенда. 2. Отчего зависит производительность водяного насоса 3. Как связаны между собой производительность и напор воды при работе водяного насоса 4. Какими свойствами обладает автономный генератор 5. Способы возбуждения автономного генератора. 6. Как изменяется величина генерируемых автономным генератором величин тока, напряжения и мощности 7. Как работает счетчик расхода воды на стенде 8. Как определяется скорость истечения воды через сопло турбины 9. Характеристика гидротурбины стенда. 10. Как измеряется частота вращения турбины 11. Что называется обратимостью работы асинхронной машины Литература 1. Сибикин Ю. Д, Сибикин МЮ. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии учеб. пособие для студентов энерго- и тепло- техн. специальностей. М Кнорус, 2010. 2. Лосюк Ю. А, Кузьмич В. В. Нетрадиционные источники энергии учеб. пособие. Минск Технопринт, 2005. 3. Оборудование возобновляемой и малой энергетики справочник- каталог / Рос. инж. акад, Рос. Союз научи инж. обществ. орг-ций, Ин-т энергетич. стратегии под ред. П. П. Безруких. М Новые и возобновляемые источники энергии, 2005. 4. Пантелеев В. П, Аккозиев И. А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии методическое руководство к выполнению лабораторных работ. Бишкек КРСУ, 2009. 5. Пантелеев В. П, Аккозиев И. А. Энергообеспечение жилищного комплекса от альтернативных источников энергии справочно- методическое пособие. Бишкек КРСУ, 2009. 6. Липкин В. И. Введение в малые и микроГЭС. Бишкек Алтын Тамга, 2013. 53 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ФЭУ) Введение Лабораторная работа по исследованию работы кремниевого фотоэлемента солнечной батареи выполняется студентами энергетических специальностей вуза и предназначена для закрепления теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 1. Теоретическая часть Общие сведения о фотоэлектрических установках Современные ФЭУ и особенности их конструкции Общие сведения о солнечных батареях Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая наземной шар, примерно враз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала. Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1000 Ватт на один квадратный метр земной поверхности. Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. «Фотовольтаик» – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью, так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки. В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р – переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста в р-слое полупроводника создается дырочная (положительная) проводимость, а в слое – электронная (отрицательная. На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и дырок) из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику. Когда жена фотоэлемент падает свет (поток фотонов, фотоны, поглощаясь, создают пары электрон – дырка, которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике 54 возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС, ион становится источником электрического тока. Величина фото ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток. Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их КПД достигает 10–12 %), а чем выше КПД, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих КПД до 40 %. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики – создание более дешевых и удобных фотопреобразователей ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий–галлий–мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Общепризнано, что основным фактором развития цивилизации является использование источников энергии. В основном мы используем традиционные энергоресурсы, такие как нефть, уголь, природный газ. При этом наносится колоссальный ущерб экологии нашего общего дома под названием ЗЕМЛЯ. Сотни тысяч баррелей нефти сливаются в океан, миллионы тонн окиси углерода выбрасываются в атмосферу, четыре сотни АЭС вырабатывают десятки тонн радиоактивных отходов. Но дело не только в этом, запасы этих традиционных источников далеко не бесконечны. Поэтому их относят к невозобновляемым источникам энергии. Например, в год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется за 2 млн лет. В связи с этим последнее время большое внимание уделяется так называемым возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра, солнца, прилива и т. д. В этом ряду солнечная энергетика занимает не последнее место. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Фотоэлектрический эффект. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрические преобразователи) становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект. 55 Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (вентильный фотоэффект изменение электрической проводимости (фотопроводимость. При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р–п), между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, на котором основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей. Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний. Солнечные фотоэлектрические системы простыв обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули благодаря своим электрическим свойствам вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярные промежутки времени. Именно этот тип электричества поставляют энерго- производители, он используется для большинства современных приборов и электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный. Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения освещения и электропитания бытовых помещений и электрооборудования являются дизель- генераторы и керосиновые лампы. Фотоэлектрическую систему можно довести до любого размера. Владелец такой системы может увеличить либо уменьшить ее, если изменится его потребность в электроэнергии. По мере возрастания энергопотребления и финансовых возможностей, домовладелец может каждые 56 несколько лет добавлять модули. Фермеры могут обеспечивать скот питьевой водой при помощи передвижных насосных систем. Размещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит линии электропередачи ненужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям централизованного электроснабжения. Ненужны трансформаторные подстанции, ЛЭП и сетевое электрооборудование Физический принцип работы фотоэлемента Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнут КПД 43,5 %. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного итого же полупроводника различными примесями создание переходов) или соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны – энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов, или же за счет изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизонных структур. Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом. Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны • с отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя • с прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем • с рассеянием на тепловых колебаниях решетки избыточной энергии фотонов • с рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях ив объеме ФЭП; • с внутренним сопротивлением преобразователя • с некоторыми другими физическими процессами. 57 Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП, разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны • направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры ее оптимальным легированием и созданием встроенных электрических полей • переход от гомогенных к гетерогенными варизонным полупроводниковым структурам • оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др • применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации • разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения • создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещенной зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад и пр. Значение КПД фотоэлемента определяется потерями энергии, зависящими от применяемых материалов и конструкции фотоэлемента, а также выбором режима работы фотоэлектрической системы (ФЭС) сопротивлением нагрузки Н, освещенностью Ф (лм) и температурой. Потери энергии при преобразовании излучения в электрическую энергию, выделяющуюся на нагрузке ФЭС, могут быть подразделены на световые и энергетические потери. Световые потери – это потери на отражение светового потока Фот поверхности фотоэлемента, зависящие от длины волны падающего света. Они определяются также фотоэлектрическим неактивным поглощением света экситонным поглощением, образованием фотонов, поглощением с возбуждением внутризонных переходов, поглощением доли светового потока прошедшего на большую глубину, вдоль до нижнего металлического электрода. Энергетические потери – это потери количества возбужденных светом пар электронов и дырок или переносимой ими энергии. Эти потери обусловлены рекомбинацией носителей, не дошедших до р перехода, и зависят от конструкции ФЭС, толщины наружного слоя полупроводника и состояния его поверхности. Кроме того, если энергия 58 квантов света значительно превышает ширину запрещенной зоны ( ) , h E ν >> ∆ то избыточная часть поглощенной энергии ( ) , h E ν − ∆ растрачивается на нагревание фотоэлементов. Существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счет создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (док уже имеющемуся КПД одной стороны, применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных пленочных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д. При нахождении КПД ФЭС в видимой части спектра приближенно можно считать, что 1лм = 1 / 683 Вт. Солнечные модули могут генерировать электричество в течение 20 и более лет. Износ происходит в основном от воздействия окружающей среды. Хорошо смонтированная солнечная батарея будет надежным, тихими чистым источником энергии в течение многих лет. Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется сегодня, в том числе и с помощью фотоэлектрических преобразователей ФЭП. Материалом для них служит один из самых распространенных в земной коре элементов – кремний, а топливом – бесплатные солнечные лучи. Как стационарные источники электричества, фотоэлектрические станции привлекательны для районов, необеспеченных электричеством от централизованной энергосистемы. Установка солнечных модулей выгодна там, где расход энергии незначителен, а проводка электросетей требует немалых затрат. Конечно, скептики могут заявить, что солнечная энергия в связи с ее цикличностью (день – ночь) и, особенно, сезонностью для многих районов, достаточно экзотична. И это в известной степени верно. В этом случае на помощь приходит применение ветрофотоэнергетических систем. Максимальные значения скорости ветра наблюдаются в осенне- зимний период, когда поступление солнечной энергии уменьшается, а летом отсутствие ветра вполне компенсируется солнечной энергией. Производство солнечных элементов в мире сегодня превышает 500 Мвт ежегодно. Если в использовании солнечной энергии в промышленных масштабах еще много проблем, тов повседневный быт многих и многих миллионов людей гелиосистемы вошли прочно и навсегда рис. 3.1). 59 Рис. 3.1. Общий вид солнечных фотоэлементов и прибора мультиметра Фотоэлектрические станции (ФЭС) идеальны для путешествий, в вариантах мобильного использования, имея ФЭС, вы можете стать энергетически независимыми наслаждаться комфортом всюду, где есть солнечный свет. При этом абсолютно бесшумно и безвредно для окружающей среды, безвредных отходов или выбросов. Места отдыха, оборудованные солнечными элементами, свободны от шума и запаха дизелей, которые приходится включать, чтобы иметь электричество. Фотоэлектрические станции могут быть применены для питания релейных радиокоммуникаций. Фотоэлектрические модули могут обеспечить катодную защиту металлоконструкций, обеспечить работу знаков водной навигации, водоподъемных установок, бытовой радиоаппаратуры, а также осуществить заряд аккумуляторных батарей для каких бы тони было других целей. В качестве интересного использования можно привести пример электроизгороди, предназначенной для выпаса скота. Источником энергии для генератора импульсного напряжения в электроизгороди служит солнечный модуль мощностью 3 Вт, размером 200 х 240 мм. Его мощности хватает на обеспечение нормальной работы изгороди, покрывающей площадь 4 га, а также зарядки аккумулятора для работы изгороди в ночное время. Солнечные электростанции могут быть использованы не только для решения локальных задач, но также и глобальных проблем энергетики. В США, например, существует несколько экспериментальных ФЭС мощностью от 0,3 Мвт до 6,5 Мвт, работающих на энергосистему. Центром развития солнечной энергетики в США можно считать Сакраменто. Там фотоэлектрические панели установлены на крышах домов, зоопарка, стоянок автомобилей и даже церквей. Администрация города обещает превратить регион в Силиконовую долину гелиоиндустрии». В Европе, в частности, в Германии действует правительственная программа, предоставляющая налоговые льготы производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах домов. Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными потенциальными преимуществами − не имеют движущихся частей, что значительно снижает стоимость обслуживания − срок службы будет достигать, вероятно, 100 лет при незначительном снижении эксплуатационных характеристик (проблема не в самих преобразователях, а в герметизирующих материалах − не требуют высокой квалификации персонала − эффективно используют как прямое, таки рассеянное (диффузное) излучение − пригодны для создания установок практически любой мощности. Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых – вольтампер- ных характеристик (ВАХ) на рис. 3.2. Рис. 3.2. Вольтамперные характеристики ФЭ Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому водной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело стоком. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности. Элемент размером 100·100 мм враз превосходит элемент размером 10·10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток враз больший. Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получив нечто подобное изображенному на рис. 3.3. Рис. 3.3. График зависимости выходной мощности от напряжения ФЭ Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение. Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25 о С он теряет в напряжении 0,002 Вт. е. 0,4 % / градус. На рис. 3.4 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25 о С и 60 о С. 62 Рис. 3.4. Семейство кривых ВАХ для температур 25 о С и 60 о С В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60–70 о С теряя 0,07–0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом. КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10÷16 %. Это значит, что элемент размером 100·100 мм при стандартных условиях может генерировать 1–1,6 Вт. Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие − освещенность 1000 Вт/м 2 ; − температура 25 о С ; − спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте о. Электрические параметры солнечного элемента представляются в виде вольтамперной кривой при стандартных условиях (Standart Test Conditions), те, при солнечной радиации 1000 Вт/м 2 , температуре – 25 о С и солнечном спектре на широте о (АМ1,5) (рис. 3.5). Рис. 3.5. ВАХ и кривая мощности фотоэлемента при STC 63 Точка пересечения кривой с осью напряжений называется напряжением холостого хода – U xx , точка пересечения с осью токов – током короткого замыкания I кз Максимальная мощность модуля определяется как наибольшая мощность при STC (Standart Test Conditions). Напряжение, соответствующее максимальной мощности, называется напряжением максимальной мощности (рабочим напряжением U p ), а соответствующий ток – током максимальной мощности (рабочим током I p ). Значение рабочего напряжения для модуля, состоящего из 36 элементов, таким образом, будет около 16…17 В (0,45….0,47 В на элемент) при 25 о С. Такой запас по напряжению по сравнению с напряжением полного заряда АКБ (14,4 В) необходим для того, чтобы компенсировать потери в контроллере заряда-разряда АКБ, а в основном – снижение рабочего напряжения модуля при нагреве модуля излучением температурный коэффициент для кремния составляет около минус 0,4 % / градус (0,002 В / градус для одного элемента. Следует заметить, что напряжение холостого хода модуля мало зависит от освещенности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности. Таким образом, при нагреве в реальных условиях работы, модули разогреваются до температуры 60–70 о С, что соответствует смещению точки рабочего напряжения, к примеру, для модуля с рабочим напряжением В со значения 17 В до 13,7–14,4 В (0,38–0,4 В на элемент. Исходя из всего вышесказанного и надо подходить к расчету числа последовательно соединенных элементов модуля. Фотоэлектрические системы могут быть автономными (риса) или работающими параллельно с централизованной сетью электроснаб- жающей организации (рис. б. 64 Автономные фотоэлектрические системы (АФЭС) Риса. Конфигурация автономной фотоэлектрической системы. 1 – солнечные панели 2 – контроллер 3 – АБ; 4 – нагрузка Автономные фотоэлектрические системы используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения. Для обеспечения энергией в темное время суток или в периоды без яркого солнечного света необходима аккумуляторная батарея. АФЭС часто используются для электроснабжения отдельных домов. Малые системы позволяют питать базовую нагрузку (освещение и иногда телевизор или радио. Более мощные системы могут также питать водяной насос, радиостанцию, холодильник, электроинструмент и т. п. Система состоит из солнечной панели, контроллера, аккумуляторной батареи, кабелей, электрической нагрузки и поддерживающей структуры. Конфигурация автономной ФЭС приведена на риса. |