практические. практическиепрпп. Руководство к выполнению лабораторных работ по дисциплине Режимы использования установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики Бишкек 2015
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
ФЭС, работающая совместно с централизованной сетью электроснабжения Для согласования работы автономной ФЭС с централизованной сетью служит инвертор. Инвертор используется для соединения фотоэлектрических панелей с сетью. Существуют также так называемые модули, в которых инвертор встроен на задней части модуля. Солнечные панели могут быть установлены на крыше здания под оптимальным углом наклона с помощью поддерживающей структуры или алюминиевой рамы. Простые системы с модулями и заводскими поддерживающими структурами выпускаются все в более крупных масштабах. Такая конфигурация ФЭС приведена на рис. б. Факторы, влияющие на то, как много солнечной энергии будет принимать ФЭС: − когда будет использоваться ФЭС? Летом Зимой Круглый год − типичные погодные условия данной местности − будет ли ФЭС ориентироваться постоянно на Солнце − расположение и угол наклона фотоэлектрических модулей. Для определения среднемесячного прихода солнечной радиации можно воспользоваться табл. 1 прихода солнечной радиациидля г. Бишкек (СНиП. Климатология. Выработка электроэнергии солнечной фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90º. При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ. Рис. б. Конфигурация соединенной с сетью фотоэлектрической системы 1 – солнечные панели 2 – инвертор 3 – сеть 4 – нагрузка Зимой приход радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, Солнце стоит ниже на небосклоне. Если использовать ФЭС только летом – принять в расчетах летние значения, если круглый год – принять значения для зимы. Для надежного электроснабжения выбирать из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС. Выбранное среднемесячное значение для текущего месяца нужно разделить на число дней в месяце и получить дневное число пиковых солнце-часов, которое будет использоваться для расчета ФЭС. 66 2. Практическая часть Исследование режимов работы ветроэнергетической установки на лабораторном стенде Основные характеристики фотоэлементов Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся вольтамперная, световая, частотная и спектральная чувствительность, КПД. Нагрузочные вольтамперные характеристики рис. 3.1, выражают зависимость тока нагрузки нот напряжения на фотоэлементе н при включении его в различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности ( ) н н E const I f При н = точка, лежащая на оси токов, соответствует I кз , т. к. при 0, 0, , н н н к з те. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью токов дает значение I кз. . При н → ∞ точка, лежащая на оси напряжений, соответствует фото ЭДС, т. к. при , 0, , н н н х х ∞ = = те. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-ЭДС. Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление н, тов цепи установится ток н, величина которого определяется качеством фотоэлемента, интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления. Вольтамперные характеристики для нескольких значений осве- щенностей представляют собой ряд кривых, подобных кривой (рис. 3.1), смещенных друг относительно друга. Световые интегральные) характеристики выражают зависимости фото ЭДС, тока короткого замыкания I кз и тока нагрузки от освещенности или светового потока ( к з E = ( к з E = ( н Зависимость тока ( ) кз кз ф I I I = от освещенности в широких пределах освещенности линейна, а характеристики выражающие зависимость тока нагрузки от освещенности нелинейны. Нелинейность между током во внешней цепи и освещенностью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений. 67 Коэффициент полезного действия КПД – отношение мощности, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему световому потоку где U – напряжение на фотоэлементе, В н – ток нагрузки, А Е – ЭДС фотоэлемента, В. Расчет показывает, что оптимальный КПД при использовании солнечного излучения можно получить, если применять полупроводник с шириной запрещенной зоны эВ. При этом можно достичь теоретического КПД в 25 %. Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента ( ) 1,12 эВ = составляет 22–23 %. Реальные кремниевые солнечные батареи имеют КПД около 13 %. Энергия теряется на отражение от поверхности (20 %), на фото электрически неактивное поглощение, на рекомбинацию созданных светом пар носителей доит. д. Описание работы Лабораторная работа выполняется на стенде (рис. 3.7), собранным по схеме электрической принципиальной (рис. 3.8). Солнечная батарея БС-4-6 закреплена снаружи на стальной мачте и приводится во вращение по азимуту специальным электродвигателем РД-09. Управление поворотом солнечной батареи производится с помощью релейно-контакторной аппаратуры, состоящей из контакторов направления К и К. Угол наклона солнечной батареи к горизонту составляет о. В крайних положениях поворота батареи стоят ограничители конечные выключатели поворота ВК в и ВК н , ограничивающие угол поворота солнечной батареи. Угол поворота равен о. Управление поворотом батареи осуществляется тумблерами ТВ в и ТВ н , сигнализация крайних положений батареи и работы электродвигателя РД-09 осуществляется сигнальными лампами соответственно ЛК 1 , ЛК 2 и Л в , Л н Питание схемы управления производится от сети переменного тока напряжением 220 В включением тумблера ТВ1. 68 Рис. 3 .7 . Лабораторный стенд Ф Э У 69 Рис. 3 .8 . Принципиальная электрическая схема стенда Ф Э У 70 Нагрузкой для солнечной батареи могут быть потенциометры ни н или внешняя нагрузка R вн , в качестве которой могут быть аккумуляторы калькуляторов, мобильных телефонов, радиоаппаратуры, измерительных приборов и т. п. Избирательность нагрузки осуществляется с помощью тумблера ТВ2. Контроль электрических параметров при работе солнечной батареи осуществляется с помощью амперметра Аи вольтметра V. Снятие вольт-амперных характеристик солнечной батареи при различной освещенности искусственным освещением выполняется на стенде собранного по принципиальной электрической схеме (рис. 3.9). Включение люминесцентных ламп Л1–Л8 попарно осуществляется с помощью тумблеров управления освещением Т1–Т4. Таким образом, можно получить 4 ступени освещения солнечной батареи. Нагрузка и контроль параметров работы солнечной батареи осуществляется аналогично способу контроля при солнечном освещении. При искусственном освещении на стенде использованы аналогичные солнечные батареи БС-4-6 в количестве 4 штук, поскольку это освещение значительно слабее солнечного. Батарея состоит из закрепленных водном корпусе и защищенных от атмосферных воздействий модулей-фотопреобразователей в количестве штук из монокристаллического кремния. Включение схемы под напряжение осуществляется включением вилки штепсельного разъема питающего стенд шнура в розетку щитка питания лаборатории. Включением тумблера ТВ1 на лицевой панели стенда подается питание на схему управления (загорается сигнальная лампа Л. Тумблер ТВ2 при этом включается в положение «R вн ». Стенд готов к работе. 71 Рис. 3 .9 . Принципиальная электрическая схема стенда Ф Э У прииск ус ст ве нн ом освещении Описание используемых приборов Солнечные батареи Солнечная фотоэлектрическая батарея БС-4-6, работающая на принципе прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию постоянного тока. Техническая характеристика солнечной батареи СБ-4-6 приведена в табл. 3.1. Таблица 3.1 Техническая характеристика солнечной батареи СБ-4-6 Номинальное напряжение, (В) 6 Максимальная мощность, Р (Вт, не менее 4 Ток максимальной мощности, I (Ане менее 0,7 Напряжение максимальной мощности, U (Вне менее 12 Ток короткого замыкания, (Ане менее 0,75 Напряжение холостого хода, (Вне менее 12 Параметры приведены для стандартных условий испытаний Интенсивность солнечного излучения 1000 Вт/м 2 Спектральное распределение излучения при АМ=1,5 Температура солнечных элементов (С Технические характеристики Длина (мм, не более 285 Ширина (мм, не более 225 Толщина (мм, не более 10 Вес (кг, не более 0,92 Рабочие условия эксплуатации Температурный диапазон от – 50° С до + 70° С Относительная влажность до 100 % Градостойкость град 40 мм/скорость 15 мс Срок службы батареи не менее 20 лет 73 Цифровой измеритель освещенности люксметр AR823 Цифровой люксметр AR-823 (рис. 3.10) предназначен для измерения освещенности в диапазоне 1 до 200 000 люкс. Рис. 3.10. Люксметр AR-823 Технические характеристики прибора − Диапазон измерения освещенности 0…200 000 люкс. − Точность ≤ 3 %; ± 4 % ± 10 ед. в диапазоне более 10 000 люкс. − Частота опроса 1,5 раза в секунду. − Повторяемость ± 2 %. − Питание батарейка В. − Условия эксплуатации 0…+50 С ≤ 80 % RH без конденсации влаги. − Условия хранения –10…+50 С ≤ 70 % RH без конденсации влаги. Особенности прибора − Простота и точность измерений − Три поддиапазона измерения − Функция удержания показаний − Запоминание max / min значений − Функция сравнения освещенности. Работа с прибором 1) Установите батарейку 9 В в соответствующее отделение на задней стороне прибора, соблюдая полярность. 2) Снимите защитную крышку со светочувствительного сенсора и нажмите кнопку ON/OFF для начала измерений. 3) Выберите желаемые единицы измерения освещенности с помощью кнопки Lux/Fc. 4) Выберите поддиапазон измерения, нажимая кнопку Range: й 0…2 000 люкс Показаниях й 2 000…20 000 люкс Показаниях й 2 0000…200 000 люкс Показаниях Если значение освещенности окажется за пределами выбранного поддиапазона, на экране появится индикатор OL. 5) Для просмотра max/min значений последовательно нажимайте кнопку MAX/MIN, на экране сначала появится индикатор MAX HOLD и значение максимальной измеренной величины, а затем индикатор MIN HOLD и значение минимальной измеренной величины. Для возврата в обычный режим измерений нажмите кнопку MAX/MIN еще раз. При выключении прибора эти значения не сохраняются. 6) Чтобы зафиксировать измеренные данные нажмите кнопку HOLD. 7) Функция сравнения освещенности произведите измерение в нужной точке и нажмите кнопку REL, прибор запомнит это значение. В дальнейшем на основном индикаторе будет отображаться текущее значение освещенности, а на дополнительном – разница между сохраненными текущим значением. 8) Отключение прибора производится нажатием кнопки ON/OFF. 9) Если в течение 5 минут с прибором не производят никаких действий, он отключается автоматически. 10) Когда на экране появляется изображение разряженной батарейки, пожалуйста, замените ее. Цифровой мультиметр UT33D Цифровым мультиметром UT33D измеряется постоянный ток Красный щуп – гнездо «VΩmA», черный щуп – гнездо «COME», переключатель в положении А, щупы подключаются в цепь последовательно. Переключатель устанавливается в положение А (20 m, 200 m)». Цифровой мультиметр A830L Измерение постоянного напряжения Красный щуп гнездо «VΩmA», черный щуп – гнездо «COME». Переключатель устанавливается в положение V_. Центральным переключателем выбираем диапазон измерений (Вили мВ. Щупы подключаются параллельно измеряемой цепи. Магазин сопротивлений Магазином сопротивлений вводятся в цепь сопротивления с заранее известной величиной − При измерении тока в цепь подключается последовательно. − При измерении напряжения в цепь подключается параллельно. − Используются переключатели для изменения сопротивления вцепи Нагрузочный блок Нагрузочный блок выполнен панелью, на которой смонтированы несколько групп светодиодов. Пять групп с напряжением 3 В и две группы с напряжением 6 В, переключатель количества светодиодов количество указано на панели блока, тумблер выбора величины напряжения – 3 или 6 В, клеммы для подключения испытуемого источника постоянного тока, гнезда для осуществления набора различного количества светодиодов при помощи гибких перемычек со штекерами, вольтметр V контроля напряжения. При помощи переключателя и перемычек со штекерами, вставляемыми в соответствующие гнезда внизу панели, можно подключить к испытуемому источнику различное количество светодиодов − от 4 до 64 штук на напряжение 3 В поили штуки, табл. 3.2); − от до 28 штук на напряжение 6 В поили штук, табл. 3.3). Это позволяет регулировать ток нагрузки в широком диапазоне. Генератор ветроагрегата или панель солнечной фотоэлектрической батареи подключаются к клеммам ± 3 Вили В. Напряжение контролируется по вольтметру и фиксируется положением тумблера 3 или 6 В. Техническая характеристика нагрузочного блока приведена в табл. 3.2. Таблица 3.2 Техническая характеристика нагрузочного блока Положение тумблера – 3 В Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук 4 4 4 8 8–34 42 4 4–8 12 18 18 18 4 4–18 22 18 18–24 42 4 4–24 28 18 18–34 52 4 4–34 38 24 24 24 8 8 8 24 24–34 34 8 8–4 12 34 34 34 8 8–18 26 34 34–18–8 60 8 8–24 32 34 34–18–8–4 64 76 Таблица 3.3 Техническая характеристика нагрузочного блока Положение тумблера – 6 В Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук 12 12 12 12 12–16 28 16 16 16 16 16–12 28 Проведение лабораторной работы Цель работы:изучение основных физических закономерностей, определяющих свойства и параметры фотоэлементов, исследование вольтамперных и световых характеристик этих приборов. Ход работы 1. Соберите установку, принципиальная схема которой приведена на рис. 3.8 и 3.9. Нагрузочный блок подключается к клеммам «ВН» стенда. Далее нагрузку определяют согласно рекомендациям табл. 3.2 и 3.3. 2. Снимите нагрузочную вольтамперную характеристику. Для этого при постоянной освещенности ( ) , E const = которая измеряется люксметром, замеряют величину тока н вцепи фотоэлемента при изменении нот 0 до ∞. Результаты занесите в табл. 3.4. Таблица 3.4 н Ом н Ан В прибор) н В 77 Вычислите напряжение н н н U I R = ⋅ при различных значениях н Постройте график зависимости ( ) н н E const I f U = = , по которому определяют к. з их. х Запишите чему равны эти значения. 3. Снимите световую характеристику. Для этого установите определенное значение н, измерьте величину фототока н вцепи фотоэлемента при изменении освещенности от электрических ламп стенда, включая разное количество ламп пользуясь переключателями Т 1 ÷Т 4 Результаты занесите в табл. 3.5. Таблица 3.5 E, Вт/м 2 I н , Ан В η, % 4. По полученным данным при снятии вольтамперных характеристики световых характеристик найдите КПД при различных сопротивлениях нагрузки R н (I н ,U н ), освещенности Е и S – площади освещаемой части фотоэлемента. КПД фотоэлемента в видимой части спектра 100 %. н н I Е Площадь определить, как 2 , м , фотоэлем S S n = ⋅ 2 , м фотоэлемента S a b = ⋅ , где n – количество фотоэлементов a, b – размеры фотоэлементам Полученные результаты занесите в табл. 3.5. Постройте графики зависимости ( н Примечание на одном графике отобразите все графики. 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. Методика замера параметров. 4. Условия и методика проведения исследований. 5. Журнал наблюдений. 6. Методика обработки опытных данных. 7. Результаты обработки экспериментов. 8. Расчеты по построению характеристик фотоэлементов. 9. Графики с характеристиками фотоэлементов. 10. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какие полупроводниковые материалы используются в ФЭУ? 2. Что называют «вольтамперной характеристикой ФЭУ? 3. Дайте определение составляющих уравнения вольтамперной характеристики. Как определить номинальную мощность ФЭУ, имея вольтамперную характеристику 5. Приведите энергетические схемы, поясняющие работу ФЭУ: а) в режиме холостого хода б) в режиме нагрузки в) в режиме короткого замыкания. 6. Какие факторы влияют на КПД ФЭУ? 7. Объясните зависимость КПД ФЭУ от режимов ее работы. 8. Чем измеряется освещенность ФЭУ? 9. Что такое люксметр 10. Какую физическую единицу называют люменом 11. Как определить мощность светового потока в ваттах 12. Отчего зависят потери энергии в ФЭП? 13. Принцип работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента. 79 14. Реальный КПД современных кремниевых фотоэлементов. 15. Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента. 16. Световые потери. 17. Энергетические потери 18. Чем определяется значение КПД фотоэлемента Какими параметрами 19. Нарисуйте графики обозначьте точку на графике, которой соответствует ток короткого замыкания к. з. (при н. 20. Нарисуйте графики обозначьте точку на графике, которой соответствует фотоЭДС х. х (при н → ∞ ). 21. Какое значение дает точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений 22. Какое значение дает точка пересечения вольтамперной характеристики с осью токов 23. Предназначение люксметра. 24. Назначение солнечной фотоэлектрической батареи. 25. Продолжите фразу Солнечная фотоэлектрическая батарея преобразует энергию …………………………. в …………………………». 26. Как определяли площадь солнечной батареи 27. По какой формуле определяли КПД фотоэлемента Уметь записать формулу. 28. Что за величина (E, Вт/м 2 ) в лабораторной работе Как ее измеряли, находили Литература 1. Шалимова КВ. Физика полупроводников учеб. пособие. М Энергия. Практикум по полупроводниками полупроводниковым приборам / под ред. КВ. Шалимовой. М Высшая школа, 1968. Раздел 4. 3. Лысов В. Ф. Практикум по физике полупроводников / под ред. КВ. Шалимовой. М Сов. радио, 1963. 4. Вдовин ОС. Практикум по кристаллофизике и структурному анализу. Саратов Изд-во СГУ, 1983. 5. Пантелеев В. П, Аккозиев И. А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии методическое руководство к выполнению лабораторных работ. Бишкек КРСУ, 2009. 80 СОДЕРЖАНИЕ МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ............. 3 1. Ознакомление с заданием и предварительная подготовка к работе ............................................... 3 2. Ознакомление с работой на месте и сборка схемы проведения опыта ........................................................ 4 3. Включение схемы под напряжение и проведение лабораторной работы ...................................................... 5 4. Отчет о проделанной лабораторной работе .......................................... 7 5. Техника безопасности при выполнении лабораторных работ ............ 9 Литература ................................................................................................... 10 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВЭУ) ........................ 11 Введение ...................................................................................................... 11 |