Розділ 3 Розрахунок і аналіз параметрів сонячних елементів

Для забезпечення роботи установок часто застосовують літій - полімерні акумулятори. Але, з плином часу роботи необхідно підзаряджати дані акумулятори. В умовах роботи одним з найкращих варіантів підзарядки акумуляторів є використання сонячних батарей. Енергія Сонця цілком зможе забезпечити роботу із зарядки акумуляторів. Розберемо принципи використання сонячних батарей для зарядки акумуляторів.

Ці сонячні батареї можуть забезпечити зарядний струм акумулятора в межах 35-50 міліампер, не більше того. Причому це буде при хорошому сонячному освітленні. Отже, за допомогою широко розповсюджених сонячних батарей можна забезпечити заряд малопотужних акумуляторів.

При розробці конструкції сонячної батареї використовуватимуться кремнієві пластини з наступними параметрами та характеристиками (користуючись даними взятими з літератури):

Рис. 2.1. Параметри кремнієвого елемента розмірами 125х125мм

 

Рис 2.2 Зображення кремнієвих фотоелементів NCS-125M2BB.

Для опису сонячних елементів застосовується набір спеціальних параметрів і характеристик, що дозволяє проводити порівняноно оцінку сонячних елементів різного типу. До спеціальних характеристикам сонячного елемента відносяться вольтамперна (ВАХ) і спектральна. До спеціальних параметрах сонячного елемента відносяться ККД (ефективність), ff (фактор заповнення), U_хх (напруга холостого ходу), Iкз (струм короткого замикання) або J (щільність струму короткого замикання).

Вольтамперная характеристика сонячного елементу показує залежність вихідного струму сонячного елемента від напруги на його висновках. При зміні величини світлового потоку, падаючого на сонячний елемент, його ВАХ змінюється. Тому для отримання достовірних значень прагнуть у всіх вимірах підтримувати Ф 10 Вт/м при заданому спектральному складі падаючого світла, тобто прагнуть домогтися стандартних умов вимірювання при яких кожен з тестованих зразків перебував б в однаковому стані.

Спектральна характеристика (спектральний відгук) представляє собою залежність величини квантової ефективності (значення ефективності сонячного елемента при опроміненні його монохроматичним світлом на певній довжині хвилі) від довжини хвилі падаючоговипромінювання. При вимірі спектрального відгуку теж необхідно дотримуватися певних стандартних умов вимірюванню.

Ефективність (ККД) СЕ показує, яку частину (в відсотоковому відношенні) сонячної енергії падаючого на нього світла він може перетворити велектрику. Розрізняють ККД по активній площі поверхні (акт) і ККД за загальною площею поверхні (заг)

де P - електрична потужність, що виробляється сонячним еле -ментом при опроміненні

Ф - щільність потоку падаючого на сонячного елемента світла S - площа доступусвітла (що включає як поверхня , доступну світлі, так і ділянки поверхні , затінене електродною сіткою.

Якщо не вказано тип ККД сонячного елемента , то , як правило ,мова іде про ККД по загальної поверхні .

Напруга холостого ходу ( U_хх ) - це максимальне напруга , що виникає на розімкнутих контактах сонячного елемента при його опроміненні сонячним світлом. Вимірюється в В вольт або мВ мілівольт . Може бути знайдено як при прямому вимірюванні, так і визначено з вольтамперної характеристики .

Струм короткого замикання (I_кз ) - це максимальний струм , протікаючий через виводи сонячного елемента.

Вимірюється в мА міліампер. Щільність струму короткого замикання визначається як відношення струму короткого замикання до площі поверхні сонячного елементупроте в силу складності визначення Sакт частіше використовують заг S:

J_кз =І_кз/ S

Фактор заповнення (ff) показує, яка частина потужності , ви розробляє сонячним елементом, використовується в навантаженні. значен ня фактора заповнення визначається вибором режиму роботи сонячного елемента , тобто значеннями WI і WU. Значення ff може бути знайдено як відношення потужності на навантаженні , підключеної до контактів сонячного елемента , до повної електричної потужності ,вироблюваної сонячним елементом

Фактор заповнення вимірюється в % і варєтується від 50 до 85% для різних типів сонячних елементів. Як правило, в оглядах вказується також площа поверхнісонячного елемента. Загальна площа іноді задається у вигляді

S = ab

де а - довжина b - ширина сонячного елемента. Дляконцентраторних елементів в обов'язковому порядку задається коефіцієнтзбирання світла ( від кількох до 100 і більше сотень) .

Модулі характеризуються тим же набором параметрів і характеристик , що і сонячні елементи. Однак у них , як правило , U_хх і I_кз на порядок більше ніж для сонячних елементів, і задаються відповідно в увольтах і амперах.

Розрахунок сонячної батареї проводиться для зарядки кислотного акамулятора (напруга 3,7 В, ємність 1,05 А×год.). Для створення даної батареї використовуємо псевдоквадрат монокристалічного кремнію розмірами 125×125 мм діаметром 150 мм: напруга холостого ходу 0,6 В, густина струму короткого замикання 0,032А, густина максимальног струму 0,03А, напруга максимальної потужності 0,5 В., процес заряджання даного акумулятора  1.3 А×год.

Особливості технологічного процесу виготовлення монокристалічного кремнію приводять до того, що для сонячних елементів використовуються пластини круглої форми. Для зручнішого складання у сонячні батареї круглі пластини відповідним чином обрізають, формуючи при цьому форму псевдоквадрата (рис.2.2).

 

Рис. 2.3. Сонячний елемент з монокристалічного кремнію у вигляді псевдоквадрата

 

                      (1.1)

                                      (1.2)

Для визначення площі сонячного елемента псевдоквадрат (рис.8) розбивають на чотири сектори з кутом В і чотири трикутники, які розташовані між секторами. В цьому випадку площа сонячного елемента дорівнює:

                                          (1.3)

де  – площа трикутника між секторами,  – площа сектора.

Площа трикутника S_ТР, згідно рис.4, визначається добутком:

 с ∙ (а/2).                                           (1.4)

Сторона трикутника с визначається із співвідношення:

(d/2)² = (a/2)²+c²,                                  (1.5)

c² = (d/2)² - (a/2)²,                                     (1.6)

c = (1/2)∙(d² - a²)^1/2.                                   (1.7)

Таким чином, площа трикутника – частини псевдоквадрата, визначається виразом:

 = (а/4)∙(d² - a²)^1/2.                                        (1.8)

Площа сектора визначається за формулою:

 = π∙(d²/4)∙(B/360^o),                                     (1.9)

Де d – діаметр круга сектора (діаметр кремнієвої пластини), В – кут сектора.

Кут сектора В можна знайти за з використанням кута А трикутника, який знаходиться між секторами (рис.4.):

В = (90^о – 2А).                                         (1.10)

Таким чином, площа сектора (9) з врахуванням (10) дорівнює:

 = π∙(d²/4)∙( (90^о – 2А)/360^o).                       (1.11)

Кут А знаходиться із співвідношень:

cosA = a/d,                   A =arccos(a/d).                  (1.12)

Вираз для площі сонячного елемента у вигляді псевдоквадрата (3) з врахуванням (1.8) і (1.11) набуває вигляду:

 = 4∙((а/4)∙(d² - a²)^1/2 + π∙(d²/4)∙( (90^о – 2А)/360^o)),          (1.13)

або,

S_СЕ = а∙(d² - a²)^1/2 + π∙d²∙( (90^о – 2А)/360^o).              (1.14)

Для сонячного елемента у формі псевдоквадрата із сторонами 125 мм на 125мм сторона а=125мм. Такі фотоперетворювачі утворюються при використанні кремнієвих пластин діаметром d=150 мм. Кут А, який розраховується за формулою 2.12 для елементів вказаного розміру дорівнює:

А = arccos(125/150) = 33^о

Площа сонячного елемента у формі псевдоквадрата 125 мм на 125 мм згідно формули (1.14):

S_СЕ = 125∙(150² - 125²)^1/2 + 3,14∙150²∙( (90^о – 2∙33^о)/360^o) = 15625мм² = =156,3см²

Після розрізання кремнієвої пластини отримуються шість елементів (рис.2,3), які можна використовувати для побудови сонячної батареї.

Рис.2.4. Частини кремнієвої пластини для сонячних елементів2.3.

 Розрахунок електричних параметрів і геометричних

розмірів сонячої батареї

Струм одного сонячного елемента з пластини діаметром 150 мм за відомим значення густини фотоструму дорівнює:

Розраховуємо струм короткого замикання:

    

Розраховуємо кількість сонячних елементів в одному рядку батареї:

N_ел. = U_б/ U_елм= 9/0,5=18 шт.

Розрахуємо кількість рядків сонячних елементів для батареї:

N_р= =  = 0.86 ряд.

Дану відповідь заокруглимо до одного ряду.

Розрахуємо струм батареї за 1 годину:

І_бат.= І_роб× N_р=1,5×1=1.5 А

Розраховуємо максимальну напругу сонячної батареї:

U_б = U_елм×N_ел = 0,5×18=9 В

Розраховуємо максимальну потужність сонячної батареї:

P = I_бат×U_б = 1.5×9 =13.5 Вт

Виходячи з вище наведених розрахунків сонячної батареї розрахуємо загальний час заряджання акумулятора:

T_зар = I_aкум/I_б = 2,6/1,5 = 1.73

Отже час зарядки протягом якого буде заряджатися акумулятор становить  близько 1 години 44 хвилин.

Отже, при достатній кількості сонячних елементів можна створити сонячну батарею з практично будь-якими напругою і струмом, і здатну забезпечити зарядку будь-якого типу акумуляторів. Вся справа тільки у вартості такої сонячної батареї. Звичайно, не слід забувати, що потужна сонячна батарея буде займати велику площу для своєї установки. Слід також зауважити, якщо повноцінне сонячне освітлення батареї буває обмежений час доби, то бажано використовувати сонячну батарею, що забезпечує прискорений зарядний струм, величина якого знаходиться в межах 0,15-0,3 від ємності акумуляторів.

Зазвичай в радіо експедиціях ефективна робота можлива у вечірній і нічний час. У цей час проходження на багатьох діапазонах поліпшується, з'являється багато місцевих станцій. Використання сонячної батареї дозволяє ввечері і вночі розрядити акумулятори під час роботи в ефірі, а вдень провести їх заряджання.

Якщо ж сонячна батарея забезпечує струм, менший ніж номінальний зарядний струм, то в даному випадку мова може йти не по зарядці , а тільки про заряджанні акумуляторів. Це означає, що в світлий період часу сонячна батарея повинна бути постійно підключена до акумулятора, весь цей час постійно підзаряджаючи його. При цьому необхідно контролювати, що б під час роботи акумуляторної батареї напруга на одному елементі акумулятора було б не нижче 1,2-1,15 вольт. При напрузі нижче 1,15 вольт акумулятор необхідно зняти з роботи і поставити на зарядку. В іншому випадку за короткий час напруга на елементах акумулятора впаде до 1,1 вольта, і таку використану акумуляторну батарею вже неможливо буде використовувати в експедиції без серйозної зарядки.

Отже, для зарядки акумуляторів можна застосувати сонячну батарею, яка має максимальний генерований струм приблизно рівний струму зарядки акумуляторів. У цьому випадку сонячна батарея автоматично буде виробляти зарядку акумуляторів необхідним зарядним струмом при своєму освітленні.          Батарею необхідно підключати до акумуляторів через діод. Це необхідно тому, що при несприятливому сонячному освітленні напруга на сонячній батареї може впасти нижче, ніж напруга на заряджаються акумулятори. У цьому випадку акумулятори замість свого заряду, розрядяться через внутрішній опір сонячної батареї.

 

2.3. Розташування елементів сонячної батареї

Розглянемо конструкцію сонячної батареї яка представлена на рис.2,4.

Рис.2.5. Конструкція сонячної батареї для заряджання літій-іонного акумулятора

 

Дана батарея має такі габаритні розміри 20×136×408 мм. Вона складається з наступних частин: листова алюмінієва основа товщиною 3 мм (є основною несучою частиною конструкції що забезпечує високу ступінь герметичності конструкції та забезпечує запас міцності батареї у випадку механічної дії); після чого використовуємо прямокутні профілі з органічного скла поперечного перерізу 20×20 мм² розташовані по периметру сонячної батареї; гвинти кріплення (різьба М5); прокладинки з органічного скла, які прикріплені до текстоліту із змонтованими на них сонячними елементами (запобігають руйнуванню елементів у випадку механічної дії зі сторони фронтальної поверхні); плата з фольгованого одностороннього склотекстоліту (для зручності монтажу та обслуговування в процесі ремонту виконана у вигляді трьох незалежних взаємозамінних моноблоків); Si сонячні елементи типу „псевдоквадрат”  розмірами 125×125мм; фронтальне прозоре органічне скло (товщина 2 мм) його використовують за дешевизну, та через високе світлопропускання; алюмінієвий кутник 5×5 мм; силіконовий герметик від якості нанесення герметика залежить герметичність і довговічність батареї; біле декоративне органічне скло; монтажні болти ; шайби; роз`єм; болти кріплення.

До алюмінієвої основи кріпляться повздовжні і поперечні бортики з органічного скла розміром 20×20×136 мм та 20×20×408 мм. Між собою на кутах батареї органічні профілі з’єднуються чотирма гвинтами довжиною 20мм.

Пластиковий кутник розміром 20×20×136 мм та 20×20×408 мм прикріплюється до бортиків гвинтами з бокових сторін батареї, кутник додатково служить для герметизації конструкції та створює естетичний вигляд. Для кращої герметизації між основою, бортиками та органічним склом використовувався силіконовий герметик KIM TES Silicon 101E білого кольору. З тилової сторони конструкції до листової алюмінієвої основи за допомогою силіконового герметика приклеяне біле органічне скло з метою запобігання корозії від атмосферних опадів та від замикання на корпус.

Розміщення сонячних елементів на поверхні одностороннього фольгованого текстоліту вибиралось з міркувань зручності монтажу та забезпечення надійності роботи батареї протягом тривалого терміну експлуатації. Віддаль між елементами складала 2 -3 мм. Монтаж проводили за допомогою попередньо залуженого мідного провідника круглого перерізу діаметром 0,7 мм. Для забезпечення малого послідовного опору сонячної батареї до кожного елемента припаювали чотири провідники (2 з фронтальної сторони, 2 з тилової сторони). Приготовлені розпаяні сонячні елементи встановлювались у отвори плати текстоліту і припаювались.

В даній батареї ми використали органічне скло для задньої і передньої панелі.

 

 

Висновки

При звичайному світловому потоці, який відповідає умовам АМ 1,5 (за яких вказані параметри фотоперетворювача) сонячна батарея із 18 з’єднаних сонячних елементів у формі сегмента зарядить повністю розряжений літій-іонний акумулятор ємністю 2,6 А∙год та номінальною напругою 7,2 В за      1 годину 44 хвилини.

У конструкції сонячної батареї для зручності монтажу і запобігання короткого замикання між елементами передбачено використовувати віддаль між фотоперетворювачами 5 мм. Віддаль від країв сонячної батареї до карнизу, який розташований по периметру батареї становить 5 мм. Ця віддаль забезпечує попадання променів на елементи при значних відхиленнях світлового потоку від нормального падіння. При цьому уникається зниження робочого струму батареї через часткове затінення крайніх сонячних елементів. Ширина карнизу по периметру сонячного елементу становить 6 мм і вибрана з умов збереження малої неактивної площі сонячної батареї.

 

Список літератури

Фурсов С.П. Как зарядить аккумулятор.- Кишенев: Штиинца, 1984. – 176с.

Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобра-зователи. – М.: Сов. Радио, 1971. – 246с.

Колтун М.М. Солнечные элементы. – М.: Наука, 1987. – 191с.

Фаренбрух А. Л., Бьюб Р.Х. Солнечные элементы: теория и экспе-римент. – М.: Энергоиздат, 1987. – 277с.

Раушенбах Г. Справочник по по проэктированию солнечных батарей. – М.: Энергоиздат, 1983. – 360с.

 

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: