Электрические характеристики солнечной батареи: вольт-амперная характеристика.

Рисунок 1.3 – Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Важные точки вольт-амперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль:

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_p (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

При прямом соединении солнечного модуля к аккумуляторной батарее, модуль работает при напряжении, равном напряжению аккумуляторной батареи в данный момент. По мере заряда АБ ее напряжение растет, поэтому модуль может работать в диапазоне напряжения от 10 до 14, 5В (здесь и далее используются напряжения для модуля номинальным напряжением 12В. Для модулей с номинальным напряжением 24В значения напряжения нужно умножить на 2). Соответственно, его рабочая точка может быть довольно далеко от оптимальной.

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах

Количество аппаратуры определенного типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице 1.

 

Таблица 1

Тип аппаратуры	Номер эксперимента
1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	2.1	2.2
224.2
2316.4
2317.1
2331.1

 

Таблица 2 - Перечень аппаратуры

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Блок питания	224.2	~220 В/ 6 А
A1	Блок фотоэлектрического модуля	2317.1	12 В/ 4, 8 Вт
A2	Источник света	2331.1	2 прожектора ~220 В/ 300 Вт
A3	Блок нагрузки и измерения		15 В/ 0, 5 А/ 5 Вт
P1	Блок мульметров		3 мультиметра 0…1000 В; 0…10 А; 0…20 МОм

Указания по технике безопасности

Указания по технике безопасности при выполнении лабораторных работ приведены в приложении А.

Указания по проведению эксперимента

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электро­питания.

• Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрических соединений, приведен­ной на рис. 1.4.

• Регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1 по­верните против часовой стрелки до упора (со щелчком).

• Регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ поверните против часовой стрелки до упора.

• Установите фотоэлектрический модуль под углом 90 градусов к падающим световым лучам.

• Включите устройство защитного отключения и автоматические выключатели блока пи­тания G1.

• Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения Р2.

• Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

• Вращая регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1, по вольтметру установите напряжение сети, соответствующее энергетической ос­вещенности Е равной, например, 400 Вт/м² и следите за ее постоянством в ходе экспе­римента.

• Переключите мультиметр блока Р1 с подключенной термопарой в режим измерения температуры.

• Контролируя температуру поверхности Т фотоэлектрического модуля по показаниям мультиметра, выждете (7... 10 минут), пока она не установится, и зафиксируйте ее.

• Вращая регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ, из­меняйте ток нагрузки I фотоэлектрического модуля блока А1 и заносите показания ам­перметра (ток I) и вольтметра (напряжение U фотоэлектрического модуля блока А1) в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

I, A
U, B

• При этом обязательно измерьте ток I и напряжение U при максимальной мощности, отдаваемой фотоэлектрическим модулем, которую контролируйте по ватт­метру блока нагрузки и измерения АЗ.

• По завершении эксперимента регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННО­СТИ» блока питания G1 поверните против часовой стрелки до упора (со щелчком). От­ключите автоматические выключатели блока питания G1. Отключите выключатели " СЕТЬ" блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения АЗ.

• Используя результаты табл. 1.1, постройте искомую вольт-амперную характеристику фо­тоэлектрического модуля U=f(I) при Е = const и Т = const.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· название работы;

· цель работы;

· краткие теоретические сведения;

· описание используемого оборудования и материалов;

· порядок выполнения работы;

· вычисления и обработка результатов, построение графиков;

· выводы.

 

 

Рисунок 1.4 – Схема электрических соединений

 

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель.

2. Назовите основные элементы лабораторного стенда и объясните их назначение.

3. Конструкция солнечного элемента.

4. Что называют солнечным модулем? Основные типы модулей?

5. Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечного элемента?

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме

1. Правила технической эксплуатации электроустановок потребите- лей. – М.: Энергосервис, 2003. – 162 с.

2.Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие /, Сибикин Ю.Д., Сибикин Ю.Д. М.: ИП РадиоСофт, 2009. 232 с.

Интернет-ресурсы:

1. Электронный образовательный ресурс [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.edu.ru/

2. Электронная библиотека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.elibrari.ru/

3. Университетская библиотека online [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.biblioclub.ru/

4. Электронная библиотека технической литературы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.tehlit.ru/

Лабораторная работа № 2

Снятие энергетической характеристики фотоэлектрического модуля P=f(U)

Цель: изучение аппаратуры, используемой в экспериментах, снятие и построение энергетической характеристики фотоэлектрического модуля Р=f(I).

Формируемые компетенции:

ОПК-2	способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач
ППК-1	готовность обеспечивать требуемые режимы и заданные параметры технологического процесса по заданной методике

Знания и умения, приобретаемые студентом в результате освоения темы

Знает

- физические принципы, на которых основана работа установок по выработке нетрадиционных видов энергии;

- типовые электротехнологические процессы преобразования энергии;

- виды энергии которые можно использовать;

Умеет:

- работать со справочной литературой, отражающей характеристики материалов;

- внедрять электротехнологические способы преобразования нетрадиционных видов энергии;

- грамотно эксплуатировать электротехнологические и энергетические установки.

Владеет:

- методами оценки свойств и способами подбора материалов для проектируемых систем

- методиками выполнения расчетов применительно к использованию электротехнических и конструкционных материалов;

- навыками проведения стандартных испытаний и входного контроля материалов и комплектующих электроэнергетического и электротехнического оборудования

Теоретическая часть

Характеристики солнечного элемента

• Напряжение холостого хода − это максимальное напряжение, создаваемое солнечным элементом, возникающее при нулевом токе (рис. 1.7). Оно равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения p–n-перехода при появлении светового тока. Напряжение холостого хода обычно обозначается хх или. Напряжение холостого хода монокристаллических солнечных элементов высокого качества достигает 730 мВ. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне 600 мВ. Напряжение холостого хода солнечного элемента мало меняется при изменении освещенности.

Рис.2.1. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и напряжение холостого хода

• Ток короткого замыкания − это ток, протекающий через солнечный элемент, когда напряжение равно нулю (то есть когда солнечный элемент замкнут накоротко) (рис. 2.2). Ток короткого замыкания обычно обозначается 𝐼 кз или 𝐼 𝑠 𝑠. Он возникает в ре-зультате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном солнечном элементе при условии умеренных резистивных потерь он равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать солнечный элемент. Кроме того, он прямо пропорционально зависит от интенсивности света.

• На практике солнечный элемент работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучшее их сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ), соответствующие напряжение и ток обозначаются 𝑈 тмм и 𝐼 тмм.

• Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента (fill factor, FF). Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода − это максимальные ток и напряжение, которые можно получить от солнечного элемента. Однако, при напряжении холостого хода и токе короткого замыкания мощность солнечного элемента равна 0.

Рисунок 2.2

Коэффициент заполнения – параметр, который в сочетании с напряжением холостого хода и током короткого замыкания определяет максимальную мощность солнечного элемента. Он вычисляется, как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания:

 

𝐹 𝐹 = (𝑈 _ТММ ∙ 𝐼 _ТММ)/(_{𝐼 кз}∙ 𝑈 _хх),

 

где 𝑈 _ТММ – напряжение в точке максимальной мощности (ТММ), В; 𝐼 _ТММ – ток в ТММ, А; 𝑈 хх – напряжение холостого хода, В; 𝐼 кз – ток короткого замыкания, А.

Графически коэффициент заполнения представляет собой меру квадратичности солнечного элемента и равен максимальной площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную кривую (рис. 1.9).

Так как коэффициент заполнения является мерой квадратичности вольт-амперной кривой, солнечный элемент с более высоким напряжением будет иметь и более высокий возможный коэффициент заполнения, поскольку закругленная часть кривой занимает меньше места. Коэффициент заполнения ВАХ является одним из основных параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ более 0, 7. Бракованные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ от 0, 4 до 0, 65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ 0, 4–0, 7. Чем больше коэффициент заполнения ВАХ, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления.

При изготовлении каждый солнечный элемент тестируется и при этом измеряется его ВАХ и коэффициент заполнения. Если последний меньше 0, 7, то элемент классифицируется как Grade B и продается производителям супердешевых панелей, которые должны уведомлять покупателей о низком качестве элементов.

• Коэффициент полезного действия (КПД) является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух солнечных элементов. Он определяется как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элементом, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме собственно производительности солнечного элемента, КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излучения и температуры солнечного элемента. Поэтому для сравнения двух солнечных элементов нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. КПД солнечного элемента определяется как часть падающей энергии, преобразованной в электричество [3]:

η =(Р _max/ P _пад)∙ 100%,

 

где P_max – максимальная мощность солнечного элемента, Вт, вычисляется по формуле Р_max = U_тмм ∙ I_тмм = FF ∙ Iкз ∙ Uхх, где U_тмм – напряжение в точке максимальной мощности, В; I_тмм – ток в точке максимальной мощности, А; FF – коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики; Iкз – ток короткого замыкания, А; Uхх – напряжение холостого хода, В.

Pпад – мощность падающего солнечного излучения, Вт.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: