Електричні характеристики сонячної батареї вольт-амперна характеристика
Малюнок 1.3 – Вольт-амперна характеристика фотоелемента
Важливі точки вольт-амперної характеристики, що характеризують сонячний модуль:
Сонячний модуль може працювати за будь-якої комбінації напруги і струму, розташованим на його вольт-амперній характеристиці (ВАХ). Однак насправді модуль працює в одній точці зараз. Ця точка вибирається не модулем, а електричними характеристиками ланцюга, до якого цей модуль (або сонячна батарея) підключено.
Напруга, при якому струм дорівнює 0, називається напругою холостого ходу (Voc). З іншого боку, струм, при якому напруга дорівнює 0, називається струмом короткого замикання (Isc) . У цих крайніх точках ВАХ потужність модуля дорівнює 0. На практиці система працює при комбінації струму і напруги, коли виробляється достатня потужність. Краще поєднання називаєтьсяточкою максимальної потужності (ТММ, або MPP). Відповідні напруга та струм позначаються якVp (номінальна напруга) таIp (номінальний струм). Саме для цієї точки визначаються номінальна потужність та ККД сонячного модуля.
При прямому з'єднанні сонячного модуля до акумуляторної батареї модуль працює при напрузі, що дорівнює напрузі акумуляторної батареї в даний момент. У міру заряду АБ її напруга зростає, тому модуль може працювати в діапазоні напруги від 10 до 14,5В (тут і далі використовуються напруги для модуля номінальною напругою 12В. Для модулів з номінальною напругою 24В значення напруги потрібно помножити на 2). Відповідно, його робоча точка може бути досить далекою від оптимальної.
Перелік апаратури, що використовується в експериментах
Кількість апаратури певного типу, що використовується у конкретних експериментах, наведено у таблиці 1.
| Тип апаратури | Номер експерименту | |||||||
| 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 |
Таблиця 2 - Перелік апаратури
| Позначення | Найменування | Тип | Параметри |
| G1 | Блок живлення | 224.2 |
220 В/6 А
220 В/ 300 Вт
Вказівки з техніки безпеки
Вказівки з техніки безпеки під час виконання лабораторних робіт наведено у додатку А.
Вказівки щодо проведення експерименту
• Переконайтеся, що пристрої, які використовуються в експерименті, відключені від електромережі.
• З'єднайте апаратуру відповідно до схеми електричних з'єднань, наведеної на рис. 1.4.
• Регулювальну рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВІТЛЕННЯ» блока живлення G1 поверніть проти годинникової стрілки до упору (з натисканням).
• Регулювальну рукоятку «НАВАНТАЖЕННЯ» блоку навантаження та вимірювання АЗ поверніть проти годинникової стрілки до упору.
• Встановіть фотоелектричний модуль під кутом 90 градусів до світлових променів.
• Увімкніть пристрійзахисного відключення та автоматичні вимикачі блоку живлення G1.
• Увімкніть вимикач «МЕРЕЖА» блоку мультиметрів Р1 та блоку навантаження та вимірювання Р2.
• Активізуйте мультиметри блоку Р1, які задіяні в експерименті.
• Повертаючи регулювальну рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВІТЛЕННОСТІ» блока живлення G1, по вольтметру встановіть напругу мережі, що відповідає енергетичному освітленню Е рівною, наприклад, 400 Вт/м 2 і слідкуйте за її постійністю під час експерименту.
• Переключіть мультиметр блоку Р1 із підключеною термопарою у режим вимірювання температури.
• Контролюючи температуру поверхні Т фотоелектричного модуля за показаннями мультиметра, чекайте (7. 10 хвилин), доки вона не встановиться, та зафіксуйте її.
• Повертаючи регулювальну рукоятку «НАВАНТАЖЕННЯ» блоку навантаження та вимірювання АЗ, змінюйте струм навантаження I фотоелектричного модуля блоку А1 і заносите показання амперметра (струм I) та вольтметра (напруга U фотоелектричного модуля блоку А1) у таблицю 1.1.
| I, A |
| U, B |
• При цьому обов'язково виміряйте струм I і напругу U за максимальної потужності, що віддається фотоелектричним модулем, яку контролюйте за ватметром блоку навантаження та вимірювання АЗ.
• Після завершення експерименту регулювальну рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВІТЛЕННЯ» блока живлення G1 поверніть проти годинникової стрілки до упору (з натисканням). Вимкніть автоматичні вимикачі блоку живлення G1. Відключіть вимикачі "МЕРЕЖА" блоку мультиметрів Р1 та блоку навантаження та вимірювання АЗ.
• Використовуючи результати табл. 1.1, побудуйте вольт-амперну характеристику фотоелектричного модуля U=f(I) при Е = const і Т = const.
Зміст звіту
Звіт повинен містити:
- короткі теоретичні відомості;
- опис використовуваного обладнання та матеріалів;
- порядок виконання роботи;
- обчислення та обробка результатів, побудова графіків;
Рисунок 1.4 – Схема електричних з'єднань
Контрольні питання
1.Сформулюйте мету лабораторної роботи та поясніть, як досягається поставлена мета.
2. Назвіть основні елементи лабораторного стенду та поясніть їх призначення.
3. Конструкція сонячного елемента.
4. Що називають сонячним модулем? Основні типи модулів?
5. Що таке вольт-амперна характеристика (ВАХ) сонячного елемента?
1. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. - М.: Енергосервіс, 2003. - 162 с.
2. Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії: Навчальний посібник / , Сібікін Ю.Д., Сібікін Ю.Д. М: ІП РадіоСофт, 2009. 232 с.
Інтернет-ресурси:
1. Електронний освітній ресурс [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www.edu.ru/
2. Електронна бібліотека [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www.elibrari.ru/
3. Університетська бібліотека online [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www.biblioclub.ru/
4. Електронна бібліотека технічної литературы [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://www.tehlit.ru/
Лабораторна робота №2
Зняття енергетичної характеристики фотоелектричного модуля P=f(U)
Мета: вивчення апаратури, що використовується в експериментах, зняття та побудова енергетичної характеристики фотоелектричного модуля Р=f(I).
Формовані компетенції:
| ОПК-2 | здатність застосовувати відповідний фізико-математичний апарат,методи аналізу та моделювання, теоретичного та експериментального дослідження при вирішенні професійних завдань |
| ППК-1 | готовність забезпечувати необхідні режими та задані параметри технологічного процесу за заданою методикою |
Знання та вміння, що набувають студента в результаті освоєння теми
Знає
- фізичні принципи, на яких заснована робота установок щодо вироблення нетрадиційних видів енергії;
- Типові електротехнологічні процеси перетворення енергії;
- види енергії, які можна використовувати;
Уміє :
- працювати з довідковою літературою, що відображає характеристики матеріалів;
- Впроваджувати електротехнологічні способи перетворення нетрадиційних видів енергії;
- грамотно експлуатувати електротехнологічні та енергетичні установки.
Володіє:
- методами оцінки властивостей та способами підбору матеріалів для проектованих систем
- методиками виконання розрахунків стосовно використання електротехнічних та конструкційних матеріалів;
- навичками проведення стандартних випробувань та вхідного контролю матеріалів та комплектуючих електроенергетичного та електротехнічного обладнання
Теоретична частина
Характеристики сонячного елемента
• Напруга холостого ходу – це максимальна напруга, що створюється сонячним елементом, що виникає при нульовому струмі (рис. 1.7). Воно дорівнює прямому зміщенню, що відповідає зміні напругиp–n-переходу з появою світлового струму. Напруга холостого ходу зазвичай позначаєтьсяххабо . Напруга холостого ходу монокристалічних сонячних елементів високої якості досягає 730мВ. У комерційних пристроях воно зазвичай становить 600 мВ. Напруга холостого ходу сонячного елемента мало змінюється за зміни освітленості.
Рис.2.1. Вольт-амперна характеристика сонячного елемента та напруга холостого ходу
• Струм короткого замикання – це струм, що протікає через сонячний елемент, коли напруга дорівнює нулю (тобто коли сонячний елемент замкнутий накоротко) (рис. 2.2). Струм короткого замикання зазвичай позначається 𝐼кз або 𝐼𝑠𝑠. Він виникає в результаті генерації і поділу згенерованих світлом носіїв. В ідеальному сонячному елементі за умови помірних резистивних втрат він дорівнює світловому струму. Тому струм короткого замикання можна вважати максимальним струмом, здатним створити сонячний елемент. З іншого боку, він прямо пропорційно залежить від інтенсивності світла.
• На практиці сонячний елемент працює при комбінації струму та напруги, коли виробляється достатня потужність. Найкраще їх поєднання називається точкою максимальної потужності (ТММ), відповідні напруга та струм позначаються 𝑈тмм та 𝐼тмм.
• Коефіцієнт заповнення вольт-амперної характеристики (ВАХ) сонячного елемента (fill factor,FF). Струм короткого замикання та напруга холостого ходу – це максимальні струм та напруга, які можна отримати від сонячного елемента. Однак, при напрузі холостого ходу та струму короткого замикання потужність сонячного елемента дорівнює 0.
Коефіцієнт заповнення – параметр, який у поєднанні з напругою холостого ходу та струмом короткого замикання визначає максимальну потужність сонячного елемента. Він обчислюється, як відношення максимальної потужності сонячного елемента до напруги холостого ходу і струму короткого замикання:
де 𝑈ТММ - напруга в точці максимальної потужності (ТММ), В; 𝐼ТММ - струм у ТММ, А; 𝑈хх - напруга холостого ходу, В; 𝐼кз – струм короткого замикання, А.
Графічно коефіцієнт заповнення є мірою квадратичності сонячного елемента і дорівнює максимальної площі прямокутника, який можна вписати в вольт-амперну криву (рис. 1.9).
Так як коефіцієнт заповнення є мірою квадратичності вольт-амперної кривої, сонячний елемент з більш високою напругою матиме і вищий можливий коефіцієнт заповнення, оскільки закруглена частина кривої займає менше місця. Коефіцієнт заповнення ВАХ є одним з основних параметрів, яким можна судити про якість фотоелектричного перетворювача. Типові якісні сонячні елементи, що серійно випускаються, мають коефіцієнт заповнення ВАХ більше 0,7. Браковані елементи мають коефіцієнт заповнення ВАХ від 0,4 до 0,65. У аморфних елементів та інших тонкоплівкових фотоелектричних перетворювачів коефіцієнт заповнення ВАХ 04-07. Чим більший коефіцієнт заповнення ВАХ, тим менші втрати в елементі через внутрішній опір.
При виготовленні кожен сонячний елемент тестується і вимірюється його ВАХ і коефіцієнт заповнення. Якщо останній менший за 0,7, то елемент класифікується як Grade B і продається виробникам супердешевих панелей, які повинні повідомляти покупців про низьку якість елементів.
• Коефіцієнт корисної дії (ККД) є найпоширенішим параметром, за яким можна порівняти продуктивність двох сонячних елементів. Він визначається як відношення потужності, що виробляється сонячним елементом, до потужності падаючого сонячного випромінювання. Крім власне продуктивності сонячного елемента, ККДтакож залежить від спектру та інтенсивності падаючого сонячного випромінювання та температури сонячного елемента. Тому для порівняння двох сонячних елементів слід ретельно виконувати прийняті стандартні умови. ККД сонячного елемента визначається як частина падаючої енергії, перетвореної на електрику [3]:
деPmax – максимальна потужність сонячного елемента, Вт, обчислюється за формулою Рmax = Uтмм ∙ Iтмм = FF ∙ Iкз ∙ Uхх, деUтмм – напруга в точці максимальної потужності, В; Iтмм - струм у точці максимальної потужності, А; FF - коефіцієнт заповнення вольт-амперної характеристики; Iкз - струм короткого замикання, А; Uхх - напруга холостого ходу, Ст.
Pпад - потужність падаючого сонячного випромінювання, Вт.