 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Условия использования солнечных батарей.
Лабораторная работа № 19 Современные солнечные батареи Цель:1. Изучить особенности последовательного и параллельного соединения солнечных фотопреобразователей и солнечных модулей. 2. Ознакомиться с устройством солнечных модулей, батарей и фотоэлектрических станций. Приборы и принадлежности:солнечные модули (учебные), цифровые мультиметры, осветитель, соединительные провода, каркасный солнечный модуль, измерительный стенд. 1. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) солнечной энергии – полупроводниковый прибор (устройство), непосредственно преобразующее солнечный свет в электрическую энергию. Основа преобразования – вентильный или фотовольтаический эффект в полупроводниковой структуре. В настоящее время более 90 % солнечных фотопреобразователей (солнечных элементов) и солнечных батарей наземного применения изготавливают из кристаллического и поликристаллического кремния. Типичный кремниевый солнечный фотопреобразователь представляет собой тонкую пластину из кристаллического или поликристаллического кремния, в которой создан p – n переход. На лицевую освещаемую поверхность нанесены антиотражающее (просветляющее) покрытие и металлическая токосъёмная контактная сетка, на обратную, тыльную поверхность – сплошной нижний (металлический) контакт (рис.1). В зависимости от типа проводимости более толстой базовой области различают солнечные элементы двух видов. Солнечные элементы с базой р -типа имеют фронтальную (лицевую) поверхность (сторону) в качестве отрицательного полюса, а тыльная сторона - это положительный контакт. Элементы с базой n- типа имеют тыльную сторону в качестве отрицательного контакта, а рабочую (лицевую сторону) в качестве положительного контакта. Солнечные элементы с базой р – типа гораздо более распространены. На фото (рис.2) показаны солнечные элементы из монокристаллического кремния (слева) и поликристаллического кремния (справа).
Рис.1 –Упрощённая конструкция солнечного элемента с p-n переходом
Рис.2 – Фотографии солнечных элементов из монокристаллического кремния (слева) и поликристаллического кремния. Некоторые характеристики промышленных кремниевых солнечных элементов приведены в таблице. Таблица 1. ОТДЕЛЬНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ _________________________________________________________________________ РАЗМЕР, мм ФОРМА Uxx, В Iкз ,А Uр,В Iр ,А Wр, Вт __________________________________________________________________________ 125·125 псевдоквадрат 0,595 5,31 0,470 4,71-5,11 2,21-2,41 62,5·62,5 1/4 от 125·125 0,595 1,35 0,470 1,05-1,30 0,55-0,60 125·62,5 1/2 от 125·125 0,595 2,65 0,470 2,10-2,65 1,10-1,20 103·103 псевдоквадрат 0,595 3,65 0,470 3,20-3.55 1,50-1,65 ___________________________________________________________________________ Здесь, Uр - напряжение максимальной мощности, иначе рабочее напряжение. При этом напряжении мощность, снимаемая с фотоэлемента или солнечного модуля достигает максимума; Iр - рабочий ток или ток максимальной мощности. Протекает через фотоэлемент при напряжении максимальной мощности; Wр - паспортная, максимальная электрическая мощность.
Толщина пластин - 180 – 200 мкм, а размеры стандартных солнечных элементов - 125×125 мм, 156×156 мм. Для производства маломощных солнечных модулей стандартные фотоэлементы режутся с помощью лазера на доли.
Форма фотоэлементов – в виде псевдоквадрата (своеобразного восьмигранника с немного закругленными углами) или чистого квадрата/прямоугольника. Напряжение холостого хода Uхх кремниевых фотопреобразователей не превышает 0,6 – 0,61 В и примерно одинаково у фотоэлементов разных изготовителей. С ростом температуры Uхх уменьшается примерно на 0,002 В при увеличении температуры на 1 °С выше 25°С. Также и рабочее напряжение Uр , которое соответствует максимальной выходной мощности, у разных кремниевых фотоэлементов мало отличается друг от друга и составляет от 0,45 В до 0,49 – 0,5 В. Сила фототока определяется размерами фотоэлементов и освещённостью, которую создаёт солнечный свет. Сила выходного тока также зависит от длины волны света, поскольку не все фотоны падающего солнечного света при поглощении создают электронно-дырочные пары, а только те, у которых энергия равна или превышает ширину запрещённой зоны кремния hν ≥ Eg . Для кристаллического кремния при комнатной температуре Eg =1,12 эВ. К.п.д. современных промышленных кремниевых фотопреобразователей наземного применения составляет от 14-15% до 18-19%. Получены лабораторные образцы с заметно лучшими, почти теоретически предельными параметрами, и с к.п.д. 24 % и более. Производителями солнечных элементов и батарей приняты определенные условия для тестирования и паспортизации этих устройств. Они называются стандартными (STC- Standart Test Сondition) и включают три основных параметра: • - освещенность 1000 Вт/м2; • - температура 25°С; • - спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на географической широте 45°). 2.Солнечная батарея, солнечный модуль, фотоэлектрический модуль представляют собой основные компоненты полупроводниковых энергетических установок, прямо преобразующих солнечный свет в электрическую энергию. Солнечные модули составляются из солнечных фотопреобразователей , а солнечные батареи в свою очередь составляются из солнечных модулей. Способы соединения фотопреобразователей.Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включённых фотоэлементов. На рис.3 представлены лишь три примера из возможных комбинаций. Различия в характере соединений, хотя все они обладают одинаковыми выходными характеристиками, обусловлены различными требованиями к надёжности. На рис.3 (а) три последовательные цепочки фотоэлементов соединены параллельно. Такой способ используется, когда высока вероятность короткого замыкания отдельных элементов. На рис.3 (б) представлена схема параллельно-последовательного соединения фотоэлементов. При таком соединении выход из строя одного элемента, например, из-за появления трещины, не приводит к потере целой цепочки вследствие разрыва цепи. В последнем примере на рис.3 (в) приняты во внимание оба случая с минимумов соединений. Возможны и другие типы соединений. Количество последовательно спаиваемых фотоэлементов диктуется необходимым номинальным напряжением модуля. Солнечные модули с "номиналом" на 12В состоят из 36 солнечных элементов. Напряжение максимальной мощности 36-ти солнечных элементов даже с учетом потерь при нагреве модуля на солнце обеспечивает заряд 12-ти вольтового аккумулятора. Как известно, при нагреве модуля при реальной работе напряжение максимальной мощности постепенно уменьшается. Скорость снижения примерно составляет 0,002 В/°С на каждый фотоэлемент. Отсчет ведется от 25°С. Существует важное условие. В одном солнечном модуле фотоэлементы должны иметь максимально близкие параметры, в противном случае один некачественный элемент может испортить всю схему, так как через всю цепочку последовательно спаянных элементов ток будет протекать такой, как у наихудшего фотоэлемента.
Рис.3 Чтобы увеличить мощность модуля необходимо параллельно соединить цепочки из последовательных солнечных элементов (способ на рис.3, б). К этому приходится прибегать, когда нужны модули определенной мощности, а коммутация маломощных модулей для достижения необходимой мощности нежелательна. Модули со стандартным напряжением 24 В состоят из 72 последовательно соединенных фотоэлементов. В батареях для космоса подобный параллельно-последовательный тип сборки модуля из мелких солнечных элементов применяется для повышения надежности солнечной батареи в целом, так как в космосе она подвергается облучению («расстрелу») мелкими и более крупными быстрыми частицами и повреждение одной из параллельных цепочек не приведит к значительной потере мощности, как если бы вышла из строя одна цепочка из крупных фотоэлементов. 2. Герметизация солнечных батарей. Обычно осуществляется путём ламинирования. Подобный способ герметизации имеет несколько преимуществ. Во первых, солнечные элементы надежно фиксируются на защитном стекле. Во вторых, из за отсутствия воздушного зазора между покровным стеклом и элементами минимизируются потери на отражение, так как коэффициент преломления пленки ЭВА в кристаллизованном состоянии и коэффициент преломления стекла одинаковы. Соответственно нет ненужных потерь на отражение при переходе солнечного света из одной среды в другую. Для ламинирования применяется этилвинилацетатная (ЭВА) пленка, защитная пленка полиэтилентерефталат (ПЭТ) и закаленное стекло с текстурой, обладающее большей прозрачностью и низкими потерями на отражение под углами падения света менее 90°.
Процесс ламинирования происходит в вакуумном ламинаторе при температуре 140 -150°С. Перед этим собирается своеобразный сэндвич из стекла, двух слоев ЭВА между которыми находится электрическая схема из фотоэлементов и один слой защитной пленки ПЭТ (рис.4). Под воздействием высокой температуры ЭВА расплавляется, приобретает необходимую прозрачность и надежно спекается со стеклом и тыловой плёнкой ПЭТ. 3. Затенение солнечных батарей.При работе с солнечными батареями сталкиваются с явлением, не имеющим места при использовании обычных источников питания. Это явление связано с так называемым обратным смещением.
Рис. 5 Рис. 6 Например, на рис.5 изображены 8 последовательно соединённых кремниевых фотоэлементов. Полное выходное напряжение цепочки при освещении всех фотоэлементов составляет 4 В (по 0,5 В от каждого элемента). В качестве нагрузки подключен резистор R L. При затемнении фотоэлемента D непрозрачным предметом он уже не производит электрический ток и представляет собой звено с большим внутренним сопротивлением, а не закоротку. Происходит то же, что и при размыкании выключателя, но этот выключатель (затемнённый фотоэлемент) разомкнут не полностью – через него течёт небольшой ток. В большинстве случаев эффективное сопротивление затемнённого фотоэлемента во много раз больше величины нагрузочного сопротивления R L. Поэтому этот резистор можно рассматривать как кусок провода, соединяющий положительный и отрицательный выводы. Это означает, что функцию нагрузки выполняет элемент D. Остальные элементы снабжают энергией эту нагрузку. При большой мощности батареи, при ярком освещении ток через элемент D может быть значителен, он будет нагреваться и при достаточно сильном разогреве может выйти из строя. В результате вся батарея из последовательной цепочки элементов будет бездействовать. Эффективное решение этой проблемы – параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем солнечным элементам, как это показано на рис.6. Диоды подключены так, что при работе (освещении) солнечного элемента они обратно смещены напряжением самого элемента. Поэтому через диод ток не течёт, и батарея функционирует нормально. При затенении, например, одного из элементов диод, подключенный к нему параллельно, оказывается прямо смещённым и через него течёт ток в нагрузку в обход затенённого фотоэлемента. Выходное напряжение всей цепочки при этом уменьшится на 0,5 В, зато устранится источник саморазрушения и батарея продолжает нормально работать. Без шунтирующих диодов она бы полностью вышла из строя. На практике нецелесообразно шунтировать каждый элемент батареи. Как правило, исходя из разумного компромисса между надёжностью батареи и стоимостью, используют один диод для защиты 1/4 батареи. Таким образом, на всю батарею требуется 4 диода. В этом случае эффект затенения батареи будет приводить к 25 % , вполне допустимому, снижению выходной мощности батареи. Поэтому обычно с тыльной стороны солнечного модуля устанавливается контактная коробка для электрических выводов модуля. Если мощность модуля более 60 Вт, то при сборке схемы делается 1 или 2 отвода - средние точки. Эти средние точки нужны для установки в контактной коробке шунтирующих диодов. Эти диоды уменьшают потери мощности от частичного затенения, а также предотвращают выход модуля из строя. Их называют баррирующими диодами. Внешний вид стандартного солнечного модуля из 36 элементов показан на фотографии (рис.7). Для наращивания суммарной мощности солнечные модули соединяются в более крупные массивы, которые называются солнечными батареи. Подобная модульность конструкций позволяет создавать системы неограниченной мощности. Условия использования солнечных батарей. - температурный диапазон – от - 50°С до +75°С - диапазон атмосферного давления до 85 - 107 кПа - относительная влажность 0 - 100% - максимальная интенсивность дождя до 5 мм/мин - максимальная нагрузка (снег + ветер) до 2000 Па
5. Фотоэлектрические станции.На основе солнечных батарей конструируют энергетические устройства, называемые солнечные электростанции (СЭС) или фотоэлектрические станции (ФЭС) Все фотоэлектрические системы можно разделить на два типа : автономные и соединенные с электрической сетью. Станции второго типа отдают излишки энергии в сеть, которая служит резервом в случае возникновения внутреннего дефицита энергии. Автономная система в общем случае состоит из набора солнечных модулей (солнечной батареи) размещенных на опорной конструкции или на крыше, аккумуляторной батареи (АКБ), контроллера разряда - заряда аккумулятора, соединительных кабелей. Если потребителю необходимо иметь переменное напряжение, то к этому комплекту добавляется инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное (рис.8). Для небольших ФЭС целесообразно устанавливать ее модули на поворотном кронштейне для оптимального разворота относительно падающих световых лучей. Это позволит увеличить мощность станции на 20 - 30 %. Функциональное назначение устройств автономной ФЭС: Солнечная батарея СБ - преобразует солнечный свет в электрическую энергию; Аккумуляторная батарея – химический источник тока. Накапливает электрическую энергию при помощи обратимых химических процессов, происходящих внутри аккумулятора. Основным параметром, характеризующим аккумулятор является электрическая емкость. Емкость - это максимальный заряд, который может принять аккумулятор. Измеряется в кулонах, амперчасах. Аккумуляторы, объединённые в блоки называют аккумуляторными батареями. При отсутствии достаточной освещённости для работы солнечной батареи применяется блокирующий диод, который предотвращает разряд аккумуляторной батареи через солнечную батарею. Контроллер заряда АКБ - прибор для контроля за уровнем заряда аккумуляторной батареи (АКБ). Предотвращает перезаряд и переразряд АКБ, сохраняет срок службы аккумуляторов. Инвертор- важный компонент солнечной энергоустановки, который преобразует постоянное напряжение аккумуляторной батареи в переменное напряжение.
Рис. 7 – Фотография солнечного модуля Рис. 8 – Схема автономной ФЭС Выполнение работы Задание 1. Изучить последовательное соединение солнечных элементов и модулей. 1. Измерить напряжение холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз солнечных модулей. 2. Последовательно соединить несколько одинаковых по параметрам солнечных модулей. 3. При соединении модулей поэтапно, начиная с первого модуля, измерить напряжение холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз образующейся солнечной батареи. Результаты измерений занести в таблицу 2. 4. Сделать вывод об особенностях последовательного соединения модулей.
Задание 2. Изучить особенности затенения солнечной батареи. 1. Измерить напряжение холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз солнечной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединённых модулей. 2. Затемнить (закрыть от падающего света) один модуль солнечной батареи и измерить напряжение холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз батареи. 3. Сравнить значения Uхх и Iкз частично затенённой батареи с её начальными значениями, когда батарея освещалась полностью. 4. Сделать вывод о сопротивлении затемнённого модуля и его влиянии на работу батареи.
Задание 3. Изучить параллельное соединение солнечных элементов и модулей. 1. Параллельно соединить несколько одинаковых по параметрам солнечных модулей. 2. Измерить напряжение холостого хода Uхх и ток короткого замыкания Iкз образовавшейся солнечной батареи. Результаты измерений занести в таблицу 3. 3. Сделать вывод об особенностях параллельного соединения модулей.
Таблица 2. Последовательное соединение солнечных модулей
Таблица 3. Параллельное соединение солнечных модулей
Контрольные вопросы 1. Что называют солнечным элементом, солнечным модулем, солнечной батареей? 2. Принцип работы фотопреобразователя солнечной энергии. 3. Конструкция солнечного фотопреобразователя. 4. Основные параметры современных кремниевых фотопреобразователей. 5. Что называют напряжением холостого хода, током короткого замыкания, к.п.д.? 6. Конструкция солнечных модулей и батарей. 7. Способы и особенности соединения солнечных элементов в модули и батареи. 8. Эффект затенения солнечного модуля или батареи. Способ защиты солнечной батареи. 9. Устройство автономной фотоэлектрической станции (ФЭС). Функциональное назначение её элементов. 10. Десять одинаковых солнечных фотопреобразователей (параметры в 1-ой строке таблицы 1) соединены последовательно. Определите Uхх , Iкз и напряжение полученной батареи при оптимальной нагрузке. Освещение и другие условия стандартные.
|
Рис. 4: 1 – герметик, 2 – стекло, 3 - герметизирующая пленка ЭВА, 4 – фотоэлементы, 5 - защитная пленка ПЭТ, 6 - алюминиевый каркас
