Avtonomnye-25_56

Т а б л и ц а 1.2 Результаты исследования опыта холостого хода солнечной батареи

8) Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения AW, падающего на его поверхность.

1.3.2. Исследование вольт-амперной характеристики солнечного модуля

1)С помощью тумблера SB2 включить ступенчато регулируемую нагрузку в цепь солнечной батареи.

2)Установить источник света в режим максимальной освещенности.

3)По показаниям вольтметра PV1 определить напряжение в цепи. По показаниям амперметра PA1 определить ток.

4)Переключая ключи SB3 – SB8, изменить сопротивление нагрузки в цепи и выполнить измерения U и I.

5)Для каждого измерения вычислить электрическую мощность в цепи

WЭ = I · U.

6)Данные занести в табл. 1.3.

7)Построить вольт-амперную характеристику I = f(U).

8)Отметить на ВАХ солнечной батареи характерные точки напряжения

холостого хода Uх.х, тока короткого замыкания Iк.з, и точку оптимального отбора электрической мощности Wэ max.

9. Построить зависимость Wэ = f(I).

Т а б л и ц а 1.3 Результаты исследования вольт-амперной характеристики солнечного модуля

12

1.4.Контрольные вопросы

1)Гелиоэнергетика – преимущества и недостатки.

2)Основные характеристики солнечного излучения.

3)Фотоэффект. Принцип работы гелиоустановки.

4)Основные параметры, характеризующие солнечную энергетическую установку.

Лабораторная работа 2

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ

Ц е л ь р а б о т ы: изучить принцип действия автономных фотоэлектрических систем (ФЭС); исследовать основные технические характеристики ФЭС; закрепить теоретические знания [1, с. 107 – 117, 2, с. 7 – 32].

2.1. Краткие теоретические сведения

На базе солнечных модулей собирают батареи фотопреобразователей, способных вырабатывать электрическую энергию, достаточную для питания потребителей. Солнечные батареи служат базовыми элементами для больших энергосистем. Существует несколько способов увеличения энергоэффективности: выбор оптимального угла установки – так как солнце в течение года постоянно меняет высоту над горизонтом, желательно устанавливать солнечные батареи под тем углом, который обеспечивает максимальный выигрыш по производительности в нужное время. Другой путь увеличения производительности – поворачивать солнечную батарею вслед за солнцем в течение дня.

Для получения необходимой мощности и рабочего напряжения модули соединяют последовательно и параллельно. Таким образом получают фотоэлектрический генератор. Все ФЭС можно разделить на два типа: автономные и соединенные с электрической сетью.

Автономная система (рис. 2.1) в общем случае состоит из набора солнечных модулей, аккумуляторной батареи (АБ), контроллера заряда-разряда, аккумулятора, инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный с задан-

13

ными параметрами. ФЭС обычно используются там, где нет сетей централизованного электроснабжения. Энергия, полученная от солнечных батарей, направляется на зарядку аккумуляторов, что необходимо по двум причинам: сглаживание неравномерности поступления энергии, например, в облачную погоду, и удовлетворение потребности в энергии тогда, когда нет солнечного излучения.

Рис. 2.1. Структурная схема автономной системы электроснабжения на базе солнечного модуля

Для фотоэлектрических систем больше подходят электрохимические аккумуляторы, так как солнечный модуль производит, а потребитель использует электроэнергию, которая непосредственно запасается в аккумуляторе. Большинство фотоэлектрических систем использует свинцово-кислотные аккумуляторы. Основными условиями по выбору аккумуляторов являются стойкость к циклическому режиму работы, способность выдерживать глубокий разряд, низкий саморазряд, долговечность, простота в обслуживании.

Для контроля за состоянием аккумуляторной батареи применяются контроллеры заряда-разряда. Чтобы защитить аккумуляторную батарею от избыточной разрядки, нагрузка должна быть отключена, когда напряжение батареи падает ниже напряжения отключения. Нагрузка не должна подключаться до того момента, когда напряжение не возрастает до определенного порога – напряжения подключения. Эти значения зависят от конструкции определенных батарей, производственного процесса и срока службы батарей. Чтобы защитить батарею от переразрядки, необходимо ограничить зарядный ток по достижении напряжения окончания зарядки. Напряжение начнет снижаться, пока не достигнет другого порога, называемого напряжением возобновления заряда.

В контроллерах предусматриваются следующие виды защиты: от короткого замыкания в нагрузке; от подключения аккумуляторной батареи обратной

14

полярности; температурная компенсация значений пороговых напряжений (это бывает необходимо, если предполагается эксплуатация батарей при температуре ниже минус 10 °С).

Для питания большей части электроприемников в быту и производстве используется переменный ток напряжением 220 В (380 В) и частотой 50 Гц. Преобразование постоянного тока на выходах солнечных батарей и аккумуляторов в переменный с заданными параметрами происходит посредством инвертора с изменением величины напряжения. Обычно инвертор представляет собой генератор периодического напряжения.

По форме сигнала инверторы бывают двух видов: с выходным напряжением синусоидальной формы и выходным напряжением упрощенной формы, заменяющей синусоиду, например, сигнал в виде трапецеидального синуса.

Существует три режима работы инвертора: режим длительной работы (данный режим соответствует номинальной мощности инвертора); режим перегрузки (в течение нескольких минут инвертор способен работать с перегрузкой в 1,2 – 1,5 раза больше номинальной); пусковой режим (инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких секунд для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок).

2.2. Экспериментальная часть

Экспериментальная установка содержит солнечную батарею, состоящую из двух солнечных модулей, содержащих по 72 (6 × 12) фотоэлектрических преобразователя каждый; амперметр PA1 и вольтметр PV1 для определения силы тока и напряжения солнечной батареи; источник света, имитирующий солнечное излучение, с тиристорным регулятором напряжения для возможности управления потоком излучения; контроллер заряда-разряда; свинцовокислотные аккумуляторные батареи, подключенные к контролеру, с амперметрами PA2 и PA3 для определения силы тока в режимах заряда и разряда батарей и вольтметром PV2 для определения напряжения на их зажимах; однофазный инвертор мощностью 300 Вт, подключенный к контроллеру, имеющей на выходе переменное напряжение синусоидальной формы напряжением 220 В и частотой 50 Гц; ступенчато изменяемую нагрузку переменного тока.

Электрическая схема лабораторной установки представлена на рис. 2.2.

15

5)Подключить к контроллеру при помощи ключа SB16 аккумуляторную батарею, тумблер SB15 установить в положение «З», зафиксировать значение тока заряда аккумуляторов (PA2) и напряжение на его зажимах (PV2).

6)Уменьшая освещенность солнечной батареи, выполнить аналогичные измерения семь раз в пределах от максимального до минимального значения освещенности на поверхности солнечных модулей.

7)Все результаты занести в табл. 2.1.

Т а б л и ц а 2.1 Результаты исследования характеристик заряда аккумуляторной батареи

8) Построить зависимость тока заряда аккумуляторной батареи от освещенности солнечных модулей Iз = f(Aср).

2.3.2. Исследование характеристик разряда аккумуляторной батареи

1)Включить источник света, установить режим максимальной освещенности.

2)При помощи ключа SB2 подключить солнечную батарею к контроллеру заряда-разряда.

3)По показаниям вольтметра определить вырабатываемую солнечным элементом ЭДС и силу тока на выходе солнечной батареи.

4)Переключив тумблер SB15 в положение «Р», зафиксировать значение тока разряда аккумулятора (PA3) и напряжение на его зажимах (PV2).

5)Зафиксировать значение силы тока (PA4) и напряжения (PV3) на выходе инвертора.

6)Повторить опыт, поочередно увеличивая нагрузку, подключенную к инвертору (SB10-SB14).

17

7)Рассчитать величину сопротивления нагрузки, подключенной к выходу инвертора (по закону Ома).

8)Все результаты занести в табл. 2.2.

Т а б л и ц а 2.2 Результаты исследования характеристик разряда аккумуляторной батареи

9) Построить графики зависимости тока на выходе солнечного модуля, тока разряда аккумуляторной батареи от величины нагрузки переменного тока: Iсб, Iр = f(Iи),; построить вольт-амперную характеристику инвертора.

2.4.Контрольные вопросы

1)Типы аккумуляторных батарей. Особенности работы аккумуляторов в системах автономного электроснабжения.

2)Для чего нужен контроллер заряда-разряда и инвертор?

3)Поясните работу системы автономного электроснабжения на базе солнечных модулей по схеме.

4)В каких случаях обоснованно применение системы автономного электроснабжения?

Лабораторная работа 3

РАСЧЕТ АВТОНОМНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с методикой расчета автономной фотоэлектрическойсистемы; закрепитьтеоретическиезнания[1, с. 74 – 85; 3, с. 47 – 73].

18

3.1.Задание

1)Определить расчетную нагрузку на суточном интервале и потребляемую энергию за год (табл. 3.1). Построить ступенчатый суточный график нагрузки.

2)Определить значение необходимой мощности инвертора и емкости аккумуляторной батареи.

3)Рассчитать необходимое количество фотоэлектрических модулей.

3.2. Методические указания к выполнению расчета

Под ФЭС понимается определение номинальной мощности модулей, их количества, схемы соединения; выбор типа, условий эксплуатации и емкости аккумуляторной батареи; мощностей инвертора, типа контроллера зарядаразряда, определение параметров соединительных кабелей.

3.2.1. Определение мощности инверторов

Количество потребляемой энергии W (кВт·ч) в течение времени T определяется по формуле, кВт·ч:

19

Расчетная мощность нагрузки определяется статистическим методом. По этому методу расчетную нагрузку группы приемников определяют двумя интегральными показателями: средней нагрузкой Pc и среднеквадратичным отклонением по выражению, кВт:

где - статический коэффициент, зависящий от закона распределения и принятой вероятности превышения по графику нагрузки от уровня Pc (принимает-

ся = 2,5);

- среднеквадратичное отклонение для принятого интервала осреднения. Среднеквадратичное значение активной мощности отдельного электроприемника (ЭП) за рассматриваемый промежуток времени определяется по

формуле:

i 1

Pi - активная мощность, потребляемая электроприемником за рассматриваемый промежуток времени ti согласно суточному графику нагрузки, кВт.

По известной мощности нагрузки выбирается мощность инвертора, которая с учетом потерь в инверторе должна быть не менее чем на 25 % больше расчетной мощности, т. е. Pинв 1,25Pрасч.

Номинальный ряд мощностей инверторов при входном напряжении до

24 В таков: 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 Вт.

3.2.2. Определение емкости аккумуляторной батареи

Емкость АБ выбирается из стандартного ряда емкостей с округлением в сторону, большую расчетной. Расчетная емкость АБ определяется по формуле, А·ч:

20