Avtonomnye-25_56

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения

АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к лабораторным работам по курсу

«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Омск 2012

УДК 621.311.24(075.8) ББК 31.6я73

А22

Автономные системы электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии: Методические указания к лабораторным работам / В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, П. Г. Петров, А. В.Краузе; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. 36 с.

Методические указания содержат описание лабораторных работ по курсу «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», в которых изложены общие теоретические сведения, приведены вопросы расчета, представлен порядок испытания солнечной батареи, ветроэнергетической установки.

Предназначены для студентов очной формы обучения по направлению 140400 – «Электроэнергетика и электротехника», профиль – «Электроэнергетические системы и сети».

Библиогр.: 4 назв. Табл. 13. Рис. 9.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Горюнов; доктор техн. наук, профессор В. М. Лебедев.

Омский гос. университет путей сообщения, 2012

3

ВВЕДЕНИЕ

Вметодических указаниях содержится описание лабораторных работ по курсу «Нетрадиционная и возобновляемая энергетика».

Цель методических указаний – помочь студентам подготовиться к выполнению лабораторных работ, получить практические навыки в расчетах и экспериментальных исследованиях автономных систем электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии, закрепить теоретические знания по данному курсу.

Впроцессе подготовки к лабораторным работам студенты должны ознакомиться с рекомендуемой литературой, заданием, уяснить порядок проведения расчетов, испытания и обработки экспериментальных данных, взаимосвязь между отдельными измеряемыми и расчетными параметрами, подготовить отчет, содержащий цель работы, электрическую схему, таблицы для записей результатов измерений и вычислений. Для контроля своих знаний по изучаемой теме необходимо ответить на контрольные вопросы, приведенные в конце описания каждой лабораторной работы.

При выполнении лабораторных работ следует соблюдать правила техники безопасности. Действующие стенды допускается включать только после получения разрешения на это преподавателя. По окончании проведения испытания напряжение на стендах необходимо отключить, результаты испытания предоставить преподавателю для проверки.

5

Лабораторная работа 1

СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ

Ц е л ь р а б о т ы: изучить устройство элементов солнечного модуля и принцип преобразования солнечной энергии в электрическую; исследовать основные технические характеристики фотоэлектрической батареи; закрепить теоретические знания [1, с. 107 – 117; 2, с. 7 – 32].

1.1. Краткие теоретические сведения

Интерес к возобновляемым источникам энергии значительно вырос после 70-х гг. XX в., способствовали этому истощение запасов природных невозобновляемых источников энергии (нефть, газ, уголь и уран) и экологическая опасность от эксплуатации атомных и теплоэлектростанций. К возобновляемым источникам энергии относятся прежде всего солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия биомассы.

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Солнечное излучение – один из наиболее перспективных источников энергии. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2·1017 Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения данной энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения земного шара в течение года.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины:

1)поток излучения Физл – величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения – Дж/с = Вт;

2)плотность потока излучения (энергетическая освещенность) Aэн – величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения – Вт/м2;

3)световой поток Ф – поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам

6

света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разные длины волн вызывают у человека разные световые ощущения. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6·103 Вт (или 1 Вт = 217 лм);

4) освещенность – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м2. Для белого света 1 лк = 4,6·10-3 Вт/м2 (или 1 Вт/м2 = 217 лк). Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами. Данные об освещенности, создаваемой различными источниками, приведены в табл. 1.1.

Т а б л и ц а 1.1 Освещенность, создаваемая различными источниками

Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день. Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фотоэлектрическим (прямое преобразование световой энергии в электрическую) и фототермическим (преобразование световой энергии в тепловую, а затем, при необходимости, например, с помощью пара, в электрическую). В настоящее время первый способ представляется оптимальным, становится возможным при использовании фотоэффекта.

7

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект); перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p-n) (вентильный фотоэффект); изменение электрической проводимости (фотопроводимость). Свет, который попадает на контакты лицевой поверхности фотоэлектрического преобразователя, будет отражаться. Свет, который попадает на поверхность полупроводника, проходит внутрь и, поглощаясь в области n- и p- типа, генерирует электронно-дырочные пары за счет энергии падающих фотонов света. За счет диффузии электронно-дырочные пары доходят до p-n- перехода, где разделяются электрическим полем этого перехода. При этом в n- области будет накапливаться отрицательный заряд, а в p-области – положительный. Таким образом, на контактах возникает напряжение (фотоЭДС), а при замыкании внешней цепи на нагрузку пойдет электрический ток. Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей). Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10 – 15 % (солнечный элемент размером 10×10 см при освещенности 1 кВт/м2 вырабатывает электрическую мощность 1 – 1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p-n-переходом изображена на рис. 1.1.

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые, в свою очередь, параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 1.2.

Зависимость тока от напряжения (вольт-амперная характеристика – ВАХ) идеального солнечного элемента показана на рис. 1.3. Каждой точке кривой соответствует определенное сопротивление нагрузки: с увеличением сопротивления напряжение увеличивается, а ток снижается.

8

света, имитирующий солнечное излучение, с тиристорным регулятором напряжения для возможности управления потоком излучения; ступенчато изменяемую нагрузку; люксметр для определения освещенности поверхности солнечных модулей.

Рис. 1.2. Вид фотоэлектрического преобразователя (а), фотоэлектрического модуля (б) и батареи фотоэлектрических элементов (в)

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Электрическая схема лабораторной установки представлена на рис. 1.4.

10