1.7. Цели и задачи проводимых исследований
В связи с постоянным ростом использования солнечной энергетики, существует проблема более полного изучения этого вопроса с целью повышения эффективности энергопроизводства. Для этого создадим установку, имитирующую работу батареи солнечных элементов в реальных условиях. При помощи установки исследуем основные характеристики солнечной батареи и выведем зависимость этих характеристик от внешних влияющих факторов. Установка должна содержать оборудование для исследования всего цикла производства электроэнергии из солнечного света. При этом необходимо проанализировать эффективность каждого из элементов получения и преобразования энергии.
2. Исследовательская часть
2.1 Принципиальная схема установки
Для изучения характеристик солнечных элементов был создан специальный стенд, имитирующий работу батареи солнечных элементов в различных условиях (Рис. 2.1).
Рис. 2.1. Принципиальная схема установки для изучения характеристик батареи солнечных элементов.
На рисунке: 1 - панель управления, 2 – выключатель питания установки со светодиодной индикацией, 3 – выключатель питания вентиляторов обдува солнечной батареи, 4 – цифровой термометр, 5 – регулятор спектрального состава излучения (ЛАТР), 6 - переключатель режимов исследования солнечной батареи: в режим изучения выходных характеристик или в режим зарядки аккумулятора, 7 - переключатель режимов для вольтметра, соответствует режимам переключателя 6, 8 – выключатель амперметра, 10 – переменные резисторы для построения вольтамперной характеристики солнечной батареи, 11 – разъёмы для подключения измерительных приборов, 12 – панель, на которую крепятся галогенные лампы, 13 – галогенные лампы, 14 – вентиляторы охлаждения галогенных ламп, 15 – система жалюзи, 16 – фиксатор системы жалюзи, 17 – вентиляторы обдува батареи солнечных элементов, 18 – термодатчик от цифрового термометра 4, 19 – панель для регулирования угла наклона поворотной платформы с солнечной батареей, 20 – фиксатор поворотной платформы, 21 - поворотная платформа с солнечной батареей, 22 – регулятор заряда аккумулятора, 23 – аккумулятор, 24 – инвертор, 25 – амперметр и вольтметр, 26 – полка для измерительного оборудования, 27 – отсек для дополнительного оборудования.
2.2 Устройство установки
Рис. 2.2. Фотография установки.
Управление установкой осуществляется при помощи панели управления, основные элементы которой описаны в пункте 2.1.
Рис. 2.3. Панель управления установкой.
На панели управления расположены основные элементы управления. Включение установки осуществляется при помощи выключателя питания 2 (рис. 2.1). При включении запускается схема питания галогенных ламп и стабилизированный блок питания для вентиляторов системы их охлаждения. Выключатель 3 (рис.2.1) управляет вентиляторами системы обдува солнечной батареи. Выключатели 2 и 3 (рис. 2.1) снабжены светодиодной индикацией.
Трёхпозиционный переключатель 6 (рис. 2.1) служит для изменения режима исследования солнечной батареи: режим построения вольтамперной характеристики или режим зарядки аккумулятора. Третья нейтральная позиция отключает солнечную батарею от нагрузки и используется для подключения внешней измерительной аппаратуры.
Выключатель 7 (рис 2.1) переключает вольтметр для измерения напряжения в режимах зарядки аккумулятора или построения вольтамперной характеристики. Выключатель 8 (рис.2.1) включает или отключает амперметр, закорачивая его. Нужен для более точных измерений без потерь на амперметре. Выключатель 9 (рис2.1) включает и отключает нагрузку от аккумуляторной батареи. Нагрузкой является инвертор или любой потребитель постоянного тока.
Резисторы R1 и R2 обозначение 10 (рис 2.1) используются для построения вольтамперной характеристики, включены последовательно. R1 – подстроечный резистор 0,5 кОм, R2 – основной резистор 7 кОм. Резисторы имеют мощность в 25 ватт каждый, что минимум в 2,5 раза превышает мощность выдаваемую солнечной батареей при максимальном уровне её освещённости в 1000 Вт/м2. При максимальном сопротивлении двух резисторов в 7,5 кОм, ток протекающий через них близок к нулю, при помощи этого получаем напряжение холостого хода.
Спектральный состав галогенных ламп регулируем при помощи лабораторного автотрансформатора 5 (рис. 2.1). Вокруг рукоятки регулирования напряжения присутствует разметка в 200, 220, 240 вольт. Использование напряжения более 240 вольт может вызвать перегорание ламп, а при напряжении менее 200 вольт лампы начинают уходить в область инфракрасного спектра, поэтому выбран именно этот интервал изменения напряжения.
Цифровой термометр 4 (рис. 2.1) измеряет температуру как солнечной батареи, так и температуру корпуса установки. Термометр имеет точность до десятых долей градуса, совершает измерения каждые 5-7 секунд, имеет интервал измерения температуры от -30 до +70 градусов Цельсия. Этих характеристик достаточно для построения температурных зависимостей характеристик солнечной батареи.
В основе работы установки лежит использование 12-ти галогенных ламп, в качестве источника света, имитирующих солнечное освещение. В установке использованы галогенные лампы т.к. они по своему спектральному составу излучения наиболее близко соответствуют солнечному излучению. Лампы расположены на специальной металлической пластине, отполированной с нижней стороны для более полного отражения излучения ламп. Каждая лампа снабжена рассеивающим отражателем, который равномерно распределяет излучение ламп по облучаемой поверхности и направляет большую часть излучения в нужном направлении.
Каждая лампа имеет мощность в 50 ватт, что суммарно составляет 600 ватт на 12 ламп. КПД галогенных ламп не превышает 15-20%, высок уровень нагрева самих ламп и всей установки в целом. Для использования ламп в расчётном температурном режиме и соблюдения температурного режима в самой установке установлены вентиляторы для охлаждения ламп, патронов для ламп и проводов питания. Вентиляторы 14 запускаются при запуске установки выключателем питания 2 (рис. 2.1).
Уровень освещенности солнечной батареи регулируется системой жалюзи 15 (рис. 2.1), (рис. 2.4) представляющих собой набор пластин, изменяющих угол наклона, тем самым осуществляется регулировка интенсивности проходящего светового излучения. Данная конструкция имитирует различную освещённость солнечной батареи в различное время суток и в различных погодных условиях. Верхняя часть пластин закреплена на осях, относительно которых пластины могут поворачиваться. Снизу к пластинам прикреплена направляющая, отвечающая за параллельность пластин и, следовательно, за равномерность изменения интенсивности падающего излучения на всю поверхность солнечной батареи, что важно для получения максимального КПД. Положение направляющей фиксируется фиксатором 16 (рис. 2.1).
Рис. 2.4. Система изменения яркости.
Солнечная батарея расположена на поворотной платформе 21 (рис. 2.1), что имитирует различный угол падения солнечных лучей. Фиксация положения поворотной панели осуществляется при помощи фиксатора 20 (рис. 2.1). На панели регулирования уровня наклона 19 (рис. 2.1) размечены основные углы, при которых производятся измерения.
Рис. 2.5. Солнечная батарея на поворотной платформе.
На рисунке 2.5 поворотная платформа крепится фиксатором на панели регулирования угла наклона при углах от 0° до 90°, на рис 2.5 этот угол составляет 30°. Панель регулирования угла наклона имеет ряд фиксированных углов в 0°, 30°, 45°, 60° и 90°, между этими значениями угол можно менять непрерывно.
Рис. 2.6. Термодатчик.
На рисунке 2.6 изображён термодатчик, прикреплённый к поворотной платформе, рядом с солнечной батареей. Термодатчик подключен к цифровому измерителю температуры. Конец термодатчика окрашен в чёрный цвет чтобы соответствовать цвету и температуре солнечной батареи.
Для изменения температуры батареи используются вентиляторы 17, включаемые выключателем 3 на панели 1 (рис. 2.1). Так же они служат для охлаждения батареи в режиме её длительной работы. Отключение вентиляторов производится для повышения температуры батареи и исследования температурной зависимости основных выходных величин.
Для имитации работы солнечной электростанции и исследования основных её составляющих и их КПД установка имеет три компонента: аккумулятор, регулятор заряда аккумулятора, инвертор. На установке используется аккумулятор фирмы DALTA.
Характеристики аккумулятора:
Рабочее напряжение в цикле, В: 11,5-13,8
Ёмкость А*Ч: 7
Максимальный ток нагрузки, А: 1,35
Аккумулятор способен заражаться при низких значениях тока зарядки и не обладает эффектом «памяти», что удобно при неполном цикле зарядки, так как ток зарядки в установке не превышает 200 мА.
Рис. 2.7. Аккумуляторная батарея.
Регулятор заряда аккумулятора Steca Solar pr 0505 (рис. 2.8) служит для предотвращения перезаряда аккумулятора и выхода его из строя. Также регулятор обладает широтно-импульсной модуляцией тока зарядки, тем самым подбирает оптимальные напряжение и ток зарядки аккумулятора, оптимизируя процесс зарядки.
Рис. 2.8. Регулятор заряда.
Регулятор заряда имеет индикацию уровня заряда аккумулятора в виде зелёного и красного светодиодов, а также индикацию питающего напряжения от солнечной батареи – жёлтый светодиод. Имеется функция автоматического отключения нагрузки при переразряде аккумулятора.
Характеристики регулятора заряда:
Максимальный ток заряда аккумулятора, А: 5
Напряжение заряда аккумулятора, В: 12-14.5
Допустимое напряжение аккумулятора, В: 11-13.8
Максимальный ток нагрузки, А: 5
Инвертор необходим для исследования всего цикла получения переменного напряжения в автономной солнечной электростанции или автономной установке резервного питания. Инвертор преобразует постоянное напряжение 12 вольт в переменное 220 вольт.
Рис. 2.9. Инвертор.
Технические характеристики:
Название: Mobilen EP-75
Выходное напряжение : 220В(перем.ток) 50Гц
Вес : 0,45 кг
Защита от перегрева : есть
Входное напряжение : 10В-15В(пост.ток)
Защита от перегрузки : есть
Выходная мощность : 75 Ватт
Пиковая мощность : 200 Ватт
КПД : 90%
Для измерения основных параметров в установке используются амперметр и вольтметр WEUHUA DT9207A, они обеспечивают достаточную точность измерений.
Диапазон измеряемых величин:
Амперметр: 2mA-20A
Вольтметр: 200mV-1000V
Рис. 2.10. Цифровой мультиметр.
Для изменения температуры батареи используются вентиляторы 17, включаемые выключателем 3 на панели 1 (рис. 2.1). Так же они служат для охлаждения батареи в режиме её длительной работы. Отключение вентиляторов производится для повышения температуры батареи и исследования температурной зависимости основных выходных величин. Для питания вентиляторов использован стабилизированный источник питания на 12 вольт. Все вентиляторы выполнены на шарикоподшипниках и имеют срок службы 50000 часов. Производительность вентиляторов около 1м3 в минуту, что достаточно для быстрого и эффективного охлаждения. 2 таких же вентилятора стоят в системе охлаждения галогенных ламп.
Вся установка выполнена в металлическом корпусе и имеет внутренний автомат защиты от короткого замыкания, что хорошо с точки зрения противопожарной безопасности.