Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Разработка и производство систем преобразования солнечной энергии в электричество является перспективным и активно развиваемым направлением создания экологически чистых регенеративных источников энергии. Использовать энергию, вырабатываемую солнечными элементами, можно так же, как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый солнечный элемент батареи предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении [1]. Его действие основано на использовании внутреннего фотоэффекта в неоднородных полупроводниковых структурах [2–4]. При попадании света на p-область р–n-перехода в полупроводнике генерируются дополнительные носители заряда, обладающие избыточной потенциальной энергией, которые перемещаются под действием электрического поля и создают на внешних выводах фотоЭДС. Таким образом, избыточная потенциальная энергия носителей преобразуется в электрическую энергию.
В отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света, спектрального состава излучения. На практике в процессе эксплуатации солнечной батареи (СБ) необходимо проводить контроль физических характеристик солнечной панели (СП).
Цель работы заключалась в исследовании КПД солнечных установок в зависимости от параметров окружающей среды и проведении расчета аккумулированной энергии при использовании СП в течении суток.
Исследования характеристик СП проводили на созданном автоматизированном стенде. Стенд позволяет одновременно измерять пять физических величин в процессе работы СП: силу тока, напряжение, среднюю мощность, время и температуру. Стенд состоит из солнечной панели, измерительного и управляющего устройства, охлаждающего модуля (рис. 1). Стенд может быть адаптирован для исследования характеристики различных СП.
Солнечные модули в основе которых лежит кремний, составляют 90 % количества всех выпускаемых солнечных панелей. Кристаллические кремниевые модули делятся на два типа: монокристаллические и поликристаллические. В данной установке используется панель монокристаллического типа с оценочной эффективностью 22 %. Температура поверхности СБ – один из ключевых факторов, влияющих на КПД. Солнечные элементы имеют ограниченное КПД, т. е. они не могут преобразовать всю полученную солнечную энергию в электрическую энергию. Повышенная температура вызывает уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника, ток насыщения увеличивается из-за меньшей энергии, необходимой для образования пары «электрон — дырка». Оценочное изменение КПД при повышении температуры СБ на 1 °С около 0,4 %. Из выражения можно определить влияние температуры на выдаваемую мощности солнечного элемента. В данной формуле – мощность солнечного элемента; — мощность солнечного элемента при температуре 25 °С; — температурный коэффициент мощности; — изменение температуры.
Выполним эксперимент по изучению зависимости средней мощности, вырабатываемой СБ от температуры ее поверхности. Для этого были проведены измерения вырабатываемой электрической мощности СП при двух температурах – 22 и 25 °С в течение 3 300 с. Внешний вид стенда показан на рис. 2. Графическая информация данных, поступающих с микропроцессора Arduino, представлена на рис. 3, 4.
Измерительный стенд, блок-схема которого представлена на рис. 1, позволяет:
В качестве измерительного и управляющего устройства установки служит микропроцессор Arduino. Устройством для поддержания температуры был выбран элемент Пельтье.
Интерфейс вывода полученных экспериментальных результатов представляет собой двухрядный 16-символьный дисплей, позволяет визуализировать следующую информацию:
Были поставлены следующие экспериментальные задачи:
Установка (см. рис. 1, 2) позволяет проводить измерения мощности каждые 5 с и после преобразований выдает значение средней мощности за 5 мин. Такая функциональная возможность позволяет упростить обработку результатов, а также минимизировать погрешности измерений. Значение температуры записывается в память управляющего устройства (см. рис. 1). Для создания высокой разности температур на поверхности термоэлектрического охладителя к «горячей» стороне элемента Пельтье через термопрокладку прикреплен массивный радиатор с устройством постоянного отвода теплоты – куллером. Для распределения температуры по всей поверхности СП между «холодной» стороной элемента Пельтье и солнечной панелью закреплена алюминиевая пластина.
На рис. 3 видно, что средняя мощность, вырабатываемая СП при температуре панели 22 °С, выше на 0,4 %, чем при 25 °С. При в интервале 22...25 °С падение мощности составило 0,4 %. Поскольку через каждые 300 с температура солнечной панели линейно повышается на 1 °С, мощность будет линейно уменьшаться на 0,13 %. Следует указать, что применение элемента Пельтье в качестве термомодуля достаточно хорошо поддерживает температуру солнечной панели. На рис. 4 видно, что за 60 мин за счет нагрева на 12 С средняя мощность вырабатываемой электрической энергии уменьшается примерно на 8,5 %.
Проведена оценка возможностей суточной выработка солнечной батареи – суточный ресурс вырабатываемой энергии.
В результате анализа полученных данных установлено, что на данной СП средняя вырабатываемая мощность в час равна 130 мВт. Площадь солнечного элемента равна 0,007 м2. На основе полученных данных удельная мощность СП равна 18,5 Вт/м2. По таблице мощности солнечного излучения на Земле было выбрано значения дневной суммы солнечной радиации для Москвы. Далее будем использовать данные, приведенные к ваттам в час, для времени проведения замеров значение равно 167 Вт·ч. Таким образом КПД нашей СП равен 11 %. При повышении температуры поверхности СП КПД падает примерно на 0,7 %.
Представленный стенд для контроля электрических параметров солнечной панели позволяет поддерживать температуру панели и в автоматическом режиме корректировать сопротивление нагрузки для достижения максимальной мощности вырабатываемой электрической энергии.
