Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнические комплексы с фотоэлектрическими установками. Учебное пособие
.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
————————————
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
КОМПЛЕКСЫ
С ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ
УСТАНОВКАМИ
Учебное пособие
Омск
Издательство ОмГТУ
2023
УДК 621.314(075)
ISBN 978-5-8149-3635-6
© ОмГТУ, 2023
ББК 31.2я73
Э45
Авторы:
Р. Н. Хамитов, Б. А. Косарев, П. В. Беляев, В. З. Ковалев, А. С. Глазырин
Рецензенты:
К. В. Хацевский, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры электротехники
и электрооборудования Омского института водного транспорта;
А. А. Сидоренко, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры электрооборудования
и автоматики Омского автобронетанкового инженерного института
Военной академии материально-технического обеспечения
имени генерала армии А. В. Хрулёва
Э45 Электротехнические комплексы с фотоэлектрическими установками :
учеб. пособие / Р. Н. Хамитов, Б. А. Косарев, П. В. Беляев [и др.] ; Минобрнауки
России, Ом. гос. техн. ун-т. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2023. – 84 с. : ил.
ISBN 978-5-8149-3635-6
Представлена актуальная техническая информация об электротехнических
комплексах с фотоэлектрическими установками. Рассмотрены некоторые проблемные вопросы распределенных источников энергии.
Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению 13.03.02
«Электроэнергетика и электротехника», также может быть использовано для
обучения учащихся профессионально-технических училищ и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических
работников.
УДК 621.314(075)
ББК 31.2я73
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Омского государственного технического университета
2
1.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................... 4
1. ФОТОЭФФЕКТ И КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ ..................... 5
2. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ФОТОЭЛЕМЕНТЕ ..................................................... 15
3. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ................................................ 17
4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ................................................... 19
5. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ
ИЗЛУЧЕНИЯ
Лабораторная работа № 1. Изучение влияния на фотоэлектрический
модуль параметров излучения при различной величине
питаемой нагрузки
6. ЭФФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ ......................................... 38
Лабораторная работа № 2. Изучение параллельной
схемы соединения фотоэлектрических модулей
Лабораторная работа № 3. Изучение последовательной схемы
соединения солнечных модулей
7. КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДА-РАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ........ 58
Лабораторная работа № 4. Исследование работы автономной
фотоэлектрической системы
8. СЕТЕВЫЕ ИНВЕРТОРЫ ................................................................................ 67
Лабораторная работа № 5. Исследование системы бесперебойного
питания
Лабораторная работа № 6. Исследование работы комплекса
«Автономная солнечная фотоэлектрическая система – система
бесперебойного питания»
........................................................................................................... 71
.................................................................................................. 24
.......................................................................................... 31
............................................ 41
..................................................................... 49
........................................................................... 61
............................................................................... 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................. 82
3
1.
ПРЕДИСЛОВИЕ
1
Учебное пособие содержит систематизированные сведения научнопрактического характера об электротехнических системах с фотоэлектрическими установками. Предназначено для студентов дневной, вечерней и заочной форм обучения, может использоваться при подготовке к практическим
занятиям, а также в процессе самостоятельных исследовательских работ.
Учебный материал изложен в удобной для изучения и усвоения форме.
Пособие состоит из восьми параграфов, где представлена краткая теория по
теме. Теоретические сведения подтверждаются в процессе последовательного выполнения шести лабораторных работ. После каждой лабораторной работы сформулированы контрольные вопросы для проверки
остаточных знаний студентов.
Изложенные в учебном пособии научно-практические сведения затрагивают большинство проблемных вопросов, связанных с фотоэлектрическими установками. Некоторые из вопросов не имеют однозначного
решения. Поэтому при внимательном изучении материала пособия студенту, инженеру или ученому-исследователю открывается широкая область возможных направлений научных исследований, обладающих актуальностью и новизной.
4
1.
ФОТОЭФФЕКТ
1
В процессе теоретических исследований устройства атомов, молекул,
химической связи принимались и опровергались различные парадигмы [1].
По одной из них, называемой планетарной моделью Резерфорда, атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по орбитам электронов (рис. 1.1).
И КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ
Рис. 1.1. Планетарная модель атома Резерфорда
Недостатком такой парадигмы является то, что, непрерывно теряя
энергию, электроны должны «упасть» на ядро атома. После этого появилось понимание квантования энергетических уровней (орбит), которые
занимают электроны в атоме. Такой подход получил название корпускулярно-волновой теории и связан с плеядой всемирно известных ученых,
таких как М. Планк, Н. Бор и А. Эйнштейн (рис. 1.2–1.4).
5
Рис. 1.2. Макс Планк
Рис. 1.3. Нильс Бор
Рис. 1.4. Альберт Эйнштейн
6
Согласно корпускулярно-волновой теории в свободном атоме электрон может перемещаться только по электронным орбиталям (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Строение электронной оболочки атома кремния (Si)
На рисунке приведено строение электронной оболочки атома кремния,
так как он является распространенным материалом фотоэлементов. Окружностью отмечено ядро атома с зарядом +14. Три дуги обозначают
электронные орбитали – энергетические уровни. Первая орбиталь содержит 2 электрона, вторая – 8, третья – 4.
С современных позиций квантовой механики каждому электрону соответствует электронное облако, описываемое уравнением Шрёдингера
(рис. 1.6, 1.7).
Рис. 1.6. Эрвин Шрёдингер
7
Рис. 1.7. Электронное облако атома водорода
Любое такое облако представляет собой часть пространства, в которой
вероятность нахождения частицы максимальна. По форме различают s, p, d
и f орбитали (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Основные виды электронных облаков по форме
согласно уравнению Шрёдингера
Ниже приведена краткая запись электронной оболочки атома кремния
с указанием формы электронного облака: 1s22s22p63s23p2.
Каждой электронной орбитали соответствует определенная величина
энергии электрона – энергетический уровень. Для перемещения на более
дальнюю от ядра атома орбиталь электрон должен увеличить свою энергию – получить квант (порцию) энергии. При объединении двух атомов
в молекулу число таких энергетических уровней удваивается. При формировании из молекул кристаллической решетки происходит дальнейшее
8
расщепление энергетических уровней. Их количество увеличивается на-
2–3 эВ
столько, что соседние энергетические уровни различаются на малую величину, и можно уже рассматривать не уровни (орбитали электронов),
а энергетические зоны. Различают следующие виды зон: заполненную
электронами (валентная зона), свободную зону (зона проводимости) и запрещенную зону.
Используемые в технике материалы по ширине запрещенной зоны условно можно разделить на диэлектрики, полупроводники и металлы (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Упрощенные энергетические
диаграммы материалов
В солнечной энергетике активно используются полупроводниковые
материалы (кремний, арсенид галлия и др.). На основе полупроводников
изготавливают фотоэлектрический (солнечный) элемент – базовую составляющую солнечных модулей, которые могут быть объединены конструктивно и электрически в солнечную батарею (рис. 1.10).
9
Рис. 1.10. Внешний вид солнечной панели
Отметим основные физические эффекты, которые лежат в основе
принципа действия фотоэлектрического элемента.
Фотовольтаический (фотогальванический) эффект заключается в возникновении разности потенциалов в материале при его экспонировании
(электромагнитное излучение определенной частоты или солнечное излучение). Впервые такой эффект был описан французским физиком А. Беккерелем (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Александр Беккерель
Также следует отметить английского электротехника У. Смита (рис. 1.12)
как основоположника направления исследования фотоэлектрических ячеек.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]