Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнические комплексы с фотоэлектрическими установками. Учебное пособие
.pdf
Температурный коэффициент выходного напряжения для фотоэлектрических элементов составляет приблизительно 0,002 В / °С. Поэтому
в летний период выходное напряжение фотоэлектрического модуля будет
занижено за счет его нагрева, а в зимний – завышено за счет его охлаждения. Следует отметить, что солнечный инвертор и контроллер зарядаразряда могут корректировать влияние колебаний температуры на выходные характеристики фотоэлектрической батареи.
Стойка лабораторного стенда с силовым и измерительным оборудованием состоит из двух блоков: «Автономная солнечная фотоэлектрическая система», «Система бесперебойного питания».
Блок автономной солнечной фотоэлектрической системы содержит
клеммы для подключения фотомодулей («Модуль 1», «Модуль 2») с обратными и блокирующими диодами (VD1–VD4), ШИМ-контроллер заряда
аккумуляторной батареи («Блок регулирования и контроля заряда»),
клеммы аккумуляторной батареи, клеммы имитирующего переменную
нагрузку потребителя реостата («Потребитель»). Реостат подключается
к источнику питания через преобразователь постоянного напряжения
в переменное. Также на панели блока расположены клеммы двух вольтметров и трех амперметров, дисплеи датчиков температуры и плотности
потока излучения, клавишный выключатель «Питание» и регулятор плотности потока излучения источника «Регулятор освещенности». Возле
дисплея датчиков температуры размещен переключатель для раздельного
контроля температуры фотоэлектрических модулей. Схема блока автономной солнечной фотоэлектрической системы приведена на рисунке ниже
(рис. 4.2).
21
Рис. 4.2. Схема блока автономной солнечной
фотоэлектрической системы
Блок системы бесперебойного питания (рис. 4.3) содержит выключатель для подключения-отключения внешней сети, измеритель мощности,
сетевой инвертор, два дисплея для визуализации тока заряда-разряда аккумуляторной батареи и уровня напряжения на клеммах аккумуляторной
батареи, клеммы амперметра и вольтметра в сети потребителя, имитирующий переменную нагрузку потребителя реостат «Потребители электрической энергии». Реостат «Потребители электрической энергии» и аккумуляторная батарея подключаются к сетевому инвертору через выключатели. Внешняя сеть подключается к сетевому инвертору через измеритель
мощности. Также на панели блока расположен клавишный выключатель
«Питание».
22
Рис. 4.3. Схема блока системы бесперебойного питания
На основании описанного выше состава электрооборудования и топологии электросети можно заключить, что реализованная в виде лабораторного стенда фотоэлектрическая установка малой мощности является
полноценной физической моделью. Такая модель позволяет осуществлять
поисково-исследовательские работы, а также верифицировать компьютерные и математические модели фотоэлектрических установок.
23
1.
Н
qU
kT
I е
ПН Н
.
qU
kT
I I Ie I=+−
ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
5
Если к освещенному фотоэлектрическому элементу подключить нагрузку, то в замкнутом контуре возникнет ток (рис. 5.1).
ОТ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 5.1. Упрощенная схема подключения
нагрузки к фотоэлементу:
Z – нагрузка; I – ток нагрузки;
U – ЭДС фотоэлемента
Ток в фотоэлементе формируется из трех составляющих: ток неос-
новных носителей IН (темновой ток), ток основных носителей
первичный фототок IП. Полный ток I через p–n-переход (ток нагрузки)
равен:
24
,
При помощи выражения для полного тока можно построить график
П
Н
ln 1 .
II
kT
U
qI
−
= +
П
Н
ln 1 .
I
kT
U
qI
= +
П
к,I Е= ⋅
П КЗ
.II=
зависимости тока от напряжения – вольт-амперную характеристику (ВАХ)
фотоэлемента. Найдем из выражения для полного тока напряжение прямого смещения U (ЭДС фотоэлемента):
Если разомкнуть контур, показанный на рис. 5.1, то ток нагрузки I = 0,
а выражение для прямого смещения преобразуется к виду (характеристика
холостого хода):
Напряжение прямого смещения составляет для отдельного солнечного
элемента 0,6–0,7 В.
При разомкнутом контуре первичный фототок IП определяется плотностью потока излучения E и прямо пропорционален этой плотности:
где к – коэффициент пропорциональности.
При замкнутом накоротко контуре (без нагрузки Z) можно определить
ток короткого замыкания IКЗ. Если принять внутренние омические потери
в фотоэлементе равными нулю, тогда ток короткого замыкания равен
первичному фототоку (световому току):
нии плотности потока излучения.
Поэтому ток короткого замыкания будет увеличиваться при увеличе-
25
Напряжение холостого хода фотоэлемента мало зависит от освещен-
I
I
U
R
ности, в то время как ток короткого замыкания, а соответственно и ток
нагрузки прямо пропорциональны освещенности.
Любой фотоэлемент может быть представлен в виде показанной на
рис. 5.2 эквивалентной схемы замещения. Схема содержит диод, соответствующий p–n-переходу фотоэлемента. Через диод протекает ток, равный
разности токов основных носителей заряда и неосновных носителей заряда.
Схема содержит активное сопротивление R, отражающее тепловые (омические) потери в фотоэлементе при подключенной нагрузке RН.
Н
Н
Рис. 5.2. Схема замещения фотоэлемента [2]
Схема замещения может быть дополнена включением параллельно
диоду шунтирующего активного сопротивления для учета токов утечки [3].
ВАХ любого фотоэлектрического элемента является нелинейной
(рис. 5.3). Точки пересечения графика с осями соответствуют напряжению
холостого хода и току короткого замыкания фотоэлемента.
КЗ
ХХ
Рис. 5.3. ВАХ фотоэлемента:
– ток короткого замыкания; UХХ – напряжение холостого хода
I
КЗ
26
После определения I
макс
, U
микроконтроллер корректирует значение
макс
выходного тока фотоэлемента до значения I
макс
, а U
устанавливается
макс
автоматически.
Если фотоны не обладают достаточной энергией для преодоления запрещенной зоны полупроводника ЕЗ и возникновения внутреннего фотоэффекта, то солнечный элемент не может функционировать. Речь идет об
ограничении диапазона электромагнитного излучения в области низких
частот – красной границе внутреннего фотоэффекта vкр.
Если использовать в качестве источника не солнечное излучение,
а монохроматическое (примерная структура оптического тракта: излучатель с дейтериевой лампой или лампой накаливания, призма, фотоэлемент),
то можно определить частоту излучения vкр, ниже которой независимо от
интенсивности потока не наблюдается фотоэффект. Для этого строится
график зависимости фототока фотоэлемента от частоты излучения (рис. 5.4)
и экстраполируется участок низкочастотной области до пересечения с осью
абсцисс.
Рис. 5.4. Зависимость фототока
от частоты излучения
27
Далее можно рассчитать ширину запрещенной зоны полупроводникового материала фотоэлемента ЕЗ (Дж) как произведение двух величин –
vкр (Гц) и постоянной Планка h. Для перевода величины запрещенной зоны
из джоулей в электронвольты (эВ) необходимо выполнить ее деление на
1,6∙10
–19
.
Спектр солнечного излучения является непрерывным, т. е. в нем
представлены все длины волн (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Спектр солнечного излучения
Непрерывность солнечного спектра обеспечивает эффективное функционирование солнечных панелей, выполненных на любом полупроводниковом материале. Однако количество энергии, которое можно получить
от фотоэлемента, зависит не только от частоты излучения, но и от множества других факторов. Из них рассмотрим наиболее значимые: плотность
потока излучения, температуру фотоэлемента и нелинейность его вольтамперной характеристики.
28
К характеристикам солнечного излучения относят поток излучения,
плотность потока излучения, интенсивность излучения и облученность.
Поток излучения (или лучистый поток) Q (Дж/с) характеризует количество энергии излучения, проходящей в единицу времени через перпендикулярную единичную поверхность. Плотность потока излучения E (Вт/м2)
соответствует отношению потока Q к площади облучаемой поверхности S.
Интенсивность излучения I (Вт/м2∙мкм) соответствует отношению плотности потока излучения E к интервалу длин волн. Облученность H (Дж/м2)
характеризует количество энергии излучения, прошедшей через единицу
площади поверхности за некоторый временной интервал.
При работе с фотоэлектрическими установками характеристикой излучения, имеющей высокое практическое значение, является плотность
потока излучения Е (Вт/м2), т. е. зависимость его величины от угла падения
лучей источника. Эту зависимость наглядно демонстрирует геометрия
прямоугольного треугольника (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Проекции лучей
источника излучения
Проекцией лучей источника излучения, определяющей плотность
потока, является Ey = E∙cos ϴ. Из этого выражения следует, что чем меньше
угол ϴ, тем больше плотность потока излучения. Например, cos 60º = 0,5,
а cos 30º ≈ 0,85. Поэтому максимальный поток излучения соответствует
29
нормальному (перпендикулярно поверхности фотоэлемента) падению лучей источника излучения, т. е. при ϴ = 0º cos 0º = 1, Ey = E.
В течение светового дня угол падения солнечных лучей непрерывно
изменяется. Изменяется и плотность потока излучения на поверхности
солнечных панелей фотоэлектрических установок. В связи с этим для
увеличения эффективности использования солнечной энергии применяют поворотные устройства, которые поддерживают перпендикулярный
угол падения солнечных лучей на панели в течение всего светового дня
(рис. 5.7).
Рис. 5.7. Поворотное устройство солнечной панели [4]:
1 – электродвигатель; 2 – фиксатор положения панели
в вертикальной плоскости; 3 – опора; 4 – солнечная панель
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]