Электротехнические комплексы с фотоэлектрическими установками. Учебное пособие

Питание электродвигателя 1 осуществляется непосредственно от солнечной панели 4. На панели устанавливается датчик освещенности (на рисунке не показан). Сигнал от датчика поступает в электронный преобразовательный блок (на рисунке не показан). Электронный преобразовательный блок задает положение солнечной панели 4 путем управления электродвигателем 1.

Таким образом, выходные характеристики фотоэлектрического модуля зависят от следующих параметров излучения: спектра излучения источника и плотности потока излучения. Зависимость выходной характеристики модуля от спектра излучения проявляется наличием красной границы. Значение красной границы определяется материалом фотоэлементов модуля. Плотность потока излучения зависит от угла падения лучей источника на поверхность модуля. Поддержание оптимального угла падения лучей может быть организовано при помощи устройства поворота модуля.

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ВЕЛИЧИНЕ

ПИТАЕМОЙ НАГРУЗКИ

Цель работы: изучение влияния на фотоэлектрический модуль параметров излучения (плотности потока излучения, угла падения волны) при различной величине питаемой нагрузки.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с лабораторным стендом.

2. Снять зависимость напряжения холостого хода фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения. Для этого подключить к выходным клеммам любого фотоэлектрического модуля вольтметр (рис. 5.8).

31

Рис. 5.8. Схема опыта холостого хода

фотоэлектрического модуля

Расположить источник излучения и фотоэлектрический модуль таким образом, чтобы лучи источника были направлены перпендикулярно плоскости модуля.

Сообщить преподавателю о завершении сборки схемы, ориентации источника излучения и фотоэлектрического модуля. Не включать электропитание лабораторного стенда без разрешения преподавателя.

Подать электропитание на лабораторный стенд (клавишный выключатель «Питание»). Постепенно увеличивая регулятором освещенности плотность потока излучения, отметить соответствующие значения напряжения на клеммах фотоэлектрического модуля и его температуру. Отключить электропитание лабораторного стенда. Представить результаты измерений в виде таблицы (табл. 5.1).

Таблица 5.1

, В

U

XX

Е, Вт/м2 Т, ºС

На основании данных таблицы построить зависимость напряжения на клеммах фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения.

32

3. Снять зависимость тока короткого замыкания фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения. Для этого подключить к выходным клеммам любого фотоэлектрического модуля амперметр (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Схема опыта короткого замыкания

Расположить источник излучения и фотоэлектрический модуль таким образом, чтобы лучи источника были направлены перпендикулярно плоскости модуля.

Сообщить преподавателю о завершении сборки схемы, ориентации источника излучения и фотоэлектрического модуля. Не включать электропитание лабораторного стенда без разрешения преподавателя.

Подать электропитание на лабораторный стенд (клавишный выключатель «Питание»). Постепенно увеличивая регулятором освещенности плотность потока излучения, отметить соответствующие значения тока короткого замыкания фотоэлектрического модуля и его температуру. Отключить электропитание лабораторного стенда. Представить результаты измерений в виде таблицы (табл. 5.2).

Таблица 5.2

I

, мА

КЗ

Е, Вт/м2 Т, ºС

33

4. Снять зависимость тока нагрузки фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения. Для этого подключить к выходным клеммам любого фотоэлектрического модуля вольтметр и через амперметр подключить нагрузку «Потребитель» (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Схема питания нагрузки

от фотоэлектрического модуля

Расположить источник излучения и фотоэлектрический модуль таким образом, чтобы лучи источника были направлены перпендикулярно плоскости модуля.

Сообщить преподавателю о завершении сборки схемы, ориентации источника излучения и фотоэлектрического модуля. Не включать электропитание лабораторного стенда без разрешения преподавателя.

Подать электропитание на лабораторный стенд (клавишный выключатель «Питание»). Постепенно увеличивая регулятором освещенности плотность потока излучения, отметить соответствующие значения тока нагрузки фотоэлектрического модуля, напряжения на его клеммах и температуру (величина нагрузки «Потребитель» неизменна). Отключить электропитание лабораторного стенда. Представить результаты измерений в виде таблицы (табл. 5.3). Построить график зависимости напряжения фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения и график зависимости тока нагрузки фотоэлектрического модуля от плотности потока излучения.

34

Таблица 5.3

Е, Вт/м

U, B I, мА Т, ºС

2

5. Снять вольт-амперную характеристику фотоэлектрического модуля. Для этого подключить к выходным клеммам любого фотоэлектрического модуля вольтметр и через амперметр подключить нагрузку «Потребитель» (см. рис. 5.10).

Расположить источник излучения и фотоэлектрический модуль таким образом, чтобы лучи источника были направлены перпендикулярно плоскости модуля.

Сообщить преподавателю о завершении сборки схемы, ориентации источника излучения и фотоэлектрического модуля. Не включать электропитание лабораторного стенда без разрешения преподавателя.

Подать электропитание на лабораторный стенд (клавишный выключатель «Питание»). Задать при помощи регулятора освещенности плотность потока излучения 300–350 Вт/м2. Для разных значений величины нагрузки потребителя при неизменной плотности потока излучения отметить значения напряжения и тока. Отключить электропитание лабораторного стенда. Представить результаты измерений в виде таблицы (табл. 5.4).

Таблица 5.4

U, B I, мА

Построить график зависимости напряжения фотоэлектрического модуля от тока (график вольт-амперной характеристики).

6. Изучить влияние угла падения лучей источника на напряжение фо-

тоэлектрического модуля.

35

Для этого следует подключить к выходным клеммам любого фото-

φ

, град

электрического модуля вольтметр и через амперметр подключить нагрузку «Потребитель» (см. рис. 5.10).

Расположить источник излучения и фотоэлектрический модуль таким образом, чтобы лучи источника были направлены перпендикулярно плоскости модуля.

Сообщить преподавателю о завершении сборки схемы, ориентации источника излучения и фотоэлектрического модуля. Не включать электропитание лабораторного стенда без разрешения преподавателя.

Подать электропитание на лабораторный стенд (клавишный выключатель «Питание»). Задать при помощи регулятора освещенности плотность потока излучения 300–350 Вт/м2 и некоторую величину нагрузки потребителя. Изменяя угол падения лучей источника на модуль, отметить соответствующие значения напряжения. Угол падения лучей источника можно регулировать, изменяя положение модуля или положение самого источника. Изменение положения источника более предпочтительно, так как доступен больший диапазон угла падения лучей. Отключить электропитание лабораторного стенда. Представить результаты измерений в виде таблицы (табл. 5.5).

Таблица 5.5

U, B

Построить график зависимости напряжения фотоэлектрического модуля от угла падения лучей источника.

Рекомендуемая структура отчета:

− название лабораторной работы;

− цель лабораторной работы;

− схемы соединений элементов стенда для каждого эксперимента;

36

− результаты измерений, представленные в виде таблиц;

− результаты измерений, представленные в виде графиков;

− выводы по результатам исследований.

Контрольные вопросы

1. Объяснить характер зависимости напряжения холостого хода от

плотности потока излучения.

2. Объяснить характер зависимости тока короткого замыкания от

плотности потока излучения.

3. Изменение каких внешних факторов приводит к смещению вольт-

амперной характеристики фотоэлектрического модуля (фотоэлемента)?

4. Перечислите несколько характеристик солнечного излучения и дай-

те им определения.

5. Что такое красная граница внутреннего фотоэффекта?

6. Что такое точка максимальной мощности для фотоэлектрического

модуля?

7. На одном графике построить вольт-амперную характеристику фотоэлемента и его выходную мощность. Указать точки короткого замыкания, холостого хода, максимальной мощности.

8. Указать составляющие тока в фотоэлементе и привести схему замещения фотоэлемента.

9. Благодаря чему происходит разделение пар электрон-дырка, образующихся в фотоэлементе при его освещении, и формируется напряжение прямого смещения?

10. Приведите краткую историческую справку о развитии представлений об атоме и связанных с этим ученых.

11. Приведите упрощенную схему конструкции фотоэлемента.

12. Дайте определение внутреннего фотоэффекта.

13. Изобразите энергетические диаграммы диэлектрика, полупроводника и металла.

37

1.

а

6

ЭФФЕКТЫ СОЕДИНЕНИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Фотоэлементы в фотоэлектрических модулях могут быть соединены последовательно, параллельно и последовательно-параллельно (рис. 6.1). При этом возникают различные эффекты.

б

в

Рис. 6.1. Типы соединений фотоэлементов:

а – последовательное соединение;

б – параллельное соединение;

в – последовательно-параллельное соединение

При последовательном соединении величина тока зависит от состояния каждого фотоэлемента. Ухудшение параметров любого фотоэлемента

38

(затенение части модуля, загрязнение фотоприемной поверхности, выход

а

из строя) вызывает дополнительные потери энергии и уменьшение выходного тока фотоэлектрического модуля. Для решения проблемы используются обводные диоды (рис. 6.2).

б

Рис. 6.2. Схемы последовательного соединения

фотоэлементов с обводными диодами:

а – схема подключения обводного диода к фотоэлементу;

б – схема распределения токов при затенении

одного из элементов последовательной цепи

Обводные диоды подключаются к фотоэлементам таким образом, чтобы их полярности были противоположны (рис. 6.2, а). При нормальной работе фотоэлемента обводной диод не проводит ток. При отсутствии напряжения смещения на клеммах фотоэлемента, что может быть вызвано его затенением или другими факторами, обводной диод проводит ток (рис. 6.2, б). Ток в последовательной цепи фотоэлементов значительно не изменяется.

Как правило, в фотоэлектрическом модуле из 36 фотоэлементов используется 2 обводных диода. Несоответствие количества фотоэлементов и обводных диодов вызвано соотношением таких факторов, как цена об-

39

водного диода, трудоемкость изготовления фотоэлектрического модуля, масса фотоэлектрического модуля, эффективность, вероятность затенения.

Блокирующие диоды используются в фотоэлектрических (солнечных) батареях для предотвращения разряда аккумуляторных батарей в ночное время. При отсутствии освещения фотоэлементы являются не источниками питания, а активной нагрузкой, на которой необратимо рассеивается энергия аккумуляторных батарей. Для блокирования тока, протекающего в направлении от батареи к фотоэлементам, используют диоды. Полярность диодов противоположна полярности аккумуляторных батарей (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема параллельного соединения фотоэлектрических модулей

с использованием блокирующих диодов

Таким образом, в зависимости от схемы соединения модулей и фотоэлементов фотоэлектрическая батарея может содержать как обводные, так и блокирующие диоды. Обводные диоды используются для повышения энергоэффективности батареи при затенении. Блокирующие диоды исключают рассеяние запасенной в аккумуляторной батарее энергии на фотоэлектрической батарее в ночное время.

40