- •Введение
- •1. Применение солнечной энергии
- •1.1. Солнце как источник энергии
- •1.2. Принцип действия солнечного элемента
- •1.4. Целесообразность применения солнечных элементов в России
- •1.5. Экономия энергии. Необходимая мощность солнечной электростанции
- •1.6. Основные элементы автономной солнечной электростанции
- •1.6.1. Солнечные модули
- •1.6.2. Контроллер заряда
- •1.6.3. Аккумуляторы
- •1.6.4. Инверторы
- •1.7. Цели и задачи проводимых исследований
- •2. Исследовательская часть
- •2.1 Принципиальная схема установки
- •2.2 Устройство установки
- •2.3. Исследование батареи солнечных элементов msm 12-700
- •2.3.1 Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности при различной плотности излучения
- •2.3.2 Расчёт кпд солнечной батареи и коэффициента заполнения при различной плотности излучения
- •2.3.3. Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности для различного спектрального состава излучения
- •2.3.4. Расчёт кпд солнечной батареи и коэффициента заполнения при различном спектральном составе падающего излучения
- •2.3.5. Исследование зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания солнечной батареи от угла её поворота по отношению к источнику света
- •3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора
- •3.3. Определение кпд регулятора заряда и аккумулятора
- •3.4. Определение суммарного кпд всей системы
- •4. Направление дальнейших исследований и усовершенствования установки
- •Заключение
- •Список использованной литературы:
3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора
При зарядке аккумулятора без регулятора заряда при токе, не превышающем значения в 8% от ёмкости аккумулятора, можно говорить не о зарядке, а только о подзарядке аккумулятора. Однако, в установке содержится регулятор заряда, который имеет несколько режимов зарядки аккумулятора: 1. Заряд максимальным током: на этой стадии батарея получает весь ток, поступающий от солнечных модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение на аккумуляторе достигает определенного уровня, контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет ШИМ тока заряда. Это предотвращает перегрев и газообразование в аккумуляторе. Ток постепенно уменьшается по мере заряда аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание: Многие батареи с жидким электролитом улучшают свою работу при периодическом заряде до газообразования, при этом выравниваются напряжения на различных банках АБ и происходит очищение пластин и перемешивание электролита. 4. Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью заряжена, зарядное напряжение уменьшается для предотвращения дальнейшего нагрева или газообразования в батарее. АБ поддерживается в заряженном состоянии.
ШИМ – широтно-импульсная модуляция, которая используется в контроллерах заряда аккумулятора для 100%-ной зарядки даже при низком значении входного тока.
В установке используется регулятор заряда Steca Solar с ШИМ. Регулятор заряда во время своей работы может изменять режим зарядки, но из-за высокой емкости батареи и низкого значения тока зарядки, требуется большое количество времени для изучения работы контроллера во всех его режимах. Поэтому изучим работу контролера в начальной стадии зарядки, когда значение тока примерно постоянно.[5]
3.1. Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи [6]
Исследуем КПД системы в целом, то есть системы, состоящей из солнечной батареи, регулятора заряда, аккумулятора и инвертора. Для этого разрядим аккумулятор до состояния, пока регулятор заряда автоматически не отключит нагрузку от аккумулятора. Отключение происходит при напряжении ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом произведём зарядку аккумулятора в течение одного часа, затем подключаем нагрузку известной мощности. Зная среднюю мощность питания при зарядке, мощность потребителя, время заряда и разряда под нагрузкой, можно определить суммарный КПД. Основной принцип состоит в следующем: количество энергии, использованное потребителем от аккумулятора, равно количеству энергии потраченной на зарядку аккумулятора, умноженное на КПД всей системы.
Параметры процесса зарядки аккумулятора занесём в таблицу:
Табл. 3.1. Основные параметры на входе в регулятор заряда.
Временная зависимость изменения напряжения и тока на входе в регулятор заряда, при зарядке аккумулятора приведена в виде графиков на рис. 3.1 и рис. 3.2:
Рис. 3.1. Изменение напряжения во времени на входе в регулятор заряда.
Временная зависимость напряжения зарядки аккумулятора повторяет временную зависимость для питающего напряжения контроллера заряда, единственное отличие в том, что напряжение на аккумуляторе при зарядке ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на контроллере заряда. По форме график изменения напряжения аккумулятора при зарядке полностью аналогичен графику на рис.3.1. Напряжение в начальный момент достаточно быстро возрастает, затем скорость роста замедляется.
Рис. 3.2. Изменение силы тока во времени на входе в регулятор заряда.
Значение тока на входе в контроллер заряда изменяется незначительно, несколько уменьшаясь от начального значения, что значит, что в начальный момент времени контроллер заряда действительно использует постоянный ток зарядки. Значения силы тока до регулятора заряда и после него во время всего процесса зарядки совпадают.
Мощность, получаемая контроллером заряда от солнечной батареи, примерно соответствует мощности для данного уровня освещённости при напряжении питания ламп в 240 вольт (см. табл. 2.4). Используем максимальное напряжение питания ламп, так как при этом получаем максимальный выход энергии с солнечной батареи, при этом лампы имеют наиболее эффективный спектральный состав.
Рис. 3.3. Процесс разрядки аккумулятора.
Зарядив аккумулятор, изучим процесс его разрядки (рис. 3.3). Потребителем служит инвертор Mobilen EP-75, к которому подсоединена энергосберегающая лампа на 11ватт. Падение напряжения на аккумуляторе при его разрядке приведено в табл. 3.2:
Табл. 3.2. Временная зависимость напряжения при разрядке аккумулятора.
Рис. 3.4. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.
График изменения напряжения при зарядке и разрядке аккумулятора соответствует теоретической зависимости зарядки-разрядки для данного типа аккумуляторов (рис. 3.5):
Рис. 3.5. Теоретическое изменение напряжения при зарядке-разрядке.
При зарядке напряжение измерялось на входе в регулятор заряда, на самом же аккумуляторе напряжение было на 0.3-0.35 вольта ниже, следовательно, кривые зарядки и разрядки аккумулятора, полученные практически (рис. 3.1 и рис 3.2) соответствуют теоретическим, при процессе неполной зарядки.
КПД всей системы посчитаем по формуле:
|
|
(3.1) |
где Wпотр, [Вт] – мощность потребителя, tпотр, [час] – время потребления энергии (разрядки) до автоматического отключения, Wзар ср, [Вт] – мощность источника зарядки аккумулятора, tзар, [час] – время зарядки аккумулятора.
Wпотр = 11 Вт,
Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),
tпотр = 8.5 мин = 0,1417 часа
tзар = 1 час.
|
|
|
η = 0.7397 = 73.97%
Суммарный КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора составил 74 процента, вычислим КПД каждого из этих устройств.
3.2. Определение КПД инвертора [6]
В п. 3.1. был рассчитан суммарный КПД для всей системы. Чтобы определить КПД инвертора, исследуем процесс зарядки-разрядки без инвертора. Сравнив КПД работы системы с инвертором и без него, можно достаточно точно определить его КПД. Процесс зарядки аккумулятора полностью аналогичен процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки аккумулятора используем лампу постоянного напряжения на 12 вольт и примерно такой же мощности, что и в предыдущем случае: Wпотр2 = 10 Вт. Изменение напряжения во времени в процессе разрядки аккумулятора приведена в табл. 3.3:
Табл. 3.3. Временная зависимость изменения напряжения при разрядке аккумулятора.
Рис. 3.5. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.
tпотр = 10.5 мин = 0,175 часа,
tзар = 1 час,
Wпотр = 10 Вт,
Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1).
Рассчитаем КПД регулятора заряда и аккумулятора без инвертора по формуле 3.1:
|
|
|
η = 0.8306 = 83.06%
Отсюда видно, что КПД системы без использования инвертора выше. КПД инвертора определим как частное при работе с инвертором и без него:
|
|
|
η = 0.8905 = 89.05%
КПД инвертора составил 89.05 процентов, что практически совпадает с его КПД в 90 процентов, заявленных в его заводских характеристиках.