основная часть+++++final. Исследование батареи солнечных элементов msm 12700

Скачать 3.02 Mb. Название Исследование батареи солнечных элементов msm 12700 Анкор основная часть+++++final.doc Дата 30.04.2017 Размер 3.02 Mb. Формат файла Имя файла основная часть+++++final.doc Тип Исследование #5127 страница 1 из 4

1   2   3   4 Содержание: Введение………………………………………………………………………………………….6 Применение солнечной энергии……………………………………………………………8 Солнце как источник энергии………………………………………………………….8 Принцип действия солнечного элемента……………………………………………...9 Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов………………………………………………………………………………10 Целесообразность применения солнечных элементов в России…………………...12 Экономия энергии. Необходимая мощность солнечной электростанции………....12 Основные элементы автономной солнечной электростанции……………………..13 Солнечные модули……………………………………………………………...13 Контроллер заряда……………………………………………………………...14 Аккумуляторы…………………………………………………………………..14 Инверторы………………………………………………………………………15 Цели и задачи проводимых исследований…………………………………………..16 Исследовательская часть…………………………………………………………………...17 Принципиальная схема установки…………………………………………………...17 Устройство установки………………………………………………………………...18 Исследование батареи солнечных элементов MSM 12-700………………………...25 Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности при различной плотности излучения………………………………………………...26 Расчёт КПД солнечной батареи и коэффициента заполнения при различной плотности излучения……………………………………………………………..32 Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности для различного спектрального состава излучения………………………………….34 Расчёт КПД солнечной батареи и коэффициента заполнения при различном спектральном составе падающего излучения…………………………………..39 Исследование зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания солнечной батареи от угла её поворота по отношению к источнику света………………………………………………………………………………..41 Исследование температурной зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания……………………………………………………….42 Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора…………………………………………...45 Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи……………………………………………………....45 Определение КПД инвертора………………………………………………………....49 Определение КПД регулятора заряда и аккумулятора……………………………...51 Определение суммарного КПД всей системы……………………………………….53 Направление дальнейших исследований и усовершенствования установки…………54 Заключение……………………………………………………………………………………...55 Введение В последнее время широкое распространение получили устройства, использующие непосредственно солнечный свет как источник энергии. Солнечные элементы дешевеют в среднем на 4% в год, что объясняет растущий интерес в их использовании. Солнечные элементы объединяют в большие солнечные батареи, которые называются солнечными модулями, их используют для получения электроэнергии в больших масштабах. Значение фотоэлектричества всё больше возрастает, учитывая рост цен на традиционные ископаемые источники энергии. Один раз, заплатив за оборудование, можно долго получать энергию от солнца, так как эксплуатационные расходы очень малы и получаемую энергию можно считать почти бесплатной. Существует ошибочное мнение, о малости солнечных ресурсов России для полноценного использования фотоэлектрических установок. Это не соответствует реальной картине, так как даже в средней полосе России солнечной энергии достаточно для круглогодичной работы солнечной электростанции, и к востоку страны солнечных ресурсов ещё больше. В Германии солнечной энергии меньше, чем в Московской области, но, уже несколько лет с успехом реализуется программа «Сто тысяч солнечных крыш», в рамках которой государство стимулирует развитие солнечной энергетики, выдавая дешёвые кредиты на покупку солнечных электростанций и покупая произведённую энергию по повышенным тарифам. Аналогичные программы действуют в Испании, США, Греции, Болгарии и других странах. Страны ЕЭС планируют довести производство электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников до 20% от всей произведённой энергии к 2020 году. В некоторых частях России существует проблема дефицита мощностей, а иногда просто нет невозможности, чтобы подвести энергию к новым объектам. Поэтому в последнее время всё больше используют автономные солнечные электростанции и устройства бесперебойного электроснабжения с подпиткой от солнечной энергии. Однако возникает ряд сложностей с применением солнечных элементов в системах энергоснабжения. Во-первых есть трудности с расчётом реальной производительности солнечных элементов, так как в реальных условиях они просто не способны выдавать те характеристики, которые описаны предприятием-изготовителем. На мощность, выдаваемую солнечным элементом влияет такие факторы, как широта местности, где расположена солнечная электростанция, угол наклона по отношению к Солнцу, спектральный состав излучения, погода, время суток и температура. Во-вторых при проектировании солнечной электростанции важно правильно рассчитать мощность её структурных элементов и их КПД, чтобы станция не вышла из строя из-за перегрузки отдельных её частей. Для изучения проблемы применения батарей солнечных элементов и изучения их характеристик был собран стенд. На примере солнечной батареи MSM 12-700, установленной в стенде, изучены основные характеристики солнечной батареи и влияние внешних факторов на эти параметры. По сути стенд имитирует применение солнечной батареи в реальных условиях. Исследовав солнечный элемент или батарею солнечных элементов на стенде можно определить все его основные характеристики и построить ряд зависимостей от основных внешних влияющих параметров. Это важно, когда стоит вопрос о целесообразности применения данного солнечного элемента или батареи из таких элементов в объектах энергоснабжения. Стенд содержит дополнительное оборудование: аккумулятор, регулятор заряда, инвертор, что позволяет изучать весь цикл работы автономной солнечной электростанции. Также есть возможность оценки КПД каждого из элементов цикла производства электричества из солнечной энергии и оценки эффективности его работы в конкретных условиях. [1], [5] 1. Применение солнечной энергии 1.1. Солнце как источник энергии Источник солнечной энергии – это термоядерная реакция на Солнце, вследствие которой каждую секунду на Солнце около 6*1011 кг водорода превращается в гелий. При этом существует дефект массы в 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*1020 Джоулей энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Полная масса Солнца 2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии. Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой” (АМ – Air Mass). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом. Рис. 1.1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения На рис.1.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту). Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.[4] 1.2. Принцип действия солнечного элемента Рис.1.2. Конструкция солнечного элемента Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1.2. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт. Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному. Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) (рис.1.3): Рис.1.3. Вольтамперная характеристика солнечного элемента Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (см. рис. 1.3). Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна P = Kz *Iкз*Uхх где Kz – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольтамперной характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого хода. 1.3 Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных элементов Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда условий: оптический коэффициент поглощения активного слоя полупроводника должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя; генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя; солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в полупроводниковом переходе; полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом (исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы; структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента. Производство структур на основе монокристаллического кремния, удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз. Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %. Экономический кризис не отменяет планов освоения альтернативных источников энергии. Компания Sharp объявила, что в 2010 году начнет полномасштабное серийное производство солнечных элементов из кристаллического кремния с эффективностью преобразования 20%. По словам представителя Sharp, элементы будут самыми мощными среди аналогичных продуктов, предназначенных для жилых помещений. Компания уже завершила разработку технологии серийного производства на уровне прототипа и подтвердила начало серийного выпуска на опытном производстве. Завод, рассчитанный на массовый выпуск, вступит в строй в 2009 году и выйдет на полную мощность в 2010 году. Уже заключен договор с американским поставщиком сырья, который, начиная с 2010 года, должен обеспечить бесперебойное снабжение производства кристаллическим кремнием. Не дремлют и другие производители. Корпорация Kyocera планирует начать массовый выпуск солнечных элементов с обратной подсветкой в 2009 году, а Mitsubishi Electric намерена в 2010 году развернуть производство ячеек с сотовой структурой. 1.4. Целесообразность применения солнечных элементов в России Плотность солнечного излучения в средней полосе России выше, чем в ряде европейских стран, например Германии, где уже давно занялись проблемой освоения солнечной энергии. Россия имеет огромную площадь и не всегда есть возможность подвести электричество к отдельным объектам. Поэтому всё больше растёт интерес к использованию автономных электростанций и источников аварийного бесперебойного энергоснабжения с подпиткой от солнечной энергии. Заинтересованность в использовании солнечных электростанций всё больше увеличивается, учитывая постоянное снижение цен на солнечные элементы, производство некоторых из которых уже начато на территории России. Постоянно снижающаяся стоимость оборудования, эколологичность и низкие эксплуатационные расходы делают автономные солнечные электростанции оптимальным выбором для отдельных объектов на территории России. 1.5. Экономия энергии. Необходимая мощность солнечной электростанции Высокая стоимость оборудования для преобразования солнечной энергии заставляет задуматься о более эффективном её использовании. Для примера: одна замена ламп накаливания на люминесцентные с электронными балластами позволит в 5 раз снизить затраты на освещение. Для наружного освещения применение натриевых ламп вместо ртутных позволит снизить расход энергии в 5-10 раз. Современная бытовая техника с индексом энергопотребления А или А+ также позволяет значительно снизить расход энергии. Значительную долю в структуре энергозатрат в России составляют различного рода электронагреватели. Применение вместо традиционных ТЭНов тепловых насосов с инверторным приводом в комбинации с высокоэффективными солнечными коллекторами позволит снизить затраты энергии на отопление и получение горячей воды в 3-5 раз. Для построения автономной солнечной электростанции необходимо проанализировать и попытаться рассчитать суммарную мощность оборудования, которое будет питаться от этой электростанции, с учётом пусковых токов и желаемое потребление в кВт-часах в день или месяц. При этом важно учитывать, что во время круглогодичной эксплуатации особенно зимой в некоторых областях значительно уменьшается количество поступающей солнечной энергии (например, Санкт-Петербурге в 7-8 раз, в Москве в 2.5 раза). Пусковые токи некоторого оборудования могут превышать номинальные до 10-12 раз, что тоже надо принимать во внимание. Важно знать об уровне солнечного излучения в том месте, где планируется эксплуатация солнечной электростанции. Эти данные можно найти в интернете или в Гидрометеоцентре. Имея эти данные и зная КПД устройств, входящих в солнечную электростанцию, можно рассчитать необходимое количество солнечных модулей, параметры контроллера заряда, мощность инвертора, ёмкость аккумуляторов, необходимость и мощность дополнительного источника энергии и зарядного устройства. Желательно все компоненты системы рассчитывать с избытком, т.к. природные явления, к которым относится инсоляция, могут сильно различаться в разные годы. Если не учесть пусковые токи при выборе мощности инвертора, то при включении оборудования возможны отключения из-за перегрузки и даже выход из строя дорогостоящего электронного блока. [1] 1.6. Основные элементы автономной солнечной электростанции 1.6.1. Солнечные модули Солнечные фотоэлектрические модули представляют собой батарею полупроводниковых элементов, обладающих фотоэлектрическими свойствами (способностью генерировать ЭДС под воздействием фотонов света), объединённую в единую конструкцию. Для лицевой поверхности модуля в настоящее время используют специальное просветлённое и закалённое стекло с антибликовой поверхностью или прозрачный поликарбонат. Элементы герметизируются в вакуумной камере пластическими материалами. Наибольшее распространение получили модули с применением поли- и монокристаллов кремния. Также используется аморфный кремний и полупроводники не на кремниевой основе. Элементы соединены последовательно и/или параллельно для получения нужных параметров по току и напряжению. Обычно для придания дополнительной прочности модуль обрамляется в рамку из алюминиевого профиля. Контакты выводятся в герметичную коробку на задней поверхности модуля. Для построения солнечной электростанции модули располагают на каркасе под оптимальным углом к солнечным лучам, для каждого времени года и местности этот угол имеет разное значение. Иногда применяют специальные устройства для автоматического позиционирования модулей на солнце — трекеры, это позволяет увеличить дневную выработку энергии на 20-50%. Модули соединяют в общую систему проводами, для уменьшения потерь длина проводов должна быть как можно меньше, а их сечение как можно большим.   1   2   3   4