- 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
основная часть+++++final. Исследование батареи солнечных элементов msm 12700
 Скачать 3.02 Mb.
|
|
2.3.1 Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности при различной плотности излучения Построим вольтамперную характеристику батареи солнечных элементов при плотности излучения 234 Вт/м2 (равно 7033,3 люкс), и двух произвольных значений: 170 Вт/м2 (равно 5100 Люкс) и 120 Вт/м2 (равно 3600 люкс). Яркость источника света устанавливаем при помощи системы жалюзи и люксметра. Для построения вольтамперной характеристики, постепенно меняем сопротивление последовательно включённых резисторов R1 и R2. Изменяющиеся при этом показания амперметра и вольтметра заносим в таблицу. Измерения проводим при температуре T = 30°C.  Табл. 2.1. Таблица параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при напряжении питания 220В и плотности излучения 234,4 Вт/м2. На основе данных таблицы 2.1 построим вольтамперную характеристику и кривую мощности для напряжении питания 220В и плотности излучения 234,4 Вт/м2.  Рис. 2.13. Вольтамперная характеристика для напряжении питания 220В и плотности излучения 234,4 Вт/м2.  Рис. 2.14. Кривая мощности для напряжении питания 220В и плотности излучения 234,4 Вт/м2. Изменяя положение системы жалюзи изменяем плотность излучения, не изменяя при этом его спектральный состав. Все измерения проводились при температуре T = 30°C. Построим графики вольтамперных характеристик и кривых мощности при различной плотности излучения 120 Вт/м2 и 170 Вт/м2. Для этого построим таблицы значений:  А  БТабл. 2.2. Таблица параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при напряжении питания 220В и плотности излучения 120 Вт/м2(табл. 2.2.А), плотности излучения 170 Вт/м2(табл. 2.2.Б). На основе данных таблиц 2.2.А, 2.2.Б построим вольтамперную характеристику и кривую мощности для напряжении питания 220В и плотности излучения 120 Вт/м2, плотности излучения 170 Вт/м2.  Рис. 2.15. Вольтамперная характеристика для напряжении питания 220В и плотности излучения 120 Вт/м2.  Рис. 2.16. Кривая мощности для напряжении питания 220В и плотности излучения 120 Вт/м2.  Рис. 2.17. Вольтамперная характеристика для напряжении питания 220В и плотности излучения 170 Вт/м2.  Рис. 2.18. Кривая мощности для напряжении питания 220В и плотности излучения 170 Вт/м2. Напряжение холостого хода при плотности излучения равной 234 Вт/м2: Uxx = 18.00 вольт, ток короткого замыкания Iкз = 155.7 мА. Напряжение холостого хода при плотности излучения равной 120 Вт/м2: Uxx = 17.89 вольт, ток короткого замыкания Iкз = 94.1 мА. Напряжение холостого хода при плотности излучения равной 170 Вт/м2: Uxx = 17.9 вольт, ток короткого замыкания Iкз = 131 мА. Отсюда можно сделать вывод, что при изменении плотности излучения напряжение холостого хода практически не изменяется. Это обусловлено устройством pn – перехода каждого из элементов солнечной батареи. Ток короткого замыкания меняется пропорционально плотности излучения. Меняя плотность излучения, мы меняем количество фотонов, падающих на элемент солнечной батареи, что в свою очередь определяет число сгенерированных электронов и дырок в p и n областях солнечного элемента, что и определяет величину тока. 2.3.2 Расчёт КПД солнечной батареи и коэффициента заполнения при различной плотности излучения Для расчёта КПД солнечной батареи сравним мощность излучения, падающего на батарею от источника света и мощность, выдаваемую при этом солнечной батареей. Для этого определим площадь солнечной батареи по формуле 2.3:
где S, [м2] – площадь солнечной батареи, a, [м], b[м] – геометрические размеры батареи солнечных элементов.
S = 0,1014м2 Мощность падающего излучения на солнечную батарею определим по формуле 2.4:
где Wi, [Вт] – мощность падающего излучения на солнечную батарею, S, [м2] – площадь солнечной батареи, Et(среднее) - определим из формулы 2.2.
Wi (234) = 23.7276 Вт , Wi (170) = 17.238 Вт, Wi (120) = 12.168 Вт По таблицам: 2.1, 2.2.А, 2.2.Б. и по графикам кривых мощности рис. 2.14, рис. 2.16, рис. 2.18, определим максимальную мощность выдаваемую батареей солнечных элементов при различной плотности падающего излучения: Wmax(234) = 1.9076 Вт Wmax(170) = 1.3499 Вт Wmax(120) = 0.9697 Вт Определим КПД солнечной батареи по формуле 2.5:
где η – КПД, Wi, [Вт] - определяем по формуле 2.4, Wmax, [Вт] – максимальная мощность, выдаваемая солнечной батареей при данной мощности падающего излучения.
η(234) = 0.0804 = 8.04% η(170) = 0.0783 = 7.83% η(120) = 0.0796 = 7.96% Из значений КПД для различных уровней освещённости солнечной батареи при постоянном спектральном составе излучения можно сделать вывод, что с изменением освещённости КПД остаётся примерно постоянным, а небольшие отклонения объясняются погрешностью измерений. Определим коэффициент заполнения как отношение максимальной мощности, выдаваемой солнечной батареей к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Коэффициент заполнения определим по формуле 2.6:
где Kz – коэффициент заполнения, Wmax, [Вт] – максимальная мощность, выдаваемая солнечной батареей при данной плотности падающего излучения, Uxx,[В] – напряжение холостого хода батареи, при отсутствии внешнего потребителя, Iкз, [А] – ток короткого замыкания. Значения Wmax, Uxx, Iкз берём из таблиц 2.1, 2.2.А, 2.2.Б. для различных уровней освещённости.
Kz (234) = 0.6806 Kz (170) = 0.576 Kz (120) = 0.576 Из полученных данных можно сделать вывод, что при уменьшении мощности падающего излучения коэффициент заполнения уменьшается. 2.3.3. Построение вольтамперной характеристики и кривой мощности для различного спектрального состава излучения Чтобы построить вольтамперные характеристики и кривые мощности при различном спектральном составе излучения, используем лабораторный автотрансформатор. Изменяя напряжение на лампах, мы меняем спектральный состав излучения. Измерения проводим при трёх различных напряжениях питания: 200В, 220В, 240В. У рукоятки ЛАТРа имеются разметка, соответствующая данным значениям напряжения. Максимальное значение напряжения, подаваемое с ЛАТРа на лампы, составляет 240 Вольт, дальнейшее увеличение напряжения могло бы вывести лампы из строя. Минимальное напряжение, подаваемое на лампы составляет 200 Вольт, дальнейшее уменьшение напряжения смещает максимум излучения в область инфракрасных волн, поэтому ограничимся этим значением. Измерения проводим при температуре 30°С. Аналогично п.2.3.1. построим таблицы параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при различном напряжении питания и соответствующие им графики вольтамперных характеристик и кривых мощности:  Табл. 2.3. Таблица параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при напряжении питания 200В.  Рис.2.19. Вольтамперная характеристика для напряжении питания 200В.  Рис. 2.20. Кривая мощности для напряжения питания 200В.  Табл. 2.4. Таблица параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при напряжении питания 240В.  Рис.2.21. Вольтамперная характеристика для напряжения питания 240В.  Рис. 2.22. Кривая мощности для напряжения питания 240В. Таблица параметров для вольтамперной характеристики и кривой мощности при напряжении питания 220В и соответствующие ей графики вольтамперной характеристики и кривой мощности приведены в п.2.3.1. В результате анализа графиков вольтамперных характеристик и кривых мощности можно сделать вывод, что при смещении максимума излучения в сторону синей части спектра незначительно возрастает напряжение холостого хода и значительно увеличивается ток короткого замыкания. Вклад в увеличение тока короткого замыкания вносит увеличение мощности самих ламп при повышении напряжения их питания. 2.3.4. Расчёт КПД солнечной батареи и коэффициента заполнения при различном спектральном составе падающего излучения При расчёте КПД солнечной батареи при различном спектральном составе падающего излучения мы должны принимать во внимание фактор изменения мощности падающего излучения, при различном напряжении питания. Зная мощность падающего излучения на поверхность солнечной батареи при напряжении 220В (п.2.3.2) и рассчитав долю изменения мощности за счёт изменения напряжения, определим мощность падающего излучения при напряжениях 200В и 240В. Долю изменения мощности рассчитаем по формуле 2.7:
где X – доля от мощности при питании от начального напряжения, UпитО = 220В – начальное напряжение питания, UпитX – текущее напряжение питания.
X(200) = 0.9091 X(240) = 1,0909 Измерение плотности падающего излучения и затем получение мощности излучения как в п.2.3 и п.2.3.1. при использовании люксметра недопустимо так как в люксметре в качестве датчика используются солнечные элементы, которые не могут воспринимать излучение от инфракрасной части спектра, следовательно, снятые таким образом значения не соответствовали бы реальным значениям. Определим мощность падающего излучения на солнечную батарею по формуле 2.8:
где Ws, [Вт] – мощность падающего излучения на батарею солнечных элементов при произвольном напряжении питания ламп, Wi (220В) = 23.7276 Вт – мощность падающего излучения при напряжении 220В, X – доля от мощности при питании от начального напряжения.
Ws(200) = 21.57 Вт Ws(240) = 25.88 Вт Максимальную мощность излучения для различного спектрального состава определим из табл. 2.1, табл. 2.3, табл. 2.4, и при помощи графиков рис. 2.20, рис. 2.22, рис. 2.14. Wmax(200В) = 1.4195 Вт Wmax(220В) = 1.9076 Вт Wmax(240В) = 2.2329 Вт По формуле 2.5 рассчитаю КПД для различного спектрального состава излучения:
η(200В) = 0.06581 = 6.58% η(220В) = 0.08039 = 8.04% η(240В) = 0.08628 = 8.63% Следовательно при перемещении максимума спектра излучения в сторону синей части спектра (при повышении питающего напряжения на источнике света), происходит увеличение КПД батареи солнечных элементов. Определим коэффициент заполнения для различного спектрального состава излучения по формуле 2.6. Значения Wmax, Uxx, Iкз берём из таблиц 2.1, 2.2.А, 2.2.Б. для различных уровней освещённости.
Kz (200В) = 0.67 Kz (220В) = 0.68 Kz (240В) = 0.66 Анализируя результаты расчётов приходим к выводу, что при изменении спектрального состава излучения, коэффициент заполнения солнечной батареи не изменяется. Что касается уменьшения коэффициента заполнения в случае изменения мощности излучения (рассмотрено в п. 2.3.2) то приходим к выводу, что коэффициент заполнения постоянен и начинает уменьшаться только при уменьшении мощности падающего излучения ниже некоторого значения. Постоянство коэффициента заполнения подтверждает то, что в эксперименте с изменением спектрального состава излучения также менялась и мощность излучения и коэффициент заполнения при этом не изменился. |
