- 2.3.6. Исследование температурной зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания
- 3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора
- 3.1. Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи
- 3.2. Определение КПД инвертора
- 3.3. Определение КПД регулятора заряда и аккумулятора
- 3.4. Определение суммарного КПД всей системы
- Список использованной литературы
основная часть+++++final. Исследование батареи солнечных элементов msm 12700
 Скачать 3.02 Mb.
|
|
2.3.5. Исследование зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания солнечной батареи от угла её поворота по отношению к источнику света  Табл.2.5. Зависимость напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от угла поворота солнечной батареи. На табл. 2.5 представлена зависимость напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от угла поворота батареи солнечных элементов по отношению к источнику света. Исследования проводились для различного спектрального состава излучения. Измерения проводились путём поворота платформы с солнечной батареей на фиксированные углы, при этом снимались искомые параметры. Табл.2.5 показывает, что при изменении угла наклона напряжение холостого хода остаётся примерно постоянным, кроме случая при угле в 90 градусов где напряжение значительно ниже т.к. сказывается неоднородность освещения элементов солнечной батареи. А ток меняется пропорционально косинусу угла наклона батареи, единственно что результаты немного выше косинусоидальной зависимости от угла поворота из-за особенностей конструкции установки. Результаты справедливы для различного спектрального состава излучения и различной мощности падающего излучения, так как изменяя напряжение на лампах накаливания, мы изменяем на только спектральный состав излучения, но и мощность. Определив в п.2.3.4, что коэффициент заполнения примерно постоянен, можно сделать вывод, что максимальная мощность, выдаваемая батареей солнечных элементов, пропорциональна косинусу от угла поворота по отношению к источнику света. 2.3.6. Исследование температурной зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания [4, стр. 137]  Для построения данной зависимости отключаем вентиляторы обдува солнечной батареи, при этом её температура начинает увеличиваться. Производим замеры напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Измерения проводим при различной мощности и различном спектральном составе излучения. Питающее напряжение, подаваемое на лампы 220В и 240В. При 240В мощность, потребляемая лампами, увеличивается с 600 до 655 ватт, что увеличивает температуру нагрева солнечной батареи и позволяет в более широких пределах исследовать температурную зависимость основных выходных величин. Результаты измерений занесены в табл. 2.6 и табл. 2.7.Табл.2.6. Зависимость напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от температуры солнечной батареи при напряжении питания 220В.  Табл.2.7. Зависимость напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от температуры солнечной батареи при напряжении питания 240В. По результатам данных таблиц построены соответствующие графики:   Рис. 2.23. Графики зависимости напряжения холостого хода от температуры для различного напряжения питания ламп. Из рис. 2.23 видно, что с повышением температуры ток короткого замыкания остаётся неизменным а напряжение холостого хода уменьшается линейно, следовательно, учитывая постоянство коэффициента заполнения, повышение температуры снижает мощность солнечной батареи в целом, поэтому при построении солнечной электростанции необходимо задуматься об охлаждении её элементов. Эксперимент показывает снижение напряжения холостого хода на 0.0376 В/°С, в эксперименте при напряжении питания 220В и 0.0488 В/°С для напряжения питания в 240В, что соответствует потере мощности на 0.211 и 0.268 процента соответственно, при повышении температуры на 1°С. 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:
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. 3.3. Определение КПД регулятора заряда и аккумулятора Суммарный КПД регулятора заряда и аккумулятора составляет 83.06 процентов (см. п. 3.2). Определить КПД каждого из этих устройств мы сможем при начальной стадии заряда, так как время зарядки аккумулятора в эксперименте 1 час, а для того чтобы зарядить его на 100 процентов потребуется около 2-х суток, при таком же значении мощности, выдаваемой солнечной батареей. Значение тока до регулятора заряда и после него совпадают в течении всего эксперимента, а значения напряжения несколько отличаются: Uн рег зар = 12.84 В, Uн аккум = 12.54 В, Uк рег зар = 13.4 В, Uк аккум = 13.05 В. Значения напряжения на аккумуляторе начальное и конечное снимаются при включенном токе зарядки. Вычислим разницу начальных и конечных напряжений на аккумуляторе и регуляторе заряда, затем найдём среднее значение просадки напряжения на контроллере заряда. ΔUн = 12.84 – 12.54 = 0.3В, ΔUк = 13.4 – 13.05 = 0.35В, ΔUсреднее = (0.35 + 0.3) = 0.325В. Среднее значение тока, поступающего на контроллер заряда, равно: Iсреднее = 159 мА. Перемножив просадку напряжения на контроллере заряда на среднее значение тока, получим потерю мощности на контроллере заряда:
ΔW = 0.0517 Вт. Посчитаем КПД регулятора заряда по формуле 3.3:
где ΔW, [Вт] определяем из формулы 3.2, W0, [Вт] - мощность, поступающая на регулятор заряда (см. табл. 3.1). Смысл выражения 3.3 состоит в том, что КПД регулятора заряда определяется как отношение мощности на выходе с регулятора заряда к отношению мощности, поступающей на его вход.
ηрег = 0.975 = 97.5% Реальный КПД регулятора заряда несколько ниже. Новейшие контроллеры заряда могут работать в режиме отслеживания точки максимальной мощности солнечной батареи - MPPT контролеры, что ещё могло бы увеличить общий КПД установки. Определим КПД аккумулятора как частное КПД аккумулятора и контролера заряда и КПД контролера в отдельности: ηаккум = 0.8306/0.975 = 0.8519 = 85.19% Проверим суммарные расчёты КПД для всех устройств: произведение кпд всех устройств должно равняться суммарному КПД всей установки без солнечной батареи:
ηрег.зар. = 97.5% ηаккум. = 85.19% ηинвер. = 89.05%
ηуст. = 0.7396 = 73.96% Проверка показывает, что расчёт КПД всех элементов установки выполнен верно, так как произведение КПД отдельных устройств в установке равно суммарному КПД без солнечной батареи. 3.4. Определение суммарного КПД всей системы Определим общий КПД всей установки, включая солнечную батарею, регулятор заряда, аккумулятор и инвертор по формуле 3.5:
где ηуст определим по формуле 3.4, а ηсолн.бат. берём из п.2.3.2 для стандартного значения напряжения питания ламп в 220В. ηсолн.бат. = 8.04% = 0.0804 ηуст. = 73.96% = 0.7396
ηобщ.уст. = 0.0595 = 5.95% Вывод: общий КПД всего цикла производства электроэнергии составляет около 6 процентов. С одной стороны этот показатель невысок, однако, принцип действия автономной солнечной электростанции сводится к тому, что она в течении всего светового дня накапливает энергию(около 10-12 часов) и отдаёт энергию в течении двух-трёх часов в тёмное время суток. Поэтому реальная эффективность данного цикла производства электроэнергии выше, чем 6 процентов. 4. Направление дальнейших исследований и усовершенствования установки Созданная установка позволяет в полной мере изучить работу солнечных элементов, определить их основные характеристики, исследовать работу солнечной батареи в системах автономного энергообеспечения. Однако отметим ряд улучшений, которые могут быть применены для более детального изучения вопроса:
Заключение В ходе написания дипломной работы был создан измерительный стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов имитирующий её работу в реальных условиях. При помощи стенда были проведены следующие исследования:
Установка в дальнейшем может применяться для моделирования процесса производства электрической энергии из энергии солнца. Есть возможность определения реальных характеристик и возможность сравнения эффективности различных типов солнечных элементов. Всё это полезно для моделирования солнечной электростанции с максимальной эффективностью. Список использованной литературы:
|
