IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

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 еще больше. Страны ЕЭС планируют довести производство электроэнергии от альтернативных и возобновляемых источников до 20% от всей произведенной энергии к 2020 году.

В некоторых частях России существует проблема дефицита мощностей, а иногда просто нет возможности, 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 влияют 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 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.

Схема установки

Для изучения характеристик солнечных элементов был создан специальный стенд, имитирующий работу батареи солнечных элементов в различных условиях (Рис. 1).

Рис. 1. Схема и фотография установки для изучения характеристик батареи солнечных элементов

1 - панель управления, 2 - выключатель питания установки со светодиодной индикацией, 3 - выключатель питания вентиляторов обдува солнечной батареи, 4 - цифровой термометр, 5 - регулятор спектрального состава излучения, 6 - переключатель режимов исследования солнечной батареи: в режим изучения выходных характеристик или в режим зарядки аккумулятора, 7 - переключатель режимов для вольтметра, соответствует режимам переключателя 6, 8 - выключатель амперметра, 10 - переменные резисторы для построения вольтамперной характеристики солнечной батареи, 11 - разъёмы для подключения измерительных приборов, 12 - панель, на которую крепятся галогенные лампы, 13 - галогенные лампы, 14 - вентиляторы охлаждения галогенных ламп, 15 - система жалюзи, 16 - фиксатор системы жалюзи, 17 — вентиляторы обдува батареи солнечных элементов, 18 - термодатчик от цифрового термометра 4, 19 - панель для регулирования угла наклона поворотной платформы с солнечной батареей, 20 - фиксатор поворотной платформы, 21 - поворотная платформа с солнечной батареей, 22 - регулятор заряда аккумулятора, 23 - аккумулятор, 24 - инвертор, 25 - амперметр и вольтметр, 26 - полка для измерительного оборудования, 27 - отсек для дополнительного оборудования.

Устройство установки

На панели управления расположены основные элементы управления. Включение установки осуществляется при помощи выключателя питания 2. При включении запускается схема питания галогенных ламп и стабилизированный блок питания для вентиляторов системы их охлаждения. Выключатель 3 управляет вентиляторами системы обдува солнечной батареи. Выключатели 2 и 3 снабжены светодиодной индикацией.

Трёхпозиционный переключатель 6 служит для изменения режима исследования солнечной батареи: режим построения вольтамперной характеристики или режим зарядки аккумулятора. Третья нейтральная позиция отключает солнечную батарею от нагрузки и используется для подключения внешней измерительной аппаратуры.

Выключатель 7 переключает вольтметр для измерения напряжения в режимах зарядки аккумулятора или построения вольтамперной характеристики. Выключатель 8 включает или отключает амперметр, закорачивая его, для более точных измерений без потерь на амперметре. Выключатель 9 включает и отключает нагрузку от аккумуляторной батареи. Нагрузкой является инвертор или любой потребитель постоянного тока.

Резисторы R1 и R2 обозначение 10 используются для построения вольтамперной характеристики, включены последовательно. R1 - подстроечный резистор 0,5 кОм, R2 - основной резистор 7 кОм. Резисторы имеют мощность в 25 ватт каждый, что минимум в 2,5 раза превышает мощность, выдаваемую солнечной батареей при максимальном уровне её освещённости в 1000 Вт/м². При максимальном сопротивлении двух резисторов в 7,5 кОм, ток протекающий через них близок к нулю, при помощи этого получаем напряжение холостого хода.

Спектральный состав галогенных ламп регулируем при помощи изменения напряжения их питания регулятором 5. Вокруг рукоятки регулирования напряжения присутствует разметка в 200, 220, 240 вольт. Использование напряжения более 240 вольт может вызвать перегорание ламп, а при напряжении менее 200 вольт мощность ламп сильно падает, поэтому выбран именно этот интервал изменения напряжения.

Цифровой термометр 4 измеряет температуру, как солнечной батареи, так и температуру корпуса установки. Термометр имеет точность до десятых долей градуса, совершает измерения каждые 5-7 секунд, имеет интервал измерения температуры от -30 до +70 градусов Цельсия. Этих характеристик достаточно для построения температурных зависимостей характеристик солнечной батареи.

В основе работы установки лежит использование 12-ти галогенных ламп, в качестве источника света, имитирующих солнечное освещение. В установке использованы галогенные лампы т.к. они по своему спектральному составу излучения наиболее близко соответствуют солнечному излучению. Лампы расположены на специальной металлической пластине, отполированной с нижней стороны для более полного отражения излучения ламп. Каждая лампа снабжена рассеивающим отражателем, который равномерно распределяет излучение ламп по облучаемой поверхности и направляет большую часть излучения в нужном направлении.

Каждая лампа имеет мощность в 50 ватт, что суммарно составляет 600 ватт на 12 ламп. КПД галогенных ламп не превышает 15-20%, высок уровень нагрева самих ламп и всей установки в целом. Для использования ламп в расчётном температурном режиме и соблюдения температурного режима в самой установке установлены вентиляторы для охлаждения ламп, патронов для ламп и проводов питания. Вентиляторы 14 запускаются при запуске установки выключателем питания 2.

Уровень освещенности солнечной батареи регулируется системой жалюзи 15, представляющих собой набор пластин, изменяющих угол наклона, тем самым осуществляется регулировка интенсивности проходящего светового излучения. Данная конструкция имитирует различную освещённость солнечной батареи в различное время суток и в различных погодных условиях. Верхняя часть пластин закреплена на осях, относительно которых пластины могут поворачиваться. Снизу к пластинам прикреплена направляющая, отвечающая за параллельность пластин и, следовательно, за равномерность изменения интенсивности падающего излучения на всю поверхность солнечной батареи, что важно для получения максимального КПД. Положение направляющей фиксируется фиксатором 16.

Солнечная батарея расположена на поворотной платформе 21, что имитирует различный угол падения солнечных лучей. Фиксация положения поворотной панели осуществляется при помощи фиксатора 20. На панели регулирования уровня наклона 19 размечены основные углы, при которых производятся измерения.

На рисунке 2.5 поворотная платформа крепится фиксатором на панели регулирования угла наклона при углах от 0° до 90°, на рис 2.5 этот угол составляет 30°. Панель регулирования угла наклона имеет ряд фиксированных углов в 0°, 30°, 45°, 60° и 90°, между этими значениями угол можно менять непрерывно.

На рисунке 6 изображён термодатчик, прикреплённый к поворотной платформе, рядом с солнечной батареей. Термодатчик подключен к цифровому измерителю температуры. Конец термодатчика окрашен в чёрный цвет чтобы соответствовать цвету и температуре солнечной батареи.

Для изменения температуры батареи используются вентиляторы 17, включаемые выключателем 3 на панели 1. Так же они служат для охлаждения батареи в режиме её длительной работы. Отключение вентиляторов производится для повышения температуры батареи и исследования температурной зависимости основных выходных величин.

Для имитации работы солнечной электростанции и исследования основных её составляющих и их КПД установка имеет три компонента: аккумулятор, регулятор заряда аккумулятора, инвертор. На установке используется аккумулятор фирмы DALTA.

Аккумулятор способен заражаться при низких значениях тока зарядки и не обладает эффектом «памяти», что удобно при неполном цикле зарядки, так как ток зарядки в установке не превышает 200 мА.

Регулятор заряда аккумулятора Steca Solar pr 0505 служит для предотвращения перезаряда аккумулятора и выхода его из строя. Также регулятор обладает широтно-импульсной модуляцией тока зарядки, тем самым подбирает оптимальные напряжение и ток зарядки аккумулятора, оптимизируя процесс зарядки. Регулятор заряда имеет индикацию уровня заряда аккумулятора в виде зелёного и красного светодиодов, а также индикацию питающего напряжения от солнечной батареи - жёлтый светодиод. Имеется функция автоматического отключения нагрузки при перезаряде аккумулятора.

Инвертор необходим для исследования всего цикла получения переменного напряжения в автономной солнечной электростанции или автономной установке резервного питания. Инвертор преобразует постоянное напряжение 12 вольт в переменное 220 вольт.

Для изменения температуры батареи используются вентиляторы 17, включаемые выключателем 3 на панели 1. Так же они служат для охлаждения батареи в режиме её длительной работы. Отключение вентиляторов производится для повышения температуры батареи и исследования температурной зависимости основных выходных величин. Для питания вентиляторов использован стабилизированный источник питания на 12 вольт. Все вентиляторы выполнены на шарикоподшипниках и имеют срок службы 50000 часов. Производительность вентиляторов около 1м³ в минуту, что достаточно для быстрого и эффективного охлаждения. Два таких же вентилятора стоят в системе охлаждения галогенных ламп.

Вся установка выполнена в металлическом корпусе и имеет внутренний автомат защиты от короткого замыкания, что хорошо с точки зрения противопожарной безопасности.

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.

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 и дальнейшие исследования:

1. Увеличение мощности ламп источника света. Суммарная мощность ламп в установке составляет 600 ватт, возможна замена действующих ламп по 50 ватт на 100 ваттные с целью увеличения суммарной плотность излучения. При этом сократится время зарядки аккумулятора, что позволит изучать его зарядку в различных режимах.

2. Добавление дополнительных ламп другого спектрально состава, например, энергосберегающих со световой температурой в 6400К. Это позволит более широко изучить спектральную зависимость выходных характеристик солнечной батареи.

3. Усовершенствование системы «жалюзи» для более плавного регулирования плотности излучения.

4. Применение различных типов батарей солнечных элементов для анализа и сравнения их эффективности.

5. Частичная автоматизация процесса. Дорогостоящий, но более эффективный метод непрерывного сбора данных.

6. Применение МРРТ - контроллеров заряда аккумулятора и анализ их эффективности. При достаточно высокой мощности ламп возможна установка данного типа контроллеров заряда, которые отслеживают максимальную точку мощности солнечной батареи. При этом возможно сравнить эффективность стандартного контроллера с ШИМ и МРРТ.

7. Так же было создано методическое руководство для применения установки в лаборатории при исследовании солнечных батарей, которое позволит проводить лабораторные работы по изучению и исследованию работы солнечной батареи. 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.

Изучение работы солнечного коллектора

В связи с постоянным ростом использования солнечной энергетики, существует проблема более полного изучения этого вопроса с целью повышения эффективности энергопроизводства. Для изучения характеристик солнечных элементов был создан специальный стенд, имитирующий работу батареи солнечных элементов в различных условиях (Рис. 2).

Схема и устройство установки

Рис. 2. Схема и фотография установки для изучения характеристик солнечного коллектора.

1 - панель управления, 3 - выключатель питания установки со светодиодной индикацией, 4 Ш цифровые термометры для показания температур в верхней и нижней частях бака, 5 - панель, на которой закреплены прожекторы, 6 - шланги с водой, 7 - платформа, 8 - солнечный коллектор, 9 - фиксатор угла наклона солнечного коллектора, 10 - отсек для дополнительного оборудования, 11 - прожекторы, 12 – вентиляторы, охлаждающие прожектор.

Устройство установки

На каждый квадратный метр поверхности, находящийся перпендикулярно солнечным лучам, падает 800—1000 Ватт энергии за 1 час, то есть примерно 1 кВт/ч. “Собрать” и использовать эту энергию для нагрева воды, поможет солнечный водонагреватель-коллектор. Особенность коллекторов состоит в том, что лучевоспринимающая поверхность обеспечивает максимальное тепловосприятие за счет избирательности к тепловому спектру солнечного потока и нагревает воду, проходящую по трубкам внутри.

Солнечный водонагреватель-коллектор состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 45 °С. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-накопитель. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Для нагрева 100 литров воды солнечная установка должна иметь 2- 3 кв. метра солнечных коллекторов. Такая водонагревательная установка в солнечный день обеспечит нагрев воды до температуры 90°С. В зимний период до 50°С.

На панели управления расположены основные элементы управления. Включение установки осуществляется при помощи выключателя питания. При включении запускается схема питания прожекторов. На датчиках начинает показываться температура в нижней части бака (1) и температура в верхней части бака (2). Термометры имеют точность до десятых долей градуса, совершают измерения каждые 5-7 секунд, имеют интервал измерения температуры от -30 до +70 градусов Цельсия. Этих характеристик достаточно для построения температурных зависимостей характеристик солнечного коллектора. В основе работы установки лежит использование 6-ти прожекторов, в качестве источника света, имитирующих солнечное освещение. Прожекторы расположены на специальной металлической пластине, отполированной с нижней стороны для более полного отражения излучения ламп. В установке использованы прожекторы, так как они по своему спектральному составу излучение наиболее близко соответствуют солнечному излучению.

Каждый прожектор имеет мощность в 120 ватт, что суммарно составляет 900 ватт. Для использования прожекторов в расчётном температурном режиме в самой установке установлены два вентилятора для охлаждения прожекторов. Вентиляторы запускаются при запуске установки автоматически.

Солнечный коллектор расположен на платформе 7. Фиксация положения поворотной панели осуществляется при помощи фиксатора 7 на нём размечены основные углы, при которых производятся измерения.

Солнечный коллектор можно ставить по любой угол наклона в промежутке от 0° до 90°.

В работе был использован плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. Солнечное излучение, проникая через стекло в коллектор, поглощается черными трубками и нагревает рабочее вещество в трубках. Плоский солнечный водонагреватель-коллектор - устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии Солнца. Это плоская тепловоспринимающая панель, площадью 0.1288 кв. метра, в которой помещены трубки для воды. Поверхность этой панели, обращенная к источнику света - черная, для лучшего нагрева. Для снижения тепловых потерь она установлена в корпус, выполненная в виде плоской рамы. Снизу панель теплоизолирована, а сверху защищена прозрачной изоляцией - стеклом. Для наиболее эффективного использования солнечного излучения необходимо установить солнечный коллектор точно под прямым углом к направлению солнечных лучей. Однако Солнце постепенно движется, и в зависимости от сезона меняется его высота над горизонтом. Поэтому в идеальном случае солнечный коллектор следовало бы установить таким образом, чтобы он следовал за Солнцем и постоянно сохранял положение, перпендикулярное по отношению к падающим лучам. Устройство такого солнечного коллектора с системой слежения за Солнцем технически возможно, однако оно обошлось бы довольно дорого, поглотив большую часть сметных расходов. Практически такие солнечные коллекторы не изготовляют, они существуют лишь в экспериментальных вариантах. В нашей установке солнечный коллектор установлен неподвижно, в одном положении, с учётом оптимального угла наклона солнечного коллектора к источнику света.

В смонтированной установке бак-аккумулятор выполнен из металла. У него есть ограничения относительно температуры и давления, кроме того он должен соответствовать местным строительным, сантехническим и механическим нормам. Имеет значение вид теплоизоляции, предотвращающей теплопотери, а также защитное покрытие, защищающее бак от коррозии и протечек. В нашем случае был применён изолирующий материал (изопрок).

Расчёты КПД установки

Мощность падающего излучения

где _ — фотометрическая интенсивность

где _ - плотность излучения, _ - коэффициент преобразования из фотометрической в энергетическую единицы

где S – площадь коллектора

где_- мощность прожекторов, падающая на поверхность коллектора.

Для определения наиболее эффективного КПД установки измерения проводились при наклоне коллектора в 30°, 45° и 85°.

Созданная установка позволяет в полной мере изучить работу солнечного коллектора при минимальных затратах получить максимальное значение, определить его основные характеристики. Однако отметим ряд улучшений, которые могут быть применены для более детального изучения вопроса и дальнейшие исследования:

1. Изменение мощности прожекторов для приближения к более реальным условиям.

2. Добавление насоса для более эффективной работы солнечного коллектора.

3. Измерения скорости и давление воды в шлангах.

4. Данная установка даёт возможность оценивать разные типы схем альтернативных источников по их эффективности.

5. Выявлять зависимость световой (тепловой) энергии установки от угла падения лучей.

6. Так же было создано методическое руководство для применения установки в лаборатории при исследовании солнечных батарей. Благодаря этому, она может быть использована в качестве наглядного пособия в лабораторных целях, при определении КПД установки в реальных условиях.

Список использованной литературы

1. Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 344 с.

2. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. - М.: Наука и техника, 1997. - 110 с.

3. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. - М.: Знание, 1990.-128 с.

4. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Знание, 1982. - 120 с.

5. Тёльдеши Ю., Лесны Ю. Мир ищет энергию. - М.: Мир, 1981. - 440 с.

6. Шейдлин А. Е. Новая энергетика. - М.: Наука, 1987. - 463 с.

7. Алферов Ж.И., Андреев В.М. Перспективы фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии. Черноголовка: Изд. ИХФ АН СССР, 1981.

8. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.

Код для цитирования: Скопировать