Электрические характеристики солнечных панелей. Вах батареи солнечнойВольт-амперная характеристика солнечной батареиСолнечные электростанции, в основу работы которых положен принцип прямого преобразования энергии солнечного излучения в электричество, заняли прочные позиции в общей системе энергообеспечения Земли. С каждым годом мощности этих энергоустановок растет. Если в 2004 году доля электричества, производимого всеми гелиевыми электростанциями, составляли 0.01% от общего производства электричества на Земле, то через десять лет, в 2014, эта доля уже составляла 0.79%. Для сооружения таких электростанций требуется огромное количество кремния – основного полупроводникового материала, который вырабатывает электрический ток при облучении его солнечным светом. С точки зрения эффективности наиболее подходящим для этой цели является чистый монокристаллический кремний. При сборке каждого модуля – независимо от того, предназначен ли этот модуль для установки в мощной промышленной электростанции или в маленькой домашней – большое внимание уделяется качеству каждой ячейки. Размеры ячеек в различных модулях могут быть различными, но в одном модуле все ячейки должны быть строго одного типоразмера. Дело в том, что мощность модуля находится в прямой зависимости от качества каждой ячейки и ее характеристик. Важнейшим параметром является вольт-амперная характеристика солнечной батареи. В сущности, речь идет о параметрах каждой отдельно взятой ячейки, входящей в состав батареи. Ведь мощность модуля в целом – это суммарная мощность ячеек, из которых он состоит. В общем случае вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость тока, протекающего через электрическую цепь от напряжения, приложенного к этой цепи. В случае солнечной батареи эта характеристика рассматривается при наличии дополнительных условий, которые в мировой практике были стандартизированы и применяются сейчас при проектировании всех подобных систем во всем мире. Согласно этим стандартам ВАХ солнечных элементов определяется при мощности излучения солнца равной 1000 ватт на один квадратный метр. При этом температура элементов должна быть равна +25°С, а измерения должны производиться на широте 45°.
На графике обозначены важнейшие точки вольт-амперной характеристики полупроводникового фотопреобразователя – Uxx и Iкз. Для определения рабочих параметров ячеек на этом же графике показана кривая, характеризующая мощность исследуемого фотоэлектрического элемента. Этот график является функцией мощности ячейки в зависимости от нагрузки. Из графика следует, что номинальная мощность того или иного элемента определена как максимально возможная мощность при стандартных исходных параметрах. Напряжение, при котором достигается максимальная мощность, является рабочим напряжением и обозначается Up. Соответственно ток, соответствующий максимальной мощности, является рабочим и обозначается Ip. Понятно, что при нулевых значениях тока или напряжения система не работает, мощность равна нулю. Система в работе, когда ток и напряжение достигают величин, сопоставимых с их рабочими значениями. При этом, как правило, модуль набирается из большего количества ячеек, чем это необходимо для получения рабочего напряжения. Например, для получения значения рабочего напряжения 12 вольт набирается такое количество элементов, чтобы на выходе модуля получить напряжение в 16 – 17 вольт. Это делается для того, чтобы скомпенсировать падение рабочего напряжения из-за нагрева элемента под воздействием солнечных лучей. Дело в том, что у кремниевых полупроводников напряжение холостого хода уменьшается на 0.4% при увеличении температуры ячейки на 1°С. В то же время значение тока короткого замыкания увеличивается на 0.07% при увеличении температуры на 1°С. Если освещенность ячейки меняется, то прямо пропорционально степени освещенности изменяется и значение тока короткого замыкания. В то же время изменение освещенности практически не сказывается на величине напряжения холостого хода. Эффективность солнечной ячейки вычисляется как отношение значения максимальной мощности ее к значению общей мощности излучения солнца, определенной по международным стандартам (STC).
Чтобы получить необходимые рабочее напряжение и требуемую мощность, фотоэлектрические элементы соединяются в электрические цепи. Эти цепи могут быть последовательными или параллельными. При соединении нескольких ячеек в единую электрическую цепь и получают солнечную батарею. При этом выходная мощность батареи всегда оказывается меньше значения арифметической суммы мощностей ячеек, из которых составлена сама батарея. Это обуславливается потерями, возникающими из-за рассогласования характеристик однотипных ячеек. Как было сказано выше, для каждой солнечной батареи подбираются ячейки с максимально приближенными характеристиками. Как физическими (типоразмеры), так и электрическими (вольт-амперные характеристики). Чем более строго производятся контроль и подбор элементов для каждого солнечного модуля, то есть чем меньше разброс характеристик, тем выше электрические показатели всего модуля, тем выше его мощность. Проведенные исследования показали, что если последовательно соединить десять элементов, имеющих разброс характеристик до 10%, то потери мощности составят около 6%. Если ужесточить отбор и снизить разброс характеристик до 5%, то потери мощности уменьшатся до 2%. В процессе эксплуатации солнечной батареи может возникнуть ситуация, когда один или несколько элементов будут затенены. В этом случае при последовательном соединении затененные ячейки будут рассеивать мощность, которую производят ячейки, получающие световое излучение в полном объеме. При этом затененные элементы будут быстро нагреваться и в конечном итоге выйдут из строя. Это, естественно, увеличивает нагрузку на исправные цепи, что приводит к неисправности всей солнечной батареи. Чтобы это не происходило, параллельно каждой ячейке (или группе последовательно соединенных ячеек) подключается байпасный диод. И, наконец, еще одна точка на графике. Это точка МРР – точка максимальной мощности. Мощность всех солнечных модулей определяется всегда именно по этой точке. И контроллеры МРРТ заряда аккумуляторов работают в режиме отслеживания точки МРР при всех режимах зарядки аккумуляторов, а не на последнем, что повышает их эффективность. В этой точке напряжение выше номинального, поэтому заряд аккумуляторов происходит быстрее, чем при использовании контроллеров других типов (например, работающих на принципе широтно-импульсной модуляции). Тем самым при использовании контроллера МРРТ количество электроэнергии, полученной от одного гелиевого модуля на 10% - 30% больше, чем при использовании контроллера ШИМ (при равном количестве солнечного излучения). В современных технологических линиях по производству ячеек для солнечных батарей на всех этапах изготовления установлены тонко юстированные приборы, следящие за качеством изделий. Точно такому же строжайшему контролю подвергаются и все электрические характеристики изготовленных элементов. Только при таких условиях собранный гелиевый модуль в состоянии вырабатывать именно ту мощность, которая была рассчитана при его разработке. solarb.ru Электрические характеристики солнечной батареи: вольт-амперная характеристика.
Рисунок 1.3 – Вольт-амперная характеристика фотоэлемента Важные точки вольт-амперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль: Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен. Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Ip(номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля. При прямом соединении солнечного модуля к аккумуляторной батарее, модуль работает при напряжении, равном напряжению аккумуляторной батареи в данный момент. По мере заряда АБ ее напряжение растет, поэтому модуль может работать в диапазоне напряжения от 10 до 14,5В (здесь и далее используются напряжения для модуля номинальным напряжением 12В. Для модулей с номинальным напряжением 24В значения напряжения нужно умножить на 2). Соответственно, его рабочая точка может быть довольно далеко от оптимальной. Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах Количество аппаратуры определенного типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице 1.
Таблица 1
Таблица 2 - Перечень аппаратуры
Указания по технике безопасности Указания по технике безопасности при выполнении лабораторных работ приведены в приложении А. Указания по проведению эксперимента • Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания. • Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрических соединений, приведенной на рис. 1.4. • Регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1 поверните против часовой стрелки до упора (со щелчком). • Регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ поверните против часовой стрелки до упора. • Установите фотоэлектрический модуль под углом 90 градусов к падающим световым лучам. • Включите устройство защитного отключения и автоматические выключатели блока питания G1. • Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения Р2. • Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте. • Вращая регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1, по вольтметру установите напряжение сети, соответствующее энергетической освещенности Е равной, например, 400 Вт/м2 и следите за ее постоянством в ходе эксперимента. • Переключите мультиметр блока Р1 с подключенной термопарой в режим измерения температуры. • Контролируя температуру поверхности Т фотоэлектрического модуля по показаниям мультиметра, выждете (7... 10 минут), пока она не установится, и зафиксируйте ее. • Вращая регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ, изменяйте ток нагрузки I фотоэлектрического модуля блока А1 и заносите показания амперметра (ток I) и вольтметра (напряжение U фотоэлектрического модуля блока А1) в таблицу 1.1. Таблица 1.1
• При этом обязательно измерьте ток I и напряжение U при максимальной мощности, отдаваемой фотоэлектрическим модулем, которую контролируйте по ваттметру блока нагрузки и измерения АЗ. • По завершении эксперимента регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1 поверните против часовой стрелки до упора (со щелчком). Отключите автоматические выключатели блока питания G1. Отключите выключатели "СЕТЬ" блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения АЗ. • Используя результаты табл. 1.1, постройте искомую вольт-амперную характеристику фотоэлектрического модуля U=f(I) при Е = const и Т = const. Содержание отчета Отчет должен содержать: · название работы; · цель работы; · краткие теоретические сведения; · описание используемого оборудования и материалов; · порядок выполнения работы; · вычисления и обработка результатов, построение графиков; · выводы.
Рисунок 1.4 – Схема электрических соединений
Контрольные вопросы 1.Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель. 2. Назовите основные элементы лабораторного стенда и объясните их назначение. 3. Конструкция солнечного элемента. 4. Что называют солнечным модулем? Основные типы модулей? 5. Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечного элемента? Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме 1. Правила технической эксплуатации электроустановок потребите- лей. – М.: Энергосервис, 2003. – 162 с. 2.Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : Учебное пособие / ,Сибикин Ю.Д., Сибикин Ю.Д. М.: ИП РадиоСофт, 2009. 232 с. Интернет-ресурсы: 1. Электронный образовательный ресурс [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.edu.ru/ 2. Электронная библиотека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elibrari.ru/ 3. Университетская библиотека online [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.biblioclub.ru/ 4. Электронная библиотека технической литературы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tehlit.ru/ Лабораторная работа № 2 Снятие энергетической характеристики фотоэлектрического модуля P=f(U) Цель:изучение аппаратуры, используемой в экспериментах, снятие и построение энергетической характеристики фотоэлектрического модуля Р=f(I). Формируемые компетенции:
Знания и умения, приобретаемые студентом в результате освоения темы Знает - физические принципы, на которых основана работа установок по выработке нетрадиционных видов энергии; - типовые электротехнологические процессы преобразования энергии; - виды энергии которые можно использовать; Умеет: - работать со справочной литературой, отражающей характеристики материалов; - внедрять электротехнологические способы преобразования нетрадиционных видов энергии; - грамотно эксплуатировать электротехнологические и энергетические установки. Владеет: - методами оценки свойств и способами подбора материалов для проектируемых систем - методиками выполнения расчетов применительно к использованию электротехнических и конструкционных материалов; - навыками проведения стандартных испытаний и входного контроля материалов и комплектующих электроэнергетического и электротехнического оборудования Теоретическая часть Характеристики солнечного элемента • Напряжение холостого хода − это максимальное напряжение, создаваемое солнечным элементом, возникающее при нулевом токе (рис. 1.7). Оно равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения p–n-перехода при появлении светового тока. Напряжение холостого хода обычно обозначается хх или . Напряжение холостого хода монокристаллических солнечных элементов высокого качества достигает 730 мВ. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне 600 мВ. Напряжение холостого хода солнечного элемента мало меняется при изменении освещенности.
Рис.2.1. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и напряжение холостого хода • Ток короткого замыкания − это ток, протекающий через солнечный элемент, когда напряжение равно нулю (то есть когда солнечный элемент замкнут накоротко) (рис. 2.2). Ток короткого замыкания обычно обозначается 𝐼кз или 𝐼𝑠𝑠. Он возникает в ре-зультате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном солнечном элементе при условии умеренных резистивных потерь он равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать солнечный элемент. Кроме того, он прямо пропорционально зависит от интенсивности света. • На практике солнечный элемент работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучшее их сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ), соответствующие напряжение и ток обозначаются 𝑈тмм и 𝐼тмм. • Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента (fill factor, FF). Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода − это максимальные ток и напряжение, которые можно получить от солнечного элемента. Однако, при напряжении холостого хода и токе короткого замыкания мощность солнечного элемента равна 0.
Рисунок 2.2 Коэффициент заполнения – параметр, который в сочетании с напряжением холостого хода и током короткого замыкания определяет максимальную мощность солнечного элемента. Он вычисляется, как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания:
𝐹𝐹 = (𝑈ТММ ∙𝐼ТММ)/(𝐼кз∙𝑈хх),
где 𝑈ТММ – напряжение в точке максимальной мощности (ТММ), В; 𝐼ТММ – ток в ТММ, А; 𝑈хх – напряжение холостого хода, В; 𝐼кз – ток короткого замыкания, А. Графически коэффициент заполнения представляет собой меру квадратичности солнечного элемента и равен максимальной площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную кривую (рис. 1.9). Так как коэффициент заполнения является мерой квадратичности вольт-амперной кривой, солнечный элемент с более высоким напряжением будет иметь и более высокий возможный коэффициент заполнения, поскольку закругленная часть кривой занимает меньше места. Коэффициент заполнения ВАХ является одним из основных параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ более 0,7. Бракованные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ от 0,4 до 0,65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ 0,4–0,7. Чем больше коэффициент заполнения ВАХ, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления. При изготовлении каждый солнечный элемент тестируется и при этом измеряется его ВАХ и коэффициент заполнения. Если последний меньше 0,7, то элемент классифицируется как Grade B и продается производителям супердешевых панелей, которые должны уведомлять покупателей о низком качестве элементов. • Коэффициент полезного действия (КПД) является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух солнечных элементов. Он определяется как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элементом, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме собственно производительности солнечного элемента, КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излучения и температуры солнечного элемента. Поэтому для сравнения двух солнечных элементов нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. КПД солнечного элемента определяется как часть падающей энергии, преобразованной в электричество [3]: η=(Р max/ P пад)∙100%,
где Pmax – максимальная мощность солнечного элемента, Вт, вычисляется по формуле Рmax = Uтмм ∙ Iтмм = FF ∙ Iкз ∙ Uхх, где Uтмм – напряжение в точке максимальной мощности, В; Iтмм – ток в точке максимальной мощности , А; FF – коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики; Iкз – ток короткого замыкания, А; Uхх – напряжение холостого хода, В. Pпад – мощность падающего солнечного излучения, Вт. lektsia.com Трекеры - системы ориентации солнечных батарейВольт-амперная характеристика СЭ представляет собой суперпозицию вольт-амперной характеристики диода в темноте и светового тока СЭ. Под действием света вольт-амперная характеристика смещается вниз в четвертую четверть, в которой находится полезная мощность. Освещение СЭ добавляет световой ток к темновому току и уравнение диода принимает вид:  где IL — световой ток. Влияние света на вольт-амперную характеристику p-n переходаУравнение вольт-амперной характеристики в первой четверти записывается как
Слагаемым (-1) в этом уравнении обычно можно пренебречь. Экспоненциальная составляющая обычно >> 1 для всех напряжений, кроме очень маленьких (меньше 100 мВ). При низких напряжениях световой ток IL преобладает над током I0(...), поэтому (-1) можно опустить. Темновой ток , I0 = 1e-10 A Световой ток , IL = 0.5 A Коэффициент идеальности , n = 1 Температура, T = 300 K Напряжение, V = 0.5 В Ток, I = 0.4753 A Далее обсуждаются некоторые важные параметры, используемые для характеристики СЭ. Основными среди них являются ток короткого замыкания ISC, напряжение холостого хода VOC, коэффициент заполнения FF и коэффициент полезного действия. Эти параметры можно рассчитать из вольт-амперной характеристики. Ток короткого замыканияТок короткого замыкания — это ток, протекающий через СЭ, когда напряжение равно нулю (то есть когда СЭ замкнут накоротко). Ток короткого замыкания обычно обозначается как ISC. Ток короткого замыкания на вольт-амперной характеристике.Ток короткого замыкания возникает в результате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном СЭ при условии умеренных резистивных потерь ток короткого замыкания равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать СЭ. Ток короткого замыкания зависит от ряда параметров, описанных ниже: - Площадь СЭ. Обычно вместо тока короткого замыкания рассматривают плотность тока короткого замыкания (Jsc в мА/см2). Это позволяет не учитывать площадь СЭ. - Число фотонов (то есть мощность падающего излучения). ISC прямо зависит от интенсивности света, как это было показано в пункте "Влияние интенсивности излучения". - Спектр падающего излучения. Для большинства измерений проводимых с СЭ используется спектр при условии AM1.5. Оптические свойства (поглощение и отражение) СЭ. О них говорится в пункте "Оптические потери". - Вероятность разделения носителей в СЭ, которая зависит главным образом от пассивации поверхности и времени жизни неосновных носителей в базе.При сравнении однотипных СЭ критическим параметром является диффузионная длина и пассивация поверхности. В СЭ с идеально пассивированной поверхностью и равномерной генерацией ток короткого замыкания можно записать, как
где G — скорость генерации, Ln и Lp диффузионная длина электронов и дырок соответственно. Хотя это уравнение использует некоторые допущения, не выполняющиеся в большинстве реальных СЭ, оно показывает, что ток короткого замыкания сильно зависит от скорости генерации и диффузионной длины. Максимальная плотность тока солнечных кремниевых элементов при условии АМ 1.5 равна 46 мА/см2. Плотность тока лабораторных СЭ достигает 42 мА/см2, коммерческих — 28 — 35 мА/см2. Световой ток и ток короткого замыкания (IL или Isc ?)Световой ток — это ток, сгенерированный светом внутри СЭ. Его значение нужно использовать в уравнении СЭ. При разомкнутой цепи измеряется ток короткого замыкания. Так как об Isc обычно равен IL, эти токи являются взаимозаменяемыми, а в уравнении СЭ Isc записывают вместо IL. В случае очень высокой плотности последовательного сопротивления (> 10 Ом см2) Isc становится меньше IL и использовать его в уравнении СЭ не правильно. Также предполагается, что IL зависит только от падающего излучения и не зависит от напряжения на СЭ. Однако на самом деле это не так и в некоторых СЭ IL зависит от напряжения. Напряжение холостого ходаНапряжение холостого хода, Voc, — это максимальное напряжение, создаваемое СЭ, возникающее при нулевом токе. Напряжение холостого хода равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения p-n перехода при появлении светового тока. Напряжение холостого хода на вольт-амперной характеристике показано ниже. Вольт-амперная характеристика СЭ и напряжение холостого хода. Voc можно определить, положив в уравнении СЭ ток равным нулю:
Ток насыщения , I0 = 1e-10 A Световой ток , IL = 0.5 A Коэффициент идеальности , n = 1 Температура, T = 300 K Voc = 0.578 В Это уравнение показывает, что Voc зависит от тока насыщения СЭ и светового тока. Обычно ISC изменяется незначительно, поэтому основное влияние на Voc оказывает ток насыщения, который может изменятся на порядок. Ток насыщения I0 зависит от рекомбинации в СЭ. Значит напряжение холостого хода характеризует рекомбинацию в устройстве. Напряжение холостого хода монокристаллических СЭ высокого качества достигает 730 мВ при условии АМ1.5, 1 Sun. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне около 600 мВ. Voc также можно определить из концентрации носителей:
где kT/q — тепловое напряжение, NA — концентрация легирующей примеси, Δn — концентрация избыточных носителей, ni — собственная концентрация. Когда Voc определяют через концентрацию носителей, его также называют значащим напряжением. Концентрация легирующей примеси , NA = 1.5e16 cм-3 Концентрация избыточных носителей, Δn = 1e15 cм-3 Температура, T = 298 K Собственная концентрация носителей , ni = 8.6e9 cм-3 Voc = 0.667 В Коэффициент заполненияТок короткого замыкания и напряжение холостого хода — это максимальные ток и напряжение, которые можно получить от СЭ. Однако, мощность СЭ в обеих этих точках равна нулю. Коэффициент заполнения, который обычно обозначается «FF», — это параметр, который в сочетании с VOC и ISC определяет максимальную мощность СЭ. FF определяется, как отношение максимальной мощности СЭ к произведению VOC и ISC. Графически FF представляет собой меру квадратичности СЭ и равен максимальной площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную кривую. FF показан на следующем изображении. Зависимость выходного тока (красная линия) и мощности (синяя линия) СЭ от напряжения. Так же показаны точки тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, максимальных тока и напряжения. Нажмите на изображение, чтобы увидеть, как изменяется кривая для СЭ с низким FF. Так как FF является мерой квадратичности вольта-амперной кривой, СЭ с более высоким напряжением будет иметь более большой возможный FF. Это следует из того, что закругленная часть кривой занимает меньше места. Максимальный теоретически возможный FF можно определить дифференцируя мощность по напряжению и приравнивая производную к нулю:
что дает:
Однако этот метод не дает окончательного уравнения. Уравнение выше связывает VOC и VMP. Чтобы найти FF и IMP нужно записать дополнительные уравнения. Часто используют эмпирическое уравнение для FF:
где VOC — это значащее VOC.
Напряжение холостого хода , Voc = 0.6 В Коэффициент идеальности , n = 1 Температура, T = 300 K значащее VOC , voc = 23.1884 В Коэффициент заполнения , FF = 0.8274 Это уравнение показывает, что чем больше напряжение, тем больше теоретический FF. Для СЭ, выполненных по одинаковой технологии, значения VOC обычно отличаются не очень сильно. Например, под действием 1 Sun разница между лабораторными и коммерческими СЭ составляет около 120 мВ, что дает максимальный FF 0.85 и 0.83 соответственно. FF может различаться существенно для СЭ из разных материалов. Например, FF солнечных элементов на основе GaAs может достигать 0.89. Также уравнение, записанное выше, показывает важность коэффициента идеальности СЭ, называемого n-фактором. Величина коэффициента идеальности характеризует качество p-n перехода и говорит о виде рекомбинации в СЭ. При наличии обычных механизмов рекомбинации, n-фактор равен 1. Однако, в других случаях n может принимать значение 2 и др. Высокое значение n уменьшает не только FF, но и напряжение холостого хода, так как оно свидетельствует о наличие высокой скорости рекомбинации. На практике FF всегда ниже идеального значения в следствие присутствия паразитных сопротивлений, о которых говорится в пункте "Влияние паразитных сопротивлений". Поэтому FF чаще всего определяют из вольт-амперной характеристики как максимальную мощность деленную на произведение ISC и VOC:
Напряжение холостого хода , Voc = 0.611 В Ток короткого замыкания , Isc = 2.75 A Напряжение в точке максимальной мощности , Vmp = 0.500 В Ток в точке максимальной мощности , Imp = 2.59 A Результирующий коэффициент заполнения, FF = 0.7707 Коэффициент полезного действияКПД является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух СЭ. КПД определяется как отношение мощности, вырабатываемой СЭ, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме собственно производительности СЭ КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излучения и температуры СЭ. Поэтому для сравнения двух СЭ нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. Наземные СЭ измеряются при АМ1.5 и температуре 25 С. СЭ, предназначенные для использования в космосе, измеряются при АМ0. КПД СЭ определяется, как часть падающей энергии, преобразованной в электричество:
где Voc — напряжение холостого хода Isc — ток короткого замыкания FF — коэффициент заполнения η — КПД Для элемента площадью 10×10 см2 при плотности потока падающего излучения 100 мВт/см2 Voc = 0.611 В Isc = 3.5 A FF = 0.7 Pin = 10 Вт Pmax = 1.1762 Вт КПД, η = 14.9695 % PVCDROM Christiana Honsberg и Stuart Bowdenust.su Характеристики солнечных панелей | Автономная энергияЭлектротехнические параметры, которые указаны в паспорте солнечной панели – это статистические данные, полученные в результате лабораторных измерений при определенных условиях. Поэтому не стоит рассчитывать на получение указанных в паспорте параметров и реальных условиях. Необходимо учитывать, что указанные параметры солнечных панелей были вычислены при стандартных условиях тестирования (STC) солнечных панелей:
Вольтамперная характеристика солнечной панели (ВАХ):
На данном графике показана ВАХ солнечной панели, то есть зависимость тока от напряжения. Давайте рассмотрим основные электрические характеристики, показанные на данном графике: Uxx – напряжение холостого хода Iкз — ток короткого замыкания Up – напряжение максимальной мощности Ip – ток максимальной мощности Pm – максимальная мощность (на графике обозначена точкой пересечения пунктирных линий) И другие не менее важные характеристики, такие как номинальное напряжение и температурный коэффициент.
Напряжение холостого хода (обозначается Uхх или Voc) – это напряжение солнечной панели без подключения нагрузки. Напряжение холостого хода можно измерить, подключив мультиметр на выводы солнечной панели (плюс к плюсу, минус к минусу), при этом нагрузка должна отсутствовать, то есть солнечная панель должна быть отключена от любых других приборов (контроллера инвертора, аккумулятора и т.д.). Ток, при напряжении холостого хода равен нулю, так как он никуда не течёт. Напряжение холостого хода указывается в паспорте, а также на шильдике сзади солнечной панели. Напряжение холостого хода важно для определения максимально возможного напряжения, которое может выдавать солнечная панель или несколько солнечных панелей, соединенных последовательно. Используя коэффициент температурной коррекции напряжения, можно вычислить максимально возможное напряжение солнечного модуля при низкой температуре. Это напряжение не должно быть выше, чем максимально допустимого напряжения контроллера или инвертора.
Ток короткого замыкания (обозначается как Iкз или Isc) – максимальное значение тока в режиме холостого хода, то есть без нагрузки. В случае замыкания выводов панели между собой или же в случае пробоя проводника на землю возникнет ток такой величины. Теоретически – это максимальный ток, который выдает солнечная панель при стандартных условиях (STC). Но практически, когда мы подключаем реальную нагрузку к солнечной панели, ток уменьшается.
Напряжение максимальной мощности (обозначается Uмм или Vmp) – это напряжение при работе солнечной панели с максимальной эффективностью, т.е. когда она выдает свою пиковую мощность при стандартных тестовых условиях (STC). При подключении солнечной панели к аккумулятору или нагрузке рабочее напряжение сильно отличается от напряжение максимальной мощности, порой на несколько вольт.
Ток максимально мощности (обозначается Iмм или Imp) – это максимально возможный ток, который может давать солнечная панель под нагрузкой с напряжением максимальной мощности Vmp при стандартных тестовых условиях (STC).
Максимальная мощность (обозначается Pm) – максимальная мощность солнечной панели при стандартных условиях тестирования (STC). Максимальная мощность равна произведению напряжения максимальной мощности на ток максимальной мощности (Pm= Vmp* Imp). Следовательно, если Вы приобретаете солнечную панель мощностью 100Вт, это означает, что она сможет выдавать 100 Вт только при освещенности 1000Вт/кв.м при температуре 25 градусов С и напряжении нагрузки в цепи равном напряжению максимальной мощности. Например, возьмем светодиодную лампочку, мощностью 60Вт 12В и подключим её к солнечной панели FSM-100M мощностью 100 Вт и Iкз=5,82 Ампер, тогда напряжение всей цепи увеличивается до напряжения нагрузки (12 В) и ток по закону Ома уменьшается и будет равен 5А (мощность подключаемой нагрузки 100Вт разделить на напряжение в цепи 12В). А если мы возьмем лампу 100Вт 12В и так же подключим к данной солнечной панели? Давайте посчитаем необходимый ток для этой лампочки: 100Вт/12В=8,33 А. Но данная панель не способна выдать такой ток для питания данной лампочки. При 12 В и стандартных условиях тестирования, мощность данной солнечной панели будет примерно 72 Вт (исходя из вольтамперной характеристики солнечной панели), а это означает, что при 12 В она сможет дать ток равный 6 А. А нам нужно 8,33 А. Лампочка в этом случае не загорится. Для того, чтобы повысить эффективность солнечных модулей используют специальный MPPT-контроллеры. Эти контроллеры, во-первых, в реальном времени отслеживают точку максимальной мощности при реальных условиях работы солнечной панели, когда освещенность НЕ 1000Вт/кв.м и температура отличается от 25 градусов по Цельсию. И из этих данных высчитывают напряжение и ток максимальной мощности солнечной. А во-вторых, они преобразуют напряжение максимальной мощности в напряжение в цепи под нагрузкой с пропорциональным увеличением тока.
Номинальное напряжение – этот параметр используется только в случае, когда солнечная панель используются для заряда аккумуляторов. Так как напряжение на аккумуляторах – это не постоянная величина и меняется со степенью заряда аккумулятора, то было принято брать усредненное и округленное значение напряжения на аккумуляторе для простоты расчёта. По номинальному напряжению можно легко подобрать солнечные панели к аккумуляторам. Например, для аккумуляторов с номинальным напряжением необходима солнечная панель с номинальным напряжением 12В. Но это не значит, что реальное напряжение на аккумуляторе будет 12 В, оно может быть от 10 В до 14,4 В, в зависимости от типа аккумулятора и его степени заряда (10 В — он полностью разряжен, 14,4 В- он полностью заряжен.). Следовательно, и реальное напряжение на солнечной панели не будет равно 12 В, по аналогии с лампочкой: при прямом соединении солнечной панели к аккумуляторам, напряжение солнечной панели будет равно напряжению на аккумуляторе в данный момент времени. По мере заряда аккумулятора, её напряжение будет увеличиваться. Для того, чтобы полностью зарядить аккумулятор с номинальным напряжением 12В необходимо довести его до 14,5 В (или даже до 15 В, если заряд происходит при низкой температуре). Для этого необходимо зарядное устройство, выдающее напряжение до 15 В. Или любой другой источник напряжения, в нашем случае это солнечная панель. Для зарядки аккумулятора солнечная панель должна выдавать реальное напряжение не ниже 15 В. У солнечных панелей с номинальным напряжением 12 В конструктивно предусмотрено, что их напряжение максимальной мощности будет равно примерно 17 В и выше. Это необходимо для того, чтобы скомпенсировать потери при повышенной температуре или недостаточном освещении, а также потери на проводах. Так как реальные условия эксплуатации далеки от стандартных тестовых условий (STC). С появлением MPPT контроллеров для заряда 12 вольтовых уже необязательно иметь солнечную панель с тем же номинальным напряжением 12 В. Ведь MPPT контроллер преобразует напряжение солнечной панели с пропорциональным увеличением тока. Это позволило производителям солнечных панелей больше ориентироваться на мощность панелей и их размер, а не на напряжение. Так появились солнечные панели с напряжением, совершенно не связанным с напряжением на аккумуляторах. Теперь напряжение солнечных панелей определяется количеством солнечных элементов, соединенных последовательно. Каждый солнечный элемент имеет напряжение примерно 0,5 В. Так можно сказать, что солнечная панель, имеющая 36 последовательно соединенных солнечных элементов, имеет номинальное напряжение 12 В
Температурный коэффициент – это коэффициент на который следует умножать основные электрические характеристики солнечной панели при изменении тестовой температуры данной солнечной панели. Например, если температурный коэффициент TK(Pm)=-0,45%/°С, то это означает, что при повышении температуры на каждый градус, максимальная мощность будет уменьшаться на 0,45%. То есть, если при 25°С, мощность солнечной панели 100Вт, то при 30°С её мощность значительно снизиться и будет равна примерно 97,75 Вт. autonomy-energy.ru Солнечные батареи | Мои увлекательные и опасные экспериментыНаряду с энергией ветра можно попытаться использовать и энергию Солнца. Генерацию электричества под воздействием солнечного света (фотовольтаический (фотоэлектрический) эффект, англ. photovoltaic effect) впервые наблюдал в 1839 году Александр Эдмон Беккерель (фр. Alexandre-Edmond Becquerel): Параметры солнечной батареи Одна фотовольтаическая ячейка (англ. solar cell) вырабатывает в режиме холостого хода (англ. open-circuit voltage (OCV)) напряжение 0,55 В. Солнечная батарея составлена из таких последовательно и параллельно включенных ячеек.
$V_{oc}$ - напряжение холостого хода (англ. open circuit voltage)$I_{sc}$ - ток короткого замыкания (англ. short circuit current) Точке максимальной мощности соответствует напряжение на одной ячейке около 0,45 В ($V_{mp}$) при токе ($I_{mp}$) около 90 % от тока короткого замыкания. Исследование моих солнечных батарей Я приобрел на торговой площадке ebay три солнечные батареи: Батарея 1
Номинальные параметры: напряжение 5 В, мощность 1 Вт. напряжение холостого ходаНагруженная на резистор сопротивлением 100 Ом в солнечный сентябрьский день моя батарея выдает напряжение около 3,5 вольт при горизонтальном расположении батареи и 5 вольт при расположении панели перпендикулярно солнечным лучам. В пасмурный день напряжение составило около 0,3 вольта. ток короткого замыканияВ начале апреля горизонтально расположенная батарея в течение солнечного дня с небольшой облачностью (5-6 часов) обеспечивает ток короткого замыкания 40 ... 60 мА: Зарядка аккумулятора от солнечной батареиДля проверки возможности заряда аккумуляторов от солнечной батареи я подключил эту батарею через германиевый диод Д310 к полностью разряженному (напряжение холостого хода 1,1 вольта) никель-кадмиевому аккумулятору GP емкостью 1000 мАч и разместил на горизонтальной достаточно открытой поверхности: Зарядка ионистора от солнечной батареиТакже можно использовать солнечную батарею для заряда ионистора.Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ток утечки ионистора достаточно велик и обычно составляет 1 мкА на 1 Ф емкости. Также у ионистора заметно проявление эффекта диэлектрической абсорбции.Я располагаю двумя ионисторами -
Я использовал для эксперимента с солнечной батареей ионистор на 100 Ф.Внутреннее устройство этого ионистора после его разборки: 1 - угольная прослойка2 - металлическая пластина Для ионистора важно не превышать предельно допустимое напряжение (в моем случае 2,7 В). Для ограничения напряжения я использовал шунтовой регулятор - параллельно подключенный к солнечной батарее "зеленый" светодиод (1). Опытным путём я установил, что падение напряжения 2,7 В на таком светодиоде соответствует току через светодиод, равному 50 мА (ток короткого замыкания солнечной батареи не должен превышать это значение для гарантии целости ионистора).
Для "красного" светодиода (2) при токе 50 мА падение напряжения составляет 1,94 В. Для "белого" светодиода (3) при токе 50 мА падение напряжения составляет 3,34 В (при 30 мА - 3,18 В). Для предотвращения разряда ионистора я подключил его к солнечной батарее через эмиттерный p-n переход германиевого транзистора МП38 (падение напряжения на нем составляет 0,2 - 0,3 В), играющий роль блокирующего диода (англ. blocking diode).
Я расположил эту конструкцию на горизонтальной поверхности утром (в 1035 ) довольно сумрачного февральского дня (ионисторы не слишком боятся низких температур, но при снижении температуры до - 30° C внутреннее сопротивление (ESR) ионистора возрастает в 2...3 раза.). При этом ионистор был разряжен до напряжения 0,088 В. Через семь часов (к 1735) напряжение на ионисторе достигло 1,45 В!!! Для изучения саморазряда я оставил ионистор подключенным к схеме на ночь в слабоосвещенном помещении. Через час напряжение на ионисторе упало до 1,23 В, через два часа - до 1,11 В. Батарея 2
Сначала я сделал на основе этой батареи вот такое герметичное зарядное устройство для аккумуляторов: Затем я использовал эту солнечную батарею для питания акустического отпугивателя воробьев. Батарея 3
Продолжение следует acdc.foxylab.com |
|
||||||||||||||||||
|
|
Вольт-амперная характеристика солнечной ячейки
внешняя характеристика (англ. I/V curve) солнечной панели
После окончания заряда в течение двух солнечных июньских дней напряжение холостого хода составило 1,380 В. При подключении нагрузки в виде резистора сопротивлением 6,8 Ом напряжение составило 1,327 В и снизилось до уровня 1,1 В через 180 минут, а до уровня 0,9 В - через 195 минут непрерывного разряда (эффективная емкость аккумулятора составила при этом ~ 500 мА·ч).Таким образом, эксперимент по зарядке никель-кадмиевого аккумулятора можно признать успешным.
вольт-амперная характеристика "зеленого" светодиода
