VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Важнейшей характеристикой фотоэлектрических систем является количество электроэнергии, выработанной за период (сутки, месяц, год). В то же время печатных работ по выявлению этого параметра в натурных условиях не очень много. Среди прочих можно выделить работы [1-5], где приводятся обобщённые сведения о результатах измерений различных фотоэлектрических параметров для нескольких типов кремниевых пластин. В статье [6] также исследуется температурное воздействие при использовании солнечного концентратора.

В этих работах приводятся результаты съема электроэнергии со стационарно установленных фотоэлектрических систем без автоматической ориентации их рабочей поверхности на Солнце. Это экономически оправдано, но в указанных работах не оцениваются потери в выработке электроэнергии стационарно установленных фотоэлектрических устройств по сравнению с автоматически ориентирующимися, а также не проанализировано влияние географической широты местности, внешней нагрузки и климатических особенностей региона в период наблюдений.

Целью настоящей работы является исследование функционирования модуля солнечной батареи (СБ) на территории Владимирской области при различных углах наклона панели к падающему световому потоку.

Начальные условия

Для оценки работы солнечной батареи в случае, если она постоянна была бы ориентирована на Солнце, использовался отдельный небольшой солнечный модуль, собранный из 4-х фотоэлементов - пластин на основе поликристаллического кремния со следующими параметрами:

1. Номинальное напряжение – 0,524 Вольт;

2. Максимальная мощность – 4,2 Вт.

Исходя из характеристик элемента, определим проводимость нагрузки:

Для 4-х фотоэлементов, соединенных последовательно:

U= 2,08 В;

I= 8 А;

R= 0, 28 Ом;

G= 3, 57 См.

Погодные условия и географическая широта местности

Территория, где проводилось тестирование модуля СБ, расположена на широте 56° 21' сш. С широтой местности связано перемещение Солнца по небосводу в азимутальном и зенитальном направлении в течение светового дня. Без учета погодных условий имеет место следующая зависимость: чем севернее территория, тем больше выработка электричества на основе энергии Солнца летом и меньше зимой.

Владимирская область относится к регионам России, где имеет место использования солнечной энергии для целей энергосбережения. Число солнечных дней в среднем по Владимирской области составляет 150, при продолжительности солнечного сияния более 1750 часов. Среднегодовая инсоляция солнечного излучения на горизонтальную поверхность составляет 118 Вт*ч/м². Среднемесячная инсоляция на горизонтальную поверхность в первую декаду года составляет 70 Вт*ч/м², вторую 210 Вт*ч/м², третью 177 Вт*ч/м², четвёртую 40 Вт*ч/м². Среднемесячная инсоляция на горизонтальную поверхность с марта по сентябрь составляет 183 Вт*ч/м².

Измерения

Периодически, в различное время светового дня, проводилось измерение напряжения модуля СБ, точно ориентированной на Солнце.

В данной работе модуль солнечной батареи был изготовлен из пластин поликристаллического кремния и являлся небольшим фрагментом измеряемой солнечной батареи. Был проведен эксперимент по подключению к модулю СБ внешней нагрузки.

Функциональные особенности

Электрическая мощность стационарно установленной СБ зависит от:

-изменения угла падения солнечных лучей, обусловленного суточным и сезонным перемещением Солнца по небосводу для данной широты местности;

-изменения интенсивности солнечного излучения в зависимости от прозрачности атмосферы и облачности;

-суточных и сезонных изменений температуры окружающего воздуха;

-разогрева фотоэлектрических преобразователей при возрастании светового потока.

При определенной освещенности отбор максимальной мощности от СБ имеет место только в том случае, если проводимость внешней нагрузки удовлетворяет соотношению:

Результаты измерений электрических параметров

Наибольшее значение мощности P_max=16,9 Вт зафиксировано при Imax, равном 9,2 А и U_сб, равном 1,84 В. Среднее значение максимальной мощности в полуденные часы солнечных дней составило 15,1 Вт. Это примерно на 10 % ниже паспортной пиковой мощности (16,8 Вт) модуля СБ, которая могла быть достигнута при плотности потока солнечного излучения 1000 Втм².

Общеизвестно, что ориентация солнечных модулей в направлении Солнца обеспечивает увеличение выхода энергии в течение светового дня по сравнению со стационарными солнечными энергоустановками. На рис.1 представлен дневной ход I_сб, в ясный день для исследуемого модуля СБ, постоянно ориентированного в направлении Солнца. Потенциал солнечного излучения для Владимирской области представлен на рис.2.

Рис.1. Выработка тока при ориентации модуля СБ в направлении Солнца

Рис.2. Потенциал солнечной энергии для Владимирской области

На рис.3 представлен дневной ход тока модуля СБ при отсутствующей облачности (верхняя кривая) и при полной облачности (нижняя кривая). В пасмурный день солнечный свет изредка проникает сквозь облака, что отражено на графике локальными максимумами.

Рис. 3. Изменение значений I при отсутствующей и полной облачности

Оценка выработки электроэнергии в ясный день на согласованную нагрузку составляет примерно 4,08 кВт*ч, а в пасмурный день – около 0,24 кВт*ч.

Выводы

• Экспериментально установлено, что максимальная мощность, вырабатываемая модулем СБ, изготовленной из элементов на основе поликристаллического кремния, находится в пределах 15,5 - 16,8 Ватт.

• Наличие автоматической ориентации батареи в направлении Солнца при ее использовании на территории Владимирской области позволит в весеннее-летне-осенний период повысить выработку электроэнергии до 20%

• Изменение значений параметров модуля СБ от воздействия дождя, ветра, солнечного нагрева, смены температур окружающего воздуха за время наблюдений не обнаружено.

• При изменении угла наклона поверхностей исследуемых фотоэлементов к солнечному световому потоку изменяется также временной период, в течение которого возможно получение максимального значения выходной мощности модуля СБ, при этом изменение самого значения является незначительным.

• При анализе потенциала Владимирской области в использовании солнечной энергии, можно сделать вывод, что поток солнечного излучения достаточен для использования и экономии традиционных видов топлива.

Список литературы:

1. Ф.В. Саврасов, И.К. Ковалев. Исследование эффективности работы солнечной батареи в полевых условиях // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т.321. № 4 . – С. 165-168.

2. Юрченко А.В. Результаты натурных испытаний кремниевой солнечной батареи в климатических условия г.Томска // Известия Международной академии наук высшей школы. – 2004. - №2 (28). – С. 145-150.

3. Козлов А.В., Ковалевский К.В., Юрченко А.В. . Результаты натурных испытаний кремниевой солнечной батареи в климатических условия г.Томска // Возобновляемая энергетика. Состояния, проблемы, перспективы: Матер. Междунар. Конф. – СПб., 2003. – С. 275-281.

4. Торic М., Brecl К., Sites J. Effective efficiency of РV modules underfield conditions // Progress in Рhotovoltaics: Research and Applications. – 2007. – V/ 15. – Iss. I. – P.19-26.

5. Durish W., Struss 0., Каі R. Efficiency of selectcd photovoltaic modules under varying climatic conditions // Renewable energy - the energy for the 21' century: Proc.of VI World renewable energy congress. – Brighton, Great Britain. 2000. - P. 779-788.

6. Бакиров М.Я. Фотоэлектрические и радиационные характеристики кремниевых солнечных элементов при повышенных освещенностях и температурах // Физика и техника полупроводников. – 1997. - №5 (31). – С. 520-522.

Код для цитирования: Скопировать