21
Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИ Възобновяемите енергийни източници (ВЕИ, RES- Renewable Energy Sources) влияят по-малко на екологията на околоната среда от традицион- ните източници. Възобновяеми енергийни източници използват енергията на слънцето, вятъра, на морските и океански вълни, на приливите, геотер- малната енергия, водната енергия и я превръщат в електрическа енергия. 3.1. Фотоелементи {Слънчеви (соларни, фотоволтаични, PV, Photovoltaic) елементи} и слънчеви (соларни, фотоволтаични, PV) батерии Принцип на работа на слънчевите (фотоволтаичните) елемент) e генериране на ф.е.д.н. от PN преход при осветяване, което се дължи фотогалваничен ефект (вътрешен фотоефект). Фотоелементите представляват фотодиоди (ФД) с голяма площ на PN прехода. Те генерират постоянно напрежение при постоянно осветяване- вижте раздел 3, т. 3.3. Фотоелементите са екологични и почти вечни захранващи източници. Спектърът на излъчване на слънцето съдържа ултравиолетова, видимата и инфрачервена част. Слънчевият спектър е в диапазона (0,22 – 3) m с максимум 0,55 m, а на ниво (10– 90) % от максимума, спектралното излъчване е от (0,4 – 1,7) m. Върху всеки квадратен сантиметър (cm 2 ) на Екватора плътността на падащата оптична мощност е 100 mW/cm 2 , когато слънцето е в зенита си. В хелиоенергетиката (хелиотрониката) са приети следните условни означения на слънчевото въздействие: АМ0– слънчево въздействие в космоса; АМ1– на повърхността на Земята, когато Слънцето е в зенит; АМ2 на повърхността на Земята, когато Слънцето е под ъгъл 30 спрямо хоризонта; АМ1,5– на повърхността на Земята, когато Слънцето е под ъгъл 45. За АМ1 е прието да се характеризира с плътност на мощността 0,1 W/cm 2 около Екватора, а за АМ2– (0,075-0,080) W/cm 2 (за нашите географски ширини). Човечеството може да задоволи 100 % от своите енергийни нужди, чрез слънчеви батерии, но задоволява само няколко процента. Причините са малка ефективност на слънчевите батерии през нощта, висока цена, трудно получаване от малка площ на голяма електрическа мощност. Материали за производство на слънчеви фотоелементи: Si – КПД= 20 %, (за поликристален Si– 12 %); Ф.е.д.н. на празен ход E ph пх = (0,8–1,1) V, спектрална чувствителност S = (0,8 - 0,9) μm; – GaAs – КПД= 22 %; E ph пх = 1,0 V, S = (0,8 - 0,9) μm ; – Ge– КПД = 20 %; E ph пх = 0,14 V, S = 1,5 μm. Селеновите (Se) фотоелементи имат спектрална чувствителност във видимата част на спектъра (500–600) nm. КПД= 10 %, E ph пх = (0,4 – 0,5) V. Селеновите фотоелементи стареят с времето, като се увеличава необратимо

Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

  • Upload
    ledat

  • View
    242

  • Download
    4

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИ

Възобновяемите енергийни източници (ВЕИ, RES- Renewable Energy Sources) влияят по-малко на екологията на околоната среда от традицион-ните източници. Възобновяеми енергийни източници използват енергията на слънцето, вятъра, на морските и океански вълни, на приливите, геотер-малната енергия, водната енергия и я превръщат в електрическа енергия.

3.1. Фотоелементи Слънчеви (соларни, фотоволтаични, PV, Photovoltaic) елементи и слънчеви (соларни, фотоволтаични, PV) батерии

Принцип на работа на слънчевите (фотоволтаичните) елемент) e генериране на ф.е.д.н. от PN преход при осветяване, което се дължи фотогалваничен ефект (вътрешен фотоефект). Фотоелементите представляват фотодиоди (ФД) с голяма площ на PN прехода. Те генерират постоянно напрежение при постоянно осветяване- вижте раздел 3, т. 3.3.

Фотоелементите са екологични и почти вечни захранващи източници. Спектърът на излъчване на слънцето съдържа ултравиолетова, видимата и инфрачервена част. Слънчевият спектър е в диапазона (0,22 – 3) m с максимум 0,55 m, а на ниво (10– 90) % от максимума, спектралното излъчване е от (0,4 – 1,7) m. Върху всеки квадратен сантиметър (cm2) на Екватора плътността на падащата оптична мощност е 100 mW/cm2, когато слънцето е в зенита си.

В хелиоенергетиката (хелиотрониката) са приети следните условни означения на слънчевото въздействие: АМ0– слънчево въздействие в космоса; АМ1– на повърхността на Земята, когато Слънцето е в зенит; АМ2 – на повърхността на Земята, когато Слънцето е под ъгъл 30 спрямо хоризонта; АМ1,5– на повърхността на Земята, когато Слънцето е под ъгъл 45. За АМ1 е прието да се характеризира с плътност на мощността 0,1 W/cm2 около Екватора, а за АМ2– (0,075-0,080) W/cm2 (за нашите географски ширини).

Човечеството може да задоволи 100 % от своите енергийни нужди, чрез слънчеви батерии, но задоволява само няколко процента. Причините са малка ефективност на слънчевите батерии през нощта, висока цена, трудно получаване от малка площ на голяма електрическа мощност.

Материали за производство на слънчеви фотоелементи: – Si – КПД= 20 %, (за поликристален Si– 12 %); Ф.е.д.н. на празен ход

Eph пх= (0,8–1,1) V, спектрална чувствителност S = (0,8 - 0,9) μm; – GaAs – КПД= 22 %; Eph пх= 1,0 V, S = (0,8 - 0,9) μm ; – Ge– КПД = 20 %; Eph пх = 0,14 V, S = 1,5 μm. Селеновите (Se) фотоелементи имат спектрална чувствителност във

видимата част на спектъра (500–600) nm. КПД= 10 %, Eph пх= (0,4 – 0,5) V. Селеновите фотоелементи стареят с времето, като се увеличава необратимо

Page 2: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

2

вътрешното им съпротивление. Имат голяма инерционност. Фотоелементите от CdS имат малко фотоелектродвижещо напрежение.

Параметри на слънчеви (фото)елементи Таблица 3.1

Слънчеви фотоелементи Eph nx, V КПД, % Спектрален диапазон, nm

Si аморфен 0,8 1,1 20 600 1000 Si монокристален 0,5 0,6 20 600 1000 Si поликристален – 12 600 1000 Ge 0,14 – 1500 1900 GaAs монокристален 1,00 25 600 1000 Se 0,5 – 0,6 17,5 500 – 600 InAs 0,5 - 3300 max

При слабо осветяване на PN прехода на фотоелемента:

(3.1) D

phT

D

phпхph I

I

I

I

q

TkE ..

. ,

При силно осветяване на PN прехода на фотоелемента:

(3.2) D

phTпхph I

IE ln.

където q

TkT

. е температурен потенциал, Iph- фототок, ID- ток на тъмно.

На фиг. 3.1 са дадени спектралните чувствителности на силиций (Si), германий (Ge) и селен (Se), които се използват за направа на фотоелементи.

Силициеви (Si) фотоелементи Волт-амперната характеристика на фотодиод, един от режимите на който е работа като фотоелемент е даден на фиг. 3.2.

Тук с Н (Е) е означен интензитетът на излъчване на източника на светлина, изразен в радиометрична единица mW/cm2– (единици за облъченост– енергетична осветеност). По схемата от фиг. 3.3.а се измерва ф.е.д.н. на празен ход на фотоелемента Eph пх. Фототокът на късо съединение I ph кс на фотоелемента се измерва по схемата от фиг. 3.3.б. Схемата от фиг. 3.3.в се отнася за работен режим- измерване на работния фототок и работното ф.е.д.н.

Приложение на фотоелементите за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа; автономно захранване на апаратура в космически спътници; в бита захранване на къщи, вили, градини, басейни, калкулатори, часовници, кантари, локмени, радиоприемници, измервателни уреди, вентилатори, водни помпи, отопление, осветление; алармени системи; в автоматиката– релета; измервателни, регистриращи и управляващи вериги; захранване клетки в отдалечени местности, гаражи, пастири, навеси, траспаранти, врати; измерване цветна температури, светлинни измервания,

Page 3: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

3

физически, химически, физиологически, медико- диагностични измервания и изследвания; възпроизвеждане на звук от киноленти; четящи устройства; слънчеви автомобили, захранване на шамандури, лодки, мелници, мотори, велосипеди; удвоители на мрежова честота, детски играчки, мигащи ключодържатели, слънчеви джобни фенерчета и др.

Фиг. 3.1.а. Силиций Фиг. 3.1.б. Германий Фиг. 3.1.в. Селен

Фиг. 3.2. Волт-амперни характеристики на фотодиод, режими на работа

Еквивалентна схема на слънчев панел

Фиг. 3.3.а. Празен ход

Фиг. 3.3.б. Късо съединение

Фиг. 3.3.в Натоварване

Приложни схеми със слънчеви фотоелементи - фотореле, задействуващо при затъмнение на фотоелемента– фиг. 3.4; - преобразувател осветеност- напрежение с фотоелемент и с

операционен усилвател – фиг. 3.5;

Page 4: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

4

Фиг. 3.4. Фотореле Фиг. 3.5. Преобразувател- осветеност-

напрежение

- схема за управление (пускане и спиране) на постояннотоков електродвигател М за модели чрез фотоелемент – фиг. 3.6;

M

VT1

2T3168

VT2

2T6551

R1

1K2,5V/0,3A

VD1

K+UCC

-3V

-+

PE1

-+

mA

mA

-+

_

+

VT1

2N2956

βoI

I1,5 V

50 mA

Фиг. 3.6. Управление на постояннотоков мотор

Фиг. 3.7. Луксметър

- луксметър- фиг- 3.7; - удвоител на (входната) честота, слънчев радиоприемник и др.

Удвоител на входната честота Времедиаграма на удвоителя

Page 5: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

5

Слънчев радиоприемник

Печатната платка слънчев радиоприемник 53 mm х 59 mm

Слънчев радиоприемник

Параметри на слънчев радиоприемник: = захранващо напрежение – (1,5 – 2) V; = консумиран ток < 10 mA = приемана честота – (450 kHz – 2,2 MHz); = слушалки > 2 х 32 (2 x 2000 ); = консумиран ток– (слушалки 2000 ); 1,5 mA = променливият кондензатор 500 pF (с диелектр. фолио); = бобина на трептящия кръг L1, навита върху феритна сърцевина:

дължина на бобината – 5 cm; диаметър на бобината – 1 cm;

Page 6: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

6

навивки – 60; проводник, меден с диаметър 0,5 mm.

Управление на биполярен транзистор- фиг. 3.8. Ако в схемата от фиг. 3.8, биполярният транзистор (БТ) се замени с MOS транзистор, тогава токът през фотоелемента е много малък (режим на „празен” ход). Тогава зависимостта между фототока на празен ход и облъчеността Iph = f(Е) е линейна.

– зареждане на акумулаторна батерия – фиг. 3.9.

Фиг . 3.8. Управление на биполярен транзистор

Фиг. 3.9. Зареждане на аумулаторна батерия

Параметри на силициев планарен PN фотоелемент тип BPW 35 на фирмата AEG – TELEFUNKEN. Табл. 3.2 Обратно напрежение UR 1 V Ф.е.д.н. на празен ход (E = 1000 lx) Eph пх 380 mV Фототок на късо съединение (E = 1000 lx, RТ = 100 )

Iph кс 220 A

Чувствителност (1000 lx), спрямо Iph кс SK 300 nA/lx Максимум на спектрална чувствителност P 750 nm Ширина на спектъра (ниво 50 %) 0,5 (450 – 950) nmТок на тъмно (Обратен ток) (UR = 50 mV, E = 0) ID 100 nA Обратен (бариерен) капацитет (UR = 50 mV, f = 100 kHz, E = 0)

Cj 10 nF

Вътрешно съпротивление (UR = 50 mV, E = 0) RI 5 M Температурен коефициент на Eph пх TK (Eph пх) 2 mV/C Температурен коефициент на Iph кс TK ( Iph кс) 0,1 %/C

Характеристики на слънчеви елементи На фиг. 3.10.а е показана зависимостта на ф.е.д.н. на празен ход и на фототока на късо съединение от осветеността на фотоелемент BPW 35, а на

Page 7: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

7

фиг. 3.10.б- приемната диаграма и външния вид на фотоелемента.

BPW 35- външен вид

Фиг. 3.10.а. Характеристики Фиг. 3.10.б. Приемна диаграма

3.2. Слънчеви батерии (панели, модули) Слънчеви батерии (панели, модули) се наричат още и фотоволтаични

(ФВ, Photovotaic, PV) батерии. Много последователно- паралелно свързани слънчеви (фотоволтаични) елементи (хелеоелементи) образуват слънчеви (фотоволтаични) батерии (панели) или хелеогенератори. При слънчевите батерии се постига ток до стотици ампери, напрежение до стотици волтове и мощности– киловати.

Слънчевите батерии се състоят от много фотоелементи, свързани последователно, паралелно и смесено. За по-голямо ф.е.д.н. фотоелементите се свързват последователно – фиг. 3.11.а. Общият фототок е равен на фототока на фотоелемента с най-малък фототок. За по- голям фототок се използва паралелно свързване на фотоелементи – фиг. 3.11.б. Генерираното ф.е.д.н. е равно на ф.е.д.н. на елемента с най- малко такова.

Слънчев панел

1,5 kWслънчев ( PV) модул

Слънчев панел Слънчева лампа

Page 8: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

8

Малка фотоволтаична (PV) централа Мегаватова (MW) PV централа

Слънчевата клетка е способна да преобразува 23.4% от слънчевата

светлина

Слънчев модул Екологична къща

Фиг. 3.11.в. Смесено свързване на слънчеви елементи

Фиг. 3.12. Диаграма на слънчев панел

Phnphphphph EEEEE ...321

phnphphphph IIIII ...321

Фиг. 3.11.а. Последователно свързване Фиг. 3.11.б. Паралелно свързване

Page 9: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

9

Всяка слънчева батерия се състои от много последователно свързвани ФЕ, групите от които са свързани паралелно – фиг. 3.11.в. Нека с n1 означим броя на вертикалните стълбове с ФЕ, а с n2 – броя на ФЕ в един стълб.

Общото генерирано ф.е.д.н. е: (3.3) Eph об = n2.Eph

Общият фототок е: (3.4) Iph об = n1.Iph

Общата отдадена мощност е (3.5) Pph об = Eph об.Iph об = n2.Eph .n1.Iph = n1.n2.Eph.Iph,

При n1 = n2 (3.6) Pph об = n2.Eph.Iph.

Тези изводи са направени при условие, че ФЕ са напълно еднакви! (3.7) (Eph1 = … = Ephn2 = Eph и Iph1 = … = Iphn = Iph)

Фотоелементи се произвеждат в квадратен, правоъгълен, шестоъгълен и кръгъл корпус. Недостатъци на фотоелементите са високата цена и малкият КПД. Например слънчевата батерия М55 на фирмата Conrad Electronic има мощност 53 W, Eph пх.= 21,7 V, работно напрежение– 17,5 V, Iph кс = 3,4 A, работен ток– 3 A . Състои се от 36 клетки, има тегло– 5,7 kg и размери 332 х 1295 х 30 mm. Цената и е около 700 лв. Панелът 95 W с работно напрежение 17,4 V и работен ток 5,45 А има цена 599 €. За отдаване на максимална мощност върху товара трябва съгласуване на товарното съпротивление с вътрешното съпротивление на фотоелемента, което не е постоянно и зависи от осветяването.

Слънчеви концентратори Ефективността на слънчевите батерии се повишава чрез

концентратори. Това са сферични, плоски и параболични огледала, лещи, които концентрират светлината върху слънчевата батерия.

Видове концентратори за слънчеви панели: трапецовиден; елиптичен; цилиндричен; параболичен, плосък и др.

На фиг. 3.13.а е показан параболичен (концентратор на Уинстън), а фиг. 3.13.б- трапецовиден концентратор.

Фиг. 3.13.а. Параболи-чен концентратор

Фиг. 3.13.б. Трапецо- идален концентратор

Слънчева електро- централа в Испания*

Page 10: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

10

* PS10 Solar Power Tower е слънчево електроцентрала и намира близо до град Севиля, Испания. Произвежда 11 мегавата електрическа мощност, ползвайки 624 подвижни огледала, които отразяват слънчевата радиация от централната кула към слънчевите панели.

За повишаване на КПД на слънчевите панели се използват каскадни фотоелементи и каскадни модули. Състоят се от два или повече модула един над друг (конструкция тип сандвич) от материали с различни широчина на забранените зони. Горният модул поглъща и преобразува лъчение с малка дължина на вълната, а вътрешният модул – с по-голяма дължина на вълната и т. н. От един квадратен метър площ на такъв слънчев панел може да се получи електрическа мощност (1 – 1,4) kW.

Позициониране на слънчевите панели Когато слънчевият панел не следи траекторията на слънцето (т.е. той е

стационарен), препоръчителните ъгли между панела и плоскостта на земята (като панелът е на юг) са: пролет до есен – 27; есен до пролет – 54; за цялата година – 42.

При управляем панел: зима– 54 до 75; пролет и есен– 27 до 54; лято – 0 до 27.

Слънцестоене Позициониране на слънчев панел

Позициониране на слънчев панел

Параметър фактор на запълване FF

Фактор на запълване (FF- Fill Factor) 1.

. )()(

ксphпхph

MPPphMPPph

IE

IEFF , където

МРР са точки с максимална мощност.

България може да се раздели на три слънчеви зони, при които средната годишна продължителност на слънце греенето е около 2150 h, т.е. около 49 % от максималното възможно слънце греене.

Слънчевата радиация в Габрово, измерена на 27.04.2003 (пролет) от 1040 h до 1530 h е от (600 – 800) W / m2 с максимум между 1200 h и 1400 h.

Осветеността на 27.04.2003 между 1100 h и 1400 h е (80 – 95) klx с максимум около 1310 h.

Page 11: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

11

Слънчева радиация в България Табл. 3.3 Средна продължителност на

слънчевото греене, h Ресурс на слънчевото

греене, kWh / m2

Регион Сезон

01.04. – 31.10.Сезон

01.11. – 31.03.Дневно Годишно

Централен-източен до 1600 до 400 4 1450 Северозападен до 1750 400 – 500 4,25 1450 – 1550Югоизточен и югозападен

над 1750 над 500 над 4,25 1550

Примери за изчисление на режими на работа на слънчеви фотоелементи и слънчеви панели

Ако между двата извода на фотоелемента се свърже товарен резистор RT (фиг. 3.3.в), от волт- амперната характеристика могат да се отчетат работното изходно фотоелектродвижещо напрежение и работения фототок. Работната точка се получава от пресичането на товарната права и волт- амперната характеристика за определена осветеност- фиг. 3.14. Товарната права минава през началото на координатната система с наклон:

(3.8) Tph

ph RI

E

Отрицателният знак в израз (3.8) означава отрицателен наклон. За трите различни товарни прави от фиг. 3.14 може да се запише:

(3.9) 20.10)023(

)46,00(3-

Tph

ph RI

E (т. А),

(3.10) 10.10)047(

)47,00(3-

Tph

ph RI

E (т. B),

(3.11) 5.10)062(

)3,00(3-

Tph

ph RI

E (т. C).

Изходната мощност е произведение на фотоелектродвижещото напрежението и фототока в работната точка (3.12) Pизх = U.I = Eph тов.Iph тов

При товарен резистор 10 изходната мощност е максимална в т. В на фиг. 3.14. Трябва да се отбележи, че изходната мощност е нула за работните точки при отворена верига (G) и късо съединение (F).

Пример 1. Фотоелементът е подложен на облъчване 125 mW/cm2. Каква мощност се отдава върху товар а) 20 и б) 5 ?

В пресечната точка на товарната права RT = 20 и характеристиката за H = 125 mW/cm2 се отчита Eph = 0,58 V и Iph = 30 mA.

Следователно Ризх = 0,58 V . 30 mA = 17,4 mW (20 ) за точка С, Ризх = 0,30 V . 62 mA = 18,6 mW (5 )

Page 12: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

12

Фиг. 3.14. Волт- амперни характеристики на фотодиод,

параметри, режими на работа, товарни прави и работни точки

Пример 2. Да се изчисли: а) максималната изходна ел. мощност за облъченост Н = 125 mW/cm2 и б) необходимият товарен резистор RT.

За точка D на фиг. 3.14 се отчита Eph= 0,5 V и Iph = 59 mA, така че Ризх = 0,50 V . 59 mA = 29,5 mW;

5,8A059,0

V5,0

ph

phT I

ER

Точките A, B и D се наричат точки с максимална мощност (Maximum Power Point- МPP).

Коефициент на полезно действие Коефициентът на полезно действие е отношението на изходната

електрическа мощност към входната лъчиста мощност. Или в проценти

(3.13) SH

Pизх.

.100 %,

където е коефициентът на полезно действие, Ризх – изходната електрическа мощност, Н – облъчеността (лъчистата енергия, падаща върху фотоелемента в mW/cm2), а S – активната площ на фотоелемента в cm2.

За една и съща облъченост максимален коефициент на полезно действие се получава при максимална мощност.

Page 13: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

13

Пример 3. Да се изчисли коефициентът на полезно действие на фотоелемент в точка А и С от фиг. 3.14. Размерите на елемента са (1 cm х 2 cm). Площта на фотоелемента е 1.2 = 2 cm2.

В точка А: От фиг. 3.14 Ризх = 23 mA.0,46 V = 10,6 mW и H = 50 mW/cm2. Като се използва израз (3.13)

22 cm2).cm/mW50(

mW6,10 .100 % 10,6 %

В точка С: От фиг. 3.14 Ризх = 61 mA.0,3 V = 18,3 mW и H = 125 mW/cm2. Като се използва израз (3.13)

22 cm2).cm/mW125(

mW3,18 .100 % 7,3 %

Статичното вътрешното съпротивление на фотоелемента за т. А, т.В и т.С е:

(3.14) 2010.23

46,03

phA

phAIA I

ER ; 10

10.47

47,03

phB

phBIB I

ER ;

510.62

3,03

phC

phCIC I

ER

Слънчевите фотоелементи и слънчевите панели имат голямо вътрешно съпротивление. Приложение на слънчевите панели

Включване на защитен байпас-диод VD към слънчев елемент

Включване на защитен байпас-диод VD към слънчев панел

На фиг. 3.15 е показана схема на еднофазен транзисторен инвертор, захранван от източник на ток (инвертор със затворен вход) и свързан към мрежата. Състои се от в.ч. пълен мостов инвертор, имитиращ преобразувател, трансформатор със средна точка, в.ч. мостов токоизправител, мощен честотен инвертор и н.ч. филтър. Това е преобразувател DC/AC. Схемата служи за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа и подаването й към захранващата мрежа. Използва се силициев фотоволтаичен (Photovoltaic, PV) модул, преобразувател на слънчева енергия в постоянно (DC) електрическо напрежение.

Page 14: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

14

Фиг. 3.15. Еднофазен транзисторен инвертор

Слънчев захранващ източник 12 V/ 4 А (за лаптоп)

Фиг. 3.16.а. Слънчев захранващ източник 12 V/ 4 А

Фиг. 3.16.б. Слънчев захранващ източник- печатната платка 50 mm х 52 mm

Page 15: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

15

Фиг. 3.17. Включване на слънчев панел

На фиг. 3.17 е показана схема на включване на слънчев панел. Даден е и външен вид на инвертор 10 kW за слънчевия панел.

На фиг. 3.18 е показана система за управление на слънчев панел по максимума на излъчване на Слънцето. Системата за управление (СУ) съдържа (10– 15) фотоприемника. Електродвигателят е стъпков. Управлението се извършва едновременно по вх. ”а” и вх. ”с” и след това по вх. ”b” и вх.“ d”. Четирите входа за управление са галванично разделени чрез дарлингтонови фототранзисторни оптрони- О1- О4.

Page 16: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

16

Фиг. 3.18. Схема за позициониране на слънчев панел по

максимума на излъчване на слънцето

Page 17: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

17

Приложение на слънчеви елементи Управление на FET транзистори с фотоелементи. Схемата от фиг. 3.19 е широколентов усилвател с полеви транзистор с

Р канал. Товарният резистор на фотоелемента е R1.

Фиг. 3.19. Широколентов усилвател Фиг. 3.20. Фотоприемник за модулирана честота

Схемата на фотодетектор с полеви транзистор (FET) за модулирана

честота под 10 kHz е дадена на фиг. 3.20. Товарният резистор на фото-елемента е резистора R2.

Параметри на слънчеви панели в лаборатория 2302, корпус 2

ФОТОВОЛТАИЧЕН ПАНЕЛ

Параметри Стойност Дименсия1. Максимална електрическа мощност 77,5 W 2. Фототок при натоварване 1,61 А 3. Фототок на късо съединение 1,84 А 4. Ф.е.д.н. при натоварване 48,3 V 5. Ф.е.д.н. на празен ход 60,7 V 6. Размери 117 х 57 cm 7. Площ 0,67 m2 8. Материал- кадмиев телурид CdTe - 9. Коефициент на запълване, FF 0,696 -

Page 18: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

18

СИЛИЦИЕВ МОНОКРИСТАЛЕН ФОТОВОЛТАИЧЕН ПАНЕЛ ТИП SPV 180M-24*

Параметри Стойност Дименсия1. Максимална електрическа мощност 180 W 2. Максимален работен фототок 5 A 3. Фототок на късо съединение 5,3 A 4. Ф. е. д. н. на празен ход 45 V 5. Работно ф. е. д. н 36 V 6. Вътрешно съпротивление 7 – 8,5 Ω 7. КПД (Ефективност) 15 % 8. Коефициент на запълване, FF 0,75 - 9. Толеранс 3 % 10. Енергетична осветеност 1000 W/m2 11. Слънчево въздействие АМ 1,5 12. Диапазон на спектрална чувствителност 800-900 nm 13. Температура 25 oC 14. Размери 1,58х0,8

х0,035 m

15. Тегло 16 kg * Производител Китай.

Къща със слънчеви панели Слънчев чадър Знак за пешеходна пътека с PV панел и

светодиодни светофари

Page 19: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

19

Слънчев автомобил* Слънчев автомобил

*Показаният слънчев автомобил е производство на екип от Масачузетския технологичен институт. Той развива скорост до 139 km/h и може да измине до 320 километра в пълен мрак. Тежи 226 kg. Има монтирани 6 m2 слънчеви панели с мощност 1200 W.

Слънчеви колела

Слънчево колело Слънчево колело

Page 20: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

20

Слънчево колело Хибридно електрическо и фотоволтаично

колело

Page 21: Раздел 3.1. СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ И СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИs2b.mon.bg/i/optika_elektronika_gabrovo/G17_solarni_sistemi_Ivan... · СЛЪНЧЕВИ ЕЛЕМЕНТИ

21

Контролни въпроси Фотоприемници

Слънчеви фотоелементи и слънчеви батерии

1. От кои полупроводници се изработват слънчеви батерии, чувствителни към максимума на спектралното излъчване 555 nm?

2. Колко е ф.е.д.н. на празен ход на силициев фотодиод? 3. Може ли фотоелемента да работи в режим на късо съединение? 4. Трябва ли да се съгласува изходното съпротивление на слънчевия

панел със съпротивлението на товара с цел максимален КПД? 5. Зависи ли отдаваната мощност от слънчевата батерия в товара от

дължината на светлинната вълната λ? 6. Какъв е спектралният диапазон на слънчевата светлина? 7. Какви са цените на съвременните слънчеви батерии? 8. Каква е разликата между селеновите и силициеви слънчеви

панели? 9. Какво представляват слънчевите концентратори? 10. За какво се използват DC-AC преобразувателите? 11. Каква е честота на генерираното напрежение от слънчевите

панели? 12. Обяснете основните параметри на слънчевите панели:

максимална електрическа мощност, отдавана в товара; КПД или ефективност (коефициент) на преобразуване; ф.е.д.н. на празен ход- Еph пх.; максимален фототок (фототок на късо съединение)– Iph кс.; вътрешно съпротивление на фотоелемента RI; спектрална чувствителност, работно ф.е.д.н. и работен фототок, фактор на запълване, FF. 13. Какво представлява горещият удар при слънчевите модули?

14. За какво се използва байпс-диодът в слънчевите панели? 15. Каква е разликата между монокристалния и поликристалния

слънчев панел?

Задачи: Дадени са ВАХ на три слънчеви елемента и батерии. Да се определят ф.е.д.н. на празен ход, фототока на късо съединение, стойностите на товарните резистори за максимално отдаване на мощност, КПД, вътрешното съпротивление в посочените точки, фактора FF и др.