CC BY
57
СБОРКА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ, СОБРАННОЙ СВОИМИ РУКАМИ
Курсай Дмитрий Евгеньевич
студент, Инженерно-технологическая академия Южного федерального
университета, РФ, г. Таганрог E-mail: dmkursai@gmail. com Осипов Никита Александрович студент, Инженерно-технологическая академия Южного федерального
университета, РФ, г. Таганрог E-mail: trey3282@mail. ru Какурин Юрий Борисович канд. техн. наук, доцент кафедры физики, Инженерно-технологическая академия Южного федерального университета, РФ, г. Таганрог
E-mail: y_kakurin@mail. ru Какурина Наталья Андреевна канд. техн. наук, доцент кафедры физики, Инженерно-технологическая академия Южного федерального университета, РФ, г. Таганрог
E-mail: _ filipenko_n@mail. ru
ASSEMBLAGE AND RECOMMENDATIONS ABOUT OPERATION OF THE SOLAR BATTERY COLLECTED BY THE HANDS
Dmitriy Kursai
student, Engineering-technological academy of Southern federal university, Russia,
Taganrog Nikita Osipov
student, Engineering-technological academy of Southern federal university, Russia,
Taganrog Yuriy Kakurin
candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Physic, Engineering-technological academy of Southern federal university, Russia, Taganrog
Natalja Kakurina
candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department of Physic, Engineering-technological academy of Southern federal university, Russia, Taganrog
АННОТАЦИЯ
В работе приведены характеристики собранной своими руками солнечной батареи. Рассчитаны параметры антиотражающих покрытий, повышающих КПД солнечных элементов. Составлены рекомендации по выбору угла наклона панели солнечной батареи в весеннее-летний и осеннее-зимний сезон при эксплуатации ее на 47° северной широты. В расчетах использовались средства электронного учебника PVCDROM.
ABSTRACT
Сharacteristics of the solar battery collected by the hands are resulted. Parametres of the antireflection coatings raising efficiency of solar elements are calculated. Recommendations for choice a corner of an inclination of the panel of the solar battery in spring-summer and autumn-winter season are made at its operation on 47° northern width. In calculations means of the electronic book PVCDROM were used.
Ключевые слова: солнечные элементы; солнечные батареи.
Keywords: solar systems; solar battery.
Сегодня человечество не может представить себе комфортной жизни без электроэнергии. Необходимо заметить, что электроустройства становятся все более и более персонализированными и мобильными, а человек теряет возможность быть «привязанным к розетке». Можно использовать аккумуляторы, но, к сожалению, они не способны обеспечивать необходимое количество энергии длительное время без подключения к общей электросети. Одним из решений является использование солнечных батарей (СБ).
Изготовление СБ в домашних условиях по силам практически любому радиолюбителю или человеку, который любит мастерить всё своими руками. По финансовым затратам СБ, собранная своими руками на порядок дешевле промышленного аналога. К тому же, при проектировании, расчёте и сборке СБ можно учесть все технические нюансы и личные потребности — в любом конкретном случае. Целью нашей работы являлась сборка батареи, которую можно было использовать для питания и зарядки любого мобильного устройства: сотового телефона, фото и видео камеры, MP3 и MP4 плееров, GPS-навигаторов, игровых консолей типа SONY PS; зарядки всех типов аккумуляторов AA, AAA, Li-Ion, Li-Pol и др.
Для сборки подобной СБ нам понадобились 15 солнечных элементов (СЭ) размером 65 х 65 мм, которые мы соединили тремя параллельными группами
по пять элементов в каждой. Учитывая характеристики СЭ (мощность 0,6 Вт, напряжение » 4,5—6,5 В), на основе которых собиралась СБ, мы получили источник питания с максимальной мощностью 8,5 Вт (панель СБ наклонена к солнцу, на нее падает прямой солнечный свет) при силе тока 0,27 А. На выходе СБ был установлен шунтирующий диод, предотвращающий разряд подключённого устройства при отсутствии солнечного света. СБ имеет один USB выход. Размеры СБ: 400x250x5 мм; масса: 0,25 кг.
В собранной нами СБ использовались СЭ элементы на основе поликристаллического кремния, КПД которых составляет 9—12 %. Известно, что СЭ с повышенным КПД в основном изготавливают на основе монокремния и снабжают в обязательном порядке специальным антиотражающим покрытиям (АОП) для борьбы с оптическими потерями.
Основываясь на законах отражения и преломления световой волны на границе раздела двух сред, а также интерференции в тонких пленках, получают выражение для коэффициента отражения СЭ с антиотражающим и стеклянным защитным покрытиями,
R = Г + r2 + 2r,r2 cos 20 (1)
1 + r12r22 + 2r1r2 cos 20 '
n0 - n n, - n2 ^ 2mA _
где r =——1; r2 =——-; 0 = —n0, n1 и n2 — абсолютные показатели n0 + nx nx + n2 Я0
преломления стекла, АОП и кремния соответственно, d — толщина АОП, Я — длина волны в вакууме. Подбор значений указанных параметров позволяет свести к минимуму величину R для заданной длины волны. На рисунке 1 показаны рассчитанные нами с помощью средств электронного учебника PVCDROM [1] графики R.
жау«1«пд№ пт *ау#1*пдШ пт
Рисунок 1. Зависимость коэффициента отражения СЭ с АОП от длины
волны падающего излучения
Получено, что для 1 = 600 нм (пик солнечного излучения) Я достигает минимума при щ =2,3 и С = 65 нм при отсутствии стеклянного защитного покрытия СБ (рис. 1 а)), а при наличии последнего — при щ =1,9 и С = 80 нм (рис. 1 б)).
Очевидно, что производительность СЭ зависит от величины плотности потока энергии, падающей на фотоэлектрический модуль (ФЭМ), а также от угла между модулем и солнцем. В случае, когда поглощающая поверхность и солнечное излучение перпендикулярны друг другу, плотность потока излучения максимальна. При изменении угла плотность потока излучения уменьшается. Иллюстрация на рисунке 2 и выражение (2) показывают, как
Рисунок 2. К расчету оптимального угла наклона фотоэлектрического
модуля
рассчитать плотность потока мощности излучения, падающего на наклонную поверхность ФЭМ Бт в зависимости от общей плотности потока 8
= 8 ип(а + Ь). (2)
В (2) а — угол возвышения солнца, который определяется
а = 90-ф + 8, (3)
где: в — угол наклона ФЭМ; Ф — широта,
3 — угол солнечного склонения.
Для расчета солнечного склонения применяется формула (О — день в году) [1]
8 = 23.45° эт
|60(294 + О)
365
(4)
Таким образом, с помощью выражений (2)—(4) можно исследовать влияние широты и угла наклона ФЭМ на получаемое солнечное излучение в течение года при условии отсутствия облаков.
На рисунке 3 приведены результаты исследований, проведенных нами для Ф = 47° с. ш. (Ростов-на Дону, Таганрог). По горизонтальной оси отсчитываются дни с первого января. Сплошной линией показан график 8. Такое количество энергии получил бы ФЭМ, очень точно поворачивающийся за солнцем. Более пологие углы наклона в способствуют увеличению падающего излучения летом (рис. 3 а)), тогда как более крутые — зимой (рис. 3
б)). В данных расчетах предполагалось, что ФЭМ находится в северном полушарии и ориентирован на юг.
Рисунок 3. Кривые плотности потока солнечного излучения в расчете на
день года на ф = 47°с. ш.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1) для достижения повышенных характеристик СБ, собираемой своими руками, необходимо выбирать СЭ с антиотражающим покрытием; 2) максимальная производительность СБ за весь год при неизменном ее угле наклона достигается тогда, когда он равен широте местоположения.
Список литературы:
1. Honsberg C. и S. Bowden. PVCDROM // [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.pveducation.org/pvcdrom (дата обращения 25.04.2014).
