МОБИЛЬНАЯ СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА РАБОТЫ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для мониторинга работы солнечных батарей, как в стационарных, так и в передвижных, переносных условиях.
В условиях уменьшения мировых запасов природного топлива (не возобновляемых ресурсов), большое внимание уделяется использованию солнечной энергии путем прямого преобразования ее в электрическую энергию. Для этой цели применяются кремниевые солнечные батареи. В настоящее время солнечные электростанции строятся не только в странах с высокой солнечной активностью, но практически во всех регионах мира с различными климатическими условиями. Поэтому актуально изучение влияния климатических факторов на энергетические характеристики солнечных батарей и соответственно разработка устройств позволяющих проводить мониторинг их работы при воздействии климатических факторов.
Известен способ контроля характеристик солнечной батареи и устройство для его осуществления [SU 1755351 A1, 1992], посредством измерения параметров дополнительной солнечной батареи; устройство содержит основную и дополнительную солнечную батарею, при этом основная подключена к нагрузке через сериесный преобразователь, аккумуляторную батарею, подключенную через зарядный преобразователь к основной солнечной батарее, а через разрядный преобразователь к нагрузке, при этом дополнительно в него введены резистор, шунтирующий дополнительную солнечную батарею и пороговое устройство контроля напряжения, входом подключенное к дополнительной солнечной батарее, а выходом к нагрузке. Способ и устройство разработаны для учета параметров (напряжения и тока) солнечных батарей работающих в разных режимах эксплуатации и с учетом деградационных потерь.
Известное устройство предполагает включение в схему еще одной дополнительной солнечной батареи, что экономически не всегда оправдано, особенно в передвижных условиях.
Известен метод и устройство предсказания мощности генерирования системы солнечной генерации [JP 10108486, 1998] в любое произвольное время и в любой
произвольной точке с высокой точностью основанный на определении рабочей температуры солнечной батареи от интенсивности солнечной радиации неба и местной нижайшей ежедневной температуры, и рабочей температуры генерации мощности. Интенсивность солнечной радиации неба определяют на основании прозрачности атмосферы, прямой солнечной радиации и рассеянии солнечной радиации. Рабочая температура солнечной батареи затем определяется основанная на интенсивности солнечной радиации и местной нижайшей температуры полученной от метеорологических измерений. Впоследствии, мощность генерации постоянного тока и мощность генерации переменного тока определяют от рабочей температуры генерации мощности солнечной батареи, и предсказывают мощность генерации в произвольное время. Благодаря устройству, мощность генерации в произвольное время может быть легко предсказана для различных метеорологических условий.
К недостатку данной системы можно отнести, то, что для оценки влияния метеорологических (климатических) факторов на мощность генерации солнечной батареи используют только такие, как температура и интенсивность солнечной радиации, и не учитываются такие факторы, например, как влажность и давление воздуха.
Задача полезной модели разработать мобильную систему контроля изменения характеристик солнечных батарей в зависимости от воздействия различных климатических факторов.
Технический результат - возможность оценки эффектности солнечной батареи в натурных условиях, а именно оценки коэффициента полезного действия, деградации тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, мощности, и вольт-амперной характеристики.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемая мобильная станция мониторинга работы солнечной батареи содержит эквивалент нагрузки, блок управления, средства для измерения параметров учитывающих климатические факторы, а также, по меньшей мере, один датчик температуры рабочей поверхности солнечной батареи, средства для измерения суммарной солнечной радиации, при этом эквивалент нагрузки и все упомянутые измерительные средства соединены с блоком управления, а эквивалент нагрузки имеет вход для соединения его с исследуемой солнечной батареей.
Кроме того, в качестве средств для измерения параметров, учитывающих климатические факторы, она содержит, по меньшей мере, один датчик температуры воздуха, по меньшей мере, один датчик влажности воздуха и, по меньшей мере, один датчик давления воздуха, соединенные с блоком управления через аналоговый ключ.
Кроме того, в качестве средства для измерения суммарной солнечной радиации, она содержит пиранометр, соединенный с блоком управления через аналоговый ключ.
Кроме того, в качестве блока управления, система содержит контроллер, выполняющий функции управления контроля приема и передачи данных от датчиков и электронной нагрузки, соединенный с компьютером.
Кроме того, эквивалент нагрузки представляет собой источник тока, управляемый напряжением.
Кроме того, датчик температуры солнечной батареи соединен с блоком управления по шине обмена данными контроллера.
Комплекс аппаратуры в предлагаемой полезной модели позволяет оценивать энергетические характеристики солнечной батареи (СБ) с учетом изменения следующих атмосферных параметров: солнечная радиация, температура воздуха, давление и влажность.
При выборе комплекса параметров влияющих на работу СБ в реальных условиях необходимо учитывать, что при преобразовании солнечного излучения (особенно при высоких уровнях солнечной радиации) в СБ выделяется некоторое количество тепла, и рабочая поверхность может нагреваться до 80-100°С. Это приводит к повышенному износу параметров СЭ и снижению энергетических характеристик СБ при их использовании. Концентрация дефектов, определяющая степень деградации параметров элемента, будет зависеть не только от плотности интегрального потока солнечной радиации, но и от рабочей температуры СБ [Бариков М.Я. Фотоэлектрические и радиационные характеристики кремниевых солнечных элементов при повышенных освещенностях и температурах. // Физика и техника полупроводников. 1997. т.31 №5 С.520-522].
Поэтому предлагаемая мобильная станция содержит также средства для измерения рабочей температуры поверхности солнечной батареи.
Результатом каждого измерения являются: вольтамперная характеристика солнечной батареи, ее температура, температура, влажность и давление воздуха, а также мощность солнечного излучения. Результаты сохраняются в файл для последующего анализа. Программное обеспечение позволяет задать продолжительность и частоту измерений. Мобильная станция позволяет проводить измерения в реальном времени для семи солнечных батарей, мощностью от 10 до 50 Вт. Преимуществом станции также является то, что она может быть использована как в стационарных условиях, так и передвижных, т.е. может быть использована в виде мобильной станции. Предусмотрена возможность (дополнительный разъем) подключения ее к аккумуляторам.
Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 приведена блок схема системы мониторинга работы солнечной батареи.
На фиг.2 приведен алгоритм работы системы.
На фиг.3 приведены зависимости параметров солнечной батареи от температуры рабочей поверхности.
Предлагаемая мобильная станция (фиг.1) подключается к исследуемой солнечной батарее 1, и состоит из блока управления 2, датчиков температуры воздуха 3 и температуры рабочей поверхности 4, датчика влажности 5 и давления воздуха 6, пиранометра 7 который измеряет суммарную солнечную радиацию. Также в состав станции входит компьютер 8 с установленным специально разработанным программным обеспечением. Все датчики подключаются к блоку управления 2. Датчики влажности 5, давления 6 и пиранометр 7 имеют аналоговый выходной сигнал, и для передачи их значений на компьютер используется аналогово-цифровой преобразователь 9 (АЦП), реализованный на базе контроллера PIC 16F877. Причем все аналоговые датчики используют один канал АЦП, подключаясь к нему по очередности через аналоговый ключ 10, реализованный на микросхеме AD 408. Очередность задается командами с компьютера 8. Датчики температуры 3 и 4 имеют выходной сигнал цифровой формы. Обмен данными датчиков температуры 3 и 4 и блока управления 2 происходит по шине 11. Схема электронной нагрузки 12 (ЭН) по команде с компьютера 8 устанавливает заданный ток солнечной батареи. Напряжение и установленный ток солнечной батареи измеряется АЦП 9. Измерение установленного тока необходимо для контроля работы ЭН 12. Далее блок управления 2 направляет результаты в компьютер 8. Контроллер является основным элементом блока управления 2 (интерфейс RS232 - не показан), он осуществляет функции управления контроля приема и передачи данных.
По принципу работы электронная нагрузка (ЭН) - источник тока, управляемый напряжением. Эквивалент нагрузки полевой транзистор IRF 3205. На микросхеме LM358 и транзисторе собран усилитель с обратной связью с истока этого транзистора на инвертирующий вход микросхемы. Регулирование тока проходящего от истока к стоку транзистора выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦДЛ) на входы которого подается цифровой сигнал при этом на выходе возникает аналоговый сигнал. Этот сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. При изменении цифрового кода на входе ЦАП меняется и ток, проходящий через транзистор.
В таблице приведены характеристики станции.
Таблица
Параметр
Значение/ диапазон
погрешность
Измеряемые параметры:
Напряжение
0...20 В
±0,3 В
Ток
0,1...2,5 А
±5 мА
Температура рабочей поверхности
-50...+125°С
±0,5°С
Измеряемые параметры окружающей среды:
Температура воздуха
-50....+125°С
±0,5°С
Влажность воздуха
0...100%
±2%
Давление воздуха
700...800 мм.рт.ст.
±5 мм.рт.ст.
Солнечная радиация
0...1300 Вт/м<sup>2</sup>.
Напряжение питания
220 В.
Потребляемый ток
1 А.
Питания от аккумуляторов
18...24 В.
Высота
90 мм.
Ширина
275 мм.
Длинна
195 мм.
Программа управления мобильной станцией разработана на языке программирования Delphi. Функции программы заключаются в управлении и контроле процесса измерения и обработки и сохранения полученных данных. Программа имеет два режима работы: автоматический и ручной. В автоматическом режиме измерения проводятся без участия оператора в соответствии с введенными заранее настройками. Ручной режим предназначен для настройки и контроля правильности работы мобильной станции, а также для разовых измерений.
Программное обеспечение (ПО) разработано таким образом, чтобы измерения можно было проводить в любых временных интервалах, т.е. задается длительность измерения и частота измерения внутри промежутка времени, когда происходит измерение и время ожидания следующих измерений. После того как данные одного измерения собраны, они усредняются и записываются в файл. В файле данных каждая строка соответствует одному измерению. Сама же строка содержит информацию о дате и времени измерения температуре, влажности, давления воздуха, а так же температура СБ, токе короткого замыкания (КЗ), напряжении холостого хода (XX), рабочем напряжении, рабочим токе, угле наклона и азимуте солнца. В результате длительных измерений накапливается база данных.
Система работает следующим образом.
Исследованию подвергалась кремниевая солнечная батарея (СБ) МС -14 -20 мощностью 20 Вт, изготовленная ФГУП НИИ ПП (г.Томск). Ее устанавливали под углом 45 градусов к горизонту и ориентировали на расположение солнца в два часа дня. СБ подключается к мобильной станции мониторинга, на ее поверхности закрепляется датчик температуры поверхности. В начале каждого часа начинаются измерения. Продолжительность измерений 10 минут. Затем собранные данные обрабатываются (усредняются) и записываются в файл.
Мобильная станция постоянно находится в состоянии ожидания команды от ПК 8. Получив команду, станция выполняет действие соответствующее принятой команде. Например, при наступлении 00 минут каждого часа ПК 8 начинает посылать команды на измерения параметров атмосферы и параметров СБ. В свою очередь, мобильная станция, получив команду на измерение того или иного параметра, запускает АЦП 9 и по завершению преобразования отправляет результат обратно в ПК 8. Схематично, алгоритм работы представлен на фиг.2.
Измерения начинаются в начале каждого часа. Затем, однократно с интервалом в одну минуту, регистрируется вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечной батареи, ее температура, температура воздуха, вычисляется рабочая точка ВАХ. По истечению пятнадцати минут измерения прекращаются до начала следующего часа. В итоге одного цикла для каждого параметра набирается одномерный массив, состоящий из пятнадцати элементов. Далее массив усредняется, и полученный результат сохраняется в файл данных. Причем, результаты измерения, где ток короткого замыкания солнечной батареи меньше 0.1 А не сохраняются. Такие значения тока короткого замыкания соответствуют сумеркам или ночной фазе суток и не представляет интереса для исследования.
На фиг.3 приведены зависимости напряжения холостого хода, КПД, тока короткого замыкания солнечной батареи от рабочей температуры. Пунктирными линиями на графиках обозначены теоретические значения параметров.
Из фиг.3 следует что при увеличении температуры солнечной батареи на с 5°С до 45°С (ΔT=35°С) напряжение холостого хода уменьшается на 14%, а КПД падает с 13% до 8%. При этом разница температуры воздуха и солнечной батареи составляет от 10°С до 20°С.
Рост тока короткого замыкания при повышении температуры (фиг.3,в) объясняется изменением поглощения света.
График теоретической зависимости напряжения холостого хода [Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971 246 с.] при разной температуре приведен на рисунке 3,а пунктирной линией. Видно, что качественно, экспериментальные данные соответствуют теоретическим.