ПОРТАТИВНЫЙ ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к учебным пособиям, и может быть использована для проведения лабораторных работ с солнечными элементами, для демонстрации и изучения процессов преобразования солнечной энергии в электричество, как в помещении, с искусственными источниками света, так и непосредственно с использованием естественного солнечного излучения в полевых условиях.
Известны устройства для экспериментального изучения законов оптики - полезная модель №2227329 (2004.04.20), №2114462 (1998.06.27), учебное устройство по электротехнике - №2003111832 (2004.11.27). Выше перечисленные стенды позволяют проводить ряд лабораторных работ в учебных заведениях.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели относится устройство, применяемое в качестве лабораторного стенда для изучения процессов преобразования солнечной энергии в батареях солнечных элементов (патент на полезную молдель №2008102602 от 2008.01.28). Недостатками этого стенда являются: большие габариты, что вызывает неудобства при его хранении и транспортировке; ограниченность количества проводимых лабораторных работ (ЛР) на этом стенде; невозможность непосредственно использовать лабораторный стенд в полевых условиях (при засветке солнечного элемента (СЭ) естественным солнечным излучением).
Задачей полезной модели является создание портативного лабораторно-исследовательского стенда для изучения основных физических принципов работы СЭ, принципов конструирования из СЭ солнечного модуля (СМ), для изучения различных комбинаций соединения СЭ путем последовательного, параллельного и смешанного соединения, для изучения возможности работы СЭ с различной нагрузкой, а также для изучения способов определения оптимальных рабочих параметров нагрузки при работе от СЭ, изучения спектральной чувствительности СЭ и влияния концентрации на работу СЭ.
В результате использования предполагаемого портативного лабораторно-исследовательского стенда появляются возможности: наглядно демонстрировать процесс прямого преобразования солнечной энергии в электричество; измерять характеристики СЭ как отдельно, так и при различных их соединениях в модуль; определять оптимальные условия, при которых возможна максимальная выработка электроэнергии при различных видах нагрузки и уровне освещенности; собирать СМ с различными выходными характеристиками, путем параллельного, параллельно-последовательного и последовательного соединения СЭ в различные комбинации; измерять интенсивность потока рассеянной и суммарной солнечной радиации, используя предназначенный для этих целей пиранометр; демонстрировать спектральную чувствительность СЭ; определять влияние концентрированного солнечного излучения на работу элементов. При этом данный стенд дает возможность проведения лабораторных работ в полевых условиях, т.е. при засветке СЭ солнечной радиацией, что лучше всего демонстрирует возможности солнечной энергетики и позволяет судить о выработке электроэнергии в зависимости от плотности потока реального солнечного излучения в конкретных географических и погодных условиях.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемый портативный лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов, включающий в себя панель с ламинированными солнечные элементы, рабочую панель с контактными клеммами, резисторами, демонстрационной нагрузкой, изменяемой нагрузкой, мультиметрами, выполненный в виде раскладного кейса, на одной раскладной части которого расположены солнечные элементы, а в другой расположены контактные клеммы подключаемых устройств и контактные клеммы солнечных элементов, также стенд содержит светофильтры, линзу Френеля и пиранометр.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.
На фиг.1 представлен схематичный вид лабораторного стенда (вид спереди, сбоку, сверху).
На фиг.2 представлен схематичный вид портативного кейса в варианте используемом при транспортировки стенда (вид спереди, сбоку, сверху).
На фиг.3 представлен вид лабораторного стенда в трехмерном изображении.
На фиг.4 представлен вид лабораторного стенда в трехмерном изображении, в другом ракурсе в отличие от показанного на фиг.3.
Портативный лабораторно-исследовательский стенд содержит светильник 1, раскладной кейс 2, который раскладывается на две части. В одной части кейса располагается жестко закрепленная панель 3 с ламинированными солнечными элементами (СЭ) 4. В другой части располагается жестко закрепленная рабочая панель 5, на которой расположены: изменяемая нагрузка (переменный резистор) 6, демонстрационная нагрузка 7, резисторы 8, мультиметры 9, контактные клеммы солнечных элементов 10, контактные клеммы для подключения мультиметров 11, контактные клеммы для подключения изменяемой нагрузки 12, контактные клеммы для подключения демонстрационной нагрузки 13, контактные клеммы для подключения резисторов 14 (фиг.1, 3). Рабочая панель 5 выполнена из электроизолирующего материала, например, гетинакса, фторопласта. В кейсе также располагаются: набор светофильтров 15, линза Френеля 16, пиранометр 17, соединительные провода для коммутации батареи СЭ с нагрузкой и измерительными приборами (на фиг. не показаны). Защелка 18 служит для фиксации кейса в закрытом положении (фиг.1, 2).
В данном лабораторном стенде могут применяться различные СЭ 4: из монокристаллического, поликристаллического, аморфного кремния, поликристаллического кремния с продольным р-n переходом, кроме того, можно применять двух- и трехслойные (гетеропереходные) СЭ, которые поглощают большую часть спектра солнечного излучения. В качестве демонстрационной нагрузки 7 могут применяться: электродвигатель с вентилятором, светодиоды, топливный элемент, вибромотор.
В качестве искусственного источника света, при проведении лабораторной работы лучше использовать настольный светильник 1 с галогенной, ксеноновой лампой, либо с лампой накаливания. Возможно также использование других видов ламп - светодиодных, энергосберегающих, но их спектр излучения в сравнении с выше перечисленными лампами существенно отличается от солнечного спектра.
Работа полезной модели осуществляется следующим образом. При проведении лабораторной работы в полевых условиях искусственное освещение не требуется. При проведении лабораторной работы в помещении необходимо подготовить светильник 1. После чего необходимо подготовить стенд к работе. Используя защелку 18 необходимо раскрыть раскладной кейс 2, как показано на фиг.1, 3. Светильник 1 расположить таким образом, чтобы лампа максимально равномерно освещала все СЭ 4. В зависимости от задачи ЛР, необходимо собрать различную комбинацию СЭ 4, путем параллельного, параллельно-последовательного и последовательного соединения в заданную электрическую схему с подключением при необходимости мультиметров 9, резисторов 8, изменяемой нагрузки 6, демонстрационной нагрузки 7, с помощью соединительных проводов подключаемых к контактным клеммам СЭ 10, к контактным клеммам мультиметров 11, к контактным клеммам изменяемой нагрузки 12, к контактным клеммам демонстрационной нагрузки 13, к контактным клеммам резисторов 14. В зависимости от собранной схемы, можно наглядно оценить процесс прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, а затем в другие виды энергии в зависимости от демонстрационной нагрузки 7, в качестве которой можно использовать электродвигатель с вентилятором, светодиоды, топливный элемент, вибромотор и др. При подключении СЭ 4 к изменяемой нагрузке 6 можно снимать с помощью мультиметров 9 вольт-амперные характеристики СЭ 4 при различных типах их соединения с частичным или полным их затенением. Так же при использования набора светофильтров 15, возможно замерять характеристики СЭ при засветке их излучением, прошедшим через светофильтр, а затем анализировать, как спектральный состав излучения влияет на характеристики СЭ. Направляя излучение на СЭ через линзу Френеля 16, можно показать влияние концентрации солнечного излучения на характеристики СЭ. Изменяя расстояние от лампы светильника 1 до солнечных элементов 4, можно менять уровень освещенности, тем самым моделируя изменение освещенности в реальных условиях. Используя пиранометр 17, появляется возможность, определять при какой плотности потока солнечного излучения проводятся измерения и на основе этих данных проводить различный анализ.
На поверхность панелей, вблизи контактов нанесены метки, показывающие полярность контактов солнечных элементов, и другие надписи, облегчающие проведение лабораторных работ. Все соединения элементов смонтированы с тыльной стороны панели 3 и рабочей панели 5.
Данный стенд обладает высокой эргономичностью. Расположение компонентов стенда выполнено таким образом, чтобы все они находились в пределах доступности рук человека, выполняющего лабораторную работу, а также обеспечивали визуальный контроль, не загораживали поток излучения, падающий на батареи солнечных элементов.
Комплект соединительных проводов обеспечивает различные варианты коммутации солнечных элементов, нагрузки и измерительных приборов.
Полезная модель применяется, как портативный учебный лабораторный стенд для проведения практических занятий школьниками, студентами колледжей, училищ, техникумов, ВУЗов по учебному курсу «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», а также другим курсам, например «Физика», «Экология», в которых рассматриваются вопросы солнечной энергетики.
Лабораторно-исследовательский стенд позволяет проводить следующие лабораторные работы:
- снятие вольт-амперной характеристики солнечных элементов;
- снятие вольт-амперной характеристики батареи солнечных элементов, которые соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно;
- снятие вольт-амперной характеристики при концентрированном облучение СЭ, с помощью линзы Френеля;
- снятие вольт-амперной характеристики при частичном или полном затенении элементов;
- вычисление параметров эквивалентной схемы замещения после снятия характеристик;
- снятие вольт-амперной характеристики при облучении СЭ в различных спектральных диапазонах (используя различные фильтры);
- измерение интенсивности солнечного излучения пиранометром и сопоставления этих данных с рабочими характеристиками СЭ в течение определенного периода времени.