ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Полезная модель относится к исследовательским установкам, учебным пособиям и может быть использована для проведения лабораторных исследований по курсам «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии», «Экология» и др.; для демонстрационных целей и изучения физических процессов преобразования солнечной энергии, параметров и характеристик солнечных элементов; а также для изучения влияния пространственной ориентации приемной поверхности на электрические характеристики батареи солнечных элементов.
Известен лабораторный стенд для изучения характеристик солнечных фотоэлектрических модулей [Патент Российской Федерации №91776 G09B 23/18, 2010 г.]. Стенд содержит источник светового излучения на основе ламп накаливания, свет которого падает на поверхность оптически связанного с ним солнечного фотоэлектрического модуля, нагрузку для потребления электрической энергии, а также блок охлаждения солнечного фотоэлектрического модуля, выполненный в виде вентилятора.
Недостатком такого устройства для изучения характеристик солнечных фотоэлектрических модулей является то, что оно предназначено для проведения экспериментальных исследований в лаборатории в стандартных условиях и не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Известно устройство для тестирования параметров солнечных элементов [Патент КНР №CN 101551437 G01J 1/44, G01K 1/02, G01K 7/20, H02S 50/10 2009 г.]. Устройство включает в себя имитационный источник света, тестер параметров и таблицу тестирования, электронный модуль нагрузки, модуль отображения, модуль тестирования температуры и модуль тестирования степени светового излучения.
Недостатком устройства для тестирования параметров солнечных элементов является то, что оно предназначено для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях и не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов [Патент Российской Федерации №111314, кл. G02B 27/20, 2011 г.]. Стенд содержит батарею солнечных элементов, источник света, закрепленный на подвижном штативе над солнечными элементами, люксметр, амперметр, вольтметр, демонстрационную нагрузку, которые соединены в электрическую цепь с помощью проводов, а также переменную нагрузку, в качестве которой используют два резистора, а для измерения темновой характеристики одного из солнечных элементов используют другие солнечные элементы, включенные по схеме. Также стенд дополнительно снабжен аккумулятором, заряжаемым от солнечных элементов и используемым для измерения темновой характеристики.
Недостатком лабораторно-исследовательского стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов является то, что стенд не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей и не имеет возможности автоматической фиксации электрических характеристик батареи солнечных элементов для различных временных интервалов.
Предлагаемой полезной моделью решаются задачи:
проведение измерений всех видов характеристик солнечных элементов в лабораторных и полевых условиях при естественном солнечном излучении и климатических внешних воздействующих факторах;
изучение принципов варьирования пространственной ориентации приемной поверхности и определение оптимального угла наклона батареи солнечных элементов относительно горизонта и сторон света, получение показателей интенсивности приходящей солнечной радиации на приемную поверхность стенда для различных временных интервалов;
снятие световой вольт-амперной характеристики батареи солнечных элементов автоматизировано, на заданных интервалах времени;
снятие световой и темновой характеристик батареи солнечных элементов;
удешевление лабораторного стенда за счет исключения из схемы аккумуляторных батарей;
Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов различной пространственной ориентации состоит из батареи солнечных элементов 1 (Pmax=5 Вт, Ump=9 В), закрепленной на площадке 2 из текстолита, установленной на поворотно-наклонном механизме 3, имеющем две степени свободы и позволяющем регулировать угол наклона площадки 2 относительно горизонта и сторон света с помощью фиксирующего рычага 4. Поворотно-наклонный механизм 3 установлен, в свою очередь, на вращающейся на 360° опоре 19. В основании вращающейся опоры 19 имеется круговая шкала 6 с шагом градуировки в 1°. Регулирование положения батареи солнечных элементов осуществляется в диапазоне углов от 0° до 90° в вертикальной плоскости и от 0° до 360° - в горизонтальной.
В составе стенда имеется электронный угломер 5 для осуществления точного регулирования угла наклона площадки относительно горизонта. Для ориентации по сторонам света имеется магнитный компас 7. Для выставления столешницы стенда по плоскости - сферический уровень 8.
В состав стенда входит лабораторный магазин сопротивлений 9, от 1 Ом до 9999 Ом, с классом точности 0,1 для моделирования подключаемой переменной нагрузки с галетными переключателями 10 четырех декад электрических резисторов, амперметр 11, вольтметр 12, разъемы 14 для подключения проводами батареи солнечных элементов 1 с нагрузкой и измерительными приборами.
Для автоматической фиксации и записи массива данных вольт-амперных характеристик на зажимах батареи солнечных элементов 1 в заданный интервал времени в устройство добавлен блок 13 с картой памяти micro SD.
Все функциональные элементы стенда закреплены жестко на текстолитовом основании 15, имеющем четыре телескопические складные ножки 16, что дает возможность перемещать, разворачивать, настраивать и эксплуатировать стенд в любой географической точке. Также стенд оснащен контрольным солнечным элементом (люксметром) 17, который позволяет получить характеристики приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения. Включение контрольного солнечного элемента в цепь осуществляется переключателем 18.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вариант полезной модели для проведения измерений в полевых условиях. На фиг. 2 - схема электрической цепи для снятия характеристик солнечных элементов.
Устройство работает следующим образом.
Стенд размещается на не затеняемой ограждающими конструкциями и насаждениями площадке, где батарея солнечных элементов 1 освещается естественным солнечным светом. Батарею солнечных элементов 1 соединительными проводами через разъемы 14 подключают к амперметру 11, вольтметру 12, к блоку 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик и к лабораторному магазину сопротивлений 9, образуя электрическую цепь. После фиксации исследуемых характеристик батареи солнечных элементов происходит варьирование пространственной ориентации подвижной площадки 2 батареи солнечных элементов 1 с помощью поворотно-наклонного механизма 3 и фиксирующего рычага 4, под контролем электронного угломера 5, круговой шкалы 6, магнитного компаса 7 и сферического уровня 8. Путем включения с помощью переключателя 18 в цепь контрольного солнечного элемента 17 возможно получить значения характеристик приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения. Блок 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик производит съем и запись на карту памяти microSD данных по напряжению и силе тока батареи солнечных элементов в заданные интервалы времени.
Взаимное расположение компонентов стенда выбрано таким образом, чтобы все они находились в пределах доступности рук человека, выполняющего исследование, а также обеспечивали визуальный контроль, не загораживали друг друга и освещение батареи солнечных элементов.
Преимуществом использования заявляемого устройства является возможность моделировать расположение батареи солнечных элементов на поверхности ограждающих конструкций с учетом их ориентации в пространстве, что позволяет исследовать влияние взаимного положения Солнца на небосводе и батареи солнечных элементов 1 на параметры режима функционирования последней. Также задействованный в конструкции стенда поворотно-наклонный механизм 3 позволяет имитировать расположение батареи солнечных элементов 1 как на горизонтальной поверхности, так и вертикальной поверхности любой ориентации по сторонам света. Имеющийся в составе стенда контрольный элемент позволяет также фиксировать значения характеристик приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения, а наличие блока 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик на карту памяти microSD дает возможность автоматически мониторить данные по напряжению и силе тока батареи солнечных элементов в заданных интервалах времени. Кроме того, удобная форма реализации стенда позволяет его транспортировать и максимально быстро и удобно разворачивать в любой географической точке, где необходимо провести экспериментальные исследования.