ЛАБОРАТОРНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И БАТАРЕИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к учебным пособиям и может быть использована для проведения лабораторных исследований по курсам «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии», «Физика», «Полупроводниковые приборы», «Электротехника», «Экология» и др.; для демонстрационных целей и изучения физических процессов преобразования солнечной энергии, важнейших параметров и характеристик солнечных элементов; а также для изучения методов их сборки в фотоэлектрические модули и включения в электрическую цепь.
Известны устройства для экспериментального изучения законов оптики - полезные модели «Лабораторно-исследовательский стенд для изучения отражения света и концентраторов солнечного излучения» (RU №66071 от 2006.11.12), «Лабораторно-исследовательский стенд для исследования концентраторов излучения и отражения света с моделями на магнитной основе» (RU №71784 от 20.03.2008). Эти устройства позволяют проводить исследования в соответствующих областях оптики и электротехники.
Наиболее близкий к разрабатываемой модели по сущности и достижения результатов является устройство, применяемое в качестве лабораторного стенда для изучения характеристик солнечных элементов - полезная модель «Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов» (RU №75759 от 20.08.2008). Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов содержит батарею солнечных элементов, источник света, закрепленный на подвижном штативе над солнечными элементами, а также переменную нагрузку, люксметр, амперметр, вольтметр, демонстрационную нагрузку, которые соединены в электрическую цепь с помощью проводов.
Недостатком этого устройство является то, что для изучения темновых характеристик солнечных элементов необходимо использование блока питания постоянного напряжения, при включении которого в состав стенда существенно увеличивает его стоимость.
Задачей является обеспечение проведения измерений в натурных условиях при естественном солнечном излучении для изучения параметров и характеристик солнечных элементов, удешевление лабораторного стенда за счет исключения из схемы дорогого блока питания, а также изучение принципов конструирования солнечного модуля при различных комбинациях соединения элементов - последовательного, параллельного и смешанного соединения, согласование солнечных элементов и модулей с нагрузкой, наглядная демонстрация физических процессов преобразования солнечной энергии.
В результате использования предлагаемой полезной модели появляется возможность изучения характеристик солнечных элементов:
- проведение измерений всех видов характеристик в полевых условиях (при снятой лампе, имитирующей Солнце) при естественном солнечном излучении;
- снятие световой вольтамперной характеристики элемента;
- снятие темновой (диодной) характеристики элемента;
- снятие характеристики p-n перехода;
- снятие указанных характеристик при частичном или полном затенении элементов без использования блока питания;
- снятие указанных характеристик для батареи солнечных элементов с различными типами соединения элементов - последовательным, параллельным, смешанным;
- вычисление параметров эквивалентной схемы замещения после снятия характеристик и анализ полученной эквивалентной схемы замещения.
Поставленная задача решается тем, что в лабораторно-исследовательском стенде для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов, содержащем батарею солнечных элементов, источник света, закрепленный на подвижном штативе над солнечными элементами, а также переменную нагрузку, амперметр, вольтметр, демонстрационную нагрузку, которые соединены в электрическую цепь с помощью проводов, согласно полезной модели в качестве переменной нагрузки 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. Аккумулятор используют также для моделирования работы фотоэлектрических систем с накопителями электроэнергии. Используемые в качестве переменной нагрузки два резистора позволяют более точно выставлять необходимые значения тока и напряжения.
Лабораторно-исследовательский стенд выполнен на плоском основании из изолирующего материала - листового пластика. На основании расположены:
- батарея из солнечных элементов;
- источник освещения, расположенный над батареей солнечных элементов. Для имитации солнечного излучения используется галогенная лампа. Она закреплена на штативе, позволяющем изменять расстояние от батареи солнечных элементов до лампы, меняя таким образом освещенность солнечных элементов. Также штатив вместе с лампой легко снимаются для проведения измерений в полевых условиях.
- изменяемая нагрузка (переменный резистор);
- амперметр и вольтметр;
- люксметр для контроля освещенности поверхности стенда;
- шунтирующие диоды, соединительные провода для коммутации батареи солнечных элементов с нагрузкой, источником напряжения и измерительными приборами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема лабораторного стенда сверху, на фиг.2 - схема лабораторного стенда спереди. На фиг.3 - вариант полезной модели для проведения измерений в полевых условиях. На фиг.4 - схема электрической цепи для снятия характеристик солнечных элементов.
Лабораторный стенд содержит батарею солнечных элементов 1, галогенную лампу 2 на штативе, переменную нагрузку (резистор) 3, люксметр 4, амперметр 5, вольтметр 6, демонстрационную нагрузку 7, клеммы солнечных элементов 8, основание стенда 9, электрическую розетку 10 на 220 в и аккумулятор 11.
Устройство работает следующим образом.
Галогенная лампа 2, подключенная к розетке 10 на 220 в, освещает солнечную батарею 1. Соединительные провода подключают к клеммам 8, измерительным приборам 5 и 6, к изменяемой нагрузке 3 и к демонстрационной нагрузке 7, образуя электрическую цепь для снятия характеристик элементов. При измерении темновой характеристики солнечного элемента, его затеняют, остальные элементы освещают, которых используют в качестве внешнего источника питания постоянного тока, как это показано на схеме. Для проведения измерительных работ в полевых условиях штатив вместе с лампой снимают.
На поверхность стенда нанесены метки, отражающие полярность солнечных элементов, и другие надписи, облегчающие понимание работы стенда. Все соединения элементов, а также провода от блоков питания мультиметров, смонтированы с нижней стороны основания.
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.
Комплект соединительных проводов обеспечивает различные варианты коммутации солнечных элементов, нагрузки и измерительных приборов: последовательное, параллельное и смешанное соединение солнечных элементов; снятие вольтамперной характеристики; согласование солнечных элементов и модулей с нагрузкой, наглядная демонстрация физических процессов преобразования солнечной энергии,
За счет снабжения стенда аккумулятором, заряжаемым от солнечных элементов, то есть исключения внешнего источника питания постоянного тока; а также использования для измерения темновой характеристики одного из солнечных элементов других солнечных элементов появилась возможность для проведения измерений в натурных условиях и снизилась стоимость лабораторного стенда.
Полезная модель применяется как учебный лабораторный стенд для проведения практических занятий, как в лабораторных, так и в натурных условиях по учебному курсу «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» а также другим курсам, например «Экология», в которых рассматриваются вопросы солнечной энергетики.