В разделе представлен детальный расчет проектирования солнечной батареи со всеми теоритическими и математическими выкладками. Расчет не примерный, как вы это читали, возможно, в интернете в нескольких предложениях. В идеале должно учитываться все - и географические координаты проживания, и параметры конкретной модели используемых солнечных элементов. Это позволит расположить солнечную батарею под нужным углом для получения наибольшей мощности в конкретной местности. А при заданных параметрах мощности это позволит обойтись наименьшим количеством солнечных элементов. Правда, для этого надо задаться промежутком реального времени, в течение которого должна будет обеспечиваться заданная мощность солнечной батареи. Ведь, чем ближе к восходу или заходу, тем меньше световой поток, а значит, и обеспечиваемая мощность всей батареи. Со всеми этими премудростями можно будет ознакомиться в этом разделе. Раздел представляет из себя расчетную часть дипломного проекта, за исключением для простоты вводной части, финансовой и расчета надежности. В этом разделе для примера приведен расчет для нагрузки постоянного тока на 12В при токе нагрузки 1А и перерасчет и подключение к нагрузке переменного тока напряжением 220В.

Математическая модель солнечного элемента при протекании постоянного тока

идеализированная модель солнечного элементаПоскольку данные установки являются в достаточной степени новым словом в технике, необходимо пояснить их работу на примере единичного элемента. Принцип действия солнечных элементов с p-n-переходами зависит от неосновных носителей, поэтому их относят к приборам, работающим на неосновных носителях заряда. На рис.1 представлена идеализированная модель солнечного элемента. Ниже приведено уравнение, характеризующее данную модель.
Здесь Iф – ток фотонов, зависящий от плотности потока излучения;
Iд – ток, протекающий через идеализированный p-n-переход;
Iн – ток нагрузки;
V – выходное напряжение.
Уравнения, определяющие модель, представленную на рис.1, имеют вид:
1); 2); 3)где V - напряжение на p-n-переходе, - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе р-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т = 300 К, φТ = 0,025 В); е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. На основании данного уравнения не представляется возможным построение более или менее точной ВАХ солнечного элемента. Исследования влияния различных условий на выходные характеристики солнечного элемента привели к включению в уравнение солнечного элемента трех дополнительных параметров: А, Rп, Rш. Тогда

схема реального солнечного элементаВАХ солнечного элементагде А – эмпирический показатель, принимающий значения от 1 до 5; Rп – последовательное сопротивление солнечного элемента; Rш – шунтовое сопротивление элемента; Iн – выходной ток нагрузки; Iф – ток, протекающий через переход фотодиода; Iо.н – обратный ток насыщения.
Эквивалентная схема данной модели представлена на рис.2.

На рис.3 показана ВАХ солнечного элемента, где
Uхх – напряжение холостого хода;
Iкз – ток короткого замыкания;
Uном – напряжение в точке максимальной мощности;
Iном – ток в точке максимальной мощности.
Данная модель используется при анализе работы солнечных элементов и батарей, а также использована в приведенных расчетах.

Определение профиля освещенности

Профиль освещенности определяет радиацию, поступающую на солнечную батарею, которая является функцией времени в течение светлого времени дня от восхода до захода, а также зависит от угла между направлением на Солнце и плоскостью расположения солнечной батареи.
Рассмотрим систему, расположенную на поверхности Земли, или в центре солнечной батареи. Точка имеет координаты L°ш широты и L°д долготы. Местное гражданское время, или поясное время, определяется долготой стандартного меридиана LC.M. В табл.1 приведены стандартные меридианы, соответствующие различным поясным временам.

посмотреть табл.1 - некоторые часовые пояса

Номер пояса

Часовые пояса

Долгота, град.

Широта, град.

0

Гринвич

0

 

 

2
3
4

5
6
7
8
9

 

г. Санкт – Петербург
г. Волгоград
г. Первоуральск(Свердловская область)
г. Омск
г. Ачинск (Красноярский край)
г. Иркутск
г. Тупик (Читинская область)
г. Хабаровск

 

30
45
60

75
90
105
120
135

 

60
49
57

55
56
52,3
55
48,5

Солнце достигает наивысшей точки на небе – зенита во время истинного полдня. В этот момент наблюдатель видит Солнце точно на юге. Истинное солнечное время НС связано с поясным временем НП соотношением.

 

читать далее...

где Еу.в. является уравнением времени (в минутах), равное разности истинного и среднего солнечного времени, которое берется из рис.4 - аналеммы (НС и НП в часах). Из него видно, что большее время года истинное солнечное время либо опережает,  либо отстает от него. Солнце, если наблюдать его движение с места расположения упомянутой выше эталонной системы, восходит на востоке и заходит на западе (рис.5).

для увеличения или уменьшения кликнуть по рисункам

аналеммаЗдесь Ψ – угол возвышения Солнца; А – азимутальный угол положения Солнца.
Движение  Солнца по небосводу описывается уравнениями:

где А – азимутальный угол положения Солнца, измеряемый в горизонтальной плоскости в направлении с севера на юг; Ψ – угол возвышения Солнца, измеряемый в вертикальной плоскости; Lш – широта точки расположения наблюдателя (или объекта); Lд – долгота точки расположения наблюдателя (или объекта); h – часовой угол положения Солнца; δ – угол склонения Солнца (рис.6).

определение размещения солнечной батареи Часовой угол Солнца h определяется уравнением, в котором НС находится из выражения:Приблизительное время захода и время восхода Солнца, выраженные в часах и соответствующие истинному солнечному времени, определяются двумя следующими уравнениями:

Число [12]* означает, что полученное значение соответствует двенадцатичасовому времени исчисления. Соответствующие этим уравнениям поясные времена восхода и захода определяются из следующих уравнений:

Продолжительность солнечного освещения, выраженную в часах, находится из уравнения:На приведенном ниже рис.7 видно, что направления на восток и на запад образуют с направлением на истинный север в горизонтальной плоскости углы 90° и 270° соответственно. В летний период солнечная траектория с востока на запад видна из точки наблюдения (рис.7) под углом, большим 180°. Однако, плоские солнечные батареи с фиксированным положением, проектирование которых будет рассматриваться, не могут использовать всю энергию солнечного излучения при нахождении Солнца за пределами дуги в 180°. Количество энергии, которое может быть использовано, зависит от широты местности, где расположена солнечная батарея, от угла наклона батареи относительно направления на юг, а также от склонения Солнца и от времени года.

движение Солнца по временам годанаклон солнечной панели

Угол наклона солнечной батареи обозначим α (рис.8). Выражение
определяет угол Г между направлением на Солнце и нормалью к плоскости солнечной батареи, где - формулу для определения sinΨ смотрите выше; , а в свою очередь .Формула для cosA определена выше. Стрелками на рис.8 показано направление падения солнечного излучения: 1 – при равноденствии; 2 – летом; 3 – зимой.На первой ступени проектирования необходимо определить количество солнечного излучения, падающего на солнечную батарею.
Наиболее просто среднее количество солнечного излучения, падающего в течение дня на солнечную батарею, выполненную в виде плоской панели (или солнечной батареи более сложной конфигурации) можно определить по таблицам, в которых приведено количество солнечного излучения, падающего на Землю. В табл.2 приведены значения солнечной радиации для Москвы по месяцам года и ориентации световоспринимающей плоскости в пространстве. Такие данные есть на метеостанциях для каждого города или близлежащей к станции местности (близлежащего города).

табл.2. Месячные и годовые значения суммарной радиации по Москве
 
Плотность потока S, приходящегося на плоскость
Месяц
горизонтальная
вертикальная
наклонная - 40°
Январь
16,4
21,3
20,6
Февраль
34,6
57,9
53,0
Март
79,4
104,9
108,4
Апрель
111,2
93,5
127,6
Май
161,4
108,2
166,3
Июнь
166,7
100,8
163,0
Июль
166,3
108,8
167,7
Август
130,1
103,6
145,0
Сентябрь
82,9
86,5
104,6
Октябрь
41,4
58,1
60,7
Ноябрь
18,4
38,7
34,8
Декабрь
11,7
25,8
22,0
Итого в год
1020
908,3
1173,7

Найдем оптимальную величину угла наклона солнечной батареи, расположенной в г.Москва.. Зная инсоляцию в данном географическом месте (см. табл.2), находим, что минимальная энергия солнечных лучей характерна для января и декабря. В эти два месяца склонение Солнца (см. рис.2 - аналемма) составляет  от  -17,5° до -23,5°.Средняя величина склонения определяется через среднее арифметическое косинусов этих углов:

откуда δср = - 20,7°. Отсюда оптимальный угол наклона (зимний) α0 = 55,7°+20,7°=76,4°

Правильность расчетов можно проверить другим (метод без учета значений инсоляции для данной местности) способом, где зимний угол установки относительно горизонтали находится как сумма географической широты плюс 15 градусов, т.е. в данном случае 55,7° + 15° = 70,7°.
Летний угол, наоборот, есть разность между географической широтой и 15 градусами, 55,7° - 15° = 39,3°.
При точных вычислениях угол наклона летом составит:
средняя величина склонения, определенная через среднее арифметическое косинусов этих углов:

откуда δср = 21,1°. Отсюда оптимальный угол наклона (летний) α0 = 55,7° - 21,1°=34,6°

В стационарном положении (без электропривода вращения) панели необходимо ориентировать на юг. Для постоянной эксплуатации выбирают зимний вариант наклона панели (опять же без электропривода вращения). Продолжительность солнечного освещения, выраженную в часах, при условии ясной погоды можно найти из . При δср = - 20,7° она составит:зависимость долготы дня от склонения

В декабре при δ = -23,5° минимальная продолжительность солнечного освещения согласно составит 6,72ч. В июне при δ = 23,5° максимальная продолжительность солнечного освещения составит 17,28ч.
На рис.9 показана зависимость продолжительности солнечного освещения Нсо  от склонения Солнца на широте 55.7° согласно выражению . Величины склонений даны в радианах. По графику видно, что продолжительность светлового времени суток возрастает от примерно шести часов зимой до примерно восемнадцати часов летом.

 

     На рис.10(а, б), рис.11(а, б) и рис.12(а, б) показаны зависимости sinΨ от величины часового угла h при склонении Солнца δ = 0°, δ = 23,5° и δ = - 23,5° соответственно на широте 55,7°, а также соответствующее изменение при этом величины cos А, рассчитанные по и .
Величина часового угла на всех графиках представлена в радианах. Величина cos А показана при изменении sinΨ от его нулевого значения на восходе до максимального значения при наивысшем положении Солнца – зените. При этом абсолютное значение cosА будет также возрастать до своего максимального значения. При изменении положения Солнца от своего наивысшего положения до захода абсолютное значение cosА будет убывать в обратном порядке.

посмотреть рис.10 - 12. Для увеличения и уменьшения кликнуть
угол возвышения солнцазависимость азимута от возвышения солнцазависимость азимута от возвышения солнцаугол возвышения солнца
угол возвышения солнцазависимость азимута от возвышения солнца
По приведенной выше формуле и определяемым по графикам из рис.10(а, б), рис.11(а, б), рис.12(а, б) значений sinΨ и соответствующих им значений cos А можно определить величину cos Г и найти угол между направлением на Солнце и нормалью к плоскости солнечной батареи.
Результаты вычислений в качестве примера приведены в табл.3 для значения δ = 0°. Аналогично угол Г вычисляется и для других значений склонений.
табл.3. Расчеты для угла Г
δ = 0°
sinΨ
cos А
cos Г
Г
0
0
0
90°
0,05
- 0,075
0,085
85°
0,1
- 0,148
0,167
80°
0,15
- 0,223
0,25
75,5°
0,2
-0,298
0,331
70,6°
0,25
- 0,378
0,414
65,5°
0,3
0,462
0,499
60°
0,35
0,547
0,58
54,5°
0,4
- 0,639
0,663
48,5°
0,45
- 0,738
0,746
41,7°
0,5
- 0,846
0,83
33,9°
0,564
-1
0,935
20,7°

Определение необходимой емкости и выбор аккумуляторной батареи

Данный расчет необходим при необходимости обеспечения работы устройства в течение суток. Необходимая емкость аккумуляторной батареи находится с учетом ее напряжения, потребляемой суточной мощности, а также допустимой глубины разряда и определяется как: , где С'б – необходимая емкость батареи, Pнс – потребляемая нагрузкой  суточная мощность, Uб – напряжение аккумуляторной батареи, ηр – допустимая глубина разряда, которую можно принять равной ηр = 80 %. С учетом вышеизложенного суточная мощность Pнс определится как:. Если мы для примера выберем нагрузку с напряжением питания 12В и током 1А, то значение суточной мощности найдется нами как:

Тогда требуемая емкость аккумуляторной батареи по составит:Но давайте предположим, что мы захотим питать наше устройство в течение 2-х дней от аккумуляторов, например, при вероятности 2-х пасмурных дней подряд. Разумеется, вдвое мы должны будем увеличить и емкость батареи. Т.е. нам необходима батарея емкостью С'б = 60А*ч. С учетом КПД контроллера заряда-разряда (около 93 %) необходимая емкость батареи составит:Типы аккумуляторных батарей и необходимые технические характеристики приведены в Приложении А

Прниложение А - Типы аккумуляторных батарей для солнечной энергетики

Серия SONA

Модель

напряжение, В

емкость,
Ач

максимальный
ток зарядки, А

зарядное напряжение, В,
при 20°С в режиме

температурная поправка,
мВ/°С в режиме

габариты,
мм

циклическом

резервном

циклическом

резервном

Y15-12

12

15

4,5

 

14 – 15

 

13 – 14

 

-30

 

-20

 

181/76/167

Y17-12

12

17

5,1

Y24-12

12

24

7,2

166/175/125

Y38-12

12

38

11,4

197/165/170

Серия GP

Модель

Напряжение, В

Емкость, Ач

Размеры, мм

Максимальный
ток разрядки, А

Максимальный
ток зарядки, А

Масса, кг

Длина   

Ширина

Высота

GP12200

12

20

181

76

167

230

6

6,5

GP12260

12

26

166

175

125

350

7,8

9

GP12340

12

34

195

130

178

360

10,2

12,6

GP12400

12

40

197

165

170

400

12

14

GP12650

12

65

350

166

174

500

19,5

22

Серия GPL

Модель

Напряжение, В

Емкость, Ач

Размеры, мм

Вес, кг

Длина

Ширина

Высота

GPL12755

12

75

261

168

212

26

GPL12880

12

78

306

172

212

30

GPL121000

12

100

342

172

216

35

Серия EVX

Модель

Напряжение, В

Емкость, Ач

Размеры, мм

Максимальный
ток разрядки, А

Максимальный
ток зарядки, А

Масса, кг

Длина

Ширина

Высота

EVX12200

12

20

181

76

167

230

6

6,5

EVX12260

12

26

166

175

125

350

7,8

9,8

EVX12300

12

30

166

125

175

400

9

10,9

EVX12340

12

34

195

130

178

400

10,2

13,3

EVX12400

12

40

197

165

170

400

12

15,2

EVX12650

12

65

350

166

174

500

19,5

22,3

EVX121000

12

100

511

175

174

500

30

35,5

Серия CASIL

Модель

Напряжение,
В

Время разряда

Максимальный
зарядный ток, А

Напряжение заряда, В,
в режиме

Габаритные
размеры, мм

Масса
кг

20ч

10ч

 

 

Емкость, Ач

 

буферном

циклическом

длина

ширина

высота

СА12330

12

35

33

28

8,3

13,5 –13,8

14,4 – 15

195

129

164

11,5

СА12400

12

42

40

34

10

197

165

170

14

СА12650

12

68,3

65

55

16,3

350

165

175

21

СА121000

12

105

100

85

25

333

172

208

31

Серия FG

Модель

Напряжение,
В

Емкость, Ач

Масса, кг

Габариты, мм

Цена, руб

 

длина

ширина

высота

FG22703

12

27

9,0

166

175

125

1790

FG23504

12

35

13,0

196

132

170

2450

FG24204

12

42

14,6

196

163

174

2650

FG26504

12

65

22,6

271

166

190

3200

FG27004

12

70

23,8

350

166

174

3780

FG2А007

12

100

34,0

329

172

221

4420

Согласно имеющимся данным выберем батарею типа СА 12650 с номинальным напряжением 12 В, емкостью 68,5 Ач и максимальным током зарядки Iз = 16,3 А. Особенности конструкции, обслуживания и возможные взаимозаменяемости батарей рассмотрены в разделе по эксплуатации. Потребляемая при заряде максимальная мощность Рцикл составит:, где Uз – максимальное зарядное напряжение в зимний период, Iз – максимальный зарядный ток. Отсюда

разрядные характелристики солнечных батарейНа рис.13 показано изменение напряжения батареи от времени разрядки при различном разрядном токе. При нагрузке, задающей ток в цепи, равный Iн = 1А, разрядный ток будет равен Iр = 0,017С20, где С20 – общая емкость батареи. Исходя из этого, можно сделать вывод, что расчетная кривая пройдет выше кривой 0,05С20 и при времени разряда tр = 48 ч  значение напряжения на клеммах батареи составит около Uб = 11 В, что, в целом, хорошо отразится на работе устройства.
На рис.14 представлены зависимости емкости батареи в процентах (по отношению к номинальному ее значению) от числа циклов заряда-разряда для случаев 100-, 50- и 30 – процентной разрядки в каждом цикле. Количество таких циклов, например для 80 – процентной разрядки, принятой для двух дней подряд работы батареи, не более двух-трех десятков в году (в зависимости от наличия пасмурных дней), и заметным образом не отразится на потере емкости батареи. На приведенном рис.14 за стопроцентную емкость принята емкость нового аккумулятора (или батареи). После нескольких первых циклов емкость несколько увеличивается по сравнению с начальной, поэтому кривые поднимаются над 100 – процентным уровнем.
Зависимость емкости батарей при различных значениях тока разрядки от температуры их корпуса показана на рис.15.Из графика на рис.15 видно, что при температуре окружающей среды Токр = - 20°С емкость батареи составит около 75 % расчетной емкости (кривая Iр = 0,03×С пройдет выше кривой Iр = 0,05×С), т.е. около 51,4 Ач, что тем не менее согласуется с расчетными данными, т.к в морозные дни пасмурность отсутствует и для работы устройств в темное время суток данной емкости будет достаточно. В крайнем случае, допустим стопроцентный разряд аккумуляторной батареи. При наличии пасмурных дней в более теплую погоду фактическая емкость будет близка к расчетной.
Все оговоренные условия режима эксплуатации благоприятно отразятся на сроке службы аккумуляторной батареи, что должно составить около семи лет.

Зависимость емкости батарей от температуры окружающей среды     Зависимость емкости батареи от количества циклов заряда

Определение минимального времени зарядки аккумуляторной батареи

схема разряда АКБсхема заряда АКБДля организации непрерывности питания нагрузки необходимо оценить скорость заряда аккумуляторной батареи. На рис.16а,б представлены два процесса, характеризующие процесс разряда и заряда аккумуляторной батареи (АКБ) соответственно. Из рис.16а видно, что при разряде часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении батареи Rвнутр, поэтому на выходе напряжение составляет порядка 12 В. Соответственно, при заряде необходимо подать на входные клеммы батареи, с учетом падения напряжения на сопротивлении Rвнутр, повышенное напряжение относительно ЭДС батареи на величину этого падения, что проиллюстрировано на рис.16б. Энергия, расходуемая при разряде батареи, определяется по формуле: . Энергия, затраченная на заряд батареи, составит: В этих выражениях Wр, Uр, Iр, Тр и Wз, Uз, Iз, Тз – мощность, напряжение, сила тока и время в режиме разряда и заряда соответственно. С учетом КПД заряда, равного ηз = 0,8 можно записать следующее равенство:Тогда время заряда составит , т.е. Данный режим будет характерен для летнего периода (+20°С) при наличии перед зарядом двух пасмурных дней, т.е. после двухсуточного разряда. Зарядное напряжение Uз = 14,4 В взято для летнего периода.
В зимний период в морозы (-20°С) пасмурность отсутствует (ясное небо) и время заряда составит (при шести часах работы солнечной батареи и восемнадцати аккумуляторной батареи соответственно) Зарядное напряжение Uз = 15 В взято для зимнего периода. При промежуточных температурах время заряда будет в пределах (1,1 – 3)часа, поэтому расчет не приводится.

Определение профиля нагрузки

схема питания от солнечной батареиГальванические батареи способны поддерживать на своих шинах почти постоянное напряжение даже при достаточно больших кратковременных перегрузках, характерных для пусковых моментов двигателей. Солнечные элементы этим свойством не обладают. Резкое увеличение отбираемого внешней нагрузкой тока элементов (более чем на 10% превышающего максимальный ток при данных условиях) может привести к временному падению выходного напряжения элементов. В связи с этим необходимо включать аккумуляторную батарею, работающую в переходных режимах. Батарея служит также источником энергии в темное время, а при появлении солнечного излучения  заряжается.
На рис.17 представлена общая структурная схема питания объектов при использовании энергии солнечных батарей. При добавлении в схему питания потребителей переменного тока  систему электроснабжения необходимо дополнить инвертором, показанном на рисунке пунктирной линией. Некоторые виды инверторов совмещают в себе также и функции контроллера заряда-разряда. Для правильной работы всей схемы необходим подбор контроллера заряда-разряда в соответствии с параметрами работы схемы. Выбор осуществляют, исходя из рабочего напряжения аккумуляторной батареи, тока нагрузки и необходимых функций самого контроллера.

Для систем с напряжением аккумуляторной батареи Uб = 12 В отечественные производители выпускают контроллеры типа РЗЗ-12 на различные номинальные токи. Его типовыми функциями являются:
- оптимальный алгоритм заряда;
- динамическую защиту от избыточного заряда;
- защиту от короткого замыкания и холостого хода;
- внутреннюю температурную компенсацию;
- диагностику рабочего статуса;
- индикацию состояния заряда;
- защиту от глубокого разряда;
- определение состояния заряда.
Исходя из максимального тока заряда выбранной аккумуляторной батареи Iз = 16,3 А и номинального тока нагрузки Iн = 1 А, применим в составе системы контроллер заряда-разряда РЗЗ-12-20. Его технические характеристики приведены в табл.4.

табл.4 - характеристики контроллера РЗЗ-12-20 и внешний вид
контроллер заряда-разряда РЗЗ-12-20

Номинальное напряжение АБ, В

12

Ток заряда от солнечной батареи (СБ), А, не более

20

Ток нагрузки, А, не более

20

Напряжение подключения нагрузки, В

11,5±0,2

Напряжение подключения солнечной батареи, В

14,4±0,2

Напряжение отключения солнечной батареи, В

13,1±0,2

Напряжение отключения нагрузки, В

10,5±0,2

Масса изделия, кг, не более

0,7

Габаритные размеры, мм, не более

200×130×30

Защита солнечной батареи и нагрузки от ошибочного подключения АБ

есть

Защита АБ от разряда на СБ

есть

Защита АБ от короткого замыкания в нагрузке

есть

Диапазон рабочих температур, °С

-40...+60

Относительная влажность воздуха при температуре 25 °C, %

до 98

КПД, %

93

Возможно также применение контроллера РЗЗ-12-16 с максимальным током заряда 16А, что незначительно отразится на увеличении минимального времени заряда.  
Для определения суммарно потребляемой нагрузки при расчете мощности солнечной батареи необходимо определить нагрузку питаемого оборудования и мощность заряда батарей. Последняя была определена нами выше и составила Рцикл = 244,5 Вт.
Потребляемая мощность оборудования:где Uн и Iн – напряжение и ток потребления нагрузки соответственно. Потребляемая мощность составитПри определении мощности всей системы необходимо также учесть КПД контроллера заряда-разряда, равный ηк = 93 %. Тогда мощность всей системы, а следовательно и солнечной батареи, определится как, где С учетом двух последних выражений окончательная мощность солнечной батареи составит

Расчет эффективного значения плотности потока солнечного излучения

Это один из пунктов, необходимого для расчета количества солнечных элементов. Эффективное значение плотности потока солнечного излучения является действительным эффективным уровнем освещенности активной поверхности солнечного элемента и определяется по формуле: S'=S×cosГ×Fопт, где S×cos Г – плотность потока солнечного излучения за выбранный период времени, выраженная в единицах солнечных постоянных (1 ед. = 1000 Вт/м²); Fопт – коэффициент, учитывающий оптическую прозрачность покрытия (потери на поглощение и отражение) солнечного элемента (0,88 ÷ 0,90); Г – суммарный угол падения излучения, выраженный в градусах.
В декабре при максимальном уровне инсоляции для вертикально расположенной плоскости (ее угол наклона 90° наиболее близок к расчетному углу 76,4°) суммарный месячный поток солнечного излучения Sдек×cos Г = 21,3 кВт×ч/м². Тогда в среднем за день его значение составит Sдн×cos Г = 21,3/31 = 0,687 кВтч/м², а при принятой продолжительности дня 6,72 часа составит S×cos Г = 0,687/6,72 = 0,102 кВтч/м² в час.
В июне Sиюнь×cos Г = 100,8 кВт×ч/м², что в среднем за день составит Sдн×cos Г = 100,8/30 = 3,36 кВтч/м², а при продолжительности дня около семнадцати часов составит S×cos Г = 3,36/17,28 = 0,194 кВтч/м² в час.
В марте и сентябре при суммарной плотности светового потока на вертикальную плоскость Sмарт×cos Г = 104,9 кВт×ч/м² и Sсент×cos Г = 86,5 кВт×ч/м² его среднее значение за день и за час составит:
в марте Sдн×cos Г = 104,9/31 = 3,384 кВтч/м², а
S×cos Г = 3,384/12 = 0,282 кВтч/м²;
в сентябре Sдн×cos Г = 86,5/30 = 2,883 кВтч/м², а
S×cos Г = 2,883/12 = 0,24 кВтч/м²
Исходя из вышеприведенных расчетов, за минимальную среднечасовую расчетную плотность солнечного потока необходимо принять его значение в зимний период, т.е принимается S×cos Г = 0,102 кВтч/м². Таковым будет среднее значение мощности светового потока за час, падающего на вертикальную плоскость и регистрируемую широкополосными радиометрами. Для определения действительного эффективного уровня освещенности активной поверхности солнечного элемента с учетом оптической прозрачности его покрытия необходимо воспользоваться формулой S'=S×cosГ×Fопт. В зимний период это значение составит

S' = 0,102×0,9 = 0,092 кВтч/м²

Соответственно в летний период (июнь)

S' = 0,194×0,9 = 0,175 кВтч/м²

Определение факторов, влияющих на выходную мощность солнечных элементов

Некоторые наиболее используемые виды солнечных элементов, которые могут быть взяты для расчетов и их характеристики представлены в табл.5.

табл.5 - Характеристики солнечных элементов

Параметры

Класс A

Класс B

Класс C

Класс D

 

A1

A2

B1

B2

C1

C2

D1

D2

Монокристаллические кремниевые солнечные элементы 102,8х102,8 мм

Эффективность преобразования (КПД), %

16,0-16,5

15,5-16,0

15,0-15,5

14,5-15,0

14,0-14,5

13,5-14,0

13,0-13,5

12,5-13,0

Максимальная мощность (Р0), Вт

1,65-1,69

1,60-1,64

1,55-1,59

1,50-1,54

1,45-1,49

1,40-1,44

1,35-1,39

1,30-1,34

Ток при максимальной мощности (Iопт), А

3,15 ± 3,0 %

3,05 ± 3,0 %

2,93 ± 3,0 %

2,80 ± 3,0 %

Напряжение при максимальной мощности (Uопт), мВ

524 ± 2,5 %

508 ± 2,5 %

495 ± 2,5 %

482 ± 2,5 %

Ток короткого замыкания (Iкз), А

3,40 ± 3,0 %

3,33 ± 3,0 %

3,24 ± 3,0 %

3,15 ± 3,0 %

Напряжение холостого хода (Uхх), мВ

640 ± 2,5 %

630 ± 2,5 %

620 ± 2,5 %

610 ± 2,5 %

Температурные коэффициенты

по напряжению(βV), В/ °С

0,002

0,002

0,002

0,002

по мощности(βр), %

0,48

0,48

0,48

0,48

Все характеристики приведены для стандартных условий измерений:
- освещенность 1000 Вт/м²;
- температура 25°С;
- спектр(атмосферная масса) 1,5.
Используя вышеприведенные характеристики элементов, выберем как наиболее мощные, элементы класса А1.
Размеры солнечной батареи определяют аналитическим, расчетным путем, исходя из физических и электрических свойств. Например, выходной мощности, которыми должна обладать солнечная батарея в наиболее критические моменты эксплуатации времени. Для этого необходимо:
1) определить для выбранных элементов максимальную выходную мощность Pэ отдельного солнечного элемента с учетом факторов, воздействующих на его выходные параметры по формуле: Pэ = P0×S'×FТраб×Fк×Fз×Fб.д×Fг.ф, где P0 – исходная выходная мощность незастекленного солнечного элемента при нормальном падении солнечного излучения (с плотностью, равной одной солнечной константе) и эталонной температуре (25° или 28°С) – 1,65 Вт;
S' = S×cosГ×Fопт – эффективная среднечасовая плотность солнечного излучения с учетом покрытия и неперпендикулярности падения солнечного излучения (выраженная в долях солнечной), вычисленная выше и равная S' = 0,092 кВт/м²; Fк – фактор, учитывающий коммутационные потери (падение напряжения в межэлементных соединениях и электропроводке, связанное с наличием у них активного сопротивления и с его изменением). В большинстве случаев Fк принимает значения от 0,95 до 1,00; FТраб – фактор, учитывающий уменьшение мощности с увеличением рабочей температуры. Температурный коэффициент мощности для выбранных элементов равен βр = 0,48 % / °С, т.е. мощность убывает приблизительно на 1/200 часть своего номинального значения на каждый градус разницы между рабочей  температурой и стандартной. В условиях летней эксплуатации солнечные элементы нагреваются, в среднем, до температуры Траб = 65°С и потери в мощности одного элемента РРэ можно вычислить как: РРэ = βр×(Траб – Т0), где РРэ – потери мощности в процентах относительно номинальной мощности элемента Рэ; βt – температурный коэффициент мощности в процентах; Траб и Т0 – рабочая и стандартная температура соответственно. С учетом этого потери составят РРэ = 0,48×(65 – 25) = 19,2 (%)

Тогда летний коэффициент FТраб.л можно  определить как , откуда летом

В зимний период допустимо принять Траб = 30°С, тогда РРэ = 0,48×(30 – 25) = 2,4 (%) и Реальное рабочее напряжение солнечного элемента Uраб при его нагреве во время работы (учитываемое летом) находится по формуле  Uраб = Uопт – (Траб – Т0)×βV, где βV = 0,002 В/ °С – коэффициент, учитывающий уменьшение выходного напряжения элемента при его нагреве в пределах 0,002 В на градус, что проиллюстрировано на рис.19.

напряжение солнечного элементе от его температуры

Исходя из этого, рабочее напряжение одного элемента в летний и зимний период, определяемое выражением Uраб = Uопт – (Траб – Т0)×βV составит соответственно:

Uраб.л = 0,524 – (65 – 25)×0,002 = 0,444 (В)

Uраб.з = 0,524 – (35 – 25)×0,002 = 0,504 (В)

Fд.б – фактор, учитывающий потери в блокировочных диодах и проводах и определяемый уравнением, в котором Vд – падение напряжения на    блокирующем диоде; Vп – падение напряжения в проводах, соединяющих батарею и нагрузку; Vш – напряжение на шинах батареи. Для  нормальной работы контроллера заряда-разряда необходимо, чтобы выходное напряжение на шинах солнечной батареи составляло порядка 17 В. Такое напряжение необходимо для компенсации потерь снижения рабочего напряжения батареи при ее нагреве излучением. Коэффициент Fб.д рассчитывается по формуле:С достаточной степенью точности можно принять для солнечных батарей мощностью до 1 кВт Vд + Vп = 1,4 В. Fг.ф – геометрический фактор, называемый иногда отношением проекций. Для плоских солнечных батарей Fг.ф = 1, для цилиндрических и вращающихся Fг.ф = 1/π. При расчете Fб.д получим:

Fз – фактор, учитывающий затенение и равный отношению действительного выходного тока короткого замыкания к его теоретическому значению, полученному для полного числа параллельно соединенных элементов при отсутствии затенения. Ток короткого замыкания пропорционален площади освещенного элемента, поэтому коэффициент Fз можно свести к определению отношения освещенной и полной площадей элементов. Тогда  Fз вычислится как:где Аосв – освещенная часть элемента, А – общая площадь элемента. При отсутствии тени для полностью освещенного элемента Fз = 1. Учитывая расположение батарей на открытой местности при наличии небольшого снежного покрова зимой и запыленности в летний период допустимо принять  коэффициент Fз = 0,9.
Таким образом, получены следующие значения величин:
Р0 = 1,65 Вт; S' = 0,092(зимой); S' = 0,175(летом) FТраб.з = 0,976;
FТраб.л = 0,808; Fк = 0,99; Fб.д = 0,924; Fг. ф = 1; Fз = 0,9.

Согласно выражению Pэ = P0×S'×FТраб×Fк×Fз×Fб.д×Fг.ф находим мощность одного элемента Рэ при наихудших условиях в зимнее время:

Рэ = 1,65×0,092×0,976×0,99×0,9×0,924×1 = 0,122 (Вт)

Соответственно в летнее время (июнь)                    Рэ = 1,65×0,175×0,808×0,99×0,9×0,924×1 = 0,192 (Вт)

2) определить общее число солнечных элементов:Принимаем предварительно N'общ = 2261 элемент.

Определение числа последовательно и параллельно соединенных элементов солнечной батареи

Значительное число солнечных элементов надо соединить последовательно для получения требуемого рабочего напряжения и дополнительного напряжения, компенсирующего падение напряжения в блокирующем диоде и проводах. Найдем это число из соотношения, где Vопт – напряжение солнечного элемента в точке максимальной мощности при рабочих значениях температуры и плотности падающего излучения.

Принимаем Nпс = 36 элементам. Таким образом, выходное напряжение на шинах солнечной батареи при включенной нагрузке, подаваемое на вход контроллера заряда-разряда, составит Uб.вых = (36×0,524) – 1,4 = 17,5 (В). При условии нагрева элементов до 65°С (летом) потери на один элемент составят: Uп = (Траб – Т0)×βV, т.е. Uп = (65 – 25)×0,002 = 0,08 В. Соответственно выходное напряжение составит:Uб.вых = 36×(0,524 – 0,08) – 1,4 = 14,6 (В). Зимой эти величины составят: Uп = (35 – 25)×0,002 = 0,02 В, а Uб.вых = 36×(0,524 – 0,02) – 1,4 = 18,14 (В). Число параллельно соединенных элементов Nпр можно определить исходя из общего количества элементов Nобщ по формуле:Исходя из этого, число параллельно соединенных элементов составит:Таким образом, количество параллельно соединенных цепочек элементов можно принять равным Nпр = 63. Следовательно, общее количество элементов с учетом принятых значений последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов относительно Nобщ с учетом того, что определится как:Nобщ = Nпр×Nпс, т.е. Nобщ = 63×36 = 2268.
Таким образом, при наихудших условиях мощность одного элемента летом равна Рэ = 0,19 Вт при напряжении Uэ = 0,444 В, зимой   Рэ = 0,122 Вт  при Uэ = 0,504 В. Мощность всей батареи составит в зимний период Рб.макс = Рэ×Nобщ, т.е. Рб.макс = 0,122×2268 = 276,7 Вт, что с незначительным запасом превышает расчетную мощность, и в летний период Рб.макс = 0,192×2268 = 435,5 Вт.

Схематическое изображение полученных расчетов на рис.20.

солнечная батарея на 12В схематично

Таким образом, в данном разделе, мы спроектировали солнечную батарею для питания нагрузки напряжением 12В постоянного тока. Да еще учли 2-х дневное ее питание от АКБ в случае, если солнечная батарея не сможет обеспечить выбранные параметры из-за отсутствия солнца в пасмурные дни. Если, конечно, факт пасмурности учитывать не нужно, то можно будет и не рассчитывать заряд АКБ от солнечной батареи после восстановления солнечной погоды после пасмурных 2-х дней и разряда АКБ после них. Тогда солнечная батарея получится в несколько раз меньше и дешевле. Но мы рассмотрели именно непрерывный режим питания нагрузки, а это немаловажно. А уж упростить всегда можно. А мы тем временем приведем для примера расчет той же солнечной батареи, но уже для нагрузки переменного напряжения величиною 220В. И уже в следующем разделе "Расчет солнечной батареи". Для общего развития можно также ознакомиться с темой " Эксплуатация солнечной установки".

расчет для устройства переменного тока напряжением 220В

В описаниях выше мы провели детальный расчет солнечной батареи на примере нагрузки постоянного тока с питанием 12В и током потребления 1А. Здесь же мы для примера приведем некоторые моменты расчета солнечной батареи для нагрузки переменного тока с напряжением питания 220В. А так как все параметры освещенности солнечных элементов в заданной местности и аспекты теории были показаны в предыдущем разделе, то расчет в этом разделе будет меньше за счет известных ранее полученных данных. А в следующем раделе "Эксплуатация солнечной установки" мы поговорим о сборке и использовании солнечной батареи в условиях окружающей среды.
нагрузка 220В от солнечной батареиВозьмем для примера нагруку с активной (не полной) мощностью 500Вт. Пусть нагрузка эта работает кратковременно. Для возможности бесперебойного питания нагрузки нам также понадобится аккумуляторная батарея. Однако, чтобы не приобретать отдельно контроллер заряда-разряда АКБ и инвертор, преобразующий постоянное напряжение солнечной батареи в необходимое нам переменное величиною 220В, можно воспользоваться инвертором с функцией контроллера заряда-разряда АКБ. Таковые специально выпускаются для солнечной энергетики.
В таких случаях для улучшения режима работы аккумуляторной батареи по току рекомендуется повысить ее напряжение, а значит и солнечной батареи соответственно, до 48 В. Ее мощность рассчитывается исходя из мощности заряда аккумуляторной батареи и КПД инвертора (93 %) согласно выражениям Рцикл = Uз×Iз и :

Предварительно количество элементов определяется по Принимаем N'общ.пр = 8620 элементам.
Поскольку фактическое напряжение солнечной батареи определяется выражением Uвых = Nпс×[Uэ – (Траб – Т0)×βV] – (Vд + Vп) количество последовательно соединенных элементов составит:

где при данной мощности (Vд + Vп) = 2 В. Получим Принимаем Nпс = 135 элементам. Согласно выражения Uвых = Nпс×[Uэ – (Траб – Т0)×βV] – (Vд + Vп) минимальное выходное напряжение составит
Uвых.min = 135×[0,524 – (65 – 25)×0,002] – 2 = 57,94 (В). Данное значение напряжения необходимо для нормального режима заряда аккумуляторной батареи при напряжении Uз = 14,4×4 = 57,4 в летнее время.
Количество параллельно соединенных цепочек определяется по. Принимаем Nпр = 64.С учетом уточненных данных общее количество элементов Nобщ = 64×135 = 8640. Структурная схема устройства показана на рис.2.

расчетная схема солнечной батареиПри нормальном режиме работы аккумуляторной батареи необходимо, чтобы ее рабочий ток составлял не более 25 % от номинальной емкости. При включенной нагрузке с учетом КПД инвертора, равного 93%, величина рабочего тока составит

где ηинв – КПД инвертора; Рпр – номинальная мощность нагрузки; UАКБ – номинальное напряжение аккумуляторной батареи. Величина этого тока составит

 

В качестве инвертора со встроенной функцией контроллера заряда-разряда, сохраняющего работоспособность при температурах от - 20°С до + 40°С, если вы собираетесь установить его в уличных условиях, можно применить блок бесперебойного питания (ББП) Trace. Из всех известных модификаций инверторов этот тип не имеет особых ограничений по температуре окружающей среды. Его технические характеристики приведены в табл.

Технические характеристики
Тип ББП SW4548Е
Номинальное напряжение постоянного тока, В 48
Выходное напряжение, В 230 В 50 Гц
Мощность при 20°С, ВА 4500
КПД(максимальный) 96 %
Максимальный ток заряда, А 60
Режим регулировки зарядного тока трехстадийный
Ток потребления в режиме холостого хода, А 0,4
Регулировка напряжения ±2 %
Допустимый коэффициент мощности – 1…+ 1
Диапазон входного напряжения постоянного тока, В 44…66
Рабочий диапазон температур, °С – 40…+ 60
Максимальные значения нерабочих температур, °С – 55, + 75
Форма волны на выходе синусоида
Компенсация по току есть
Температурный датчик аккумуляторной батареи есть
Габариты, мм 380×570×230
Монтаж стена / полка
инвертор

Данную систему электропитания можно использовать для питания небольшой нагрузки переменного тока..

Детальная информация по инвертору на сайте http://tdvolt.ru/index.php?ukey=product&productID=1913
Эксплуатация солнечной установки

Сборка и установка солнечной батареи

сборка солнечной батареимодуль для подключения солнечной батареиПоле того, как определено необходимое количество солнечных элементов, из них необходимо составить модули, дальнейшее соединение которых между собой позволяет быстро замыкать и размыкать отдельные участки батарей в случае, например, ремонта или определения электрических параметров в процессе технического обслуживания батареи при ее эксплуатации. Изготовление модуля является специальным технологическим процессом и производится предприятием-изготовителем при заказе на данное изделие. Размеры модуля, т.е. количество элементов в ряду, определяет заказчик.
Каркасный солнечный модуль выполняется в виде составной панели, заключенной в каркас из анодированного алюминиевого профиля и включает в себя набор бескаркасных модулей, или панелей, смонтированных на общем каркасе. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из плиты закаленного стекла с заламинированными на ней элементами. С тыльной стороны панель защищена от внешних воздействий слоем защитной пленки. На внутренней стороне модуля установлен диодный блок для подключения модуля в составе энергосистемы.
Вариант соединения элементов в модуль и блок подключения показаны на левом и правом фото соответственно. На рис.1 показан общий вид сборной солнечной батареи, состоящей из шестидесяти трех отдельных солнечных модулей.После установки модулей на несущую панель их необходимо соединить между собой с помощью межмодульных контактов.      
Опорные конструкции фотоэлектрических модулей изготавливаются из стали с последующей грунтовкой и покраской. Крепление производится при помощи анкерных болтов.

 

сборка солнечной батареиТехнология изготовления позволяет эксплуатировать собранные таким образом батареи при следующих условиях:
- в диапазоне температур - 50°С…+ 75°С;
- при атмосферном давлении 84 – 106,7 кПа;
- относительной влажности до 98 %;
- дождя интенсивностью 5мм/мин;
- снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 Па.
В условиях эксплуатации конструкция должна выдерживать ветер до 160 км/ч.

для увеличения кликнуть

ЭКСПЛУАТАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Условия эксплуатации солнечных батарей

В условиях эксплуатации солнечные батареи подвергаются воздействию солнечного излучения, климатических и биологических факторов. Некоторые из них воздействуют в комплексе, другие – обособленно. Взаимосвязь элементов окружающей среды может быть синергетической и антисинергетической. При синергизме результат совместного воздействия превосходит суммарный эффект, который наблюдался бы при действии каждого элемента по отдельности. Антисинергизм, наоборот, смягчает влияние отдельных элементов.
Длительное пребывание в естественной среде обычно ведет к снижению работоспособности солнечных батарей. В условиях эксплуатации батареи важно защитить от сильных ветров, снега и оледенения, коррозии, развитию которой способствуют влага, высокая температура и загрязнения, вносимые из воздуха. Значительное снижение срока службы солнечных батарей вызывает циклическое изменение температуры. Такое явление возникает при появлении облачности, смене времени суток.
Температура солнечных батарей определяется температурой воздуха, количеством теплоты, зависящей от солнечного излучения, от площади поверхности батареи, переизлучающей тепловую энергию в окружающее пространство. В общем случае различные части поверхности батареи имеют равную температуру. Ее распределение зависит от качества герметизации, способа коммутации солнечных элементов, расположения крепежных и установочных деталей, рам, опор, несущих конструкций.
Благоприятно сказываются на работе батарей низкая температура воздуха и умеренный ветер. В этих условиях КПД солнечных элементов повышается. В летний период во время высоких температур воздуха нагрев отдельных элементов может достигать 75°С, поэтому вследствие возникающих при этом внутренних механических перенапряжений, например, в клеящем слое, могут иметь место растрескивание покрытий солнечных элементов или самих элементов. Растрескивание покрытий, обеспечивающих защиту от влаги и механических повреждений, относится к функциональным показателям, т.е. влияющими на характеристики батареи, поэтому при работе на линии в эти дни или перед началом зимнего периода необходимо произвести их осмотр.
Дождь, град, снег, лед – природные явления, в условиях которых непосредственно происходит эксплуатация солнечных батарей.
Дождь в целом безвреден и производит полезное воздействие, освобождая от пыли поверхность солнечных батарей. Снежный покров не поглощает весь поток солнечного излучения, и даже под толстым слоем снега солнечные батареи способны вырабатывать электрическую энергию.
Оледенение солнечных батарей может возникнуть в случае замерзания ранее выпавшего снега, сконденсированной влаги или растаявшего снега, в результате осаждения из воздуха в виде инея и изморози, что случается при сильном ветре. Лед, как и снег, пропускает значительный поток солнечного излучения.
Данные факторы с учетом введенного при расчете коэффициента затенения Fз не окажут ухудшающего воздействия на параметры солнечной батареи.
Песок и пыль могут вызывать наиболее тяжелые последствия в районах с низкой влажностью. Поднимаясь в воздух даже при слабом ветре, пыль может оставаться во взвешенном состоянии многие часы. Во время сильных ветров частицы пыли проникают практически в любое герметически не закрытое место. Песок и пыль могут приводить к деградации материалов, применяемых для герметизации, засорять отверстия, вызывать эрозию красок, покрытий, стекла и пластмасс и даже приводить к короткому замыканию электрических цепей. Поскольку пыль гигроскопична, то ее наличие на металлических поверхностях может усугублять коррозию.
Небольшая запыленность солнечных элементов практически не влияет на пропускание солнечного излучения к элементам, а с учетом повышенной мощности солнечных батарей в летнее время и введения при расчете коэффициента затенения Fз не повлияет на минимальные расчетные выходные параметры батареи. Однако густой слой пыли способен на
10 – 20 % уменьшить выходные параметры батареи, поэтому в районах с большой запыленностью при длительном отсутствии дождей необходимо их протирание. Панели солнечных батарей, транспортируемые на автомобилях, в железнодорожных вагонах, подвергаются длительному воздействию вибрации. Некоторые уровни вибрационных нагрузок при различных видах транспортировки приведены в табл.1

Вид транспорта

параметры вибрации

грузовой автомобиль

Резонансная частота подвески равна 4 Гц при амплитуде 0,13 м,
резонансная частота конструкции – около 80 Гц при амплитуде 0,13 мм.

легковой автомобиль

Резонансная частота подвески – 1 Гц при амплитуде 15 см; частота колебаний,
связанных с неровностью дороги – 30 Гц

Железнодорожный транспорт

Широкий и разнообразный диапазон частот. Должна применяться защита
от резонансной частоты  20 Гц

При транспортировке готовых модулей батарей следует предусматривать их мягкую укладку в транспортировочной таре.
При соблюдении нижеперечисленных условий хранить отдельные модули и целые батареи можно неограниченное время. На сохранности батарей отрицательно сказываются высокая температура, повышенная влажность, пыль, присутствие агрессивных сред (кислоты, щелочи и др.). В этих условиях происходит коррозия элементов и потемнение покровных стекол. В связи с этим хранение батарей должно осуществляться в специально предусмотренных для этого складах. Хранение на открытом воздухе не рекомендуется.