header.gif
LabVIEW document
Исследование вольтамперных характеристик фотоэлектрических преобразователей
автор проекта - Есиков Андрей
научный руководитель к.ф.-м.н. Есиков Д.А

1. Постановка задачи

Целью работы была отработка методики автоматизированного измерения параметров солнечных батарей в рамках образовательной программы «Космические технологии, экология и безопасная энергетика в школе будущего» [1]. Перед школьным исследовательским проектом ставилась задача разработки автоматизированного измерительного стенда и проведения исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) солнечных элементов (СЭ) с последующим определением основных принципов работы демонстрационного преобразователя солнечной энергии.

2. Используемое оборудование и программное обеспечение

Для сбора данных и управления измерительным стендом использовалась бюджетная плата NI USB-6008 с программой, написанной в LabVIEW 7.1 (Рис. 1). СЭ освещались четырьмя галогенными лампами суммарной мощность 200 Вт с воздушным принудительным охлаждением. Питание ламп осуществлялось от высокочастотного электронного трансформатора (12 В) и бытового регулятора ("диммера"). Положение осветителя можно было регулировать по высоте. В конструкции использовалась специальная светорассеивающая панель, препятствующая нагреву объектов (солнечные батареи из конструкторов Lego на основе поликристаллического кремния). Вся электронная часть системы регистрации была собрана на монтажной плате.

Рис.1 Общий вид установки для измерения ВАХ солнечных элементов.

3. Описание решения

В отличие от [2], где авторы использовали регулируемый полевой транзистор в качестве нелинейной нагрузки, в цепь солнечного элемента был включен генератор тока, управляемый ЦАП (Рис.2). Это позволило упростить систему регистрации, строить ВАХ непосредственно в линейных координатах , хотя и потребовало дополнительного источника 5В для смещения СЭ. Опорное сопротивление R0 определяло максимальное значение тока нагрузки. Напряжение на выходе СЭ при заданном токе нагрузки измерялось с помощью прецизионного дифференциального усилителя с переключаемым коэффициентом передачи. Для контроля освещенности использовался обычный фотодиод, включенный как генератор тока (абсолютной калибровки датчика не проводилось). Изображенный на рисунке канал измерения температуры был зарезервирован под дальнейшие эксперименты.

 

 

Рис.2  Блок-схема установки

Рис.3 Панель управления установки.

Построенные ВАХ (1) и кривые мощности (2), кнопки выбора режимов (3), параметры системы регистрации (4), измеренные параметры ВАХ (5), показания датчиков освещенности и температуры (6), название (7) и порядковый номер (8) эксперимента, включение режима симуляции (9).

Управляющая программа (LabVIEW) при заданном уровне освещенности с опредeленным шагом увеличивала ток нагрузки, измеряя напряжение на выводах СЭ. Уменьшение напряжения на выводах СЭ до нуля квалифицировалось как "короткое замыкание" СЭ. Одновременно на экране строилась ВАХ и соответствующая ей кривая мощности (рис. 3). В программе рассчитывались следующие параметры ВАХ: напряжение холостого хода (UХХ без нагрузки), ток короткого замыкания (IКЗ), положение рабочей точки (U0, I0) и максимальная мощность (P0). Полученная информация при необходимости записывалась на диск. Перед началом измерений задавалась величина опорного сопротивления R0, шаг и диапазон изменения тока нагрузки, диапазон измерения напряжения СЭ. Для удобства отладки программы был реализован специальный режим симуляции, не требующий физического подключения платы сбора данных.

На рисунке 4 показаны типичные ВАХ и кривые мощности, полученные для отдельного СЭ (площадью 1,5 дм2) для разных уровней освещенности. Наблюдается, как и следовало ожидать, практически линейная зависимость тока короткого замыкания от освещенности. Аналогичная зависимость для напряжения холостого хода имела логарифмический вид.

С точки зрения создания эффективного преобразователя солнечной энергии интерес представляет поведение кривых мощностей при изменении внешних условий (температура, освещенность). Как оказалось ток в рабочей точке, при котором мощность, отбираемая от СЭ максимальна, для конкретного образца пропорционален току короткого замыкания при той же освещенности с коэффициентом 0,8. Поэтому, если периодически контролировать форму ВАХ и регулировать отбираемый от СЭ ток, не позволяя ему выходить за пределы 5%-интервала в районе рабочей точки, то можно надеяться, что согласно литературным данным фактический КПД преобразования будет составлять 95% от теоретически возможного.

Рис.4 Типичные ВАХ и кривые мощности.

4. Внедрение и его перспективы

Описанный стенд предполагается использовать в школе «Интеллектуал» на уроках физики. Кроме того, отработанная методика измерений и схемотехнические решения позволят разработать специализированной модуль солнечной энергетики для создаваемого в школе программно-аппаратного комплекса экологического мониторинга, уже включающего средства для метеорологических измерений и приема изображений поверхности Земли с космических аппаратов серии NOAA. Часть энергии для питания аппаратуры комплекса предполагается получать от солнечной батареи, установленной на крыше школы.

5. Список литературы

  1. Космические образовательные технологии: Инвестиции в будущее (теория и практика). 2010, 775 с.
  2. В.В.Симакин, И.И.Тюхов, А.В.Тихонов. Система автоматического измерения вольтамперных характеристик и мониторинга фотоэлектрических преобразователей и модулей. Труды конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, 2009, с.307-309.
  3. Д.А.Есиков, А.Д.Есиков. Автоматизированная метеостанция. Там же с.356-358.
  4. А.Д.Есиков. Лабораторный стенд для исследования вольтамперных характеристик солнечных элементов. Труды конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments». Москва, 2010, с.31-33.


footer
Дизайн и Оформление - Copyright © ESD Multimedia, 2008-2013

77194