Файл: Методическое пособие учебнометодический стенд солнечная энергетика.pdf

МЕТОДИЧЕСКОЕ
ПОСОБИЕ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ СТЕНД
«СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

УДК 371.8
ББК 74.200.58
Ю16
Юдинцева Е. Н., Кущенко Я. В., Ларькин А. В.
Учебно-методический стенд «Солнечная энергетика». Методическое пособие / Е. Н. Юдинцева, Я. В. Кущенко, А. В. Ларькин. –
М.: Инэнерджи, 2020. – 68 с.
ISBN 978-5-6043542-1-6
Данное пособие рекомендуется для использования во внеурочной деятельности и в рамках общеобразовательной программы школы при работе с учебно-методическим стендом «Солнечная энергетика». Пособие имеет практическую направленность, включает в себя лабораторные работы и кейсы, а также дополнено теоретическими сведениями о солнечной энергетике.
УДК 371.8
ББК 74.200.58
Методическое пособие
Юдинцева Елена Николаевна, Кущенко Яна Владимировна, Ларькин Андрей Владимирович
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ СТЕНД «СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»
Подписано в печать печать 20.05.2020. Формат 60х84/8. Усл. печ. л. 7,39. Тираж 100 экз.
Издано по заказу ООО «Инэнерджи». 115201, Москва, 2-ой Котляковский пер., 18
Отпечатано в ООО «Глобал Маркетинг». 115201, Москва, 2-й Котляковский пер., д. 18
© Юдинцева Е.Н., Кущенко Я.В., Ларькин А.В., 2020
© Оформление. ООО «Инэнерджи», 2020

3
СОДЕРЖАНИЕ
ПОЛЕЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ..............................................................................................................................................................................................................4
ИНСТРУКЦИЯ ПО РАБОТЕ СО СТЕНДОМ ..............................................................................................................................................................................5
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ................................................................................................................................................................................... 7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД РАЗЛИЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ» ...............................................................8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ И ВАТТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАЗЛИЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ» ........................................................................................................................................................................18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 «ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ
НА ВЫРАБАТЫВАЕМУЮ ЕЮ МОЩНОСТЬ» ................................................................................................................................................................24
КЕЙСЫ ........................................................................................................................................................................................................................31
КЕЙС №1 ««СОЛНЕЧНОЕ» ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» .........................................................................................................................................................32
КЕЙС №2 «ОЦЕНКА ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ ОТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
НА НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ И ОТ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ» ............................................................................................................................................44
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ БЛАНКИ......................................................................................................................................................................... 57

4
ПОЛЕЗНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Новости альтернативной энергетики
https://energy.hse.ru/Wiie https://www.forbes.ru/tegi/solnechnaya-energetika http://tf-tc.ru/novosti-energetiki/
http://pvrussia.ru/news/
Статьи
https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_энергетика https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_генерация
Видео
ПостНаука. Солнечная энергетика. Евгений Кац https://www.youtube.com/watch?v=hCqPpo1Jp2o
Элементарно. Солнечная батарея (как устроена)
https://www.youtube.com/watch?v=6vkd8vA1uk8
Сила Солнца. Использование солнечной энергии | ЕХперименты с Антоном Войцеховским https://www.youtube.com/watch?v=QQ-2Mzzwu4o
Солнечное электричество | ЕХперименты с Антоном Войцеховским https://www.youtube.com/watch?v=XhmIncGJOMQ&list=PLS93_pp5BAdUJlrE2W8LD0vv86bmOJj2x

5
ИНСТРУКЦИЯ ПО РАБОТЕ СО СТЕНДОМ
1. Установите опорную раму с прикрученной к ней галогенной лампой (прожектором) на горизонтальную поверхность.
Для работы с крепёжными болтами на раме используйте входящий в комплект L-образный шестигранный ключ.
2. Выберите расстояние от солнечной панели до источника света, перемещая вертикальную стойку вдоль основания опор- ной рамы, затяните крепёжные болты при помощи ключа. Максимальное расстояние ограничено размерами рамы и составляет около 70 см, минимальное расстояние должно быть не менее 30 см во избежание перегрева солнечной панели и выхода её из строя.
3. Раскрутите фиксирующие ручки крепления рамы для солнечной панели, установите нужный угол и закрутите фиксиру- ющие ручки обратно.
4. Установите блок управления стенда в удобном месте рядом с опорной рамой таким образом, чтобы свет от включённо- го прожектора не попадал Вам в глаза.
5. Подключите кабель питания стенда к разъёму, расположенному на боковой панели блока управления стенда.
6. Подключите кабель прожектора к стенду в разъём, находящийся на задней панели стенда.
7. Установите выбранную солнечную панель на стойку опорной рамы горизонтально и подключите шнур, идущий от сол- нечной панели, к блоку управления стенда, с помощью разъёма. Разъём имеет ключ, который не позволит перепутать полярность. После того как вставите разъём, закрутите фиксирующую гайку по часовой стрелке до упора.
8. Включите блок управления стенда. Для этого подключите кабель питания стенда к сети бытового назначения с но- минальным напряжением 220 В и частотой 50 Гц и включите стенд с помощью тумблера, поставив его в положение
«1», одновременно удерживая дисплей в нажатом состоянии при помощи обратной стороны шариковой ручки или собственного пальца до тех пор, пока не услышите звуковой сигнал (2–3 секунды). После этого на экране высветится информация о калибровке тачскрина, проведите её посредством последовательного нажатия на пиксели. Когда проце- дура будет завершена, появится окно снятия показаний.
9. Включите лампу прожектора с помощью диммера, находящегося на лицевой панели блока управления стенда, по- вернув его с щелчком по часовой стрелке. Установите нужную освещённость, вращая диммер по часовой стрелке или против неё, где крайнее левое положение до щелчка – это 5 %, крайнее правое – 100 % мощности галогенной лампы.
10. Нажмите на сенсорном экране кнопку «Снять характеристики», внизу под осями координат высветится надпись: «Идёт снятие характеристик». После того как характеристики будут сняты, появится надпись: «Снятие характеристик заверше- но». При подключении внешней нагрузки к клеммам блока управления стенда можно не пользоваться кнопкой «Снять характеристики», ток и напряжение на внешней нагрузке отобразятся в соответствующих полях дисплея. При необ- ходимости можно измерять параметры внешней нагрузки самостоятельно подключением дополнительного внешнего оборудования.
11. Далее нажмите кнопку «ВоАХ» или «ВаАх», и на экране отобразится соответственно вольт-амперная или ватт-амперная характеристика; для отображения на компьютере данных в формате таблицы нажмите кнопку «Отобразить на ПК». Если кнопки не срабатывают или срабатывают некорректно, проведите повторную калибровку дисплея (см. пункт 8).
12. Для того чтобы все данные отображались на ПК, скачайте последнюю версию бесплатной программы «PuTTY» с https://
www.chiark.greenend.org.uk/sgtatham/putty/latest.html
13. Подключите стенд к ПК с помощью USB-кабеля (в набор не входит; разъём для подключения USB-кабеля находится на боковой панели блока управления стенда) и запустите программу. В разделе «Connection type» выберите пункт «Serial».

6 14. Выберите тот COM-порт, к которому Вы подключились, посмотреть это можно на компьютере в разделе «Панель управления – Диспетчер устройств – Порты (COM и LPT)».
15. В окне «Speed» пропишите значение 115200 и нажмите кнопку «Load», затем – «Open».
16. Теперь, после нажатия на сенсорном экране кнопки «Отобразить на ПК», на компьютере откроется окно с табли- цей значений, – сила тока (мА), напряжение (мВ), мощность (мВт), – отображённых в виде графика на дисплее блока управления. В таблице зафиксированы значения точек, по которым построена характеристика. Вы можете экспортировать полученные данные в Excel для проведения дальнейших расчётов или автоматического построе- ния графиков.
17. Перед выключением стенда выкрутите диммер против часовой стрелки через щелчок до упора в положение OFF
(выкл.) для отключения галогенной лампы прожектора.
18. Отключите блок управления стенда. Для этого переведите тумблер переключения стенда в выключенное положе- ние («0»).
19. Отсоедините солнечную панель от блока управления стенда.
Внимание!
За время проведения экспериментов корпус и защитное стекло прожектора сильно разогреваются. Будьте осторожны во избежание ожогов и случайного повреждения оборудования! После окончания работы оставьте стенд в недоступном для обучающихся месте до полного остывания прожектора.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД РАЗЛИЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ
ПАНЕЛЕЙ»
Цель работы:
рассчитать КПД различных солнечных панелей.
Солнечное излучение представляет собой поток фотонов, несущих в себе определённый заряд энергии, которую можно использовать для получения электрической энергии. Прямое превращение энергии солнечной радиации в электриче- ство осуществляется с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП; фотоэлектрических элементов).
Солнечные модули (солнечные панели)
состоят из фотоэлектрических элементов, соединённых в последовательные цепочки для получения требуемых параметров по напряжению и току, а, следовательно, и мощности. Соединённые определённым образом между собой модули образуют солнечные батареи. Принцип действия ФЭП основан на фото- вольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Использовать энергию фотоэлементов можно так же, как и энергию других источников питания, с той разницей, что сол- нечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определённой силы тока при заданном напряжении, но в отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света.
Коэффициент полезного действия (КПД)
– одна из основных характеристик, определяющих эффективность преобразо- вания энергии. Чем выше КПД устройства, тем более энергоэффективным принято его считать. КПД солнечного модуля зависит от многих факторов (особенностей строения и типа фотоэлементов, угла расположения панелей относительно направления падения света, погодных условий, рабочей температуры и так далее). В данной работе мы определим КПД монокристаллической, поликристаллической и аморфной солнечных панелей.
В солнечной энергетике принято считать КПД солнечного модуля как отношение электрической мощности, производимой при работе фотоэлектрического преобразователя P
max
, к мощности солнечного излучения P
i
, падающего на его поверхность при стандартной плотности солнечной радиации 1 кВт/м
2
η = P
max
/ P
i
,
где P
i рассчитывается как произведение площади фотоэлементов, входящих в солнечную батарею, и интенсивности излу- чения от источника освещения I
св
P
i
= S· I
св
Интенсивность излучения от источника освещения с галогенной лампой, входящей в набор, более 300 Вт/м
2
. Для получения более точных значений интенсивности освещения (I
св
) можно воспользоваться люксметром (в набор не входит). Разделив среднее значение уровня освещённости (E
v(ср)
) на различных участках модуля (каждом фотоэлементе) на коэффициент пе- ревода фотометрических величин в энергетические (для галогенных ламп коэффициент перевода равен K = 30 лк·м
2
/Вт), Вы получите искомую величину
I
св (ср)
= E
v(ср)
/K.
Выдаваемую в определённых условиях (дальность расположения панели от источника света, угол поворота модуля относи- тельно горизонта, интенсивность освещения) максимальную мощность (P
max
) можно определить по графику ватт-амперных характеристик солнечного модуля и выведенным на ПК значениям, по формуле:
P
max
= U
тмм
· I
тмм
,
где U
тмм и I
тмм
– значения напряжения и силы тока в точке максимальной мощности соответственно.

9
Задание 1. Определение КПД монокристаллической солнечной панели
1. Измерьте размеры фотоэлектрических преобразователей, входящих в модуль. Рассчитайте площадь светопринимаю- щей поверхности.
2. Установите монокристаллическую панель на вертикальную опору с углом 90° между светопринимающей поверхностью и направлением падения лучей источника света и с максимальной дальностью расположения от источника света (про- жектора). Подключите панель к разъёму на боковой стороне стенда, закрутите фиксирующую гайку по часовой стрелке до упора.
3. Подключите блок управления стенда к ПК через USB-кабель.
4. Включите стенд, переведя тумблер на боковой панели в положение «1» и откалибровав дисплей.
5. Установите максимальную интенсивность освещения солнечной панели, повернув диммер через щелчок по часовой стрелке до упора.
6. Постройте графики зависимостей параметров, нажав на кнопку «Снять характеристики» и «Отобразить на ПК».
7. Измерьте с помощью пирометра температуру поверхности панели.
8. По точкам, зафиксированным в окне программы «PuTTY», заполните таблицу 1 значениями силы тока и соответствую- щими им значениями напряжения в различные периоды времени.
9. Рассчитайте КПД солнечной панели, используя среднеарифметические показатели, полученные с каждого фотоэлемента.
Таблица 1. Определение КПД монокристаллической солнечной панели при температуре Т
1
Точка
Угол наклона
Расстояние до источника света, м
Интенсивность освещения I
св
,
Вт/м
2
Температура поверхности панели, °С
Напряжение, В
Сила тока, А
КПД η, %
1.
90°
L
max
=
I
св
=
T
1
=
U
1
=
I
1
=
2.
U
2
=
I
2
=
3.
U
3
=
I
3
=
4.
U
4
=
I
4
=
5.
U
5
=
I
5
=
6.
U
6
=
I
6
=
…
U
n
=
I
n
=
Поле для необходимых расчётов.

10 10. Повторите эксперимент спустя несколько минут. Температура на поверхности солнечной панели за это время возрастёт.
Данные запишите в таблицу 2. Рассчитайте КПД панели при температуре Т
2
Таблица 2. Определение КПД монокристаллической солнечной панели при температуре Т
2
Точка
Угол наклона
Расстояние до источника света, м
Интенсивность освещения I
св
,
Вт/м
2
Температура поверхности панели, °С
Напряжение, В
Сила тока, А
КПД η, %
1.
90°
L
max
=
I
св
=
T
2
=
U
1
=
I
1
=
2.
U
2
=
I
2
=
3.
U
3
=
I
3
=
4.
U
4
=
I
4
=
5.
U
5
=
I
5
=
6.
U
6
=
I
6
=
…
U
n
=
I
n
=
Поле для необходимых расчётов.
Обработка результатов измерений:
1. Изменились ли значения выходных параметров и КПД монокристаллической солнечной панели с ростом температуры?
Каким образом?

11 2. Предложите своё объяснение наблюдаемому явлению.
3. Сделайте выводы.

12
Задание 2. Определение КПД поликристаллической солнечной панели
Повторите процедуру проведения эксперимента, описанного в пунктах 1–10 задания 1. В своём эксперименте используйте поликристаллическую солнечную панель. Данные запишите в таблицы 3 и 4. Стремитесь проводить испытания при той же температуре на поверхности солнечной панели, что и в предыдущем опыте.
Таблица 3. Определение КПД поликристаллической солнечной панели при температуре Т
1
Точка
Угол наклона
Расстояние до источника света, м
Интенсивность освещения I
св
,
Вт/м
2
Температура поверхности панели, °С
Напряжение, В
Сила тока, А
КПД η, %
1.
90°
L
max
=
I
св
=
T
1
=
U
1
=
I
1
=
2.
U
2
=
I
2
=
3.
U
3
=
I
3
=
4.
U
4
=
I
4
=
5.
U
5
=
I
5
=
6.
U
6
=
I
6
=
…
U
n
=
I
n
=
Поле для необходимых расчётов.
Таблица 4. Определение КПД поликристаллической солнечной панели при температуре Т
2
Точка
Угол наклона
Расстояние до источника света, м
Интенсивность освещения I
св
,
Вт/м
2
Температура поверхности панели, °С
Напряжение, В
Сила тока, А
КПД η, %
1.
90°
L
max
=
I
св
=
T
2
=
U
1
=
I
1
=
2.
U
2
=
I
2
=
3.
U
3
=
I
3
=
4.
U
4
=
I
4
=
5.
U
5
=
I
5
=
6.
U
6
=
I
6
=
…
U
n
=
I
n
=

13
Поле для необходимых расчётов.
Обработка результатов измерений:
1. Изменились ли значения выходных параметров и КПД поликристаллической солнечной панели с ростом температуры?
Каким образом?
2. Предложите своё объяснение наблюдаемому явлению.
3. Сделайте выводы.

14
Задание 3. Определение КПД аморфной солнечной панели
Повторите процедуру проведения эксперимента, описанного в пунктах 1–10 задания 1. В своём эксперименте используйте аморфную солнечную панель. Данные запишите в таблицы 5 и 6. Стремитесь проводить испытания при той же температуре на поверхности солнечной панели, что и в предыдущих опытах.

  1   2   3