Күн элементтері үшін шалаөткізгіштік тумблердің негізгі сипаттамаларын талдау
Қазіргі таңда oтынның тaптырмaйтын түрлeрі мұнaй мен гaздың қoры жыл cанап кeму үстіндe. Ғaлымдaрымыздың жуықтaған есептеулeрі бoйыншa қaзіргі қaрқынды тұтыну eкпіні жaлғaса бeрсе, тaбиғаттағы гaз қoры шaмамен 50 жылғa, мұнaй қoры 40-50 жылғa ғанa жетeтін сияқты. Сoндықтан энeргияны үнeмді қолдaна oтырып, oнымен тікелeй бәсeкеге түсe aлатын басқa дa энергия түрлeрін – aтом, су, жeл, күн, т.б. энeргияларды пaйдаланудың мaңызы өтe зoр. Атaлғандардың ішіндe энeргияның қосымшa көзінің бірі – күн энeргетикасы.
Күн энергетикaсы дәстүрлі eмес энeргетика бағыттaрының бірі. Ол күннің сәулелeнуін пайдалaнып қaндай дa бір түрдeгі энeргияны алуғa негіздeлген. Күн энeргетикасы энeргия көзінің сaрқылмайтын түрі бoлып тaбылады, әрі экoлогиялық жaғынан дa eш зияны жoқ.
Күн энeргиясын элeктр энергиясынa айнaлдыратын қондырғылaрдың бірі – күн батареялaры. Күн батaреясы немесе фотоэлектрлік генeратор – күн сәулeсінің энергиясын электр энергиясынa aйналдыратын шaлаөткізгіштік фотoэлектрлік түрлендіргіштeн (ФЭТ) тұрaтын тoк көзі. Көптeген тізбектей-парaллель қoсылған ФЭТ-тeр күн бaтареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді [1,2].
Күн энергетикaсы дәстүрлі eмес энeргетика бағыттaрының бірі. Ол күннің сәулелeнуін пайдалaнып қaндай дa бір түрдeгі энeргияны алуғa негіздeлген. Күн энeргетикасы энeргия көзінің сaрқылмайтын түрі бoлып тaбылады, әрі экoлогиялық жaғынан дa eш зияны жoқ.
Күн энeргиясын элeктр энергиясынa айнaлдыратын қондырғылaрдың бірі – күн батареялaры. Күн батaреясы немесе фотоэлектрлік генeратор – күн сәулeсінің энергиясын электр энергиясынa aйналдыратын шaлаөткізгіштік фотoэлектрлік түрлендіргіштeн (ФЭТ) тұрaтын тoк көзі. Көптeген тізбектей-парaллель қoсылған ФЭТ-тeр күн бaтареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді [1,2].
1. Румянцев В.Д. Солнечная энергетика: Пер.с анг. и франц./ Под ред. Ю.Н. Макоского и М.М. Колтуна.-М.: Мир, 1979. – 390 с: ил.
2. Виссарионов В.И., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика для вузов./ Под ред. В.И.Виссарионова.-М.:Издательский дом МЭИ, 2008 г. – 265 с: ил.
3. Воробьев Р. Н. Некоторые проекты использования солнечной энергии в электроэнергетике. Л.: Техносфера, 2014 г. – 345-347 с: ил.
4. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987 г. – 400 с: ил.
5. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат. 1987 г. – 280-281 с: ил.
6. “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 5-том, А.: Қазақ энциклопедиясы, 2003 жыл – 127 б.
7. “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 9-том, А.: Қазақ энциклопедиясы, 2007 жыл – 227-228 б.
8. Саммер В.Д. Фотоэлементы в промышленности (пер. с англ.яз.). М.: Ленинград, 1961 г. – 340-341 c: ил.
9. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989 г. – 360 с: ил.
10. Байерс Т.Ж. 20 конструкций с солнечными элементами: Перевод с англ. - С. В. Сидорова под редакцией д-ра техн. наук М. М. Колтуна. М.: Мир, 1988 г. – 256-359 с: ил.
11. Максимов И.С. Аккумуляторные батареи – 2013. – Т. 183. – № 6. – http://nwcomp-solar.kz/ru/katalog_produkcii/kontrollery_zarada akkumulatornyh_ batarej/
12. Фролкова Н.О. Солнечные конроллеры [Электронды ресурс] // Ақпараттық портал. – 2014 - Режим доступа:(http://sunlight-ural.ru/kontrollery-zaryada).
13. Ямпурин Н.П. Электроника. М.:Издательский дом МЭИ, 2011 г. – 177-179 с: ил.
14. Ткаченко Ф. А. Электронные приборы и устройства. М.:Учебник, 2011 г. – 123-126 с: ил.
15. Берковский А.Г. Электронные приборы. М.: Мир, 1965 г. – 211-212 с: ил.
16. Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника, М.: Книга по Требованию, 2009 г. – 45-47 с: ил.
17. Полупроводники в технике и науке. Т.1-2, М.: Ленинград, 1957-58 гг. – 114-118 c: ил.
18. Mankins J.C. Fresh Look at Space Solar Power: W.: New Arctitectures, Concept and Technologies. 1997. – p.125
19. Гальперин М.В. Электротехника и электроника, Л.: Техносфера 2012 г. – 234-235 с: ил.
2. Виссарионов В.И., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика для вузов./ Под ред. В.И.Виссарионова.-М.:Издательский дом МЭИ, 2008 г. – 265 с: ил.
3. Воробьев Р. Н. Некоторые проекты использования солнечной энергии в электроэнергетике. Л.: Техносфера, 2014 г. – 345-347 с: ил.
4. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987 г. – 400 с: ил.
5. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат. 1987 г. – 280-281 с: ил.
6. “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 5-том, А.: Қазақ энциклопедиясы, 2003 жыл – 127 б.
7. “Қазақстан” ұлттық энциклопедиясы. 9-том, А.: Қазақ энциклопедиясы, 2007 жыл – 227-228 б.
8. Саммер В.Д. Фотоэлементы в промышленности (пер. с англ.яз.). М.: Ленинград, 1961 г. – 340-341 c: ил.
9. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989 г. – 360 с: ил.
10. Байерс Т.Ж. 20 конструкций с солнечными элементами: Перевод с англ. - С. В. Сидорова под редакцией д-ра техн. наук М. М. Колтуна. М.: Мир, 1988 г. – 256-359 с: ил.
11. Максимов И.С. Аккумуляторные батареи – 2013. – Т. 183. – № 6. – http://nwcomp-solar.kz/ru/katalog_produkcii/kontrollery_zarada akkumulatornyh_ batarej/
12. Фролкова Н.О. Солнечные конроллеры [Электронды ресурс] // Ақпараттық портал. – 2014 - Режим доступа:(http://sunlight-ural.ru/kontrollery-zaryada).
13. Ямпурин Н.П. Электроника. М.:Издательский дом МЭИ, 2011 г. – 177-179 с: ил.
14. Ткаченко Ф. А. Электронные приборы и устройства. М.:Учебник, 2011 г. – 123-126 с: ил.
15. Берковский А.Г. Электронные приборы. М.: Мир, 1965 г. – 211-212 с: ил.
16. Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника, М.: Книга по Требованию, 2009 г. – 45-47 с: ил.
17. Полупроводники в технике и науке. Т.1-2, М.: Ленинград, 1957-58 гг. – 114-118 c: ил.
18. Mankins J.C. Fresh Look at Space Solar Power: W.: New Arctitectures, Concept and Technologies. 1997. – p.125
19. Гальперин М.В. Электротехника и электроника, Л.: Техносфера 2012 г. – 234-235 с: ил.
КІРІСПЕ
Қазіргі таңда oтынның тaптырмaйтын түрлeрі мұнaй мен гaздың қoры жыл cанап кeму үстіндe. Ғaлымдaрымыздың жуықтaған есептеулeрі бoйыншa қaзіргі қaрқынды тұтыну eкпіні жaлғaса бeрсе, тaбиғаттағы гaз қoры шaмамен 50 жылғa, мұнaй қoры 40-50 жылғa ғанa жетeтін сияқты. Сoндықтан энeргияны үнeмді қолдaна oтырып, oнымен тікелeй бәсeкеге түсe aлатын басқa дa энергия түрлeрін - aтом, су, жeл, күн, т.б. энeргияларды пaйдаланудың мaңызы өтe зoр. Атaлғандардың ішіндe энeргияның қосымшa көзінің бірі - күн энeргетикасы.
Күн энергетикaсы дәстүрлі eмес энeргетика бағыттaрының бірі. Ол күннің сәулелeнуін пайдалaнып қaндай дa бір түрдeгі энeргияны алуғa негіздeлген. Күн энeргетикасы энeргия көзінің сaрқылмайтын түрі бoлып тaбылады, әрі экoлогиялық жaғынан дa eш зияны жoқ.
Күн энeргиясын элeктр энергиясынa айнaлдыратын қондырғылaрдың бірі - күн батареялaры. Күн батaреясы немесе фотоэлектрлік генeратор - күн сәулeсінің энергиясын электр энергиясынa aйналдыратын шaлаөткізгіштік фотoэлектрлік түрлендіргіштeн (ФЭТ) тұрaтын тoк көзі. Көптeген тізбектей-парaллель қoсылған ФЭТ-тeр күн бaтареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді [1,2].
Күн батареясын аккумуляторға тікелей жалғамаған жөн. Егер, біз, eшқaндай кoнтроллерді қoлданбайтын бoлсақ, oнда бізгe зaряд кeрнеуін вoльтметр көмегімeн тұрaқты бaқылап отыруғa жәнe қaжeт кeзде oны aжыратып отыруғa турa кeледі. Егeр ол aжыратылмай қaлса, ондa бұл aртық зaрядталуға, элeктролиттің қызып кeтуіне жәнe aккумуляторлардың жарамдылық мeрзімінің қысқaруына aлып кeледі. Яғни, құрaмында aккумуляторы бaр кез-кeлген aвтономды немeсе рeзервті элeктрмен қaмсыздандыру жүйeлерінің құрaмында aккумуляторлардың зaрядталуы мeн рaзрядталуын бaқылайтын құрылғылaр бoлуы тиіс. Қaрапайым кoнтроллерлер aккумулятордың зaрядталу жaғдайында фoтоэлектрлік бaтареяның aғытылуын жүзeге aсырады жәнe кернeудің төмeндеуі кeзінде қaйтадан қoсылуын жүзeге aсырады. Олaр aккумулятор бaтареяларын шектен тыс зaрядталу мeн рaзрядталудан қoрғай oтырып, aккумуляторлардың жaрамдылық мeрзімінің ұзaқтығын aрттырады жәнe тұтaс фoтоэлектрлік жүйeнің жұмысының эффeктивтілігіне әсeр eтеді [3].
Күн энергиясын электрлікке түрлендіру фотоэлектрлік эффектіге негізделген, бұл біртекті емес шалаөткізгіштік құрылымдарға күн жарығы түскен кезде пайда болады. Алынған ток инвертор арқылы өтеді де, барлық тұрмыстық құралдар пайдаланатын қарапайым айнымалы токқа айналады. Күн батареяларын кез-келген жерде ораластыруға болады, тек онда күн жарығы көп болса болғаны [1].
1. КҮН ЭЛЕМЕНТТЕРІ ҮШІН ШАЛАӨТКІЗГІШТІК ТУМБЛЕРДІҢ НЕГІЗГІ СИПАТТАМАЛАРЫН ТАЛДАУ
0.1 Күн энергиясын электр энергиясына айналдырудың негізгі принциптері
Күн энергетикасы - белгілі бір түрдегі энергияны алу үшін күн сәулеленуін тікелей пайдалануға негізделген альтернативтік энергетиканың бағыты. Күн энергетикасы жаңартылатын энергия көздерін қолданады және экологиялық таза болып табылады, яғни белсенді пайдалану кезеңінде зиянды қалдықтарды шығармайды. Күн электр станцияларының көмегімен энергия өндіру энергияны үлестіре өндіру тұжырымдамасымен сәйкес келеді. Сурет 1.1 көше шамдарын жарықтандыруға қажетті күн панельдері көрсетілген [3].
Сурет 1.1. Күн панельдері
Күн сәулеленуінен электр және жылу алу әдістері:
* фотовольтаика - электр энергиясын фотоэлементтер көмегімен алу; Бұл әдіс күн энергиясын электрлікке түрлендіруді білдіретіндіктен, айтарлықтай белгілі және әмбебап. Сонымен, бұл әдіс үшін фотоэлектрлік күн панельдері қажет болады. Көп жағдайда, олар жұмыстық бетінің қалыңдығы - бірнеше ондаған миллиметр болатын кремнийден жасалынады. Күн энергиясын электрлікке түрлендіру фотоэлектрлік эффектіге негізделген, бұл біртекті емес шалаөткізгішті құрылымдарға күн жарығы түскен кезде пайда болады. Алынған ток инвертор арқылы өтеді де, барлық тұрмыстық құралдар пайдаланатын қарапайым айнымалы токқа айналады. Күн батареяларын кез-келген жерде ораластыруға болады, тек онда күн жарығы көп болса болғаны. Гелиотермалды энергетика - күн сәулесін жұтатын беттің қызуы, кейіннен таралуы және жылуды пайдалану (кейіннен жылыту мен бу электр генераторларында пайдалану үшін қажетті қызған суды алуға алып келетін күн сәулесінің су құйылған ыдысқа жинақталуы). Гелиотермалды энергетиканың ерекше станциясы ретінде шоғырландырушы типті күн жүйелерін атап өтуге болады (CSP - Concentrated solar power). Бұл қондырғыларда күн сәулесінің энергиясы айна мен линза жүйелерінің көмегімен шоғырландырылған күн сәулесіне жинақталады. Бұл күн сәулесі қарапайым ТЭЦ-ке ұқсас станцияларда электр генерациясына жұмсалатын және энергияны сақтау үшін жинақталатын жұмыс сұйықтығын қыздыру үшін жылулық энергияның көзі ретінде пайдаланылады. Күн энергиясының электр энергиясына түрленуі жылулық машиналардың көмегімен жүзеге асады:
* Стирлинг қозғалтқышы;
* термоәуелі электр станциялары (күн энергиясының турбогенераторға бағытталатын ауа ағымының энергиясына түрленуі).
* аэростаттық күн электр станциялары (іріктемелі-жұтқыш жабынмен жабылған аэростат бетінің күн сәулеленуімен қызуы есебінен аэростат баллонының ішіндегі су буының генерациясы). Артықшылығы - баллондағы будың артық қорының тәуліктің қараңғы мезгілінде және жауын-шашынды ауа райы кезінде электр станциясының жұмысына жеткілікті болуы [4].
Құндылықтары:
* Келешегі бар, энергия тасушылардың дәстүрлі түрлерінің бағасының үздіксіз өсуі жәнеқолжетімділік шарттарында энергия көзінің өлшеусіздігі.
* Күн энергетикасының барлық жерде кеңінен таралуы жер бетінің альбедосын (шағылдыру (бөлуші) қабілетінің сипаттамасын) өзгерте алатын және климаттың өзгерісіне алып келуі мүмкін ықтималдылығы бар болғанмен, теориялық тұрғыда қоршаған орта үшін толық қауіпсіздігі (алайда, бұл энергияны тұтынудың қазіргі замандағы деңгейін ескерсек екіталай).
Кемшіліктері:
* Ауа райы мен тәулік мезгілінен тәуелділігі.
* Орташа енділіктердегі мезгілділігі және энергияны өндіру кезеңдері мен энергияға қажеттіліктердің үйлеспеушілігі. Жоғарғы көлемді тиімсіздік.
* Нәтижесінде, энергияны шоғырландыру қажеттілігі.
* Өнеркәсіпті өндіріс кезінде - күн электр станциясының маневрлі (үнемі) салыстырмалы қуат электр станциясымен қосарлануының қажеттілігі.
* Сирек кездесетін элементтермен (мысалы, индий және теллур) байланысты конструкциясының жоғарғы құндылығы.
* Шағылдырушы және жұтқыш бетті ластанудан периодты тазалау қажеттілігі.
* Электр станциясының үстіндегі атмосфераның қызып кетуі [5].
Күн энергиясының электрлікке түрлену принципі.
Сурет 1.2. Күн энергиясының электрлікке түрлену принципі.
Электрді алудың бұл әдісінің негізі күн жарығы болып табылады, ол оқулықтарда күн сәулеленуі, күн радиациясы, жарық ағыны немесе элементар бөлшектердің ағыны - Фотон деп аталып жатады. Біз үшін маңыздысы - жарық ағынының қозғалғыш ауа ағыны секілді энергияға ие екені. Күннен бір астрономиялық бірлікке (149 597 870,66 км) тең қашықтықта, яғни біздің Жер орналасқан жерде, күн сәулеленуінің ағынының тығыздығы 1360 Втм2 құрайды. Ал жер атмосферасынан өткенде шағылу мен жұтылудың әсерінен ағын өзінің интенсивтілігінен айырылады, және жер бетінде ол шамамен 1000 Втм2 тең болады. Және осы жерден біздің жұмысымыз басталады: жарық ағынының энергиясын қолдану және бізге керекті электрлік энергияға түрлендіру.
Бұл түрлендірудің құпиясы диаметрі 125 мм болатын фотоэлектрлік түрлендіргіш (ФЭТ) деп аталатын кремнийлі цилиндрден кесіп алынған үлкен емес кесілген бұрышты жалған квадратта (сурет 1.2) орындалатындығында. Бұл құбылыс фотоэффект деп аталды [8,9].
Фотоэффект - бұл жарық әсер еткенде заттан атомдардың ыршып шығу құбылысы.
Энергетикалық тұрғыдан, күн энергиясын электрлікке айналдыруда шалаөткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштер (ФЭТ) айтарлықтай эффективті құрылғы болып табылады, себебі бұл бірсатылы тура энергия өткелі болып табылады. ФЭТ-ке тән тепе-теңдік температурасы 300-350 Кельвин және Ткүн ~ 6000 К кезінде олардың шектік теориялық ПӘК 90 % болады. Қазір лаборатория жағдайында 40 % ПӘК-ке қол жеткізілген, ал оны 50 %-ға жеткізу әбден мүмкін болып отыр. Жоғарыда айтылғандай, энергияны ФЭТ-те түрлендіру фотовольтаикалық эффектіге негізделген, ол күн сәулесі біртекті емес шалаөткізгіштік құрылымға әсер еткенде пайда болады.
ФЭТ-нің біртексіздігі бір шалаөткізгішті әртүрлі қоспалармен (p-n - өткелін жасау) легірлеу арқылы немесе тыйым салынған аймағының ені немесе электронның атомнан шығу энергиясы (гетероөткелдерді жасау) бірдей емес әртүрлі шалаөткізгіштерді қосу арқылы, немесе шалаөткізгіштің тыйым салынған аймағының енінің өзгеруіне алып келетін оның химиялық құрамын өзгерте отырып (варизонды құрылымды жасау) алынады.
Түрлендіру эффективтілігі біртексіз шалаөткізгішті құрылымның электрофизикалық сипаттамаларына, сонымен қатар, ФЭТ-тің оптикалық қасиеттеріне, оның ішінде фотоөткізгіштік қабілетіне тәуелді. Бұл шалаөткізгішті күн жарығымен сәулелендіру кезінде ішкі фотоэффект құбылысының болуымен шартталады [6,7].
Күн энергиясының таралуы
* 2010 жылы Испанияның электр энергиясының 2,7 %-ы күн энергиясынан алынды.
* 2011 жылы Италияның электр энергиясының шамамен 3 %-ы фотоэлектірлік қодырғылардан алынды.
Әлемдегі энергияның жыл сайынғы таралуы соңғы бес жыл ішінде орташа шамамен 50 %-ды құрады. Күн сәулеленуінің негізінде генерацияланатын энергия 2050 жылы адамзат қажеттілігінің 20-25 %-ын қамтамасыз ете алады деген болжам бар, және көмірқышқыл қалдықтарды азайта алады [3].
0.2 Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіш және оның жұмыс істеу принципі
Күн элементтерінің қарапайым қосылуы тек мына шартта ғана мүмкін болады: егер күн жарығы болмаса және сәйкесінше, қоректендіру ұнамсыз салдарларға алып келмесе. Аккумуляторларды зарядтауда қажет болатын реттегіш сурет 1.3 көрсетілген.
Сурет 1.3. Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіш
Көп жағдайларда, электр құралдары мен құрылғыларының күн жарығы болмаған жағдайда да жұмыс істегені қажет. Бұл үшін күні бойы өндірілген күн энергиясын кейінгі пайдалану үшін аккумуляторларға жинақтаған жөн. Бұл мақсаттар үшін қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары айтарлықтай қолайлы болып табылады [9].
Қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары. Қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары тізбектей жалғанған бірнеше жекелеген элементтерден тұрады. Кернеуді 2 В-қа дейін өрістетуші әрбір элемент әлсіз күкірт қышқылының ерітіндісінде орналасқан екі қорғасын пластинасынан тұрады. Элемент арқылы электр тогы өткен кезде қайтымды электрохимиялық реакция жүреді, және элементте кейіннен қажет болғанда пайдаланатын артық электрлік энергия жинақталады.
Аккумулятор батареясының зарядталуы элементтің пластиналарына кернеу түсірген кезден басталады, нәтижесінде ол арқылы электрлік ток өте бастайды. Бұл аккумулятор элементінің электролиті мен пластиналарының химиялық құрамын өзгертетін электрохимиялық реакцияның пайда болуына алып келеді. Бұл реакцияның жылдамдығы зарядтық токтың шамасына тәуелді. Ток үлкен болған сайын, реакция соғұрлым тез өтеді. Соңында, осы токпен байланысты дәл осы заряд кейінгі пайдалану үшін элементке жинақталады. Аккумулятор батареясы көп зарядты жинақтайды, және соңында, қанығу пайда болады. Негізінде, химиялық реакция тұрақтанады және теңеседі, және зарядтың әрі қарайғы жинақталуы тоқтатылады [10].
Күкірт қышқылының ерітіндісінен шығып қорғасын қышқылды пластиналарға жұтылған күкірт қышқылының иондарының көп бөлігі батареяның разряд циклі кезінде пластиналардан ерітіндіге қайтқан кезде тепе-теңдік орнайды.
Бұл кезде пластиналар қайтадан металдық қасиеттерге ие болады және өздерін су ерітіндісіндегі (электролиз үшін тамаша орта) электродтар секілді ұстай бастайды. Заряд тогы электролиттегі суды элементар құраушыларға (сутегі және оттегі) ыдыратады.
Бұл процессті батареяның қайнауын бақылай отырып байқауға болады. Бұл терминді газ көпіршіктерінің қайнау электролизі кезіндегі бүлкілдеуімен сыртқы ұқсастығына байланысты қате қолданып жатады.
Бұл эффектіні газ бөлінуі деп атаған дұрысырақ. Газдың бөлінуі батареяда толық зарядтың 70-80 %-ы жинақталғанда басталады. Егер батарея алдыңғы жылдамдықпен зарядталса, онда газ бөлінуі аккумулятор батареяларының бүлінуіне алып келген болар еді. Алайда, газдың бөлінуіне алып келетін электролиздің жылдамдығы элемент арқылы өтетін токқа пропорционал. Ток аз болған сайын, су соғұрлым баяу ыдырайды және газдың бөлінуі әлсіздей бастайды.
Газдың бөлінуінің әсерінен пайда болатын бүлінулерді газ бөлінуі пайда болған кезден бастап заряд тогын азайта отырып айтарлықтай азайтуға болады. Ол тек ток жоқ болған кезде ғана толықтай тоқтайды, заряд тогының шамасын заряд жинақталуы кезінде батареяның сапасын түсіріп алмайтындай деңгейге дейін төмендетуге болады [10].
Әдетте, зарядталудың соңғы кезеңінде аккумулятор батареясын, бастапқы заряд тогының аз бөлігін құрайтын шамадағы токпен зарядтайды. Бұл токпен батареяны баяу зарядтайды және ол арқылы газдың интенсивті бөлінуінің алдын алады.
Аккумулятор батареясы толық зарядталған соң оны қорек көзінен ажыратуға болады. Электролиттегі қоспалардың бар болуы мен пластиналардың химиялық құрамының өзгеруіне байланысты аккумулятор элементтерінде жинақталған зарядты уақытында азайтатын ішкі токтар пайда болады. Соңында аккумулятор батареясы өздігінен разрядталады.
Аккумулятор батареяларының зарядын реттегіш. Аккумулятор батареясын зарядтауға қажетті токтың аккумулятор элементтерінің зарядталу деңгейлеріне тәуелді болатыны айдан анық. Бұдан заряд реттегішін жасау қажеттілігі туындайды. Ол батареяның разрядталу күйін бағалайды және осыған байланысты заряд тогын басқарады [10].
Қорғасын-қышқылды аккумуляторларды зарядтаудың үш әдісі белгілі. Күн элементтері арқылы зарядтау кезінде екісатылы зарядталу циклі әдісі айтарлықтай қолайлы (сурет 1.4).
Сурет 1.4. Аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі
Алдымен, аккумулятор батареясы толық разрядталған деп есептейік. Элементтер арқылы ток өткізе бастаймыз. Аккумулятор батареясының зарядталу циклі күн элементтерінің пайдалы электр қуатын генерациялау периодына сәйкес болуы тиіс болғандықтан, батареяның зарядталуы айтарлықтай аз уақытта орындалғаны дұрыс.
Егер газдың бөлінуі батареяның зарядталуы басталғаннан кейін шамамен 4 сағаттан соң басталса, онда бұл оңтайлы режим болып табылады. Бұл уақыт тәуліктің жарық мезгіліндегі күн сәулеленуінің айтарлықтай үлкен интенсивтілігіне сәйкес келеді, әдетте, 10-14 сағат интервалда. Мезгілдік өзгерістер мен ауа райының шарттарына тәуелсіз, дәл осы тәулік мезгілінде күн элементтерінің максималды қайтарымына қол жеткізуге болады .
Зарядталудың бұл уақытына әрбір 100 А-сағ батарея сиымдылығына шамасы 20 А заряд тогы сандық жағынан сәйкес келеді, әрине, егер күн элементтері осындай токты алуға мүмкіндік берсе. Мысалы, сиымдылығы 75 А-сағ батарея 15 А токпен зарядталуы тиіс.
Тіркелген жылдамдықпен 4 сағаттық зарядталудан кейін газдың бөлінуі басталғанға дейін батареяда толық зарядтың 80 %-ы жинақталатын болады. Келесі кезеңде заряд тогын айтарлықтай төмен деңгейге дейін түсіру қажет. Әдетте, бұл токтың шамасы батарея сиымдылығының 2-5 %-ын құрайды. Мысал ретінде алынған сиымдылығы 75 А·сағ батарея үшін заряд тогы соңғы кезеңде 1,5-3,75 А-ді құрай алады. Таңдап алынған токқа байланысты аккумулятор батареясының ақырғы зарядталуына тағы 4-10 сағат қажет болады.
Мұндай жылдамдықпен батареяны толықтай зарядтау үшін 1 тәуліктен аса уақыт қажет болады. Алайда, қазіргі энергетикалық құрылғыларда аккумулятор батареялары пайдаланылу уақытының көп бөлігінде толық зарядталған күйде болады, ал олардың толық разрядталуы сирек кездеседі [10].
Аккумулятор батареяларын резервті аз зарядпен зарядтау. Аккумулятор батареясының ақырғы зарядталуынан кейін оған қосымша резервті (өтемақылы) аз заряд тогын беру ұсынылады. Әдетте, бұл токтың шамасы аккумулятор батареясының толық сиымдылығының 1-2 %-ын құрайды. Аккумулятор зарядталуының қосымша үшінші кезеңі заряд реттегішінің конструкциясын күрделендіреді.
Бұл жағдайдан ақырғы ток ретінде немесе резервті аздап зарядтау тогы ретінде батарея сиымдылығының 2 %-ын құрайтын бір токты ала отырып, екінші және үшінші зараядталу кезеңдерін біріктіру арқылы шығуға болады. Нәтижесінде, реттегіштің конструкиясы қарапайымданады және оның сенімділігі артады.
Реттегішті құрастыру. Жоғарыда аталған заряд тогына қойылатын талаптарды қанағаттандыратын реттегіштің қалыпты жұмысы үшін аккумулятор батареясының кез-келген уақыт мезетіндегі зарядталу деңгейі жайлы мәлімдемелерді білу қажет.
Қуанышқа орай, батареяның өзі осы мәселені шешу кілтін береді: батареяда жинақталған заряд пен ондағы кернеудің сандары арасындағы сенімді орнатылған қатынас бар болады. Сурет 1.5 көрініп тұрғандай, бұл қатынас әрдайым сызықты [11].
Сурет 1.5. Аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі
Біз үшін маңызды заряд аймағы батареяның толық зарядының 70 -- 80 % шектерінде орналасады. Дәл осы деңгейге қол жеткізген кезде газ бөлінуі басталады және заряд тогын өзгерту қажет болады. 12-вольтты батарея үшін осы нүктедегі кернеу 12,6 В-ты құрайды. Толық зарядталған батарея кернеуді 13,2 В-қа дейін өсіреді.
Батареядағы кернеуді анықтай отырып, заряд тогын реттеуге болады. Егер кернеу 12,6 В-тан төмен болса, онда аккумулятор элементтері зарядтың 80 %-дан азын құрайды және реттегіш толық заряд тогын шығарады. Ал егер батареядағы кернеу 12,6 В-тан жоғары көтерілсе, онда заряд тогын қоректендіруші токтың деңгейіне дейін түсіру қажет.
Батареядағы кернеуді аса үлкен күшейту коэффициенті бар қарапайым күшейткішті көрсететін арнайы құрылғы (компаратор) бақылайды. Шынымен де, Сурет 1.6 көрсетілген сұлбағаға қосылған компараторды операционды күшейткіш ретінде қолдануға болады [11].
Сурет 1.6. Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіштің принципиалды сұлбасы
Компаратор өзінің кірісіне берілетін екі кернеуді - өлшенетін және тіректік кернеулерді - салыстырады. Компаратордың инверттеуші (-) кірісіне D2 стабилитронынан тірек кернеуі беріледі. Бұл кернеумен құрылғының жарамсыздану деңгейі беріледі.
Батареяның кернеуі D2 диодының тұрақтандыру кернеуіне жуық шамамен тең болатындай R1, VR1 және R2 резисторларымен бөлінеді. Резисторлар арқылы бөлінген кернеу ажыратылып-қосылу шегін дәл күйге келтіретін VR1 потенциометрінің қозғалтқышынан компаратордың инверттемейтін (+) кірісіне беріледі.
Егер аккумулятор батареясының кернеуі D2 диоды арқылы анықталатын инверттемейтін кірістегі сигнал шектен төмен түсіп кететіндей соншалықты төмендеп кетсе, онда компаратордың шығысында теріс кернеу орнайды. Егер батареяның кернеуі тіректіктен жоғары көтерілсе, компаратордың шығысында оң кернеу орнайды. Компаратордың шығысындағы кернеудің таңбасының ауысып отыруы заряд тогының қажетті реттелуін қамтамасыз ететін болады [10,11].
Заряд реттегішінің жұмыс істеу принципі. Заряд тогы электромагнитті реле (белгілі бір электр құралын немесе машинаны әлсіз токтың жәрдемі арқылы күшті токқа қосатын электр аспабы) көмегімен реттеледі. Реле Q1 транзисторы арқылы компаратордың шығыс кернеуімен басқарылады. Компаратордың шығысындағы теріс кернеу батареяның разрядталғанын білдіреді және толық заряд тогын қажет етеді (Q1 транзисторы жабық). Сәйкесінше, коллектор тогы нөлге тең және реле өшірулі тұр.
Реленің қалыпты тұйықталған контактылары ток шектеуші Rs резисторды шунттайды. Реле сөнген кезде резистор тізбектен шығарылады және күн элементтерінен толық ток аккумулятор батареясына келіп түседі.
Зарядталу деңгейінің жоғарылауымен аккумулятор батареясындағы кернеу өсе бастайды. Газдың бөлінуі кернеу 12,6 В-қа жеткен кезде басталады. Бұл деңгейге икемделген компаратор, ажырап-қосылады (компаратордың шығысында - оң таңба). Транзистор ашылады, және коллектор тогы релені қосады. Rs резисторын шунттаушы реле контактылары ажырайды [10].
Кесте 1.1.
Rs-тің аккумулятор батареясының сиымдылығынан тәуелді мәндері
Батарея сиымдылығы, А-сағ
Заряд тогы, А
Резервті аз зарядтау тогы, А
Кедергі
Rs, Ом
Таралатын Rs қуат, Вт
5
1,0
0,1
23
0,25
10
2,0
0,2
12
0,50
15
3,0
0,3
8,7
0,80
25
5,0
0,5
4,6
1,15
50
10
1,0
2,3
2,3
75
15
1.5
1,5
3,4
100
20
2,0
1,2
4,8
150
30
3,0
0,7
6,3
Енді күн элементтерінің заряд тогы шектеуші резистордың кедергісін жеңуі тиіс. Бұл резистордың номиналы заряд тогының шамасы батарея сиымдылығының 2 %-ын құрайтындай етіп таңдалынады. Кесте 1.1 Rs-тің аккумулятор батареясының сиымдылығынан тәуелді мәндері берілген.
Компаратордың ажыратылып-қосылу кернеуіне жақын біршама анықталмағандық кездеседі. Мысалы, батареядағы кернеу іске қосылу шегінен асып 12,6 В-қа дейін көтерілген болсын. Бұл кезде қарапайым шарттарда, компаратордың шығыс кернеуі өзгереді, реле іске қосылады және заряд тогы азаяды.
Алайда, аккумулятор батареясының шығыс кернеуі тек зарядталу деңгейіне ғана тәуелді емес, сонымен қатар, басқа да факторларға тәуелді, сондықтан үлкен заряд тогы өшкеннен кейінгі кернеудің аз төмендеуі соншалықты сирек бақыланбайды. Мысалы, кернеудің бірнеше жүздеген вольт үлесіне (12,55 В-қа дейін) дейін төмендеуі әбден ықтимал. Мұндай жағдайда сұлба қалай жұмыс істейді?
Әлбетте, компаратор кері ажыратылып-қосылады және үлкен заряд тогы режимі қайта орнайды. Аккумулятор батареясындағы кернеу 12,6 В-қа өте жақын болғандықтан, токтың қатты тез өсуі кернеудің 12,6 В-тан асатын деңгейге секіруін күмәнсіз туғызады. Нәтижесінде реле қайтадан сөнеді.
Бұл шарттарда кездейсоқ компаратордың және керісінше іске қосылу жуық кернеуінің ажыратылып-қосылуы орындалады. Жорту деп аталатын бұл ұнамсыз эффектіні болдырмау үшін күшейткішке гистерезисті сезбеушілік аймағын құрайтын R4 резисторының көмегімен үлкен емес оң кері байланыс орнатылады.
Компаратордың іске қосылуына арналған гистерезистің бар болуы кезінде кернеудің бұрынғыға қарағанда көбірек өзгерісі керек. Бұрынғыша, компаратор 12,6 В кезінде ажыратылып-қосылады, бірақ оның бастапқы күйге қайтуы үшін аккумулятор батареясындағы кернеу 12,5 В-қа дейін төмендеуі керек. Осылайша, тербелмелі эффект шығарылады. D1 диодының заряд тізбегіне тізбектей қосылуы аккумулятор батареясын тәуліктің қараңғы мезгілінде (түнде) күн элементтері арқылы разрядталудан сақтайды. Бұл диод сонымен қатар, аккумуляторлық батареядан заряд реттегіші арқылы энергияның қолданылуының алдын алады. Регулятор толықтай күн элементтері арқылы қоректенеді.
Индикатор құрылғысы. Заряд реттегішіне уақыттың кез-келген мезетіндегі регулятордың жұмыс режимін көрсетуге тағайындалған индикатор құрылғысы енгізілген. Индикатор құрылғының айтарлықтай қажетті бөлшегі болып табылмайды (реттегіш онсыз да жұмыс істей алады), дегенмен оның бар болуы реттегішпен жұмыс істеу қолайлылығын жоғарылатады.
Индикатор құрылғысы (сурет 1.6) екі компаратордан және екі жарық шығарғыш диодтан (ЖД) тұрады. Бір компаратордың инверттеуші кірісі және басқасының инверттемейтін кірісі тірек кернеуін шығаратын стабилитронмен жалғанған. Компараторлардың қалған кірістері заряд тогын басқаратын компаратордың шығысына жалғанған.
Жоғарғы компаратор іске қосылады және реттегіш үлкен заряд тогы режимінде жұмыс істеп жатқан кезде СД1 светодиодын іске қосады. Егер реттегіш қоректендіруші режиміне ауысса, жоғарғы компаратор ажыратылады, ал төменгісі іске қосылады да, СД2 светодиодын іске қосады.
Заряд реттегішінің конструкциясы. Заряд реттегіші баспа платасында құрастырылады. Шалаөткізгішті элементтердің орналасуына ерекше назар аударған жөн (шығыстардың қате қосылуын болдырмау үшін). Аяқталған сұлба кез-келген (су өтпейтін болғаны жақсы) корпуста орналаса алады. Бұл мақсаттар үшін шағын пластмасса қорапша толықтай жарайды.
Егер корпус мөлдір емес болса, жұмыс режимдерін индикациялау үшін оның қақпағын светодиодтар үшін бұрғылап тескен жөн. Сонымен қатар, байланыстырушы өткізгіштердің шығысы үшін тесікті корпустың бір бүйірінен жасауға болады [11].
0.3 Күн контроллерінің конструкциясы және оның жұмыс істеу принципі
Құрамында аккумулятор батареялары бар кез-келген автономды немесе резервті электрмен қамсыздандыру жүйелерінің құрамында аккумуляторлардың зарядталуы мен разрядталуын бақылайтын құрылғылар болуы тиіс. Заряд контроллері аккумулятор батареяларын шектен тыс зарядталу мен разрядталудан қорғай отырып, аккумуляторлардың жарамдылық мерзімінің ұзақтығын арттырады және тұтас фотоэлектрлік жүйенің жұмысының эффективтілігіне әсер етеді.
Қарапайым контроллерлер. Қарапайым контроллерлер аккумулятордың зарядталу жағдайында фотоэлектрлік батареяның ағытылуын жүзеге асырады және кернеудің төмендеуі кезінде қайтадан қосылуын жүзеге асырады. Қарапайым контроллерлер аккумулятор батареяларын зарядтың 60-70 %-на дейін зарядтауға мүмкіндік береді.
Микропроцессорлы контроллерлер. Айтарлықтай күрделірек модельдерде - микропроцессорлы контроллерлерде күн батареясының максимум қуатының нүктесін және заряд тогының кең-импульсті модуляциясын (КИМ) бақылау жүзеге асырылады. Заряд тогының КИМ-і бар контроллерлер аккумулятор батареяларын 100 %-ға дейін зарядтауға мүмкіндік береді. Оған қоса, контроллердің мұндай модельдері сақтандырғыштармен және жүйенің олқылықтары жайлы белгі беретін (дабыл қағатын) және контроллердің өзінің және басқа да компоненттерінің зақымдалуының алдын алатын басқа да қорғаушы құрылғылармен жабдықталған [11].
Жүйелі шала зарядталу аккумуляторлардың барлық түрлерінің төзімділігіне зиянды әсер етеді.
Заряд контроллерлері инверторға немесе үздіксіз қоректендіру блогына (ҮҚБ) кіріктірілген болуы мүмкін.
Ірі фотоэлектрлік жүйелерде жүйелік контроллерлер қолданылады, олар аккумулятор батареяларының зарядталуы мен разрядталуын басқарумен қатар бүкіл жүйені тұтастай басқарады. Бақылау жарықтанудың, токтың, кернеудің мәндерін және фотоэлектрлік жүйенің басқа да сипаттамаларын тіркейтін және анализдейтін арнайы компьютерлік қамсыздандырудың көмегімен жүзеге асырылады.
Әрбір фотоэлектрлік жүйе фотоэлектрлік модульдердің қуаты мен жүктеменің қуатына тәуелді контроллерді жеке таңдап алуды қажет етеді [9].
Күн контроллері немесе заряд контроллері жұмыс істеу принципі бойынша автокөліктің кернеу реттегішіне ұқсас. Ол күн батареяларының панельдерінен шығып, аккумулятор батареясына жіберілетін кернеу мен токты реттейді.
Сонымен, егер оны біржола қолданатын болсақ не болады? Күн батареясы аккумуляторға тура қосылса заряд тогы мен кернеу жүреді және олар аккумулятор клеммаларында біртіндеп өсе бастайды. Ол шектік зарядталу кернеуіне (аккумулятордың түрі мен оның температурасына тәуелді шама) жеткенге дейін тура қосылу контроллердің PWM немесе ONOFF модельдерінің қатысуымен тең мәнде болады, себебі бұл режимде бұл модельдер тек кіріс пен шығысты байланыстырады.
Шектік кернеуге жеткенде (шамамен 14 В) контроллердің барлық түрлерінің ішіндегі ең арзаны болып табылатын ONOFF контроллері жәй ғана күн батареясын аккумулятордан ажырата салады, алайда аккумулятор толықтай зарядталмаған болуы мүмкін және ол толық зарядталуы үшін шектік кернеуді бірнеше сағаттар бойы ұстап тұруды қажет етеді. Бұл тапсырманы кең-импульсті түрлендірудің (КИМ немесе ағылшынша - PWM) көмегімен күн батареясының кернеуін қажетті мәнге дейін төмендететін және оны ұстап тұратын PWM контроллері шешеді.
Егер, сіз, ешқандай контроллерді қолданбайтын болсаңыз, онда сізге заряд кернеуін вольтметр көмегімен тұрақты бақылап отыруға және қажет кезде оны ажыратып отыруға тура келеді. Егер, сіз, оны ажыратуды ұмытып кетсеңіз, онда бұл артық зарядталуға, электролиттің қызып кетуіне және аккумуляторлардың жарамдылық мерзімінің қысқаруына алып келеді. Ал егер Сіз оны уақытында ажыратсаңыз немесе қарапайым ONOFF контроллерді қолданатын болсаңыз, аккумуляторлар толық зарядталмаған күйінде қалып қояды (шамамен 90 %), ал тұрақты шала зарядтау, нәтижесінде, олардың жарамдылық мерзімінің айтарлықтай қысқаруына алып келеді.
Екі маңызды фактор бар, олар аккумуляторлардың зарядталу уақытында ескерілуі тиіс. Сапалы заряд контроллерлері міндетті түрде аккумулятордың температурасын ескеруге және заряд кернеулерінің температуралық өтеміне ие болуға тиісті, сонымен қатар, аккумулятор батареяларының (AGM, GEL, сұйық-қышқылды) түрлерін таңдауға ие болуы тиіс, себебі әрбір түрі әртүрлі зарядтық қисықтарға ие (бір режимде әртүрлі кернеулерге ие). Сонымен қатар, температуралық өтем үшін температуралық кіріктірме құрылғымен қоса, шығарылатын құрылғы да қолданыла алады. Шығарылатын температуралық құрылғыны қолдану кезінде контроллердің жұмыс істеу дәлдігі артады.
Аралық нәтижені шығарайық.Біз заряд контроллерінен бас тарту нұсқасын, сонымен қатар, контроллерлердің екі түрінің - PWM және ONOFF қолданылуын қарастырдық, және қарастырылған нұсқалардың ішіндегі ең жақсысы - PWM деген қорытындығы келдік. Оның температуралық өтемінің бар болуы мен аккумулятор батареяларының түрлерін таңдау мүмкіндігінің болуы аса маңызды болып табылады [11].
MPPT технологиясы (Maximum Power Point Tracking). Егер сіз өзіңіздің күн батареяларыңызбен энергия өндіруді қосымша күн панельдерін қоспай-ақ арттырғыңыз келсе, онда сізге өзіңіздің күн контроллеріңізді күн батареясының максимум қуат нүктесін (МҚН) бақылайтын контроллерге ауыстыру қажет. Мұндай контроллер КИМ контроллерлермен салыстырғанда көп жағдайда электр энергиясын өндіруді арттыруға мүмкіндік береді.
MPPT контроллерлер нарықта 80-ші жылдары пайда болды. Біртіндеп олар кеңінен қолданыла бастады, және келешекте, барлық контроллерлер күн модулінің МҚН-сін бақылау функциясына ие болатын шығар. Қазіргі уақытта, нарықта жақсартылған сенімді электронды компоненттері мен микропроцессорлық басқаруы бар схемотехникалы MPPT контроллерлер пайда болды.
Қарапайым контроллерлерде күн модульдері аккумуляторға тікелей қосылады, осылайша олардың кернеуі теңестіріледі. Нақты жағдайда, күн батареяларының оңтайлы кернеуі аккумулятордағы кернеуден әрдайым ерекшеленеді. Бір үлгідегі 12 В аккумулятор толық зарядталу үшін 14,4 В кезіндегі зарядты 2-4 сағат бойы ұстап тұруды қажет етеді. Бұл кезең абсорбция (қанығу) кезеңі деп аталады [12]
Сурет 1.7. Күн батареясының әдеттегі вольт-амперлік сипаттамасы [12]
Егер күн батареясының әдеттегі вольт-амперлік сипаттамасына қарасақ, одан егер заряд контроллері күн батареясының максимум қуат нүктесін бақылайтын болса энергияны өндірудің арту мүмкіндігін көруге болады.
Бір үлгідегі MPPT контроллер күн батареясындағы ток пен кернеуді үнемі бақылап отырады, олардың мәндерін қайта көбейтеді және күн батареясының қуаты максималды болған кездегі ток-кернеу жұбын анықтайды. Кіріктірме процессор, сонымен қатар, аккумулятордың қай зарядталу кезеңінде (толу, қанығу, теңестірілу, ұстау) екендігін бақылайды және осының негізінде аккумуляторға қандай ток берілуі тиіс екендігін анықтайды. Процессор бірмезгілде параметрлердің (егер бар болса) таблоға индикациялануына және мәліметтердің сақталуына команда бере алады.
Максималды қуат нүктесі әртүрлі әдіспен есептелуі мүмкін. Қарапайым жағдайда, контроллер кернеуді бос жүріс нүктесінен аккумулятордағы кернеуге дейін реттілікпен төмендетеді. Максималды қуат нүктесі, шамамен, осы мәндер аралығында жататын болады.
Қосымша алынған энергияның шамасын MPPT контроллерді қолдану кезінде бірден анықтау қиын. Қосымша өндіруге ықпал ететін негізгі факторлар мыналар: температура және аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі. Өндіруге қосылатын айтарлықтай көп үстеме температураның төменгі температураларында және разрядталған батареяларда орындалады.
Сурет 1.8. Модульдің әртүрлі температуралары жағдайындағы максималды қуат нүктесіндегі кернеу [12]
Сурет 1.8 модульдің әртүрлі температуралары жағдайындағы максималды қуат нүктесіндегі кернеудің қалай өзгеретіні көрсетілген. Күн модулі ыстығырақ болған сайын, модульдегі кернеу төменірек болады, және, сәйкесінше, күн батареясының энергияны өндіруі азырақ болады. Кейбір мезеттерде максималды қуат нүктесі аккумулятордағы кернеуден төмен болуы мүмкін, және бұл жағдайда, сіз, КИМ контроллерімен салыстырғанда энергия өндіруде ешқандай артықшылыққа ие болмайсыз. Күн батареясының қараңғылануы да осындай нәтижеге алып келеді.
Осы себепті, әдетте MPPT контроллерлерді қолдану кезінде күн батареяларын айтарлықтай жоғары кернеуге коммутациялау (тізбектегі электр тогының бағытын өзгерту) қажет болады.
Контроллерлердің көбісі максималды қуат нүктесін кең шектерде бақылай алады. Сонымен қатар, мұндай шешім күн батареясының энергиясын төмендетілген жарықтандыру кезінде өндіруді арттыруға мүмкіндік береді. Алайда, кіріс және шығыс кернеулері арасында аса үлкен айырымды жасаудың қажеті жоқ, әйтпесе контроллердің ПӘК-і төмендейді [12].
Өткізгіштердегі шығындарды азайту. Өткізгіштердегі шығындар мына формула бойынша есептелінеді:
(1.1)
Егер токты 2 есе азайтсақ, шығындар 4 есе азаяды. Егер токты 4 есе азайтсақ, онда шығындар 16 есе азаяды және т.с.с. Егер фотоэлектрлік модульдер жағындағы кернеуді арттырсақ, онда дәл сондай жіберілетін қуат кезінде шығындарды айтарлықтай азайтуға болады.
MPPT контроллерлердің негізгі артықшылықтары:
* АКБ зарядтау кезінде шығынның болмауы;
* Күн панельдерінің ауданының бөлігін қараңғылау кезіндегі оптималды жұмысы;
* Әлсіз жарықтандыру мен бұлтты күндері жоғарғы энергия беру;
* Едәуір жоғары кіріс кернеуін қолдану мүмкіндігі;
* Кабельдердің қимасын кішірейтуге мүмкіндік беретіндігі;
* Панельден контроллерге дейінгі ара қашықтықты үлкейтуге мүмкіндік береді [11].
Сурет 1.9. EPSolar LS0512 контроллері (5 A, 12 В) [12]
* Түрлендіру технологиясы: PWM (КИМ)
* Жұмыс диапазоны: -35°C-тан +55°C-қа дейін
* Номиналды кернеуі: 12 В
Сурет 1.10. MPPT TRACER-1210RN (10 A, 1224 В) [12]
* Күн батареясынан кіріс кернеуі 100 В-қа дейін
* Күн панельдерінің қуаты 240 Вт-қа дейін
* Аккумулятор кернеуі: 1224В
0.4 Шалаөткізгіштік тумблердің компоненттері
Компаратор. Компаратор - бұл күшейту коэффициенті үлкен, кері байланысы жоқ операционды күшейткіш. Сондықтан, егер оның бір кірісіне (мысалы инверсті) тірек кернеуінің белгілі бір тұрақты деңгейін беретін болсақ, ал басқа кірісіне (тура) өзгеретін сигнал беретін болсақ - онда оның шығыс кернеуі егер кіріс сигналының деңгейі басқа кіріске берілген тірек кернеуінің деңгейінен асып түскен жағдайда минималдыдан максималдыға дейін секіріспен өзгереді, және керісінше. Компаратордың шартты графикалық белгіленуі төмендегі суреттегідей [13].
Сурет 1.11. Операционды күшейткіштегі аналогты компаратор
Сурет 1.12. Инверттемейтін компаратордың өтпелі сипаттамасы
Компараторлардың екі кірісі болады, тура және инверсті, және күтілетін нәтижеге байланысты тірек кернеуі мен салыстырылатын кернеу кез-келген кіріске қосыла алады. Егер тура кірістегі кіріс кернеуі инверсті кірістегі кернеуден асып түссе, онда компаратордың шығыс транзисторы ашылады, ал төмен болса, онда жабылады. Яғни, компаратор кернеулерді салыстырады.
Ал енді компаратордың негізгі тағайындалымына келіп жеттік - бір кірістегі сигнал басқа кірістегі орнатылған тірек кернеуінен үлкен немесе кіші болған жағдайда екі кернеуді (сигналды) өзара салыстыру және шығысқа кернеу (сигнал) шығару.
Компараторлар негізінде алуан түрлі құрылғылар құрастыруға болады, мысалы: термореттегіштер, тұрақтандырғыштар, әртүрлі автоматтандыру құрылғылары - оларды құрастыруда кіріс сигналының өзгерісі үшін әртүрлі беріліс құралдарын, терморезисторларды, фоторезисторларды, ылғалдылық индикаторларын және т.б. және т.с.с. қолдана аламыз. Компараторлардың шығыс каскадтары олардың шығыс кернеулері көптеген цифрлық микросұлбалардың логикалық кіріс деңгейіне сәйкес келетіндей етіп есептелінеді, сондықтан оларды құрастырушылар деп те атауға болады. Жалпы, кез-келген операционды күшейткіш негізінде компаратор құрастыруға болады (бірақ керісінше мүмкін емес) [13].
Сурет 1.13. LM339(N) компаратор
LM339(N) - (0..+70°С) тұрмыстық температура диапазонында жұмыс істеуге арналған 4 каналды компаратор. Шығысы - ашық коллектор.
LM339(N) компараторлар микросұлбасы функционалдық тағайындалуы мен шығыстарының орналасуы бойынша LM139, LM239, LM2901, MC3302 микросұлбаларына ұқсас, бірақ олардан температуралық жұмыс диапазондарымен және баса да параметрлері бойынша аз-маз ерекшеленеді.
Сурет 1.14. LM339(N) компараторының құрылымы [14]
Әдетте, кіріс сигналдарының бірін кернеу бөлгішінің көмегімен немесе потенциометрдің көмегімен шектік мәнді анықтай отырып тұрақты етеді. Ал екінші кірісіне шектік (табалдырықтық) мәнмен салыстырылуға және логикалық нөл мен бірлікке дейін дөңгеленуі тиісті сигналды береді.
Сигналдың нақты шамасы емес, оның шектік мәннен асуы маңызды болатын жағдайда, сигналды аналогты сенсорлардан цифрлыққа түрлендіру үшін компараторды қолданылады. Бұл микроконтроллердің бос емес аналогты кірістерінің санын үнемдеуге мүмкіндік береді. LM339(N) шығыстарының тағайындалулары мен оның негізгі сипаттамалары кесте 1.2 және кесте 1.3 келтірілген [13,14].
Кесте 1.2.
LM339(N) шығыстарының тағайындалуы
N
Тағайындалуы
N
Тағайындалуы
1
Шығыс 2
8
Инверттейтін кіріс 3
2
Шығыс 1
9
Инверттемейтін кіріс 3
3
+ Қоректендіру
10
Инверттейтін кіріс 4
4
Инверттейтін кіріс 1
11
Инверттемейтін кіріс 4
5
Инверттемейтін кіріс 1
12
- Қоректендіру
6
Инверттейтін кіріс 2
13
Шығыс 4
7
Инверттемейтін кіріс 2
14
Шығыс 3
Кесте 1.3.
LM339(N) негізгі сипаттамалары
Параметр
Мин.
Қалып(тип).
Макс.
Ығысу кернеуі
+-1 mV
+-5 mV
Синфазалы кіріс тогы
25 nA
250 nA
Дифференциалды кіріс тогы
+-5 nA
+-50 nA
Шығыс құйма тогы
6 mA
16 mA
Кернеу бойынша күшейту коэффициенті
50 VmV
200 VmV
Қанығу кернеуі
400 mV
Қолданылатын ток
1,1 mA
2,0 mA
Жауап беру уақыты
1,3 uS
Үлкен сигналдағы жауап беру уақыты
300 nS
Сызықты реттегіш (LM317L). Сызықты кернеу реттегіштері (тұрақтандырғыштар) электронды құрылғыларды электрмен қоректендірудің қазіргі заманғы жүйелерінде кеңінен қолданыс тапқан. Импульсті реттегіштердің, ережеге сәйкес, үлкен ПӘК мәніне ие екендігі белгілі, алайда, шығысында коммутация жиілігі бар кедергілерді туғызады, және осы себепті пульсацияға сезімтал сұлбаларды қоректендіруде әрдайым қолайлы бола бермейді. Оған қоса, сызықты реттегіштердің артықшылығы қосылу сұлбасының айтарлықтай қарапайымдылығы (сәйкесінше, бекіткіш компоненттерінің минималды саны) және арзан құны болып табылады. Осыған байланысты, сызықты реттегіштер әр түрлі электронды компоненттерді өндірушілерде қоректендіру арқылы басқару микросұлбаларының номенклатурасында маңызды орын алады.
1. Стандартты сызықты реттегіштер. Алдымен, сызықты стабилизаторларда реттегіш элементтің орнына биполярлы pnp-типті транзистормен басқарылатын биполярлы құрамды npn-транзистор қолданылған. Реттегіштердің мұндай түрін стандартты деп атап кеткен.
Стандартты стабилизаторлардың үлгілік сипаттамалары келесідей:
* максималды кіріс кернеуі - 35...40 В-қа дейін;
* реттегіш элементтегі кернеудің түсуі - 1,7 В-тан және одан көбіректен басталады;
* тұрақтандыру дәлдігі - 2...4 %;
* меншікті ток - 6 мА.
2. Кернеу түсуі аз реттегішер (LDO). LDO-реттегіштердің (STMicroelectronics компаниясы) номенклатурасы мен техникалық сипаттамалары кесте 1.4. берілген.
Жоғарыда айтылғандай, мұндай сериялы сызықты стабилизаторларда реттегіш элемент ретінде дара npn-транзистор қолданылады. Оның есебінен кернеудің түсуі 1,1...1,3 В-қа дейін азайған. Стандартты реттегіштермен салыстырғанда, мұнда да шығыс кернеуін орнату дәлдігі жоғарылаған [15].
Кесте 1.4.
LDO-реттегіштердің номенклатурасы мен техникалық сипаттамалары
Бұйым
Жүктеме тогы, А
Кернеудің түсуі, В
Максималды кіріс кернеуі, В
Дәлдік, %
Меншікті ток, мА
LD1084
5,0
1,30
30
1
5
LD1085
3,0
1,30
30
1
5
LD1086
1,5
1,30
30
1
5
LD1117A
1,0
1,15
15
2
5
LD1117
0,8
1,10
15
1
5
Шығыс кернеулерінің номиналдары кесте 1.4 көрсетілген, алайда, уақыт өтуімен бұл тізім өзгерістерге ұшырауы мүмкін екендігін ескерген жөн.
LM317L - оң полярлы кернеуді реттегіш аз қуатты сызықты стабилизатор
Cурет 1.15. LM317L сызықты реттегіші (Корпус TO-92)
Кесте 1.5.
LM317L шығыстарының тағайындалуы:
1
Adj
Реттеу
2
Out
Шығыс
3
In
Кіріс
LM317L микросұлбасының қосылу ерекшеліктері.
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Қазіргі таңда oтынның тaптырмaйтын түрлeрі мұнaй мен гaздың қoры жыл cанап кeму үстіндe. Ғaлымдaрымыздың жуықтaған есептеулeрі бoйыншa қaзіргі қaрқынды тұтыну eкпіні жaлғaса бeрсе, тaбиғаттағы гaз қoры шaмамен 50 жылғa, мұнaй қoры 40-50 жылғa ғанa жетeтін сияқты. Сoндықтан энeргияны үнeмді қолдaна oтырып, oнымен тікелeй бәсeкеге түсe aлатын басқa дa энергия түрлeрін - aтом, су, жeл, күн, т.б. энeргияларды пaйдаланудың мaңызы өтe зoр. Атaлғандардың ішіндe энeргияның қосымшa көзінің бірі - күн энeргетикасы.
Күн энергетикaсы дәстүрлі eмес энeргетика бағыттaрының бірі. Ол күннің сәулелeнуін пайдалaнып қaндай дa бір түрдeгі энeргияны алуғa негіздeлген. Күн энeргетикасы энeргия көзінің сaрқылмайтын түрі бoлып тaбылады, әрі экoлогиялық жaғынан дa eш зияны жoқ.
Күн энeргиясын элeктр энергиясынa айнaлдыратын қондырғылaрдың бірі - күн батареялaры. Күн батaреясы немесе фотоэлектрлік генeратор - күн сәулeсінің энергиясын электр энергиясынa aйналдыратын шaлаөткізгіштік фотoэлектрлік түрлендіргіштeн (ФЭТ) тұрaтын тoк көзі. Көптeген тізбектей-парaллель қoсылған ФЭТ-тeр күн бaтареясын қажетті кернеу және ток күшімен қамтамасыз етеді [1,2].
Күн батареясын аккумуляторға тікелей жалғамаған жөн. Егер, біз, eшқaндай кoнтроллерді қoлданбайтын бoлсақ, oнда бізгe зaряд кeрнеуін вoльтметр көмегімeн тұрaқты бaқылап отыруғa жәнe қaжeт кeзде oны aжыратып отыруғa турa кeледі. Егeр ол aжыратылмай қaлса, ондa бұл aртық зaрядталуға, элeктролиттің қызып кeтуіне жәнe aккумуляторлардың жарамдылық мeрзімінің қысқaруына aлып кeледі. Яғни, құрaмында aккумуляторы бaр кез-кeлген aвтономды немeсе рeзервті элeктрмен қaмсыздандыру жүйeлерінің құрaмында aккумуляторлардың зaрядталуы мeн рaзрядталуын бaқылайтын құрылғылaр бoлуы тиіс. Қaрапайым кoнтроллерлер aккумулятордың зaрядталу жaғдайында фoтоэлектрлік бaтареяның aғытылуын жүзeге aсырады жәнe кернeудің төмeндеуі кeзінде қaйтадан қoсылуын жүзeге aсырады. Олaр aккумулятор бaтареяларын шектен тыс зaрядталу мeн рaзрядталудан қoрғай oтырып, aккумуляторлардың жaрамдылық мeрзімінің ұзaқтығын aрттырады жәнe тұтaс фoтоэлектрлік жүйeнің жұмысының эффeктивтілігіне әсeр eтеді [3].
Күн энергиясын электрлікке түрлендіру фотоэлектрлік эффектіге негізделген, бұл біртекті емес шалаөткізгіштік құрылымдарға күн жарығы түскен кезде пайда болады. Алынған ток инвертор арқылы өтеді де, барлық тұрмыстық құралдар пайдаланатын қарапайым айнымалы токқа айналады. Күн батареяларын кез-келген жерде ораластыруға болады, тек онда күн жарығы көп болса болғаны [1].
1. КҮН ЭЛЕМЕНТТЕРІ ҮШІН ШАЛАӨТКІЗГІШТІК ТУМБЛЕРДІҢ НЕГІЗГІ СИПАТТАМАЛАРЫН ТАЛДАУ
0.1 Күн энергиясын электр энергиясына айналдырудың негізгі принциптері
Күн энергетикасы - белгілі бір түрдегі энергияны алу үшін күн сәулеленуін тікелей пайдалануға негізделген альтернативтік энергетиканың бағыты. Күн энергетикасы жаңартылатын энергия көздерін қолданады және экологиялық таза болып табылады, яғни белсенді пайдалану кезеңінде зиянды қалдықтарды шығармайды. Күн электр станцияларының көмегімен энергия өндіру энергияны үлестіре өндіру тұжырымдамасымен сәйкес келеді. Сурет 1.1 көше шамдарын жарықтандыруға қажетті күн панельдері көрсетілген [3].
Сурет 1.1. Күн панельдері
Күн сәулеленуінен электр және жылу алу әдістері:
* фотовольтаика - электр энергиясын фотоэлементтер көмегімен алу; Бұл әдіс күн энергиясын электрлікке түрлендіруді білдіретіндіктен, айтарлықтай белгілі және әмбебап. Сонымен, бұл әдіс үшін фотоэлектрлік күн панельдері қажет болады. Көп жағдайда, олар жұмыстық бетінің қалыңдығы - бірнеше ондаған миллиметр болатын кремнийден жасалынады. Күн энергиясын электрлікке түрлендіру фотоэлектрлік эффектіге негізделген, бұл біртекті емес шалаөткізгішті құрылымдарға күн жарығы түскен кезде пайда болады. Алынған ток инвертор арқылы өтеді де, барлық тұрмыстық құралдар пайдаланатын қарапайым айнымалы токқа айналады. Күн батареяларын кез-келген жерде ораластыруға болады, тек онда күн жарығы көп болса болғаны. Гелиотермалды энергетика - күн сәулесін жұтатын беттің қызуы, кейіннен таралуы және жылуды пайдалану (кейіннен жылыту мен бу электр генераторларында пайдалану үшін қажетті қызған суды алуға алып келетін күн сәулесінің су құйылған ыдысқа жинақталуы). Гелиотермалды энергетиканың ерекше станциясы ретінде шоғырландырушы типті күн жүйелерін атап өтуге болады (CSP - Concentrated solar power). Бұл қондырғыларда күн сәулесінің энергиясы айна мен линза жүйелерінің көмегімен шоғырландырылған күн сәулесіне жинақталады. Бұл күн сәулесі қарапайым ТЭЦ-ке ұқсас станцияларда электр генерациясына жұмсалатын және энергияны сақтау үшін жинақталатын жұмыс сұйықтығын қыздыру үшін жылулық энергияның көзі ретінде пайдаланылады. Күн энергиясының электр энергиясына түрленуі жылулық машиналардың көмегімен жүзеге асады:
* Стирлинг қозғалтқышы;
* термоәуелі электр станциялары (күн энергиясының турбогенераторға бағытталатын ауа ағымының энергиясына түрленуі).
* аэростаттық күн электр станциялары (іріктемелі-жұтқыш жабынмен жабылған аэростат бетінің күн сәулеленуімен қызуы есебінен аэростат баллонының ішіндегі су буының генерациясы). Артықшылығы - баллондағы будың артық қорының тәуліктің қараңғы мезгілінде және жауын-шашынды ауа райы кезінде электр станциясының жұмысына жеткілікті болуы [4].
Құндылықтары:
* Келешегі бар, энергия тасушылардың дәстүрлі түрлерінің бағасының үздіксіз өсуі жәнеқолжетімділік шарттарында энергия көзінің өлшеусіздігі.
* Күн энергетикасының барлық жерде кеңінен таралуы жер бетінің альбедосын (шағылдыру (бөлуші) қабілетінің сипаттамасын) өзгерте алатын және климаттың өзгерісіне алып келуі мүмкін ықтималдылығы бар болғанмен, теориялық тұрғыда қоршаған орта үшін толық қауіпсіздігі (алайда, бұл энергияны тұтынудың қазіргі замандағы деңгейін ескерсек екіталай).
Кемшіліктері:
* Ауа райы мен тәулік мезгілінен тәуелділігі.
* Орташа енділіктердегі мезгілділігі және энергияны өндіру кезеңдері мен энергияға қажеттіліктердің үйлеспеушілігі. Жоғарғы көлемді тиімсіздік.
* Нәтижесінде, энергияны шоғырландыру қажеттілігі.
* Өнеркәсіпті өндіріс кезінде - күн электр станциясының маневрлі (үнемі) салыстырмалы қуат электр станциясымен қосарлануының қажеттілігі.
* Сирек кездесетін элементтермен (мысалы, индий және теллур) байланысты конструкциясының жоғарғы құндылығы.
* Шағылдырушы және жұтқыш бетті ластанудан периодты тазалау қажеттілігі.
* Электр станциясының үстіндегі атмосфераның қызып кетуі [5].
Күн энергиясының электрлікке түрлену принципі.
Сурет 1.2. Күн энергиясының электрлікке түрлену принципі.
Электрді алудың бұл әдісінің негізі күн жарығы болып табылады, ол оқулықтарда күн сәулеленуі, күн радиациясы, жарық ағыны немесе элементар бөлшектердің ағыны - Фотон деп аталып жатады. Біз үшін маңыздысы - жарық ағынының қозғалғыш ауа ағыны секілді энергияға ие екені. Күннен бір астрономиялық бірлікке (149 597 870,66 км) тең қашықтықта, яғни біздің Жер орналасқан жерде, күн сәулеленуінің ағынының тығыздығы 1360 Втм2 құрайды. Ал жер атмосферасынан өткенде шағылу мен жұтылудың әсерінен ағын өзінің интенсивтілігінен айырылады, және жер бетінде ол шамамен 1000 Втм2 тең болады. Және осы жерден біздің жұмысымыз басталады: жарық ағынының энергиясын қолдану және бізге керекті электрлік энергияға түрлендіру.
Бұл түрлендірудің құпиясы диаметрі 125 мм болатын фотоэлектрлік түрлендіргіш (ФЭТ) деп аталатын кремнийлі цилиндрден кесіп алынған үлкен емес кесілген бұрышты жалған квадратта (сурет 1.2) орындалатындығында. Бұл құбылыс фотоэффект деп аталды [8,9].
Фотоэффект - бұл жарық әсер еткенде заттан атомдардың ыршып шығу құбылысы.
Энергетикалық тұрғыдан, күн энергиясын электрлікке айналдыруда шалаөткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштер (ФЭТ) айтарлықтай эффективті құрылғы болып табылады, себебі бұл бірсатылы тура энергия өткелі болып табылады. ФЭТ-ке тән тепе-теңдік температурасы 300-350 Кельвин және Ткүн ~ 6000 К кезінде олардың шектік теориялық ПӘК 90 % болады. Қазір лаборатория жағдайында 40 % ПӘК-ке қол жеткізілген, ал оны 50 %-ға жеткізу әбден мүмкін болып отыр. Жоғарыда айтылғандай, энергияны ФЭТ-те түрлендіру фотовольтаикалық эффектіге негізделген, ол күн сәулесі біртекті емес шалаөткізгіштік құрылымға әсер еткенде пайда болады.
ФЭТ-нің біртексіздігі бір шалаөткізгішті әртүрлі қоспалармен (p-n - өткелін жасау) легірлеу арқылы немесе тыйым салынған аймағының ені немесе электронның атомнан шығу энергиясы (гетероөткелдерді жасау) бірдей емес әртүрлі шалаөткізгіштерді қосу арқылы, немесе шалаөткізгіштің тыйым салынған аймағының енінің өзгеруіне алып келетін оның химиялық құрамын өзгерте отырып (варизонды құрылымды жасау) алынады.
Түрлендіру эффективтілігі біртексіз шалаөткізгішті құрылымның электрофизикалық сипаттамаларына, сонымен қатар, ФЭТ-тің оптикалық қасиеттеріне, оның ішінде фотоөткізгіштік қабілетіне тәуелді. Бұл шалаөткізгішті күн жарығымен сәулелендіру кезінде ішкі фотоэффект құбылысының болуымен шартталады [6,7].
Күн энергиясының таралуы
* 2010 жылы Испанияның электр энергиясының 2,7 %-ы күн энергиясынан алынды.
* 2011 жылы Италияның электр энергиясының шамамен 3 %-ы фотоэлектірлік қодырғылардан алынды.
Әлемдегі энергияның жыл сайынғы таралуы соңғы бес жыл ішінде орташа шамамен 50 %-ды құрады. Күн сәулеленуінің негізінде генерацияланатын энергия 2050 жылы адамзат қажеттілігінің 20-25 %-ын қамтамасыз ете алады деген болжам бар, және көмірқышқыл қалдықтарды азайта алады [3].
0.2 Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіш және оның жұмыс істеу принципі
Күн элементтерінің қарапайым қосылуы тек мына шартта ғана мүмкін болады: егер күн жарығы болмаса және сәйкесінше, қоректендіру ұнамсыз салдарларға алып келмесе. Аккумуляторларды зарядтауда қажет болатын реттегіш сурет 1.3 көрсетілген.
Сурет 1.3. Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіш
Көп жағдайларда, электр құралдары мен құрылғыларының күн жарығы болмаған жағдайда да жұмыс істегені қажет. Бұл үшін күні бойы өндірілген күн энергиясын кейінгі пайдалану үшін аккумуляторларға жинақтаған жөн. Бұл мақсаттар үшін қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары айтарлықтай қолайлы болып табылады [9].
Қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары. Қорғасын-қышқылды аккумулятор батареялары тізбектей жалғанған бірнеше жекелеген элементтерден тұрады. Кернеуді 2 В-қа дейін өрістетуші әрбір элемент әлсіз күкірт қышқылының ерітіндісінде орналасқан екі қорғасын пластинасынан тұрады. Элемент арқылы электр тогы өткен кезде қайтымды электрохимиялық реакция жүреді, және элементте кейіннен қажет болғанда пайдаланатын артық электрлік энергия жинақталады.
Аккумулятор батареясының зарядталуы элементтің пластиналарына кернеу түсірген кезден басталады, нәтижесінде ол арқылы электрлік ток өте бастайды. Бұл аккумулятор элементінің электролиті мен пластиналарының химиялық құрамын өзгертетін электрохимиялық реакцияның пайда болуына алып келеді. Бұл реакцияның жылдамдығы зарядтық токтың шамасына тәуелді. Ток үлкен болған сайын, реакция соғұрлым тез өтеді. Соңында, осы токпен байланысты дәл осы заряд кейінгі пайдалану үшін элементке жинақталады. Аккумулятор батареясы көп зарядты жинақтайды, және соңында, қанығу пайда болады. Негізінде, химиялық реакция тұрақтанады және теңеседі, және зарядтың әрі қарайғы жинақталуы тоқтатылады [10].
Күкірт қышқылының ерітіндісінен шығып қорғасын қышқылды пластиналарға жұтылған күкірт қышқылының иондарының көп бөлігі батареяның разряд циклі кезінде пластиналардан ерітіндіге қайтқан кезде тепе-теңдік орнайды.
Бұл кезде пластиналар қайтадан металдық қасиеттерге ие болады және өздерін су ерітіндісіндегі (электролиз үшін тамаша орта) электродтар секілді ұстай бастайды. Заряд тогы электролиттегі суды элементар құраушыларға (сутегі және оттегі) ыдыратады.
Бұл процессті батареяның қайнауын бақылай отырып байқауға болады. Бұл терминді газ көпіршіктерінің қайнау электролизі кезіндегі бүлкілдеуімен сыртқы ұқсастығына байланысты қате қолданып жатады.
Бұл эффектіні газ бөлінуі деп атаған дұрысырақ. Газдың бөлінуі батареяда толық зарядтың 70-80 %-ы жинақталғанда басталады. Егер батарея алдыңғы жылдамдықпен зарядталса, онда газ бөлінуі аккумулятор батареяларының бүлінуіне алып келген болар еді. Алайда, газдың бөлінуіне алып келетін электролиздің жылдамдығы элемент арқылы өтетін токқа пропорционал. Ток аз болған сайын, су соғұрлым баяу ыдырайды және газдың бөлінуі әлсіздей бастайды.
Газдың бөлінуінің әсерінен пайда болатын бүлінулерді газ бөлінуі пайда болған кезден бастап заряд тогын азайта отырып айтарлықтай азайтуға болады. Ол тек ток жоқ болған кезде ғана толықтай тоқтайды, заряд тогының шамасын заряд жинақталуы кезінде батареяның сапасын түсіріп алмайтындай деңгейге дейін төмендетуге болады [10].
Әдетте, зарядталудың соңғы кезеңінде аккумулятор батареясын, бастапқы заряд тогының аз бөлігін құрайтын шамадағы токпен зарядтайды. Бұл токпен батареяны баяу зарядтайды және ол арқылы газдың интенсивті бөлінуінің алдын алады.
Аккумулятор батареясы толық зарядталған соң оны қорек көзінен ажыратуға болады. Электролиттегі қоспалардың бар болуы мен пластиналардың химиялық құрамының өзгеруіне байланысты аккумулятор элементтерінде жинақталған зарядты уақытында азайтатын ішкі токтар пайда болады. Соңында аккумулятор батареясы өздігінен разрядталады.
Аккумулятор батареяларының зарядын реттегіш. Аккумулятор батареясын зарядтауға қажетті токтың аккумулятор элементтерінің зарядталу деңгейлеріне тәуелді болатыны айдан анық. Бұдан заряд реттегішін жасау қажеттілігі туындайды. Ол батареяның разрядталу күйін бағалайды және осыған байланысты заряд тогын басқарады [10].
Қорғасын-қышқылды аккумуляторларды зарядтаудың үш әдісі белгілі. Күн элементтері арқылы зарядтау кезінде екісатылы зарядталу циклі әдісі айтарлықтай қолайлы (сурет 1.4).
Сурет 1.4. Аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі
Алдымен, аккумулятор батареясы толық разрядталған деп есептейік. Элементтер арқылы ток өткізе бастаймыз. Аккумулятор батареясының зарядталу циклі күн элементтерінің пайдалы электр қуатын генерациялау периодына сәйкес болуы тиіс болғандықтан, батареяның зарядталуы айтарлықтай аз уақытта орындалғаны дұрыс.
Егер газдың бөлінуі батареяның зарядталуы басталғаннан кейін шамамен 4 сағаттан соң басталса, онда бұл оңтайлы режим болып табылады. Бұл уақыт тәуліктің жарық мезгіліндегі күн сәулеленуінің айтарлықтай үлкен интенсивтілігіне сәйкес келеді, әдетте, 10-14 сағат интервалда. Мезгілдік өзгерістер мен ауа райының шарттарына тәуелсіз, дәл осы тәулік мезгілінде күн элементтерінің максималды қайтарымына қол жеткізуге болады .
Зарядталудың бұл уақытына әрбір 100 А-сағ батарея сиымдылығына шамасы 20 А заряд тогы сандық жағынан сәйкес келеді, әрине, егер күн элементтері осындай токты алуға мүмкіндік берсе. Мысалы, сиымдылығы 75 А-сағ батарея 15 А токпен зарядталуы тиіс.
Тіркелген жылдамдықпен 4 сағаттық зарядталудан кейін газдың бөлінуі басталғанға дейін батареяда толық зарядтың 80 %-ы жинақталатын болады. Келесі кезеңде заряд тогын айтарлықтай төмен деңгейге дейін түсіру қажет. Әдетте, бұл токтың шамасы батарея сиымдылығының 2-5 %-ын құрайды. Мысал ретінде алынған сиымдылығы 75 А·сағ батарея үшін заряд тогы соңғы кезеңде 1,5-3,75 А-ді құрай алады. Таңдап алынған токқа байланысты аккумулятор батареясының ақырғы зарядталуына тағы 4-10 сағат қажет болады.
Мұндай жылдамдықпен батареяны толықтай зарядтау үшін 1 тәуліктен аса уақыт қажет болады. Алайда, қазіргі энергетикалық құрылғыларда аккумулятор батареялары пайдаланылу уақытының көп бөлігінде толық зарядталған күйде болады, ал олардың толық разрядталуы сирек кездеседі [10].
Аккумулятор батареяларын резервті аз зарядпен зарядтау. Аккумулятор батареясының ақырғы зарядталуынан кейін оған қосымша резервті (өтемақылы) аз заряд тогын беру ұсынылады. Әдетте, бұл токтың шамасы аккумулятор батареясының толық сиымдылығының 1-2 %-ын құрайды. Аккумулятор зарядталуының қосымша үшінші кезеңі заряд реттегішінің конструкциясын күрделендіреді.
Бұл жағдайдан ақырғы ток ретінде немесе резервті аздап зарядтау тогы ретінде батарея сиымдылығының 2 %-ын құрайтын бір токты ала отырып, екінші және үшінші зараядталу кезеңдерін біріктіру арқылы шығуға болады. Нәтижесінде, реттегіштің конструкиясы қарапайымданады және оның сенімділігі артады.
Реттегішті құрастыру. Жоғарыда аталған заряд тогына қойылатын талаптарды қанағаттандыратын реттегіштің қалыпты жұмысы үшін аккумулятор батареясының кез-келген уақыт мезетіндегі зарядталу деңгейі жайлы мәлімдемелерді білу қажет.
Қуанышқа орай, батареяның өзі осы мәселені шешу кілтін береді: батареяда жинақталған заряд пен ондағы кернеудің сандары арасындағы сенімді орнатылған қатынас бар болады. Сурет 1.5 көрініп тұрғандай, бұл қатынас әрдайым сызықты [11].
Сурет 1.5. Аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі
Біз үшін маңызды заряд аймағы батареяның толық зарядының 70 -- 80 % шектерінде орналасады. Дәл осы деңгейге қол жеткізген кезде газ бөлінуі басталады және заряд тогын өзгерту қажет болады. 12-вольтты батарея үшін осы нүктедегі кернеу 12,6 В-ты құрайды. Толық зарядталған батарея кернеуді 13,2 В-қа дейін өсіреді.
Батареядағы кернеуді анықтай отырып, заряд тогын реттеуге болады. Егер кернеу 12,6 В-тан төмен болса, онда аккумулятор элементтері зарядтың 80 %-дан азын құрайды және реттегіш толық заряд тогын шығарады. Ал егер батареядағы кернеу 12,6 В-тан жоғары көтерілсе, онда заряд тогын қоректендіруші токтың деңгейіне дейін түсіру қажет.
Батареядағы кернеуді аса үлкен күшейту коэффициенті бар қарапайым күшейткішті көрсететін арнайы құрылғы (компаратор) бақылайды. Шынымен де, Сурет 1.6 көрсетілген сұлбағаға қосылған компараторды операционды күшейткіш ретінде қолдануға болады [11].
Сурет 1.6. Күн энергиясымен зарядталатын аккумулятордың зарядын реттегіштің принципиалды сұлбасы
Компаратор өзінің кірісіне берілетін екі кернеуді - өлшенетін және тіректік кернеулерді - салыстырады. Компаратордың инверттеуші (-) кірісіне D2 стабилитронынан тірек кернеуі беріледі. Бұл кернеумен құрылғының жарамсыздану деңгейі беріледі.
Батареяның кернеуі D2 диодының тұрақтандыру кернеуіне жуық шамамен тең болатындай R1, VR1 және R2 резисторларымен бөлінеді. Резисторлар арқылы бөлінген кернеу ажыратылып-қосылу шегін дәл күйге келтіретін VR1 потенциометрінің қозғалтқышынан компаратордың инверттемейтін (+) кірісіне беріледі.
Егер аккумулятор батареясының кернеуі D2 диоды арқылы анықталатын инверттемейтін кірістегі сигнал шектен төмен түсіп кететіндей соншалықты төмендеп кетсе, онда компаратордың шығысында теріс кернеу орнайды. Егер батареяның кернеуі тіректіктен жоғары көтерілсе, компаратордың шығысында оң кернеу орнайды. Компаратордың шығысындағы кернеудің таңбасының ауысып отыруы заряд тогының қажетті реттелуін қамтамасыз ететін болады [10,11].
Заряд реттегішінің жұмыс істеу принципі. Заряд тогы электромагнитті реле (белгілі бір электр құралын немесе машинаны әлсіз токтың жәрдемі арқылы күшті токқа қосатын электр аспабы) көмегімен реттеледі. Реле Q1 транзисторы арқылы компаратордың шығыс кернеуімен басқарылады. Компаратордың шығысындағы теріс кернеу батареяның разрядталғанын білдіреді және толық заряд тогын қажет етеді (Q1 транзисторы жабық). Сәйкесінше, коллектор тогы нөлге тең және реле өшірулі тұр.
Реленің қалыпты тұйықталған контактылары ток шектеуші Rs резисторды шунттайды. Реле сөнген кезде резистор тізбектен шығарылады және күн элементтерінен толық ток аккумулятор батареясына келіп түседі.
Зарядталу деңгейінің жоғарылауымен аккумулятор батареясындағы кернеу өсе бастайды. Газдың бөлінуі кернеу 12,6 В-қа жеткен кезде басталады. Бұл деңгейге икемделген компаратор, ажырап-қосылады (компаратордың шығысында - оң таңба). Транзистор ашылады, және коллектор тогы релені қосады. Rs резисторын шунттаушы реле контактылары ажырайды [10].
Кесте 1.1.
Rs-тің аккумулятор батареясының сиымдылығынан тәуелді мәндері
Батарея сиымдылығы, А-сағ
Заряд тогы, А
Резервті аз зарядтау тогы, А
Кедергі
Rs, Ом
Таралатын Rs қуат, Вт
5
1,0
0,1
23
0,25
10
2,0
0,2
12
0,50
15
3,0
0,3
8,7
0,80
25
5,0
0,5
4,6
1,15
50
10
1,0
2,3
2,3
75
15
1.5
1,5
3,4
100
20
2,0
1,2
4,8
150
30
3,0
0,7
6,3
Енді күн элементтерінің заряд тогы шектеуші резистордың кедергісін жеңуі тиіс. Бұл резистордың номиналы заряд тогының шамасы батарея сиымдылығының 2 %-ын құрайтындай етіп таңдалынады. Кесте 1.1 Rs-тің аккумулятор батареясының сиымдылығынан тәуелді мәндері берілген.
Компаратордың ажыратылып-қосылу кернеуіне жақын біршама анықталмағандық кездеседі. Мысалы, батареядағы кернеу іске қосылу шегінен асып 12,6 В-қа дейін көтерілген болсын. Бұл кезде қарапайым шарттарда, компаратордың шығыс кернеуі өзгереді, реле іске қосылады және заряд тогы азаяды.
Алайда, аккумулятор батареясының шығыс кернеуі тек зарядталу деңгейіне ғана тәуелді емес, сонымен қатар, басқа да факторларға тәуелді, сондықтан үлкен заряд тогы өшкеннен кейінгі кернеудің аз төмендеуі соншалықты сирек бақыланбайды. Мысалы, кернеудің бірнеше жүздеген вольт үлесіне (12,55 В-қа дейін) дейін төмендеуі әбден ықтимал. Мұндай жағдайда сұлба қалай жұмыс істейді?
Әлбетте, компаратор кері ажыратылып-қосылады және үлкен заряд тогы режимі қайта орнайды. Аккумулятор батареясындағы кернеу 12,6 В-қа өте жақын болғандықтан, токтың қатты тез өсуі кернеудің 12,6 В-тан асатын деңгейге секіруін күмәнсіз туғызады. Нәтижесінде реле қайтадан сөнеді.
Бұл шарттарда кездейсоқ компаратордың және керісінше іске қосылу жуық кернеуінің ажыратылып-қосылуы орындалады. Жорту деп аталатын бұл ұнамсыз эффектіні болдырмау үшін күшейткішке гистерезисті сезбеушілік аймағын құрайтын R4 резисторының көмегімен үлкен емес оң кері байланыс орнатылады.
Компаратордың іске қосылуына арналған гистерезистің бар болуы кезінде кернеудің бұрынғыға қарағанда көбірек өзгерісі керек. Бұрынғыша, компаратор 12,6 В кезінде ажыратылып-қосылады, бірақ оның бастапқы күйге қайтуы үшін аккумулятор батареясындағы кернеу 12,5 В-қа дейін төмендеуі керек. Осылайша, тербелмелі эффект шығарылады. D1 диодының заряд тізбегіне тізбектей қосылуы аккумулятор батареясын тәуліктің қараңғы мезгілінде (түнде) күн элементтері арқылы разрядталудан сақтайды. Бұл диод сонымен қатар, аккумуляторлық батареядан заряд реттегіші арқылы энергияның қолданылуының алдын алады. Регулятор толықтай күн элементтері арқылы қоректенеді.
Индикатор құрылғысы. Заряд реттегішіне уақыттың кез-келген мезетіндегі регулятордың жұмыс режимін көрсетуге тағайындалған индикатор құрылғысы енгізілген. Индикатор құрылғының айтарлықтай қажетті бөлшегі болып табылмайды (реттегіш онсыз да жұмыс істей алады), дегенмен оның бар болуы реттегішпен жұмыс істеу қолайлылығын жоғарылатады.
Индикатор құрылғысы (сурет 1.6) екі компаратордан және екі жарық шығарғыш диодтан (ЖД) тұрады. Бір компаратордың инверттеуші кірісі және басқасының инверттемейтін кірісі тірек кернеуін шығаратын стабилитронмен жалғанған. Компараторлардың қалған кірістері заряд тогын басқаратын компаратордың шығысына жалғанған.
Жоғарғы компаратор іске қосылады және реттегіш үлкен заряд тогы режимінде жұмыс істеп жатқан кезде СД1 светодиодын іске қосады. Егер реттегіш қоректендіруші режиміне ауысса, жоғарғы компаратор ажыратылады, ал төменгісі іске қосылады да, СД2 светодиодын іске қосады.
Заряд реттегішінің конструкциясы. Заряд реттегіші баспа платасында құрастырылады. Шалаөткізгішті элементтердің орналасуына ерекше назар аударған жөн (шығыстардың қате қосылуын болдырмау үшін). Аяқталған сұлба кез-келген (су өтпейтін болғаны жақсы) корпуста орналаса алады. Бұл мақсаттар үшін шағын пластмасса қорапша толықтай жарайды.
Егер корпус мөлдір емес болса, жұмыс режимдерін индикациялау үшін оның қақпағын светодиодтар үшін бұрғылап тескен жөн. Сонымен қатар, байланыстырушы өткізгіштердің шығысы үшін тесікті корпустың бір бүйірінен жасауға болады [11].
0.3 Күн контроллерінің конструкциясы және оның жұмыс істеу принципі
Құрамында аккумулятор батареялары бар кез-келген автономды немесе резервті электрмен қамсыздандыру жүйелерінің құрамында аккумуляторлардың зарядталуы мен разрядталуын бақылайтын құрылғылар болуы тиіс. Заряд контроллері аккумулятор батареяларын шектен тыс зарядталу мен разрядталудан қорғай отырып, аккумуляторлардың жарамдылық мерзімінің ұзақтығын арттырады және тұтас фотоэлектрлік жүйенің жұмысының эффективтілігіне әсер етеді.
Қарапайым контроллерлер. Қарапайым контроллерлер аккумулятордың зарядталу жағдайында фотоэлектрлік батареяның ағытылуын жүзеге асырады және кернеудің төмендеуі кезінде қайтадан қосылуын жүзеге асырады. Қарапайым контроллерлер аккумулятор батареяларын зарядтың 60-70 %-на дейін зарядтауға мүмкіндік береді.
Микропроцессорлы контроллерлер. Айтарлықтай күрделірек модельдерде - микропроцессорлы контроллерлерде күн батареясының максимум қуатының нүктесін және заряд тогының кең-импульсті модуляциясын (КИМ) бақылау жүзеге асырылады. Заряд тогының КИМ-і бар контроллерлер аккумулятор батареяларын 100 %-ға дейін зарядтауға мүмкіндік береді. Оған қоса, контроллердің мұндай модельдері сақтандырғыштармен және жүйенің олқылықтары жайлы белгі беретін (дабыл қағатын) және контроллердің өзінің және басқа да компоненттерінің зақымдалуының алдын алатын басқа да қорғаушы құрылғылармен жабдықталған [11].
Жүйелі шала зарядталу аккумуляторлардың барлық түрлерінің төзімділігіне зиянды әсер етеді.
Заряд контроллерлері инверторға немесе үздіксіз қоректендіру блогына (ҮҚБ) кіріктірілген болуы мүмкін.
Ірі фотоэлектрлік жүйелерде жүйелік контроллерлер қолданылады, олар аккумулятор батареяларының зарядталуы мен разрядталуын басқарумен қатар бүкіл жүйені тұтастай басқарады. Бақылау жарықтанудың, токтың, кернеудің мәндерін және фотоэлектрлік жүйенің басқа да сипаттамаларын тіркейтін және анализдейтін арнайы компьютерлік қамсыздандырудың көмегімен жүзеге асырылады.
Әрбір фотоэлектрлік жүйе фотоэлектрлік модульдердің қуаты мен жүктеменің қуатына тәуелді контроллерді жеке таңдап алуды қажет етеді [9].
Күн контроллері немесе заряд контроллері жұмыс істеу принципі бойынша автокөліктің кернеу реттегішіне ұқсас. Ол күн батареяларының панельдерінен шығып, аккумулятор батареясына жіберілетін кернеу мен токты реттейді.
Сонымен, егер оны біржола қолданатын болсақ не болады? Күн батареясы аккумуляторға тура қосылса заряд тогы мен кернеу жүреді және олар аккумулятор клеммаларында біртіндеп өсе бастайды. Ол шектік зарядталу кернеуіне (аккумулятордың түрі мен оның температурасына тәуелді шама) жеткенге дейін тура қосылу контроллердің PWM немесе ONOFF модельдерінің қатысуымен тең мәнде болады, себебі бұл режимде бұл модельдер тек кіріс пен шығысты байланыстырады.
Шектік кернеуге жеткенде (шамамен 14 В) контроллердің барлық түрлерінің ішіндегі ең арзаны болып табылатын ONOFF контроллері жәй ғана күн батареясын аккумулятордан ажырата салады, алайда аккумулятор толықтай зарядталмаған болуы мүмкін және ол толық зарядталуы үшін шектік кернеуді бірнеше сағаттар бойы ұстап тұруды қажет етеді. Бұл тапсырманы кең-импульсті түрлендірудің (КИМ немесе ағылшынша - PWM) көмегімен күн батареясының кернеуін қажетті мәнге дейін төмендететін және оны ұстап тұратын PWM контроллері шешеді.
Егер, сіз, ешқандай контроллерді қолданбайтын болсаңыз, онда сізге заряд кернеуін вольтметр көмегімен тұрақты бақылап отыруға және қажет кезде оны ажыратып отыруға тура келеді. Егер, сіз, оны ажыратуды ұмытып кетсеңіз, онда бұл артық зарядталуға, электролиттің қызып кетуіне және аккумуляторлардың жарамдылық мерзімінің қысқаруына алып келеді. Ал егер Сіз оны уақытында ажыратсаңыз немесе қарапайым ONOFF контроллерді қолданатын болсаңыз, аккумуляторлар толық зарядталмаған күйінде қалып қояды (шамамен 90 %), ал тұрақты шала зарядтау, нәтижесінде, олардың жарамдылық мерзімінің айтарлықтай қысқаруына алып келеді.
Екі маңызды фактор бар, олар аккумуляторлардың зарядталу уақытында ескерілуі тиіс. Сапалы заряд контроллерлері міндетті түрде аккумулятордың температурасын ескеруге және заряд кернеулерінің температуралық өтеміне ие болуға тиісті, сонымен қатар, аккумулятор батареяларының (AGM, GEL, сұйық-қышқылды) түрлерін таңдауға ие болуы тиіс, себебі әрбір түрі әртүрлі зарядтық қисықтарға ие (бір режимде әртүрлі кернеулерге ие). Сонымен қатар, температуралық өтем үшін температуралық кіріктірме құрылғымен қоса, шығарылатын құрылғы да қолданыла алады. Шығарылатын температуралық құрылғыны қолдану кезінде контроллердің жұмыс істеу дәлдігі артады.
Аралық нәтижені шығарайық.Біз заряд контроллерінен бас тарту нұсқасын, сонымен қатар, контроллерлердің екі түрінің - PWM және ONOFF қолданылуын қарастырдық, және қарастырылған нұсқалардың ішіндегі ең жақсысы - PWM деген қорытындығы келдік. Оның температуралық өтемінің бар болуы мен аккумулятор батареяларының түрлерін таңдау мүмкіндігінің болуы аса маңызды болып табылады [11].
MPPT технологиясы (Maximum Power Point Tracking). Егер сіз өзіңіздің күн батареяларыңызбен энергия өндіруді қосымша күн панельдерін қоспай-ақ арттырғыңыз келсе, онда сізге өзіңіздің күн контроллеріңізді күн батареясының максимум қуат нүктесін (МҚН) бақылайтын контроллерге ауыстыру қажет. Мұндай контроллер КИМ контроллерлермен салыстырғанда көп жағдайда электр энергиясын өндіруді арттыруға мүмкіндік береді.
MPPT контроллерлер нарықта 80-ші жылдары пайда болды. Біртіндеп олар кеңінен қолданыла бастады, және келешекте, барлық контроллерлер күн модулінің МҚН-сін бақылау функциясына ие болатын шығар. Қазіргі уақытта, нарықта жақсартылған сенімді электронды компоненттері мен микропроцессорлық басқаруы бар схемотехникалы MPPT контроллерлер пайда болды.
Қарапайым контроллерлерде күн модульдері аккумуляторға тікелей қосылады, осылайша олардың кернеуі теңестіріледі. Нақты жағдайда, күн батареяларының оңтайлы кернеуі аккумулятордағы кернеуден әрдайым ерекшеленеді. Бір үлгідегі 12 В аккумулятор толық зарядталу үшін 14,4 В кезіндегі зарядты 2-4 сағат бойы ұстап тұруды қажет етеді. Бұл кезең абсорбция (қанығу) кезеңі деп аталады [12]
Сурет 1.7. Күн батареясының әдеттегі вольт-амперлік сипаттамасы [12]
Егер күн батареясының әдеттегі вольт-амперлік сипаттамасына қарасақ, одан егер заряд контроллері күн батареясының максимум қуат нүктесін бақылайтын болса энергияны өндірудің арту мүмкіндігін көруге болады.
Бір үлгідегі MPPT контроллер күн батареясындағы ток пен кернеуді үнемі бақылап отырады, олардың мәндерін қайта көбейтеді және күн батареясының қуаты максималды болған кездегі ток-кернеу жұбын анықтайды. Кіріктірме процессор, сонымен қатар, аккумулятордың қай зарядталу кезеңінде (толу, қанығу, теңестірілу, ұстау) екендігін бақылайды және осының негізінде аккумуляторға қандай ток берілуі тиіс екендігін анықтайды. Процессор бірмезгілде параметрлердің (егер бар болса) таблоға индикациялануына және мәліметтердің сақталуына команда бере алады.
Максималды қуат нүктесі әртүрлі әдіспен есептелуі мүмкін. Қарапайым жағдайда, контроллер кернеуді бос жүріс нүктесінен аккумулятордағы кернеуге дейін реттілікпен төмендетеді. Максималды қуат нүктесі, шамамен, осы мәндер аралығында жататын болады.
Қосымша алынған энергияның шамасын MPPT контроллерді қолдану кезінде бірден анықтау қиын. Қосымша өндіруге ықпал ететін негізгі факторлар мыналар: температура және аккумулятор батареясының зарядталу деңгейі. Өндіруге қосылатын айтарлықтай көп үстеме температураның төменгі температураларында және разрядталған батареяларда орындалады.
Сурет 1.8. Модульдің әртүрлі температуралары жағдайындағы максималды қуат нүктесіндегі кернеу [12]
Сурет 1.8 модульдің әртүрлі температуралары жағдайындағы максималды қуат нүктесіндегі кернеудің қалай өзгеретіні көрсетілген. Күн модулі ыстығырақ болған сайын, модульдегі кернеу төменірек болады, және, сәйкесінше, күн батареясының энергияны өндіруі азырақ болады. Кейбір мезеттерде максималды қуат нүктесі аккумулятордағы кернеуден төмен болуы мүмкін, және бұл жағдайда, сіз, КИМ контроллерімен салыстырғанда энергия өндіруде ешқандай артықшылыққа ие болмайсыз. Күн батареясының қараңғылануы да осындай нәтижеге алып келеді.
Осы себепті, әдетте MPPT контроллерлерді қолдану кезінде күн батареяларын айтарлықтай жоғары кернеуге коммутациялау (тізбектегі электр тогының бағытын өзгерту) қажет болады.
Контроллерлердің көбісі максималды қуат нүктесін кең шектерде бақылай алады. Сонымен қатар, мұндай шешім күн батареясының энергиясын төмендетілген жарықтандыру кезінде өндіруді арттыруға мүмкіндік береді. Алайда, кіріс және шығыс кернеулері арасында аса үлкен айырымды жасаудың қажеті жоқ, әйтпесе контроллердің ПӘК-і төмендейді [12].
Өткізгіштердегі шығындарды азайту. Өткізгіштердегі шығындар мына формула бойынша есептелінеді:
(1.1)
Егер токты 2 есе азайтсақ, шығындар 4 есе азаяды. Егер токты 4 есе азайтсақ, онда шығындар 16 есе азаяды және т.с.с. Егер фотоэлектрлік модульдер жағындағы кернеуді арттырсақ, онда дәл сондай жіберілетін қуат кезінде шығындарды айтарлықтай азайтуға болады.
MPPT контроллерлердің негізгі артықшылықтары:
* АКБ зарядтау кезінде шығынның болмауы;
* Күн панельдерінің ауданының бөлігін қараңғылау кезіндегі оптималды жұмысы;
* Әлсіз жарықтандыру мен бұлтты күндері жоғарғы энергия беру;
* Едәуір жоғары кіріс кернеуін қолдану мүмкіндігі;
* Кабельдердің қимасын кішірейтуге мүмкіндік беретіндігі;
* Панельден контроллерге дейінгі ара қашықтықты үлкейтуге мүмкіндік береді [11].
Сурет 1.9. EPSolar LS0512 контроллері (5 A, 12 В) [12]
* Түрлендіру технологиясы: PWM (КИМ)
* Жұмыс диапазоны: -35°C-тан +55°C-қа дейін
* Номиналды кернеуі: 12 В
Сурет 1.10. MPPT TRACER-1210RN (10 A, 1224 В) [12]
* Күн батареясынан кіріс кернеуі 100 В-қа дейін
* Күн панельдерінің қуаты 240 Вт-қа дейін
* Аккумулятор кернеуі: 1224В
0.4 Шалаөткізгіштік тумблердің компоненттері
Компаратор. Компаратор - бұл күшейту коэффициенті үлкен, кері байланысы жоқ операционды күшейткіш. Сондықтан, егер оның бір кірісіне (мысалы инверсті) тірек кернеуінің белгілі бір тұрақты деңгейін беретін болсақ, ал басқа кірісіне (тура) өзгеретін сигнал беретін болсақ - онда оның шығыс кернеуі егер кіріс сигналының деңгейі басқа кіріске берілген тірек кернеуінің деңгейінен асып түскен жағдайда минималдыдан максималдыға дейін секіріспен өзгереді, және керісінше. Компаратордың шартты графикалық белгіленуі төмендегі суреттегідей [13].
Сурет 1.11. Операционды күшейткіштегі аналогты компаратор
Сурет 1.12. Инверттемейтін компаратордың өтпелі сипаттамасы
Компараторлардың екі кірісі болады, тура және инверсті, және күтілетін нәтижеге байланысты тірек кернеуі мен салыстырылатын кернеу кез-келген кіріске қосыла алады. Егер тура кірістегі кіріс кернеуі инверсті кірістегі кернеуден асып түссе, онда компаратордың шығыс транзисторы ашылады, ал төмен болса, онда жабылады. Яғни, компаратор кернеулерді салыстырады.
Ал енді компаратордың негізгі тағайындалымына келіп жеттік - бір кірістегі сигнал басқа кірістегі орнатылған тірек кернеуінен үлкен немесе кіші болған жағдайда екі кернеуді (сигналды) өзара салыстыру және шығысқа кернеу (сигнал) шығару.
Компараторлар негізінде алуан түрлі құрылғылар құрастыруға болады, мысалы: термореттегіштер, тұрақтандырғыштар, әртүрлі автоматтандыру құрылғылары - оларды құрастыруда кіріс сигналының өзгерісі үшін әртүрлі беріліс құралдарын, терморезисторларды, фоторезисторларды, ылғалдылық индикаторларын және т.б. және т.с.с. қолдана аламыз. Компараторлардың шығыс каскадтары олардың шығыс кернеулері көптеген цифрлық микросұлбалардың логикалық кіріс деңгейіне сәйкес келетіндей етіп есептелінеді, сондықтан оларды құрастырушылар деп те атауға болады. Жалпы, кез-келген операционды күшейткіш негізінде компаратор құрастыруға болады (бірақ керісінше мүмкін емес) [13].
Сурет 1.13. LM339(N) компаратор
LM339(N) - (0..+70°С) тұрмыстық температура диапазонында жұмыс істеуге арналған 4 каналды компаратор. Шығысы - ашық коллектор.
LM339(N) компараторлар микросұлбасы функционалдық тағайындалуы мен шығыстарының орналасуы бойынша LM139, LM239, LM2901, MC3302 микросұлбаларына ұқсас, бірақ олардан температуралық жұмыс диапазондарымен және баса да параметрлері бойынша аз-маз ерекшеленеді.
Сурет 1.14. LM339(N) компараторының құрылымы [14]
Әдетте, кіріс сигналдарының бірін кернеу бөлгішінің көмегімен немесе потенциометрдің көмегімен шектік мәнді анықтай отырып тұрақты етеді. Ал екінші кірісіне шектік (табалдырықтық) мәнмен салыстырылуға және логикалық нөл мен бірлікке дейін дөңгеленуі тиісті сигналды береді.
Сигналдың нақты шамасы емес, оның шектік мәннен асуы маңызды болатын жағдайда, сигналды аналогты сенсорлардан цифрлыққа түрлендіру үшін компараторды қолданылады. Бұл микроконтроллердің бос емес аналогты кірістерінің санын үнемдеуге мүмкіндік береді. LM339(N) шығыстарының тағайындалулары мен оның негізгі сипаттамалары кесте 1.2 және кесте 1.3 келтірілген [13,14].
Кесте 1.2.
LM339(N) шығыстарының тағайындалуы
N
Тағайындалуы
N
Тағайындалуы
1
Шығыс 2
8
Инверттейтін кіріс 3
2
Шығыс 1
9
Инверттемейтін кіріс 3
3
+ Қоректендіру
10
Инверттейтін кіріс 4
4
Инверттейтін кіріс 1
11
Инверттемейтін кіріс 4
5
Инверттемейтін кіріс 1
12
- Қоректендіру
6
Инверттейтін кіріс 2
13
Шығыс 4
7
Инверттемейтін кіріс 2
14
Шығыс 3
Кесте 1.3.
LM339(N) негізгі сипаттамалары
Параметр
Мин.
Қалып(тип).
Макс.
Ығысу кернеуі
+-1 mV
+-5 mV
Синфазалы кіріс тогы
25 nA
250 nA
Дифференциалды кіріс тогы
+-5 nA
+-50 nA
Шығыс құйма тогы
6 mA
16 mA
Кернеу бойынша күшейту коэффициенті
50 VmV
200 VmV
Қанығу кернеуі
400 mV
Қолданылатын ток
1,1 mA
2,0 mA
Жауап беру уақыты
1,3 uS
Үлкен сигналдағы жауап беру уақыты
300 nS
Сызықты реттегіш (LM317L). Сызықты кернеу реттегіштері (тұрақтандырғыштар) электронды құрылғыларды электрмен қоректендірудің қазіргі заманғы жүйелерінде кеңінен қолданыс тапқан. Импульсті реттегіштердің, ережеге сәйкес, үлкен ПӘК мәніне ие екендігі белгілі, алайда, шығысында коммутация жиілігі бар кедергілерді туғызады, және осы себепті пульсацияға сезімтал сұлбаларды қоректендіруде әрдайым қолайлы бола бермейді. Оған қоса, сызықты реттегіштердің артықшылығы қосылу сұлбасының айтарлықтай қарапайымдылығы (сәйкесінше, бекіткіш компоненттерінің минималды саны) және арзан құны болып табылады. Осыған байланысты, сызықты реттегіштер әр түрлі электронды компоненттерді өндірушілерде қоректендіру арқылы басқару микросұлбаларының номенклатурасында маңызды орын алады.
1. Стандартты сызықты реттегіштер. Алдымен, сызықты стабилизаторларда реттегіш элементтің орнына биполярлы pnp-типті транзистормен басқарылатын биполярлы құрамды npn-транзистор қолданылған. Реттегіштердің мұндай түрін стандартты деп атап кеткен.
Стандартты стабилизаторлардың үлгілік сипаттамалары келесідей:
* максималды кіріс кернеуі - 35...40 В-қа дейін;
* реттегіш элементтегі кернеудің түсуі - 1,7 В-тан және одан көбіректен басталады;
* тұрақтандыру дәлдігі - 2...4 %;
* меншікті ток - 6 мА.
2. Кернеу түсуі аз реттегішер (LDO). LDO-реттегіштердің (STMicroelectronics компаниясы) номенклатурасы мен техникалық сипаттамалары кесте 1.4. берілген.
Жоғарыда айтылғандай, мұндай сериялы сызықты стабилизаторларда реттегіш элемент ретінде дара npn-транзистор қолданылады. Оның есебінен кернеудің түсуі 1,1...1,3 В-қа дейін азайған. Стандартты реттегіштермен салыстырғанда, мұнда да шығыс кернеуін орнату дәлдігі жоғарылаған [15].
Кесте 1.4.
LDO-реттегіштердің номенклатурасы мен техникалық сипаттамалары
Бұйым
Жүктеме тогы, А
Кернеудің түсуі, В
Максималды кіріс кернеуі, В
Дәлдік, %
Меншікті ток, мА
LD1084
5,0
1,30
30
1
5
LD1085
3,0
1,30
30
1
5
LD1086
1,5
1,30
30
1
5
LD1117A
1,0
1,15
15
2
5
LD1117
0,8
1,10
15
1
5
Шығыс кернеулерінің номиналдары кесте 1.4 көрсетілген, алайда, уақыт өтуімен бұл тізім өзгерістерге ұшырауы мүмкін екендігін ескерген жөн.
LM317L - оң полярлы кернеуді реттегіш аз қуатты сызықты стабилизатор
Cурет 1.15. LM317L сызықты реттегіші (Корпус TO-92)
Кесте 1.5.
LM317L шығыстарының тағайындалуы:
1
Adj
Реттеу
2
Out
Шығыс
3
In
Кіріс
LM317L микросұлбасының қосылу ерекшеліктері.
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz