RU208822U1

RU208822U1 - LABORATORY AND RESEARCH STAND FOR STUDYING CHARACTERISTICS OF SOLAR CELLS OF DIFFERENT SPATIAL ORIENTATION

Info

Publication number: RU208822U1
Application number: RU2021120607U
Authority: RU
Inventors: Юлия Владимировна Даус; Данил Александрович Десятниченко; Игорь Викторович Юдаев; Геннадий Владимирович Степанчук
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2022-01-17

Abstract

Полезная модель относится к исследовательским установкам для изучения параметров и характеристик батарей солнечных элементов с учетом ее ориентации в пространстве в лабораторных и в реальных атмосферных условиях при естественном солнечном излучении. Переносной лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик батареи солнечных элементов различной пространственной ориентации содержит соединенные в электрическую цепь с помощью соединительных проводов лабораторный магазин сопротивлений, амперметр, вольтметр, блок автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик батареи солнечных элементов, батарею солнечных элементов, закрепленную на подвижной площадке, позволяющей регулировать ее угол наклона с помощью поворотно-наклонного механизма, что дает возможность моделировать изменение пространственного положения приемной поверхности относительно горизонта и сторон света с помощью рычагов механизма, угломера, компаса, сферического уровня, а также контрольный солнечный элемент для измерения характеристики приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения. 2 ил.The utility model relates to research facilities for studying the parameters and characteristics of solar cell batteries, taking into account its orientation in space in laboratory and in real atmospheric conditions with natural solar radiation. A portable laboratory-research bench for studying the characteristics of a solar cell battery of various spatial orientations contains a laboratory resistance box, an ammeter, a voltmeter, a unit for automatic fixation and recording of the volt-ampere characteristics of a solar cell battery, a solar cell battery connected to an electrical circuit by means of connecting wires, a movable platform that allows you to adjust its angle of inclination using a tilt-and-turn mechanism, which makes it possible to simulate a change in the spatial position of the receiving surface relative to the horizon and cardinal points using the levers of the mechanism, goniometer, compass, spherical level, as well as a control solar cell to measure the characteristics of the incoming on the receiving surface of the solar radiation stand. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к исследовательским установкам, учебным пособиям и может быть использована для проведения лабораторных исследований по курсам «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии», «Экология» и др.; для демонстрационных целей и изучения физических процессов преобразования солнечной энергии, параметров и характеристик солнечных элементов; а также для изучения влияния пространственной ориентации приемной поверхности на электрические характеристики батареи солнечных элементов.The utility model relates to research facilities, teaching aids and can be used for laboratory research in the courses "Renewable and non-traditional energy sources", "Ecology", etc.; for demonstration purposes and study of the physical processes of solar energy conversion, parameters and characteristics of solar cells; and also to study the influence of the spatial orientation of the receiving surface on the electrical characteristics of the solar cell stack.

Известен лабораторный стенд для изучения характеристик солнечных фотоэлектрических модулей [Патент Российской Федерации №91776 G09B 23/18, 2010 г.]. Стенд содержит источник светового излучения на основе ламп накаливания, свет которого падает на поверхность оптически связанного с ним солнечного фотоэлектрического модуля, нагрузку для потребления электрической энергии, а также блок охлаждения солнечного фотоэлектрического модуля, выполненный в виде вентилятора.Known laboratory bench for studying the characteristics of solar photovoltaic modules [Patent of the Russian Federation No. 91776 G09B 23/18, 2010]. The stand contains a source of light radiation based on incandescent lamps, the light of which falls on the surface of the solar photovoltaic module optically connected to it, the load for the consumption of electrical energy, as well as the cooling unit of the solar photovoltaic module, made in the form of a fan.

Недостатком такого устройства для изучения характеристик солнечных фотоэлектрических модулей является то, что оно предназначено для проведения экспериментальных исследований в лаборатории в стандартных условиях и не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей как в лабораторных, так и в полевых условиях.The disadvantage of such a device for studying the characteristics of solar photovoltaic modules is that it is intended for experimental studies in the laboratory under standard conditions and does not allow analyzing the electrical characteristics of solar cells with different spatial orientations of the receiving surfaces both in the laboratory and in the field.

Известно устройство для тестирования параметров солнечных элементов [Патент КНР №CN 101551437 G01J 1/44, G01K 1/02, G01K 7/20, H02S 50/10 2009 г.]. Устройство включает в себя имитационный источник света, тестер параметров и таблицу тестирования, электронный модуль нагрузки, модуль отображения, модуль тестирования температуры и модуль тестирования степени светового излучения.A device for testing the parameters of solar cells is known [PRC Patent No. CN 101551437 G01J 1/44, G01K 1/02, G01K 7/20, H02S 50/10 2009]. The device includes a simulation light source, a parameter tester and a test table, an electronic load module, a display module, a temperature test module, and a light emission degree test module.

Недостатком устройства для тестирования параметров солнечных элементов является то, что оно предназначено для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях и не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей как в лабораторных, так и в полевых условиях.The disadvantage of the device for testing the parameters of solar cells is that it is intended for experimental studies in the laboratory and does not allow analyzing the electrical characteristics of solar cells with different spatial orientations of the receiving surfaces both in the laboratory and in the field.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов [Патент Российской Федерации №111314, кл. G02B 27/20, 2011 г.]. Стенд содержит батарею солнечных элементов, источник света, закрепленный на подвижном штативе над солнечными элементами, люксметр, амперметр, вольтметр, демонстрационную нагрузку, которые соединены в электрическую цепь с помощью проводов, а также переменную нагрузку, в качестве которой используют два резистора, а для измерения темновой характеристики одного из солнечных элементов используют другие солнечные элементы, включенные по схеме. Также стенд дополнительно снабжен аккумулятором, заряжаемым от солнечных элементов и используемым для измерения темновой характеристики.The closest in technical essence to the proposed utility model is a laboratory research stand for studying the characteristics of solar cells and solar cell batteries [Patent of the Russian Federation No. 111314, cl. G02B 27/20, 2011]. The stand contains a battery of solar cells, a light source mounted on a movable stand above the solar cells, a light meter, an ammeter, a voltmeter, a demonstration load connected to an electrical circuit by wires, as well as a variable load, which is used as two resistors, and for measuring The dark characteristic of one of the solar cells is used by other solar cells included in the circuit. Also, the stand is additionally equipped with a battery charged from solar cells and used to measure the dark characteristic.

Недостатком лабораторно-исследовательского стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов является то, что стенд не позволяет проанализировать электрические характеристики солнечных элементов при различных пространственных ориентациях приемных поверхностей и не имеет возможности автоматической фиксации электрических характеристик батареи солнечных элементов для различных временных интервалов.The disadvantage of the laboratory-research stand for studying the characteristics of solar cells and solar cell batteries is that the stand does not allow analyzing the electrical characteristics of solar cells at different spatial orientations of the receiving surfaces and does not have the ability to automatically fix the electrical characteristics of the solar cell battery for different time intervals.

Предлагаемой полезной моделью решаются задачи:The proposed utility model solves the following problems:

проведение измерений всех видов характеристик солнечных элементов в лабораторных и полевых условиях при естественном солнечном излучении и климатических внешних воздействующих факторах; carrying out measurements of all types of characteristics of solar cells in laboratory and field conditions under natural solar radiation and climatic external influencing factors;

изучение принципов варьирования пространственной ориентации приемной поверхности и определение оптимального угла наклона батареи солнечных элементов относительно горизонта и сторон света, получение показателей интенсивности приходящей солнечной радиации на приемную поверхность стенда для различных временных интервалов; studying the principles of varying the spatial orientation of the receiving surface and determining the optimal angle of inclination of the solar cell array relative to the horizon and cardinal points, obtaining indicators of the intensity of incoming solar radiation on the receiving surface of the stand for various time intervals;

снятие световой вольт-амперной характеристики батареи солнечных элементов автоматизировано, на заданных интервалах времени; removal of the light current-voltage characteristics of the solar cell battery is automated, at specified time intervals;

снятие световой и темновой характеристик батареи солнечных элементов; removal of light and dark characteristics of a solar cell battery;

удешевление лабораторного стенда за счет исключения из схемы аккумуляторных батарей; reduction in the cost of the laboratory stand due to the exclusion of batteries from the circuit;

Лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов различной пространственной ориентации состоит из батареи солнечных элементов 1 (Pmax=5 Вт, Ump=9 В), закрепленной на площадке 2 из текстолита, установленной на поворотно-наклонном механизме 3, имеющем две степени свободы и позволяющем регулировать угол наклона площадки 2 относительно горизонта и сторон света с помощью фиксирующего рычага 4. Поворотно-наклонный механизм 3 установлен, в свою очередь, на вращающейся на 360° опоре 19. В основании вращающейся опоры 19 имеется круговая шкала 6 с шагом градуировки в 1°. Регулирование положения батареи солнечных элементов осуществляется в диапазоне углов от 0° до 90° в вертикальной плоскости и от 0° до 360° - в горизонтальной.The laboratory research bench for studying the characteristics of solar cells of various spatial orientations consists of a solar cell battery 1 (Pmax=5 W, Ump=9 V), fixed on a platform 2 made of textolite, mounted on a tilt-and-turn mechanism 3, which has two degrees of freedom and allowing you to adjust the angle of inclination of the platform 2 relative to the horizon and cardinal points using the locking lever 4. The swivel-tilt mechanism 3 is installed, in turn, on a 360 ° rotating support 19. At the base of the rotating support 19 there is a circular scale 6 with a graduation step of 1 °. The regulation of the position of the solar cell battery is carried out in the range of angles from 0° to 90° in the vertical plane and from 0° to 360° - in the horizontal.

В составе стенда имеется электронный угломер 5 для осуществления точного регулирования угла наклона площадки относительно горизонта. Для ориентации по сторонам света имеется магнитный компас 7. Для выставления столешницы стенда по плоскости - сферический уровень 8.The stand includes an electronic goniometer 5 for precise control of the angle of the platform inclination relative to the horizon. For orientation to the cardinal points, there is a magnetic compass 7. For setting the tabletop of the stand on a plane - a spherical level 8.

В состав стенда входит лабораторный магазин сопротивлений 9, от 1 Ом до 9999 Ом, с классом точности 0,1 для моделирования подключаемой переменной нагрузки с галетными переключателями 10 четырех декад электрических резисторов, амперметр 11, вольтметр 12, разъемы 14 для подключения проводами батареи солнечных элементов 1 с нагрузкой и измерительными приборами.The stand includes a laboratory resistance box 9, from 1 ohm to 9999 ohm, with an accuracy class of 0.1 for modeling a connected variable load with biscuit switches 10 four decades of electrical resistors, an ammeter 11, a voltmeter 12, connectors 14 for connecting wires to a solar cell battery 1 with load and measuring instruments.

Для автоматической фиксации и записи массива данных вольт-амперных характеристик на зажимах батареи солнечных элементов 1 в заданный интервал времени в устройство добавлен блок 13 с картой памяти micro SD.To automatically fix and record the data array of current-voltage characteristics on the terminals of the solar cell battery 1 at a given time interval, a block 13 with a micro SD memory card is added to the device.

Все функциональные элементы стенда закреплены жестко на текстолитовом основании 15, имеющем четыре телескопические складные ножки 16, что дает возможность перемещать, разворачивать, настраивать и эксплуатировать стенд в любой географической точке. Также стенд оснащен контрольным солнечным элементом (люксметром) 17, который позволяет получить характеристики приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения. Включение контрольного солнечного элемента в цепь осуществляется переключателем 18.All functional elements of the stand are rigidly fixed on a textolite base 15, which has four telescopic folding legs 16, which makes it possible to move, deploy, adjust and operate the stand at any geographical point. Also, the stand is equipped with a control solar cell (luxmeter) 17, which makes it possible to obtain the characteristics of the solar radiation coming to the receiving surface of the stand. The inclusion of a control solar cell in the circuit is carried out by switch 18.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен вариант полезной модели для проведения измерений в полевых условиях. На фиг. 2 - схема электрической цепи для снятия характеристик солнечных элементов.The claimed technical solution is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a variant of the utility model for measurements in the field. In FIG. 2 is a diagram of an electrical circuit for characterizing solar cells.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Стенд размещается на не затеняемой ограждающими конструкциями и насаждениями площадке, где батарея солнечных элементов 1 освещается естественным солнечным светом. Батарею солнечных элементов 1 соединительными проводами через разъемы 14 подключают к амперметру 11, вольтметру 12, к блоку 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик и к лабораторному магазину сопротивлений 9, образуя электрическую цепь. После фиксации исследуемых характеристик батареи солнечных элементов происходит варьирование пространственной ориентации подвижной площадки 2 батареи солнечных элементов 1 с помощью поворотно-наклонного механизма 3 и фиксирующего рычага 4, под контролем электронного угломера 5, круговой шкалы 6, магнитного компаса 7 и сферического уровня 8. Путем включения с помощью переключателя 18 в цепь контрольного солнечного элемента 17 возможно получить значения характеристик приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения. Блок 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик производит съем и запись на карту памяти microSD данных по напряжению и силе тока батареи солнечных элементов в заданные интервалы времени.The stand is located on a site not shaded by enclosing structures and plantings, where the solar cell battery 1 is illuminated by natural sunlight. The battery of solar cells 1 is connected by connecting wires through the connectors 14 to the ammeter 11, voltmeter 12, to the block 13 for automatic fixation and recording of current-voltage characteristics and to the laboratory resistance box 9, forming an electrical circuit. After fixing the studied characteristics of the solar cell battery, the spatial orientation of the mobile platform 2 of the solar cell battery 1 is varied using the rotary-tilt mechanism 3 and the locking lever 4, under the control of the electronic goniometer 5, the dial 6, the magnetic compass 7 and the spherical level 8. By switching on using the switch 18 in the circuit of the control solar cell 17, it is possible to obtain the values of the characteristics of the solar radiation coming to the receiving surface of the stand. Unit 13 for automatic fixation and recording of current-voltage characteristics reads and writes data on the voltage and current of the solar cell battery to the microSD memory card at specified time intervals.

Взаимное расположение компонентов стенда выбрано таким образом, чтобы все они находились в пределах доступности рук человека, выполняющего исследование, а также обеспечивали визуальный контроль, не загораживали друг друга и освещение батареи солнечных элементов.The mutual arrangement of the stand components was chosen in such a way that all of them were within the reach of the hands of the person performing the study, and also provided visual control, did not block each other and the illumination of the solar cell battery.

Преимуществом использования заявляемого устройства является возможность моделировать расположение батареи солнечных элементов на поверхности ограждающих конструкций с учетом их ориентации в пространстве, что позволяет исследовать влияние взаимного положения Солнца на небосводе и батареи солнечных элементов 1 на параметры режима функционирования последней. Также задействованный в конструкции стенда поворотно-наклонный механизм 3 позволяет имитировать расположение батареи солнечных элементов 1 как на горизонтальной поверхности, так и вертикальной поверхности любой ориентации по сторонам света. Имеющийся в составе стенда контрольный элемент позволяет также фиксировать значения характеристик приходящего на приемную поверхность стенда солнечного излучения, а наличие блока 13 автоматической фиксации и записи вольт-амперных характеристик на карту памяти microSD дает возможность автоматически мониторить данные по напряжению и силе тока батареи солнечных элементов в заданных интервалах времени. Кроме того, удобная форма реализации стенда позволяет его транспортировать и максимально быстро и удобно разворачивать в любой географической точке, где необходимо провести экспериментальные исследования.The advantage of using the proposed device is the ability to simulate the location of the solar cell array on the surface of the enclosing structures, taking into account their orientation in space, which makes it possible to investigate the influence of the mutual position of the Sun in the sky and the solar cell array 1 on the parameters of the latter's operation mode. The swivel-tilt mechanism 3 also involved in the design of the stand makes it possible to simulate the location of the solar cell battery 1 both on a horizontal surface and a vertical surface of any orientation to the cardinal points. The control element included in the bench also allows you to record the values of the characteristics of the solar radiation coming to the receiving surface of the bench, and the presence of a block 13 for automatically fixing and recording the current-voltage characteristics on a microSD memory card makes it possible to automatically monitor the data on the voltage and current of the solar cell battery in the specified time intervals. In addition, a convenient form of implementation of the stand allows it to be transported and deployed as quickly and conveniently as possible at any geographical point where it is necessary to conduct experimental studies.

Claims

Laboratory research stand for studying the electrical characteristics of a solar cell battery, containing a solar cell battery, a laboratory resistance box, an ammeter, a voltmeter, a light meter and a switch connected to an electrical circuit by wires, characterized in that the portable stand with folding telescopic legs has an automatic fixing and recording the current-voltage characteristics of a solar cell battery on a micro SD memory card, the solar cell battery is fixed on a movable platform with two degrees of freedom, which makes it possible to study the intensity of incoming solar radiation on surfaces differently oriented in space, and the exact spatial orientation of the solar cell battery provided by the presence of an electronic protractor, magnetic compass, spherical level and a circular scale with a graduation step of 1° and can be used both in laboratory and in the field under natural solar radiation.