Зависимость эффективности солнечных панелей от угла установления



В статье проанализирована зависимость выходного напряжения и коэффициента отражения солнечных панелей от угла установления, и с помощью виртуальной лаборатории вычислены и сравнены экспериментальные и теоретические результаты.

Ключевые слова: солнечная панель, виртуальная лаборатория, коэффициент отражения.

Как известно, солнечные фотоэлектрические станции – экологически чистые, безопасные и экономически выгодные электростанции. Принцип работы заключается в следующем: на солнечную панель падают лучи солнца, солнечная радиация преобразуется в электричество с постоянным напряжением и хранится в аккумуляторе, на выходе инвертор преобразовывает постоянное напряжение в переменное, которое и подается в электросеть. Солнечные фотоэлектрические станции могут стать как полноценными источниками электричества для удаленных от линий электропередач объектов, так и резервными аварийными, если случаются частые перебои в электроснабжении. Применение последных очень обширное и зависит оно от площади солнечных панелей. Поэтому в сегодняшный день одной из актуальных проблем является повышение эффективности солнечных панелей при преобразовании световой энергии в электрическую. Эффективность солнечной панели зависит от интенсивности излучения, от температуры, от площади и т. д.

В данной работе рассматривается зависимость коэффициента отражения солнечных панелей от угла установления. В настоящее время для солнечных панелей в основном используются кремний и КПД солнечных панелей на их основе достигает до 29 %. Это означает, что мощности поглощенной и преобразованной световой энергии связаны между собой

(1)

Мощность поглощенной энергии в основном зависит от показатель преломления воздуха (n_в=1), кремния (n_к=4.3) и угла установления. Угол установления солнечного панеля является и углом падения световых лучей. А угол преломления определяется по закону преломления

(2)

На основании волновой природы свет при падении на границу двух сред отраженные и преломленные лучи поляризуются в перпендикулярных и параллелных осях. По формулам Френеля поляризованный свет в перпендикулярном направлении выражаются как

(3)

(4)

а в параллелном направлении

(5)

(6)

Как известно, интенсивность и напряженность электрического поля связаны между собой как IE². Поэтому коэффициент отражения и преломления определяются как

(7)

(8)

Подставляя выражения (3)-(6) в (7), получим

(9)

где угол преломления можно определить из известного выражения

(10)

Таким образом, формула (9) выражает коэффициента отражения солнечной панели в зависимости от угла установления.

Так, как мощность и интенсивность прямо пропорциональны между собой, поглощенная мощность связана с падающей мощностью

(11)

Поглащенная мощность равна также

P_погл=IU(12)

Поэтому

(13)

Эта формула вместе с (9) выражает зависимость напряжения от угла установления солнечной панели.

Для изучения этой зависимости авторами создана виртуальная лаборатория на визуальном бейсике, которая позволяет наблюдать видео эксперимента и анимацию (рис. 1).

Рис. 1. Анимация виртуальной лаборатории

В программе предусмотрено также введение показателей преломления двух сред и угла установления; вычисление мощности и напряжения; рисование графиков и сравнение теоретических и экспериментальных результатов (рис. 2).

Рис. 2. Теоретические и эспериментальние результаты

Из рисунка 2 видно, что при малых углах установлении (до 30^о) теоретические и экспериментальные результаты совпадают, а при больших углах расходятся. Это указывает на ускорения дальнейшых исследований в этом направлении.

Литература:

1. Lou Tylee, Learn Visual Basic 6.0, 1998.
2. D. E. Aspens, Properties of silicon (INSPEC, IEE, London, UK, 1988)
3. Sukumar Basu, Crystalline silicon-properties and uses, 2011.
4. Green M, Solar Crlls: Operating Principles, Technology and System Applications (1982).