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 (nв=1), кремния (nк=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 IE2. 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
Pпогл=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 30о) теоретические и экспериментальные результаты совпадают, а при больших углах расходятся. Это указывает на ускорения дальнейшых исследований в этом направлении.
Литература:
- Lou Tylee, Learn Visual Basic 6.0, 1998.
- D. E. Aspens, Properties of silicon (INSPEC, IEE, London, UK, 1988)
- Sukumar Basu, Crystalline silicon-properties and uses, 2011.
- Green M, Solar Crlls: Operating Principles, Technology and System Applications (1982).
