Розрахунок сонячної батареї для зарядки кислотного акумулятора ємністю 5 А/год

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Сонячна енергетика залишається диковинкою для України, не часто зустрінеш на вулицях міст, на підприємствах чи в державних закладах сонячні батареї. Але тим не менш, енергію Сонця українці починають використовувати й сонячні батареї поступово проникають на наш ринок. Сучасний розвиток світової економіки невід'ємно пов'язаний із зростанням темпів виробництва енергії. Це зумовлюється багатьма факторами: загальним збільшенням світового товаровиробництва, розвитком транспорту та телекомунікацій, розробкою віддалених родовищ корисних копалин, утилізацією відходів, ростом споживання енергії у побуті (опалення, освітлення, живлення побутової техніки).

Тому темпи зростання виробництва енергії перевищують нині темпи зростання населення землі. Зараз перед енергетикою стоїть багато проблем, і найбільш гостра проблема її джерел. На сьогоднішній день 6 млрд. чоловік на Землі споживають більше 12 млрд. кВт енергії за рік, тобто у середньому 2 кВт на людину. Ця енергія отримується за рахунок вугілля - 26%, нафти - 42 %, газу - 20%, гідроенергії- 4%, ядерної - 5%, інших джерел - 3%. Тобто біля 90% енергії ми отримуємо за рахунок органічних видів палива - нафти, вугілля, газу. Ці джерела енергії ще називають невідновлюваними, бо швидкість їх нагромадження в надрах Землі набагато менша швидкості їх витрачання (приблизно у 106 разів).

Людству необхідно все більше й більше енергії, отримати яку за рахунок невідновлюваних джерел у недалекому майбутньому буде важко чи взагалі неможливо. Дійсно, за різними оцінками, розвіданого органічного палива вистачить на 30-50 років. Якщо врахувати так звані геологічні запаси, які будуть своєчасно розвідані, а експлуатація їх не затримується, то, з урахуванням все зростаючого рівня витрат енергії, органічного палива може вистачити ще років на 100-150. Причому тільки вугілля ще довгий час може зберігати своє місце в енергетичному балансі. Проте використання його супроводжується високим рівнем забруднення атмосфери Землі. Ядерна енергетика, яка на сьогодні має значно більше сировинних ресурсів ніж органічне паливо, динамічно розвивалась у світі протягом останніх 20-30 років. Але сьогодні, на думку багатьох фахівців, вона вже не може вважатися перспективним видом енергії через високий ризик радіоактивного забруднення навколишнього середовища, що проявилося в серії техногенних аварій та катастроф, особливо під час сумно відомої Чорнобильської катастрофи.

Тому у світі все більше звертають увагу на використання так званих відновлюваних джерел енергії - тепла Землі, енергії вітру, припливів та відпливів, біогазу, сонячного випромінювання, тощо. Практично всі ці джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Серед зазначених джерел одним із найбільш перспективних є пряме перетворення сонячного випромінювання в електрику в напівпровідникових сонячних елементах.

Випромінювання з поверхні Сонця характеризується широким енергетичним спектром, що приблизно відповідає енергетичному спектру випромінювання “чорного тіла” при температурі 5800К. Максимум інтенсивності лежить у видимій області спектра (0.35-0.75 мкм), в якій зосереджена майже половина всієї енергії. Решта сонячного випромінювання розподіляється між ультрафіолетовою частиною спектра з довжиною хвиль меншою за 0.3 мкм (менша частина) і інфрачервоною з довжиною хвиль більшою 0.75 мкм (більша частина).

Інтенсивність сонячного випромінювання біля атмосфери Землі дорівнює 1360 Вт/м2- величина відома як сонячна стала АМ0. При проходженні крізь атмосферу Землі інтенсивність сонячного випромінювання зменшується за рахунок його поглинання, розсіювання та відбивання при взаємодії з частинками пилу, з киснем, озоном, вуглекислим газом, парами води. При взаємодії з озоном та киснем поглинання сонячного випромінювання відбувається переважно в ультрафіолетовій частині спектру, водяна пара та вуглекислий газ поглинають переважно в інфрачервоній частині. Тому сонячне випромінювання, яке досягає земної поверхні, має меншу енергію, а його спектр змінюється.

Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, по-перше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим засобом одержання електроенергії на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

Основою напівпровідникового сонячного елементу є пластина напівпровідника з p-n переходом. Його робота заснована на явищі фотоефекту, відкритому ще в позаминулому столітті Г.Герцем та дослідженому О.Г.Столетовим. Теорію фотоефекту створив А.Ейнштейн у 1905 році, за що був відзначений Нобелівською премією. Суть ефекту полягає в тому, що кванти сонячного світла з енергією, більшою ніж ширина забороненої зони напівпровідника, поглинаються напівпровіднику і створюють пари носіїв струму: електрони в зоні провідності та дірки у валентній зоні.

Для просторового розведення зарядів, а значить і виникнення електричного струму, необхідна наявність внутрішнього електричного поля у напівпровіднику. Таке поле існує в електронно - дірковому p-n переході, в контакті метал -напівпровідник, в контакті двох різних напівпровідників (гетеропереході).

1. Сонячні елементи на основі кремнію

Силіцій (Si) -- хімічний елемент з атомним номером 14, проста речовина якого, кремній, утворює темно-сірі зі смолистим блиском крихкі кристали з гранецентрованою кубічною ґраткою типу алмазу. За новою номенклатурою IUPAC Силіцій належить до групи 14 періодичної системи елементів, за старою -- до IV підгрупи основної групи.

При низькій температурі Силіцій хімічно інертний. З багатьма металами утворює силіциди. За поширеністю на Землі Силіцій займає друге місце серед хімічних елементів (27,6% маси земної кори). У вільному стані в природі проста речовина Силіцію (кремній), не зустрічається, проте його в значних кількостях отримують штучно для потреб промисловості. Найпоширенішими сполуками силіцію є діоксид силіцію SiO2 (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти -- силікати, що є основою всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин.

На сучасному етапі розвитку фотоелектричного перетворення енергії найкраще застосовувати для сонячної батареї елементи з полікристалічного та монокристалічного кремнію з p - n переходом, текстурованою поверхнею та оптимізованою формою фронтального та тилового контактів. При використанні перевірених способів монтажу термін експлуатації батареї складає 20 і більше років.

Кристалічний кремній. Монокристалічні кремнієві сонячні елементи (c-Si СЕ) виготовляють з кремнієвих пластин 0.3 мм (300 мкм) товщини шляхом легування їх відповідно донорними й акцепторними домішками, створення омічних контактів (Рисунок 1.1.).



Рисунок 1.1. Сонячний елемент на основі кремнію. Простий p-n-перехід

Основний недолік монокристалічних кремнієвих сонячних елементів - велика витрата порівняно дорогого високочистого кремнію, більша частина якого відіграє роль пасивної підкладки. Слід зазначити, що технологія виробництва сонячних елементів на кристалічному кремнії перебуває в майже ідеальному стані й досить складно знайти шляхи покращення вже існуючих технологічних процесів, відпрацьованих у протягом багатьох років у рамках виробництва мікроелектронних обладнань. Крім того, досить добре розроблена теорія фотогальванічних перетворень у монокристалі й на її основі створені комп'ютерні програми оптимізації параметрів монокристалічних сонячних елементів на основі кремнію. Єдиний шлях оптимізації с-Si СМ - це здешевлення вихідної сировини. Для зменшення собівартості кремнієвих сонячних елементів досліджується можливість використання як поглинача полі і мультикристалічного кремнію.

1.1 Вирощування кристалів кремнію

Об'ємні монокристали найважливіших напівпровідникових матеріалів вирощують з розплаву - рідкої фази, склад якої приблизно збігається зі складом вирощеного з неї кристала. Існуючі методи вирощування монокристалів засновані на спрямованої кристалізації, що полягає у відведенні тепла нормально межі розділу твердої і рідкої фаз, званої фронтом кристалізації.

Процеси спрямованої кристалізації лежать в основі великої кількості різноманітних методів синтезу, очистки та вирощування монокристалів напівпровідників, які можуть бути проведені як роздільно, так і в ході одного процесу. Останній варіант є кращим, так як перевантаження матеріалу з одного апарату, реактора чи контейнера в інші істотно знижує його чистоту.

У технології напівпровідникових матеріалів знаходять застосування наступні методи вирощування монокристалів: Чохральского, Бріджмена, горизонтальної спрямованої кристалізації, горизонтальної та вертикальної зонної перекристалізації , зазвичай званої зонної плавкою.

Переміщення кристалу в температурному градієнті. Цей метод, розроблений Чохральським і він названий його іменем, в даний час став одним із основних промислових методів вирощування монокристалів напівпровідників. Метод легко пристосовується до різних умов, внаслідок чого для нього існує найбільше число різних варіантів конструктивного оформлення. При витягуванні кристалу цим способом в розплав опускається гачок, де він змочується за допомогою часового механізму піднімається, витягуючи за собою розплав, кристалізуючись в довгий тонкий монокристал, замість гачка часто використовують кристалоносець з затворочним кристалом (рис. 1.2): в одному із найбільш розповсюджених варіантів кристалоносець зрощується. Особливо великого значення набуває метод Чохральського для вирощування Ge і Si. Витягування цих кристалів проводиться, як правило, у вакуумні плавильні печі. Отримані кристали мають діаметр до 2 см і масу до 40 - 70 г.

Цим методом можна вирощувати не тільки вузькі і довгі, але і дископодібні кристали. Вирощування кристалу, знаходиться в неперервному контакті з поверхнею розплаву, і допоміжним нагрівом зовнішнього краю диску, отримувалися диски діаметром від 150 мм і масою від 450 до 1800 г. для пришвидшеного охолодження, обдувають аргоном.



Рис. 1.2. Схема установки для вирощування кристалів по методу Чохральського. 1 - затравковий шток, пристрій підйому й обертання; 2 - верхній кожух; 3 - ізолюючий клапан; 4 - газовий вхід; 5 - тримач затравки й затравка; 6 - камера високотемпературної зони; 7 - розплав; 8 - тигель; 9 - вихлоп; 10 - вакуумний насос; 11 - пристрій обертання і підйому тигля; 12 - система контролю й джерело енергії; 13 - датчик температури; 14 - п'єдестал; 15 - нагрівач; 16 - ізоляція; 17 - труба для продувки; 18 оглядове вікно; 19 - датчик для контролю діаметра зростаючого злитка

1.2 Основні принципи роботи сонячних елементів

Найпростіша конструкція сонячного елементу (СЕ) - приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну - показана на рис. 1.3.



Рисунок 1.3. Конструкція сонячного елемента

На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р-типу сформований р-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли сонячний елемент освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до р- n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар.

У результаті n-шар набуває додаткового негативного. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р-типу сформований р-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли сонячний елемент освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до р- n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область.

Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар (рис. 4). У результаті n-шар набуває додаткового негативного заряду, а р-шар - позитивний. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між р-і n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з'являється напруга.

Негативному полюсу джерела струму відповідає n-шар, а р-шару - позитивному. Величина встановленої фото - ЕРС при освітленні переходу випромінюванням постійної інтенсивності описується рівнянням вольт-амперної характеристики (ВАХ).

де I - загальний струм, Is-струм насичення, а Iph - фотострум, k-стала Больцмана, T - абсолютна температура, q-заряд електрона.

Для ефективної роботи сонячних елементів необхідне дотримання ряду умов:

Ш оптичний коефіцієнт поглинання активногошару напівпровідника повинен бути достатньо великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;

Ш генеруються при освітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;

Ш сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар'єру в напівпровідниковому переході;

Ш повний опір, включений послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинен бути малим для того, щоб

Ш зменшити втрати потужності (тепло джоуля) в процесі роботи;

Ш структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорочування і вплив шунтуючих опорів на характеристики елементу.

1.3 Сонячні елементи нового покоління

Більшість сучасних СЕ володіють одним p-n- переходом. У такому елементі вільні носії заряду створюються тільки тими фотонами, енергія яких більше або дорівнює ширині забороненої зони. Іншими словами, фотоелектричний відгук одноперехідного елемента обмежений частиною сонячного спектра, енергія якого вища ширини забороненої зони, а фотони меншою енергії не використовуються. Подолати це обмеження дозволяють багатошарові структури з двох і більше СЕ з різною шириною забороненої зони. Такі елементи називаються багатоперехідними, каскадними або тандемними. Оскільки вони працюють зі значно більшою частиною сонячного спектра, ефективність фотоелектричного перетворення у них вище.

Рис. 1.4. Принцип побудови багатоперехідного сонячного елемента

У типовому багатоперехідному сонячному елементі (рис. 1.4) одиночні фотоелементи розташовані один за одним таким чином, що сонячне світло спочатку потрапляє на елемент з найбільшою шириною забороненої зони, при цьому поглинаються фотони з найбільшою енергією. Пропущені верхнім шаром фотони проникають в наступний елемент з меншою шириною забороненої зони і т.д.

Основний напрямок досліджень в області каскадних елементів пов'язано з використанням арсеніду галію в якості одного або кількох компонентів. Ефективність перетворення подібних СЕ досягає 35%. Крім того в каскадних елементах широко застосовуються аморфний кремній, та сплави на його основі (a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а також CuInSe2.



Рис. 1.5. Каскадний елемент

На рис. 1.5. зображена каскадна батарея, в якій верхнім елементом служить структура на основі GaInP c n-AlInP як вікна, далі йде тунельний діод на GaAs для проходження носіїв між елементами і нижній елемент з GaAs.

Дуже перспективні каскадні батареї, що складаються з трьох елементів з різною шириною забороненої зони (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Трьохкаскадний сонячний елемент на основі сплавів a-SiGe:H

Верхній шар, що поглинає короткохвильову область сонячного спектра, сформований із сплаву на основі a-Si:H з шириною оптичної щілини 1,8 еВ. Для серединного елемента в якості шару i-типу використаний сплав aSiGe:H з вмістом германію ~ 10-15%. Ширина оптичної щілини даного шару (1,6 еВ) ідеальна для поглинання зеленої області сонячного спектра. Нижня частина СЕ поглинає довгохвильову частину спектра, для цього використовується-шар a-SiGe:H з концентрацією германію 40-50%. Не поглинене світло відбивається від заднього контакту на основі Ag/ZnO. Всі три елементи каскадної сонячної батареї пов'язані між собою сильно легованими шарами, що утворюють тунельні переходи між сусідніми елементами.

2. Літій-полімерні акумулятори

Літій-полімерні акумулятори одна з останніх розробок в літієвій технології. Потенційно такі акумулятори дешевші, ніж Li-Ion-акумулятори, але на сьогодні все ж залишаються найдорожчими джерелами живлення. Виробляють цей тип акумуляторів лише кілька відомих виробників. По конструкції вони подібні до своїх попередників, але використовують гелієвий електроліт, тому можуть мати нетрадиційну форму. Ці джерела мають ще більш високу енергетичну щільність (до 160 Wt * h/kg) і малий струм розряду, причому нинішні зразки здатні витримати дуже велику кількість циклів заряд/розряд -- близько 1000. Ще однією перевагою цих акумуляторів є те що вони досить компактні і легкі.

Можливість заміни рідкого органічного електроліту на полімерний (при зниженні ймовірності його витоків) і збільшення безпеки роботи літій-іонного акумулятора вивчалися з самого початку комерціалізації цих джерел струму.

В основі ідеї літій-полімерного акумулятора (Li-Pol або Li-Polymer) лежить відкрите явище переходу деяких полімерів в напівпровідниковий стан в результаті впровадження в них іонів електроліту.

Літій-полімерні акумуляторні батареї -- це одна з найбільш досконалих конструкцій акумуляторних джерел живлення.

Провідність полімерів при цьому зростає більш ніж на порядок. До теперішнього часу розроблені і серійно виготовляються літієві джерела струму з електролітами, які можуть бути поділені на три групи:

-- сухі полімерні електроліти (найчастіше на базі поліетиленоксиду, в який вводяться різні солі Li);

-- гель-полімерні гомогенні електроліти, які утворюються при впровадженні в полімер (або суміш полімерів) солей Li з пластифікатором-розчинником;

-- неводні розчини солей Li, сорбовані в мікропористій полімерній матриці.

У порівнянні з рідкими електролітами в літій-іонних акумуляторах, полімерні електроліти мають меншу іонну провідність, яка до того ж додатково знижується при температурі нижче нуля. Тому проблема розробок Li-Pol акумуляторів складається не тільки в пошуку іммобілізованого електроліту з досить високою провідністю, сумісного з електродними матеріалами, а й у розширенні температурного діапазону Li-Pol акумуляторів. Уже в першому поколінні літій-полімерних акумуляторів підбором співполімерів вдалося домогтися високої міцності електродів, а іонну провідність електроліту батарей збільшити практично втричі. Якщо на самому початку своєї історії дана група акумуляторів використовувалася лише для живлення портативних пристроїв, то в наш час вона перетворилася на одні з найбільш потужних джерел струму, які застосовують для забезпечення роботи сучасних електричних транспортних засобів. Наприкінці XX ст. канадським вченим вдалося створити ємнісну літій-полімерну батарею для електромобіля.

Сучасні літій-полімерні акумулятори забезпечують не гірші питомі характеристики, ніж у літій-іонних акумуляторів. Завдяки відсутності рідкого електроліту вони більш безпечні у використанні. Li-Pol акумулятори компактні і можуть бути виконані в будьякій конфігурації. Їх контейнер може бути виконаний з металізованого полімеру.

Сучасні Li-Pol акумуляторні батареї володіють хорошими питомими характеристиками. Кількість їх робочих циклів заряду/розряду -- 500 і більше. Відсутність рідкого електроліту робить ці акумуляторні джерела струму більш безпечними в експлуатації, ніж літій-іонні акумулятори попередніх поколінь.

Суттєвих обмежень в конструктивному виконанні ці акумулятори не мають, і можуть виготовлятися в будь-якій конфігурації. Як правило, зовнішня корпусна частина літій-полімерних батарей виконується з металізованого полімеру.

Однак, робочі щільності струму і електричні характеристики Li-Pol акумуляторів незначні та помітно погіршуються при зниженні температури через кристалізацію полімеру. Всі розробники відзначають, що на якість Li-Pol акумуляторів і стабільність їх роботи сильно впливає однорідність полімеру, на яку впливають як співвідношення компонентів електроліту, так і температура полімеризації.

2.1 Ключові електрохімічні процеси в літієвих акумуляторах

Для того, щоб напруга акумулятора була достатньо високою, дослідники використали оксид кобальту як активний матеріал позитивного електрода. Літійований оксид кобальту має потенціал близько 4 В відносно літієвого електрода, тому робоча напруга Li-ion акумулятора має характерне значення 3 В і вище.

Матеріали на основі кобальту вимагають контролера для керування процесами заряд-розряд. Li/Ni02 (літій/оксид нікелю) має вищу ємність, ніж оксид кобальту, але він складний у виготовленні й може мати проблеми в плані техніки безпеки. Тому для підвищення безпеки в акумуляторах великої ємності почали використовувати змішані оксиди кобальту й нікелю (20-30% нікелю).

При розряді акумулятора відбувається деінтеркаляція (вилучення) літію з вуглецевого матеріалу (на негативному електроді) та інтеркаляція (упровадження) літію в оксид (на позитивному електроді). При заряді акумулятора процеси проходять у зворотному напрямку. Отже, у всій системі відсутній металевий (нуль-валентний) літій, а процеси розряду й заряду зводяться до переносу іонів літію з одного електрода на іншій.

Процеси на негативному електроді акумулятора. Для всіх типів акумуляторів, які доведені до комерціалізації, негативний електрод виготовляється з вуглецевих матеріалів. Інтеркаляція літію у вуглецевих матеріалах -- це складний процес, механізм і кінетика якого істотно залежать від природи вуглецевого матеріалу і природи електроліту.

Вуглецева матриця, яка застосовується в аноді, може мати впорядковану шарувату структуру, як у природного або синтетичного графіту, невпорядковану аморфну або частково впорядковану (кокс, піролізний або мезофазний вуглець, сажа та ін.).

Іони літію при впровадженні розштовхують шари вуглецевої матриці і розташовуються між ними, утворюючи інтеркаляти різноманітних структур. Питомий обсяг вуглецевих матеріалів у процесі інтеркаляції-деінтеркаляції іонів літію значно не змінюється. Крім вуглецевих матеріалів як матрицю негативного електрода використовують структури на основі олова, срібла і їх сплавів, сульфіди олова, фосфати кобальту, композити вуглецю з наночастками кремнію. Процеси на позитивному електроді акумулятора. Якщо в первинних літієвих батареях застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то в літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений.

Позитивні електроди акумуляторів створюються винятково з літійованих оксидів кобальту або нікелю і з літій-марганцевих шпінелей.

У даний час як катодні матеріали все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів.

3 практики видно, що з використання катодів зі змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються і технології покриття поверхні катодів тонкодисперсними оксидами. При заряді акумулятора відбуваються реакції на позитивних пластинах:

LiCo02 > Li 1-хСоО2 + xLi+ + хе-

і на негативних пластинах:

С + xLi+ + хе- > CLix.

При прикладенні постійної напруги іони літію виходять з анода, проходять через електроліт і осідають у графіті, заряджаючи його. При відключенні напруги в електроліті утворюється подвійний шар, який не дозволяє іонам перебігти назад. Розрядка відбувається практично тільки за рахунок електричного струму через зовнішнє коло.

2.2 Конструкція літій-полімерних акумуляторів

Полімерно-літієві акумулятори складаються з секцій або стеків. Кожна з секцій містить три електрода і сепаратор з полімером, який діє як електроліт і як зв'язуюча речовина. Негативний електрод розташований між двома позитивними і за допомогою термального впливу всі компоненти об'єднують у стек. Товщина однієї секції близько 0,6 мм. Залежно від кількості стеків можна отримати акумулятор тієї чи іншої ємності (рис. 2.1). Зовні джерело живлення загортають в полімерно-алюмінієву плівку. Принципово іонно-літієві і полімерно-літієві акумулятори не розрізняються, але останні мають одну важливу перевагу.

Рисунок 2.1. Конструкція літій-полімерних акумуляторів

Але оскільки їх робочою речовиною є гель, що складається з суміші полімеру і електроліту, то витік рідини стає просто неможливим.

Плюси:

o Висока щільність енергії і як наслідок велика ємність при тих же габаритах в порівнянні з акумуляторами на основі нікелю.

o Низький саморозряд.

o Висока напруга одиничного елемента (3.6 проти 1.2 В NiCd і NiMH), що спрощує конструкцію, і часто акумулятор складається тільки з одного елемента. Багато виробників сьогодні орієнтуються на застосування для стільникових телефонів саме такого одноeлементного акумулятора (згадайте Nokia). Проте, щоб забезпечити ту ж саму потужність, необхідно віддати більш високий струм. А це вимагає забезпечення низького внутрішнього опору елемента.

o Низька вартість обслуговування (експлуатаційних витрат), оскільки відсутній ефект пам'яті і не потрібні періодичні цикли розряду для відновлення ємності.

Мінуси:

o Для акумулятора потрібно вбудована схема захисту (що веде до додаткового підвищення його вартості), яка обмежує максимальну напругу на кожному елементі батареї під час заряду і оберігає напруга елемента від занадто низької зниження при розряді. Крім того, вона обмежує максимальні струми заряду, розряду і контролює температура елемента. В результаті, можливість металізації літію практично виключена.

o Акумулятор схильний до старіння, навіть якщо не використовується і просто лежить на полиці. Процес старіння характерний для більшості Li-ion акумуляторів. З цілком очевидних причин, виробники про цю проблему замовчують. Невелике зменшення ємності помітно після одного року, незалежно від того, перебував акумулятор у використанні чи ні. Через два або три роки він часто стає непридатним до експлуатації. Втім, і акумулятори інших електрохімічних систем також мають вікові зміни з погіршенням своїх параметрів (це -- особливо справедливо для NiMH, що піддаються впливу високої температури навколишнього середовища). Для зменшення процесу старіння зберігайте заряджений приблизно до 40 % від номінальної ємності акумулятор в прохолодному місці окремо від телефону.

o Висока вартість.

o Складне швидке тестування акумуляторів, оскільки технологія їх виготовлення до кінця ще не відпрацьована і відбуваються її постійні зміни.

2.3 Особливості заряду/розряду Li-Pol акумуляторів

Літій-полімерні акумулятори вимагають особливого режиму заряду: на відміну від свинцево-кислотних батарей, при заряді яких допускається досить гнучкий діапазон напруги кінця підзарядки, до величини напруги при заряді зазначених акумуляторів пред'являються значно жорсткіші вимоги. Під час їх заряджання використовується метод CC-CV. Тобто, спочатку батарея заряджається деяким фіксованим струмом (constant current -- CC), при цьому напруга на стеках батареї зростає. По досягненні напругою 4,2V на кожній банці батарея вже заряджена приблизно на 95 %. Далі зарядний пристрій переходить до другої фази алгоритму заряду CV (constant voltage -- постійна напруга). При цьому струм поступово знижується так, щоб напруга на кожному стеці не перевищила 4,2 V.Ця величина визначається хімічним складом Li-Pol батареї. Перевищення її допустимо не більше, ніж до 4,25 V, а досягнення значення 4,3 V і вище загрожує вибуховим самозайманням. Фазою заряду CV в польових умовах можна знехтувати: вона додає тільки останні 5 % ємності, але займає від третини до половини загального часу заряду при заряді струмом 1 C. Тому можна припиняти заряд по досягненні батареєю максимального значення напруги, заощаджуючи час.

При розряді в процесі експлуатації неприпустимо зниження напруги на кожному з стеків нижче 3V. Достатньо один раз розрядити LiPo батарею до 2,5V на стек, і вона вийде з ладу. Після такого розряду батарея може «роздутися», вона втрачає більше половини ємності і перестає віддавати номінальний струм розряду. Протягом деякого часу батарея втрачає ємність практично повністю.

Звідси виникає проблема експлуатації Li-Pol-акумуляторів, яка полягає в тому, що при заряджанні необхідно контролювати напругу на кожному з стеків, щоб не вивести акумулятор з ладу, а при подальшому розряджанні всі стеки розряджалися однаково, але не нижче допустимого мінімуму. Звичайний зарядний пристрій може контролювати напругу на батареї в цілому, але при великому діапазоні напруг на стеках цілком можливий варіант, коли напруга на одному з них ще 4,05 V, а на другому вже 4,3 V. Контрольний модуль зарядного пристрою вимірює тільки сумарну напругу 8,35 V і продовжує заряджати батарею до 8,4 V (4,2 * 2). При цьому напруга на другому стеку перевищує 4,3V, що з великою ймовірністю призведе до займання. При розряді незбалансованої батареї ця ж проблема здатна привести до перерозряду окремо взятого стека, незважаючи на те, що сумарна напруга ще вище, ніж 3 V помножене на кількість стеків.

Для вирішення цієї проблеми використовується спеціальний пристрій, який називається балансир. Під час заряду він стежить за напругою на кожному із стеків і вирівнює значення їх напруг між собою. При цьому зарядний пристрій припинить процес заряду вчасно, не виводячи акумулятор з ладу. При розрядженні зба- лансованої батареї на споживачі всі стеки також розряджаються більш-менш рівномірно, і при зниженні сумарної напруги до 3 В на стек повинно спрацювати відсічення регулятора, що запобігатиме виходу батареї з ладу. Багато сучасних зарядних пристроїв вже мають вбудований балансир, яким обов'язково слід користуватися, підключаючи окремий балансувальний роз'єм батареї поряд з силовим і вибираючи відповідний режим заряду. Для пристроїв, що не мають вбудованого балансиру, слід застосовувати окремий зовнішній пристрій.

Струм заряджання Li-Pol-акумулятора не повинен перевищувати ємності акумулятора, тобто максимальний струм заряджання дорівнює 1 С. Наприклад, для заряджання акумулятора ємністю 2200 mA/h струм заряду не повинен перевищувати 2,2 А. У той же час не слід ставити струм заряду менше, ніж 0,5 С.

Примусово розряджати або циклювати літієвий акумулятор немає ніякого сенсу, так як ці батареї не мають ефекту пам'яті і повинні зберігатися в зарядженому стані (найбільш оптимальний режим зберігання -- 60 % заряду). Струм розряду акумулятора може бути будь-яким, але не більше його номіналу, зазначеного на етикетці також в одиницях величини ємності C. Наприклад, 20 С на акумуляторі 1000 mA/h означає, що максимальний безперервний струм розряду дорівнює 20 * 1000 = 20000 mА = 20 А. Слід зауважити, що якщо не використовувати акумулятор на межі його можливостей, то він функціонуватиме протягом набагато більшої кількості циклів. Скажімо, для одного з Li-Pol-акумуляторів з номінальним струмом 30 С наводяться такі типові дані: при заряді і розряді струмами в 1 С виробник гарантує 500 циклів без істотної втрати ємності. При заряді струмом 1 С, але розряді максимальним допустимим струмом в 30С кількість циклів складе всього 50 (впаде в 10 разів). Це дає хороший приклад того, чому бажано мати запас по струму батареї при підборі силової установки.

Акумулятори працездатні при температурі від мінус 20 до +60 °C. При температурі вище за 0 °C ємність батарей при струмі розряду 0,5 С практично не падає, але при мінусових температурах помічається значне її зниження.

3. Розрахунок сонячної батареї

3.1. Характеристики сонячного елемента використаного для створення сонячної батареї

Для створення сонячної батареї використовуємо елементи псевдоквадратної форми монокристалічного кремнію розмірами 125Ч125 мм. (Рис. 3.1).

Рис 3.1. Розміри та зовнішній вигляд сонячного елемента

В таблиці наведено харакеристики сонячного елемента в залежнсті від якості партії (1-10). Ми будемо використовувати елементи 1-ої партії.

Табл. 1

№	Ефективність (%)	Рроб (Вт)	Umax (В)	Imax (А)	UХХ (В)	IКЗ (А)	Коефіцієнт заповнення (%)
10	19.00-20.00	2.94	0.538	5.467	0.639	5.848	78.7
09	18.80-19.00	2.91	0.537	5.420	0.638	5.809	78.5
08	18.60-18.80	2.88	0.536	5.372	0.637	5.762	78.4
07	18.40-18.60	2.85	0.533	5.344	0.636	5.750	77.8
06	18.20-18.40	2.82	0.528	5.336	0.635	5.740	77.3
05	18.00-18.20	2.79	0.526	5.296	0.634	5.725	76.7
04	17.80-18.00	2.76	0.523	5.269	0.633	5.681	76.6
03	17.60-17.80	2.73	0.518	5.260	0.631	5.651	76.4
02	17.40-17.60	2.70	0.513	5.251	0.630	5.630	75.9
01	17.20-17.40	2.66	0.508	5.242	0.628	5.620	75.4

Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) матеріалу називається залежність струму в ньому від прикладеної напруги (Рис. 3.2). Вольт-амперну характеристику можна визначити також, як залежність падіння напруги на пристрої від струму, що в ньому протікає. Вольт-амперна характеристика зображається зазвичай у вигляді графіка, в якому напруга відкладається вздовж осі абсцис, а струм -- вздовж осі ординат.

Рис 3.2. ВАХ сонячного елемента

Рис. 3.3. Спектральна залежність

3.2 Розрахунок параметрів сонячної батареї

Розрахунок сонячної батареї проводиться для зарядки літій-полімерного акамулятора (напруга 3.6 В, ємність 3.3АЧгод.). Для створення даної батареї використовуємо псевдоквадрат монокристалічного кремнію розмірами 125Ч125 мм діаметром 150 мм: напруга холостого ходу 0,6 В, густина струму короткого замикання 0,039А, густина максимального струму 0,036А, напруга максимальної потужності 0,5 В., процес заряджання даного акумулятора 1.4 АЧгод.

Особливості технологічного процесу виготовлення монокристалічного кремнію приводять до того, що для сонячних елементів використовуються пластини круглої форми. Для зручнішого складання у сонячні батареї круглі пластини відповідним чином обрізають, формуючи при цьому форму псевдоквадрата (рис. 3.1).

Рис. 3.4. Сонячний елемент з монокристалічного кремнію у вигляді псевдоквадрата

 (1)

(2)

Для визначення площі сонячного елемента псевдоквадрат (рис. 3.1) розбивають на чотири сектори з кутом В і чотири трикутники, які розташовані між секторами. В цьому випадку площа сонячного елемента дорівнює:

(3)

де - площа трикутника між секторами, - площа сектора.

Площа трикутника SТР, згідно рис.12, визначається добутком:

с • (а/2). (4)

Сторона трикутника с визначається із співвідношення:

(d/2)2 = (a/2)2+c2, (5) c2 = (d/2)2 - (a/2)2, (6)

c = (1/2)•(d2 - a2)1/2. (7)

Таким чином, площа трикутника - частини псевдоквадрата, визначається виразом:

= (а/4)•(d2 - a2)1/2. (8)

Площа сектора визначається за формулою:

= р•(d2/4)•(B/360o), (9)

Де d - діаметр круга сектора (діаметр кремнієвої пластини), В - кут сектора.

Кут сектора В можна знайти за з використанням кута А трикутника, який знаходиться між секторами:

В = (90о - 2А). (10)

Таким чином, площа сектора (9) з врахуванням (10) дорівнює:

= р•(d2/4)•( (90о - 2А)/360o). (11)

Кут А знаходиться із співвідношень:

cosA = a/d,A =arccos(a/d). (12)

Вираз для площі сонячного елемента у вигляді псевдоквадрата (3) з врахуванням (1.8) і (1.11) набуває вигляду:

= 4•( (а/4)•(d2 - a2)1/2 + р•(d2/4)•( (90о - 2А)/360o)), (13)

або:

SСЕ = а•(d2 - a2)1/2 + р•d2•( (90о - 2А)/360o). (14)

Для сонячного елемента у формі псевдоквадрата із сторонами 125 мм на 125мм сторона а = 125мм. Такі фотоперетворювачі утворюються при використанні кремнієвих пластин діаметром d = 150 мм. Кут А, який розраховується за формулою 2.12 для елементів вказаного розміру дорівнює:

А = arccos(125/150) = 33о

Площа сонячного елемента у формі псевдоквадрата 125 мм на 125 мм згідно формули (14):

SСЕ = 125•(1502 - 1252)1/2 + 3,14•1502•( (90о - 2•33о)/360o) = 14856мм2 = 148,56 см2

Після розрізання кремнієвої пластини отримуються два елементи (рис. 3.2), які можна використовувати для побудови сонячної батареї.

Рис. 3.5. Частини кремнієвої пластини для сонячних елементів

Струм одного сонячного елемента з пластини діаметром 150 мм за відомим значення густини фотоструму дорівнює:

Розраховуємо струм короткого замикання:

З розрізанням елемента на 4 частини характеристики струму відповідно зменшуються в 4 рази.

Розраховуємо кількість сонячних елементів в одному рядку батареї:

Nел. = Uб/ Uелм= 5/0,5=10 шт.

Розрахуємо кількість рядків сонячних елементів для батареї:

Nр==3.3/1.37Ч2.4 = 1,003 ряд.

Дану відповідь заокруглимо до 1-го рядка.

Розраховуємо загальну кількість сонячних елементів для батареї:

Nзаг.= NелЧ Nр = 10Ч1= 10 шт.

Розрахуємо струм батареї за 1 годину:

Ібат.= ІробЧ Nр=1.37Ч1=1.37 А.

Розраховуємо максимальну напругу сонячної батареї:

Uб = UелмЧNел = 0,5Ч10=5 В.

Розраховуємо максимальну потужність сонячної батареї:

P = IробЧUб = 1.37Ч5 = 6.85 Вт.

Виходячи з вище наведених розрахунків сонячної батареї розрахуємо загальний час заряджання акумулятора:

Tзар = Iaкум/Iб = 3.3/1.37 = 2,4 год.

Отже час зарядки протягом якого буде заряджатися акумулятор становить 2.4 години.

Для більш естетичного вигляду сонячної батареї розміщуємо в 2 рядів по 5 сонячних елементів. В такому випадку батарея буде мати прямокутну форму.

Отже, для зарядки акумуляторів можна застосувати сонячну батарею, яка має максимальний генерований струм приблизно рівний струму зарядки акумуляторів. У цьому випадку сонячна батарея автоматично буде виробляти зарядку акумуляторів необхідним зарядним струмом при своєму освітленні. Батарею необхідно підключати до акумуляторів через діод. Це необхідно тому, що при несприятливому сонячному освітленні напруга на сонячній батареї може впасти нижче, ніж напруга на заряджаються акумулятори. У цьому випадку акумулятори замість свого заряду, розрядяться через внутрішній опір сонячної батареї.

4. Паралельне і послідовне з`єднання сонячних елементів

Потужність сонячної батареї складається із вихідних потужностей окремих елементів. Вихідний струм сонячних елементів у батареї визначається кількістю елементів, які з`єднані паралельно, а вихідна напруга - кількістю елементів, з`єднаних послідовно. На рис. 4.1. приведені приклади послідовного і паралельного з`єднання елементів. Використовують наступні позначення: Nпс - кількість послідовно з`єднаних елементів; Nпр - кількість паралельно з`єднаних елементів; N - загальна кількість сонячних елементів у батареї; Vе - вихідна напруга окремого сонячного елемента; Vб-вихідна напруга сонячної батареї; Iе - максимальний вихідний струм сонячного елемента; Iб - максимальний вихідний струм сонячної батареї; Pе - максимальна вихідна потужність сонячного елемента; Pб - максимальна вихідна потужність сонячної батареї.

За вказаних позначень справедливі такі співвідношення:

Рис. 4.1. Паралельне і послідовне з`єднання сонячних елементів: а - паралельне з`єднання двох елементів; б - послідовне з`єднання двох елементів

5. Розташування елементів сонячної батареї

Процес компонування елементів на поверхні панелі заданої площі, яка призначається для сонячної батареї, полягає у такому розміщенні послідовних ланцюжків сонячних елементів об`єднаних за допомогою паралельних перемичок у групи та модулі, при якому отримується максимальна енергія з одиниці площі і залишається необхідний простір для електричних дротів, які з`єднують ланцюг сонячних елементів з вихідними клемами батареї. При необхідності залишають місце для блокуючих діодів (між сонячною батареєю та електрохімічними акумуляторами) і шунтуючих діодів, які запобігають негативному ефекту при затіненні частини послідовного ланцюжка елементів.

Значення мінімального проміжку між сусідніми елементами, яке виміряне при кімнатній температурі, визначається головним чином розмірами сонячного елемента з покриттям, коефіцієнтом температурного розширення матеріалу панелі та мінімальною можливою температурою. Вважається що реальний мінімальний проміжок між елементами в зібраній групі сонячних елементів увімкнутих паралельно дорівнює 0,1 мм, а між елементами сусідніх електричних ланцюжків - 0,5мм.

Використовуючи рис. 5.1 і рівняння наведені нижче, можливо вирахувати площу, необхідну для розміщення групи ланцюжків:

(15)

(16)

де C - ширина сонячного елемента в напрямку паралельного з`єдання; H - відстань між сонячними елементами в напрямку паралельного з`єдання; D - довжина сонячного елемента в напрямку послідовного з`єдання; G - відстань між сонячними елементами в напрямку послідовного з`єдання; E - ширина крайньої контактної стрічки; F - відстань між крайньою контактною стрічкою і сонячним елементом; M,N - кількість елементів, з`єданих паралельно і послідовно відповідно. Розміри C і D повинні визначатися з врахуванням максимальних розмірів сонячних елементів, покритих склом.

Рис. 5.1. Схема розташування сонячних елементів на сонячній батареї та її розміри

Розглянемо конструкцію сонячної батареї яка представлена на рис. 5.1, дана батарея маєтакі габаритні розміри 10Ч97.5Ч206 мм. Вона складається з наступних частин: листова алюмінієва основа товщиною 3 мм (є основною несучою частиною конструкції що забезпечує високу ступінь герметичності конструкції та забезпечує запас міцності батареї у випадку механічної дії); після чого використовуємо прямокутні профілі з органічного скла поперечного перерізу 10Ч10 мм2 розташовані по периметру сонячної батареї; гвинти кріплення (різьба М5); прокладинки з органічного скла, які прикріплені до текстоліту із змонтованими на них сонячними елементами (запобігають руйнуванню елементів у випадку механічної дії зі сторони фронтальної поверхні); плата з фольгованого одностороннього склотекстоліту (для зручності монтажу та обслуговування в процесі ремонту виконана у вигляді трьох незалежних взаємозамінних моноблоків); Si сонячні елементи типу „псевдоквадрат” розміри у площині 125Ч125мм; фронтальне прозоре органічне скло (товщина 2 мм) його використовують за дешевизну, та через високе світлопропускання; алюмінієвий кутник 10Ч10 мм; силіконовий герметик від якості нанесення герметика залежить герметичність і довговічність батареї; біле декоративне органічне скло; монтажні болти ; шайби; роз'єм; болти кріплення.

До алюмінієвої основи кріпляться повздовжні і поперечні бортики з органічного скла розміром 10Ч10Ч97.5 мм та 10Ч10Ч206 мм. Між собою на кутах батареї органічні профілі з'єднуються чотирма гвинтами довжиною 10мм.

На нижніх стійках закріплені чотири плати з подвійного фольгованого склотекстоліту на яких змонтовані 10 сонячних елементів за допомогою пайки. Верхні стовпчики закріплені на платі з фольгованого склотекстоліту , які призначені для запобігання від прогинання органічного скла. Органічне скло захищає сонячні елементи від механічних пошкоджень і зовнішнього впливу, воно закріплене гвинтами діаметром 2мм до бічних профілів з органічного скла які одночасно є стінками конструкції. Пластиковий кутник розміром 10Ч10Ч97.5 мм та 10Ч10Ч206 мм прикріплюється до бортиків гвинтами з бокових сторін батареї, кутник додатково служить для герметизації конструкції та створює естетичний вигляд. Для кращої герметизації між основою, бортиками та органічним склом використовувався силіконовий герметик KIM TES Silicon 101E білого кольору. З тилової сторони конструкції до листової алюмінієвої основи за допомогою силіконового герметика приклеяне біле органічне скло з метою запобігання корозії від атмосферних опадів та від замикання на корпус.

Розміщення сонячних елементів на поверхні одностороннього фольгованого текстоліту вибиралось з міркувань зручності монтажу та забезпечення надійності роботи батареї протягом тривалого терміну експлуатації. Віддаль між елементами складала 5 мм. Монтаж проводили за допомогою попередньо залуженого мідного провідника круглого перерізу діаметром 0,7 мм. Для забезпечення малого послідовного опору сонячної батареї до кожного елемента припаювали чотири провідники (2 з фронтальної сторони, 2 з тилової сторони). Приготовлені розпаяні сонячні елементи встановлювались у отвори плати текстоліту і припаювались.

В даній батареї ми використали органічне скло для задньої і передньої панелі.

Рис. 5.2. Конструкція сонячної батареї для заряджання літій-полімерного акумулятора

Висновки

акумуляторний монокристалічний кремнієвий сонячний

При стаціонарному світловому потоці, який відповідає умовам АМ1,5 (за яких вказані параметри фотоперетворювача) сонячна батарея із 10 з'єднаних сонячних елементів зарядить повністю розряджений літій-полімерний акумулятор ємністю 3,3 А • год та номінальною напругою 3,6 В за 2,4 год.

У конструкції сонячної батареї для зручності монтажу і запобігання короткого замикання між елементами передбачено використовувати віддаль між фотоперетворювачами 5 мм. Віддаль від країв сонячної батареї до карнизу, який розташований по периметру батареї становить 5 мм. Ця віддаль забезпечує попадання променів на елементи при значних відхиленнях світлового потоку від нормального падіння. При цьому уникається зниження робочого струму батареї через часткове затінення крайніх сонячних елементів. Ширина карнизу по периметру сонячного елементу становить 10 мм і вибрана з умов збереження малої неактивної площі сонячної батареї.

Список літератури

1. Ефимов О.Н. Новые материалы для литиевых аккумуляторов [Текст] / О.Н. Ефимов, Д.Г. Белов, Г.П. Белов и др. // Машиностроитель. -- 1995. -- № 3. -- С. 24-28.

2. Колтун М.М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 191с.

3. Багоцкий В.С. Химические источники тока / В.С. Багоцкий, А.М. Скундин. -- М.: Энергоиздат, 1981. -- 360 с

4. Воловик П.М.. Фізика для університетів. - К.; Ірпінь: Перун, 2005. - 864 с.

5. Раушенбах Г. Справочник по по проэктированию солнечных батарей. - М.: Энергоиздат, 1983. - 360с.

6. Сердюк В.В., Чемересюк Г.Г., Терек М.. Фотоэлектрические процессы в полупроводниках. - Киев - Одесса: В. ш., 1982. - 150 с.

7. Пасечкин Л.Л., Попович А.С. “Энергетика: реальность и перспективы”, Киев, 1986 г.

Размещено на Allbest.ru

...