Схема тестера для проверки солнечных элементов

Всякий раз при работе с любым источником питания необходимо представлять себе, какова связь между собой напряжения и тока, а также зависимость их от нагрузки. В большинстве случаев взаимосвязь определяется законом Ома. К сожалению, кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых (рис. 1).

100 мВт/см2 соответствуют энергетической освещенности, создаваемой прямым потоком солнечного излучения на поверхности земли иа уровне моря в полдень при ясном небе; 75 мВт/см2 соответствуют 3/4; 50 мВт/см2 — 1/2; 25 мВт/см2 — 1/4 этой освещенности.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 1. Характеристика фотоэлектрического преобразователя

Исследовать вольтамперные характеристики (рис. 1) можно более детально с помощью схемы, представленной на рис. 2. В схеме измеряются выходные напряжения и ток, протекающий через переменную резистивную нагрузку. Будем предполагать, что интенсивность света в процессе измерения остается постоянной.

Сначала с помощью потенциометра установим максимальное значение сопротивления. При этом фактически в цепи нет никакого тока и результирующее выходное напряжение можно считать равным напряжению холостого хода, представляющему собой напряжение, которое генерирует элемент, когда к нему не подключено никакой нагрузки. Оно составляет около 600 мВ (0,6 В). Величина этого напряжения может слегка изменяться при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-изготовителя к другой.

При уменьшении сопротивления резистора элемент все более нагружается. Как и в случае обычной батарейки питания, это вызывает возрастание потребляемого тока. Одновременно выходное напряжение слегка падает, как это и должно произойти с нестабилязированным источником питания. Пока в этом нет ничего удивительного.

Затем происходит нечто странное. Достигается такое положение, когда с уменьшением сопротивления нагрузки выходной ток более не увеличивается. Ничто не может привести к увеличению тока —>в даже короткое замыкание. На практике этот ток вполне справедливо называют током короткого замыкания.

В сущности, солнечный генератор стал источником постоянного тока. Возникает вопрос: что же с напряжением? Напряжение будет постоянно уменьшаться пропорционально возрастанию нагрузки.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 2

Как только сопротивление нагрузки станет равным нулю, напряжение упадет до нуля. Кстати, короткое замыкание фотоэлектрического преобразователя не приводит к выходу его из строя.

Сила тока, которую может развить элемент, зависит от интенсивности света. Для первого измерения мы произвольно выбрали самый высокий уровень облученности, которому соответствует верхняя кривая (рис. 1). Каждая следующая кривая была получена на том же элементе при постепенном снижении интенсивности света.

Кривая мощности

Если необходимо построить график зависимости выходной мощности от напряжения, то в результате можно было получить нечто подобное изображенному на рис. 3. На одном конце графика имеется максимальный ток при нулевом напряжении. Конечно, никакой мощности в этой точке не выделяется из-за отсутствия напряжения. На другом конце графика имеется максимальное напряжение при нулевом токе, в результате чего мощность также не выделяется.

Между этими двумя пределами при работе фотоэлектрического преобразователя в нагрузке выделяется мощность, причем пиковая мощность выделяется лишь в одной точке. Именно в ней совокупность всех факторов обеспечивает отбор наибольшей энергии от солнечного элемента. Пиковая мощность соответствует напряжению около 450 мВ (0,45 В), что случайно совпало с перегибом кривой тока, показанной на рис. 1.

То, что семейство кривых тока имеет одинаковую форму, означает, что мы всегда получим максимальную мощность при одном и том же напряжении независимо от яркости солнца. Конечно, фактическая мощность будет зависеть от интенсивности солнечного излучения в данное время, однако пиковая мощность будет наблюдаться при одном и том же напряжении. Таким образом, чтобы правильно оценить качество кремниевого солнечного элемента, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,45 В, а затем измерить выходную мощность. Этот метод эффективен не только для сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, но и для оценки качества отдельного элемента.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

 

Рис. 3

Разработка схемы тестера

Как уже было сказано, для тестирования солнечных элементов можно использовать схему, изображенную на рис. 2. Кстати, это быстрый и простой способ, в соответствии с которым после подключения элемента в указанную схему требуется всего лишь выставить соответствующее напряжение с помощью потенциометра и снять показания приборов, измеряющих напряжение и ток. Перемножив напряжение и ток, можно получить величину мощности.

Однако все элементы слегка различаются, и, следовательно, сопротивления, соответствующие пиковой мощности отдельных элементов, будут также различными» И в соответствии с этим необходимо каждый раз изменять сопротивление нагрузки, чтобы восстановись требуемое рабочее напряжение. Кроме того, энергия, вырабатываемая солнечным элементом, полностью рассеивается на потенциометре, обусловливая его нагрев и нестабильность.

 Коренным решением данной проблемы была бы замена нагрузочного резистора в схеме. Что может быть лучше транзистора? Это прекрасная замена. В данном конкретном применении транзистор можно рассматривать как динамическое сопротивление.

Небольшой ток базы транзистора, задаваемый как показано на рис. 4, вызывает значительное изменение тока коллектора. Ток базы фактически изменяет сопротивление транзистора, которое в свою очередь используется в качестве нагрузки для солнечного элемента.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

 

Рис. 4

К сожалению, транзистор обладает тем же недостатком, что и потенциометр, т. е. необходимостью подстройки базового тока при смене тестируемого элемента. Такая операция незатруднительна при небольшом количестве элементов, но предположим, что вам необходимо проверить 30, 40 или больше элементов. Это отнимет слишком много времени.

Неплохо было бы найти способ автоматически подстраивать базовый ток без необходимости установки его каждый раз вручную. Было бы весьма желательно иметь параллельный стабилизатор напряжения.

Принцип работы схемы

Параллельный стабилизатор напряжения представляет собой регулятор, охваченный петлей обратной связи, использующей входное напряжение для управления током базы. Независимо от первоначального напряжения на входе параллельный стабилизатор изменяет свое шунтирующее сопротивление так, чтобы выходное напряжение поддерживалось на требуемом уровне.

В результате мы приходим к схеме, представленной на рис. 5, в которой для регулирования базового тока транзистора используется операционный усилитель. Резистор сопротивлением 220 Ом служит для ограничения тока базы.

Регулятор сравнивает входное напряжение, поступающее от фотоэлектрического преобразователя, с опорным напряжением.

Обычно в качестве источника опорного напряжения используется схема на стабилитроне. Однако в нашем случае потребовался бы стабилитрон с предельно низким напряжением стабилизации, желательно ниже 1 В. К сожалению, стабилитроны на такие напряжения либо весьма чувствительны к изменению температуры, либо дороги (обычно и то и другое вместе).

С другой стороны, прямосмещенный кремниевый диод может служить прекрасным низковольтным источником опорного напряжения.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 5

Диод D1, прямое смещение на котором задано резистором определяет диапазон напряжений регулятора, ограничивая напряжение на регулировочном резисторе «калибровка». Опорное напряжение с движка этого потенциометра подается на неинвертирующий вход усилителя. На инвертирующий вход усилителя через резистор R3 подается напряжение фотоэлектрического преобразователя. Резистором R4 задается величина коэффициента усиления операционного усилителя (в данном случае она составляет 100).

Благодаря своей особенности операционный усилитель пытается выравнять напряжение на своих инвертирующем и неинвертирующем входах, управляя током, текущим через шунтирующий регулировочный транзистор Q1. Транзистор снижает входное напряжение до такой величины, что оно становится равным напряжению на отводе резистора VR1. Это напряжение может регулироваться в пределах 0—0,7 В.

Тем не менее реально транзистор не может иметь нулевого сопротивления, которое требуется, чтобы снизить напряжение до нуля. Как бы вы ни старались, на транзисторе сохранится небольшое остаточное напряжение величиной около 150 мВ. Это ограничивает диапазон регулирования в пределах 0,15—0,7 В.

Измерение напряжения на солнечном элементе осуществляется вольтметром Ml, а тока, протекающего через шунтирующий транзистор,— амперметром М2. Мощность (в ваттах) определяется перемножением показаний обоих приборов.

Вольтметр подключается непосредственно к элементу. Он представляет собой щитовой прибор, рассчитанный на ток 1 мА, с последовательным ограничивающим резистором R12, который позволяет индицировать 1 В при отклонении на полную шкалу.

С другой стороны, для измерения тока вместе с амперметром М2 используется операционный усилитель. Схема построена так, что ток эмиттера транзистора Q1 должен протекать через резистор R13. Этот ток соответствует току, генерированному солнечным элементом.

При протекании тока на резисторе R13 создается небольшое падение напряжения. Оно усиливается дифференциальным усилителем, напряжение на инвертирующий и неинвертирующий входы которого подается через резисторы #6 и #7 соответственно.

Величина коэффициента усиления контролируется резисторами R8—R10. Резистор R8 постоянно подключен между выходом и инвертирующим входом. Его сопротивление составляет 3 МОм, а соответствующее значение коэффициента усиления — 300. Когда через резистор #13 протекает ток, равный 100 мА, выходное напряжение усилителя составляет 1 В.

Выходное напряжение дифференциального усилителя измеряется вольтметром, идентичным вольтметру M1. Этот прибор отградуирован в единицах тока. В нашем случае напряжению 1 В соответствует ток 100 мА.

При подключении параллельно резистору R8 резистора R10 коэффициент усиления уменьшается до 60. В этом случае напряжению 1 В на выходе усилителя соответствует ток 500 мА, протекающий через R13. Таким образом мы расширили диапазон измеряемых токов, охватывающий значения 100—-500 мА. Аналогично при параллельном подключении резистора R9 к резистору r8 можно измерять токи в диапазоне 0—3 А.

Конструкция тестера

Хотя тестер для проверки солнечных элементов можно изготовить любым способом, настоятельно рекомендую использовать печатный монтаж. Печатная плата показана на рис. 6.

Детали схемы разместите согласно рис. 7 и припаяйте их, соблюдая полярность включения полупроводников. Обратите внимание на то, что шунтирующий транзистор Q1 расположен на фольгирован-ной стороне платы. Транзистор необходимо осторожно привинтить к большой медной площадке, выполняющей роль теплоотвода. При этом изолировать корпус транзистора не требуется.

Идеально резисторы R6 и R7 должны образовать согласованную дару. Однако точные резисторы дороги и их трудно приобрести. Поэтому я рекомендую взять небольшую группу резисторов номиналом 10 кОм и промерить их с помощью цифрового мультимера.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 6

 

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 7

Чтобы найти два подходящих друг другу резистора, не потребуется много времени. Оставшиеся компоненты можно использовать в качестве резисторов R2 и R3.

С другой стороны, резистор 13 — не обычный резистор. Я сомневаюсь, что вы сможете найти подобный резистор в обычном магазине. Но его можно изготовить из отрезка проволоки длиной 10 см и диаметром 0,26 мм, которая обычно используется для обмоток. Намотайте проволоку на каркас (карандаш), чтобы полученная катушка точно разместилась на плате.

От точности подбора величины резистора R13 зависит точность измерения тока. С целью повышения точности можно начать с отрезка проволоки чуть длиннее 10 см и укорачивать его, контролируя величину тока по амперметру М2.

Два измерительных прибора, регулятор «калибровка» и переключатель диапазонов, размещаются вместе с печатной платой в любом подходящем корпусе. Соединяя эти компоненты, необходимо соблюдать полярность.

Для подачи питания прибора необходимы два 12-вольтных источника с выводами положительной и отрицательной полярности и общим заземленным проводом. Тип источников питания и величина напряжения не критичны. При желании питание тестера можно осуществить с помощью двух 9-вольтных батарей для транзисторных приемников. Схема одного из возможных источников питания показана на рис. 8.

Схема тестера для проверки солнечных элементов

Рис. 8

Вероятно, сложнее всего найти или изготовить держатель с контактным устройством для солнечных элементов. Здесь необходимо самому проявить некоторую фантазию. Плоская алюминиевая пластинка размером чуть больше самого элемента может служить хорошим электродом, обеспечивающим соединение с тыльным1 контактом элемента, в то время как щуп от вольт-омметра будет прекрасным контактом к лицевой стороне солнечного элемента. Для авто-метизации тестирования, возможно, потребуется купить или изготовить особый зажим. Как я уже сказал, потребуется немного воображения и понимания того, что конкретно- необходимо.

Пользоваться тестером очень просто. Надо подключить элемент к схеме, осветить его и снять показания. Тыльный контакт элемента является положительным электродом и подсоединяется к положительному входу тестера. Токосъемная сетка на лицевой поверхности элемента является отрицательным электродом и присоединяется к заземленному выводу тестера.

Необходимо обеспечить надежный контакт с электродами элемента. Поскольку мы имеем дело с достаточно малым напряжением, даже небольшое сопротивление контактов может привести к значительной разнице в показаниях. Для обеспечения надежного соединения необходимо, чтобы контакты достаточно хорошо прижимались к элементу. Тем не менее следует избегать избыточного давления, так как элементы весьма тонкие, хрупкие и легко ломаются! Вот где пригодится хорошо продуманное контактное устройство для элементов.

Регулятором «калибровка» устанавливают рабочее напряжение, при котором производится измерение мощности. Оно обычно устанавливается один раз на уровне 450 мВ. Тем не менее при необходимости величину рабочего напряжения можно изменить. Короче говоря, при наличии тестера можно не гадать о параметрах элементов, а измерить их.

Список деталей

Резисторы

R1 — 100 Ом

R2, R3 —100 кОм

R4—1 МОм

R5—220 Ом

R6, R7—10 кОм (см. текст)

R8—3 МОм

R9—100 кОм

R10—750 кОм

R11, R12—910 Ом

R13—0,033 Ом (см. текст)

Конденсаторы

C1, С2—0,1 мкФ, 50 В

Полупроводники

ІС1 —1458

Q1—BCG187

D1—1N914

Остальные детали

M1, М2 — щитовые стрелочные приборы с диапазоном измерений 0-1 мА

S1 — переключатель нa одно направление на три положения

VR1—50KОм, потенциометр

Держатель солнечного элемента

Корпус

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

0 2196 На солнечных батареях
тестер солнечная батарея
cashback