Спосіб термоциклічних випробувань сонячних фотоелектричних панелей

Реферат: Спосіб термоциклічних випробувань сонячних фотоелектричних панелей включає освітлення об'єкта термоциклювання світлом з густиною потоку випромінювання 500-600 сонць для вимірювання його фотоелектричних характеристик, після чого проводять n-циклів охолодження об'єкта газоподібним азотом та його нагрівання, після чого знову вимірюють фотоелектричні параметри об'єкта. Об'єкт термоциклювання закріплюють тримачем і охолоджують безпосередньо в потоці охолодженого газу з посудини Дьюара, а нагрівають і освітлюють його шляхом опромінення галогенною лампою потужністю 2000-2500 Вт. UA 103172 U (12) UA 103172 U UA 103172 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напівпровідникової сонячної енергетики і може бути використана для температурних випробувань сонячних модулів (CM) або сонячних панелей (СП) космічного та наземного призначення. CM (або СП) є єдиним поновлюваним джерелом електроенергії для штучних супутників Землі (ШСЗ). Робота СП пов'язана з періодичним нагрівом та охолодженням. Для СП космічних супутників після виходу на орбіту та прийняття робочого положення, час активної роботи визначається стійкістю до циклічних змін температури пов'язаної з періодичним заходом в тінь Землі та виходом на Сонце. Час перебування в тіні та на сонці визначається швидкістю обертання ШСЗ та радіусу його орбіти навколо Землі. Для наземних СП зміна температури пов'язана зі сходом сонця вранці та його заходом вечері і є одним головних деградаційних факторів, що визначають термін її експлуатації на землі. Деградація наступає внаслідок зміни фізичних розмірів елементів СП при нагріванні сонячним випромінюванням та охолодженні при його відсутності. Як відомо, СП складається з різних матеріалів і кожен матеріал має свій коефіцієнт термічного розширення (КТР). Відповідно, при зміні температури навколишнього середовища різні складові матеріали СП будуть змінювати свої фізичні розміри по-різному. Таким чином, термін роботи СП залежить від стійкості СП до фактору термоциклювання. Тому кожну нову деталь або цілу конструкцію СП необхідно перевіряти на стійкість до дії цього фактора. Такі випробування проводяться на спеціальному обладнанні, яке імітує періодичну зміну температури СП. В патенті США US № 5269370 (аналог) запропонована установка для термоциклічних випробувань з періодичним почерговим перенесенням досліджуваного об'єкта в гарячу та холодну зону. Термоциклювання може відбуватися у вакуумі, на повітрі або в атмосфері будьякого інертного газу [1]. Недоліком цієї методики є тривалий час термоциклу, який пов'язаний з необхідністю перенесення об'єкта з одної зони в іншу, та високі витрати на обслуговування вакуумного обладнання, холодильника та нагрівача. Нагрівання елементів конструкції СП, як в умовах вакууму, так і на повітрі відбувається досить легко і швидко за рахунок поглинання променистої енергії джерела сонячного світла. В той же час охолодження СП у вакуумі проходить за рахунок теплового випромінювання і потребує значно більшого часу, складних холодильників та значних енерговитрат. Для прискорення термоциклювання необхідно, щоб досліджуваний об'єкт знаходився в теплопровідному середовищі, якому він і буде віддавати свою температуру. Для ще більшого ефекту необхідно забезпечити рух цього теплопровідного середовища навколо об’єкта термоциклювання, адже за таких умов тепло від об’єкта дослідження відбирається значно інтенсивніше і, відповідно, охолодження відбувається значно швидше, ніж у вакуумі чи при «стоячому» теплопровідному середовищі. В патенті США US № 5290101 (аналог) охолодження та нагрів об’єкта термоциклювання відбувається за рахунок його періодичного занурення у відповідно нагріті та охолоджені рідини до заданої температури [2]. За таких умов термоциклювання відбувається доволі швидко, проте необхідність перенесення об’єкта із одної частини установки в інший збільшує час термоциклу. Додатковим недоліком такої методики є необхідність контактування з певними рідинами, що не завжди коректно відображає деградацію об’єкта при термоциклічному тестуванні. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є патент США US № 8201994 [3] (прототип). В ньому об'єкт термоциклювання для проходження випробувань розміщується на теплопровідному столику, де під дією концентрованого світла імітатора сонячного випромінювання вимірюються вихідні фотоелектричні характеристики. Цей столик є верхньою частиною робочої камери, до якої з балона подається азот у газоподібному стані. В цій установці азот використовується і як охолоджувач (після додаткового охолодження до температури -40 °С), і як джерело нагрівання (після додаткового підігріву до температури 90 °С). Імітатором сонячного світла є галогенна лампа, що забезпечує концентрацію випромінювання 500 сонць. Даний спосіб дозволяє забезпечити термоциклічні випробовування об’єкта дослідження без контакту з теплопровідним рідким середовищем, яке може спотворити результати дії деградаційних процесів в об'єкті. Проте розташування об’єкта на термоциклювальному столику обумовлює вплив температури тільки з боку теплопровідного столика, що збільшує час проведення власне термоциклювальних випробувань до 20-26 хвилин. Таким чином, протягом робочого дня (8 годин) можна провести лише до 24 випробувань. В основу корисної моделі поставлена задача розробити більш простий та економічний спосіб термоциклічних випробувань СП (або CM), що дозволить збільшити кількість термоциклів за одиницю часу при збереженні можливості контролю стану об’єкта термоциклювання по його фотоелектричним характеристикам. 1 UA 103172 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що спосіб термоциклічних випробувань сонячних фотоелектричних панелей, що включає освітлення об’єкта термоциклювання світлом з густиною потоку випромінювання 500-600 сонць для вимірювання його фотоелектричних характеристик, після чого проводять n-циклів охолодження об’єкта газоподібним азотом та його нагрівання, після чого знову вимірюють фотоелектричні параметри об’єкта, згідно з корисною моделлю об'єкт термоциклювання закріплюють тримачем і охолоджують безпосередньо в потоці охолодженого газу з посудини Дьюара, а нагрівають і освітлюють його шляхом опромінення галогенною лампою потужністю 2000-2500 Вт. В запропонованому способі термоциклічних випробувань, як і в прототипі, охолодження об’єкта термоциклювання відбувається за рахунок охолодженого газоподібного азоту. Проте, на відміну від прототипу, по-перше, об'єкт термоциклювання розміщується на спеціальному тримачі і охолодження відбувається не з одного боку, а з усіх сторін, адже процес проходить в потоці охолодженого газоподібного азоту, а по-друге, азот подається з посудини Дьюара, де він має температуру -196 °С, в той час, як в прототипі використовують азот з балона, охолоджений до -40 °С. Таким чином досягається значно більш швидке охолодження досліджуваного об'єкта. На відміну від прототипу, де нагрівання об’єкта термоциклювання відбувалося нагрітим азотом, що подавався з балона, в способі, що заявляється, для нагрівання об'єкта термоциклювання використовується та сама галогенна лампа, що і для вимірювання фотоелектричних параметрів СП (або CM). Таким чином нема необхідності в застосуванні такого додаткового обладнання, як потужний нагрівач та відповідне обладнання для його живлення та контролю, що робить спосіб, що заявляється, більш простим. Процес нагрівання відбувається за рахунок поглинання випромінювання від цієї лампи, а подача азоту під час нагрівання припиняється. Завдяки використанню галогенної лампи з густиною потоку випромінювання 500-600 сонць існує можливість контролю фотоелектричних властивостей досліджуваної СП (або СМ) при їх опромінюванні. Згідно зі способом термоциклічних випробувань, що пропонується цією корисною моделлю, було виготовлено дослідний зразок установки для термоциклічних досліджень, що показано на кресленні, де: 1 - робоча камера установки, 2 - фрагмент СП (або CM), 3 - тримач фрагменту СП (або CM), 4 - посудина Дьюара, наповнена рідким азоту, 5 - вхідний патрубок робочої камери, 6 - вихідний патрубок робочої камери, 7 - випаровувач з керованим електромагнітним клапаном, 8 - галогенна лампа, 9 - рефлектор, 10 - прозоре вікно, 11 - керуюча термопара, 12 - блок керування термоциклюванням, 13 - задавач мінімальної та максимальної температури циклу, 14 - лічильник термоциклів, 15 - система захисту від надмірного нагріву та охолодження, 16 - блок вимірювання температури з електронним цифровим вольтметром В7-23. Приклад конкретного використання способу термоциклічних випробувань сонячних фотоелектричних панелей на установці для його реалізації. Установка для термоциклічних випробувань (креслення) складається з робочої камери 1, куди поміщується фрагмент (СП або CM) 2, який в свою чергу розташовують на спеціальному тримачі 3, посудини Дьюара 4, наповненої рідким азотом, який надходить до робочої камери через вхідний патрубок 5 і виходить через вихідний патрубок 6. Азот надходить з випаровувача, обладнаного керованим електромагнітним клапаном 7. 8 - галогенна лампа з рефлектором 9. Випромінювання від лампи потрапляє на фрагмент СП (або CM) через прозоре вікно з подвійного тонкого скла, склеєного прозорим силіконовим каучуком 10. Температура досліджуваного зразка вимірюється керуючою термопарою 11, яку встановлену на тиловій стороні ФП фрагменту CM. Сигнал від цієї термопари подається до блока керування термоциклюванням 12, який містить задавач мінімальної та максимальної температури 13, лічильник термоциклів 14 та систему захисту від надмірного нагріву та охолодження 15. Сигнал термопари вимірюється електронним цифровим вольтметром В7-23 14. Робочу камеру 1 установки було виготовлено з внутрішнім розмірами 120x160x60 мм із спіненого полістиролу. Функціональні частини установки, які зазнавали перегріву від світла нагрівальної лампи 8, було захищено алюмінієвою фольгою товщиною 30 мкм. Вхідний та вихідний патрубки виготовлялися зі сталі. Рівномірність розподілу охолоджуючого азоту забезпечувалась тонкостінними мідними трубками діаметром 8 мм з отворами діаметром 1 мм, направленими в бік зразка. Тримач 3 було виготовлено з листа нержавіючої сталі товщиною 0,5 мм з розмірами 50x100x10 мм. В поперечному розрізі тримач має П-подібну форму та розташовується вздовж напрямку протікання потоку охолоджуваного азоту таким чином, щоб не створювати перешкод цьому потоку. Як лампа нагрівання та імітатор концентрованого сонячного випромінювання для вимірювання фотоелектричних характеристик слугували дві галогенні лампи КГ-1000 з рефлектором з полірованого алюмінію товщиною 200 мкм, які забезпечували густину потоку випромінювання 500 сонць. Як керуюча термопара 2 UA 103172 U 5 10 15 20 25 використовувалася термопара з міді та константану. Параметри Тmin, Tmax, dT/dt та інтенсивність потоку охолоджуючого азоту регулювались температурою нагрівача азотного живителя. Електронний захист від перегріву дублювався механічним плавким запобіжником з використанням сплаву Розе. Зважаючи на обмежений об'єм робочої камери, зразок CM 2 космічного або наземного призначення виготовлювався зменшених розмірів з урахуванням всіх технологічних та конструктивних особливостей повномасштабних СМ. Час термоциклу залежить від теплоємності зразку, а також темпу нагріву та охолодження, який задається блоком керування термоциклюванням 12. На зразках, які досліджувалися, час проведення одного термоциклу складав 4-5 хвилин при зміні температури від -60 до +60 °С, на відміну від прототипу, де на проведення одного термоциклу витрачалося 20-26 хвилин. Це дозволяло за робочий день робити близько 100 термоциклів. Таким чином спосіб, що заявляється, забезпечує проведення серії термоциклічних випробувань за більш короткий час без використання дорогого та складного вакуумного та охолоджувального обладнання, а також без контакту досліджуваного зразка із середовищем, яке б вносило похибку в дослідження його деградаційної стійкості (як і в прототипі). При цьому використання галогенної лампи потужністю 2000-2500 Вт дає можливість і нагріву, і контролю фотоелектричних властивостей досліджуваної СП (або CM) під концентрованим випромінюванням під час проведення випробувань. Джерела інформації: 1. Earl L. Christian, Kyle C. Owen. Thermal cycling device. Патент США US 5269370 A, Int. C1. G01N 3/60, G01N 25/72, F25B 29/00, filed: 28.03.1991, date of patent: 14.12.1993. 2. Paul J. Englert, Michael A. Olen. Liquid thermal cycling methods. Патент США US 5290101A, Int. C1. G01N 25/72, G01N 25/00, filed: 03.12.1992, date of patent: 01.03.1994. 3. Peter H. Hebert, Randolf J. Brandt. Flexible thermal cycle test equipmant for concentrator solar cells. Патент США US 8201994 B2, Int. C1. G01N 3/60, G01N 27/416, filed: 24.10.2008, date of patent: 19.06.2012. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб термоциклічних випробувань сонячних фотоелектричних панелей, що включає освітлення об'єкта термоциклювання світлом з густиною потоку випромінювання 500-600 сонць для вимірювання його фотоелектричних характеристик, після чого проводять n-циклів охолодження об'єкта газоподібним азотом та його нагрівання, після чого знову вимірюють фотоелектричні параметри об'єкта, який відрізняється тим, що об'єкт термоциклювання закріплюють тримачем і охолоджують безпосередньо в потоці охолодженого газу з посудини Дьюара, а нагрівають і освітлюють його шляхом опромінення галогенною лампою потужністю 2000-2500 Вт. 3 UA 103172 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4