Ричард Г. Борн, Университет Северного Иллинойса, Управление операциями и информационные системы

Растущий интерес к «зеленому» использованию альтернативных источников энергии делает изучение солнечной энергии особенно подходящим для студентов-физиков. Солнечные панели на крышах домов могут стоить тысячи долларов с периодом окупаемости порядка десятков лет. И все же некоторые люди готовы заплатить цену, чтобы сыграть свою роль в защите нашей планеты.

Многие вопросы стоят перед домовладельцем, обдумывающим установку солнечных панелей. Один из наиболее распространенных вопросов: «Какое влияние оказывают условия неба на выходную мощность солнечной панели?» Насколько сильно затуманенное пасмурное небо уменьшит выходную мощность? Приводят ли облачные облака в хорошую погоду к значительному снижению выходной мощности по сравнению с чистым голубым небом? Какого снижения производительности можно ожидать от теней от соседних деревьев?

Чтобы исследовать эти вопросы, была построена схема, показанная ниже. Он состоит из небольшой (9 ″ x12 ″) 9-ваттной солнечной панели (139 долларов США от SolarMade.com), обычно используемой для 6-вольтных и 12-вольтовых систем зарядки. Токовый зонд Вернье и груз.

Две рекомендуемые нагрузки: (1) восемь крошечных ламп накаливания на елку, последовательно срезанных из старой цепочки из 50 ламп, или (2) два 68-омных резистора на плате Вернье, подключенных последовательно, для общего сопротивления 136 Ом , Преимущество источников света состоит в том, что учащийся может четко видеть, что панель вырабатывает энергию, но их недостатком является то, что они не являются омическими и, следовательно, не обеспечивают постоянного сопротивления для расчета мощности с использованием P = I2R.

Зонд напряжения не может использоваться здесь, наряду с уравнением P = VI, так как напряжение от солнечной панели было около пика 17 вольт, что превышает максимум 10 вольт, допустимый датчиком напряжения. Преимущество двух 68-омных резисторов состоит в том, что они омические, и поэтому можно использовать P = I2R для вычисления выходной мощности от солнечной панели. Эти 5-ваттные резисторы, управляемые током около 0,13 А от солнечной панели, при пиковой нагрузке вырабатывали чуть более 2 Вт и были довольно теплыми на ощупь, предоставляя учащемуся другое средство убеждения, что солнечная панель производит мощность.

На рисунке ниже показана используемая настройка. Картонная коробка обеспечивает тень для Vernier LabQuest и фонари (или, наоборот, Вернье печатная плата с двумя 68-омными резисторами). Солнечная панель опирается на две панели, чтобы обеспечить конвективный поток воздуха, чтобы поддерживать температуру панели как можно ниже. (Научные исследования показали, что тепло снижает выходную мощность солнечных батарей.)

Эксперимент проводился в течение 15 часов в день, который обеспечивал различные условия неба, от примерно восхода до захода солнца. Текущие показания снимались текущим датчиком каждые 15 секунд. Результаты суммированы и аннотированы в диаграмме Excel, показанной ниже. Диаграмма была создана из данных, экспортированных из Logger Pro файл собран LabQuest ,

Для каждой из аннотированных областей на диаграмме Excel был рассчитан выход солнечной панели в джоулях / часах, и, наконец, был рассчитан процент энергии, выделяемой солнечной панелью для каждого из условий неба, по сравнению с выходом ПИК на «высоком полдень".

Отмечены следующие наблюдения:

1. Вскоре после восхода солнца, когда солнце было скрыто обоими деревьями и тяжелым пасмурным небом, видно, что солнечная панель вырабатывала энергию только на 3% своего пика. Когда солнце находилось над деревьями, но все еще скрывалось от сильных облаков, панель вырабатывала энергию примерно на половине своей максимальной мощности.
2. Синее небо со случайными кучевыми облаками в хорошую погоду приводило к почти идентичной мощности солнечной панели в Джоулях в час по сравнению с чистым голубым небом. Разумно, что эти кучевые облака могли сделать «пик» немного ниже, чем он был бы, если бы небо было чистым в течение полуденного промежутка времени.
3. Частые полуденные тяжелые темные облака на голубом небе в середине и конце дня привели к снижению выработки солнечной энергии примерно на 30%.
4. Перед закатом, когда солнце снова было скрыто деревьями, но в остальном чистое небо, солнечная панель вырабатывала энергию на 15% своего пика.