Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Ciepłownictwa. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Temat ćwiczenia: Ćwiczenie nr 6 Laboratorium z przedmiotu: Odnawialne źródła energii Kod: OM1302 Opracowała: mgr inż. Anna Demianiuk październik 2012

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest analiza działania systemów fotowoltaicznej generacji w przypadku, gdy akumulatory nie są podłączone, w związku z czym wartość prądu zasilającego zależy wyłącznie od energii generowanej przez panele połączone szeregowo lub równolegle. 2. Podstawy teoretyczne Początki technologii fotowoltaicznej Efekt fotowoltaiczny jest to zjawisko wytworzenia się potencjału elektrycznego między dwoma elementami z podobnych materiałów w wyniku bezpośredniego działania na miejsce ich połączenia fotonami. Ogniwa fotowoltaiczne przetwarzają w ten sposób światło bezpośrednio na energię elektryczną. Efekt PV został odkryty w 1839 przez francuskiego fizyka Becquerela. Pierwsze komercyjne zastosowanie odkrycia zaryzykowało Bell Laboratories, które w 1954 roku wyprodukowało pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne. Rozwiązanie to wkrótce znalazło zastosowanie w programach kosmicznych USA ze względu na swoją wysoką wydajność wytwarzania energii odniesioną do jednostki masy. Od tego czasu stało się ważnym źródłem energii dla satelitów Podstawowe wielkości i jednostki Symbol Znaczenie Jednostka I natężenie prądu A I sc prąd zwarcia A I mp prąd w punkcie pracy (przy mocy maksymalnej) A V napięcie prądu (różnica potencjałów) V V oc napięcie jałowe (napięcie ogniwa otwartego) V V mp napięci w punkcie pracy (przy mocy maksymalnej) V P max moc maksymalna ogniwa W E natężenie promieniowania elektromagnetycznego (w programie SRL) W/m 2 S pole powierzchni ogniwa m 2 R rezystancja Ω 2.3. Budowa fotowoltaicznego Najczęściej stosowane współcześnie ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z dwóch półprzewodników o różnych typach przewodnictwa p i n, gdzie półprzewodnik p jest to materiał, w którym większościowym nośnikiem prądu są dziury elektronowe. W półprzewodniku typu n występuje więcej elektronów. 2

3 Rys. 1. Budowa podstawowego ogniwa PV Aby umożliwić wykorzystanie prądu pochodzącego z konwersji fotoelektrycznej, do obydwu stron złącza przytwierdzone są styki. Styk, w postaci folii przewodzącej, przymocowany jest na dolnej (ciemnej) powierzchni ogniwa oraz na jednej z górnych krawędzi (po stronie oświetlonej). Cienka siatka przewodząca na pozostałej, górnej powierzchni, przewodzi prąd i przepuszcza promieniowanie do powierzchni absorbującej. Rozstaw włókien przewodzących w siatce jest kwestią kompromisu pomiędzy zwiększaniem przewodności elektrycznej i minimalizacją ograniczenia przepuszczalności promieniowania. Poza podstawowymi elementami, ogniwa budowane obecnie są wyposażane w dodatkowe, ulepszające elementy, takie jak: antyrefleksyjne powłoki - w celu zmaksymalizowania absorpcji promieniowania, pokrycie szklane stosowane z przezroczystym klejem w celu ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi Łączenie ogniw fotowoltaicznych Rys. 2. Organizacja elementów PV Ogniwo PV opisane powyżej jest podstawowym budulcem układu energii fotowoltaicznej. Ma ono zazwyczaj powierzchnię kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych i wytwarza moc o wartości 1 W. W celu uzyskania dużych mocy, wiele takich ogniw łączy się w szeregowych i równoległych obwodach w panel (moduł) mający powierzchnię kilku 3

4 metrów kwadratowych. Panele słoneczne (lub układy) definiuje się jako grupę kilku modułów w połączeniach szeregowo-równoległych służących do wygenerowania prądu o pożądanych parametrach napięcia i natężenia Temperatura pracy Wraz ze wzrostem temperatury panelu fotowoltaicznego, rośnie nieznacznie wartość prądu zwarcia w ogniwach, jednocześnie zauważalnie spada wartość napięcia jałowego. Wpływ temperatury na moc może być oceniony ilościowo, przez oddzielne badanie jej wpływu na prąd i na napięcie. Przyjmując, że I sc i V oc są odpowiednio wartościami prądu zwarcia i napięcia jałowego w temperaturze odniesienia T, oraz że i są odpowiadającymi im współczynnikami strat temperaturowych, to w przypadku wzrostu temperatury pracy nowe wartości prądu i napięcia będą miały postać: Isc Io 1 T (1) Voc Vo 1 T (2) Zmiany prądu i napięcia pozostają w przybliżeniu w takiej samej proporcji, jak prąd zwarcia i napięcie obwodu otwartego, w związku z czym skorygowana moc może zostać przedstawiona za pomocą zależności: 1 1 P V I I T V T lub P P 1 T o o o Ponieważ w wyniku wzrostu temperatury pracy ogniwa wzrost natężenia prądu jest znacznie mniejszy niż spadek napięcia, to wartość mocy panelu fotowoltaicznego maleje wraz ze wzrostem temperatury pracy. Producenci paneli fotowoltaicznych określają w kartach katalogowych wartości współczynników strat temperaturowych prądu zwarcia, napięcia obwodu otwartego oraz mocy (Tab.1). Tabela 1. Parametry panelu A-66P(66W) Moc maksymalna (warunki STC) P mp (±8%) 66 W Ilość ogniw 36 - Sprawność panelu 12,87 % Natężenie prądu mocy maksymalnej I mp 3,76 A Napięcie mocy maksymalnej V mp 17,53 V Prąd zwarciowy I sc 4,06 A Napięcie jałowe V oc 21,78 V Maksymalne napięcie systemu V max 1000 V Współczynnik strat temperaturowych I sc () 0,04 %/ C Współczynnik strat temperaturowych V oc () -0,32 %/ C Współczynnik strat temperaturowych P () -0,43 %/ C (3) (4) 4

5 Na podstawie tabeli 1 można stwierdzić, że w przypadku panelu zainstalowanego w laboratorium wzrost temperatury pracy nawet o 1C powyżej temperatury odniesienia powoduje spadek mocy wyjściowej panelu o 0,43 %. Na Rys. 3 przedstawiona jest charakterystyka prądowo napięciowa rzeczywistej eksploatacji panelu 66 W dla natężenia promieniowania o wartości 0,1 kw/m 2 w różnych temperaturach pracy. Rys. 3. Wpływ temperatury na charakterystykę prądowo napięciową panelu przy natężeniu promieniowania o wartości 0,1 kw/m Łączenie źródeł prądu stałego Połączenie szeregowe Rys. 4. Schemat szeregowego połączenia źródeł prądu W bardzo dużym uproszczeniu można przyjąć, że przy połączeniu szeregowym dowolnej liczby źródeł napięcia, napięcie źródła zastępczego jest równe algebraicznej sumie napięć źródłowych poszczególnych źródeł. W związku z tym napięcie na zaciskach układu wzrasta i stanowi, teoretycznie, sumę napięć źródłowych. Zatem, w przypadku paneli fotowoltaicznych, charakterystykę prądowo napięciową układu, w którym panele połączone są szeregowo można przedstawić w następujący sposób: 5

6 Rys. 5. Charakterystyka I-V dwóch paneli 66 W połączonych szeregowo (E=0,5 kw/m 2 ) Połączenie równoległe Rys. 6. Schemat równoległego połączenia źródeł prądu Połączenie równoległe źródeł (o jednakowym lub zbliżonym napięciu źródłowym) powoduje wzrost natężenia prądu. Zgodnie z I Prawem Kirchoffa, natężenie prądu w obwodzie będzie sumą natężeń połączonych równolegle źródeł. W związku z tym, jeżeli rozpatrywane będą dwa jednakowe panele fotowoltaiczne, charakterystykę prądowo napięciową układu, w którym panele te połączone są równolegle można przedstawić w następujący sposób: Rys. 7. Charakterystyka I-V dwóch paneli 66W połączonych równolegle (E=0,5 kw/m 2 ) 6

7 3. Metodyka badań 3.1. Budowa stanowiska Rys. 8. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer Rys. 9. Schemat stanowiska z kolektorami słonecznymi fotowoltaicznymi 7

8 3.2. Metodyka pomiarów Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy upewnić się, że pokrętło obciążenia DC ustawione jest w pozycji maksymalnego oporu (pozycja w prawo). Następnie wykonać kolejne kroki: 1) Ustawić przełącznik obciążenia DC ( load selector ) w pozycji 1 (obwód otwarty). 2) Podłączyć lampy DC równolegle z regulatorem obciążenia (GÓRNE POŁOŻENIE PRZEŁĄCZNIKA ON/OFF). 3) Podłączyć zasilanie trójfazowe, a następnie, po upewnieniu się że wszystkie czujniki są prawidłowo podłączone, uruchomić interfejs. 4) Ustawić pokrętło obciążenia układu do pozycji maksymalnego oporu (pozycja w prawo). 5) Wybrać połączenie równoległe paneli ustawiając przełącznik Series/Parallel na parallel. 6) Włączyć PANEL-1 i PANEL-2. 7) Ustawić kontrolery SUN-1 i SUN-2 w pozycji podanej przez prowadzącego. 8) Po ustabilizowaniu się pracy lamp odczytać i zanotować wartości napięcia obwodu otwartego (czujnik DC-2) i promieniowania (czujnik SRL) 9) Po upewnieniu się, że pokrętło regulatora obciążenia ustawione jest w pozycji maksymalnego oporu (100%) ustawić przełącznik obciążenia w pozycji 2 10) Zanotować wskazania czujników napięcia i natężenia prądu oraz natężenia oświetlenia (DC-1, DC-2 i SRL). 11) Zmienić pozycję regulatora obciążenia do wartości około 90% R i zanotować wartości uzyskanych parametrów. 12) Powtarzać punkt 11 zmniejszając obciążenie o ok. 10% aż do osiągnięcia wartości 0% R, która jest punktem zwarcia dla panelu słonecznego. 13) Przywrócić ustawienie początkowe regulatora obciążenia R 14) Przywrócić warunki początkowe i powtórzyć ćwiczenie (punkty 5 8) dla połączenia szeregowego paneli (przycisk parallel/series ). Uwaga: Należy pamiętać, aby nie pozostawiać przełącznika regulatora obciążenia w pozycji minimalnego oporu przez długi czas! Uwaga 2. Należy upewnić się że podczas wykonywania ćwiczenia akumulator jest odłączony - kontrolka nad przełącznikiem nie świeci się. 8

9 Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów Obciążenie Połączenie równoległe Połączenie szeregowe układu I V Wr I V Wr [%] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] max: min: V oc [ ] 0 0 E śr : I sc [ ] 0 0 T [ ] E śr : Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 9

10 3.3. Analiza wyników 1) Na podstawie wyników z ćwiczenia nr 2 (Określenie charakterystycznych parametrów paneli słonecznych fotowoltaicznych) należy przeliczyć wartości natężenia prądu I 1 i I 2 na wartości I 1teor i I 2teor odpowiadające wartościom natężenia promieniowania podczas wykonywania badania paneli połączonych szeregowo i równolegle, korzystając z zależności: Esr I1teor I1 E (5) 1 sr Esr I2 teor I2 E (6) 2 sr gdzie: E 1śr uśredniona wartość promieniowania przy badaniu panelu 1 (wyniki z ćwiczenia 2), W/m 2, E 2śr uśredniona wartość promieniowania przy badaniu panelu 2 (wyniki z ćwiczenia 2), W/m 2, E śr uśredniona wartość promieniowania przy badaniu paneli połączonych szeregowo lub równolegle (wyniki z ćwiczenia 6) Wyniki zapisać w tabeli 3. 2) Na podstawie wyników z ćwiczenia nr 2 obliczyć teoretyczne wartości napięcia i natężenia prądu generowanego przez badane panele przy połączeniu paneli: szeregowo, korzystając z zależności: V V 1 V (7) 2 I teor I teor, jeżeli I teor I (8) teor I I1 teor, jeżeli I1 teor I2 teor I2 teor, jeżeli I2 teor I1 teor równolegle, korzystając z zależności: V V V 1 2 (9) I I I 1teor 2 teor (10) Wyniki zapisać w tabeli 3. 10

11 Tabela 3. Zestawienie wyników obliczeń PANEL -1 PANEL -2 E 1śr = W/m 2 E 2śr = W/m 2 Połączenie szeregowe E śr = W/m 2 Połączenie równoległe E śr = W/m 2 I 1 I 1 teor V 1 I 2 I 2 teor V 2 I V I V [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ) Sporządzić dwie charakterystyki prądowo napięciowe: na podstawie wartości zmierzonych w ćwiczeniu (Tabela 2) oraz wartości teoretycznych (Tabela 3) (w dwóch osobnych układach współrzędnych - dla połączenia szeregowego i równoległego). 4) Na podstawie zmierzonych wartości (Tabela 2) obliczyć moc paneli połączonych szeregowo i równolegle, zgodnie ze wzorem (11) P V I (11) Sporządzić wykres zależności mocy od panującego w układzie napięcia oraz zaznaczyć punkt mocy maksymalnej. 5) We wnioskach porównać charakterystyki I-V uzyskane w ćwiczeniu dla połączenia szeregowego i równoległego paneli z charakterystykami sporządzonymi dla wartości teoretycznych. 11

12 4. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: 1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, b) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, c) przebieg realizacji eksperymentu, d) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, e) wykresy i charakterystyki, f) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków. 4) Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). 5. Wymagania BHP Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w laboratorium. W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych bez polecenia prowadzącego Ostrzeżenia i środki ostrożności 1) Należy unikać bezpośredniego kontaktu wzrokowego z panelem lamp ultrafioletowych, a gdy zaistnieje taka potrzeba stosować okulary ochronne. 2) Nie należy dotykać lamp ani paneli fotowoltaicznych podczas pracy z urządzeniem z uwagi na wysoką temperaturę ich pracy. 3) Urządzenie działa przy stosunkowo wysokich napięć i prądów niebezpiecznych dla ludzi w przypadku bezpośredniego kontaktu. 6. Literatura uzupełniająca 1) Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa ) Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, ) Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, ) Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji. Gliwice,