Akademia Górniczo Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział IEiT. Ćwiczenie laboratoryjne Badanie modułu fotowoltaicznego

Transkrypt

1 Akademia Górniczo Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział IEiT Katedra Elektroniki Alternatywne Źródła Energii Ćwiczenie laboratoryjne Badanie modułu fotowoltaicznego Opracowanie instrukcji: dr inż. Barbara Swatowska, mgr inż. Łukasz Rachwał

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem ogniwa (modułu) fotowoltaicznego wykonanego z krzemu multikrzystalicznego. W ćwiczeniu zostaną zmierzone wybrane parametry elektryczne pojedynczych ogniw, a także charakterystyka prądowo napięciowa modułu, z uwzględnieniem dwóch wariantów połączenia składowych ogniw (szeregowe i równolegle). Wymagane wiadomości teoretyczne Efekt fotoelektryczny wewnętrzny i zewnętrzny, efekt fotowoltaiczny, działanie i budowa ogniwa fotowoltaicznego, charakterystyka prądowa napięciowa i związane z nią parametry (od czego i jak zależą), rodzaje ogniw, sprawność obecnie produkowanych ogniw, metody zwiększania sprawności ogniw, sposoby łączenia ogniw, przykłady zastosowania, system fotowoltaiczny i jego składowe. Wyposażenie stanowiska a) 2 moduły fotowoltaiczne z krzemu multikrystalicznego, zalaminowane, o wymiarach 21 mm x 62 mm, b) zasilacz prądu stałego, c) multimetr DT9205A oraz multimetr DT9208A rezystancja wewnętrzna obu multimetrów w funkcji amperomierza dla zakresu 200 ma wynosi ok. 1,35 Ω. d) potencjometr, e) żarówka (6 V/ 0,5 A). Multimetry wyposażone są w funkcję auto power off, tzn. wyłączają się automatycznie po pewnym czasie. Wówczas należy nacisnąć przycisk wyłącznika POWER. Wykonanie ćwiczenia Przy badaniu połączenia szeregowego i równoległego mierzonymi wartościami będą prąd zwarcia (I SC ) oraz napięcie obwodu otwartego (U OC ). 1) Połączenie szeregowe modułów fotowoltaicznych Zestawić układ zgodnie z rysunkiem 1. Dwa moduły są połączone szeregowo i umieszczone w równej odległości od źródła światła. Użyć żarówki o następujących parametrach U = 6 V, I = 0,5 A. Na zasilaczu ustawić napięcie i prąd odpowiednio do zastosowanej żarówki. Uaktywnić wyjście zasilacza i wyłączać/włączać dopływ prądu za pomocą przełącznika. 2

3 Rys. 1. Układ pomiarowy 1 pomiar napięcia i natężenia prądu całkowitego W czasie pomiarów zaświecić żarówkę. Dokonując, w razie potrzeby, samodzielnej modyfikacji wyjściowego układu pomiarowego należy zmierzyć napięcie całkowite oraz napięcie na każdym module z osobna (nie zmieniając przy tym położenia modułów względem źródła światła). Pomiaru napięcia dokonać na zakresie 2 V (DC). Kolejno zmierzyć natężenie prądu całkowitego i natężenie prądu każdego modułu indywidualnie (także zwracając uwagę, żeby nie przesunąć modułów względem żarówki). Na rysunku 2 przedstawiono sposób pomiaru prądu pojedynczego modułu. Pomiar prądu wykonać na zakresie 200 ma (układ podłączyć do gniazda ma i COM multimetru). Rys. 2. Układ pomiarowy 2 pomiar natężenia prądu pojedynczego modułu 2) Połączenie równoległe Wykorzystana żarówka, ustawienia zasilacza i multimetru takie same jak w pkt. 1. Podobnie jak wcześniej zmierzyć napięcie całkowite, napięcie na poszczególnych modułach, prąd całkowity oraz prąd na poszczególnych modułach. Układ do pomiaru napięcia całkowitego 3

4 przedstawiono na rysunku 3. Zmodyfikować układ tak, aby zmierzyć napięcie na poszczególnych modułach (uważać, by nie zmienić położenia modułów względem żarówki). Rys. 3. Układ pomiarowy 3 pomiar napięcia całkowitego Natomiast układ do pomiaru natężenia prądu całkowitego widać na rysunku 4. Bazując na nim, przekształcić układ na właściwy do pomiaru natężenia prądu pojedynczego modułu. Rys. 4. Układ pomiarowy 4 pomiar natężenia prądu całkowitego 3) Charakterystyka prądowo napięciowa modułu fotowoltaicznego Wyznaczyć charakterystykę prądowo napięciową dwóch modułów połączonych równolegle. W tym celu zmontować układ pomiarowy według rysunku 5. Tak jak poprzednio wykorzystać tą samą żarówkę, nie zmieniać ustawień zasilacza. Uaktywnić jego wyjście, a włączać/wyłączać zasilanie żarówki za pomocą przełącznika. Woltomierz ustawić na zakres 2 V DC, a amperomierz na 200 ma. Pomiar zrealizować przy włączonym oświetleniu. Przekręcić 4

5 potencjometr w skrajnie lewe położenie, a następnie w skrajne prawe położenie, by znaleźć punkt maksymalnego napięcia. Począwszy od tego punktu obracać tak potencjometrem, aby napięcie zmniejszało się o ok. 0,02 V i notować natężenie prądu i napięcie w tabeli 1, przy czym przy wartościach skrajnych zaleca się zagęścić odczyty. Na koniec wypiąć potencjometr i zmierzyć napięcie dla I = 0 A (napięcie obwodu otwartego). Uwaga: w momencie zwarcia układu (skręcenia potencjometru na 0 Ω) napięcie na module nie spadnie na 0 V. Powodem tego jest niezerowa rezystancja amperomierza oraz rezystancja przewodów i połączeń. Dla tego ćwiczenia można przyjąć taką sytuację za zwarcie. Potencjometr 45% XMM2 Rys. 5. Układ pomiarowy do określenia charakterystyki I V modułu fotowoltaicznego. Tab. 1. Tabela pomiarowa do punktu 3 Lp. U [V] I [ma] P [mw] n Opracowanie wyników Zadanie 1 a) Zapisać ile wynosi całkowite napięcie (U OCc ) oraz napięcia na pojedynczych modułach (U OC1, U OC2 ). Jaki jest między nimi związek? [U OC napięcie układu otwartego] b) Zapisać ile wynosi całkowite natężenie prądu (I SCc ) oraz natężenie prądu na pojedynczych modułach (I SC1, I SC2 ). Jaki jest między nimi związek? [I SC prąd zwarcia] c) Określić niepewności pomiarowe wynikające z dokładności multimetru dla każdej zmierzonej wartości natężenia prądu oraz napięcia. 5

6 d) Co można osiągnąć poprzez łączenie modułów fotowoltaicznych szeregowo? Zadanie 2 a) Zapisać ile wynosi całkowite natężenie prądu (I SCc ) oraz natężenie prądu na pojedynczych modułach (I SC1, I SC1 ). Jaki jest między nimi związek? b) Zapisać ile wynosi całkowite napięcie (U OCc ) oraz napięcia na pojedynczych modułach (U OC1, U OC2 ). Jaki jest między nimi związek? c) Wyznaczyć niepewności pomiarowe wynikające z dokładności multimetru dla każdej zmierzonej wartości natężenia prądu oraz napięcia. d) Co można osiągnąć przez łączenie modułów fotowoltaicznych równolegle? Zadanie 3 a) Obliczyć moc zgodnie ze wzorem (1) dla każdej mierzonej wartości i wprowadzić wynik do tabeli. b) Wyznaczyć charakterystykę prądowo napięciową ( ) modułu i krzywą mocy ( ) na jednym wykresie. Dla zachowania przejrzystości wyników, zaznaczyć na niej: prąd zwarcia I SC, napięcie obwodu otwartego V OC, prąd i napięcie dla których moc modułu jest maksymalna odpowiednio I m, U m, punkt mocy maksymalnej MPP. c) Wyznaczyć takie parametry modułu jak: prąd zwarcia I SC, napięcie obwodu otwartego U OC, prąd i napięcie dla których moc modułu jest maksymalna odpowiednio I m, U m moc maksymalną P max, współczynnik wypełnienia FF. d) Obliczyć błąd wyznaczenia współczynnika wypełnienia metodą różniczki logarytmicznej. e) Jak zmienia się prąd i napięcie wraz ze zmianą obciążenia? Literatura 1. Klugmann Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo btc, Legionowo Gronowicz J., Niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji PIB, Radom Poznań Lewandowski W. M, Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2001, Jarzębski Z. M., Energia słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa Internet np.: Strona internetowa Laboratorium Fotowoltaicznego IMIM PAN w Kozach Strona internetowa poświęcona fotowoltaice Strona internetowa serwisu fotowoltaika.net 6