Wyznaczanie parametrów baterii słonecznej

Transkrypt

1 Wyznaczanie parametrów baterii słonecznej Obowiązkowa znajomość zagadnień Działanie ogniwa fotowoltaicznego. Złącze p-n. Parametry charakteryzujące ogniwo fotowoltaiczne. Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych. Wielkości i jednostki fotometryczne. Absorpcja promieniowania. Zadania do wykonania I. Poznanie podstaw teoretycznych zjawiska fotowoltaicznego, ze szczególnym uwzględnieniem parametrów ogniwa. II. Poznanie budowy i zastosowań ogniw fotowoltaicznych. III. Wykonanie pomiarów mocy pobieranej przez źródło światła, natężenia oświetlenia, napięcia i natężenia prądu generowanego przez ogniwo. Pomiar absorpcji światła. IV. Zestawienie wyników i określenie charakterystyki ogniwa: prądowo - napięciowej, natężenia oświetlenia i mocy generowanej przez ogniwo. Wiadomości wprowadzające Ogniwo fotowoltaiczne jest to przyrząd półprzewodnikowy, którego zasada działania jest oparta na wykorzystaniu złącza p-n. Schemat budowy pojedynczego ogniwa pokazano na Rys.. Składa się ono ze złącza p-n, dwóch elektrod oraz warstwy przeciwodbiciowej. Elektroda metalowa, która jest oświetlana ma odpowiedni kształt, tak aby powierzchnia czynna ogniwa była jak największa. Rys.. Schemat ogniwa słonecznego: nieoświetlana elektroda; 2 półprzewodnik typu n; 3 złącze p-n; 4 półprzewodnik typu p; 5 warstwa przeciwodbiciowa; 6 oświetlana elektroda; 7 fotony o energii hν padające na ogniwo.

2 Złącze p-n powstaje poprzez zetknięcie półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n. W wyniku dyfuzji elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru n powstaje ładunek przestrzenny, który wytwarza wewnętrzne pole elektryczne w obszarze złącza. Jeżeli złącze zostanie oświetlone, fotony generują pary nośników ładunku: dziury i elektrony. Dziury unoszone w wewnętrznym polu elektrycznym podążą w kierunku półprzewodnika typu p, a elektrony w kierunku półprzewodnika typu n. Schemat działania baterii słonecznej przedstawiono na Rys. 2. Rys. 2. Schemat działania fotoogniwa. Gdy elektrody nie są ze sobą połączone, to w wyniku oświetlenia w półprzewodniku typu n gromadzą się ładunki ujemne, a w typu p dodatnie. Taki rozkład ładunku wytwarza różnicę potencjału nazywaną napięciem obwodu otwartego ( open current ). Gdy elektrody ogniwa są zwarte przez amperomierz, tak jak na Rys. 2, wówczas napięcie jest równe zeru (U = 0 V) i przez ogniwo przepływa prąd zwarcia ( short current ). generowany światłem. Prąd ten jest zależny od parametrów materiałowych półprzewodnika i konstrukcji ogniwa. Absorpcja fotonów w ogniwach słonecznych wywołuje przejścia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (absorpcja podstawowa). Energia zaabsorbowanego fotonu musi być większa od przerwy energetycznej półprzewodnika: Gdzie: ν jest częstością drgań fali elektromagnetycznej, λ długością fali świetlnej, c jest to prędkość światła w próżni. Po przejściu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje para nośników ładunku: elektron i dziura. W Tabeli podano wartości przerw energetycznych dla materiałów używanych do wytwarzania ogniw słonecznych. () 2

3 Tabela. Przerwy energetyczne półprzewodników stosowanych w fotoogniwach Półprzewodnik Półprzewodnik AlAs 2,5 ITO 3,60 CdS 2,42 Si kryst., CdTe,44 Si amorf.,70 CdSe,74 SnO 2 3,50 Cu 2 S,20 ZnO 3,30 GaAs,43 ZnSe 2,67 GaP 2,25 ZnTe 2,26 InP,34 Zn 3 P 2,50 GaSb 0,72 Ge 0,66 CuInS 2 0,55 Cu 2 Se,20 Określenie podstawowych parametrów ogniwa fotowoltaicznego uzyskuje się poprzez badanie charakterystyki prądowo-napięciowej przedstawionej na Rys. 3. O właściwościach fotowoltaicznych ogniwa decyduje kształt charakterystyki prądowonapięciowej I(U) w IV ćwiartce układu współrzędnych. Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa słonecznego: nieoświetlonego (linia kropkowana), oświetlonego (linia ciągła). Charakterystyka prądowo-napięciowa dla idealnego fotoogniwa powinna mieć kształt prostokąta o bokach i. W praktyce nie spotykamy idealnych fotoogniw. Maksymalna moc rzeczywistego ogniwa jest zawsze mniejsza od mocy idealnego ogniwa:, gdyż praktycznie nigdy nie można osiągnąć charakterystyki prostokątnej. Maksymalną moc elektryczną ogniwa rzeczywistego P max wyznaczamy z następującego wzoru: 3

4 4 gdzie i są odpowiednio napięciem i natężeniem prądu, dla których pole prostokąta, którego jeden z wierzchołków leży na charakterystyce prądowo-napięciowej (punkt ), jest największe. Kolejnym parametrem określającym jakość ogniwa słonecznego jest współczynnik wypełnienia FF (fill factor): (3) Jest to stosunek powierzchni prostokąta o bokach i, do powierzchni prostokąta o bokach i (patrz Rys. 3). Wielkość tego parametru jest tym bliższa wartości, im bardziej kształt charakterystyki prądowo-napięciowej jest zbliżony do prostokąta. Najważniejszym parametrem ogniwa jest jego wydajność konwersji mocy, zdefiniowana jako stosunek maksymalnej mocy ogniwa do mocy światła padającego na ogniwo: (4) gdzie J jest to natężenie promieniowania padającego na ogniwo. oświetlenia E wielkość fotometryczna równa stosunkowi strumienia świetlnego Φ do pola S oświetlonej przez niego powierzchni prostopadłej do jego kierunku: (5) W przypadku nierównomiernego rozkładu strumienia świetlnego: gdzie strumień świetlny padający na elementarną powierzchnię ds. Jeżeli rozmiary źródła światła są małe w porównaniu z jego odległością r od oświetlanej powierzchni, to gdzie I światłość źródła, α kąt między normalną do powierzchni a prostą łączącą ją ze źródłem. Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest luks ( lx) równy natężeniu oświetlenia wytworzonego przez strumień świetlny lm (lumen) na powierzchni m 2 : Lumen ( lm) to jednostka strumienia świetlnego określona jako strumień świetlny wysyłany w kąt bryłowy sr przez punktowe źródło światła o światłości cd (kandela) (2) (6) (7) (8) (9)

5 Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego Proces, w którym natężenie wiązki promieniowania elektromagnetycznego zmniejsza się w miarę przechodzenia przez ośrodek materialny na skutek oddziaływania z nim to absorpcja promieniowania elektromagnetycznego. W procesie absorpcji pochłonięta część energii promieniowania pierwotnego przechodzi przy tym w inne formy energii, takie jak: energia wewnętrzna ośrodka, energia wzbudzenia lub jonizacji atomów (cząsteczek) lub tez energia wtórnego promieniowania elektromagnetycznego wysyłanego przez substancję pochłaniającą. Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego zależy od długości fali. Zmiana natężenia promieniowania elektromagnetycznego di po przejściu przez cienką warstwę absorbenta jest proporcjonalna do grubości warstwy dx i natężenia promieniowania padającego na absorbent: Uwzględniając rzeczywistą grubość absorbenta, po scałkowaniu powyższego równania uzyskuje się zależność opisującą wykładniczy spadek natężenia w funkcji grubości absorbenta: () gdzie I natężenie promieniowania po przejściu przez absorbent; I 0 natężenie promieniowania padającego; x grubość warstwy pochłaniającej; k współczynnik absorpcji (pochłaniania). Krzywą absorbcji badanego materiału (tj. zależność między natężeniem promieniowania I a grubością absorbenta x) można wyznaczyć doświadczalnie zwiększając stopniowo grubość warstwy absorbenta, wprowadzając między miernik natężenia promieniowania a źródło promieniowania kolejne płytki z badanego materiału i rejestrując wskazywane przez niego zmiany natężenia światła. Współczynnik nachylenia prostej doświadczalnej jest równy współczynnikowi absorpcji k. Wyznaczony w ten sposób współczynnik k, określa łączny efekt absorpcji, rozpraszania i odbicia światła na powierzchniach granicznych płytek. (0) 5

6 Stanowisko laboratoryjne Ryc. 4. Stanowisko pomiarowe. płytki absorpcyjne; 2 miernik natężenia oświetlenia; 3 źródło światła (halogen); 4 statyw; 5 czujnik natężenia oświetlenia; 6 statyw płytek absorpcyjnych; 7 fotoogniwo; 8 sterownik mocy źródła światła; 9 miernik mocy pobieranej przez źródło światła; 0 woltomierz ogniwa; amperomierz ogniwa; 2 rezystor nastawczy o zmiennej rezystancji. Ryc. 5. Schemat elektryczny do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa. 6

7 Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników. Ustawić lampę na statywie w maksymalnej odległości nad fotoogniwem (baterią słoneczną) zmierzyć odległość. Połączyć układ według schematu przedstawionego na rycinie Ustawienie woltomierz i amperomierz (rycina 6): na woltomierzu wybrać zakres 20V ( 20 ) (gniazda COM oraz V ma ); na amperomierzu wybrać 20mA ( 20m ) (gniazda COM i V ma ). Ryc. 6. Mierniki uniwersalne amperomierz i woltomierz. 3. Włączyć miernik natężenia oświetlenia i ustawić przyciskiem select zakres: x0 LUX (ryciana 7). W czasie pomiaru natężenia oświetlenia czujnik umieścić na baterii słonecznej, natomiast podczas pomiaru natężenia i/lub napięcia zdjąć z baterii słonecznej (ponieważ czujnik zasłania dużą jej część). Ryc. 7. Miernik natężenia oświetlenia. 7

8 8 4. Charakterystyka fotoogniwa. Dla zerowego położenia sterownika mocy odczytać i zapisać w tabeli wartości: natężenia oświetlenia, napięcia i natężenia prądu. Następnie włączyć lampę i przeprowadzić pomiary dla ustawień sterownika mocy od pozycji do 9 (max) zapisując wartości w tabeli. Obliczyć moc jaką generuje ogniwo dla poszczególnych ustawień sterownika mocy lampy. Pozycja sterownika mocy lampy Tabela. Charakterystyka fotoogniwa. oświetlenia [lux] [ma] Napięcie prądu w [V] Moc ogniwa [W] 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa. Ustawić sterownik mocy lampy w pozycji 9 (max). Rezystorem nastawnym ustawić maksymalną wartość rezystancji (uzyskamy wtedy największe napięcie ogniwa), zapisać napięcie i natężenie prądu (tabela 2). Następnie pokrętłem rezystora nastawnego zmniejszać napięcie o 0,V notując wartość natężenia prądu z baterii słonecznej. Pomiary przeprowadzić dla napięć od maksymalnego napięcia do napięcia,5v. Obliczyć moc jaką generuje ogniwo dla poszczególnych ustawień rezystora. Znaleźć i zaznaczyć maksymalną wartość mocy ogniwa. Napięcie [V] [ma] Tabela 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa. Moc ogniwa [mw] Napięcie [V] [ma] Moc ogniwa [mw] Napięcie [V] 5,3 4 2,7 5,2 3,9 2,6 5, 3,8 2,5 5,0 3,7 2,4 4,9 3,6 2,3 4,8 3,5 2,2 4,7 3,4 2, 4,6 3,3 2 4,5 3,2,9 4,4 3,,8 4,3 3,7 4,2 2,9,6 4, 2,8,5 [ma] Moc ogniwa [mw]

9 6. Absorbcja. Ustawić sterownik mocy lampy w pozycji 9 (max). Rezystorem nastawnym ustawić maksymalną wartość rezystancji (uzyskamy wtedy największe napięcie ogniwa). Zapisać w tabeli 3 wartość natężenia oświetlenia oraz natężenia prądu płynącego w. Na statywie płytek absorpcyjnych umieszczamy kolejno płytki absorbujące pierwsze przeźroczyste, a potem przyciemniane, zaczynamy od jednej a potem dokładamy kolejne. Notując wskazania miernika natężenia oświetlenia oraz wartość natężenie prądu płynącego wtedy w dla kolejnych płytek szklane. Pomiary przeprowadzić dla dwóch zestawów płytek szklanych (przeźroczyste szkło i przyciemniane). Obliczyć moc jaką generuje ogniwo dla poszczególnych wariantów doświadczenia. Wyniki zestawić w tabeli. Rodzaj płytek Ilość płytek [szt.] przeźroczyste przyciemnione Tabela 3. Absorbcja. oświetlenia [lux] [ma] Napięcie [V] Moc ogniwa [mw] Wykreślić na papierze milimetrowym krzywą absorbcji jako zależność logarytmu naturalnego natężenia oświetlenia, od grubości absorbenta x (dla obu rodzajów płytek, na jednym wykresie). Grubość płytek szklanych wynosi 0,305cm. Prawo absorpcji przekształcamy w następujący sposób: /:I 0 / ln Otrzymana postać to funkcja liniowa typu y=ax, zatem: (2) 9

10 Natomiast Wykreślamy zależność w taki sposób, że na osi y zaznaczamy wartość, natomiast na osi x x grubość płytek. Korzystając z metody regresji liniowej wyliczmy współczynnik absorpcji k, dla obu rodzajów płytek. 7. Wyznaczyć współczynnik absorpcji k (dla obu rodzajów płytek) metodą regresji liniowej. Regresja liniowa klasyczna (metoda najmniejszych kwadratów). Jeżeli pomiędzy dwiema wielkościami fizycznymi występuje zależność liniowa (a niemal zawsze może tak być, wystarczy tylko odpowiednio dobrać osie wykresu) regresja liniowa jest prostą metodą wyznaczenia parametrów najlepiej dopasowanej prostej. Uzyskane parametry dopasowania mogą następnie służyć do wyznaczenia szukanej wielkości fizycznej. Parametry prostej określonej równaniem y = ax + b możemy wyznaczyć przy użyciu wzorów: gdzie: wartości doświadczalne; n liczba wykonanych pomiarów. (3) ( ) ( ) (4) Niepewności wyznaczonych wielkości a i b określone są wzorami: [ ] ( )[ ( ) ] (5) (6) Zgodnie z prawem absorpcji współczynnik b funkcji liniowej jest równy zero, zatem za wzoru (3) obliczamy współczynnik absorpcji k, a ze wzoru (6) jego niepewność pomiarową. 8. Wyniki zestawić w tabeli: Rodzaj płytek przeźroczyste przyciemnione Obliczona wartość współczynnika absorpcji wraz z wyznaczoną niepewnością pomiarową [proszę wyprowadzić jednostkę i wpisać] 0 Uniwersytet Rolniczy Wydział leśny Katedra Mechanizacji Prac Leśnych Laboratorium Fizyki instrukcja do ćwiczeń Rok akademicki 203/204