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 2 Laboratorium z przedmiotu: Odnawialne źródła energii Kod: OM1302 Opracowała: mgr inż. Anna Demianiuk październik 2012

2 1. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest zweryfikowanie i zrozumienie zasady funkcjonowania paneli słonecznych, poprzez wyznaczenie krzywej I-V (charakterystyka prądowo-napięciowa) oraz charakterystycznych parametrów pracy takich jak prąd zwarcia (I sc ), napięcie obwodu otwartego (V oc ) oraz moc maksymalna (P max ). 2. Podstawy teoretyczne 2.1 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 Edmunda 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 wysoką wydajność wytwarzania energii odniesioną do jednostki masy. Od tego czasu stało się ważnym źródłem energii dla satelitów. 2.2 Podstawowe wielkości i jednostki Symbol Znaczenie Jednostka I natężenie prądu A I sc prąd zwarcia A V napięcie prądu (różnica potencjałów) V V oc napięcie jałowe (napięcie ogniwa otwartego) 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 i zasada działania ogniwa fotowoltaicznego Rys. 1. Schemat układu z ogniwem fotowoltaicznym 2

3 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, a w półprzewodniku typu n występuje więcej elektronów. Podstawowym budulcem tych materiałów jest krzem z odpowiednimi domieszkami (zwykle: bor w półprzewodniku typu p, i fosfor w półprzewodniku typu n). Światło padające na półprzewodnik powoduje uwolnienie elektronów z wiązań chemicznych międzyatomowych (tzw. absorpcja promieniowania). Aby zjawisko takie mogło zajść, musi być spełniony warunek dostarczenia przez padający foton energii równej co najmniej energii przerwy energetycznej, która np. dla krzemu w temperaturze 300 K wynosi E g = 1,12 ev (Rys. 2). Rys. 2. Schemat zmiany poziomu energetycznego elektronu w półprzewodniku Nośnikami energii elektrycznej mogą być pary: elektron-jon w wodnych roztworach elektrolitów lub elektron-dziura w półprzewodnikach stałych. Nośniki ładunków znajdujące się w rejonie złącza wytwarzają różnicę potencjałów, zostają przyspieszone w polu elektrycznym i krążą jako prąd w obwodzie zewnętrznym. Iloczyn kwadratu natężenia prądu i rezystancji obwodu wyraża moc przetworzoną na prąd elektryczny. Pozostała energia fotonu powoduje wzrost temperatury ogniwa. Podstawą wytworzenia potencjału fotowoltaicznego jest różnica potencjałów chemicznych elektronów w dwóch różnych, oddzielonych materiałach. Różnica ta jest określana mianem poziomu Fermiego. Gdy materiały zostaną połączone, złącze dąży do ustalenia nowej równowagi termodynamicznej. Taka równowaga może być osiągnięta tylko wtedy, gdy poziom Fermiego jest równy w obu materiałach. Dzieje się tak dzięki przepływowi elektronów od jednego materiału do drugiego, do czasu gdy różnica potencjałów tych materiałów zrówna się z początkową wartością poziomu Fermiego. Ta różnica potencjałów jest źródłem prądu powstającego z przetworzenia energii fotonu. 2.4 Charakterystyka prądowo napięciowa i krzywa mocy Charakterystyka elektryczna ogniwa fotowoltaicznego reprezentowana jest najczęściej przez krzywą zależności natężenia i napięcia prądu elektrycznego krzywej I-V. 3

4 Rys. 3. Przykład charakterystyki prądowo napięciowej (I-V) Rys. 3 przedstawia charakterystykę I-V dla modułu fotowoltaicznego z uwzględnieniem warunków naświetlenia i w przypadku jego braku. Wartość prądu w pierwszej ćwiartce - I sc, lewy górnym rogu krzywej I-V dla zerowej wartości napięcia określana jest mianem prądu zwarcia. Prąd zwarcia określa natężenie prądu płynącego przy zwarciu ogniwa, czyli w chwili maksymalnego obciążenia. Wartość napięcia w prawym dolnym rogu krzywej - V oc, gdy natężenie osiąga wartość zerową, nazywa się napięciem obwodu otwartego lub napięciem jałowym. Jest to napięcie osiągane w sytuacji, kiedy moduł nie jest podłączony do żadnego obciążenia. W lewej części obszaru zacienionego, ogniwo działa jak źródło prądu stałego, generując napięcie odpowiadające rezystancji. W zacienionym obszarze po prawej stronie, natężenie prądu spada gwałtownie przy jednoczesnym, niewielkim wzroście napięcia. W tym rejonie, ogniwo działa jak źródło napięcia stałego z oporem wewnętrznym. Pomiędzy tymi dwoma zacienionymi regionami, znajduje się punkt przegięcia krzywej. W przypadku, gdyby z zewnątrz doprowadzone było napięcie w kierunku odwrotnym (np. podczas awarii układu przetwarzającego), prąd pozostaje stały a moc jest absorbowana przez ogniwo. Jednak poniżej pewnej wartości ujemnego napięcia, złącze ulega przebiciu w wyniku dużego wzrostu natężenia prądu. W ciemności wartość prądu wynosi zero dla napięć aż do wartości napięcia przebicia, co zachodzi także dla warunków pełnego oświetlenia. Moc wyjściowa panelu P jest wielkością zależną od napięcia i natężenia prądu wyjściowego. *Oznaczenia zgodnie z pkt 2.2 P I V (1) Na Rys. 3, przedstawiona jest zależność mocy w funkcji napięcia. Należy zauważyć, że ogniwo nie produkuje mocy przy zerowym napięciu lub prądzie, a moc maksymalna występuje przy napięciu odpowiadającym punktowi przegięcia krzywej I-V. 4

5 Rys. 4. Zależność mocy wyjściowej od napięcia w ogniwie PV Obwody elektryczne fotowoltaiczne są projektowane tak, aby moduły działały w warunkach zbliżonych do warunków z lewej strony punktu przegięcia. W modelowaniu i analizie systemu modułów PV moduły takie traktuje się w uproszczeniu jako źródła stałego prądu elektrycznego. a) temperatura panelu fotowoltaicznego T=25 C b) natężenie promieniowania E=1000W/m 2 Rys. 5. Charakterystyki I-V panelu A-66P (66W) Rys. 6. Wymiary panelu A-66P (66W) 5

6 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 Podane na Rys. 5 charakterystyki I-V panelu 66W uwzględniają cztery poziomy natężenia promieniowania: 1000 W/m 2, 500 i 250 W/m 2. Krzywe te sporządzone zostały dla założenia AM1,5 (referencyjna masa powietrza 1,5), przy czym wartości: E=1000 W/m 2, T=25 C i AM1,5 odpowiadają tzw. warunkom standardowym (STC Standard Test Conditions), co umożliwia porównanie wyników testów przeprowadzanych w różnych laboratoriach [4]. Zerowa masa powietrza (AM0) reprezentuje stan w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1350 W/m 2. AM1 przedstawia uśrednione warunki, dobrze odpowiadające klimatowi większości państw europejskich. AM1 odpowiada następującym warunkom na ziemi: czyste suche powietrze, bezchmurne niebo w samo południe, kiedy światło słoneczne napotyka najmniej przeszkód na drodze do powierzchni Ziemi, średnia wartość wilgotności powietrza oraz średni poziom zanieczyszczeń. Energia słoneczna docierająca do powierzchni Ziemi w dzień z AM1,5 wynosi około 1000 W/m 2. W pochmurny dzień wartość ta jest mniejsza. Wartość 500 W/m 2 jest kolejną wartością odniesienia stosowaną na potrzeby analiz przemysłowych do stworzenia krzywych I-V. W przypadku, gdy temperatura panelu fotowoltaicznego jest różna od temperatury standardowej STC (25 C), w celu korekcji wartości napięcia, natężenia prądu i mocy panelu stosuje się współczynniki strat temperaturowych, które informują o procentowym zysku lub stracie danej wartości maksymalnej, na każdy stopień Celcjusza wzrostu temperatury ogniwa. czyli: Sprawność fotokonwersji ogniwa PV jest zdefiniowana zależnością: moc wyjsciowa energia sloneczna docierająca do ogniwa I U E S *Oznaczenia zgodnie z pkt 2.2 (2) 6

7 3. Metodyka badań 3.1 Budowa stanowiska Rys. 7. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer Rys. 8. 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 czynności: 1) Ustawić przełącznik obciążenia DC ( load selector ) w pozycji 2. 2) Odłączyć lampy DC, które są połączone równolegle z regulatorem obciążenia (przełącznik on/off). 3) Podłączyć zasilanie trójfazowe, a następnie, po upewnieniu się, że wszystkie czujniki są prawidłowo podłączone, uruchomić interfejs. 4) Ustawić przełącznik AFTER/BEFORE w pozycji BEFORE. 5) Za pomocą przełącznika series/parallel wybrać równoległe połączenie paneli (pozycja parallel). 6) Włączyć PANEL-1. 7) Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę START. 8) Przesunąć suwak SUN-2 do położenia maksymalnego, uzyskując w ten sposób maksymalne natężenie promieniowania. 9) Po ustabilizowaniu się pracy lamp (wskazania SRL) zapisać w tabeli 2 wartości zmierzone przez czujnik prądu DC-1, napięcia DC-2 oraz promieniowania SRL. 10) Zmienić pozycję regulatora obciążenia do wartości około 90% R i zanotować wartości uzyskanych parametrów. 11) Powtarzać punkt 8 zmniejszając obciążenie o ok. 10% aż do osiągnięcia wartości 0% R, która jest punktem zwarcia dla panelu słonecznego. 12) Przywrócić ustawienie początkowe regulatora obciążenia R 13) W celu uzyskania wartości napięcia w obwodzie otwartym (wartość napięcia jałowego) należy ustawić przełącznik obciążenia DC w pozycji 1. W celu otrzymania wartości parametrów oraz wyznaczenia krzywej I-V dla panelu 2, należy wykonać kroki od 6 do 10 pracując z przełącznikami SUN-1 i PANEL-2. Uwaga 1. 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 PANEL-1 PANEL-2 Pozycja R I V SRL I V SRL [%] [A] [V] [W/m 2 ] [A] [V] [W/m 2 ] I sc [A] V oc [V] T [ C] * T temperatura panelu Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 3.3 Analiza wyników 1) W jednym układzie współrzędnych wykreślić krzywą I-V dla obydwu paneli, zapisując w każdym punkcie wykresu wartość zmierzonego promieniowania. 2) Korzystając ze wzoru (1) obliczyć moc paneli i sporządzić w jednym układzie współrzędnych wykresy P-V (zależność mocy panelu od napięcia). 3) Wyznaczyć maksymalną moc obu paneli P max, wartości zaznaczyć na wykresie. 4) Na wykresach I-V zaznaczyć napięcie oraz natężenie dla którego moc paneli jest największa (tzw. punkt przegięcia wykresu I-V). 5) Korzystając ze wzoru (2) obliczyć sprawność paneli i określić maksymalną sprawność pojedynczego panelu. 6) Sformułować wnioski (otrzymane wartości porównać z danymi producenta panelu, wyjaśnić czym mogą być spowodowane różnice). 9

10 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 (na papierze milimetrowym), f) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków. 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. 5.1 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, L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej, Arkady Warszawa