I B. EFEKT FOTOWOLTAICZNY. BATERIA SŁONECZNA

Transkrypt

1 1 OPTOELEKTRONKA B. EFEKT FOTOWOLTACZNY. BATERA SŁONECZNA Cel ćwiczenia: 1.Zbadanie zależności otoprądu zwarcia i otonapięcia zwarcia od natężenia oświetlenia. 2. Wyznaczenie sprawności energetycznej baterii słonecznej. Opis stanowiska: 1.Autotransormator. 2.Zasilacz halogenowy ZH Źródło światła - lampa halogenowa LH Badana bateria słoneczna o powierzchni światłoczułej 85 mm 2 i powierzchni przedniej 100mm 2. 5.Fotodioda BPDP o czułości 0.04 A/W i średniej powierzchni światłoczułej 5.8 mm 2. Fotodioda ta służy do pomiaru natężenia oświetlenia padającego na baterię słoneczną promieniowania (promieniowanie ze źródła LH100 pada jednocześnie na kalibrowaną diodę BPDP i badaną baterię słoneczną). 6. METEX - miernik służący do pomiaru prądu otodiody BPDP METEX mierniki cyrowe do pomiaru prądu płynącego przez baterię oraz napięcia na baterii. Mierniki współpracują z komputerem umożliwiającym akwizycję danych pomiarowych. 8.Rezystor dekadowy.

2 2 OPTOELEKTRONKA Przebieg ćwiczenia: 1. Połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys. 1. Rys Wyznaczenie oporności różniczkowej upływu baterii słonecznej. Po sprawdzeniu układu przez prowadzącego zmierzyć charakterystykę prądowonapięciową nieoświetlonej baterii słonecznej w zakresie napięć od 10mV do +10mV. Ten pomiar lepiej jest wykonać bez użycia komputera. 3. Zmierzyć charakterystykę prądowo-napięciową nieoświetlonej i oświetlonej baterii w zakresie : do 15mA w kierunku przewodzenia i do 2V w kierunku zaporowym. Oświetlenie dobrać tak, aby prąd otodiody BPDP 35 wynosił około 20 A, przy odległości między źródłem światła a baterią rzędu 30 cm. Należy zwrócić uwagę, że optymalne oświetlenie baterii nie jest jednoznaczne z optymalnym oświetleniem otodiody. Dlatego w celu wyznaczenia prawidłowej wartości prądu otodiody, należy ją ustawić tak aby była na tej samej wysokości co bateria podczas pomiaru charakterystyki przy oświetleniu. 4.Zmierzyć zależności : a) prądu zwarcia sc = (E) ( E-natężenie oświetlenia), tzn. prądu płynącego przez baterią przy zerowej polaryzacji; b) napięcia rozwarcia U oc = (E) przy braku prądu płynącego przez baterię. Ponieważ natężenia oświetlenia mierzy się przy pomocy otodiody, to przy każdym pomiarze należy odczytać również jej prąd. Obydwie charakterystyki: sc = (E) i U oc = (E) zmierzyć w zakresie prądów otodiody BPDP 35 od 0 do 30 A. Ten pomiar można wykonać przy pomocy komputera. mierząc charakterystyki prądowo-napięciowe dla różnych

3 3 OPTOELEKTRONKA natężeń oświetlenia baterii w węższym zakresie prądów przewodzenia do ok.0.2ma i w kierunku zaporowym do ok. 0.2V. w kierunku 5.Połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys. 2. Na opornicy dekadowej ustawić wartość rezystancji ok. 1k a następnie dopiero podłączyć baterię. Zmierzyć zależność mocy wydzielanej na rezystancji obciążenia od wartości tej rezystancji przy stałym natężeniu oświetlenia ( tj. przy prądzie otodiody ~ 20 A ). 6. Powtórzyć pomiar taki jak w pp.3 dla drugiego ogniwa. Opracowanie wyników: Rys. 2 1.Na podstawie pomiarów charakterystyki prądowo-napięciowej nieoświetlonej baterii słonecznej wyznaczyć jej rezystancję różniczkową upływu korzystając ze wzoru (1). 2. Wyznaczyć rezystancję szeregową baterii: - Na podstawie pomiarów wykonanych w pp.3. Korzysta się wówczas również ze wzoru (1), ale wyznacza się przyrosty prądu i napięcia przy dużym napięciu w kierunku przewodzenia, w zakresie prostoliniowym charakterystyki -V, w którym prąd płynący przez diodę jest ograniczony jedynie właśnie opornością szeregową (patrz : nstrukcja do ćwiczenia V) - Korzystając z pomiarów charakterystyk -V przy kilku różnych oświetleniach. Na każdej charakterystyce zaznacza się punkt odpowiadający wartości prądu zwarcia powiększonemu o pewną stałą wartość a następnie łączy się te punkty linia prostą. Odwrotność bezwzględnej wartości współczynnika kierunkowego tej prostej jest szukaną opornością szeregową (wzór (9)). - Wyznaczyć współczynnik idealności baterii (patrz : nstrukcja do ćwiczenia V)

4 4 OPTOELEKTRONKA 3. Narysować charakterystykę -V dla oświetlonej baterii w układzie = (+V) dla maksymalnego oświetlenia - Zaznaczyć prąd zwarcia i napięcie rozwarcia. - Wyznaczyć rezystancję różniczkową upływu korzystając ze wzoru (2). - Wyznaczyć współczynnik wypełnienia FF korzystając ze wzoru (3). 4.Wykreślić zależność otoprądu zwarcia i otonapięcia rozwarcia badanej baterii słonecznej od natężenia oświetlenia. Natężenie oświetlenia wyznaczyć ze wzoru (7). 5.Wykreślić zależność mocy wydzielającej się na rezystancji obciążenia od rezystancji obciążenia. - Znaleźć rezystancję, dla której wydzielana moc jest maksymalna i zaznaczyć odpowiadający jej punkt na ch-ce -V baterii. - Znając wyznaczony uprzednio współczynnik wypełnienia obliczyć sprawność energetyczną baterii (wzór (8)). 6.Przedyskutować otrzymane wyniki i porównać je z danymi literaturowymi dla ogniw krzemowych i innych (wykład (7)).W szczególności : - sprawdzić, czy zależność prądu zwarcia sc i napięcia rozwarcia U oc od oświetlenia są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi ( wykład 7); - sprawdzić, czy punkt przegięcia na charakterystyce -V odpowiada mocy maksymalnej wyznaczonej w pp. 4; Literatura: Z.M. Jarzębski : Energia słoneczna Wykład 6 i 7 Źródła i detektory WZORY KONECZNE DO WYKONANA SPRAWOZDANA 1. R- rezystancja różniczkowa (oporność upływu) złącza półprzewodnikowego. lub - dla baterii: 2.Współczynnik wypełnienia 1 1 d R du U U 0 U 0 U sc (1) oc R (2)

5 5 OPTOELEKTRONKA FF = (3) m. i U m. prąd i napięcie odpowiadające punktowi przegięcia na charakterystyce -U; sc i U sc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia. 3. Sprawność energetyczna baterii J mu m Acb 100[%] (4) A E gdzie A cb powierzchnia czynna baterii; A pb - powierzchnia przednia baterii; E natężenie oświetlenia baterii [W/m 2 ]; J m. gęstość prądu (odpowiadającemu punktowi przegięcia na charakterystyce -U) płynącego przez baterię [A/m 2 ]. (J m A cb = m ) 4. Natężenie oświetlania baterii mierzy się przy pomocy kalibrowanej otodiody o znanej czułości prądowej S. Jeśli bateria i otodioda są ustawione w tej samej odległości od źródła i otodioda jest oświetlona w takim samym stopniu co bateria to natężenia oświetlenia obydwu są takie same i spełniają równość: E pb b (5) A Acb m sc U U m sc gdzie i b to strumienie promieniowania padające odpowiednio na otodiodę i na baterię. Z drugiej strony strumień promieniowania padający na otodiodę można wyznaczyć znając jej czułość napięciową: / S (6) gdzie jest prądem płynącym przez otodiodę. Po podstawieniu wzoru (6) do wzoru (5) otrzymuje się wzór na natężenie oświetlenia baterii w postaci: E AS (7) Po podstawieniu tego wzoru do wzoru (4) otrzymuje się ostatecznie: JmU macb A S mu ms A 100[%] 100[%] A A (8) pb pb 5. Wyznaczenie oporności szeregowej baterii słonecznej. W przypadku baterii słonecznej istnieje możliwość wyznaczenia oporności szeregowej przy wykorzystaniu charakterystyk prądowo - napięciowych zmierzonych przy różnych

6 6 OPTOELEKTRONKA oświetleniach. Różnemu oświetleniu odpowiadają różne wartości prądów zwarcia (rys. 3). Na charakterystykach -V zaznacza się punkty które odpowiadają wartościom prądu zwarcia pomniejszonemu o pewną stałą wartość : 1 sc1 oraz 2 sc2. Następnie oporność szeregową wyznacza się z zależności: r s V V V V (9) 2 1 sc2 sc1 Rys. 3. Pytania kontrolne 1. Model pasmowy ciał stałych. 2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane. 3. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa dla złącza idealnego i rzeczywistego. 4. Eekt otowoltaiczny. 5. Zasada działania i parametry charakteryzujące baterię słoneczną..