IV. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego

Transkrypt

1 1 V. Wyznaczenie parametrów ogniwa słonecznego Cel ćwiczenia: 1.Zbadanie zależności fotoprądu zwarcia i fotonapięcia zwarcia od natężenia oświetlenia. 2. Wyznaczenie sprawności energetycznej baterii słonecznej. Opis stanowiska: 1.Zasilacz halogenowy 3.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 fotodiody BPDP BRYMEN mierniki cyfrowe do pomiaru prądu płynącego przez baterię oraz napięcia na baterii. Mierniki współpracują z komputerem umożliwiającym akwizycję danych pomiarowych. 8. Filtr szary

2 2 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 fotodiody 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 fotodiody. Dlatego w celu wyznaczenia prawidłowej wartości prądu fotodiody, należy ją ustawić tak aby była na tej samej wysokości co bateria podczas pomiaru charakterystyki przy oświetleniu. 4. Na ławie optycznej przed fotodiodą BPDP wstawić filtr szary. Zmierzyć natężenie oświetlenia E dla wszystkich możliwych pozycji filtra szarego. Natężenie oświetlenia wyznacza się na podstawie pomiaru prądu fotodiody f o znanej czułości prądowej (wzór (7)). 5.Zmierzyć zależności : a) prądu zwarcia sc = f (E) ( E-natężenie oświetlenia), tzn. prądu płynącego przez baterią przy zerowej polaryzacji; b) napięcia rozwarcia U oc = f (E) przy braku prądu płynącego przez baterię.

3 3 Pomiar ten można wykonać przy pomocy komputera, mierząc charakterystyki prądowonapięciowe dla różnych natężeń oświetlenia baterii w węższym zakresie prądów w kierunku przewodzenia do ok.0.2ma i w kierunku zaporowym do ok. 0.2V. Opracowanie wyników: 1. Na podstawie pomiarów charakterystyki prądowo-napięciowej nieoświetlonej baterii słonecznej wyznaczyć: - rezystancję szeregową baterii ze wzoru (5); - rezystancję różniczkową upływu korzystając ze wzoru (6). - współczynnik idealności baterii n (wzór (3)). 2.Narysować charakterystykę -V dla oświetlonej baterii w układzie = f (+V) dla maksymalnego oświetlenia - zaznaczyć prąd zwarcia i napięcie rozwarcia. - wyznaczyć współczynnik wypełnienia FF korzystając ze wzoru (8). - obliczyć sprawność energetyczną baterii (wzór (9)). 3.Wykreślić zależność fotoprądu zwarcia i fotonapięcia rozwarcia badanej baterii słonecznej od natężenia oświetlenia. Natężenie oświetlenia wyznaczyć ze wzoru (7). 4.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). Literatura: 1. Wstęp teoretyczny do cw.5 2. Wykład 6 i 7 3. Z.M. Jarzębski : Energia słoneczna

4 4 WZORY KONECZNE DO WYKONANA SPRAWOZDANA 1.Wyznaczenie oporności szeregowej złącza półprzewodnikowego i współczynnika idealności dla rzeczywistego złącza p-n. Obwód zastępczy dla rzeczywistego złącza p-n z opornością szeregową przedstawia rys. 2. V D Rys.2 Obwód zastępczy dla rzeczywistego złącza p-n. Część napięcia polaryzującego diodę odkłada się na oporności szeregowej złącza: V V D R S. (1) Wówczas prąd płynący przez złącze : q( V RS ) S 0[exp 1], (2) nkt gdzie n - współczynnik idealności złącza, so prąd nasycenia. Współczynnik n obliczamy korzystając z wykresu ln=f(v) (dla V>3kT/q): lub jeśli rysujemy wykres log=f(v): n q d ln kt dv, (3)

5 5 (4) q n d log. 2.3 kt dv Oporność szeregową obliczamy korzystając z wykresu ln=f(v) lub log=f(v) dla dużych napięć w kierunku przewodzenia. Z odchylenia tego wykresu od linii prostej dla dużego prądu 0 otrzymujemy (patrz rys. 3): V R S (5) 0 Rys. 3. Sposób wyznaczenia oporności szeregowej z charakterystyki -V. 2.R- rezystancja różniczkowa (oporność upływu) złącza półprzewodnikowego : 1 1 d R du U U 0 U 0 (6) lub - dla baterii: U oc R (7) sc 3.Współczynnik wypełnienia FF = m sc U U m sc (8)

6 6 m i U m prąd i napięcie odpowiadające punktowi o maksymalnej mocy, sc i U sc prąd zwarcia i napięcie rozwarcia. 4. Sprawność energetyczna baterii J mu m Acb 100[%] (9) A E pb 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 ). 3. Natężenie oświetlania baterii mierzy się przy pomocy kalibrowanej fotodiody o znanej czułości prądowej S f. Jeśli bateria i fotodioda są ustawione w tej samej odległości od źródła i fotodioda jest oświetlona w takim samym stopniu co bateria to natężenia oświetlenia obydwu są takie same i spełniają równość: E f b (10) Af Acb gdzie f i b to strumienie promieniowania padające odpowiednio na fotodiodę i na baterię. Z drugiej strony strumień promieniowania padający na fotodiodę można wyznaczyć znając jej czułość napięciową: / S (11) f f f gdzie f jest prądem płynącym przez fotodiodę. Po podstawieniu wzoru (11) do wzoru (10) otrzymuje się wzór na natężenie oświetlenia baterii w postaci: E f AS (12) f f Po podstawieniu tego wzoru do wzoru (9) otrzymuje się ostatecznie:

7 7 JmU macb Af S f mu ms f Af 100[%] 100[%] A A pb f pb f (13) 5. Wyznaczenie oporności szeregowej baterii słonecznej sposób drugi. W przypadku baterii słonecznej istnieje możliwość wyznaczenia oporności szeregowej przy wykorzystaniu charakterystyk prądowo - napięciowych zmierzonych przy różnych oświetleniach. Różnemu oświetleniu odpowiadają różne wartości prądów zwarcia (rys. 4). 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 V V V V s (14) 2 1 sc2 sc1 Rys. 3. Pytania kontrolne 1. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa dla złącza idealnego i rzeczywistego. 2. Efekt fotowoltaiczny. 3. Zasada działania i parametry charakteryzujące baterię słoneczną..

8 8