E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa

Transkrypt

1 1/5 E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa Celem ćwiczenia jest poznanie podstaw zjawiska konwersji energii świetlnej na elektryczną, zasad działania fotoogniwa oraz wyznaczenie jego podstawowych parametrów, tj.: charakterystyki prądowo-napięciowej, mocy oddawanej przez fotoogniwo, współczynnika wypełnienia oraz punktu pracy, jako optymalnych parametrów umożliwiających wyznaczenie warunków jego eksploatacji, dla których możliwe jest uzyskanie maksymalnej mocy elektrycznej. Fotoogniwo (inaczej ogniwo fotowoltaiczne) wytwarza energię elektryczną na drodze konwersji energii słonecznej, padającej na jego powierzchnię. W wyniku absorpcji (pochłonięcia) światła, na złączu p-n (obszaru wokół powierzchni styku dwóch półprzewodników: jednego o przewodnictwie elektronowym typu n i drugiego o przewodnictwie dziurowym typu p) generowane są ładunki różnoimienne (elektrony o ładunku ujemnym i dziury o ładunku dodatnim), których przepływ w obwodzie zewnętrznym jest równoznaczny z przepływem prądu. Generacja nośników ładunku następuje w wyniku absorpcji fotonu o odpowiedniej energii (o wartości równej przerwie energetycznej) obszaru złącza. Z punktu widzenia użytkownika, istotne są makroskopowe (użytkowe) parametry ogniwa fotowoltaicznego, których znajomość pozwala na określenie optymalnych warunków jego eksploatacji. Są nimi: Charakterystyka prądowo-napięciowa jest obrazowana jako wykres zależności natężenia prądu płynącego w obwodzie zasilanym przez ogniwo fotowoltaiczne od napięcia generowanego na jego końcach (=f()), przy czym wartość natężenia prądu należy wyznaczyć w amperach a napięcie elektryczne w woltach. Charakterystyka prądowonapięciowa stanowi podstawową informację, umożliwiającą określenie pozostałych istotnych parametrów. rąd zwarcia ( Z, ) jest to wartość natężenia prądu płynącego w obwodzie, w którym wartość oporu zewnętrznego wynosi (ogniwo jest zwarte). Jest to zatem maksymalna, możliwa teoretycznie do uzyskania wartość natężenia prądu generowanego przez fotoogniwo. Napięcie układu otwartego ( ) Jest to napięcie generowane na zaciskach fotoogniwa przy braku podłączenia jakiegokolwiek odbiornika i pozostawieniu zacisków niezłączonych, tj. w sytuacji, gdy wartość oporu jest nieskończona, a wartość natężenia prądu wynosi. Jest to zatem najwyższa, możliwa do uzyskania wartość napięcia fotoogniwa. rąd zwarcia i napięcie układu otwartego charakteryzują punkty skrajne charakterystyki prądowo-napięciowej. unkt mocy maksymalnej (punkt pracy) jest określony poprzez współrzędne charakterystyki prądowo napięciowej, dla których moc w obwodzie jest największa. Wartość mocy oddawanej przez fotoogniwo, obliczana jest na podstawie zależności (1): [W] = [A] x [V]. (1) Kształt charakterystyki prądowo-napięciowej oraz położenie ww. punktów na charakterystyce, zaprezentowane zostały na rysunku 1. Współczynnik wypełnienia () jest parametrem określającym stopień doskonałości ogniwa, tj. położenie punktu mocy maksymalnej badanego fotoogniwa w stosunku do położenia tego punktu dla ogniwa idealnego (stosunek pól prostokątów wyznaczonych przez linie przerywane na rysunku 1 i osie układu). Jego wartość oblicza się zgodnie z zależnością (2): (2) max

2 2/5 [A] Charakterystyka ogniwa idealnego Charakterystyka ogniwa rzeczywistego unkt mocy maksymalnej [V] Rys. 1. Charakterystyka prądowonapięciowa fotoogniwa, wraz z charakterystycznymi punktami, determinującymi wartość współczynnika wypełnienia. Objaśnienia: prąd zwarcia fotoogniwa, prąd płynący w obwodzie, dla którego moc oddawana jest najwyższa, napięcie obwodu otwartego, napięcie na odbiorniku, dla którego moc oddawana jest najwyższa Sprawność () - z definicji sprawność określona jest jako stosunek mocy (energii w jednostce czasu) uzyskanej z układu do mocy (energii w jednostce czasu) do niego dostarczonej. W przypadku fotoogniwa, mocą uzyskaną jest moc elektryczna oddawana do obwodu, natomiast mocą dostarczoną moc promieniowania świetlnego, padającego na powierzchnię fotoogniwa. Zgodnie z powyższym, sprawność (), określona będzie zależnością (3): gdzie: 1% max 1% (3) ES ES E gęstość mocy promieniowania [W/m 2 ], S powierzchnia fotoogniwa [m 2 ]. Literatura uzupełniająca: 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker odstawy fizyki T.5 rozdz R. Tytko Odnawialne źródła energii rozdz S. rzestalski Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki, rozdz Zobacz też: symulacje komputerowe na stronie internetowej Katedry Fizyki i Biofizyki ( (zakładka: Symulacje zjawisk fizycznych), w szczególności symulacje nr 22, 23 i 48.

3 3/5 E12. rotokół pomiarów i obliczeń Nr pary mię i nazwisko studenta Wydział grupa data mię i nazwisko prowadzącego Zaliczenie Wykonanie ćwiczenia rzyrządy i materiały: badane ogniwo fotowoltaiczne, źródło oświetlenia, opornik dekadowy (obciążenie), amperomierz, woltomierz. A Z V V R 1. odłączyć układ zasilania źródła światła oraz układ pomiarowy badanego ogniwa (V) zgodnie z powyższym schematem (oporniki diod są częścią integralną użytych pasków diodowych). odłączając zasilanie źródła światła (Z) poprawnie podłączyć diody oświetlające fotoogniwo ( +zasilacza z + diod wtyk czerwony ; zasilacza z diod wtyk czarny). ozostałe oznaczenia: a. A amperomierz b. V woltomierz c. R opornik dekadowy 2. stawić odpowiednie zakresy pomiarowe woltomierza i amperomierza (zakresy: woltomierz 2 V, amperomierz 2 ma). 3. Włączyć oświetlenie ustabilizować napięcie zasilacza na 12 V i ustawić źródło oświetlenia tak, aby promienie świetlne padały prostopadle na powierzchnię fotoogniwa. 4. stawiając kolejno wartość oporu na oporniku dekadowym R wskazane w tabeli 1, kolejno odczytywać wartości napięć fotoogniwa oraz natężenia prądu płynącego w obwodzie. Wyniki zapisywać w tabeli Zmierzyć wartość napięcia układu otwartego. W tym celu należy przerwać obwód elektryczny zasilany przez fotoogniwo poprzez odłączenie opornika dekadowego R. Wynik zapisać zarówno w tabeli 1 jak i w tabeli o zakończeniu pomiaru zmniejszyć napięcie zasilania diod oświetlających fotoogniwo do, wyłączyć zasilanie i otworzyć skrzynkę fotoogniwa odkładając płytę z diodami.

4 4/5 Tabela 1 R Tabela 2 max Opracowanie wyników: 1. Na podstawie zależności: = x obliczyć moc oddawaną do obwodu dla każdego obciążenia. 2. Na podstawie wyników z tabeli 1 wykreślić krzywą mocy oddawanej do obwodu w funkcji napięcia fotoogniwa =f(). 3. Na podstawie wykresu =f() lub wyników zawartych w tabeli 1 wyznaczyć wartość mocy maksymalnej. Wartość tą wpisać do tabeli 2.

5 5/5 4. Na podstawie wyników z tabeli 1 wykreślić charakterystykę prądowo-napięciową fotoogniwa dla ustalonych warunków oświetlenia =f(). 5. Na charakterystyce prądowo-napięciowej wskazać punkt mocy maksymalnej. 6. Z charakterystyki prądowo-napięciowej odczytać wartość napięcia układu otwartego ( ) oraz natężenia prądu zwarciowego ( ). 7. Na podstawie zależności: max określić współczynnik wypełnienia. 8. Obliczyć błąd współczynnika wypełnienia, jako błąd względny, metodą różniczki logarytmicznej: max max 9. Następnie obliczyć błąd bezwzględny i zestawić go z uzyskaną wartością współczynnika wypełnienia w postaci :......