Propozycja instrukcji laboratoryjnej WYZNACZANIE PARAMETRÓW PRACY OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH

Propozycja instrukcji laboratoryjnej WYZNACZANIE PARAMETRÓW PRACY OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH

1) Cel ćwiczenia Zapoznanie się z budową, działaniem ogniwa fotowoltaicznego, przeprowadzeniem charakterystyki pradowo-napięciowej, oraz wpływu kata pochylenia panelu fotowoltaicznego na jego sprawność. 2) Wstęp teoretyczny Ogniwo fotowoltaiczne jest to przyrząd półprzewodnikowy, którego zasada działania jest oparta na wykorzystaniu złącza p-n. Schemat budowy pojedynczego ogniwa pokazano na Rys. 1. 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. 1. Schemat ogniwa słonecznego: 1 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. 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. 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 U OC.

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 I SC generowany światłem. Gęstości prądu zwarcia jest zdefiniowana wzorem: J I sc A sc =, (1) gdzie A jest powierzchnią aktywną fotoogniwa. Prąd ten jest zależny od parametrów materiałowych półprzewodnika i konstrukcji ogniwa. Rys. 2. Schemat działania fotoogniwa. Rys. 3. Powstawanie barierowej foto SEM i I = e q s βs (2) q s - szybkość generacji powierzchniowej, β część fotodziur dochodzących do złącza bez rekombinacji, S - oświetlone pole. i I - prąd fotodziur.

Jeśli elektrody fotoogniwa są rozwarte: i = i I i d = 0 3) Rys. 4. Układy zastępcze barierowych fotoogniw: doskonałego (a) i realnego (b) Jeśli elektrody fotoogniwa są. zwarte obciążeniem (opornikiem) zewnętrznym (to na podstawie I prawa Kirchhoffa): i = i I i d = i I = i s (e αu 1) (4) związek ten jest podstawowy w teorii ogniw barierowych. Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa dla doskonałego ogniwa w ciemności (1)i przy oświetleniu (2) Dla i = 0 (obwód otwarty) napięcie na fotoogniwie nie jest równe zeru, oznacza to, że powstaje w nim pewna SEM równa U0. Analogicznie, dla u = 0 (zwarcie) w obwodzie występuje prąd zwarciowy, równy prądowi świetlnemu i I. Zgodnie z prawem Kirchhoffa: i I = i d + i (5)

Natomiast, przyjmując i=0, znajdujemy, że SEM ogniwa jest równa: kt i = + I U 0 ln 1, e i s U - napięcie pomiędzy elektrodami fotoogniwa, i s - prąd nasycenia, e α = (6) kt Ze wzrostem i I wzrasta SEM (wg prawa logarytmicznego). Jednocześnie maleje wysokość bariery potencjału w złączu p-n. Kiedy bariera jest rzędu kt, wzrost SEM ustaje. Wynika stąd, że SEM nie może przewyższać stykowej różnicy potencjałów pomiędzy obszarami p i n. Dla najkorzystniejszego przypadku (bez oświetlenia) poziom Fermiego położony jest w pobliżu krawędzi pasm energetycznych: U 0,max Eg/e Np. german Ge: U 0,max 0,6 V, krzem Si: U 0,max 1V Absorpcja fotonów w ogniwach słonecznych wywołuje przejścia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (absorpcja podstawowa). Energia E p h zaabsorbowanego fotonu musi być większa od przerwy energetycznej E g półprzewodnika: hc E = hv = λ ph E g (7) gdzie v jest częstością drgań fali elektro-magnetycznej, λ długością fali świetlnej, a c jest to prędkość światła w próżni. Po przejściu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje para nośników ładunku: elektron i dziura. Określenie podstawowych parametrów ogniwa fotowoltaicznego uzyskuje się poprzez badanie charakterystyki prądowo-napięciowej. O właściwościach fotowoltaicznych ogniwa decyduje kształt charakterystyki prądowo-napięciowej J(U) w IV ćwiartce układu współrzędnych. Charakterystyka prądowo-napięciowa dla idealnego fotoogniwa powinna mieć kształt prostokąta o bokach Jsc i Uoc. W praktyce nie spotykamy idealnych fotoogniw. Maksymalna moc rzeczywistego ogniwa jest zawsze mniejsza od mocy idealnego ogniwa Pid=Jsc*Voc, gdyż praktycznie nigdy nie można osiągnąć charakterystyki prostokątnej. Współrzędne punktu maksymalnej mocy M pozwalają wyznaczyć moc maksymalną: Pmax ogniwa: P max = J m U m (8)

Moc idealna P id : P id = V oc J sc (9) J sc prąd zwarciowy (SC short currient), - gęstość prądu przepływającego przez obciążenie R, V oc napięcie otwartego obwodu (OC open currient) Kolejnym parametrem określającym jakość ogniwa słonecznego jest iloraz mocy maksymalnej i mocy idealnej określa go współczynnik wypełnienia (FF Fill Factor): V I m m FF = (10) VocI sc Jest to stosunek powierzchni prostokąta o bokach J max i U max, do powierzchni prostokąta o bokach J SC i V OC na rys.. Wielkość tego parametru jest tym bliższa wartości 1, im bardziej kształt charakterystyki prądowo-napięciowej jest zbliżony do prostokąta. Najważniejszym parametrem ogniwa jest jego wydajność konwersji mocy η. Sprawność ogniwa otrzymamy jako procentowy udział mocy maksymalnej do mocy. Rys. 6. Sprawność ogniwa Promieniowanie elektromagnetyczne oświetlające czynną powierzchnię ogniwa P o : I Vm IscVoc η = m FF P = (11) 0 P 0

Amperomierz mierzy natężenie prądu I, płynącego w obwodzie wyjściowym - na obciążeniu, zaś woltomierz napięcie U, które jest sumą spadku potencjału na amperomierzu U A i na obciążeniu U R : U = U A + U R, (12) Pomijając spadek napięcia na amperomierzu, układ ten pozwala zmierzyć prąd płynący przez opór obciążenia i napięcie na obciążeniu dla różnych wartości R. 3) Stanowisko pomiarowe Stanowisko do wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych modułu ogniw fotowoltaicznych i sprawności konwersji energii słonecznej składa się z: 1. Układu do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego: czujnika natężenia promieniowania 2. Modułu ogniw fotowoltaicznych, 3. Układu obciążenia modułu: - oporu (obciążenia), - woltomierza (pomiar U, U oc ), - amperomierza (pomiar I, I sc ). Rys. 7. Schemat stanowiska pomiarowego

I. Przygotowanie układu do pomiarów Podłączyć mierniki wg schematu (Rys. 8): Rys. 8. Schemat podłączenia mierników - Zmierzyć natężenie promieniowania piranometrem w uchwycie na tablicy, - następnie podłączyć do miernika moduł fotowoltaiczny - Po wykonaniu czterech pomiarów, w różnym położeniu panela, pod obciążeniem, odłączyć opornicę od modułu i podłączając jeden z mierników do modułu odczytać napięcie otwartego obwodu oraz prąd zwarcia. II. Przebieg ćwiczenia a) Dla ustalonego w czasie natężenia promieniowania, padającego na moduł ogniw fotowoltaicznych należy dokonać pomiaru: - natężenia promieniowania E W/m 2, - zwiększając opór R od zera do R max co 0,1 Ω lub co 0,2 Ω, zmierzyć I oraz U przy każdej wartości R - przy rozwartym obwodzie obciążenia (R = 105 Ω lub nieskończoność), zmierzyć napięcie otwartego obwodu U oc (open cell). - prąd zwarcia I sc A (short circuit) zmierzyć dla R = 0. b) Dla danego z natężenia promieniowania sporządzić charakterystykę prądowonapięciową I(U) i znaleźć punkt mocy maksymalnej P M =U M x I M. c) Wyznaczyć maksymalną sprawność ogniw:

Tabela 2 U I η = M M 100% (13) ES d) Uzyskane wyniki pomiarów przedstawić graficznie w postaci krzywej I(U) przedstawionej na rys. 5.12 Rys. 9. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa modułu ogniw fotowoltaicznych z zaznaczonym punktem maksymalnej mocy PMM e) Na podstawie pomiarów I oraz U przedstawionych w tabeli, obliczyć moc P, wydzieloną na rezystancji obciążenia R : P = I x U (14) f) Uzyskane wyniki ująć w tabelkę i przedstawić na wspólnym wykresie (Rys. 10) w postaci krzywej P(R), gdzie opór R: U R = (15) I

Rys. 10. Wyznaczanie maksymalnej mocy modułu ogniw fotowoltaicznych g) Maksimum (wierzchołek) tej krzywej przesunąć pionowo w górę do krzywej I(U) i zaznaczyć na niej PMM (punkt maksymalnej mocy). h) Odczytać współrzędne punktu PMM oraz wyliczyć maksymalną moc na charakterystyce I-U: P M = I PMM x U PMM (16) i) Czynności te powtórzyć dla każdego z trzech ustawień panela fotowoltaicznego 4) Sformułować wnioski jakie wynikają z przeprowadzonych pomiarów wydajność fotoogniwa w zależności ustawienia panelu fotowoltaicznego Literatura [1] Jarzębski Z.M.: Energia słoneczna. Konwersja fotowoltaiczna, PWN, W-wa 1990 [2] Karniewicz J., Sokołowski T.: Podstawy fizyki laboratoryjnej, Wydawnictwo politechniki Łódzkiej, Łódź 1996 [3] Bobrowski Cz.: Fizyka krótki kurs, WNT, W-wa 2004 [4] Śledziewski R.: Elektronika Dla fizyków, PWN, W-wa 1984 [5] Centrum Fotowoltaiki w Polsce - www.pv.pl