POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Instrukcja do zajęć laboratoryjnych fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego Ćwiczenie nr 10 Laboratorium z przedmiotu Alternatywne źródła energii Kod: ŚĆ3066 Opracował: mgr inż. Anna Demianiuk Białystok, luty 2017
1. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem tego ćwiczenia jest określenie wydajności pracy paneli słonecznych, w zależności od promieniowania słonecznego, w przypadku stałego obciążenia, którego wartość nie jest równa maksymalnemu punktowi pracy (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 roku przez francuskiego fizyka 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 swoją 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 (ogniwa otwartego) V P max moc maksymalna ogniwa W E natężenie promieniowania (w programie Wr) 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
Fizyka ogniwa fotowoltaicznego jest podobna do tej obowiązującej w klasycznym złączu p-n (złącze dwóch półprzewodników o różnych typach przewodnictwa p i n). Złącze to absorbuje padające na nie promieniowanie (fotony), a pochłonięta energia zostaje przeniesiona na nośniki ładunku w materiale złącza. Nośnikami tymi 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 te 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. 3. Metodyka badań 3.1. Budowa stanowiska 1 2 3 Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer 3
Rys. 3. Schemat kolektorów słonecznych fotowoltaicznych 3.2. Metodyka pomiarów Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy upewnić się, że pokrętło obciążenia DC ustawione jest w pozycji maksymalnego oporu (pozycja 100%). Następnie wykonać kolejne czynności: 1) Ustawić przełącznik obciążenia DC w pozycję 2. 2) Odłączyć lampy DC, które są połączone równolegle z regulatorem obciążenia (dolne położenie przełącznika on/off ). 3) Włączyć jednostkę sterującą oraz komputer a następnie uruchomić program. 4) Ustawić przełącznik AFTER/BEFORE w pozycji BEFORE 5) Zmienić ustawienie regulatora obciążenia do około 50 % R. 6) Pozostawiając panele w połączeniu równoległym, podłączyć PANEL-1. 7) Uruchomić chłodzenie paneli włączając przycisk VENT. 8) Ustawić suwak SUN-2 w pozycji maksymalnej, uzyskując w ten sposób największe możliwe promieniowanie 9) Wykonać 5 odczytów wartości zmierzonych przez czujniki parametrów: natężenia DC-1, napięcia DC-2 i promieniowania SRL w minutowych odstępach. 10) Zmniejszyć promieniowanie przesuwając suwak SUN-2 w dół. 11) Wykonać kolejne dwa odczyty natężenia i napięcia prądu oraz natężenia promieniowania. W celu otrzymania wartości parametrów dla panelu 2, należy wykonać kroki od 6 do 8 pracując z przełącznikami SUN-1 oraz PANEL-2. 4
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów dla obciążenia: R=0.5R max SUN- 1+SUN- 2 max PANEL-1 PANEL-2 I V SLR I V SLR [A] [V] [W/m 2 ] [A] [V] [W/m 2 ] min OFF Imię i nazwisko studenta: Data wykonania ćwiczenia: 5
3.3. Analiza wyników 1) Dla otrzymanych wyników obliczyć wartości generowanej mocy korzystając poniższej zależności: P U I (1) 2) Dla każdego panelu narysować wykres P-Wr (generowana moc w funkcji natężenia padającego promieniowania). 3) Parametry paneli słonecznych podawane przez producenta zmierzone w następujących warunkach: promieniowanie 0,8 kw/m 2, temperatura otoczenia 20 C, prędkość wiatru 1 m/s, podane są w poniższej tabeli: Tabela 2. Parametry modułów PV (promieniowanie 0,8 kw/m2, Tot = 20 C, wiatru = 1 m/s) Właściwości elektryczne A-66P Moc (W w teście ± 8%) Liczba ogniw w szeregu 36 Prąd w maksymalnym punkcie pracy (Imp) Napięcie w maksymalnym punkcie pracy (Vmp) Otwarty obwód napięcia (Voc) Prąd zwarcia (Isc) Współczynnik temperaturowy dla Isc ( ) Współczynnik temperaturowy dla Voc ( ) Maksymalne napięcie w układzie Charakterystyka fizyczna Wymiary (wys. szer. gr.) Masa (w przybliżeniu) 66 W 3,70 A 17,80 V 22,25 V 4,05 A 1,15 ma/ C -76,32 ma/ C 1000 V 778 659 35 mm 6,20 kg 4) Znając parametry producenta, na podstawie otrzymanych wyników należy wyznaczyć sprawność każdego panelu przy maksymalnym promieniowaniu i stałym obciążeniu, korzystając z poniższych wzorów: P / P 1 1 1 nom 2 P 2 / P 2 nom 5) Określić maksymalną wydajność w konwersji fotowoltaicznej obu paneli uwzględniając ich wymiary geometryczne. P / Wr 1f 1 max max P / Wr 1f 2 max max 6) Sformułować wnioski 6
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) niezbędne związki teoretyczne, c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego, d) przebieg realizacji eksperymentu, e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), g) zestawienie i analiza wyników badań. 3) Analiza dokładności pomiarów. 4) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 5) Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). 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 1) Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011 2) Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011 3) Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009 4) Foit H.: Zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła w ogrzewnictwie i wentylacji. Gliwice, 2011 7