POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Badanie ogniw fotowoltaicznych Laboratorium Energetyki Rozproszonej i Odnawialnych Źródeł Energii (R-1) Opracował: dr inż. Daniel Węcel Sprawdził: Zatwierdził: dr hab. inż. Leszek Remiorz www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape 1
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie podstawowych charakterystyk pracy, parametrów ogniwa (modułu) fotowoltaicznego oraz zbadanie zależności mocy modułu od kąta nachylenia względem źródła światła. Spis oznaczeń i skrótów Ev natężenie oświetlenia (Illuminance) lux G, natężenie promieniowania słonecznego (solar irradiance) W/m 2 Gsc stała słoneczna (Solar constant) W/m 2 Gd (Diffuse irradiance on a fixed plane) W/m 2 G0 natężenie promieniowania słonecznego na powierzchni W/m 2 ogniwa fotowoltaicznego H nasłonecznienie (napromieniowanie słoneczne) (solar kwh/m 2 (per day, irradiation, insolation) month, year) h stała Plancka (4,135667662 10-15 ev s) ev s IMPP natężenie prądu w punkcie mocy maksymalnej A ISC natężenie prądu zwarcia A Pmax moc maksymalna Wp (Wpeak) tpv temperatura ogniwa fotowoltaicznego C tamb temperatura otoczenia C UMPP napięcie w punkcie mocy maksymalnej V UOC napięcie maksymalne obwodu otwartego V α współczynnik temperaturowy natężenia prądu %ISC/ C β współczynnik temperaturowy napięcia %UOC/ C γ współczynnik temperaturowy mocy %Pmax/ C λ długość fali nm AM współczynnik optycznej masy powietrza (ang. Air Mass) - DNI (Direct normal irradiance) W/m 2 FF współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor) - STC Standard Test Condition 2
2. Wprowadzenie teoretyczne 2.1. Promieniowanie słoneczne Promieniowanie słoneczne strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych (fotonów) docierający ze Słońca do Ziemi. Energia fotonów E jest powiązana z długością fali zależnością Plancka-Einsteina: E = h c λ = h f h = 4,135667662 10-15 ev s stała Plancka, c prędkośc światła, λ długośc fali, f - częstotliwość Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery określone jest przez stałą słoneczną GSC. Wielkość ta jest zdefiniowana dla średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m 2. Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem (3 stycznia 1,47 10 8 km, 4 lipca 1,52 10 8 km) w zakresie ±3,4% (odpowiednio 1420 i 1325 W/m 2 ). Widmo promieniowania słonecznego ponad górnymi warstwami atmosfery jest zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze około 5800 K opisywanego rozkładem Plancka. Ze względu na odbijanie, rozpraszanie i pochłanianie części promieniowania przez gazy, widmo promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi jest zmienione co przedstawiono na rys. 1. W spektrum promieniowania słonecznego wyróżniamy następujące zakresy: Pasmo Długość fali [nm] Energia promieniowania słonecznego [W/m 2 ] Tabela 1 Udział energii w całkowitym promieniowaniu słonecznym Ultrafiolet (UV) <350 62 4.5% Bliski ultrafiolet 350 400 57 4.2% Widzialne 400 700 522 38.2% Bliska podczerwień 700 1000 309 22.6% Podczerwień >1000 417 30.5% Stała słoneczna 1366,1 3
Rys. 1. Widmo promieniowania słonecznego Współczynnik optycznej masy powietrza - Osłabienie natężenia promieniowania zależy od drogi, którą przebywa ono w atmosferze. Określa je liczba masy powietrza AM (ang. Air Mass; współczynnik optycznej masy powietrza). Jest to stosunek masy atmosfery przez którą przechodzi promieniowanie, do masy atmosfery przez którą przechodzi promieniowanie, gdy Słońce jest w zenicie. Definiowane jest również jako stosunek długości drogi L pokonywanej przez wiązkę optyczna bezpośredniego promieniowania słonecznego przechodzącego przez atmosferę do jej grubości D. AM = L D 1 sin ψ 4
Rys. 2. Sposób określania współczynnika optycznej masy powietrza Rozkład widmowy wzorcowego natężenia promieniowania słonecznego jest określany przy AM=1,5. Wartość wzorcowego natężenia promieniowania całkowitego na powierzchni Ziemi wynosi GSTC = 1000 W/m 2. 2.2. Ogniwo fotowoltaiczne Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo) jest elementem półprzewodnikowym ze złączem p-n, w którym zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. W wyniku absorpcji energii promieniowania słonecznego w obszarze złącza p-n część elektronów walencyjnych z atomów w sieci krystalicznej półprzewodnika zostaje wybita ze swojego miejsca, czyli następuje tzw. generacja pary nośników elektron-dziura (dziura oznacza brak elektronu). Występujące w obszarze złącza pole elektryczne powoduje rozdzielenie nośników w półprzewodniku (elektrony są transportowane w jednym kierunku, dziury w przeciwnym) i pojawienie się napięcia na zaciskach ogniwa. Przyłączenie odbiornika do ogniwa i zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ elektronów. Powstające natężenie prądu jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego i powierzchni ogniwa fotowoltaicznego. 5
Rys. 3. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego Ogniwa najczęściej wykonuje się z krzemu (monokrystalicznego, polikrystalicznego lub amorficznego), półprzewodników z grupy 13 i 15 np. Ga (gal), As (arsen) bądź w postaci cienkich warstw np. CdTe (tellurku kadmu) lub CIGS (miedź, ind, gal, selen). Coraz częściej dostępne są także fotoogniwa organiczne, które obecnie charakteryzują się niską wydajnością, ale także bardzo niskimi kosztami wytwarzania. Układ ogniw fotowoltaicznych połączonych ze sobą nazywamy baterią lub modułem fotowoltaicznym (lub krócej: modułem PV). 2.3. Charakterystyka stanowiska laboratoryjnego Stanowisko laboratoryjne służy do zapoznania się z zagadnieniami związanymi z ogniwami fotowoltaicznymi. Wyposażenie stanowiska 1: Moduł fotowoltaiczny monokrystaliczny 20 W (MH-20) (napięcie nominalne układu U = 12 V) z możliwością regulacji kąta nachylenia - 1 szt. 6
Parametry modułu fotowoltaicznego MH-20* Tabela 2 Moc maksymalna Pmax (W) 20 Napięcie nominalne U (V) 12 Napięcie maksymalne obwodu otwartego UOC (V) 21,6 Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 17,5 Prąd zwarcia ISC (A) 1,3 Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 1,15 Wymiary 436 x 450 x 23 mm Waga 2,5 kg * Dane dla warunków STC: 1000 W/m 2, 25 C, AM 1.5 Oświetlacz halogenowy o mocy 1kW z możliwością regulacji mocy natężenia światła (QZ-1000) 1 szt., oświetlacz halogenowy o mocy 500 W 2 szt. Panel wyprowadzeń elektrycznych 1 szt. Kątomierz elektroniczny 1 szt. Multimetr 2 szt. Termometr termoelektryczny Opornice suwakowe szt. W Wyposażenie stanowiska 2: Moduł fotowoltaiczny amorficzny 3 W (napięcie nominalne układu U = 6 V) - 1 Parametry modułu fotowoltaicznego TPS-103 3W* Tabela 3 Moc maksymalna Pmax (W) 3 Napięcie nominalne U (V) 6 Napięcie maksymalne obwodu otwartego UOC (V) 11 Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 7,5 Prąd zwarcia ISC (A) 0,450 Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 0,428 Wymiary 467 x 161 x 19 mm * Dane dla warunków: 1000W/m2, 25 C, AM 1.5 Waga 1,07 kg Oświetlacz halogenowy o mocy 500 W 2 szt., oświetlacz LED (matryca) 50 Panel wyprowadzeń elektrycznych 1 szt. Amperomierz 0 1,5 A 1 szt., woltomierz 0 10 V 1 szt. Termometr termoelektryczny 7
Opornica suwakowa 332 Ω, 0,6 A Wyposażenie stanowiska 3: Moduł fotowoltaiczny monokrystaliczny - 1 szt. Parametry modułu fotowoltaicznego * Tabela 4 Moc maksymalna Pmax (W) 0,48 Napięcie maksymalne obwodu otwartego UOC (V) 3,0 Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 2,4 Prąd zwarcia ISC (A) 0,245 Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 0,200 Wymiary 70 x 120 x 52 mm * Dane dla warunków: 1000W/m 2, 25 C, AM 1.5 Oświetlacz halogenowy z układem skupiającym o mocy 150 W 1 szt. Skrzynka pomiarowa z obciążeniem (amperomierz, woltomierz, obciążenie: zestaw rezystorów, silnik, żarówka) Termometr termoelektryczny Opornica dekadowa UWAGA: 1. Nie wolno zmieniać ustawień roboczych stanowiska bez instruktażu i pozwolenia osoby prowadzącej zajęcia dydaktyczne. 2. Podczas wykonywania ćwiczeń należy zachować szczególną ostrożność, ze względu na pracę z urządzeniami elektrycznymi. 3. Należy unikać oślepiania innych uczestników zajęć strumieniem światła wytworzonym przez oświetlacz. 4. Obudowa oświetlacza nagrzewa się podczas pracy. Należy zachować szczególną ostrożność podczas obsługi oświetlacza. Uwaga! Gorąca powierzchnia! 5. Regulacja natężenia oświetlenia jest dokonywana potencjometrem umieszczonym na obudowie oświetlacza lub poprzez zmianę odległości pomiędzy oświetlaczem, a modułem fotowoltaicznym. 8
3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Przygotowanie stanowiska do pracy: 1. Należy sprawdzić poprawność wszystkich połączeń elektrycznych i mechanicznych. W razie jakichkolwiek oznak niepoprawnego połączenia elementów na stanowisku, należy zgłosić ten fakt osobie prowadzącej zajęcia. 2. Ustawić panel fotowoltaiczny i oświetlacz w odległości ok. 0,5 m. 3. Włączyć do sieci (230 V AC) przewód zasilający oświetlacz i przyrządy pomiarowe. 4. Zmierzyć i zanotować w tabeli powierzchnię paneli fotowoltaicznych. 5. Ograniczyć oświetlenie potencjometrami, a następnie włączyć oświetlacz włącznikiem głównym. 3.2. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej paneli PV Celem ćwiczenia jest zbadanie pracy panelu fotowoltaicznego dla wybranych wartości obciążenia przy ustalonej wartości natężenia oświetlenia. L.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem) w kilku miejscach na powierzchni panelu fotowoltaicznego. 2. Zaczynając od maksymalnej wartości prądu płynącego przez obciążenie wykonać 10-15 pomiarów wartości natężenia prądu I, napięcia U na obciążeniu. Równocześnie mierzyć temperaturę t na tylnej ścianie panelu fotowoltaicznego. 3. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 5. Natężenie oświetlenia E v [lux] Temperatura modułu PV t [ C] Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Moc wydzielona P [W] Tabela 5 Rezystancja obciążenia R [Ω] 9
11 12 13 14 15 4. Dla rezystancji R=0 zmierzyć i zanotować natężenie prądu zwarcia Isc układu paneli PV. 5. Dla rezystancji R= zmierzyć i zanotować napięcie otwartego układu Uoc panelu PV. 6. Skorygować zmierzone wartości natężenia prądu i napięcia ze względu na zmianę temperatury panelu w stosunku do temperatury STC według poniższych zależności: I = I + α (T T ) U = U R S (I I ) κ I (T T ) + β (T T ) gdzie: I, U zmierzone wielkości I, U skorygowane wielkości T zmierzona temperatura panelu PV T temperatura STC α współczynnik temperaturowy natężenia prądu [%ISC/ C] β współczynnik temperaturowy napięcia [%UOC/ C] RS rezystancja szeregowa panelu PV κ współczynnik korekcyjny krzywej. Współczynniki (G STC = 1000 W/m 2 ) Ogniwa monokrystaliczne Ogniwa polikrystaliczne α [%ISC/ C] 0,03 0,05 0,08 β [%UOC/ C] -0,33-0,36-0,4 RS [Ω] 0,3 0,4 8 κ [Ω/ C] 0,004 0,001 0 7. Obliczyć wartość wydzielonej mocy P i rezystancji R obciążenia. Tabela 6 Ogniwa amorficzne P = U I ; R = U I 8. Uzyskane wyniki obliczeń przedstawić na jednym wykresie w postaci krzywych I = f(u) i P = f(u). Przykład charakterystyki przedstawia rys. 4. 10
9. Określić punkt mocy maksymalnej MPP (ang. Maximum Power Point), czyli punkt na charakterystyce I-U, w którym panel produkuje najwięcej mocy w danych warunkach oświetlenia i obciążenia. Sposób określania punktu MPP przedstawia rys. 2. Należy odczytać wartości Impp i Umpp dla punktu mocy maksymalnej i obliczyć wartość mocy maksymalnej PMAX. Rys. 4. Wyznaczanie punktu mocy maksymalnej MPP gdzie: 10. Wyznaczyć sprawność układu η, korzystając z zależności: η = U mpp I mpp G 0 A 100 Impp [A] prąd w punkcie mocy maksymalnej Umpp [V] napięcie w punkcie mocy maksymalnej A [m 2 ] powierzchnia modułu PV G0 [W/m 2 ] natężenie promieniowania (można obliczyć z przybliżonej zależności): G 0 = 0,72 E v 0,625 11. Wyznaczyć współczynnik wypełnienia FF (Fill Factor), korzystając z zależności: FF = U mpp I mpp U OC I SC Do obliczeń wykorzystać wartości prądów i napięć otrzymane z charakterystyk badanego ogniwa fotowoltaicznego. 12. Podsumowanie wyników. Tabela 7 11
A (m 2 ) Isc (A) Uoc (V) Impp (A) Umpp (V) Pmax (W) η (%) FF ( - ) 13. Pomiary można wykonać dla kilku wybranych wartości natężenia oświetlenia i wykreślić rodzinę krzywych I=f(U). Przy opisywaniu krzywych podać wartości natężenia oświetlenia Ev. 3.3. Wyznaczanie zależności mocy modułu PV od kąta ustawienia α Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności mocy panelu fotowoltaicznego od jego kąta ustawienia względem źródła światła. 1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem). 2. Ustawić panele tak, aby kąt α wynosił 0. 3. Wybrać obciążenie odpowiadające w przybliżeniu ISC. 4. Zaczynając od wartości α = 0 zmieniać nachylenie o 5 stopni (ruch w górę, a następnie w dół do pozycji 0 ). Notować wartości natężenia prądu I i napięcia U. 5. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 8. 6. Wykreślić charakterystyki I=f(cos α) oraz P=f(cos α). L.p. Kąt nachylenia α [ ] Natężenie oświetlenia E v [lux] Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Tabela 8 Moc P [W] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
12 13 14 15 3.4. Badanie modułu fotowoltaicznego przy częściowym zacienieniu pojedynczego ogniwa Celem ćwiczenia jest zbadanie pracy modułu fotowoltaicznego przy częściowym zacieniu ogniw modułu i przy ustalonej wartości natężenia oświetlenia 1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem). 2. Ustawić panele tak, aby kąt α wynosił 0. 3. Przysłonić kartką pojedyncze ogniwo modułu. 4. Zaczynając od maksymalnej wartości prądu płynącego przez obciążenie wykonać 10-15 pomiarów wartości natężenia prądu I, napięcia U na obciążeniu. 5. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 9. L.p. 1 Natężenie oświetlenia E v [lux] Temperatura modułu PV t [ C] Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Moc wydzielona P [W] Tabela 9 Rezystancja obciążenia R [Ω] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 13
6. Dla rezystancji R = 0 zmierzyć i zanotować natężenie prądu zwarcia Isc układu paneli PV, a dla rezystancji R = zmierzyć i zanotować napięcie otwartego układu Uoc panelu PV. 7. Uzyskane wyniki pomiarów przedstawić na jednym wykresie w postaci krzywych I=f(U) i P=f(U). 8. Naszkicować sposób i miejsce zasłonięcia ogniwa fotowoltaicznego. 9. Pomiary można wykonać dla kilku sposobów przesłonięcia ogniwa zmieniając powierzchnię i/lub kształt przesłonięcia oraz rodzaj kartki np. biała lub czarna. W trakcie pomiarów można wykonać pomiary temperatury ogniw zacienionych i niezacienionych 4. Sprawozdanie. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową. 2. Wstęp teoretyczny dotyczący ogniw fotowoltaicznych 3. Schemat stanowiska pomiarowego wraz z zaznaczonymi miejscami pomiaru określonych wielkości. Opis badanego ogniwa fotowoltaicznego oraz przyrządów wykorzystanych podczas pomiarów. 4. Tabelę wyników pomiarowych i obliczeń oraz wzory używane do obliczeń. 5. Charakterystyki I=f(U) i P=f(U) wraz z zaznaczonymi charakterystycznymi punktami. 6. Tabele z wyznaczonymi parametrami ogniwa: Isc, Uoc, Impp, Umpp, Pmax, η, FF. Porównanie z danymi znamionowymi. 7. Uwagi i wnioski. 14
L.p. Natężenie oświetlenia E v [lux] Temperatura modułu PV t [ C] Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Moc wydzielona P [W] Rezystancja obciążenia R [Ω] Dane znamionowe badanego panelu PV: 15