SCHEMATY UKŁADÓW POMIAROWYCH
1. Schemat układu do pomiaru zależności siły elektromotorycznej ogniwa fotowoltaicznego od natężenia prądu czerpanego z niego.
(wstawić schemat ze strony 257)
AK - fotoogniwo
r - rezystancja wewnętrzna ogniwa
R - rezystancja opornika zewnętrznego
A - amperomierz
V - woltomierz
K - wyłącznik
2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania rezystancji opornika metodą poprawnie mierzonego napięcia.
(wstawić schemat a ze strony 259)
U - źródło napięcia
R - badany opornik
A - amperomierz
V - woltomierz
3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania rezystancji opornika metodą poprawnie mierzonego prądu.
(wstawić schemat b ze strony 259)
U - źródło napięcia
R - badany opornik
A - amperomierz
V - woltomierz
PRZEBIEG ĆWICZENIA
A. Badanie zależności siły elektromotorycznej ogniwa fotowoltaicznego od obciążenia.
1. Zmontowanie układu pomiarowego wg. schematu 1.
2. Pomiar siły elektromotorycznej E ogniwa fotowoltaicznego przy otwartym wyłączniku K.
3. Pomiar napięcia na zaciskach ogniwa oraz natężenia prądu płynącego w obwodzie przy zamkniętym wyłączniku K.
B. Wyznaczanie rezystancji opornika metodami: poprawnie mierzonego napięcia i poprawnie mierzonego prądu.
1. Zmontowanie układu pomiarowego wg. schematu 2.
2. Pomiar napięcia na badanym oporniku oraz natężenia prądu płynącego w obwodzie.
3. Powtórzenie pomiarów przy użyciu oporników i przyrządów pomiarowych wskazanych przez prowadzącego.
4. Zmontowanie układu pomiarowego wg. schematu 3.
5. Pomiar natężenia prądu płynącego przez badany opornik oraz napięcia na oporniku i amperomierzu.
6. Powtórzenie pomiarów przy użyciu oporników i przyrządów pomiarowych wskazanych przez prowadzącego.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
A. Badanie zależności siły elektromotorycznej ogniwa fotowoltaicznego od obciążenia.
1. Obliczenie niepewności uzyskanych wyników pomiarów.
DU = k×z / 100 = 1 × 1V / 100 = 0,01 [V]
DI = k×z / 100 = 1 × 200 ×10- 3 A / 100 = 2 ×10- 3 [A]
2. Wykreślenie zależności mierzonego napięcia U od natężenia pobieranego prądu I - WYKRES 1.
I ×10- 3 [A] |
U [V] |
105.0 |
0.028 |
105.0 |
0.135 |
100.0 |
0.232 |
80.0 |
0.291 |
70.0 |
0.303 |
60.0 |
0.314 |
45.0 |
0.326 |
30.0 |
0.333 |
15.0 |
0.332 |
10.0 |
0.333 |
8.0 |
0.334 |
2.0 |
0.336 |
3. Obliczenie współczynników kierunkowych prostej aproksymującej wyniki składające się na płaską część wykresu zależności U = f(I).
Prosta aproksymująca ma postać U = aI + b, gdzie:
a = - (426 ± 27) ×10- 3 [W]
b = (0,339 ± 0,021) [V]
4. Wyznaczenie rezystancji wewnętrznej badanego fotoogniwa oraz jego siły elektromotorycznej.
Siła elektromotoryczna ogniwa SEM jest równa napięciu na zaciskach ogniwa, gdy nie płynie prąd w obwodzie zewnętrznym, czyli I = 0. Korzystając z prostej aproksymującej
U = aI + b uzyskujemy przy I = 0 siłę elektromotoryczną SEM = b, czyli:
SEM = b = (0,339 ± 0,021) [V].
Na podstawie II prawa Kirchhoffa:
otrzymujemy w naszym przypadku
gdzie:
Ur - spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej ogniwa
UR - spadek napięcia na rezystorze R
Porównując prostą U = aI + b, dla której U = UR oraz b = E otrzymujemy
czyli:
r = - a = (426 ± 27) ×10- 3 [W] - rezystancja wewnętrzna ogniwa.
5. Wykreślenie zależności mocy czerpanej z fotoogniwa P = U×I oraz mocy
P'= (E - U)×I wydzielanej na rezystancji wewnętrznej źródła od natężenia pobieranego prądu I - WYKRES 2.
6. Wyznaczenie niepewności mocy czerpanej z fotoogniwa P oraz mocy wydzielanej na rezystancji wewnętrznej źródła P'.
Niepewność mocy P:
Niepewność mocy P':
Wyniki obliczeń zawiera tabela.
I ×10- 3 [A] |
P ×10- 3 [W] |
DP ×10- 3 [W] |
P' ×10- 3 [W] |
DP' ×10- 3 [W] |
105.0 |
2.94 |
1.11 |
32.66 |
1.672 |
105.0 |
14.18 |
1.32 |
21.42 |
1.458 |
100.0 |
23.20 |
1.46 |
10.70 |
1.214 |
80.0 |
23.28 |
1.38 |
3.84 |
0.896 |
70.0 |
21.21 |
1.31 |
2.52 |
0.772 |
60.0 |
18.84 |
1.23 |
1.50 |
0.650 |
45.0 |
14.67 |
1.10 |
0.59 |
0.476 |
30.0 |
9.99 |
0.97 |
0.18 |
0.312 |
15.0 |
4.98 |
0.81 |
0.11 |
0.164 |
10.0 |
3.33 |
0.77 |
0.06 |
0.112 |
8.0 |
2.67 |
0.75 |
0.04 |
0.090 |
2.0 |
0.67 |
0.69 |
0.01 |
0.026 |
B. Wyznaczenie rezystancji opornika metodami poprawnie mierzonego napięcia i poprawnie mierzonego prądu.
1. Obliczenie niepewności wyników pomiarów.
a) metoda poprawnie mierzonego napięcia:
DUV = k×z / 100 = 1 × 10V / 100 = 0,1 [V]
DIA = k×z / 100 = 1 × 1 ×10- 3 A / 100 = 10- 5 [A]
DIA = k×z / 100 = 1 × 3 A / 100 = 0,03 [A]
b) metoda poprawnie mierzonego prądu:
DUV = k×z / 100 = 1 × 10V / 100 = 0,1 [V]
DIA = k×z / 100 = 1 × 1 ×10- 3 A / 100 = 1 ×10- 5 [A]
DIA = k×z / 100 = 1 × 3 A / 100 = 0,03 [A]
2. Obliczenie rezystancji wewnętrznej użytego woltomierza.
Obliczenia wykonujemy wg. wzoru:
Wyznaczenie niepewności RV.
Wyniki obliczeń zawiera tabela.
R [W] |
UV [V] |
IA ×10- 3 [A] |
RV ×103 [W] |
DRV ×103 [W] |
1 |
1.9 |
1850 |
0.038 |
0.002 |
2 |
3.6 |
1840 |
0.090 |
0.006 |
3 |
5.3 |
1800 |
0.159 |
0.010 |
4 |
5.8 |
1440 |
0.580 |
0.037 |
5 |
5.9 |
1170 |
0.590 |
0.037 |
1000 |
6.2 |
0.66 |
1.119 |
0.071 |
2000 |
6.3 |
0.35 |
2.250 |
0.142 |
3000 |
6.3 |
0.24 |
3.387 |
0.213 |
5000 |
6.3 |
0.16 |
5.727 |
0.361 |
7000 |
6.3 |
0.12 |
8.077 |
0.509 |
10000 |
6.3 |
0.10 |
11.887 |
0.749 |
2. Wyznaczenie wartości średniej i odchylenia standardowego rezystancji wewnętrznej użytego woltomierza.
Obliczeń dokonujemy przy użyciu następujących wzorów:
Rezystancja wewnętrzna użytego woltomierza wynosi:
RV = (3,04 ± 2,31) ×103 [W].
3. Obliczenie rezystancji wewnętrznych użytych amperomierzy.
Obliczenia wg. wzoru:
Niepewność wyznaczenia rezystancji:
Wyniki obliczeń:
R [W] |
UV [V] |
IA ×10- 3 [A] |
RA [W] |
DRA [W] |
0 |
0.3 |
1850 |
0.162 |
0.010 |
1 |
2.1 |
1830 |
0.148 |
0.009 |
2 |
3.8 |
1800 |
0.111 |
0.007 |
3 |
5.5 |
1780 |
0.090 |
0.006 |
4 |
6.0 |
1500 |
0.088 |
0.007 |
5 |
6.1 |
1200 |
0.083 |
0.005 |
1000 |
6.3 |
6.4 |
0.079 |
0.005 |
3000 |
6.3 |
2.1 |
0.064 |
0.004 |
5000 |
6.3 |
1.3 |
0.046 |
0.003 |
7000 |
6.3 |
0.9 |
0.042 |
0.003 |
10000 |
6.3 |
0.6 |
0.033 |
0.002 |
4. Wyznaczenie wartości średniej i odchylenia standardowego rezystancji wewnętrznej użytego amperomierza.
Obliczeń dokonujemy przy użyciu następujących wzorów:
Rezystancja wewnętrzna użytego amperomierza wynosi:
RA = (0,086 ± 0,039) [W].
ZESTAWIENIE WYNIKÓW OBLICZEŃ
SEM = (0,339 ± 0,021) [V] - siła elektromotoryczna badanego fotoogniwa.
r = (426 ± 27) ×10- 3 [W] - rezystancja wewnętrzna ogniwa.
RV = (3,04 ± 2,31) ×103 [W] - rezystancja wewnętrzna użytego woltomierza.
RA = (0,086 ± 0,039) [W] - rezystancja wewnętrzna użytego amperomierza.
WNIOSKI
1. Siła elektromotoryczna badanego ogniwa maleje ze wzrostem obciążenia.
2. Dla wartości prądu I < 50 [mA] zależność U = f(I) jest liniowa. Przy większym natężeniu prądu siła elektromotoryczna SEM ogniwa gwałtownie maleje.
3. Moc czerpana z fotoogniwa wzrasta wraz ze wzrostem natężenia pobieranego prądu do wartości I = 0,080 ×10- 3 [A], której odpowiada moc P = 23,28 ×10- 6 [W], po czym gwałtownie maleje.
4. Zależność P' = f(I) ma charakter wykładniczy.
5. Na podstawie wyników obliczeń stwierdzamy, że rezystancje wewnętrzne użytych woltomierzy są bardzo duże w porównaniu z rezystancjami wewnętrznymi amperomierzy.
Jest to zgodne z założeniami teoretycznymi, które mówią, że rezystancja woltomierza powinna być nieskończenie wielka, a rezystancja amperomierza równa zero, aby wyniki pomiarów napięcia i natężenia były dokładne.
7