Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

1

Ćwiczenie

nr 6

Temat ćwiczenia:

Ogniwo fotowoltaiczne
a – b)Wyznaczenie zależności natężenia prądu
fotoogniwa od kąta padania światła i odległości
modułu od źródła światła.
c)Wyznaczenie charakterystyki
napięciowo - prądowej ogniwa fotowoltaicznego.

Konspekt

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data

Ocena

Nazwisko i imię

Teoria

Wykonanie ćwiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1.

2.

Elementy układu:

1) moduł fotowoltaiczny,
2) miernik (amperomierz i woltomierz)
3) komplet przewodów,
4) żarówki różnych typów i mocy,
5) moduł obciążenia,
6) lampa,
7) kątomierz,
8) linijka

1. Wprowadzenie
Podstawowy konwerter używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną za pomocą efektu

fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym lub słonecznym.

Istnieje wiele różnych typów ogniw fotowoltaicznych w zależności od używanego materiału

(krzem, półprzewodniki złożone, półprzewodniki organiczne, itd.) i struktury materiału

(monokrystaliczna, polikrysztaliczna, amorficzna).

Ogniwa fotowoltaiczne dzielimy na:

a). Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu monokrystalicznego.

b)Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu polikrystalicznego.

c) Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne z krzemu amorficznego.

d) Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne ze związków półprzewodnikowych:

- CdTe (tellurek kadmu),

-CIS- CuInSe

2

(selenek indowo-miedziowy - CIS).

Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw jest krzem. Największe

sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %) uzyskuje się z ogniw

wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te są najdroższe.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

2

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

a) Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są płytek o kształcie okrągłym, a

następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu.

Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji. W badaniach

laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na

skalę masową mają sprawności około 17%.

b) Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków

krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, które powoli oziębiają roztopiony krzem, aby

zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w

których również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej

wydajne niż monokrystaliczne 9 –12% , ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy.

c) Ogniwa z krzemu amorficznego posiadają sprawność rzędu 4 - 8% i są powszechnie używane

w urządzeniach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.).

Opracowuje się ogniwa fotowoltaiczne z krzemu amorficznego o sprawności rzędu 14%, co dla

modułu fotowoltaicznego pozwala na osiągnięcie sprawności rzędu ok

.

8-10 %.

Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: niski koszt materiału, niewielkie zużycie

energii przy produkcji modułu (głównie dzięki niskiej temperaturze procesu), możliwość osadzania

na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych powierzchni.

Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach

d) Ogniwa cienkowarstwowe są mniej sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego

wykonane są z krzemu amorficznego (a-Si) i jego stopów (a-SiGe, a-SiC). Innymi przykładami

ogniw cienkowarstwowych są tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CIS - copper

indium diselenide), a ich sprawność wynosi 6-9 %.

Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań kosmicznych i mają sprawności powyżej 20 % i

zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawnościach dochodzących do 30%.

e) Ogniwa podwójne i potrójne. Obecnie opracowywana jest technologia pojedynczych,

podwójnych i potrójnych ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa potrójne osiągnęły w skali

laboratoryjnej sprawność 13 % .

Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze

ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy moc rzędu 1 a 2 [W]. Dla uzyskania większych napięć lub

prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc tym samym moduł fotowoltaiczny.

Moc takich modułów (o powierzchni od 0,3 do 1 m

2

) wyrażana jest w watach mocy szczytowej

(zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120 Wp. i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub

polikrystalicznych ogniw krzemowych.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

3

Moc szczytowa Wp – (watt peak), zdefiniowana jest jako moc dostarczana przez nie w warunkach

standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m

2

i

temperaturze otoczenia T= 25°C .

Promieniowanie słoneczne docierając do powierzchni Ziemi ma do pokonania atmosferę ziemską,

której relatywna szerokość ulega zwiększeniu w miarę wzrostu szerokości geograficznej.

Wartości dla odpowiednich szerokości geograficznych są następujące:

AM 1 – H = 90

0

; AM 1,2 – H = 56,4

0

; AM 1,5 – H = 41,8

0

; AM 2 – H = 30

0

;AM 4 – H = 14,5

0

Ś

rodkowoeuropejska szerokość geograficzna -AM1,5.

Jednostka AM- jest względną masa powietrza (air mass).

AM jest to stosunek drogi pokonywanej przez promieniowanie słoneczne (dla danego położenia

Słońca) przy przechodzeniu przez atmosferę ziemska do jej minimalnej długości (do odległości

Słońca położonego pod katem prostopadłym do powierzchni Ziemi- zenicie nad równikiem).

Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub

polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n.

Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki

naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo

fotowoltaiczne.

Nowo opracowane ogniwa składają się z fotoczułej warstwy amorficznego materiału organicznego

naniesionego na cienką warstwę np. dwutlenku tytanu. Działanie ogniwa opiera się na tym, że

fotony promieniowania słonecznego uderzając w fotoczułą warstwę "wybijają" elektrony, które

prze-chodzą do warstwy dwutlenku tytanu i w efekcie tworzy się prąd elektryczny. Zawdzięczamy

to tzw. efektowi fotowoltaicznemu w półprzewodnikach, który zachodzi w konwerterach energii

zwanych ogniwami fotowoltaicznymi. Pod wpływem promieniowania słonecznego absorbowanego

(skupianego) przez półprzewodnik z barierą potencjału (złącze p-n, złącze p-i-n, heterozłącze)

następuje generacja ujemnego ładunku(elektronu) i dodatniego ładunku (dziury). Ładunki te są

rozdzielane przez barierę potencjału, następnie zbierane na elektrodach zewnętrznych. Kiedy do-

łączone jest obciążenie to przepływa przez nie prąd i wykonywana jest praca (np. świecenie

ż

arówki, zasilanie lodówki...)

Zjawisko fotowoltaiczne zostało zaobserwowane na granicy elektrolitu i elektrody metalowej

zanurzonej w elektrolicie, przez francuskiego fizyka Edmonda Bequerela - w 1839 r., a na granicy

dwóch ciał stałych przez Adamsa i Daya w 1876 r.

Efekt fotowoltaiczny

polega na powstaniu siły elektromotorycznej w wielowarstwowej niejedno-

rodnej strukturze podczas jej oświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym.

Jeżeli światło o odpowiedniej energii (długości fali) pada na płytkę metalową albo na warstwę zło-

ż

oną (najczęściej tlenku metalu) to z powierzchni ciała zostają wyemitowane elektrony. Stosując

płytkę metalową emitującą elektrony, jako katodę i wprowadzając w pobliże niej (w próżni) drugą

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

4

elektrodę, po przyłożeniu odpowiedniego napięcia między nimi, uzyskuje się przepływ elektronów

do tej elektrody.

Rys. 1. Schemat działania ogniwa

fotowoltaicznego.

Stosując odpowiednie napięcie hamujące możemy wyznaczyć wartość minimalną energii

odpowiadającą energii potrzebnej do wybicia elektronów z powierzchni materiału (tzw. praca

wyjścia

). Efekt fotoelektryczny został wykorzystany w fotokomórkach czy w fotopowielaczach,

służących do pomiaru małych natężeń światła

Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania

większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Natężenie prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od

nasłonecznienia, ale może być zwiększone poprzez równoległe łączenie modułów. Panel

fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do

kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów.

Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia..

Rys.2. Metody łączenia ogniw fotowoltaicznych.

ogniwo

moduł

panel

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

5

I Wykonanie ćwiczenia

Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa od kąta padania światła-A i odległości

modułu od źródła światła-B.

Rys.4.1.Panel Fotowoltaiczny

W ćwiczeniu nr 4A) sporządzimy charakterystykę natężenia ogniwa fotowoltaicznego w zależności

od kąta padania światła i odległości modułu od źródła światła. W ćwiczeniu nr 4B) sporządzimy

charakterystykę natężenia ogniwa fotowoltaicznego w funkcji odległości modułu od źródła

ś

wiatła-B. Sporządzona charakterystyka natężenia prądu w funkcji odległości od źródła światła oraz

kąta padania pozwala na wybór najbardziej optymalnych warunków pracy ogniwa fotowoltaicznego

Ć

wiczenie ma pokazać wpływ parametrów pracy fotoogniwa na efektywność konwersji energii

ś

wietlnej na energię elektryczną.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

6

Rys.4.2. Schemat pomiarowy do wyznaczania prądu zwarcia ogniwa fotowoltaicznego.

A) Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa od kąta padania światła
1) Połącz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 4.2.

2) Ustaw lampę tak aby jej światło padało prostopadle do modułu (pozycja 90˚).

3) Wkręć wybraną przez prowadzącego żarówkę do oprawy lampy. Zanotuj rodzaj żarówki i jej

moc w Tab.4.1.

3) Sprawdź czy dobrze połączyłeś układ. Ustaw zakres amperomierza ustaw na 2 A

4) Ustaw lampę w odległości 40 – 50 [cm] od modułu fotowoltaicznego.

5) Wyznacz zmianę natężenia prądu w zależności od kąta padania światła na moduł. (kąt nachylenia

zmieniać co 10˚, zaczynając od 90˚ kończąc na 0˚. Wykonaj ćwiczenie odchylając najpierw moduł

w prawo, później w lewo. Zapisz wyniki w Tab.4.1.

6) Powtórz ćwiczenie dwa razy (zgodnie z pkt. 2-5).

B) Wyznaczenie zależności natężenia prądu fotoogniwa w funkcji odległości modułu od źródła

światła.

7) Wyznacz prąd zwarcia w zależności od oddalenia źródła światła od modułu. Pomiar wykonaj co

5 cm, dla odległości l = 30 cm do maksymalnego oddalenia lampy od ogniwa. Zapisz wyniki w

tab.6.2. Na obudowie lampy znajdują się linie od których dokonuje się pomiar odległości. Linia

czarna: żarówka żarowa; linia czerwona: żarówka halogenowa

9) Powtórz ćwiczenie dwa razy dla pkt. 7 . Zapisz wyniki w Tab.4.2.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

7

IIA-B Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.4.1. Charakterystyka natężenia prądu w zależności od kąta padania światła

Charakterystyka natężenia prądu w zależności od kąta padania światła

I = f ( α) gdzie (90-α)- kąt padania światła

Rodzaj żarówki

Moc żarówki

N = [W]

Odchylenie modułu w

lewo

Odchylenie modułu w

prawo

Kąt α

α

[

0

]

Wartość

cos (90-α)

Pomiar

1

I

1.1

[mA]

Pomiar

2

I

1.2

[mA]

Pomiar

3

I

1.3

[mA]

Pomiar
1

I

2.1

[mA]

Pomiar

2

I

2.2

[mA]

Pomiar

3

I

2.3

[mA]

Wartość

średnia

I

1slewo

[mA]

Wartość

średnia

I

2sprawo

[mA]

Różnica

natężenia

prądu

∆

I=I

1s

-I

2s

[mA]

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Tab.4.2. Zależność natężenia prądu zwarciowego w zależności od odległości od źródła światła

Charakterystyka zmian natężenia prądu w zależności

od odległości modułu fotowoltaicznego

od źródła światła

I = f(d) oraz I = f(1/d

2

)

Odległość

d [ cm]

Pomiar 1

Natężenie

prądu

I [mA]

Pomiar 2

Natężenie

prądu

I [mA]

Ś

rednia

wartość
natężenia
I

ś

r

[mA]

Wartość

1/d

2

30

35

40

45

50

55

60

IIIA-B. Opracowanie wyników pomiarów

1.Oblicz wartości średnie natężenia prądu I

ś

r

. Oblicz różnicę natężenia prądu. Wyniki wpisz

odpowiednio w Tab.4.1 i 4.2.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

8

2. Wykreśl krzywą charakterystyki natężenia prądu w zależności od kąta padania światła

I = f (90-α) oraz w zależności od kosinusa kąta padania I = f (cos {90-α})

3. Wykreśl krzywą charakterystyki natężenia prądu w zależności od odległości źródła światła od

modułu fotowoltaicznego oraz odwrotności kwadratu odległości źródła od modułu I = f(1/d

2

).

4. Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.

C) Wyznaczenie charakterystyki prądowo – napięciowej ogniwa fotowoltaicznego.

I C Wykonanie ćwiczenia

W ćwiczeniu nr 4c) sporządzane zostaną charakterystyki prąd- napięcie i prąd-moc ogniwa

fotowoltaicznego. Ćwiczenie ma pokazać zdolność konwersji energii świetlnej na energię

elektryczną przy użyciu modułu fotowoltaicznego.

Rys. 4.3. Schemat połączenia układu do pomiaru mocy ogniwa fotowoltaicznego.

1) Połącz układ zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys. 4.3.

2) Oświetl moduł słoneczny lampą. w ten sposób by odległość między lampą a ogniwem

fotowoltaicznym wynosiła około 30 [cm].

3) Odczekaj ok. 5 minut aby ustaliła się temperatura pracy modułu. Wtedy charakterystyka modułu

nie zmieni się ze względu na zmianę temperatury.

Ć

wiczenie 6. Ogniwo fotowoltaiczne.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

9

4) Sprawdź czy dobrze połączyłeś układ.

5) Zacznij pomiary od prądu zwarcia, następnie zmierz napięcie i prąd przy różnym obciążeniu

zaczynając od 0,3; 0,5; 1; ...; 100[Ω], kończąc pomiar na pozycji „

∞

”.

6) Powtórz ćwiczenie dwa razy dla pkt. 5 . Zapisz wyniki w tab.4.3.

IIC Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.4.3. Charakterystyka napięciowo- prądowa modułu fotowoltaicznego.

Pomiar mocy ogniwa fotowoltaicznego dla odległości d= 30 [cm]

Rodzaj żarówki

Moc żarówki N= [mW]

Opór

R[Ω]

Wartość napięcia

U [mV]

Ś

rednie

wartości
napięcia

Wartość natężenia prądu

I [mA]

Ś

rednie

wartości

natężenia

prądu

Moc

ś

rednia

N [mW ]

Pomiar 1

U

1

[mV]

Pomiar 2

U

2

[mV]

Pomiar 3

U

3

[mV]

U

ś

r

[mV]

Pomiar 1

I

1

[mA]

Pomiar 2

I

2

[mA]

Pomiar 3

I

3

[mA]

Iśr[mA] N

ś

r

[mW ]

0

0,3

0,5

1

2

3

5

10

20

50

100

∞

IIIC. Opracowanie wyników pomiarów

1. Oblicz wartości średnie napięcia i natężenia prądu. Wpisz wyniki do Tab.4.3.

2. Wykreśl krzywą charakterystyki napięciowo- prądowej fotoogniwa I = f ( U). dla wyników

zestawionych w Tab.4.3.

3. Skomentuj otrzymaną charakterystykę.

4. Oblicz wartość mocy fotoogniwa i wyniki wpisz do tab.4.3.Wartość średniej mocy ogniwa

fotowoltaicznego oblicz korzystając ze wzoru:

N

ś

r

= I

ś

r

⋅

U

ś

r

[mW]

gdzie: I

ś

r

– średnia wartość natężenia obliczona z pomiarów [mA]

U

ś

r

- średnia wartość napięcia obliczona z pomiarów [mV]

5. Wykreśl krzywą charakterystyki mocy fotoogniwa w zależności od napięcia I = f ( U).

6. Skomentuj otrzymaną charakterystykę i wyznacz punkt mocy maksymalnej.

7.Porównaj charakter otrzymanych w ćwiczeniu krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.