Politechnika Białostocka

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Katedra Ciepłownictwa

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Badanie zależności energii generowanej

w panelach fotowoltaicznych od natężenia

promieniowania słonecznego

Ć

wiczenie nr 10

Laboratorium z przedmiotu:

„Alternatywne źródła energii”

Kod: ŚC3066

Opracowała:

mgr inż. Anna Demianiuk

luty 2015

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

2

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

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

3

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

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem

oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer

1

2

3

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

4

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).

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.

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

5

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów dla obciążenia: R=0.5R

max

SUN-
1+SUN-
2

PANEL-1

PANEL-2

I

V

SLR

I

V

SLR

[A]

[V]

[W/m

2

]

[A]

[V]

[W/m

2

]

max

min

OFF

Imię i nazwisko studenta:

Data wykonania ćwiczenia:

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

6

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%)

66 W

Liczba ogniw w szeregu

36

Prąd w maksymalnym punkcie pracy (Imp)

3,70 A

Napięcie w maksymalnym punkcie pracy (Vmp)

17,80 V

Otwarty obwód napięcia (Voc)

22,25 V

Prąd zwarcia (Isc)

4,05 A

Współczynnik temperaturowy dla Isc (

α

)

1,15 mA/˚C

Współczynnik temperaturowy dla Voc (

β

)

-76,32 mA/˚C

Maksymalne napięcie w układzie

1000 V

Charakterystyka fizyczna

Wymiary (wys. × szer. × gr.)

778×659×35 mm

Masa (w przybliżeniu)

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:

η =

nom

P / P

1

1

1

η =

nom

P / P

2

2

2

5)

Określić maksymalną wydajność w konwersji fotowoltaicznej obu paneli
uwzględniając ich wymiary geometryczne.

η =

f

max

max

P

/ Wr

1

1

η =

f

max

max

P

/ Wr

1

2

6)

Sformułować wnioski

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie nr 10

Katedra Ciepłownictwa

Badanie zależności energii generowanej w panelach

fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego

7

4.

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje:

1)

Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ć

wiczenia, 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