Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych fotowoltaicznych
Ć
wiczenie nr 8
Laboratorium z przedmiotu:
„Alternatywne źródła energii”
Kod: ŚC3066
Opracowała:
mgr inż. Anna Demianiuk
luty 2015
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
2
1.
Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest zweryfikowanie i zrozumienie zasady funkcjonowania paneli
słonecznych fotowoltaicznych poprzez wyznaczenie krzywej I-V (charakterystyka prądowo-
napięciowa) oraz charakterystycznych parametrów pracy, takich jak prąd zwarcia (I
sc
),
napięcie obwodu otwartego (V
oc
) oraz moc maksymalna (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
fotonami na miejsce ich połączenia. Ogniwa fotowoltaiczne przetwarzają w ten sposób
ś
wiatło bezpośrednio na energię elektryczną. Efekt fotowoltaiczny został odkryty w 1839 r.
przez francuskiego fizyka Edmunda 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 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 (napięcie ogniwa otwartego)
V
P
max
moc maksymalna ogniwa
W
E
natężenie promieniowania (w programie – SRL)
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 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
3
Najczęściej stosowane współcześnie ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z dwóch
półprzewodników o różnych typach przewodnictwa – p i n, gdzie półprzewodnik p jest to
materiał, w którym większościowym nośnikiem prądu są dziury elektronowe,
a w półprzewodniku typu n występuje nadmiar elektronów. Podstawowym budulcem tych
materiałów jest krzem z odpowiednimi domieszkami (zwykle: bor – w półprzewodniku typu
p, i fosfor – w półprzewodniku typu n). Światło padające na półprzewodnik powoduje
uwolnienie elektronów z wiązań chemicznych międzyatomowych (tzw. absorpcja
promieniowania). Aby zjawisko takie mogło zajść, musi być spełniony warunek dostarczenia
przez padający foton energii równej co najmniej energii przerwy energetycznej, która np. dla
krzemu w temperaturze 300 K wynosi E
g
= 1,12 eV (rysunek 2).
Rys. 2. Schemat zmiany poziomu energetycznego elektronu w półprzewodniku
Nośnikami energii elektrycznej 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 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.
2.4
Charakterystyka prądowo napięciowa i krzywa mocy
Charakterystyka elektryczna ogniwa fotowoltaicznego reprezentowana jest najczęściej
przez krzywą zależności natężenia i napięcia prądu elektrycznego – krzywą I-V.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
4
Rys. 3. Przykład charakterystyki prądowo napięciowej (I-V)
Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę I-V dla modułu fotowoltaicznego
z uwzględnieniem warunków naświetlenia i w przypadku jego braku. Wartość prądu
w pierwszej ćwiartce - I
sc
, lewym górnym rogu krzywej I-V dla zerowej wartości napięcia
określana jest mianem prądu zwarcia. Prąd zwarcia określa natężenie prądu płynącego przy
zwarciu ogniwa, czyli dla minimalnej rezystancji obwodu. W wyniku zwarcia przewodów
dochodzi do natychmiastowego wyrównania różnicy potencjałów, czyli do uzyskania napięcia
o wartości 0 V.
Wartość napięcia w prawym dolnym rogu krzywej - V
oc
, gdy natężenie osiąga wartość
zerową, nazywa się napięciem obwodu otwartego lub napięciem jałowym. Jest to napięcie
osiągane w sytuacji, kiedy moduł nie jest podłączony do żadnego obciążenia, w obwodzie nie
płynie prąd (I = 0 A).
W lewej części obszaru zacienionego ogniwo działa jak źródło prądu stałego, generując
napięcie odpowiadające rezystancji. W zacienionym obszarze po prawej stronie natężenie
prądu spada gwałtownie przy jednoczesnym, niewielkim wzroście napięcia. W tym rejonie,
ogniwo działa jak źródło napięcia stałego z oporem wewnętrznym. Pomiędzy tymi dwoma
zacienionymi regionami znajduje się punkt przegięcia krzywej. W przypadku, gdyby
z zewnątrz doprowadzone było napięcie w kierunku odwrotnym (np. podczas awarii układu
przetwarzającego), prąd pozostaje stały a moc jest absorbowana przez ogniwo. Jednak poniżej
pewnej wartości ujemnego napięcia złącze ulega przebiciu w wyniku dużego wzrostu
natężenia prądu. W ciemności wartość prądu wynosi zero dla napięć aż do wartości napięcia
przebicia, co zachodzi także dla warunków pełnego oświetlenia.
Moc wyjściowa modułu P jest wielkością zależną od napięcia i natężenia prądu
wyjściowego.
P
I V
= ⋅
(1)
*Oznaczenia zgodnie z pkt 2.2
Na rysunku 3, przedstawiona jest zależność mocy w funkcji napięcia. Należy
zauważyć, że ogniwo nie produkuje mocy przy zerowym napięciu lub prądzie, a moc
maksymalna występuje przy napięciu odpowiadającym punktowi przegięcia krzywej I-V.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
5
Rys. 4. Zależność mocy wyjściowej od napięcia w ogniwie PV
Obwody elektryczne fotowoltaiczne są projektowane tak, aby moduły działały
w warunkach zbliżonych do warunków z lewej strony punktu przegięcia. W modelowaniu
i analizie systemu modułów PV moduły takie traktuje się w uproszczeniu jako źródła stałego
prądu elektrycznego.
a) temperatura modułu fotowoltaicznego T=25°C
b) natężenie promieniowania E=1000W/m
2
Rys. 5. Charakterystyki I-V modułu A-66P (66W)
Rys. 6. Wymiary modułu A-66P (66W)
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
6
Tabela 1. Parametry modułu A-66P(66W)
Moc maksymalna (warunki STC) P
mp
(±8%)
66
W
Ilość ogniw
36
-
Sprawność modułu
12,87
%
Natężenie prądu mocy maksymalnej I
mp
3,76
A
Napięcie mocy maksymalnej V
mp
17,53
V
Prąd zwarciowy I
sc
4,06
A
Napięcie jałowe V
oc
21,78
V
Maksymalne napięcie systemu V
max
1000
V
Współczynnik strat temperaturowych I
sc
(
α
)
0,04
%/°C
Współczynnik strat temperaturowych V
oc
(
β
)
-0,32
%/°C
Współczynnik strat temperaturowych P (
γ
)
-0,43
%/°C
Podane na rysunku 5 charakterystyki I-V modułu 66W uwzględniają cztery poziomy
natężenia promieniowania: 1000 W/m
2
, 500 i 250 W/m
2
. Krzywe te sporządzone zostały dla
założenia AM1,5 (referencyjna masa powietrza 1,5), przy czym wartości: E=1000 W/m
2
,
T=25˚C
i AM1,5 odpowiadają tzw. warunkom standardowym (STC Standard Test
Conditions), co umożliwia porównanie wyników testów przeprowadzanych w różnych
laboratoriach [4]. Zerowa masa powietrza (AM0) reprezentuje stan w przestrzeni kosmicznej,
gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1350 W/m
2
. AM1 przedstawia uśrednione warunki,
dobrze odpowiadające klimatowi większości państw europejskich. AM1 odpowiada
następującym warunkom na ziemi: czyste suche powietrze, bezchmurne niebo w samo
południe, kiedy światło słoneczne napotyka najmniej przeszkód na drodze do powierzchni
Ziemi, średnia wartość wilgotności powietrza oraz średni poziom zanieczyszczeń. Energia
słoneczna docierająca do powierzchni Ziemi w dzień z AM1,5 wynosi około 1000 W/m
2
.
W pochmurny dzień wartość ta jest mniejsza. Wartość 500 W/m
2
jest kolejną wartością
odniesienia stosowaną na potrzeby analiz przemysłowych do stworzenia krzywych I-V.
W przypadku, gdy temperatura panelu fotowoltaicznego jest różna od temperatury
standardowej STC (25˚C), w celu korekcji wartości napięcia, natężenia prądu i mocy panelu
stosuje się współczynniki strat temperaturowych, które informują o procentowym zysku lub
stracie danej wartości maksymalnej, na każdy stopień Celcjusza wzrostu temperatury ogniwa.
Sprawność fotokonwersji ogniwa PV jest zdefiniowana zależnością:
η =
moc wyjsciowa
energia sloneczna docierająca do ogniwa
czyli:
⋅
η =
⋅
I U
E S
(2)
*Oznaczenia zgodnie z pkt 2.2
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
7
3.
Metodyka badań
3.1
Budowa stanowiska
Rys. 7. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem
oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer
Rys. 8. Schemat stanowiska z kolektorami słonecznymi fotowoltaicznymi
1
2
3
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
8
3.2
Metodyka pomiarów
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy upewnić się, że pokrętło obciążenia DC
ustawione jest w pozycji maksymalnego oporu (pozycja w prawo). Następnie wykonać
kolejne czynności:
1)
Włączyć jednostkę sterującą i komputer a następnie uruchomić program
2)
Ustawić przełącznik obciążenia DC („load selector”) w pozycji 1.
3)
Odłączyć lampy DC, które są połączone równolegle z regulatorem obciążenia
(przełącznik on/off).
4)
Ustawić przełącznik AFTER/BEFORE w pozycji BEFORE.
5)
Za pomocą przełącznika „series/parallel” wybrać równoległe połączenie modułów
(pozycja „parallel).
6)
Włączyć PANEL-1.
7)
Włączyć rejestrator, klikając na ikonkę „START”.
8)
Przesunąć suwak SUN-2 do położenia maksymalnego, uzyskując w ten sposób
maksymalne natężenie promieniowania.
9)
Po ustabilizowaniu się pracy lamp (wskazania SRL) i temperatury panelu (ST-2)
zapisać w tabeli 2 wartość napięcia obwodu otwartego V
oc
(czujnik DC-2)
promieniowania SRL.
10)
Po upewnieniu się, że pokrętło regulatora obciążenia ustawione jest w pozycji
maksymalnego oporu (100%) ustawić przełącznik obciążenia w pozycji 2
11)
Zanotować wskazania czujników napięcia i natężenia prądu oraz natężenia oświetlenia
(DC-1, DC-2 i SRL).
12)
Zmienić pozycję regulatora obciążenia do wartości około 90% R i zanotować wartości
uzyskanych parametrów.
13)
Powtarzać punkt 8 zmniejszając obciążenie o ok. 10% aż do osiągnięcia wartości
0% R, która jest punktem zwarcia dla panelu słonecznego.
14)
Przywrócić ustawienie początkowe regulatora obciążenia R
15)
W celu uzyskania wartości napięcia w obwodzie otwartym (wartość napięcia
jałowego) należy ustawić przełącznik obciążenia DC w pozycji 1.
W celu otrzymania wartości parametrów oraz wyznaczenia krzywej I-V dla panelu 2,
należy wykonać kroki od 6 do 10 pracując z przełącznikami SUN-1 i PANEL-2.
Uwaga 1. Należy pamiętać, aby nie pozostawiać przełącznika regulatora obciążenia w pozycji
minimalnego oporu przez długi czas!
Uwaga 2. Należy upewnić się że podczas wykonywania ćwiczenia akumulator jest odłączony
- kontrolka nad przełącznikiem nie świeci się.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
9
Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów
Pozycja R
PANEL-1
PANEL-2
I
V
SRL
I
V
SRL
[%]
[A]
[V]
[W/m
2
]
[A]
[V]
[W/m
2
]
100
0
I
sc
[A]
V
oc
[V]
T [°C]
* T – temperatura panelu
Imię i nazwisko studenta:
Data wykonania ćwiczenia:
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
10
3.3 Analiza wyników
1)
W jednym układzie współrzędnych wykreślić krzywą I-V dla obydwu paneli,
zapisując w każdym punkcie wykresu wartość zmierzonego promieniowania.
2)
Korzystając ze wzoru (1) obliczyć moc paneli i sporządzić w jednym układzie
współrzędnych wykresy P-V (zależność mocy panelu od napięcia).
3)
Wyznaczyć maksymalną moc obu paneli P
max
, wartości zaznaczyć na wykresie.
4)
Na wykresach I-V zaznaczyć napięcie oraz natężenie dla którego moc paneli jest
największa (tzw. punkt przegięcia wykresu I-V).
5)
Korzystając ze wzoru (2) obliczyć sprawność paneli i określić maksymalną sprawność
pojedynczego panelu.
6)
Sformułować wnioski (otrzymane wartości porównać z danymi producenta panelu,
wyjaśnić czym mogą być spowodowane różnice).
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)
opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
c)
przebieg realizacji eksperymentu,
d)
wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
e)
wykresy i charakterystyki (na papierze milimetrowym),
f)
zestawienie i analiza wyników badań.
3)
Posumowanie uzyskanych wyników w postaci wniosków.
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.
Politechnika Białostocka
Ćwiczenie nr 8
Katedra Ciepłownictwa
Określenie charakterystycznych parametrów
paneli słonecznych foto woltaicznych
11
6.
Literatura uzupełniająca
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
5.
L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980