BADANIE OGNIW SŁONECZNYCH
I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
1. Wstęp
Konwencjonalne źródła energii powoli, ale nieuchronnie się wyczerpują. Coraz
droższa jest też ich eksploatacja. Energia atomowa, uważana za najczystszą i w miarę bezpieczną, wciąż budzi nieufność społeczeństw. W tej sytuacji wzrasta zainteresowanie Słońcem i możliwością przekształcania emitowanej przez gwiazdę
energii na energię elektryczną.
Są dwie metody wykorzystania energii słonecznej: heliotermiczna i helioelektryczna. Pierwsza z tych metod polega na ogrzewaniu przez słońce wody służącej
następnie do poruszania turbiny napędzającej generator wytwarzający energię elektryczną. Metoda helioelektryczna wykorzystuje bezpośrednią przemianę energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelek-
trycznych.
Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało w 1954r. (USA). Kariera fotoogniw
od początku związana była z astronautyką. Chociaż baterie słoneczne nadal stano-
wią podstawowe źródło energii dla wysyłanych przez człowieka w kosmos obiek-
tów, nabierają one jednak coraz większego znaczenia praktycznego na Ziemi.
Możliwość przemiany energii promienistej Słońca można kojarzyć z otrzymywa-niem dóbr za darmo. W rzeczywistości trzeba zainwestować w urządzenia tech-niczne, by wykorzystać strumień energii Słońca. Ogniwa słoneczne nie są dziś w stanie zastąpić elektrowni konwencjonalnych czy jądrowych. Przyczyną tego jest m. in. „wędrówka” Słońca – dla zaopatrzenia energetycznego nocą należałoby zbudować gigantyczne akumulatory. Ponadto ogniwa fotoelektryczne zajmują dużą
powierzchnię. Elektrownia o mocy 1000 MW wymagałaby fotoogniw o po-
wierzchni 50 km2 (moc elektrowni Bełchatów wynosi 4000 MW).
Ćwiczenie 18
2. Zasada działania fotoogniwa
Jeżeli na półprzewodnik (samoistny lub domieszkowany) pada promieniowania
świetlne, to jego przewodnictwo elektryczne silnie wzrasta ponieważ w półprze-wodniku powstają pary dziurowo-elektronowe. W przypadku złącza p-n zjawisko fotoelektryczne powoduje zmianę rozkładu nośników w złączu w porównaniu
z rozkładem, gdy złącze jest nieoświetlone. Zmiana kontaktowej różnicy poten-cjałów jest równoważna powstaniu siły fotoelektrycznej. Następuje tu zatem bezpośrednia zamiana energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elek-
tryczną.
świat ło
elektroda z biorcza
hν
−
N
R
P
elektron
i
dziu ra
para
+
dziu ra-elektron
elektroda tylna
Rys. 18.1. Ogniwo fotoelektryczne. N - półprzewodnik typu n, P - półprzewod-
nik typu p, hν - kwanty energii promieniowania
3. Materiały
Głównym surowcem do produkcji fotoogniw nadal pozostaje krzem. Monokry-
staliczny krzem (półprzewodnik o prawie idealnej budowie krystalicznej) stosowa-
ny na fotoogniwa ma dużą sprawność, lecz wytwarzany jest dużym nakładem kosztów. Ilość zanieczyszczeń nie przekracza 1 ppm (past per milion - część na milion) czyli jeden atom pierwiastka zanieczyszczającego przypada na co najmniej milion atomów krzemu. Metodą Heliotronic (metoda odlewania blokowego)
otrzymuje się dziś multikrystaliczne bloki krzemu o wymiarach 21,5 × 21,5 × 20
cm . Metoda ta pozwala wytwarzać ogniwa słoneczne seryjnie i przy niskich na-kładach kosztów.
Typowe elementarne fotoogniwo (10 × 10 cm) wykonane z polikrystalicznego
krzemu (Si) (materiał polikrystaliczny składa się z wielu zrośniętych ze sobą kryształów) dostarcza przy napięciu 0,5 V moc 1 W, gdy pada na nie strumień energii słonecznej o natężeniu 1000 W/m2 (słoneczny letni dzień). W pochmurny
263
letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2. Energia elektryczna otrzymywana z ogniw słonecznych jest zależna od natężenia promieniowania świetlnego. Dzięki równoległemu i szeregowemu łączeniu takich ogniw można uzyskać źródło energii o żądanym napięciu i żądanej mocy. Sprawność najnowszych typów fotoogniw krzemowych, wytwarzanych już przemysłowo
i stosowanych w praktyce, sięga 16,5 %. Wydajniejszym przetwornikiem energii słonecznej na energię elektryczną są fotoogniwa z arsenku galu. Na razie nie znajdują szerszego zastosowania w tej dziedzinie techniki, ponieważ arsenek galu (GaAs) jest materiałem drogim, ma większą gęstość niż krzem i jest trudniejszy w obróbce z powodu większej kruchości.
4. Technologia
Produktem wyjściowym jest wysoko oczyszczony krzem występujący jako od-
pad przy produkcji układów scalonych. We wspomnianej metodzie (Heliotronic) zamiast hodowli jednorodnych kryształów dla układów scalonych, roztopiony krzem zostaje wlany w formę, gdzie poprzez specjalnie opracowany proces chłodzenia powstaje kolumnowa, multikrystaliczna struktura krzemu, bez rys i naprę-
żeń. Dla płytek krzemu przeznaczonych do produkcji ogniw słonecznych powstał
standard 10 cm × 10 cm. Blok zostaje rozcięty na części o takiej powierzchni. Na-stępnie proces technologiczny obejmuje operacje typowe przy wytwarzaniu pół-
przewodników o różnym mechanizmie przewodzenia (półprzewodniki typu n
i typu p). Na zakończenie procesu technologicznego następuje łączenie ogniw w szereg i równolegle. Obok opisanej technologii wytwarzania ogniw słonecznych
pojawiają się baterie na podłożach giętkich, które są wykonywane z tellurków i selenków cynkowców za pomocą technologii cienkowarstwowej (tzw. naparo-wywanie). Zaletą tej technologii jest łatwość uzyskiwania dużych powierzchni czynnych (do 300 cm2). Baterie cienkowarstwowe z tellurku kadmu (CdTe) osią-
gają sprawność 6..8%.
5. Zastosowania
Przykłady zastosowania ogniw słonecznych:
− największa na świecie elektrownia Carissa Plain w Kalifornii ma moc 6,5 MW,
− największa w Europie elektrownia słoneczna o mocy 300 kW została zbu-
dowana na wyspie Pellvorn na Morzu Północnym – zajmuje 1,6 ha,
− dachówki domów jako ogniwa słoneczne,
− oświetlenie tablic drogowych,
− instalacja słoneczna zasilająca pompy nawadniające (Afryka),
− zestaw ogniw służących do zasilania turystycznych chłodziarek,
Ćwiczenie 18
− elektrownia (15 kW) z której są ładowane akumulatory pojazdów z napędem
elektrycznym.
Produkowane przez wyspecjalizowane firmy panele (moduły) słoneczne skła-
dają się z połączonych ze sobą pojedynczych krzemowych ogniw a wytwarzany przez nie prąd elektryczny służy na ogół do ładowania akumulatorów z których następnie zasilane jest urządzenie odbiorcze. W ten sposób możliwe jest wykorzystanie energii słonecznej również w nocy.
Podane w poniższej tabeli własności baterii słonecznych dotyczą modułów SM
produkowanych przez firmę Solaris. Moduły te, w postaci prostokątnej płyty, po-kryte są hartowanym szkłem o dużej przezroczystości i obudowane usztywniającą
ramką aluminiową.
Tabela 18.1
Parametry wybranych krzemowych modułów słonecznych
Moc maksy- Napięcie
Prąd
Napięcie
Wymiary
Masa
malna
bez obciąż. obciążenia
pod obciąż.
Typ
W
V
A
V
mm
kg
SM 10
10
20,8
0,58
17,2
434 : 234 : 20
1,3
SM 15
15
20,8
0,87
17,3
444 : 294 : 20
1,5
SM 20
20
20,8
1,16
17,2
685 : 340 : 20
2,5
SM 30
30
20,8
1,74
17,3
685 : 340 : 20
2,7
SM 45
45
20,9
2,65
17,6
640 : 530 : 20
4,2
AS 6506
65
21,2
3,75
17,3
773 : 660 : 35
7,5
AS 8005
80
21,5
4,60
17,3
1200 : 526 : 35
8,2
6. Pytania kontrolne
1. Zasada działania ogniw fotowoltaicznych
2. Technologia wytwarzania ogniw słonecznych
3. Zastosowanie ogniw słonecznych
Literatura
1. Kucowski J. i inni: Energetyka a ochrona ś rodowiska. WNT, Warszawa 1994
2. Internet: Fotowoltaika polska. www.pv.pl
3. Internet: www.solaris.polbox.pl
265
II. BADANIA
1. Badanie charakterystyki obciążeniowej
Celem badań jest porównanie charakterystyki obciążeniowej dla baterii 6F22
(9V) oraz baterii słonecznej BS 9-1 (9V, 100mA, 1W).
Program badań przedstawiony w punkcie 2 można przeprowadzić także za po-
mocą mikroprocesorowego systemu wspomagania badań. W punkcie 5 przedsta-
wiono i omówiono schematy układu pomiarowego i podano sposób przeprowadza-
nia pomiarów. Podane zostały również przykładowe programy w asemblerze pro-
cesora 8051.
Przyszłość badań to wszechstronne wykorzystanie mikroprocesorów i kom-
puterów umożliwiających nie tylko automatyzację pomiarów, ale także rejestrację
wyników, transmisję danych, wykonanie obliczeń, wykonanie wykresów itp.
2. Przebieg pomiarów
Schemat elektryczny układu pomiarowego pokazano na rysunku 18.2.
U
Rr
E
A
V
Robc
lx
I
BS
Rys. 18.2. Schemat elektryczny układu pomiarowego. BS - ba-
teria słoneczna, E - źródło światła, lx - luksomierz,
R - rezystor regulowany, Robc - rezystancja obcią-
żenia, I - prąd obciążenia
a) wyznaczyć zależność napięcia baterii słonecznej od natężenia oświetlenia sztucznego Ubat = f (E) przy obciążeniu znamionowym, a także zależność siły
elektromotorycznej od natężenia oświetlenia Ebat = f (E),
b) wyznaczyć charakterystykę: napięcie baterii słonecznej jako funkcja prądu obciążenia Ubat = f (I) przy natężeniu oświetlenia E dającym Ubat = 9V przy
obciążeniu znamionowym, oraz charakterystykę U6F22 = f (I),
c) obliczyć i wykreślić zależność rezystancji wewnętrznej badanej baterii słonecznej od prądu obciążenia Rw = f (I), oraz zależność Rw = f (I) dla baterii
6F22 (9 V)
Ćwiczenie 18
Ebat = U + I⋅Rw , E = ........ lx ,
(18.1)
gdzie: Ebat - siła fotoelektryczna, napięcie na zaciskach baterii w stanie jałowym dla danej wartości natężenia oświetlenia, U - napięcie na zaciskach baterii w stanie obciążenia, I - prąd obciążenia, Rw - rezystancja wewnętrzna baterii,
E - natężenie oświetlenia w luksach.
Wyniki pomiarów przedstawić w tabelach.
Tabela 18.2
Wyniki pomiarów napięcia w funkcji natężenia oświetlenia
E
Ubat
Ebat
Lp.
lx
V
V
1
2
Tabela 18.3
Wyniki pomiarów zależność napięcia baterii od obciążenia
Lp.
I
Ubat
U6F22
Rw (BS)
Rw (6F22)
A
V
V
Ω
Ω
1
2
3. Opracowanie wyników pomiarów
a) wykreślić zależność: Ubat = f (E) i Ebat = f (E)
b) wykreślić zależność: Ubat = f (I) i U6f22 = f (I),
c) wykonać wykresy Rw = f (I) dla obu baterii,
4. Wnioski
Należy omówić wykonane wykresy i porównać właściwości baterii słonecznej
i baterii złożonej z ogniw galwanicznych. W szczególności należy określić:
– wartość natężenia oświetlenia przy którym Ebat = 9V,
– wartość natężenia oświetlenia przy którym Ebat = 9V w warunkach obciążenia
znamionowego (0,1A),
– wartość napięcia na baterii 6F22 przy obciążeniu 0,1A.
267
5. Wykorzystanie mikroprocesorowego systemu wspomagania badań
5.1. Schematy układów
US1
US2
+
A/D1
Rw
1
-
MAX471
R2
R3
_
R1
A/D2
Ebat
Robc
R4
P1
P2
Rys. 18.3. Schemat elektryczny układu do wyznaczania charakterystyk obciążeniowych: Ebat - siła elektromotoryczna baterii słonecznej lub chemicznej, Rw - rezystancja wewnętrzna, US1 - układ scalony MAX471, US2 - układ scalony LMC6041, A/D1 - sygnał prądu skierowany do przetwornika a/c, A/D2 - sygnał napięcia skierowany do przetwornika a/c.
Czujnikiem i przetwornikiem prądu jest specjalizowany układ MAX471.
W strukturę tego układu wbudowany jest rezystor pomiarowy o rezystancji ok. 35
mΩ oraz rozbudowany układ wzmacniacza i detektora kierunku przepływu prądu.
Z wyjścia US1 oznaczonego OUT (pin 8) wypływa prąd proporcjonalny do prądu
przepływającego przez rezystor pomiarowy. Wywołuje on spadek napięcia na rezystancji obciążającej, którą stanowi szeregowo połączone R1 + P1. Zalecana przez firmę Maxim wartość rezystancji obciążenia wyjścia OUT powinna wynosić 2 kΩ.
Współczynnik konwersji mierzonego prądu na napięcie wyjściowe wynosi 1V/A.
Ponieważ maksymalna mierzona , bezpieczna dla układu MAX471 wartość prądu
wynosi 3A, to zakres zmian napięcia na wyjściu będzie mieścił się w przedziale 0...3V. Zakres napięć akceptowanych przez przetwornik A/D (ADC0831) wynosi
0...5V. W związku z tym zastosowano dodatkowy wzmacniacz operacyjny US2
z regulowanym wzmocnieniem za pomocą potencjometru P2, a wzmocnienie
wzmacniacza nieodwracającego wynosi
R − P
2
2
Uwy j =
⋅ w
U ej ,
(18.2)
P2
gdzie: Uwyj - napięcie na wyjściu wzmacniacza, Uwej - napięcie wejściowe, R2, P2 -
rezystory tworzące ujemne sprzężenie zwrotne.
Ćwiczenie 18
Regulację układu rozpoczynamy od pomiaru napięcia na suwaku P1 względem
masy. W tym celu ustawiamy suwak potencjometru P1 tak, aby uzyskać 3V przy prądzie równym 3A płynącym przez rezystor pomiarowy w US1. Potencjometr P2
ustawiamy tak, aby wzmocnienie US2 było równe 1,66 (na wyjściu wzmacniacza
US2 należy ustawić napięcie 5V za pomocą potencjometru P2). W ten sposób otrzymujemy na wyjściu US2 zakres zmian napięcia w pożądanym zakresie 0 ÷ +5V.
Zestawienie przyrządów pomiarowych, badanych układów, modułów oraz mi-
kroprocesorowego systemu wspomagającego badania pokazano na rysunku 18.4.
Mikroprocesorowy system wspomagania badań
Badany obiekt
LED
MIKRO
KONTROLER
Emulator
8
Wyświetlacz
Wtyk
procesora
LED
Komputer
emulacyjny
3
4
3
Zasilacz
V
ADC0831
Bateria
KLAW
słoneczna
A
ADC0831
A
Rys. 18.4. Schemat funkcjonalny układu służącego do wyznaczenia charakterystyki obciążeniowej oraz sposób sprzęgnięcia go z mikroprocesorowym systemem wspomagania badań: ADC0831 - przetwornik a/c, LED - wyświetlacz 4-pozycyjny, KLAW – klawiatura 4 -
przyciskowa
5.2. Zadania programistyczne
a) napisać program, w którym naciśnięcie wybranego klawisza (klawiatura
prosta) powoduje wyświetlenie liczności kwantów napięcia występującego
na baterii słonecznej. Zmianę napięcia baterii słonecznej realizować przez zmianę natężenia oświetlenia sztucznego (lampa żarowa),
b) napisać program, w którym naciśnięcie wybranego klawisza (klawiatura
prosta) powoduje wyświetlenie wartości napięcia na baterii słonecznej.
Zmianę napięcia baterii słonecznej realizować przez zmianę natężenia
oświetlenia sztucznego (lampa żarowa),
c) napisać program umożliwiający wyznaczenie charakterystyki obciążenia
baterii słonecznej (przy danym natężeniu oświetlenia baterii) oraz baterii 6F22. Zmianę obciążenia dokonywać przez zmianę wartości Robc (rys. 18.3).
269
Naciśnięcie klawisza „k” (klawiatura prosta) powoduje wyświetlenie warto-
ści prądu, naciśnięcie klawisza „l” powoduje wyświetlenie wartości napię-
cia na obciążeniu.
d) napisać program obliczający wartość rezystancji wewnętrznej ze wzoru
E
− U
R
bat
w =
,
(18.3)
I
gdzie: Ebat - siła fotoelektryczna (napięcie na zaciskach baterii słonecznej w stanie jałowym dla danej wartości natężenia oświetlenia, dla baterii 6F22 - napię-
cie na zaciskach w stanie jałowym), U - napięcie na zaciskach baterii w stanie obciążenia, I - prąd obciążenia, Rw - rezystancja wewnętrzna (baterii słonecznej, 6F22-9V).
5.3. Przykładowe rozwiązania zadań i wskazówki
Ad 5.2a
Wyświetlenie liczności kwantów na wyświetlaczu LED odpowiadających na-
pięciu dla danej wartości natężenia oświetlenia
Sygnał napięcia na wyjściu przetwornika szeregowego ADC0831 jest propor-
cjonalny do napięcia, które jest wytwarzane przez baterię słoneczną. W wyniku konwersji (sygnał analogowy zamieniany jest na naturalny kod binarny) otrzymujemy liczność kwantów.
Nazwa programu: Bat_LED.asm
etykieta
program
komentarz
.equ port,p1
; p1, p3-80C51, p0,p1,p2,p3-89C51, p1-89C2051
.equ klaw_k,07h
; klawisz "K" (na module pierwszy z lewej),
.equ klaw_n,0eh
.equ klaw_l,0bh
.equ klaw_m,0dh
; klawisz "N" (na module pierwszy z prawej),
.equ wsk_1,51h
; bufor wyświetlacza,
.equ wsk_2,52h
.equ wsk_3,53h
.equ wsk_4,54h
.equ liczwska,55h
.equ zeg2ms,56h
.equ clk,p3.7
; linia zegara (clock – zegar),
.equ cs,p3.5
; zezwolenie (chip select – wybór układu),
.equ do,p3.4
; linia danych (data out – dane wyjściowe),
.org 00h
; początek programu,
ajmp start
; omijanie adresów programów obsługi przerwań,
.org 0bh
; adres programu obsługi przerwania dla T0,
ajmp serv_t0
.org 100h
Ćwiczenie 18
start: mov liczwska,#4
; liczność wskaźników,
mov r0,#51h
; adres pierwszego wskaźnika do r0,
mov tmod,#02h
; programowanie timera: timer 0, tryb 2
; automatyczne wpisywanie wartości początkowej,
mov th0,#56
mov tl0,#56
mov zeg2ms,#10
; odmierzanie 2 ms,
setb ea
; odblokowanie wszystkich przerwań,
setb et0
; zezwolenie na przerwanie od licznika T0,
setb tr0
; start licznika,
mov a,#0
mov r6,#8
progr: acall CZYS_WYS
; czyszczenie wyświetlacza,
acall KLAW_4
cjne a,#klaw_k,progr
acall PRZETWOR
; odczyt danych z przetwornika, w akumulatorze jest
liczność kwantów w naturalnym kodzie binarnym,
acall BIN_2BCD
; liczność kwantów zamieniana jest na postać dzie-
siętną,
mov b,#3
acall A2_BCD
; wyświetlenie 3 i 4 wyniku przetwarzania,
sjmp program
serv_t0:
; początek procedury obsługi przerwania,
push acc
push b
mov th0,#56
; 256 - 56 = 200µs przy zegarze 12MHz,
mov tl0,#56
; koniecznie wpisać,
djnz zeg2ms, w1
; czy upłynęło 2ms?,
mov p1,#255
; zgaszenie wskaźnika,
mov zeg2ms,#10
mov a,@r0
; bajt dla pierwszego wskaźnika do akumulatora,
inc r0
; kolejny adres,
mov p1, a
; zapala się pierwszy wskaźnik (i kolejny),
djnz liczwska, w1
; czy czwarty wskaźnik?,
mov r0,#51h
; zaczynamy od pierwszego wskaźnika,
mov liczwska,#4
w1: pop b
pop acc
reti
; powrót z podprogramu obsługi przerwania.
tablica: .db 17h, 2bh, 3dh, 4eh
include(KLAW_4.lib)
include(CZYS_WYS.lib)
include(BIN_2BCD.lib)
include(A2_BCD.lib)
include(PRZETWOR.lib)
.end
271
*/ - przepisanie zawartości THi do TLi (tryb 2 timera) następuje w chwili przepełnienia licznika i zachodzi sprzętowo, niezależnie od momentu obsługi przerwania. Maksymalny okres przerwań w tym trybie wynosi 256 cykli maszynowych (dla 12MHz cykl maszynowy trwa 1µs, zatem 200cykli masz.×1µs = 200µs i dalej 10×200µs = 2000µs = 2ms).
Wykorzystywane w programie podprogramy znajdują się na dysku twardym
komputera obsługującego stanowisko
Ad 5.2b
Wskazówka:
Aby otrzymać wartość napięcia należy pomnożyć liczność kwantów przez stałą.
Najmniejszy poziom kwantowania wynosi
1 LSB = 5/256 = 0,01953 V/kwant ,
gdzie: 1LSB - pojedynczy poziom kwantowania (Least Significant Bit), 0÷5V -
zakres napięcia wejściowego przetwornika a/c, 256 - liczba poziomów
kwantowania dla przetwornika 8-bitowego.
Wartość napięcia określa wzór
[liczba poziomów] ⋅ [1 LSB] ⋅ [przekładnia dzielnika]= [B] V.
Przykłady:
Wynik pomiaru: 10000000b (128d, 80h), wartość napięcia: 128 × 0,0195 × 2 = 4,98V.
Wynik pomiaru: 00100001b (33d, 21h), wartość napięcia: 33 × 0,0195 ×2 = 1,287V.
Wynik pomiaru: 10110100b (180d, B4h), wartość napięcia: 180 × 0,0195 × 2 = 7.02V.
Przy opracowaniu programu wykorzystać program umieszczony w punkcie 5.2.
dołączając do niego rozkazy mnożenia.
Ad 5.2c
Wskazówka:
Przy założeniu, że 0A odpowiada 0V i 3A odpowiada 5V, najmniejszy poziom
kwantowania wynosi
1 LSB = 3/256 = 0,0117A/kwant ,
gdzie: 1LSB - pojedynczy poziom kwantowania (Least Significant Bit), 0 ÷3A -
zakres mierzonego prądu, 256 - liczba poziomów kwantowania dla prze-
twornika 8-bitowego.
Wartość prądu określa wzór
[liczba poziomów] ⋅ [1 LSB] = [B] A.
Ćwiczenie 18
Przykłady:
Wynik pomiaru: 10000000b (128d), wartość napięcia: 128 × 0,0117 = 1,49A
Wynik pomiaru: 00100001b (33d), wartość napięcia: 33 × 0,0117 = 0,38A
Wynik pomiaru: 10110100b (180d), wartość napięcia: 180 × 0,0117 = 2,1A
Przy opracowaniu programu wykorzystać program umieszczony w punk-
cie 5.2. dołączając do niego rozkazy mnożenia. Wartość napięcia obliczamy jak w zadaniu 2b.
Ad 5.2d
Wskazówka:
Aby wykonać operacje arytmetyczne należy wykorzystać: procedurę SUBB_16
(odejmowanie) oraz procedurę DIV_16 (dzielenie).