Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej
Materiałoznawstwo Elektryczne
ĆWICZENIE 18
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 fotoelektrycznych.
Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało w 1954r. (USA). Kariera fotoogniw od początku związana była z astronautyką. Chociaż baterie słoneczne nadal stanowią podstawowe źródło energii dla wysyłanych przez człowieka w kosmos obiektów, nabierają one jednak coraz większego znaczenia praktycznego na Ziemi. Możliwość przemiany energii promienistej Słońca można kojarzyć z otrzymywaniem dóbr za darmo. W rzeczywistości trzeba zainwestować w urządzenia techniczne, 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 powierzchni 50 km2 (moc elektrowni Bełchatów wynosi 4000 MW).
2. Zasada działania fotoogniwa
Jeżeli na półprzewodnik (samoistny lub domieszkowany) pada promieniowania świetlne, to jego przewodnictwo elektryczne silnie wzrasta ponieważ w półprzewodniku 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 potencja-
łów jest równoważna powstaniu siły fotoelektrycznej. Następuje tu zatem bezpośrednia zamiana energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną.
Ćwiczenie 18
elektroda zbiorcza
hν
N
P
R
i
elektron
dziura
para
dziura-elektron
elektroda tylna
Rys. 18.1. Ogniwo fotoelektryczne. N - półprzewodnik typu n, P - półprzewodnik typu p, hν - kwanty energii promieniowania 3. Materiały
Głównym surowcem do produkcji fotoogniw nadal pozostaje krzem. Monokrystaliczny krzem (pół-
przewodnik o prawie idealnej budowie krystalicznej) stosowany 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 seryj-nie i przy niskich nakładach 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 po-chmurny letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2. Energia elektryczna otrzy-mywana 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 odpad 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 naprężeń. Dla pły-tek krzemu przeznaczonych do produkcji ogniw słonecznych powstał standard 10 cm × 10 cm. Blok zostaje rozcięty na części o takiej powierzchni. Następnie proces technologiczny obejmuje operacje typowe
3
przy wytwarzaniu półprzewodników 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. napa-rowywanie). Zaletą tej technologii jest łatwość uzyskiwania dużych powierzchni czynnych (do 300 cm2).
Baterie cienkowarstwowe z tellurku kadmu (CdTe) osiągają 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 zbudowana na wyspie Pel-lvorn 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,
− elektrownia (15 kW) z której są ładowane akumulatory pojazdów z napędem elektrycznym.
Produkowane przez wyspecjalizowane firmy panele (moduły) słoneczne składają się z połączonych ze sobą pojedynczych krzemowych ogniw a wytwarzany przez nie prąd elektryczny służy na ogół do łado-wania 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, pokryte są hartowanym szkłem o dużej przezro-czystości i obudowane usztywniającą ramką aluminiową.
Tab. 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 środowiska. WNT, Warszawa 1994
2. Internet: Fotowoltaika polska. www.pv.pl
3. Internet: www.solaris.polbox.pl
Ćwiczenie 18
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 pomocą mikroprocesoro-wego systemu wspomagania badań. W punkcie 5 przedstawiono i omówiono schematy układu pomiarowego i podano sposób przeprowadzania pomiarów. Podane zostały również przykładowe programy w asemblerze procesora 8051.
Przyszłość badań to wszechstronne wykorzystanie mikroprocesorów i kom-puterów umożliwiających nie tylko automatyzację pomiarów, ale także rejestrację wyników, transmisję danych, wykonanie obli-czeń, 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 - bateria słoneczna, E
- źródło światła, lx - luksomierz, R - rezystor regulowany, Robc - re-
zystancja obciążenia, 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 obcią-
żenia Rw = f (I), oraz zależność Rw = f (I) dla baterii 6F22 (9 V)
Ebat = U + I⋅Rw , E = ........ lx ,
(18.1)
gdzie: Ebat - siła fotoelektryczna, napięcie na zaciskach baterii w stanie jałowym dla danej wartości natę-
żenia 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.
Tab. 18.2. Wyniki pomiarów napięcia w funkcji natężenia oświetlenia
E
Ubat
Ebat
Lp.
lx
V
V
1
2
5
Tab. 18.2. 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.