1. Wstęp teoretyczny

2. Opis laboratorium

3. Tabele pomiarowo - wynikowe

Tabela . Zestawienie zmierzonych wartości napięcia dla zadanej wartości oporu, uzyskane wartości mocy oraz natężenia prądu oraz wartości logarytmu dziesiętnego dla danej wartości oporu

R	U80	U90	U105	P1	P2	P3	I1	I2	I3	Log10 R
om	V	V	V	W	W	W	A	A	A	-
1	0,4	0,34	0,27	0,16	0,12	0,07	0,40	0,34	0,27	0,00
2	0,8	0,68	0,53	0,32	0,23	0,14	0,40	0,34	0,27	0,30
3	1,2	1,02	0,81	0,48	0,35	0,22	0,40	0,34	0,27	0,48
4	1,7	1,36	1,09	0,72	0,46	0,30	0,43	0,34	0,27	0,60
5	2,0	1,69	1,34	0,80	0,57	0,36	0,40	0,34	0,27	0,70
6	2,5	2,02	1,61	1,04	0,68	0,43	0,42	0,34	0,27	0,78
7	2,9	2,35	1,87	1,20	0,79	0,50	0,41	0,34	0,27	0,85
8	3,3	2,67	2,12	1,36	0,89	0,56	0,41	0,33	0,27	0,90
9	3,7	3,00	2,38	1,52	1,00	0,63	0,41	0,33	0,26	0,95
10	4,1	3,32	2,64	1,68	1,10	0,70	0,41	0,33	0,26	1,00
20	7,43	6,40	5,13	2,76	2,05	1,32	0,37	0,32	0,26	1,30
30	11,25	9,22	7,44	4,22	2,83	1,85	0,38	0,31	0,25	1,48
40	13,46	11,65	9,54	4,53	3,39	2,28	0,34	0,29	0,24	1,60
50	15,84	13,65	11,45	5,02	3,73	2,62	0,32	0,27	0,23	1,70
60	16,10	15,10	13,02	4,32	3,80	2,83	0,27	0,25	0,22	1,78
70	17,14	15,86	14,17	4,20	3,59	2,87	0,24	0,23	0,20	1,85
80	17,38	16,28	14,93	3,78	3,31	2,79	0,22	0,20	0,19	1,90
90	17,56	16,57	15,46	3,43	3,05	2,66	0,20	0,18	0,17	1,95
100	17,65	16,76	15,81	3,12	2,81	2,50	0,18	0,17	0,16	2,00
200	18,20	17,48	16,86	1,66	1,53	1,42	0,09	0,09	0,08	2,30
500	18,45	17,83	17,34	0,68	0,64	0,60	0,04	0,04	0,03	2,70
1000	18,53	17,92	17,48	0,34	0,32	0,31	0,02	0,02	0,02	3,00
2000	18,50	17,97	17,53	0,17	0,16	0,15	0,01	0,01	0,01	3,30
3000	18,46	17,98	17,56	0,11	0,11	0,10	0,01	0,01	0,01	3,48
4000	18,47	17,98	17,57	0,09	0,08	0,08	0,00	0,00	0,00	3,60
5000	18,50	17,98	17,57	0,07	0,06	0,06	0,00	0,00	0,00	3,70
6000	18,50	17,98	17,57	0,06	0,05	0,05	0,00	0,00	0,00	3,78
7000	18,50	17,98	17,57	0,05	0,05	0,04	0,00	0,00	0,00	3,85
8000	18,49	17,98	17,57	0,04	0,04	0,04	0,00	0,00	0,00	3,90
9000	18,48	17,97	17,57	0,04	0,04	0,03	0,00	0,00	0,00	3,95
10000	18,46	17,96	17,56	0,03	0,03	0,03	0,00	0,00	0,00	4,00

Tabela . Zestawienie obliczonych gęstości promieniowania, obliczonych sprawności fotoogniwa oraz współczynników wypełnienia dla zadanych odległości.

ρ1	ρ2	ρ3	η 1		η 2	η 3		F1	F2	F3
W/m^2	W/m^2	W/m^2	%		%	%		-	-	-
781,25	617,28	453,51	3,57		3,42	3,51		0,68	0,62	0,60

R – zadana wartość oporu na oporniku dekadowym

U – napięcie odczytane z woltomierza

P – moc pobierana przez opornik dekadowy

I – natężenie prądu płynące przez opornik

Log₁₀R – obliczona wartość logarytmu dziesiętnego z zadanej wartości oporu

ρ – gęstość promieniowania

η – sprawność fotoogniwa

F – współczynnik wypełnienia dla danej odległości

Indeksy :

1 – odległość 80 cm
2 – odległość 90 cm

3 – odległość 105 cm

1. Przykładowe obliczenia dla pierwszego punktu pomiarowego dla odległości 80 cm:

1. Moc pobierana przez opornik dekadowy:

$$P = \ \frac{U^{2}}{R} = \ \frac{{0,4}^{2}}{1} = 0,16\ W$$

1. Natężenie prądu płynące przez opornik:

$$I = \ \frac{U}{R} = \frac{0,4}{1} = 0,4\ A$$

1. Gęstość promieniowania dla danej odległości:

$$\rho_{x} = \rho_{50} \bullet \left( \frac{L_{o}}{L_{x}} \right)^{2} = 2000 \bullet \left( \frac{50}{80} \right)^{2} = 781,25\ \frac{W}{m^{2}}$$

ρ₅₀ = 2000 $\frac{W}{m^{2}}$

L_o = 50 cm

1. Sprawność fotoogniwa dla danej odległości:

$$\eta_{x} = \frac{P_{\max}}{\rho_{x} \bullet A} \bullet 100\% = \frac{5,02}{781,25 \bullet 0,18} \bullet 100\% = \ 3,57\ \%$$

wartości stałe:

A = 0, 18 m²

1. Współczynnik wypełnienia dla danej odległości

$$F_{x} = \frac{P_{\max}}{I_{1\Omega} \bullet U_{10k\Omega}} = \ \frac{5,02}{0,4\ \bullet 18,46} = 0,68$$

I_1Ω −  natężenie prądu dla oporu równego 1Ω

U_10kΩ - napięcie dla oporu równego 10 000Ω

1. Wykresy

1. Charakterystyki prądowo-napięciowe

Rysunek . Charakterystyka prądowo-napięciowa dla odległości L₁ = 80 cm

Rysunek . Charakterystyka prądowo-napięciowa dla odległości L₂ = 90 cm

Rysunek . Charakterystyka prądowo-napięciowa dla odległości L₃ = 105 cm

1. Zależność uzyskanych mocy od logarytmu dziesiętnego z oporu

Rysunek . Zależność uzyskanych mocy od logarytmu dziesiętnego z oporu

1. Zależność uzyskanych sprawności od zadanych odległości źródła światła

Rysunek . Zależność uzyskanych sprawności od odległości źródła światła

1. Wnioski

Promieniowanie które pada na fotoogniwo wymusza zjawisko fotowoltaiczne, dzięki czemu uzyskuje się spadek napięcia na oporniku. Odczytane spadki napięcia dla każdej z odległości rosną wraz ze wzrostem zadawanego oporu na oporniku dekadowym i kolejno dla odległości L₁ rosną od 0,4V do 18,46V, dla L₂ rosną od 0,34V do 17,96V i dla L₃ od 0,27V do 17,56V. Wartości napięcia zaczynają stabilizować się dla wartości oporu R około 2000Ω. Dla pierwszej odległości wartości napięcia do wartości oporu 10Ω zostały odczytane z dokładnością do jednego miejsca po przecinku, po czym zmieniono zakres woltomierza, aby odczyt był bardziej dokładny.

Gęstość promieniowania zależy od odległości promieniującej wiązki światła. Obliczone gęstości promieniowania maleją wraz z rosnącą odległością – dla najbliższego położenia lampy halogenowej od fotoogniwa równego L₁ = 80 cm uzyskujemy gęstość ρ₁ =781,25 W/m² , dla najdalszego L₃ = 105cm mamy ρ₃ =453,51 W/m^{2 .} Różnica wartości wynosi aż 327,74 W/m² dla zmiany odległości o zaledwie 25 cm. Z tego wynika, że im wyżej zamontuje się ogniwo fotowoltaiczne, zyski z energii promieniowania słonecznego powinny być wyższe.

Sprawność ogniwa fotowoltaicznego wg większości danych na przykładzie ogniwa z krzemu monokrystalicznego kształtuje się obecnie na poziomie ok. 18 – 22%. W grudniu 2014 francuska firma Soitec ogłosiła, że osiągnęła rekordową sprawność próbki skoncentrowanego ogniwa fotowoltaicznego (CPV) – 46%. Obliczone sprawności na podstawie uzyskanych danych wynoszą zaledwie ok. 3,5%. Nie widać żadnej zależności wzrostu sprawności od odległości promieniowania. Współczynnik wypełnienia waha się od 0,6 do 0,7 (przy czym jest najwyższy dla najbliższego położenia lamp halogenowych).

Sporządzone charakterystyki prądowo napięciowe (Rys. 1-3) wyglądają na zgodne z teorią. Rozrzut punktów może wynikać z niedokładności pomiarowych (wartości napięcia na woltomierzu wahały się). Wykres przedstawiający zależność mocy od logarytmu dziesiętnego z oporu (Rys. 4) ma kształt Rozkładu Gaussa, wartości rosną, osiągają maksimum po czym prawie symetrycznie maleją.

Dzięki trwałości i dużej niezawodności fotoogniwa stanowią źródło energii w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, są wykorzystywane jako czujniki. Zainteresowanie fotoogniwami wciąż rośnie, dzięki czemu można zaobserwować systematyczny wzrost ich produkcji.