POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI Zakład Elektrowni I Gospodarki Elektroenergetycznej
Laboratorium Elektroenergetyki Ćwiczenie nr 3 Temat ćwiczenia: Ogniwo fotowoltaiczne
Studia stacjonarne 1-ego stopnia Wydział elektryczny Kierunek:Elektrotechnika Semestr: IV Nr grupy : E6-2
Uwagi:

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zbadanie ogniwa fotowoltaicznego, zbudowanego z 36 modułów połączonych szeregowo, oraz wyznaczenie charakterystyk: prądowo-napięciowej, krzywą mocy oraz sprawność tego modułu słonecznego.

1. Wiadomości teoretyczne

Ogniwa fotowoltaiczne składają się z płytki z półprzewodnika posiadającej złącze P-N (positive - negative). W strukturze takiej występuje pole elektryczne (bariera potencjału). W chwili, gdy na ogniwo pada światło słoneczne powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron - dziura, które zostają następnie rozdzielone przez pole elektryczne. Rozdzielenie ładunków powoduje, iż w ogniwie powstaje napięcie. Po podłączeniu obciążenia (urządzenia pobierającego energię) następuje przepływ prądu elektrycznego.

Schemat budowy ogniwa fotowoltaicznego:

1. Elektrody

2. Półprzewodnik typu N

3. Bariera potencjału

4. Półprzewodnik typu P

Same ogniwa fotowoltaiczne są zbyt kruche i nieodporne na warunki zewnętrzne by możliwe było ich praktyczne wykorzystanie bez dalszego przetworzenia. Nie mogą one istnieć samodzielnie i dlatego łączy się je w większe jednostki funkcjonalne - moduły fotowoltaiczne. W języku potocznym funkcjonują również inne określenia - nie do końca poprawne - na moduł fotowoltaiczny. Na ogół są to: bateria słoneczna, baterie słoneczne, panel słoneczny, panele słoneczne, solary, kolektory fotowoltaiczne.

Moduł fotowoltaiczny definiowany jest jako urządzenie służące do przemiany światła słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Składa się on z pasemek zlutowanych ze sobą ogniw słonecznych, które są zalaminowane, pokryte szybą i oprawione w aluminiowe ramy. Dostępne komercyjnie moduły fotowoltaiczne mają moc od 5W do 230W i mogą być dowolnie łączone w celu uzyskania rządanych parametrów. Moduły fotowoltaiczne są urządzeniami stałoprądowymi, generującymi napięcie pomiędzy 16 a 60 Vdc (w zależności od modelu i producenta).

Możliwe rodzaje połączeń:

• Szeregowe - powstaje na skutek połączenia (+) jednego modułu z (-) drugiego modułu; napięcia połączonych w ten sposób modułów sumują się.

• Równoległe - powstaje na skutek połączenia (+) jednego modułu z (+) drugiego modułu oraz (-) z (-); prądy połączonych w ten sposób modułów sumują się.

1. Pomiary

1. 

Widok płyty czołowej (absorbującej energię słoneczną) badanego panelu

Zmierzona powierchnia czynna ogniwa: 0,84m^2­

Maksymalna moc elektryczna ogniwa: 110W ± 2,5W

Napięcie maksymalnego punktu pracy: 16,61 V

Napięcie nieobciążonego ogniwa: 21,3 V

Prąd w maksymalnym punkcie pracy: 6,62 A

Prąd zwarciowy: 7,55 A

Napięcie max ogniwa połączonego w szereg: 840V

Sprawność modułu słonecznego jest to stosunek produkowanej energii elektrycznej do energii słonecznej padającej na ogniwo. Charakterystyki napięciowo – prądowe i krzywa mocy pozwalają na wyznaczenie punktu mocy maksymalnej (MPP – maximum power point).

$$\eta = \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}$$

Gdzie: η – sprawność,

P_out – moc oddawana przez moduł,

P_in – moc promieniowania padającego na moduł.

Aparatura pomiarowa:

• Moduł słoneczny,

• Źródło światła do oświetlenia modułu,

• Woltomierz o zakresie 20 V,

• Amperomierz o zakresie 20 A,

• Opornik dekadowy,

• Miernik mocy promieniowania świetlnego.

Schemat układu pomiarowego

Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki modułu słonecznego

Wykonanie pomiaru

Połączono obwód zgodnie z powyższym schematem. Skierowano światło słoneczne na moduł słoneczny pod kątem 90° do jego powierzchni. Pomiary rozpoczęto od obwodu otwartego, potem zwartego, następnie dołączono opornik dekadowy wykonując pomiary napięcia i prądu zwiększając rezystancję opornika dekadowego.

Wyniki pomiarów i obliczeń:

L.p	R	U	I	P	Uwagi
-		[V]	[mA]	[W]
1	0	0	150	0	stan zwarcia
2	← przyrost rezystancji ←	1,00	125	0,13
3		2,00	118	0,24
4		3,00	113	0,34
5		4,00	109	0,44
6		5,00	105	0,53
7		6,00	98	0,59
8		7,00	93	0,65
9		8,00	87	0,70
10		9,00	80	0,72
11		10,00	72	0,72	maksymalna moc
12		11,00	60	0,66
13		12,00	43	0,52
14		13,00	20	0,26
15	∞	14,00	0	0,00	stan jałowy

Przykładowe obliczenia dla 11 punktu pomiarowego:

P = U • I = 10 V • 72 • 10⁻³ A = 0, 72 W

Wykonano charakterystykę prądowo-napięciową modułu słonecznego oraz wyznaczono MPP

Wykonano krzywą mocy panelu słonecznego oraz zaznaczono punkt maksymalnej mocy (MPP) tam gdzie jest maksimum krzywej mocy

Następnie dokonaliśmy pomiary napięcia i prądu dla sztucznego źródła światła padającego pod kątem prostym na powierzchnie ogniwa

Pomiary napięcia i prądu w zależności od kąta padania światła na moduł słoneczny

Wyniki pomiarów i obliczeń:

Lp.	Kąt padania światła	U	I	P
	[°]	[V]	[mA]	[W]
1	90	10,5	240	2,5200
2	80	10,5	235	2,4675
3	70	10,0	225	2,2500
4	60	9,0	205	1,8450
5	50	8,0	185	1,4800
6	40	6,5	150	0,9750
7	30	5,0	110	0,5500
8	20	3,0	65	0,1950
9	10	0,5	15	0,0075
10	0	0,4	10	0,0040

Wykonano wykres mocy badanego modułu słonecznego w funkcji kąta padania oświetlania

Sprawność modułów słonecznych

Aby wyznaczyć sprawność modułu słonecznego trzeba znać wartość mocy promieniowania słonecznego padającego na moduł P_in i jego moc elektryczną (w tym przykładzie 2,53 W)

1. Wykorzystując przyrząd do mierzenia mocy promieniowania świetlnego padającego na jednostkę powierzchni modułu. Tę wartość należy pomnożyć przez efektywną powierzchnię modułu aby wyznaczyć moc P_in. Sprawność następnie wyznaczamy ze wzoru.

2. Jeśli taki przyrząd nie jest dostępny, do pomiaru mocy promieniowania można wykorzystać multimetr. Metoda ta opiera się na tym, że prąd zwarciowy modułu jest proporcjonalny do ilości fotonów padających na ogniwko, a więc i do mocy promieniowania świetlnego.

Napięcie biegu jałowego zależy od materiału fotoogniwa, a nie od jego oświetlenia, więc nie może być wykorzystane w tym pomiarze.

Aby wyznaczyć moc promieniowania należy pomnożyć wartość prądu zwarcia ogniwa przez współczynnik F. Ten współczynnik jest zależny od wartości maksymalnej prądu zwarcia ogniwa.
Wartość maksymalną prądu zwarcia fotoogniwa podaje wytwórca dla mocy promieniowania 1000 W/m². Dla badanego ogniwa wynosi on 7550 mA. Stąd:

$$F = \frac{1000\ \frac{W}{m^{2}}}{7550\ \text{mA}} \approx 0,13\ \frac{W}{m^{2}\text{mA}}$$

Dla wyznaczenia mocy promieniowania padającego na moduł, należy pomnożyć prąd przez współczynnik F i powierzchnię modułu.

Powierzchnia panelu fotowoltaicznego: A = 1, 485 m ⋅ 0, 663 m ≈ 0, 985 m²

Prąd zwarcia: I_S = 380 mA

$$P_{\text{in}} = F \bullet I_{S} \bullet A = 0,13\ \frac{W}{m^{2}\text{mA}} \bullet 380\ mA \bullet 0,985\ m^{2} = 48,659\ W$$

Maksymalna moc elektryczna (MPP) modułu słonecznego wynosi 2,53 W przy mocy promieniowania padającego 48,659 W. Stąd można wyznaczyć sprawność:

$$\eta = \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} = \frac{2,53\ W}{48,659\ W} \approx 5,2\%$$

1. Wnioski

Punkt mocy maksymalnej (MPP) można odczytać z wykresu mocy w prosty sposób. Na charakterystyce napięciowo-prądowej MPP wyznacza się prostokąt o maksymalnym polu zawarty między osiami współrzędnych i krzywą. Rezystancję ogniwa R_MPP w punkcie MPP określa wzór:

$$R_{\text{MPP}} = \frac{U_{\text{MPP}}}{I_{\text{MPP}}}$$

Obserwacja zmian mocy wydzielanej przez ogniwo w funkcji zmieniającego się kąta padania oświetlenia pokazuje, że ogniwo ma najwyższą sprawność oczywiście dla kąta prostego.

Sprawności monokrystalicznych fotoogniw osiągają najwyższy poziom sprawności (nawet powyżej 15%). Wyznaczona wartość 5,2% jest znacznie mniejsza. Jest to spowodowane błędami pomiarowymi i niedokładnościami przy wyznaczaniu mocy promieniowania padającego. Ponadto sprawność modułu jest mniejsza niż sprawności poszczególnych fotoogniw. Jest to spowodowane przez straty wywołane niejednakowymi charakterystykami poszczególnych ogniw i związanym z tym ich niedopasowaniem. Poszczególne ogniwa panelu nie mają takich samych punktów mocy maksymalnej. Nie wszystkie fotony padające na ogniwo mogą być przekształcone w ładunki elektryczne. Część z nich odbija się od powierzchni ogniwa i od metalowych połączeń elektrycznych. Ponieważ energia fotonów nie odpowiada energii bariery, ponad połowa energii jest tracona. Ponadto straty powstają na skutek rekombinacji ładunków i jako straty elektryczne spowodowane rezystancją materiałów ogniwa (półprzewodnika i styków elektrycznych).