1. Opis ćwiczenia

Energia słoneczna pochodzi z reakcji termojądrowych zachodzących w dużej odległości od Słońca. Ogniwo fotowoltaiczne jest urządzeniem, umożliwiającym zamianę energii słonecznej w energię elektryczną. Proces zamiany tych energii nosi nazwę konwersji fotowoltaicznej.

Ogniwo jest to płytka półprzewodnikowa wykonana z krzemu, wewnątrz której występuje pole elektryczne w postaci złącza p-n. Krzem jest najczęściej używany

ze względu na jego powszechne występowanie oraz duże zasoby. Powstanie napięcia polega na wybijaniu przez padające na ogniwo promieniowanie świetlne elektronów

z ich ustalonych miejsc w strukturze mikroskopowej półprzewodnika. W wyniku tego powstają pary nośników o przeciwnych ładunkach a następnie zostają rozdzielone poprzez występujące na złączu pole elektryczne czemu towarzyszy powstanie różnicy potencjałów.

Celem ćwiczenia było zasymulowanie za pomocą lampy halogenowej promieniowania słonecznego oraz wyznaczenie sprawności ogniwa fotowoltaicznego. Dzięki podłączonemu do układu opornikowi dekadowemu, ustawiając odpowiednie wartości oporu można wyznaczyć wartość prądu oraz moc wydzielaną przez ogniwo.

1. Schemat stanowiska pomiarowego

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego.

1. Tabele pomiarowe i wynikowe

R	U50	I50	P50	U75	I75	P75	U100	I100	P100
Ω	V	A	W	V	A	W	V	A	W
1	0,938	0,9380	0,8798	0,150	0,1500	0,0225	0,397	0,3970	0,1576
2	1,350	0,6750	0,9113	1,225	0,6125	0,7503	0,799	0,3995	0,3192
3	2,760	0,9200	2,5392	1,813	0,6043	1,0957	1,203	0,4010	0,4824
4	3,650	0,9125	3,3306	2,480	0,6200	1,5376	1,590	0,3975	0,6320
5	4,500	0,9000	4,0500	3,005	0,6010	1,8060	1,988	0,3976	0,7904
6	5,315	0,8858	4,7082	3,593	0,5988	2,1516	2,365	0,3942	0,9322
7	6,110	0,8729	5,3332	4,115	0,5879	2,4190	2,741	0,3916	1,0733
8	6,893	0,8616	5,9392	4,720	0,5900	2,7848	3,115	0,3894	1,2129
9	7,632	0,8480	6,4719	5,321	0,5912	3,1459	3,501	0,3890	1,3619
10	8,345	0,8345	6,9639	5,887	0,5887	3,4657	3,878	0,3878	1,5039
12	9,720	0,8100	7,8732	6,890	0,5742	3,9560	4,594	0,3828	1,7587
14	10,02	0,7157	7,1715	7,843	0,5602	4,3938	5,343	0,3816	2,0391
16	12,13	0,7581	9,1961	8,777	0,5486	4,8147	6,037	0,3773	2,2778
18	13,16	0,7311	9,6214	9,745	0,5414	5,2758	6,763	0,3757	2,5410
20	14,06	0,7030	9,8842	10,61	0,5305	5,6286	7,427	0,3714	2,7580
30	15,03	0,5010	7,5300	13,38	0,4460	5,9675	10,43	0,3477	3,6262
40	16,08	0,4020	6,4642	14,36	0,3590	5,1552	12,47	0,3118	3,8875
50	16,33	0,3266	5,3334	14,80	0,2960	4,3808	13,53	0,2706	3,6612
60	16,50	0,2750	4,5375	15,06	0,2510	3,7801	14,10	0,2350	3,3135
70	16,51	0,2359	3,8940	15,24	0,2177	3,3179	14,46	0,2066	2,9870
80	16,59	0,2074	3,4404	15,38	0,1923	2,9568	14,68	0,1835	2,6938
90	16,64	0,1849	3,0766	15,48	0,1720	2,6626	14,86	0,1651	2,4536
100	16,66	0,1666	2,7756	15,55	0,1555	2,4180	15,00	0,1500	2,2500
200	16,84	0,0842	1,4179	15,89	0,0795	1,2625	15,53	0,0777	1,2059
500	16,96	0,0339	0,5753	16,07	0,0321	0,5165	15,82	0,0316	0,5005
1000	16,99	0,0169	0,2887	16,13	0,0161	0,2602	15,91	0,0159	0,2531
2000	16,97	0,0085	0,1439	16,16	0,0081	0,1306	15,96	0,0079	0,1274
3000	16,96	0,0057	0,0959	16,18	0,0054	0,0873	15,98	0,0053	0,0851
4000	16,93	0,0042	0,0717	16,19	0,0041	0,0655	15,99	0,0040	0,0639
5000	16,91	0,0034	0,0572	16,19	0,0032	0,0524	16,00	0,0032	0,0512
6000	16,88	0,0028	0,0475	16,18	0,0027	0,0436	16,01	0,0027	0,0427
7000	16,87	0,0024	0,0407	16,18	0,0023	0,0374	16,02	0,0023	0,0367
8000	16,86	0,0021	0,0355	16,20	0,0020	0,0328	16,02	0,0020	0,0321
9000	16,84	0,0019	0,0315	16,20	0,0018	0,0292	16,03	0,0018	0,0286
10000	16,82	0,0017	0,0283	16,20	0,0016	0,0262	16,03	0,0016	0,0257

Tab. 1. Zestawienie wyników pomiarów oraz obliczeń.

1. Przykładowe obliczenia

Przykład obliczeń dla oporu R = 70 Ω oraz odległości L = 75 cm

• Moc:

$$P = \frac{U^{2}}{R} = \frac{{15,24}^{2}}{70} = 3,3179\ W$$

• Natężenie prądu:

$$I = \frac{U}{R} = \frac{15,24}{70} = 0,2177\ A$$

• Gęstość promieniowania:

• dla odległości L_x = 0, 75 m

$$\rho_{75} = \rho_{50} \left( \frac{L_{0}}{L_{x}} \right)^{2} = 2000 \left( \frac{0,5}{0,75} \right)^{2} = 889\ \frac{W}{m^{2}}$$

• dla odległości L_x = 1 m

$$\rho_{100} = \rho_{50} \left( \frac{L_{0}}{L_{x}} \right)^{2} = 2000 \left( \frac{0,5}{1} \right)^{2} = 500\ \frac{W}{m^{2}}$$

gdzie:

$\rho_{50} = 2000\ \frac{W}{m^{2}}$ - gęstość promieniowania dla odległości L = 50 cm

L₀ = 50 cm

L_x - zadana odległość ogniwa od źródła światła

• Sprawność fotoogniwa:

• dla odległości L_x = 0, 5 m

$$\eta_{50} = \frac{P_{max\ 50}}{\rho_{50} A} 100\ \% = \frac{9,8842}{2000 0,18} 100\ \% = 2,7\ \%$$

• dla odległości L_x = 0, 75 m

$$\eta_{75} = \frac{P_{\max 75}}{\rho_{75} A} 100\ \% = \frac{5,9675}{889 0,18} 100\ \% = 3,7\ \%$$

• dla odległości L_x = 1 m

$$\eta_{100} = \frac{P_{\max 100}}{\rho_{100} A} 100\ \% = \frac{3,8875}{500 0,18} 100\ \% = 4,3\ \%$$

gdzie:

A = 0, 18 m² - powierzchnia fotoogniwa

P_max - maksymalna wartość mocy uzyskanej dla danej odległości

• Współczynnik wypełnienia:

• dla odległości L_x = 0, 5 m

$$F_{50} = \frac{P_{\max 50}}{I_{1\Omega} U_{10k\Omega}} = \frac{9,8842}{0,9380 16,82} = 0,63$$

• dla odległości L_x = 0, 75 m

$$F_{75} = \frac{P_{\max 75}}{I_{1\Omega} U_{10k\Omega}} = \frac{5,9675}{0,15 16,2} = 2,46$$

• dla odległości L_x = 1 m

$$F_{75} = \frac{P_{\max 100}}{I_{1\Omega} U_{10k\Omega}} = \frac{3,8875}{0,397 16,03} = 0,61$$

1. Wykresy

Rys. 1. Charakterystyki napięciowo – prądowe dla różnych odległości ogniwa od źródła światła.

Rys. 2. Wykres zależności uzyskanych mocy od wartości oporu dla 3 odległości L.

Rys. 3. Wykres zależności uzyskanych sprawności od odległości ogniwa od źródła światła.

1. Wnioski

Po przeprowadzeniu pomiarów oraz wykonaniu obliczeń, otrzymano pożądane wyniki. Można z nich odczytać, że największe prądy oraz wartości mocy występowały dla mniejszych odległości ogniwa od źródła światła. Są one jednak bardzo małe a dla największych rezystancji wręcz znikome. Na wykresach zauważyć można, że dla mniejszych wartości L, maksymalne wartości mocy rejestrowane są wcześniej, przy niższych wartościach oporów. Ciekawą zależnością jest to, że pomimo największych wartości prądów dla mniejszych odległości, sprawność była najmniejsza. Maksymalną wartość osiągała

dla L = 100 cm. Dla wszystkich odległości wychodzą one jednak bardzo niskie. Uzyskane moce również mają bardzo niskie wartości, co może świadczyć o tym,

że ogniwo nie nadaje się do zasilania urządzeń dużej mocy. Pomimo niskich sprawności uzyskujemy energię z ekologicznego źródła, bez nadmiernego hałasu

oraz przy niskich kosztach np. w porównaniu do silnika wiatrowego.