POLITECHNIKA POZNAŃSKA Instytut Elektroenergetyki LABORATORIUM ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII
Współpraca jednakowych ogniw fotowoltaicznych w różnych konfiguracjach połączeń
Rok akad.: 20010/2011
Wydział: Elektryczny
Rodz. stud.: Niestacjonarne
Kierunek: Elektrotechnika
Specjalność: ------------
Profil: I stopnia
Nr grupy ćwicz: E1-2
Uwagi:

1. WPROWADZENIE

Zasada działania ogniwa słonecznego opiera się na zjawisku konwersji fotowoltaicznej, która polega na bezpośredniej zamianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Proces ten dla ogniwa z krzemu krystalicznego opartego na złączu p – n ilustrują poniższe schematy. Pierwszy z nich pokazuje budowę fizyczną ogniwa oraz transport elektronu i dziury w przeciwnych kierunkach, ilustrując proces konwersji fotowoltaicznej. Drugi przedstawia te same zjawiska na schemacie pasmowym półprzewodnika

schemat budowy monokrystalicznego krzemowego ogniwa słonecznego
a) kontakty przednie (-) e) baza typu p
b) teksturowana powierzchnia f) wbudowane pole typu p⁺ BSF
c) obszar emitera typu n g) kontakt tylny (+)
d) złącze p – n h) padające fotony

1. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Stanowisko do analizy współpracy jednakowych ogniw fotowoltaicznych w różnych konfiguracjach składa się z:

1. z dwóch jednakowych paneli fotowoltaicznych, krzemowych, polikrystalicznych, każde o mocy 5 W,

2. zestawu żarówek, zapewniających sztuczne oświetlenie, zastępujące światło słoneczne,

3. obciążenia (oporniki),

4. woltomierzy i amperomierzy cyfrowych, luksomierza, piranometru - miernika do pomiaru gęstości mocy promieniowania (W/m²) oraz bezdotykowego termometru na podczerwień.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie parametrów eksploatacyjnych i charakterystyk prądowo – napięciowych paneli fotowoltaicznych pracujących w różnych konfiguracjach połączeń. Pomiary przeprowadzano w warunkach sztucznego oświetlenia halogenowego (o typowej temperaturze barwowej 2700 K), umieszczonego prostopadle do powierzchni paneli.

1. WARUNKI PRACY – wyniki uzyskane z pomiarów i obliczeń

Lp.	Gęstość mocy promieniowania E	Średnia gęstość mocy promieniowania Eśr	Natężenie światła Eśw	Średnie natężenie światła Eśw	Temperatura T	Średnia temperatura T
-	[W/m^2]	[W/m^2]	[lx]	[lx]	[°C]	[°C]
1	14,3	14,3	5875	5960	43,2	51,8
2	14,3		6005		48,3
3	14,2		5900		55,6
4	14,3		6060		60,2

1. PRZYKŁADOWE OBLICZENIA

moc (P)

P = U • I = 28, 01  • (7•10⁻³) ≈ 0, 2[W]

gdzie:
U, I - wartości napięcia i prądu dla określonego obciążenia

współczynnik wypełnienia (FF)

$$FF = \ \frac{U_{m} \bullet I_{m}}{U_{0} \bullet I_{\text{slo}}} = \frac{28,01\ \bullet (7 \bullet 10^{- 3})}{38,5 \bullet (7,6 \bullet 10^{- 3})} = 0,67$$

sprawność (η)

$$n = \frac{U_{m} \bullet I_{m}}{E \bullet S} \bullet 100\ \% = \frac{28,01\ \bullet (7 \bullet 10^{- 3})}{14,3 \bullet 0,106\ } \bullet 100\ \% = 12,94\ \%$$

1. KONFIGURACJE POŁĄCZEŃ

Konfiguracja szeregowa

schemat zastępczy układu z połączeniem szeregowym modułów

Charakterystyka prądowo – napięciowa

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieszczone w tabeli

Lp.	Średnia gęstość mocy promieniowania Eśr	Napięcie V	Prąd I	Moc P	Współczynnik wypelnienia FF	Sprawność η
-	[W/m^2]	[V]	[mA]	[W]	-	[%]
KONFIGURACJA SZEREGOWA MODUŁÓW
1	zwarcie (Islo)	0,49	7,6	0,004	0,014	0,25
2	14,3	1,6	7,6	0,012	0,045	0,80
3		3,73	7,6	0,028	0,105	1,87
4		3,8	7,6	0,029	0,107	1,91
5		6,04	7,5	0,045	0,168	2,99
6		11,54	7,3	0,084	0,312	5,56
7		21,92	7,2	0,158	0,585	10,41
8		26,92	7,1	0,191	0,708	12,61
9		28,01	7	0,196	0,727	12,94
10		28,9	6,7	0,194	0,718	12,77
11		29,7	6,2	0,184	0,683	12,15
12		30,44	5,3	0,161	0,598	10,64
13		31,08	4,2	0,131	0,484	8,61
14		31,57	3,2	0,101	0,374	6,66
15		31,98	2,5	0,080	0,296	5,27
16		32,35	2,1	0,07	0,252	4,48
17		32,51	1,8	0,06	0,217	3,86
18		32,7	1,6	0,05	0,194	3,45
19		32,85	1,5	0,05	0,183	3,25
20		33	1,3	0,04	0,159	2,83
21		33,12	1,2	0,04	0,147	2,62
22		33,24	1,1	0,04	0,136	2,41
23		33,34	1	0,03	0,124	2,20
24		33,48	0,9	0,03	0,112	1,99
25		33,78	0,7	0,02	0,088	1,56
26		34,03	0,6	0,02	0,076	1,35
27		34,46	0,4	0,01	0,051	0,91
28		34,73	0,3	0,01	0,039	0,69
29		34,9	0,2	0,01	0,026	0,46
30	rozwarte (U0)	35,5	0	0,00	0,000	0,00

Konfiguracja równoległa

schemat zastępczy układu z połączeniem równoległym modułów

Charakterystyka prądowo – napięciowa

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieszczone w tabeli

Lp.	Średnia gęstość mocy promieniowania Eśr	Napięcie V	Prąd I	Moc P	Współczynnik wypełnienia FF	Sprawność η
-	[W/m^2]	[V]	[mA]	[W]	-	[%]
KONFIGURACJA RÓWNOLEGŁA MODUŁÓW
1	zwarcie (Islo)	1	15,72	0,016	0,057	1,04
2	14,3	1,04	15,7	0,016	0,060	1,08
3		3,3	15,4	0,051	0,185	3,35
4		5,5	15,1	0,083	0,303	5,48
5		7,7	15	0,116	0,421	7,62
6		11,85	14,8	0,175	0,639	11,57
7		13,83	14,3	0,198	0,721	13,05
8		14,18	13,7	0,194	0,708	12,82
9		14,46	12,9	0,187	0,680	12,31
10		14,77	11,5	0,170	0,619	11,21
11		15	10	0,150	0,547	9,90
12		15,34	8	0,123	0,447	8,10
13		15,5	6,4	0,099	0,362	6,54
14		15,67	5,3	0,083	0,303	5,48
15		15,76	4,8	0,076	0,276	4,99
16		15,88	4,1	0,065	0,237	4,30
17		15,98	3,7	0,059	0,216	3,90
18		16,3	2,6	0,042	0,154	2,80
19		16,55	1,9	0,031	0,115	2,07
20		16,82	1,3	0,022	0,080	1,44
21		17,06	0,8	0,014	0,050	0,90
22		17,27	0,4	0,007	0,025	0,46
23		17,38	0,3	0,005	0,019	0,34
24	rozwarte (U0)	17,45	0	0,000	0,000	0,00

Moduł pierwszy

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieszczone w tabeli

Lp.	Średnia gęstość mocy promieniowania Eśr	Napięcie V	Prąd I	Moc P	Współczynnik wypełnienia FF	Sprawność η
-	[W/m^2]	[V]	[mA]	[W]	-	[%]
MODUŁ PIERWSZY
1	zwarcie (Islo)	0	7,8	0,000	0,000	0,00
2	14,3	0,51	7,7	0,004	0,030	0,52
3		11,38	7,3	0,083	0,628	10,96
4		13,44	7	0,094	0,712	12,41
5		14,27	5,8	0,083	0,626	10,92
6		14,9	3,9	0,058	0,440	7,67
7		15,3	2,5	0,038	0,289	5,05
8		15,6	1,9	0,030	0,224	3,91
9		15,8	1,5	0,024	0,179	3,13
10		15,94	1,3	0,021	0,157	2,73
11		16,06	1,1	0,018	0,134	2,33
12		16,15	0,9	0,015	0,110	1,92
13		16,34	0,7	0,011	0,087	1,51
14		16,46	0,6	0,010	0,075	1,30
15		16,61	0,4	0,007	0,050	0,88
16		16,72	0,3	0,005	0,038	0,66
17		16,85	0,2	0,003	0,025	0,44
18	rozwarte (U0)	16,95	0	0,000	0,000	0,00

Charakterystyka prądowo – napięciowa

Moduł drugi

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieszczone w tabeli

Lp.	Średnia gęstość mocy promieniowania Eśr	Napięcie V	Prąd I	Moc P	Współczynnik wypełnienia FF	Sprawność η
-	[W/m^2]	[V]	[mA]	[W]	-	[%]
MODUŁ DRUGI
1	zwarcie (Islo)	0	7,8	0,000	0,000	0,00
2	14,3	11,2	7,1	0,080	0,616	10,49
3		13,11	6,9	0,090	0,701	11,94
4		14,05	5,8	0,081	0,631	10,75
5		14,87	3,8	0,057	0,438	7,46
6		15,18	2,5	0,038	0,294	5,01
7		15,48	1,8	0,028	0,216	3,68
8		15,66	1,5	0,023	0,182	3,10
9		15,82	1,2	0,019	0,147	2,50
10		16,01	1,1	0,018	0,136	2,32
11		16,15	0,9	0,015	0,113	1,92
12		16,24	0,7	0,011	0,088	1,50
13		16,27	0,6	0,010	0,076	1,29
14		16,3	0,3	0,005	0,038	0,65
15		16,33	0,2	0,003	0,025	0,43
16		16,39	0,2	0,003	0,025	0,43
17		16,47	0,2	0,003	0,026	0,43
18	rozwarte (U0)	16,55	0	0,000	0,000	0,00

Charakterystyka prądowo – napięciowa

zestawienie charakterystyk napięciowo - prądowych

MPP rzeczywisty – punkt mocy maksymalnej (rzeczywisty)

1. WNIOSKI

Celem ćwiczenia było wyznaczenie parametrów eksploatacyjnych poszczególnych paneli fotowoltaicznych oddzielnie oraz w konfiguracji połączeń szeregowego i równoległego.

Jednym z charakterystycznych parametrów elektrycznych wyznaczanych przez nas, decydujących o własnościach ogniwa jest współczynnik wypełnienia FF (fill factor). Jest to stosunek powierzchni prostokąta o bokach I_m (wartości prądu dla określonego obciążenia) oraz U_m(wartość napięcia dla określonego obciążenia) do powierzchni prostokąta o bokach I_slo(prąd zwarcia) oraz U₀(napięcie obwodu otwartego). Wartość tego współczynnika jest tym większa im kształt charakterystyki prądowo – napięciowej jest bardziej zbliżony do prostokąta, czyli idealnej charakterystyki prądowo – napięciowej ogniwa słonecznego.

Jednak najważniejszym parametrem określającym jakość ogniwa słonecznego jest sprawność (η). Definiowana jest ona jako stosunek mocy maksymalnej ogniwa do mocy promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię czynną tego ogniwa. Badane przez nas panele fotowoltaiczne wykazują się sprawnością na poziomie maksymalnym do około 13%. Jest to relatywnie niski poziom, co tylko potwierdza ogromny potencjał cechujący energię promieniowania słonecznego.

Kolejnym etapem naszego badania konfiguracji połączeń ogniw słonecznych było wykreślenie charakterystyk prądowo – napięciowych. Obserwując zamieszczone charakterystyki prądowo – napięciowe należy mieć na uwadze, że w rzeczywistości, wskutek występujących odchyłek konstrukcyjno – technologicznych badane moduły nie mają identycznych charakterystyk. Z zestawienia tychże charakterystyk prądowo – napięciowych dla szeregowej i równoległej konfiguracji połączeń, oraz modułu pierwszego zamieszczonych w jednym układzie współrzędnych dla lepszego zobrazowania formułowanych wniosków, jasno wynika, że napięcia poszczególnych ogniw dla połączenia szeregowego są sumowane. Natomiast dla konfiguracji połączenia równoległego paneli następuje zsumowanie prądów obydwóch paneli. Dlatego najlepszym rozwiązaniem prawdopodobnie byłoby połączenie szeregowo – równoległe kilku paneli fotowoltaicznych, co połączyłoby zalety obydwóch konfiguracji połączeń.