PODSTAWY KONWERSJI PALIW I ENERGII - LABOLATORIUM
Nr ćwiczenia: 4	Temat ćwiczenia: Ogniwo fotowoltaiczne			Data: 26.10.2005
Nr zespołu: 1	Wydział, rok, grupa: MSE, rok 3, grupa 3
Nazwisko i imię	Ocena
		Teoria	Wykonanie ćwiczenia	Końcowa z ćwiczenia
1. Adrian Materlak
2. Józef Duplaga

I. Cel ćwiczenia.

Celem wykonania ćwiczenia było zapoznanie się z problematyką ogniw fotowoltaicznych - ich budową, charakterystykami oraz warunkami optymalnej pracy.

W pierwszej części ćwiczenia dla różnych kątów padania światła, mierzyliśmy wartość płynącego przez ogniwo prądu zwarciowego. Otrzymane wyniki posłużyły nam do wyznaczenia zależności I=f(90-α) (natężenia prądu od kąta padania światła na fotoogniwo).

W drugiej części mierzyliśmy wartość prądu zwarciowego, dla różnych odległości modułu fotowoltaicznego od źródła światła (żarówka). Na podstawie otrzymanych danych, wyznaczyliśmy zależności I=f(d) (natężenia prądu od odległości modułu od źródła światła) oraz I=f(1/d^2) (natężenia prądu od odwrotności kwadratu odległości modułu od źródła światła).

W części trzeciej dla różnych wartości oporu zewnętrznego, mierzyliśmy wartości prądu zwarcia oraz napięcia ogniwa. Dane uzyskane z ćwiczenia oraz wielkości obliczone, posłużyły nam do wyznaczenia zależności I=f(U) (prądu zwarcia od napięcia ogniwa) oraz N=f(U) (mocy fotoogniwa od jego napięcia). Na podstawie drugiej z ww. zależności, wyznaczyliśmy MPP - punkt mocy maksymalnej.

Wszystkie pomiary były wykonywane dla dwóch różnych źródeł światła (żarówka żarowa reflektorowa oraz halogenowa z aluminiowym odbłyśnikiem), celem ich porównania.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Charakterystyka natężenia prądu w zależności od kąta padania światła I=f(90-α) oraz od cosinusa kąta padania I=f(cos(90-α)).

Charakterystyka natężenia prądu w zależności od kąta padania światła I=f(90-α), gdzie (90-α) - kąt padania światła.
Żarówka żarowa Osram Concentra, R95, 35^0, T338				Moc żarówki N = 100 [W]
		Odchylenie modułu w lewo			Odchylenie modułu w prawo			Wartość średnia I1s (lewo) [A]	Wartość średnia I2s (prawo) [A]	Różnica natężenia prądu ΔI=I1s-I2s [A]
Kąt α α [^0]	Wartość cos(90- α)	Pomiar 1 I1.1 [A]	Pomiar 2 I1.2 [A]	Pomiar 3 I1.3 [A]	Pomiar 1 I2.1 [A]	Pomiar 2 I2.2 [A]	Pomiar 3 I2.3 [A]
90	1	0,163	0,172	0,168	0,159	0,17	0,157	0,168	0,162	0,006
80	0,985	0,157	0,167	0,166	0,156	0,16	0,15	0,163	0,155	0,008
70	0,94	0,147	0,157	0,154	0,155	0,149	0,14	0,153	0,148	0,005
60	0,866	0,132	0,143	0,139	0,138	0,134	0,126	0,138	0,133	0,005
50	0,766	0,115	0,125	0,121	0,118	0,116	0,109	0,12	0,114	0,006
40	0,643	0,094	0,104	0,101	0,099	0,094	0,09	0,1	0,094	0,005
30	0,5	0,073	0,081	0,078	0,069	0,071	0,068	0,077	0,069	0,008
20	0,342	0,046	0,054	0,054	0,042	0,044	0,045	0,051	0,044	0,008
10	0,174	0,024	0,029	0,03	0,021	0,021	0,024	0,028	0,022	0,006
0	0	0,01	0,014	0,014	0,006	0,007	0,008	0,013	0,007	0,006

Charakterystyka natężenia prądu w zależności od kąta padania światła I=f(90-α), gdzie (90-α) - kąt padania światła.
Żarówka halogenowa OSRAM Halopar 30 Alu, 64841 Flood, E27/ES, 30^0				Moc żarówki N = 75 [W]
		Odchylenie modułu w lewo			Odchylenie modułu w prawo			Wartość średnia I1s (lewo) [A]	Wartość średnia I2s (prawo) [A]	Różnica natężenia prądu ΔI=I1s-I2s [A]
Kąt α α [^0]	Wartość cos(90- α)	Pomiar 1 I1.1 [A]	Pomiar 2 I1.2 [A]	Pomiar 3 I1.3 [A]	Pomiar 1 I2.1 [A]	Pomiar 2 I2.2 [A]	Pomiar 3 I2.3 [A]
90	1	0,279	0,281	0,281	0,279	0,276	0,276	0,28	0,277	0,003
80	0,985	0,286	0,286	0,285	0,266	0,264	0,264	0,286	0,265	0,021
70	0,94	0,282	0,283	0,28	0,246	0,246	0,245	0,282	0,246	0,036
60	0,866	0,268	0,267	0,267	0,222	0,225	0,221	0,267	0,223	0,045
50	0,766	0,241	0,235	0,234	0,197	0,197	0,196	0,237	0,197	0,04
40	0,643	0,197	0,193	0,193	0,166	0,166	0,158	0,194	0,163	0,031
30	0,5	0,148	0,145	0,146	0,129	0,13	0,123	0,146	0,127	0,019
20	0,342	0,097	0,096	0,097	0,086	0,086	0,087	0,097	0,086	0,01
10	0,174	0,047	0,048	0,049	0,041	0,041	0,043	0,048	0,042	0,006
0	0	0,022	0,025	0,025	0,009	0,01	0,01	0,024	0,01	0,014

Z powyższych charakterystyk widać, że dużo bardziej efektywna jest żarówka halogenowa, gdyż dla tych samych katów padania światła (oraz ich cosinusów), wartość prądu zwarciowego jest większa. Jest to związane z różnymi skutecznościami świetlnymi użytych żarówek (a tym samym z wartościami natężenia promieniowania), które wynoszą odpowiednio dla ż. żarowej η_ż=13,5 [lm/W] oraz dla ż. halogenowej η_h=29,33 [lm/W] (obliczone na podst. danych producenta). Stosunek skuteczności świetlnych ma się jak 2:1, co ma swoje odzwierciedlenie w kształcie charakterystyk (2x większy prąd zwarciowy dla ż. halogenowej niż ten sam prąd dla ż. żarowej, biorąc pod uwagę średnią z pomiarów dla ż. halogenowej w lewą i prawą stronę).

Wpływ na kształt tych charakterystyk mają również różne kąty rozsyłu światła: dla ż. halogenowej wynosi on 30⁰, a dla ż. żarowej 35⁰ - a wiemy, że im ten kąt jest mniejszy, tym wyższa intensywność świecenia, co potwierdzają wyniki przeprowadzonych pomiarów.

Zauważamy również pewne różnice przy porównywaniu wartości prądu zwarcia dla pomiarów wykonywanych w lewą i prawą stronę. Wpływ na te różnice mogło mieć okno po lewej stronie laboratorium (patrząc od strony stanowiska), gdyż było ono dodatkowym źródłem światła. Wyniki z tabel pomiarowych potwierdzają tę tezę, gdyż w przypadku obu różnych żarówek, różnica natężenia prądu ΔI=I_1s-I_2s jest zawsze dodatnia.

2. Charakterystyka natężenia prądu zwarciowego w zależności od odległości modułu od źródła światła I=f(d) oraz od odwrotności kwadratu odległości modułu od źródła I=f(1/d^2).

Charakterystyka zmian natężenia prądu w zależności od odległości od modułu fotowoltaicznego od źródła światła I=f(d) oraz I=f(1/d^2). Żarówka żarowa Osram Concentra 230V, R95, 35^0, T338
Odległość d [m]	Pomiar 1 Natężenie prądu I1 [A]	Pomiar 2 Natężenie prądu I2 [A]	Średnia wartość natężenia prądu Iśr [A]	Wartość 1/d^2 [1/m]
0,3	0,317	0,304	0,311	11,111
0,35	0,263	0,242	0,253	8,163
0,4	0,209	0,189	0,199	6,25
0,45	0,176	0,166	0,171	4,938
0,5	0,149	0,145	0,147	4
0,55	0,136	0,125	0,131	3,306
0,6	0,116	0,117	0,117	2,778

Charakterystyka zmian natężenia prądu w zależności od odległości od modułu fotowoltaicznego od źródła światła I=f(d) oraz I=f(1/d^2). Żarówka halogenowa OSRAM Halopar 30 Alu, 64841 Flood, E27/ES, 30^0
Odległość d [m]	Pomiar 1 Natężenie prądu I1 [A]	Pomiar 2 Natężenie prądu I2 [A]	Średnia wartość natężenia prądu Iśr [A]	Wartość 1/d^2 [1/m]
0,3	0,467	0,421	0,444	11,111
0,35	0,323	0,343	0,333	8,163
0,4	0,245	0,292	0,269	6,25
0,45	0,184	0,228	0,206	4,938
0,5	0,177	0,2	0,189	4
0,55	0,167	0,18	0,174	3,306
0,6	0,129	0,137	0,133	2,778

Otrzymane krzywe są potwierdzeniem prawa odwrotności kwadratów, które charakteryzuje zależność natężenia światła w danym punkcie od kwadratu odległości od źródła (E ~ 1/d²) jako odwrotnie proporcjonalną.

Z poprzedniej części ćwiczenia wiemy, że zależność między natężeniem światła a prądem zwarciowym jest liniowa (I ~ E), w wyniku czego otrzymujemy zależność prądu zwarciowego od kwadratu odległości od źródła (I ~ 1/d²) - stąd kształt charakterystyki I=f(1/d) przypomina funkcję kwadratową, natomiast charakterystyka I=f(1/d²) - funkcję liniową. Różne współczynniki kierunkowe tych prostych są związane z omawianymi wcześniej różnicami skuteczności świetlnych użytych żarówek.

3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa fotowoltaicznego.

Pomiar mocy ogniwa fotowoltaicznego dla odległości d = 0,3 [m]
Żarówka żarowa Osram Concentra, R95, 35^0, T338					Moc żarówki N = 100 [W]
Opór R [Ω]	Wartość napięcia U [V]			Średnie wartości napięcia	Wartość natężenia prądu I [A]			Średnie wartości natężenia prądu	Moc średnia N [W]
	Pomiar 1 U1 [V]	Pomiar 2 U2 [V]	Pomiar 3 U3 [V]	Uśr [V]	Pomiar 1 I1 [A]	Pomiar 2 I2 [A]	Pomiar 3 I3 [A]	Iśr [A]	Nśr [W]
0	0,065	0,043	0,046	0,051	0,345	0,345	0,347	0,346	0,018
0,3	0,215	0,255	0,213	0,228	0,344	0,339	0,346	0,343	0,078
0,5	0,263	0,306	0,256	0,275	0,342	0,338	0,347	0,342	0,094
1	0,442	0,592	0,436	0,49	0,339	0,332	0,344	0,338	0,166
2	0,83	0,897	0,819	0,849	0,329	0,324	0,335	0,329	0,279
3	1,16	1,219	1,147	1,175	0,32	0,316	0,322	0,319	0,375
5	1,489	1,546	1,492	1,509	0,3	0,296	0,304	0,3	0,453
10	1,971	1,971	1,96	1,967	0,192	0,186	0,191	0,19	0,373
20	2,05	2,04	2,04	2,043	0,101	0,1	0,101	0,101	0,206
50	2,08	2,08	2,07	2,077	0,044	0,044	0,044	0,044	0,091
100	2,09	2,09	2,09	2,09	0,021	0,021	0,021	0,021	0,044
∞	2,1	2,1	2,1	2,1	0	0	0	0	0

Pomiar mocy ogniwa fotowoltaicznego dla odległości d = 0,3 [m]
Żarówka halogenowa OSRAM Halopar 30 Alu, 64841 Flood, E27/ES, 30^0					Moc żarówki N = 75 [W]
Opór R [Ω]	Wartość napięcia U [V]			Średnie wartości napięcia	Wartość natężenia prądu I [A]			Średnie wartości natężenia prądu	Moc średnia N [W]
	Pomiar 1 U1 [V]	Pomiar 2 U2 [V]	Pomiar 3 U3 [V]	Uśr [V]	Pomiar 1 I1 [A]	Pomiar 2 I2 [A]	Pomiar 3 I3 [A]	Iśr [A]	Nśr [W]
0	0,072	0,057	0,072	0,067	0,484	0,488	0,486	0,486	0,033
0,3	0,266	0,266	0,268	0,267	0,483	0,487	0,494	0,488	0,130
0,5	0,339	0,356	0,343	0,346	0,48	0,486	0,493	0,486	0,168
1	0,59	0,611	0,599	0,600	0,473	0,48	0,482	0,478	0,287
2	1,109	1,134	1,114	1,119	0,452	0,46	0,46	0,457	0,512
3	1,504	1,539	1,514	1,519	0,425	0,431	0,43	0,429	0,651
5	1,828	1,838	1,828	1,831	0,373	0,373	0,374	0,373	0,684
10	2,02	2,02	2,01	2,017	0,197	0,197	0,198	0,197	0,398
20	2,075	2,07	2,06	2,068	0,103	0,103	0,103	0,103	0,213
50	2,1	2,09	2,09	2,093	0,045	0,045	0,045	0,045	0,094
100	2,11	2,1	2,1	2,103	0,022	0,022	0,022	0,022	0,046
∞	2,12	2,11	2,11	2,113	0	0	0	0	0

Nie naświetlone ogniwo fotowoltaiczne jest z punktu widzenia elektroniki diodą o dużej powierzchni, stąd jego charakterystyka prądowo-napięciowa odpowiada charakterystyce diody. Jednak na skutek działania promieniowania świetlnego następuje zmiana przebiegu ww. charakterystyki (jest to związane z uwzględnieniem prądu fotoelektrycznego, który płynie przez zewnętrzny odbiornik) - co możemy zauważyć na wykresie zależności I=f(U).

Z otrzymanych charakterystyk N=f(U) widać wyraźnie, że dla każdej z żarówek ogniwo posiada swój MPP (punkt maksymalnej mocy), w którym ogniwo oddaje maksymalną moc. Dla żarówki żarowej parametry punktu MPP wynoszą: U_MPP(ż)=1,5 [V], I_MPP(ż)=0,3 [A], N_MPP(ż)=0,45 [W], natomiast dla żarówki halogenowej wynoszą odpowiednio: U_MPP(h)=1,8 [V], I_MPP(h)=0,37 [A], N_MPP(h)=0,68 [W]. Dla obu przypadków opór zewnętrzny wynosi 5 [Ω].

Z kształtu charakterystyk N=f(U) wynika również, że gdy rezystancja zewnętrznego odbiornika jest niższa od wartości optymalnej (R=5 [Ω]), ogniwo pracuje jak źródło prądu (I=idem.), a wraz ze zmianą oporu zmienia się wartość napięcia ogniwa. Natomiast, gdy rezystancja odbiornika jest większa, niż 5 [Ω], to ogniwo pracuje jak źródło napięcia (U=idem.), a każda zmiana oporu powoduje zmianę wartości natężenia prądu zwarcia.

4. Wnioski.

Na podstawie wyników ćwiczenia i otrzymanych na ich podstawie otrzymanych charakterystyk, a następnie porównaniu ich z zależnościami teoretycznymi możemy stwierdzić, że ćwiczenie zostało wykonane poprawnie. Dzięki przeprowadzonym pomiarów, zaznajomiliśmy się z zagadnieniem ogniw fotowoltaicznych oraz ich parametrami pracy i funkcjonowaniem.

6

---