Instrukcja - Instytut Elektroenergetyki

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Wydział Elektryczny
Instytut Elektroenergetyki
Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA:
„BADANIE BATERII SŁONECZNYCH W ZALEśNOŚCI OD
NATĘśENIA ŚWIATŁA”
UWAGA!!!
Baterie słoneczne moŜna zewrzeć i nic im się nie stanie. Nie przybliŜać zbyt blisko i nie
trzymać długo lampki z Ŝarówką przy powierzchnią baterii słonecznych gdyŜ grozi to
stopieniem warstwy chroniącej baterię przed czynnikami zewnętrznymi.
Wstęp
Ćwiczenie polega na badaniu ogniwa fotowoltaicznego w zaleŜności od natęŜenia
światła. Zmiana natęŜenia światła będzie polegać na zmianie odległości lampy od paneli
baterii słonecznej
Opis teoretyczny
Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują efekt fotoelektryczny wewnętrzny do generacji energii
elektrycznej prądu stałego. Efekt ten polega na podwyŜszeniu poziomu energetycznego
elektronu po przechwyceniu kwantu światła. Baterie słoneczne uznawane są za najbardziej
przyjazne środowisku źródło energii. Wynika to z: braku emisji zanieczyszczeń, braku hałasu,
a takŜe praktycznie braku ujemnego wypływu na zwierzęta. Ponadto panele wytwarzane są z
powszechnie dostępnych surowców, a ich pozyskanie nie wymaga ingerowania w sposób
istotny w środowisko naturalne. Utylizacja takiego źródła takŜe nie jest znaczącym
problemem. Z punktu widzenia ekologii nie mają one praktycznie wad. Jedyną wadą jest to,
Ŝe wyprodukowanie źródła tego typu wiąŜe się ze znacznym nakładem energii, a przy niskiej
sprawności i krótkim czasie eksploatacji źródła, powoduje to relatywnie niewielki zysk na
energii produkowanej w odniesieniu do energii włoŜonej w wytworzenie paneli. Wynikiem
tego jest wysoka cena ogniw i problemy ze zwrotem kosztów poniesionych w elektrownię
wykorzystującą baterie słoneczne.
WaŜnym parametrem ogniw słonecznych jest ich sprawność która opisuje stosunek
ilości energii elektrycznej jaka zostanie wyprodukowana z ilości energii dostarczonej do
panelu przez promieniowanie elektromagnetyczne.
Sprawności róŜnych typów ogniw:
• Krzem monokrystaliczny – sprawności 14 -17,5%
• Krzem polikrystaliczny – sprawności 11 -13%
• Krzem amorficzny – sprawności 7 -10%
• Przewodzące prąd polimery połączone z fullerenem – sprawność ok. 3%
1
Z punktu widzenia konstruktora urządzeń odbierających energię z ogniw
fotowoltaicznych i przekazujących ją do odbiorników lub systemu elektroenergetycznego jest
charakterystyka ogniw fotowoltaicznych. Jest ona w podobna dla róŜnych typów ogniw.
Rys. 1. Przykładowe charakterystyki ogniwa
fotowoltaicznego dla róŜnych temperatur
Rys. 2. Przykładowe charakterystyki
ogniwa fotowoltaicznego dla róŜnych
wartości nasłonecznienia
Z przedstawionych na rys. 1 i 2 wykresów moŜna odczytać, Ŝe w części
charakterystyki ogniwo zachowuje się jak ustępliwe źródło napięciowe w części zaś jak
źródło prądowe. UniemoŜliwia to bezpośrednie zasilanie urządzeń stałoprądowych, gdyŜ
wymagają one w większości stałej wartości napięcia zasilania. Ponadto zauwaŜyć warto, Ŝe
wraz ze wzrostem natęŜenia światła padającego na ogniwo następuje niewielki wzrost
napięcia rozwarcia tego źródła, a znacznie wzrasta wartość prądu zwarcia. Natomiast
temperatura ma wpływ na wartość napięcia rozwarcia. Co ciekawe dla niŜszej temperatury
napięcie rozwartego źródła jest wyŜsze.
Z charakterystyki U-I ogniwa wynika, Ŝe ma ono tzw. maksymalny punkt mocy
(MPP), czyli punkt na charakterystyce U-I w którym ogniwo produkuje najwięcej mocy przy
zadanych warunkach nasłonecznienia i temperatury. Aby zwiększyć wydajność ogniwa
naleŜy obciąŜać je taką wartością rezystancji dla której występuje MPP. Rezystancja ta
wynosi:
U
R = mpp .
I mpp
PołoŜenie maksymalnego punktu mocy ogniwa na charakterystyce U-I związane jest ściśle z
temperaturą źródła oraz natęŜeniem światła, które na nie pada. NaleŜy przy tym zauwaŜyć, Ŝe
temperatura ma większy wpływ na wartość napięcia przy jakim MPP wystąpi, natomiast nie
ma praktycznie wpływu na wartość prądu charakteryzującego optimum mocy. Zmiany
natęŜenia światła powodują zmiany wartości prądu odbieranego, ale nie mają natomiast
większego wpływu na napięcie przy którym występuje maksimum mocy. Zostało to ukazane
na rys. 3, który jest zbiorem charakterystyk elektrycznych ogniwa fotowoltaicznego dla
róŜnych wartości natęŜenia światła.
2
Rys. 3. Charakterystyka mocy produkowanej w zaleŜności od nasłonecznienia
Ćwiczenie naleŜy wykonywać po kolei według instrukcji.
1.
Przed przystąpienie do badań naleŜy podłączyć układ według schematu 1.( układ
poprawnie mierzonego prądu ) lub 2. ( układ poprawnie mierzonego napięcia). Wybrać
jeden z nich i uzasadnić swój wybór.
Schemat 1.
Schemat 2.
2. NaleŜy zdjąć charakterystykę I = f(U) w zaleŜności od natęŜenia oświetlenia (wysokości
lampki nad powierzchnią baterii słonecznych) dla 4 lub 5 wysokości d.
Wypełniamy tabelę 1.
3
TABELA 1.
d=5cm
d=15cm
d=25cm
d=35cm
d=45cm
L.p.
U I P=U*I U I P=U*I U I P=U*I U I P=U*I U I P=U*I
1.
2.
3.
…
30.
Zaczynamy od wyznaczenia punktu pracy jałowej – rozwarte zaciski obciąŜenia (punkt A) i
punktu pracy zwarciowej (punkt B). Dalej regulując rezystancję obciąŜenia (Robc) w zakresie
od 0Ω do 500Ω z przemyślnym krokiem notujemy ok. 30 punktów charakterystyki. Procedurę
powtarzamy dla kaŜdego d.
3.
Z punktów wyznaczonych w czasie badania obliczamy moc P=U*I i wykreślamy
charakterystykę P = f(I), która pokaŜe połoŜenie Punkt Mocy Maksymalnej (ang. Maximum
Power Point, skr. MPP).
W jednym układzie współrzędnych mają znaleźć się P=f(U) i I = f(U) .
4. Z otrzymanych danych policzymy Filtr Factory (FF), który wyznacza jakość baterii
słonecznych. FF liczymy ze wzoru:
FF =
Pmax
U OC ⋅ I SC
gdzie:
Pmax – moc maksymalna
Uoc – napięcie ogniwa bez bciąŜenia
Isc – prąd zwarcia.
Parametr ten mieści się w zakresie od 0 do 1, gdzie FF=1 oznacza prostopadłość
charakterystyki U=f(I).
1
5. Następnie wyznaczamy charakterystykę I = f ( d 2 ) przy U=0 (zwarcie). Regulując
wysokość połoŜenia źródła światła (d) notujemy wartość natęŜenia prądu zwarcia Izd. Pomiar
powtarzamy ok. 30 razy.
Wypełniamy tabelę 2.
L.p.
I
TABELA 2.
U = 0V (zwarcie)
d
1/d2
1
2
3
…
30
PowyŜsze dane wykreślić na papierze milimetrowym i wraz z interpretacją powinny znaleźć
się w sprawozdaniu do ćwiczenia.
4
Literatura:
[1]. Strony internetowe na temat fotowoltaiki.
[2]. Radecki Tadeusz, Andrzej Kondyba – Przetwarzanie energii w elektrowniach
słonecznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2000, Gliwice
5