2. Určete optimální pracovní bod a účinnost solárního článku při dané intenzitě osvětlení, stanovte R SH, R SO, FF, MPP

Transkript

1 FP 5 Měření paraetrů solárních článků Úkoly : 1. Naěřte a poocí počítače graficky znázorněte voltapérovou charakteristiku solárního článku. nalyzujte vliv různé intenzity osvětlení, vliv sklonu solárního článku vzhlede ke zdroji záření (kolo, sklon 30 ) Postup : 2. rčete optiální pracovní bod a účinnost solárního článku při dané intenzitě osvětlení, stanovte SH, SO, FF, MPP 3. Zěřte spektrální odrazivost solárního článku poocí spektrofotoetru a spektrální citlivost s využití LED diod 1. Měření voltapérové charakteristiky solárního článku Zkopletujte ěřicí sestavu pro ěření voltapérové charakteristiky solárních článků (Obr. 1). Obr. 1 Měření voltapérové charakteristiky solárního článku

2 Sestava se skládá z optické lavice s držáke pro upnutí solárních článků, zdroje světla, 2 ultietrů a proěnné zátěže (regulovatelný odpor). S poocí ultietrů zěřte nejprve tzv. napětí naprázdno OC (Open Circuit oltage) a tzv. proud nakrátko SC (Short Circuit Current), dle schéatu na obr.2. SC Obr. 2 Měření napětí naprázdno OC a proudu na krátko SC důsledku nenulového vnitřního odporu apéretru je hodnota SC získaná títo způsobe zatížena chybou. Tuto chybu lze odstranit buď poocí speciální etody ěření nebo početně pokud znáe tzv. sériový odpor solárního článku. případě, že vnitřní odpor apéretru je výrazně enší než sériový odpor fotovoltaického článku ůžee tuto chybu zanedbat. Schéa zapojení pro ěření voltapérové charakteristiky F článku je zobrazeno na obrázku 3. Obr. 3 Schéa zapojení pro ěření charakteristiky solárního článku

3 Měření paraetrů fotočlánku by ělo probíhat za standardizovaných podínek tj. spektrální složení záření zdroje M1.5 (ir Mass), které odpovídá slunečníu záření na Zeské povrchu při zahrnutí vlivu atosféry a hodnota intenzity ozařování fotočlánku E = 1000W/ 2. Spektrální složení M0 a M1 v porovnání se záření černého tělesa o teplotě T = 5250 K je uvedeno na obr. 4. Obr. 4 Sluneční spektru M0, M1.5 a spektru černého tělesa Pro ěření použijte žárovku s denní spektre a posuve jezdce s fotočlánke nastavte hodnotu osvětlení fotočlánku na standardních 1000W/ 2 (intenzitu osvětlení ěřte radioetre). Plynulou zěnou zátěže (regulovatelný odpor) postupně proěřte charakteristiku solárního článku při dané osvětlení. Měřené hodnoty napětí a proudu zaznaenávejte do tabulky. Zatěžování provádějte tak aby jste získali 20 bodů rovnoěrně rozložených po křivce. Při ěření zahrňte bod křivky s napětí = 450 a zapište si příslušnou hodnotu proudu 450, který je jednou ze základních charakteristik solárního článku. Zěřte charakteristiku článku při sklonu 30 a porovnejte s kolý dopade. Měření opakujte pro poloviční hodnotu osvětlení. ntenzitu ozařování (W/ 2 ) zěřte digitální radioetre. Při standardní konstantní osvětlení proěřte při (kolé dopadu) 2 typově shodné solární články a poté proveďte ěření článků zapojených do

4 série (Obr. 4) a paralelně (Obr. 5). Porovnejte s ěřeníi prováděnýi na saostatných článcích. Zpracování ěření proveďte na počítači. Obr. 4 Sériové zapojení solárních článků Obr. 5 Paralelní zapojení solárních článků Průběh voltapérové charakteristiky fotodiody (solárního článku) lze přibližně (při zanedbání vlivu vnitřních odporů článku) popsat následující vztahe = 1 exp 0 nkt e L, (1)

5 kde je proud který článek dodává do zátěže, je napětí na svorkách článku při dané zátěži, L je fotoproud úěrný zářivéu toku, 0 je závěrné napětí, e je náboj elektronu, k je Boltzanova konstanta, T je terodynaická teplota článku a n je koeficient, který respektuje kvalitu fotovoltaického prvku z hlediska ateriálového složení a jeho hodnota se pohybuje řádově v oblasti jednotek. Jestliže chcee analyzovat charakteristiku usíe tedy provést aproxiaci naěřených dat funkcí typu [ exp( ) 1] = a b c, Kde a, b, c jsou neznáé hodnoty koeficientů. To lze nejjednodušeji provést nějakou iterační optializační etodou. Pro analýzu využijte aplikaci Fotočlánek vytvořenou v prostředí MTLB. Tato aplikace graficky zobrazí naěřená data, provede popsanou aproxiaci zjednodušený ateatický odele fotočlánku a vypočte základní charakteristiky fotočlánku. 2. Stanovení základních charakteristik solárních článků Na základě analýzy naěřených charakteristik stanovte základní ěřených paraetry solárních článků. Za základní paraetry ůžee považovat OC - napětí naprázdno (open circuit voltage) SC - proud na krátko proud při napětí 450 nitřní odpory solárního článku Při podrobnější zkouání vlastností solárních článků lze odvodit následující náhradní schéa (Obr.6) Obr. 6 Náhradní schéa fotodiody (solárního článku)

6 SO - sériový odpor solárního článku, je dán sklone křivky v okolí bodu OC SO d = d SH - paralelní odpor solárního článku, je dán sklone křivky v okolí bodu SC d SH = d Znalost velikosti sériového a paralelního odporu fotočlánku ná dává inforaci o jeho kvalitě. Příliš vysoká hodnota sériového odporu způsobuje, že svorkové napětí fotočlánku bude tí enší, čí bude větší úbytek napětí na sériové odporu. Příliš nízká hodnota paralelního odporu nás inforuje o vadné článku; FČ se chová, jako by byl zevnitř zkratován. Proud procházející solární článke pak ůžee v ráci tohoto odelu vyjádřit jako e( SO ) SO = L 0 1 nkt. případě, že sériový odpor je alý a paralelní odpor je velký (kvalitní článek) poto ůžee jejich vliv zanedbat a lze použít zjednodušený odel daný vztahe (1). MPP Maxial power point Optiální pracovní bod fotočlánku pro který dodává axiální výkon. Tento bod leží na charakteristice ve vrcholu vepsaného obdélníka s axiální plochou. OC P - axiální výkon solárního článku, SC SH P = - napětí při axiální výkonu solárního článku - proud při axiální výkonu solárního článku - odpor při axiální výkonu solárního článku FF - fill factor P FF = OC SC = /

7 Účinnost přeěny zářivé energie na elektrickou Účinnost přeěny zářivé energie na elektrickou vypočtee ze vztahu = P = P η, Prad EC kde P rad je výkon dopadajícího záření, C je plocha fotočlánku, E je intenzita ozařování. ybrané paraetry jsou znázorněny na ukázce charakteristiky (Obr. 7) charakteristika solárního článku SC P P MPP S 1 S 2 FF = / OC SC =S 1 /S 2 OC Obr. 7 Typický průběh charakteristiky solárního článku Na charakteristice je ožno vidět optiální pracovní bod fotočlánku při dané osvětlení (MPP), dále je patrný grafický význa paraetru FF (fill factor) tj. že je to poěr axiální plochy obdélníka vetknutého pod charakteristikou S 1 k ploše nejenšího obdélníka který obsahuje celou křivku S 2. Modrá křivka zobrazená na obr. 7 je výkonová křivka. Jak je patrné křivka á své axiu P tj. axiální ožný výkon dodávaný do zátěže při dané osvětlení. Napětí a proud při axiální výkonu poto udávají polohu bodu MPP na voltapérové charakteristice.

8 3. Stanovení spektrální odrazivosti a spektrální citlivosti solárního článku Zěřte spektrální odrazivost solárního článku poocí spektrofotoetru. Ovládání spektrofotoetru a postup při ěření odrazivosti ateriálů je popsán v návodu k úloze 6. S využití výkonných LED diod o různých vlnových délkách proěřte odezvu solárního článku na různé vlnové délky světla a určete přibližně spektrální citlivost fotočlánku (Obr.8). Obr. 8 Typický průběh spektrální citlivosti křeíkového solárního článku krytého skle Poůcky : solární články, držák na solární články, LED diody, lapa, žárovky s denní světle, radioetr, spektrofotoetr, regulovatelná zátěž (odpor), 2 x ultietr