1.11 Vliv intenzity záření na výkon fotovoltaických článků Cíle kapitoly: Cílem laboratorní úlohy je změřit výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku při změně intenzity světelného záření. Cílem je bližší seznámení s chováním fotovoltaického článku při změně veličiny, která má v praktickém provozu elektráren nejvýznamnější vliv na jejich generovaný výkon. Dalším cílem je výpočet a následné srovnání maximálních výkonů u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků. 1.11.1 Úvod Sluneční záření můžeme rozdělit na dvě základní složky, a to na záření přímé a difúzní. Konstantou charakterizující měrný tok energie představuje sluneční konstanta a je přibližně rovna 1373 W. m -2. Dle jednotky této konstanty lze odvodit, že se jedná o energii procházející plochou 1 m 2, přesněji pak plochou na hranici zemské atmosféry. Výkon vyráběný fotovoltaickými elektrárnami je během dne ovlivňován zejména změnou intenzity slunečního záření. Velikost intenzity slunečního záření dopadající na aktivní plochu panelů je pak závislá na několika skutečnostech. Velikost intenzity záření závisí hlavně na umístění fotovoltaické elektrárny. Každá lokalita má jinou hodnotu čistoty a propustnosti atmosféry (města, venkov, různé nadmořské výšky), což velikost intenzity přímo ovlivňuje. Změna intenzity záření má tedy dopad na elektrické parametry fotovoltaického článku či panelu. Bude-li se světelné spektrum a teplota článku považovat neměnné, lze konstatovat, že při významné změně intenzity záření se významně změní i proud nakrátko. Napětí naprázdno se při této změně prakticky nemění. Je zřejmé, že dochází k radikálnímu ovlivnění průběhů charakterizující elektrické vlastnosti fotovoltaického článku. Vliv změny intenzity světelného záření lze pozorovat porovnáním maximálních výkonů dosažených při různých intenzitách záření. Pro rychlé zhodnocení tak lze použít výkonovou charakteristiku článku. Pro další zhodnocení článku je dobré znát i průběh V-A charakteristiky a základní body, které lze ze zmíněných charakteristik jednoduše stanovit. Jedná se o P max, U Pmax, I Pmax, I SC, U OC. Stanovené veličiny poslouží při výpočtu faktoru plnění (FF fill factor). Faktor plnění, někdy taky jako činitel naplnění, je dán následujícím matematickým vztahem. (2) kde U Pmax (ve V) je napětí při maximálním výkonu, I Pmax (v A) je proud při maximálním výkonu, U OC (ve V) je napětí naprázdno (nulový generovaný proud) a I SC (v A) je zkratový proud (nulové generované napětí). Faktor plnění představuje elektrickou účinnost fotovoltaického panelu. FF je závislý na celé řadě aspektů, které souvisí hlavně s technologickou kvalitou výroby panelu, tj. morfologie materiálu, kvalita kontaktů či odpor aktivní plochy a další. Lze konstatovat, že kvalitněji vyrobený panel bude dosahovat vyšších hodnot faktoru plnění (teoretické maximum je 1). Z matematického vyjádření lze vypozorovat, že změřením V-A a výkonové charakteristiky, jsme schopni FF stanovit. Získáme tak přibližnou představu o kvalitě proměřovaného fotovoltaického panelu či článku. 1.11.2 Rozbor úlohy Pro měření základních charakteristik fotovoltaického článku při různých intenzitách světelného záření lze využít několik postupů. Fotovoltaický článek lze osvítit zdrojem světla a charakteristiky proměřit změnou odporové dekády. Tato úloha ukazuje odlišnou metodu, kdy
je využito stejnosměrného laboratorního zdroje 0-30V/5A a měřících karet či digitálních multimetrů. Schéma zapojení pracoviště je uvedeno na Obr. 1.1. Obr. 1.1: Schéma zapojení pracoviště V případě, že bude použito měřících karet NI 9215 (pro měření napětí) a NI 9227 (pro měření proud), karty budou pro studenty správně nakonfigurovány a připraveny pro okamžité měření. Již nakonfigurované karty je tedy nutno pouze správně zapojit do měřícího systému, podle množství využitých kanálů na měřících kartách. Propojení kontaktů měřících karet je naznačeno na Obr. 1.2. Obr. 1.2: Zapojení kontaktů měřících karet NI 9215 (napětí a intenzita záření) a NI 9227 (proud) Prvním úkolem je správně stanovit typy jednotlivých fotovoltaických článků. Dalším úkolem je správné propojení jednotlivých komponent měřícího systému. Na výpočetní jednotce se spustí aplikace SP, která je vytvořená v LabView a slouží pro měření a záznam naměřených hodnot napětí, proudu a intenzity záření. Náhled na tuto aplikaci je na Obr. 1.3. Díky výšce umístění světelného zdroje od fotovoltaického článku je možné měnit intenzitu záření E. V rámci úlohy bude pro každý článek (monokrystalický, polykrystalický, amorfní) proměřena kompletní V-A charakteristika pro nastavené intenzity světelného záření. Výchozí a další hodnoty intenzity záření zadá vyučující. Při měření konkrétní charakteristiky je vždy nutné kontrolovat neměnnost intenzity záření a případnou změnu korigovat. Po nastavení konkrétní intenzity záření může být proměřen první typ článku.
Obr. 1.3: Aplikace SP v LabView pro měření V-A charakteristiky fotovoltaickcýh článků při změně intenzity světelného záření Nastaví se a změří se nejprve hodnota napětí naprázdno, a to tak, že je na stejnosměrném zdroji nastavena taková hodnota napětí, aby měřeným obvodem neprotékal elektrický proud. Během měření nesmí hodnota napětí překročit hodnotu 5V. Tento bod odpovídá první hodnotě na měřené V-A charakteristice. Nastavenou hodnotu je proto nutno zapsat v aplikaci do tabulky a vykreslit ji do příslušných grafů. Pro zápis se použije tlačítko Save values. Při prvotním zmáčknutí a zapsání hodnoty se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Změnou hodnoty napětí na DC zdroji bude obdobným způsobem zaznamenána kompletní V-A charakteristika měřeného článku. Tj. budou zaznamenávány hodnoty napětí, proudu a výkonu. Vykreslovány budou V- A charakteristika a výkonová charakteristika. Díky tomu, že jsou charakteristiky vykreslovány ihned po změření, lze dobře zvolit i krok měření (změny napětí). Nejjemnější krok by měl být v oblasti zlomu V-A charakteristiky, aby bylo dosaženo dobré přesnosti měření. Pro změření dalších typů článků je způsob měření obdobný. Před zapisováním nových hodnot pro nový měřený vzorek je však vhodné vyčistit tabulku a zobrazené charakteristiky, a to pomocí tlačítka Clear table respektive Clear graphs. Hlavním cílem úlohy je však porovnání výkonových možností jednotlivých typů článků při rozdílné hodnotě intenzity světelného záření. Výstupem protokolu o měření by tak měly být závěry informující o tom, který z článků má nejvyšší FF při stejném světelném záření. Textový soubor získaný během měření, proto poslouží pro získání těchto informací. Z grafických průběhů je nutno odečíst hodnoty P max, U Pmax, I Pmax, I SC, U OC a následně vypočítat účinnost a FF. Dále by mělo být provedeno zhodnocení výkonových možností jednotlivých článků v závislosti na změně intenzity světelného záření. Mělo by být provedeno i srovnání ostatních elektrických parametrů. 1.11.3 Úkol měření Pomocí měřících karet (napětí, intenzita, proud) a výpočetní jednotky změřte výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku, který bude provozován při různých intenzitách světelného záření. Ze změřených dat (*.txt) vyneste V-A charakteristiku a výkonovou charakteristiku každé měřené varianty. Zjistěte hodnotu napětí naprázdno U OC, zkratového proudu I sc, hodnotu maximálního výkonu P max a jemu odpovídající hodnoty napětí U Pmax a proudu I Pmax. Na základě získaných veličin vypočtěte dle výše uvedeného matematického vztahu faktor plnění FF. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny navzájem porovnejte a zhodnoťte jejich relevantnost s teoretickými předpoklady. Dalším cílem je výpočet a následné srovnání maximálních výkonů u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků.
1.11.4 Použité měřicí přístroje a komponenty - Svítidlo s halogenovým světelným zdrojem 150W - Fotovoltaické články různé typy (monokrystalický, polykrystalický, amorfní) - Měřící karty (NI 9215, NI 9227) nebo digitální multimetry - Laboratorní regulovatelný DC zdroj 0-30V/5A - Výpočetní jednotka - Propojovací kabely 1.11.5 Postup měření 1. Identifikujte jednotlivé technologické typy fotovoltaických článků - monokrystalický, polykrystalický, amorfní. 2. Dle Obr 1.1. a Obr.1.2. zapojte pracoviště pro měření fotovoltaického článku. 3. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 4. Spusťte programovou aplikaci VA (na ploše PC) pro měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků při různých intenzitách světelného záření. 5. Nastavované napětí nesmí během měření nikdy přesáhnout 5V. 6. Svítidlo resp. světelný zdroj umístěte nad fotovoltaický článek do výšky, která bude odpovídat zadané hodnotě intenzity světelného záření E (zadá vyučující). 7. Na laboratorním zdroji nastavte napětí tak, aby fotovoltaickým článkem neprotékal elektrický proud. Tlačítkem Save values zaznamenejte napětí naprázdno Uoc. Při prvotním zmáčknutí tlačítka se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt. 8. Změnou napětí na zdroji a následně tlačítkem Save values, změřte V-A respektive výkonovou charakteristiku fotovoltaického článku. Krok měření volte tak, aby byl nejmenší krok v ohybu charakteristiky (dle vykreslovaných grafů). 9. Po změření charakteristiky vyčistěte tabulku s hodnotami a grafy. Vyčištění provedete pomocí tlačítka Clear table respektive pomocí Clear graphs. Nyní máte aplikaci připravenu pro měření další intenzity světelného záření. 10. Nastavením výšky světelného zdroje nastavte novou hodnotu intenzity světelného záření (zadá vyučující). 11. Měření opakujte pro nově nastavenou hodnotu intenzity. Během měření je nutné sledovat, zdali intenzita neklesla pod původně nastavenou hodnotu. Případné odchylky je nutno korigovat novým nastavením výšky světelného zdroje. 12. Měření opakujte pro další typy fotovoltaických článků. 13. Po ukončení měření si data z pevného disku uložte na svůj flashdisk a z PC vymažte vámi ukládaná data. 1.11.6 Zpracování výsledků Z naměřených hodnot graficky zpracujte V-A charakteristiky respektive výkonové charakteristiky pro jednotlivé typy fotovoltaických článků při různých intenzitách světelného záření. Pro každý průběh zjistěte hodnotu napětí naprázdno U OC, zkratového proudu I sc, hodnotu maximálního výkonu P max a jemu odpovídající hodnoty napětí U Pmax a proudu I Pmax. Vypočtěte faktor plnění FF. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny, u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků, navzájem porovnejte. 1.11.7 Závěr Změřené a vypočtené parametry mezi sebou porovnejte a proveďte závěrečné zhodnocení.
1.11.8 Shrnutí kapitoly Cílem laboratorní úlohy je změřit výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku při intenzitách světelného záření. Úloha ukáže a představí základní postup měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků v laboratorních podmínkách a za použití výpočetní techniky a měřících karet. Studenti se seznámí s důležitostí a významem velikosti intenzity světelného (slunečního) záření, zejména vzhledem ke generovanému výkonu článku. Dalším cílem je výpočet a následné srovnání faktorů plnění při různých intenzitách světelného záření u monokrystalických, polykrystalických a amorfních fotovoltaických článků. 1.11.9 Kontrolní otázky 1. Na rostoucí intenzitu světelného záření je více citlivý proud nakrátko nebo napětí naprázdno fotovoltaického článku? 2. Jakou hodnotu má sluneční konstanta? 3. Reagují různé typy fotovoltaických článků stejně na difúzní světelné záření? 4. Jaká je standardizovaná hodnota slunečního záření, při které jsou testovány fotovoltaické panely? 5. Co znamená zkrat AM v kontextu s testováním fotovoltaických panelů?