E12

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
1/5

E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
Celem ćwiczenia jest poznanie podstaw zjawiska konwersji energii świetlnej na
elektryczną, zasad działania fotoogniwa oraz wyznaczenie jego podstawowych
parametrów, tj.: charakterystyki prądowo-napięciowej, mocy oddawanej przez
fotoogniwo, współczynnika wypełnienia oraz punktu pracy, jako optymalnych parametrów
umożliwiających wyznaczenie warunków jego eksploatacji, dla których możliwe jest
uzyskanie maksymalnej mocy elektrycznej.
Fotoogniwo (inaczej ogniwo fotowoltaiczne) wytwarza energię elektryczną na drodze
konwersji energii słonecznej, padającej na jego powierzchnię. W wyniku absorpcji
(pochłonięcia) światła, na złączu p-n (obszaru wokół powierzchni styku dwóch
półprzewodników: jednego o przewodnictwie elektronowym – typu n i drugiego o
przewodnictwie dziurowym – typu p) generowane są ładunki różnoimienne (elektrony o
ładunku ujemnym i dziury o ładunku dodatnim), których przepływ w obwodzie zewnętrznym
jest równoznaczny z przepływem prądu. Generacja nośników ładunku następuje w wyniku
absorpcji fotonu o odpowiedniej energii (o wartości równej przerwie energetycznej) obszaru
złącza.
Z punktu widzenia użytkownika, istotne są makroskopowe (użytkowe) parametry ogniwa
fotowoltaicznego, których znajomość pozwala na określenie optymalnych warunków jego
eksploatacji. Są nimi:
Charakterystyka prądowo-napięciowa jest obrazowana jako wykres zależności natężenia
prądu płynącego w obwodzie zasilanym przez ogniwo fotowoltaiczne od napięcia
generowanego na jego końcach (I=f(U)), przy czym wartość natężenia prądu należy
wyznaczyć w amperach a napięcie elektryczne w woltach. Charakterystyka prądowonapięciowa stanowi podstawową informację, umożliwiającą określenie pozostałych istotnych
parametrów.
Prąd zwarcia (IZ, ISC) jest to wartość natężenia prądu płynącego w obwodzie, w którym
wartość oporu zewnętrznego wynosi 0 (ogniwo jest zwarte). Jest to zatem maksymalna,
możliwa teoretycznie do uzyskania wartość natężenia prądu generowanego przez fotoogniwo.
Napięcie układu otwartego (U0) Jest to napięcie generowane na zaciskach fotoogniwa przy
braku podłączenia jakiegokolwiek odbiornika i pozostawieniu zacisków niezłączonych, tj. w
sytuacji, gdy wartość oporu jest nieskończona, a wartość natężenia prądu wynosi 0. Jest to
zatem najwyższa, możliwa do uzyskania wartość napięcia fotoogniwa.
Prąd zwarcia i napięcie układu otwartego charakteryzują punkty skrajne charakterystyki
prądowo-napięciowej.
Punkt mocy maksymalnej (punkt pracy) jest określony poprzez współrzędne charakterystyki
prądowo napięciowej, dla których moc w obwodzie jest największa. Wartość mocy
oddawanej przez fotoogniwo, obliczana jest na podstawie zależności (1):
P [W] = I [A] x U [V].
(1)
Kształt charakterystyki prądowo-napięciowej oraz położenie ww. punktów na
charakterystyce, zaprezentowane zostały na rysunku 1.
Współczynnik wypełnienia (FF) jest parametrem określającym stopień doskonałości ogniwa,
tj. położenie punktu mocy maksymalnej badanego fotoogniwa w stosunku do położenia tego
punktu dla ogniwa idealnego (stosunek pól prostokątów wyznaczonych przez linie
przerywane na rysunku 1 i osie układu). Jego wartość oblicza się zgodnie z zależnością (2):
FF 
P
I MU M
 max
I SCU 0 I SCU 0
(2)
E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
2/5

Charakterystyka ogniwa
idealnego
Charakterystyka ogniwa
rzeczywistego
I [A]
ISC
IM
Punkt mocy maksymalnej
UM
U0
U [V]
Rys. 1. Charakterystyka prądowonapięciowa fotoogniwa, wraz z
charakterystycznymi punktami,
determinującymi wartość
współczynnika wypełnienia.
Objaśnienia:
ISC – prąd zwarcia fotoogniwa,
IM – prąd płynący w obwodzie, dla
którego moc oddawana jest
najwyższa,
U0 – napięcie obwodu otwartego,
UM – napięcie na odbiorniku, dla
którego moc oddawana jest
najwyższa
Sprawność () - z definicji sprawność określona jest jako stosunek mocy (energii w jednostce
czasu) uzyskanej z układu do mocy (energii w jednostce czasu) do niego dostarczonej. W
przypadku fotoogniwa, mocą uzyskaną jest moc elektryczna oddawana do obwodu, natomiast
mocą dostarczoną – moc promieniowania świetlnego, padającego na powierzchnię
fotoogniwa. Zgodnie z powyższym, sprawność (), określona będzie zależnością (3):

P
I MU M
 100%  max  100%
ES
ES
gdzie:
E – gęstość mocy promieniowania [W/m2],
S – powierzchnia fotoogniwa [m2].
Literatura uzupełniająca:
1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker – Podstawy fizyki T.5 rozdz. 42.6-42.9
2. R. Tytko – Odnawialne źródła energii – rozdz. I.4-I.6
3. S. Przestalski – Elementy fizyki, biofizyki i agrofizyki , rozdz.4.5.2
Zobacz też:
symulacje komputerowe na stronie internetowej Katedry Fizyki i Biofizyki
(http://www.up.poznan.pl/kfiz/) (zakładka: Symulacje zjawisk fizycznych),
w szczególności symulacje nr 22, 23 i 48.
(3)
E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
3/5

E12. Protokół pomiarów i obliczeń
Nr pary
Imię i nazwisko studenta
Wydział
data
Imię i nazwisko prowadzącego
grupa
Zaliczenie
Wykonanie ćwiczenia
Przyrządy i materiały: badane ogniwo fotowoltaiczne, źródło oświetlenia, opornik
dekadowy (obciążenie), amperomierz, woltomierz.
A
Z
PV
V
R
1. Podłączyć układ zasilania źródła światła oraz układ pomiarowy badanego ogniwa (PV)
zgodnie z powyższym schematem (oporniki diod są częścią integralną użytych pasków
diodowych). Podłączając zasilanie źródła światła (Z) poprawnie podłączyć diody
oświetlające fotoogniwo („+zasilacza” z „+” diod – wtyk czerwony ; „–” zasilacza z „–”
diod – wtyk czarny). Pozostałe oznaczenia:
a. A – amperomierz
b. V – woltomierz
c. R – opornik dekadowy
2. Ustawić odpowiednie zakresy pomiarowe woltomierza i amperomierza (zakresy:
woltomierz 20 V, amperomierz 20 mA).
3. Włączyć oświetlenie – ustabilizować napięcie zasilacza na 12 V i ustawić źródło
oświetlenia tak, aby promienie świetlne padały prostopadle na powierzchnię fotoogniwa.
4. Ustawiając kolejno wartość oporu na oporniku dekadowym R wskazane w tabeli 1,
kolejno odczytywać wartości napięć fotoogniwa oraz natężenia prądu płynącego w
obwodzie. Wyniki zapisywać w tabeli 1.
5. Zmierzyć wartość napięcia układu otwartego U0. W tym celu należy przerwać obwód
elektryczny zasilany przez fotoogniwo poprzez odłączenie opornika dekadowego R.
Wynik zapisać zarówno w tabeli 1 jak i w tabeli 2.
6. Po zakończeniu pomiaru zmniejszyć napięcie zasilania diod oświetlających fotoogniwo
do 0, wyłączyć zasilanie i otworzyć skrzynkę fotoogniwa odkładając płytę z diodami.
E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
4/5

Tabela 1
R
U
I
P
0
1
10
100
200
300
320
340
360
380
400
420
460
700
1000
2000
5000
∞
0
Tabela 2
U0
ISC
Pmax
FF
Opracowanie wyników:
1. Na podstawie zależności:
P=IxU
obliczyć moc oddawaną do obwodu dla każdego obciążenia.
2. Na podstawie wyników z tabeli 1 wykreślić krzywą mocy oddawanej do obwodu w
funkcji napięcia fotoogniwa P=f(U).
3. Na podstawie wykresu P=f(U) lub wyników zawartych w tabeli 1 wyznaczyć wartość
mocy maksymalnej. Wartość tą wpisać do tabeli 2.
E12. Wyznaczanie parametrów użytkowych fotoogniwa
5/5

4. Na podstawie wyników z tabeli 1 wykreślić charakterystykę prądowo-napięciową
fotoogniwa dla ustalonych warunków oświetlenia I=f(U).
5. Na charakterystyce prądowo-napięciowej wskazać punkt mocy maksymalnej.
6. Z charakterystyki prądowo-napięciowej odczytać wartość napięcia układu otwartego (U0)
oraz natężenia prądu zwarciowego (ISC).
7. Na podstawie zależności:
FF 
P
I MU M
 max
I SCU 0 I SCU 0
określić współczynnik wypełnienia.
8. Obliczyć błąd współczynnika wypełnienia, jako błąd względny, metodą różniczki
logarytmicznej:
I
U 0
I
U 0
I M
U M
FF Pmax

  SC  


  SC  
FF
Pmax
I SC
U0
IM
UM
I SC
U0
9. Następnie obliczyć błąd bezwzględny FF i zestawić go z uzyskaną wartością
współczynnika wypełnienia w postaci :
FF  ...................  .................