PRACOWNIA PRZETWORNIKOW FOTOELEKTRYCZNYCH

advertisement
1
OPTOELEKTRONIKA
I B. EFEKT FOTOWOLTAICZNY. BATERIA SŁONECZNA
Cel ćwiczenia: 1.Zbadanie zależności fotoprądu zwarcia i fotonapięcia zwarcia od
natężenia oświetlenia.
2. Wyznaczenie sprawności energetycznej baterii słonecznej.
Opis stanowiska:
1.Autotransformator.
2.Zasilacz halogenowy ZH100.
3.Źródło światła - lampa halogenowa LH100.
4.Badana bateria słoneczna o powierzchni światłoczułej 85 mm2 i powierzchni przedniej
100mm2.
5.Fotodioda BPDP o czułości 0.04 A/W i średniej powierzchni światłoczułej 5.8 mm2 .
Fotodioda ta
służy
do
pomiaru natężenia
słoneczną promieniowania (promieniowanie
kalibrowaną diodę BPDP i
oświetlenia
padającego
ze źródła LH100
na
baterię
pada jednocześnie na
badaną baterię słoneczną).
6. METEX - miernik służący do pomiaru prądu fotodiody BPDP 35.
7.METEX – mierniki cyfrowe do pomiaru prądu płynącego przez baterię oraz napięcia na
baterii.
Mierniki
współpracują
pomiarowych.
8.Rezystor dekadowy.
z
komputerem
umożliwiającym
akwizycję
danych
2
OPTOELEKTRONIKA
Przebieg ćwiczenia:
1. Połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys. 1.
Rys.1.
2. Wyznaczenie oporności różniczkowej upływu baterii słonecznej.
Po sprawdzeniu układu przez prowadzącego zmierzyć charakterystykę prądowonapięciową nieoświetlonej baterii słonecznej w zakresie napięć od –10mV do +10mV. Ten
pomiar lepiej jest wykonać bez użycia komputera.
3. Zmierzyć charakterystykę prądowo-napięciową nieoświetlonej i oświetlonej baterii w
zakresie : do 15mA w kierunku przewodzenia i do 2V w kierunku zaporowym. Oświetlenie
dobrać tak, aby prąd fotodiody BPDP 35 wynosił około 20 A, przy odległości między
źródłem światła a baterią rzędu 30 cm. Należy zwrócić uwagę, że optymalne oświetlenie
baterii nie jest jednoznaczne z optymalnym oświetleniem fotodiody. Dlatego w celu
wyznaczenia prawidłowej wartości prądu fotodiody, należy ją ustawić tak aby była na tej
samej wysokości co bateria podczas pomiaru charakterystyki przy oświetleniu.
4.Zmierzyć zależności :
a) prądu zwarcia Isc = f (E) ( E-natężenie oświetlenia) , tzn. prądu płynącego przez baterią
przy zerowej polaryzacji;
b) napięcia rozwarcia Uoc = f (E) przy braku prądu płynącego przez baterię.
Ponieważ natężenia oświetlenia mierzy się przy pomocy fotodiody, to przy każdym pomiarze
należy odczytać również jej prąd If. Obydwie charakterystyki: Isc = f (E) i Uoc = f (E)
zmierzyć w zakresie prądów
fotodiody BPDP 35 od 0
do
30 A. Ten pomiar można
wykonać przy pomocy komputera. mierząc charakterystyki prądowo-napięciowe dla różnych
3
OPTOELEKTRONIKA
natężeń oświetlenia baterii w węższym zakresie prądów
w kierunku
przewodzenia do ok.0.2mA i w kierunku zaporowym do ok. 0.2V.
5.Połączyć układ wg schematu przedstawionego na rys. 2. Na opornicy dekadowej ustawić
wartość rezystancji ok. 1k  a następnie dopiero podłączyć baterię. Zmierzyć zależność mocy
wydzielanej na rezystancji obciążenia od wartości tej rezystancji przy stałym natężeniu
oświetlenia ( tj. przy prądzie fotodiody I ~ 20 A ).
6. Powtórzyć pomiar taki jak w pp.3 dla drugiego ogniwa.
Rys. 2
Opracowanie wyników:
1.Na podstawie pomiarów charakterystyki prądowo-napięciowej nieoświetlonej baterii
słonecznej wyznaczyć jej
rezystancję różniczkową upływu korzystając ze wzoru (1).
2. Wyznaczyć rezystancję szeregową baterii:
-
Na podstawie pomiarów wykonanych w pp.3. Korzysta się wówczas również ze wzoru
(1), ale wyznacza się przyrosty prądu i napięcia przy dużym napięciu w kierunku
przewodzenia, w zakresie prostoliniowym charakterystyki I-V , w którym prąd płynący
przez diodę jest ograniczony jedynie właśnie opornością szeregową (patrz : Instrukcja
do ćwiczenia V)
-
Korzystając z pomiarów charakterystyk I-V przy kilku różnych oświetleniach. Na
każdej charakterystyce zaznacza się punkt odpowiadający wartości prądu zwarcia
powiększonemu o pewną stałą wartość I a następnie łączy się te punkty linia prostą.
Odwrotność bezwzględnej wartości współczynnika kierunkowego tej prostej jest
szukaną opornością szeregową (wzór (9)).
-
Wyznaczyć współczynnik idealności baterii (patrz : Instrukcja do ćwiczenia V)
4
OPTOELEKTRONIKA
3. Narysować charakterystykę I-V dla oświetlonej baterii w układzie –I = f (+V)
dla maksymalnego oświetlenia
-
Zaznaczyć prąd zwarcia i napięcie rozwarcia.
-
Wyznaczyć rezystancję różniczkową upływu korzystając ze wzoru (2).
-
Wyznaczyć współczynnik wypełnienia FF korzystając ze wzoru (3).
4.Wykreślić zależność fotoprądu zwarcia i fotonapięcia rozwarcia badanej baterii słonecznej
od
natężenia oświetlenia. Natężenie oświetlenia wyznaczyć ze wzoru (7).
5.Wykreślić zależność mocy wydzielającej się na rezystancji
obciążenia od rezystancji
obciążenia.
-
Znaleźć
rezystancję, dla
której
wydzielana moc jest maksymalna i zaznaczyć
odpowiadający jej punkt na ch-ce I-V baterii.
-
Znając wyznaczony uprzednio współczynnik wypełnienia obliczyć
sprawność
energetyczną baterii (wzór (8)).
6.Przedyskutować otrzymane wyniki i porównać je
z
danymi literaturowymi dla
ogniw krzemowych i innych (wykład (7)).W szczególności :
-
sprawdzić, czy zależność prądu zwarcia Isc i napięcia rozwarcia Uoc od oświetlenia są
zgodne z przewidywaniami teoretycznymi ( wykład 7);
-
sprawdzić, czy punkt przegięcia na charakterystyce I-V odpowiada mocy maksymalnej
wyznaczonej w pp. 4;
Literatura:
Z.M. Jarzębski : „Energia słoneczna”
Wykład 6 i 7 „Źródła i detektory”
WZORY KONIECZNE DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA
1. R- rezystancja różniczkowa (oporność upływu) złącza półprzewodnikowego .
1
1
 dI 
 I 
R



 dU U 0  U U 0
lub
- dla baterii:
2.Współczynnik wypełnienia
R
U oc
I sc
(1)
(2)
5
OPTOELEKTRONIKA
FF =
I mU m
I scU sc
(3)
Im. i Um. – prąd i napięcie odpowiadające punktowi przegięcia na charakterystyce I-U;
Isc i Usc – prąd zwarcia i napięcie rozwarcia.
3. Sprawność energetyczna baterii
  
J mU m Acb
100[%] (4)
Apb E
gdzie Acb –powierzchnia czynna baterii;
Apb- powierzchnia przednia baterii; E – natężenie oświetlenia baterii [W/m2];
Jm. – gęstość prądu (odpowiadającemu punktowi przegięcia na charakterystyce I-U) płynącego
przez baterię [A/m2]. (Jm Acb=Im)
4. Natężenie oświetlania baterii mierzy się przy pomocy kalibrowanej fotodiody o znanej
czułości prądowej Sf. Jeśli bateria i fotodioda są ustawione w tej samej odległości od źródła i
fotodioda jest oświetlona w takim samym stopniu co bateria to natężenia oświetlenia obydwu
są takie same i spełniają równość:
E
f
Af

b
Acb
(5)
gdzie f i b to strumienie promieniowania padające odpowiednio na fotodiodę i na baterię.
Z drugiej strony strumień promieniowania padający na fotodiodę można wyznaczyć znając
jej czułość napięciową:
f  If /Sf
(6)
gdzie If jest prądem płynącym przez fotodiodę. Po podstawieniu wzoru (6) do wzoru (5)
otrzymuje się wzór na natężenie oświetlenia baterii w postaci:
E
If
(7)
Af S f
Po podstawieniu tego wzoru do wzoru (4) otrzymuje się ostatecznie:
  
J mU m Acb Af S f
Apb I f
100[%] 
I mU m S f Af
Apb I f
100[%] (8)
5. Wyznaczenie oporności szeregowej baterii słonecznej.
W przypadku baterii słonecznej istnieje możliwość wyznaczenia oporności szeregowej przy
wykorzystaniu charakterystyk prądowo - napięciowych zmierzonych przy różnych
6
OPTOELEKTRONIKA
oświetleniach. Różnemu oświetleniu odpowiadają różne wartości prądów zwarcia
(rys. 3). Na charakterystykach I-V zaznacza się punkty które odpowiadają wartościom prądu
zwarcia pomniejszonemu o pewną stałą wartość I: I 1  I sc1  I oraz I 2  I sc2  I .
Następnie oporność szeregową wyznacza się z zależności:
rs 
V1  V2
V  V2
 1
I 2  I1 I sc 2  I sc1
Rys. 3.
Pytania kontrolne
1. Model pasmowy ciał stałych.
2. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane.
3. Złącze p-n. Charakterystyka prądowo-napięciowa dla złącza idealnego i
rzeczywistego.
4. Efekt fotowoltaiczny.
5. Zasada działania i parametry charakteryzujące baterię słoneczną..
(9)
Download
Random flashcards
66+6+6+

2 Cards basiek49

Create flashcards