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)
