NTNU i Gjøvik Elektro Laboratorieoppgave 2: Solcelle som produsent av elektrisk effekt til en belastning. Hensikt med oppgaven: Å måle elektrisk effekt produsert fra solcelle med ulik innstråling av lys. Måle på ulike sammenkoblinger av solceller mot en elektrisk belastning og vurdere solcelleness evne til å produsere effekt avhengig av kobling og belastning. Utstyr som du trenger: Boks med solceller og lampe Digitalt multimeter Koplingsbrett Motstander Læringsmål: Bruk av instrumenter og annet labutstyr. Kjenne til grunnleggende kretsskjema for solcelle og verifisere dette ved hjelp av målinger. Kunne forstå hensikten med lasttilpasning. Kunne forstå hvordan sammenkobling av flere kilder påvirker en belastning med hensyn på strøm, spenning og effektforbruk. Litt om Solceller og ekvivalent elektrisk krets for solceller Solceller anvendes mer og mer til produksjon av elektrisk strøm. Solcelle er trolig den viktigste komponenten i omlegging av energiproduksjon fra kull, olje og gass til fornybar energi. Solcelle er derfor en viktig komponent til å redusere utslipp av drivhusgasser. Veldig enkelt forklart fungerer solceller slik at en del fotoner i sollyset absorberes av et halvledermateriale som for eksempel silikon. Det fører til at en del elektroner slås løs fra sine atomer. På grunn av oppbyggingen av solcellen tillates de frie elektronene kun å bevege seg i en retning inne i materialet. Slik produserer lyset en DC-strøm. Solceller kobles sammen slik at man kan hente ut en betydelig energi. Figur 1 viser oppbygging av solcelle med silikonmateriale. Lyset treffer materialer og det fører til at man via kontaktene knyttet til solcellen kan levere strøm til en ytre krets.
Figur 1: Oppbygging av en solcelle med silikonmateriale (kilde: Renewable Energy, Power for a sustainable future, 3rd edition, Oxford University press). Figur 2 viser elektrisk ekvivalentskjema av en solcelle. Strømkilden representerer strømmen som genereres når lys treffer solcellen. Svakt lys gir liten strøm, sterkt lys gir en betydelig strøm. Dioden er en naturlig konsekvens av oppbyggingen av solcellen (strukturen i materialet som fører til at det kan flyte en strøm). Serieresistansen RS representerer resistansen til selve lagene av halvledermaterialet, metallkontaktene til solcellen og metallet som utgjør nettverket på fronten av solcellen. Parallellresistansen RSH representerer lekkstrømmer ved kanten av solcellen og urenheter i materialet som gir interne lekkstrømmer. Figur 2: Elektrisk ekvivalentskjema av en solcelle (kilde: https://en.wikipedia.org/wiki/theory_of_solar_cells). Dioden i solcellen har en ikke-lineær strøm gjennom seg avhengig av blant annet spenningen over dioden og maksimal strøm gjennom dioden. Ideell karakteristikk og mer realistisk karakteristikk i lederetning av dioden er vist nedenfor. Strømmen gjennom dioden er en eksponentialfunksjon med hensyn på spenningen over dioden.
I D Eksponentiell modell (realistisk modell) Sperrespenning V D Tilnærmet modell Figur 3: Illustrasjon av tilnærmet og realistisk karakteristikk av diodestrømmen som funksjon av spenningen VD over dioden. På grunn av diodekarakteristikken er det begrenset hvor stor spenning solcellen kan gi ut. Av figur 3 ses det at diodespenningen VD ikke øker vesentlig selv om strømmen øker mye. Dvs, for en gitt produsert strøm IL i solcellen er det begrenset hvor mye som kan leveres til en belastning (for eksempel en motstand som settes på klemmene av solcellen). En typisk karakteristikk mellom strømmen I som en solcelle leverer til en belastning og spenningen V over belastningen er gitt i figur 4. Figur 5, viser måleoppsettet for kurven i figur 4.
Figur 4: Strøm-spenningskarakteristikk av en typisk solcelle av silikon under standart test (kilde: Renewable Energy, Power for a sustainable future, 3rd edition, Oxford University press) Figur 5: Måleoppsett for å finne strøm-spenningskarakteristikk av en solcelle (kilde: Renewable Energy, Power for a sustainable future, 3rd edition, Oxford University press) Prelab Ta utgangspunkt i kretsen i figur 2. Denne er en ekvivalent krets for selve solcellen i figur 1. Dioden i kretsen har en eksponential karakteristikk som sammenheng mellom strøm gjennom den og spenning over den i lederetning (se figur 3). Anta at Rsh er stor og Rs er liten. a) Tegn kretsskjema for to solceller koblet i serie som forsyner en belastning. b) Tegn kretsskjema for to solceller koblet i parallell som forsyner en belastning. Postlab (skal besvares i eventuell labrapport) Forklar hvorfor man kun kan trekke en begrenset strøm I ut av solcellen selv om man skulle lyse på solcellen med et meget sterkt lys (og slik produsere en meget stor strøm IL internt i solcellen).
Labarbeid 1. Strøm-spenningskarakteristikk av solcelle Finn boks med innebygde solceller og med dimbar bryter. Finn også frem koblingsbrett og motstander med verdier fra ca 10 Ω til ca 1000 Ω. Sett boksen med platen ned. Koble solcellen med uttakene øverst til venstre på boksen til koblingsbrett med motstand. Varier motstanden på koblingsbrettet mellom ca 10 Ω og ca 1000 Ω (anbefalte verdier er ca 12 Ω, 39 Ω, 67 Ω, 100 Ω, 240 Ω, 330 Ω, 470 Ω, 1000 Ω). La lysstyrken være maksimal. Lag en tabell der du har en kolonne med motstandsverdien, en kolonne med målt spenning over motstanden, en kolonne med beregnet strøm gjennom motstanden og en kolonne med beregnet effektforbruk i motstanden. Du vil se at spenningen som solcellen gir ut kan variere litt, la derfor solcellen stå i noen sekunder og les av passende verdi før du fyller inn i tabellen. Tegn opp strøm spenningskarakteristikken for solcellen. Bruk kurven til å estimere solcellens kortslutningsstrøm og spenning ved åpne klemmer. Finn også effekten som funksjon av spenning. For hvilken belastning produserer solcellen størst effekt? Reduser lysstyrken slik at spenningen ved 100 Ω belastning er omtrent halvparten enn det den var ved full lysstyrke. Behold lystyrken på dette nivået og lag tilsvarende tabell som du gjorde ved full lysstyrke. Forklar hvorfor I-V karakteristikken nå begynner å falle ved en høyere motstandsverdi. Hva gjør dette med effektkarateristikken P(R). 2. Strøm-spenningskarakteristikk ved parallellkobling av solceller Bruk samme motstandsverdier som i oppgave 1. Koble to solceller i parallell til å forsyne samme belastning som brukt i oppgave 1. Lag ny tilsvarende tabell som du brukte i oppgave 1. La lysstyrken igjen være maksimal. Tegn opp strøm spenningskarakteristikken for solcellen. Bruk kurven til å estimere de parallellkoblede solcellenes kortslutningsstrøm og spenning ved åpne klemmer. Finn også effekten som funksjon av spenning. For hvilken belastning produserer solcellen størst effekt? Sammenlign resultatene med målingene i oppgave 1 og kommenter. Hva kan årsaker være til at levert strøm fra solcellene ikke har doblet seg i forhold til oppgave 1? 3. Strøm-spenningskarakteristikk ved seriekobling av solceller Bruk samme motstandsverdier som i oppgave 1. Koble to solceller i serie til å forsyne samme belastning som brukt i oppgave 1. Lag ny tilsvarende tabell som du brukte i oppgave 1. La lysstyrken igjen være maksimal. Tegn opp strøm spenningskarakteristikken for solcellen. Finn også effekten som funksjon av spenning. For hvilken belastning produserer solcellen størst effekt? Sammenlign resultatene med målingene i oppgave 1 og kommenter. Forklar spesielt hvorfor belastning for maksimal effekt har flyttet seg. Forklar basert på målingene i punkt 1,2 og 3 hvorfor lasttilpasning kan være hensiktsmessig ved produksjon av elektrisitet fra solceller.