background image

 

Politechnika                       Białostocka 

 

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska 

Katedra Ciepłownictwa 

 
 
 
 
 

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 

 
 

Temat ćwiczenia: Badanie zależności energii generowanej 

w panelach fotowoltaicznych od natężenia  

promieniowania słonecznego 

 
 
 

Ć

wiczenie nr 10 

 
 
 

Laboratorium z przedmiotu: 

„Alternatywne źródła energii” 

 
 
 
 

Kod: ŚC3066 

 
 
 

Opracowała: 

mgr inż. Anna Demianiuk 

 
 

luty 2015 

 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

1.

 

Cel ćwiczenia laboratoryjnego 

Celem  tego  ćwiczenia  jest  określenie  wydajności  pracy  paneli  słonecznych, 

w zależności  od  promieniowania  słonecznego,  w  przypadku  stałego  obciążenia,  którego 
wartość nie jest równa maksymalnemu punktowi pracy (P

max

). 

2.

 

Podstawy teoretyczne.  

2.1.

 

Początki technologii fotowoltaicznej  

Efekt  fotowoltaiczny  jest  to  zjawisko  wytworzenia  się  potencjału  elektrycznego 

między dwoma elementami z podobnych materiałów w wyniku bezpośredniego działania na 
miejsce  ich  połączenia  fotonami.  Ogniwa  fotowoltaiczne  przetwarzają  w  ten  sposób  światło 
bezpośrednio  na  energię  elektryczną.  Efekt  PV  został  odkryty  w  1839 roku  przez 
francuskiego  fizyka  Becquerela.  Pierwsze  komercyjne  zastosowanie  odkrycia  zaryzykowało 
Bell Laboratories, które w 1954 roku wyprodukowało pierwsze krzemowe ogniwo słoneczne. 
Rozwiązanie to wkrótce znalazło zastosowanie w programach kosmicznych USA ze względu 
na  swoją  wysoką  wydajność  wytwarzania  energii  odniesioną  do  jednostki  masy.  Od  tego 
czasu stało się ważnym źródłem energii dla satelitów. 

2.2.

 

Podstawowe wielkości i jednostki 

symbol  znaczenie 

jednostka 

    I 

natężenie prądu 

  A 

    I

sc

 

prąd zwarcia 

  A  

    V 

napięcie prądu (różnica potencjałów) 

  V 

    V

oc

 

napięcie jałowe (ogniwa otwartego) 

  V 

    P

max

 

moc maksymalna ogniwa 

  W 

    E 

 natężenie promieniowania (w programie – Wr) 

  W/m

2

 

    S 

pole powierzchni ogniwa 

  m

2

 

    R 

rezystancja 

  Ω 

2.3.

 

Budowa i zasada działania ogniwa fotowoltaicznego 

 

Rys. 1. Schemat układu z ogniwem fotowoltaicznym 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

Fizyka ogniwa fotowoltaicznego jest podobna do tej obowiązującej w klasycznym złączu 

p-n  (złącze  dwóch  półprzewodników  o  różnych  typach  przewodnictwa  –  p  i  n).  Złącze  to 
absorbuje  padające  na  nie  promieniowanie  (fotony),  a  pochłonięta  energia  zostaje 
przeniesiona  na  nośniki  ładunku  w  materiale  złącza.  Nośnikami  tymi  mogą  być  pary: 
elektron-jon  w  wodnych  roztworach  elektrolitów  lub  elektron-dziura  w  półprzewodnikach 
stałych.  Nośniki  ładunków  znajdujące  się  w  rejonie  złącza  wytwarzają  różnicę  potencjałów, 
zostają  przyspieszone  w  polu  elektrycznym  i  krążą  jako  prąd  w  obwodzie  zewnętrznym. 
Iloczyn  kwadratu  natężenia  prądu  i  rezystancji  obwodu  wyraża  moc  przetworzoną  na  prąd 
elektryczny.  Pozostała  energia  fotonu  powoduje  wzrost  temperatury  ogniwa.  Podstawą 
wytworzenia  potencjału  fotowoltaicznego  jest  różnica  potencjałów  chemicznych  elektronów 
w  dwóch  różnych,  oddzielonych  materiałach,  Różnica  ta  jest  określana  mianem  poziomu 
Fermiego.  Gdy  materiały  te  zostaną  połączone,  złącze  dąży  do  ustalenia  nowej  równowagi 
termodynamicznej. Taka równowaga może być osiągnięta tylko wtedy, gdy poziom Fermiego 
jest  równy  w  obu  materiałach.  Dzieje  się  tak  dzięki  przepływowi  elektronów  od  jednego 
materiału  do  drugiego,  do  czasu  gdy  różnica  potencjałów  tych  materiałów  zrówna  się 
z początkową  wartością  poziomu  Fermiego.  Ta  różnica  potencjałów  jest  źródłem  prądu 
powstającego z przetworzenia energii fotonu. 

3.

 

Metodyka badań 

3.1.

 

Budowa stanowiska 

 

Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: 1-kolektory słoneczne fotowoltaiczne z symulatorem 

oświetlenia słonecznego, 2- jednostka sterująca, 3- komputer

 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

  

Rys. 3. Schemat kolektorów słonecznych fotowoltaicznych

 

 

3.2.

 

Metodyka pomiarów 

 

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy upewnić się, że pokrętło obciążenia 

DC  ustawione  jest  w  pozycji  maksymalnego  oporu  (pozycja  100%).  Następnie  wykonać 
kolejne czynności: 

1)

 

Ustawić przełącznik obciążenia DC w pozycję 2. 

2)

 

Odłączyć  lampy  DC,  które  są  połączone  równolegle  z  regulatorem  obciążenia  (dolne 
położenie przełącznika). 

3)

 

Włączyć jednostkę sterującą oraz komputer a następnie uruchomić program 

4)

 

Ustawić przełącznik AFTER/BEFORE w pozycji BEFORE 

5)

 

Zmienić ustawienie regulatora obciążenia do około 50 % R. 

6)

 

Pozostawiając panele w połączeniu równoległym, podłączyć PANEL-1. 

7)

 

Uruchomić chłodzenie paneli włączając przycisk VENT. 

8)

 

Ustawić  suwak  SUN-2  w  pozycji  maksymalnej,  uzyskując  w  ten  sposób  największe 
możliwe promieniowanie 

9)

 

Wykonać  5  odczytów  wartości  zmierzonych  przez  czujniki  parametrów:  natężenia  
DC-1, napięcia DC-2 i promieniowania SRL w minutowych odstępach . 

10)

 

Zmniejszyć promieniowanie przesuwając suwak SUN-2 w dół. 

11)

 

Wykonać  kolejne  dwa  odczyty  natężenia  i  napięcia  prądu  oraz  natężenia 

promieniowania. 

W celu otrzymania wartości parametrów dla panelu 2, należy wykonać kroki od 6 do 8 

pracując z przełącznikami SUN-1 oraz PANEL-2. 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów dla obciążenia: R=0.5R

max

 

SUN-
1+SUN-

PANEL-1 

PANEL-2 

SLR 

SLR 

[A] 

[V] 

[W/m

2

[A] 

[V] 

[W/m

2

max 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

min 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OFF 

 

 

 

 

 

 

 

Imię i nazwisko studenta: 

 

Data wykonania ćwiczenia: 

 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

3.3.

 

Analiza wyników 

1)

 

Dla otrzymanych wyników obliczyć wartości generowanej mocy korzystając poniższej 
zależności: 

P

U I

= ⋅

 

(1) 

2)

 

Dla  każdego  panelu  narysować  wykres  P-Wr  (generowana  moc  w  funkcji  natężenia 
padającego promieniowania). 

3)

 

Parametry paneli słonecznych podawane przez producenta zmierzone w następujących 
warunkach: promieniowanie 0,8 kW/m

2

, temperatura otoczenia 20˚C, prędkość wiatru 

1 m/s, podane są w poniższej tabeli: 

Tabela 2. Parametry modułów PV (promieniowanie 0,8 kW/m2, Tot = 

20˚C, wiatru = 1 m/s)

 

Właściwości elektryczne 

                               A-66P 

Moc (W w teście ± 8%) 

66   W 

Liczba ogniw w szeregu 

36   

Prąd w maksymalnym punkcie pracy (Imp) 

3,70   A 

Napięcie w maksymalnym punkcie pracy (Vmp) 

17,80   V 

Otwarty obwód napięcia (Voc) 

22,25   V 

Prąd zwarcia (Isc) 

4,05   A 

Współczynnik temperaturowy dla Isc (

α

1,15   mA/˚C 

Współczynnik temperaturowy dla Voc (

β

-76,32   mA/˚C 

Maksymalne napięcie w układzie 

1000   V 

Charakterystyka fizyczna 

   

Wymiary (wys. × szer. × gr.) 

778×659×35  mm 

Masa (w przybliżeniu)  

6,20  kg 

4)

 

Znając parametry producenta, na podstawie otrzymanych wyników należy wyznaczyć 
sprawność  każdego  panelu  przy  maksymalnym  promieniowaniu  i  stałym  obciążeniu, 
korzystając z poniższych wzorów: 

η =

nom

P / P

1

1

1

 

η =

nom

P / P

2

2

2

 

5)

 

Określić  maksymalną  wydajność  w  konwersji  fotowoltaicznej  obu  paneli 
uwzględniając ich wymiary geometryczne. 

η =

f

max

max

P

/ Wr

1

1

 

η =

f

max

max

P

/ Wr

1

2

 

6)

 

Sformułować wnioski 

background image

Politechnika Białostocka 

 

 Ćwiczenie nr 10 

Katedra Ciepłownictwa 

            Badanie zależności energii generowanej w panelach 

  fotowoltaicznych od natężenia promieniowania słonecznego 

 

 

4.

 

Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać następujące informacje: 

1)

 

Skład  osobowy  grupy  oraz  podpisy,  nazwę  kierunku  studiów,  laboratorium  i  tytuł 
ć

wiczenia, datę wykonania ćwiczenia, 

2)

 

Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem: 

a)

 

cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, 

b)

 

niezbędne związki teoretyczne, 

c)

 

opis rzeczywistego stanowiska badawczego, 

d)

 

przebieg realizacji eksperymentu, 

e)

 

wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień, 

f)

 

wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym), 

g)

 

zestawienie i analiza wyników badań. 

3)

 

Analiza dokładności pomiarów. 

4)

 

Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków. 

5)

 

Zestawienie załączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.). 

5.

 

Wymagania BHP 

Do  wykonania  ćwiczeń  dopuszczeni  są  studenci,  którzy  zostali  przeszkoleni 

(na pierwszych  zajęciach)  w  zakresie  szczegółowych  przepisów  BHP  obowiązujących 
w laboratorium. 

W  trakcie  wykonywania  ćwiczeń  obowiązuje  ścisłe  przestrzeganie  przepisów 

porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego. 

Wszystkie  czynności  związane  z  uruchamianiem  urządzeń  elektrycznych  należy 

wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia. 

Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach elektrycznych 

bez polecenia prowadzącego. 

5.1.

 

Ostrzeżenia i środki ostrożności 

1)

 

Należy 

unikać 

bezpośredniego 

kontaktu 

wzrokowego 

panelem 

lamp 

ultrafioletowych, a gdy zaistnieje taka potrzeba stosować okulary ochronne. 

2)

 

Nie  należy  dotykać  lamp  ani  paneli  fotowoltaicznych  podczas  pracy  z  urządzeniem 
z uwagi na wysoką temperaturę ich pracy. 

3)

 

Urządzenie  działa  przy  stosunkowo  wysokich  napięć  i  prądów  niebezpiecznych  dla 
ludzi w przypadku bezpośredniego kontaktu.  

6.

 

Literatura 

1)

 

Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, ARKADY, Warszawa 2011 

2)

 

Gronowicz J.: Niekonwencjonalne źródła energii. Radom, 2011 

3)

 

Aldo Vieira da Rosa: Fundamentals of renewable energy processes. Amsterdam, 2009  

4)

 

Foit  H.:  Zastosowanie  odnawialnych  źródeł  ciepła  w  ogrzewnictwie  i  wentylacji. 
Gliwice, 2011