1

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH

Badanie ogniw fotowoltaicznych

Laboratorium Energetyki Rozproszonej i Odnawialnych Źródeł Energii

(R-1)

Opracował: dr inż. Daniel Węcel

Sprawdził:

Zatwierdził: dr hab. inż. Leszek Remiorz

www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape

2

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie podstawowych charakterystyk pracy,

parametrów ogniwa (modułu) fotowoltaicznego oraz zbadanie zależności mocy

modułu od kąta nachylenia względem źródła światła.

Spis oznaczeń i skrótów

Ev natężenie oświetlenia (Illuminance) lux

G, natężenie promieniowania słonecznego (solar irradiance) W/m2

Gsc stała słoneczna (Solar constant) W/m2

Gd (Diffuse irradiance on a fixed plane) W/m2

G0 natężenie promieniowania słonecznego na powierzchni

ogniwa fotowoltaicznego

W/m2

H nasłonecznienie (napromieniowanie słoneczne) (solar

irradiation, insolation)

kWh/m2 (per day,

month, year)

h stała Plancka (4,135667662·10-15 eV·s) eV·s

IMPP natężenie prądu w punkcie mocy maksymalnej A

ISC natężenie prądu zwarcia A

Pmax moc maksymalna Wp (Wpeak)

tPV temperatura ogniwa fotowoltaicznego °C

tamb temperatura otoczenia °C

UMPP napięcie w punkcie mocy maksymalnej V

UOC napięcie maksymalne – obwodu otwartego V

α współczynnik temperaturowy natężenia prądu %ISC/°C

β współczynnik temperaturowy napięcia %UOC/°C

γ współczynnik temperaturowy mocy %Pmax/°C

λ długość fali nm

AM współczynnik optycznej masy powietrza (ang. Air Mass) -

DNI (Direct normal irradiance) W/m2

FF współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor) -

STC Standard Test Condition

3

2. Wprowadzenie teoretyczne

2.1. Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie słoneczne – strumień fal elektromagnetycznych i cząstek

elementarnych (fotonów) docierający ze Słońca do Ziemi. Energia fotonów E jest

powiązana z długością fali zależnością Plancka-Einsteina:

𝐸 =ℎ ∙ 𝑐

𝜆= ℎ ∙ 𝑓

h = 4,135667662·10-15 eV·s – stała Plancka , c – prędkośc światła, λ – długośc fali,

f - częstotliwość

Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic

atmosfery określone jest przez stałą słoneczną GSC. Wielkość ta jest zdefiniowana dla

średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m2. Natężenie

promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany

odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem (3 stycznia 1,47×108 km, 4 lipca 1,52×108 km)

w zakresie ±3,4% (odpowiednio 1420 i 1325 W/m2).

Widmo promieniowania słonecznego ponad górnymi warstwami atmosfery jest

zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze około 5800 K

opisywanego rozkładem Plancka. Ze względu na odbijanie, rozpraszanie i

pochłanianie części promieniowania przez gazy, widmo promieniowania

docierającego do powierzchni Ziemi jest zmienione co przedstawiono na rys. 1.

W spektrum promieniowania słonecznego wyróżniamy następujące zakresy:

Tabela 1

Pasmo Długość fali

[nm]

Energia

promieniowania

słonecznego [W/m2]

Udział energii w

całkowitym

promieniowaniu

słonecznym

Ultrafiolet (UV) <350 62 4.5%

Bliski ultrafiolet 350 – 400 57 4.2%

Widzialne 400 – 700 522 38.2%

Bliska podczerwień 700 – 1000 309 22.6%

Podczerwień >1000 417 30.5%

Stała słoneczna 1366,1

4

Rys. 1. Widmo promieniowania słonecznego

Współczynnik optycznej masy powietrza - Osłabienie natężenia promieniowania

zależy od drogi, którą przebywa ono w atmosferze. Określa je liczba masy powietrza

AM (ang. Air Mass; współczynnik optycznej masy powietrza). Jest to stosunek masy

atmosfery przez którą przechodzi promieniowanie, do masy atmosfery przez którą

przechodzi promieniowanie, gdy Słońce jest w zenicie. Definiowane jest również jako

stosunek długości drogi L pokonywanej przez wiązkę optyczna bezpośredniego

promieniowania słonecznego przechodzącego przez atmosferę do jej grubości D.

𝐴𝑀 =𝐿

𝐷≈

1

sin𝜓

5

Rys. 2. Sposób określania współczynnika optycznej masy powietrza

Rozkład widmowy wzorcowego natężenia promieniowania słonecznego jest

określany przy AM=1,5. Wartość wzorcowego natężenia promieniowania całkowitego

na powierzchni Ziemi wynosi GSTC = 1000 W/m2.

2.2. Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo) jest elementem półprzewodnikowym

ze złączem p-n, w którym zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. W wyniku absorpcji

energii promieniowania słonecznego w obszarze złącza p-n część elektronów

walencyjnych z atomów w sieci krystalicznej półprzewodnika zostaje wybita ze

swojego miejsca, czyli następuje tzw. generacja pary nośników elektron-dziura (dziura

oznacza brak elektronu).

Występujące w obszarze złącza pole elektryczne powoduje rozdzielenie nośników

w półprzewodniku (elektrony są transportowane w jednym kierunku, dziury w

przeciwnym) i pojawienie się napięcia na zaciskach ogniwa. Przyłączenie odbiornika

do ogniwa i zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ elektronów.

Powstające natężenie prądu jest proporcjonalne do natężenia promieniowania

słonecznego i powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.

6

Rys. 3. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa najczęściej wykonuje się z krzemu (monokrystalicznego,

polikrystalicznego lub amorficznego), półprzewodników z grupy 13 i 15 np. Ga (gal),

As (arsen) bądź w postaci cienkich warstw np. CdTe (tellurku kadmu) lub CIGS

(miedź, ind, gal, selen). Coraz częściej dostępne są także fotoogniwa organiczne, które

obecnie charakteryzują się niską wydajnością, ale także bardzo niskimi kosztami

wytwarzania.

Układ ogniw fotowoltaicznych połączonych ze sobą nazywamy baterią lub

modułem fotowoltaicznym (lub krócej: modułem PV).

2.3. Charakterystyka stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne służy do zapoznania się z zagadnieniami związanymi z

ogniwami fotowoltaicznymi.

Wyposażenie stanowiska 1:

• Moduł fotowoltaiczny monokrystaliczny 20 W (MH-20) (napięcie nominalne

układu U = 12 V) z możliwością regulacji kąta nachylenia - 1 szt.

7

Parametry modułu fotowoltaicznego MH-20* Tabela 2

Moc maksymalna Pmax (W) 20

Napięcie nominalne U (V) 12

Napięcie maksymalne – obwodu otwartego UOC (V) 21,6

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 17,5

Prąd zwarcia ISC (A) 1,3

Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 1,15

Wymiary 436 x 450 x 23 mm Waga 2,5 kg

* Dane dla warunków STC: 1000 W/m2, 25°C, AM 1.5

• Oświetlacz halogenowy o mocy 1kW z możliwością regulacji mocy natężenia

światła (QZ-1000) – 1 szt., oświetlacz halogenowy o mocy 500 W – 2 szt.

• Panel wyprowadzeń elektrycznych – 1 szt.

• Kątomierz elektroniczny – 1 szt.

• Multimetr – 2 szt.

• Termometr termoelektryczny

• Opornice suwakowe

Wyposażenie stanowiska 2:

• Moduł fotowoltaiczny amorficzny 3 W (napięcie nominalne układu U = 6 V) - 1

szt.

Parametry modułu fotowoltaicznego TPS-103 3W* Tabela 3

Moc maksymalna Pmax (W) 3

Napięcie nominalne U (V) 6

Napięcie maksymalne – obwodu otwartego UOC (V) 11

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 7,5

Prąd zwarcia ISC (A) 0,450

Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 0,428

Wymiary 467 x 161 x 19 mm Waga 1,07 kg

* Dane dla warunków: 1000W/m2, 25°C, AM 1.5

• Oświetlacz halogenowy o mocy 500 W – 2 szt., oświetlacz LED (matryca) – 50

W

• Panel wyprowadzeń elektrycznych – 1 szt.

• Amperomierz 0÷1,5 A – 1 szt., woltomierz 0÷10 V – 1 szt.

• Termometr termoelektryczny

8

• Opornica suwakowa – 332 Ω, 0,6 A

Wyposażenie stanowiska 3:

• Moduł fotowoltaiczny monokrystaliczny - 1 szt.

Parametry modułu fotowoltaicznego ………* Tabela 4

Moc maksymalna Pmax (W) 0,48

Napięcie maksymalne – obwodu otwartego UOC (V) 3,0

Napięcie w punkcie mocy maksymalnej Umpp (V) 2,4

Prąd zwarcia ISC (A) 0,245

Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp (A) 0,200

Wymiary 70 x 120 x 52 mm

* Dane dla warunków: 1000W/m2, 25°C, AM 1.5

• Oświetlacz halogenowy z układem skupiającym o mocy 150 W – 1 szt.

• Skrzynka pomiarowa z obciążeniem (amperomierz, woltomierz, obciążenie:

zestaw rezystorów, silnik, żarówka)

• Termometr termoelektryczny

• Opornica dekadowa

UWAGA:

1. Nie wolno zmieniać ustawień roboczych stanowiska bez instruktażu i

pozwolenia osoby prowadzącej zajęcia dydaktyczne.

2. Podczas wykonywania ćwiczeń należy zachować szczególną ostrożność, ze

względu na pracę z urządzeniami elektrycznymi.

3. Należy unikać oślepiania innych uczestników zajęć strumieniem światła

wytworzonym przez oświetlacz.

4. Obudowa oświetlacza nagrzewa się podczas pracy. Należy zachować

szczególną ostrożność podczas obsługi oświetlacza. Uwaga! Gorąca powierzchnia!

5. Regulacja natężenia oświetlenia jest dokonywana potencjometrem

umieszczonym na obudowie oświetlacza lub poprzez zmianę odległości pomiędzy

oświetlaczem, a modułem fotowoltaicznym.

9

3. Przebieg ćwiczenia

3.1. Przygotowanie stanowiska do pracy:

1. Należy sprawdzić poprawność wszystkich połączeń elektrycznych i

mechanicznych. W razie jakichkolwiek oznak niepoprawnego połączenia

elementów na stanowisku, należy zgłosić ten fakt osobie prowadzącej zajęcia.

2. Ustawić panel fotowoltaiczny i oświetlacz w odległości ok. 0,5 m.

3. Włączyć do sieci (230 V AC) przewód zasilający oświetlacz i przyrządy

pomiarowe.

4. Zmierzyć i zanotować w tabeli powierzchnię paneli fotowoltaicznych.

5. Ograniczyć oświetlenie potencjometrami, a następnie włączyć oświetlacz

włącznikiem głównym.

3.2. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej paneli PV

Celem ćwiczenia jest zbadanie pracy panelu fotowoltaicznego dla wybranych

wartości obciążenia przy ustalonej wartości natężenia oświetlenia.

1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru

natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem) w kilku miejscach na

powierzchni panelu fotowoltaicznego.

2. Zaczynając od maksymalnej wartości prądu płynącego przez obciążenie

wykonać 10-15 pomiarów wartości natężenia prądu I, napięcia U na

obciążeniu. Równocześnie mierzyć temperaturę t na tylnej ścianie panelu

fotowoltaicznego.

3. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 5.

Tabela 5

L.p.

Natężenie

oświetlenia

Ev [lux]

Temperatura

modułu PV

t [°C]

Natężenie

prądu

I’ [A]

Napięcie

U’ [V]

Moc

wydzielona

P [W]

Rezystancja

obciążenia

R [Ω]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

11

12

13

14

15

4. Dla rezystancji R=0 zmierzyć i zanotować natężenie prądu zwarcia Isc układu

paneli PV.

5. Dla rezystancji R=∞ zmierzyć i zanotować napięcie otwartego układu Uoc

panelu PV.

6. Skorygować zmierzone wartości natężenia prądu i napięcia ze względu na

zmianę temperatury panelu w stosunku do temperatury STC według

poniższych zależności:

𝐼 = 𝐼′ + 𝛼 ∙ (𝑇 − 𝑇′)

𝑈 = 𝑈′ − 𝑅𝑆 ∙ (𝐼 − 𝐼′) − 𝜅 ∙ 𝐼 ∙ (𝑇 − 𝑇′) + 𝛽 ∙ (𝑇 − 𝑇′)

gdzie:

I’, U’ – zmierzone wielkości

I, U – skorygowane wielkości

T’ – zmierzona temperatura panelu PV

T – temperatura STC

α – współczynnik temperaturowy natężenia prądu [%ISC/°C]

β – współczynnik temperaturowy napięcia [%UOC/°C]

RS – rezystancja szeregowa panelu PV

κ – współczynnik korekcyjny krzywej.

Tabela 6 Współczynniki

(GSTC = 1000 W/m2)

Ogniwa

monokrystaliczne

Ogniwa

polikrystaliczne

Ogniwa

amorficzne

α [%ISC/°C] 0,03 0,05 0,08

β [%UOC/°C] -0,33 -0,36 -0,4

RS [Ω] 0,3 0,4 8

κ [Ω/°C] 0,004 0,001 0

7. Obliczyć wartość wydzielonej mocy P i rezystancji R obciążenia.

𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 ; 𝑅 =𝑈′

𝐼′

8. Uzyskane wyniki obliczeń przedstawić na jednym wykresie w postaci

krzywych I = f(U) i P = f(U). Przykład charakterystyki przedstawia rys. 4.

11

9. Określić punkt mocy maksymalnej MPP (ang. Maximum Power Point), czyli

punkt na charakterystyce I-U, w którym panel produkuje najwięcej mocy

w danych warunkach oświetlenia i obciążenia.

Sposób określania punktu MPP przedstawia rys. 2. Należy odczytać wartości Impp i

Umpp dla punktu mocy maksymalnej i obliczyć wartość mocy maksymalnej PMAX.

Rys. 4. Wyznaczanie punktu mocy maksymalnej MPP

10. Wyznaczyć sprawność układu η, korzystając z zależności:

𝜂 =𝑈𝑚𝑝𝑝 ∙ 𝐼𝑚𝑝𝑝

𝐺0 ∙ 𝐴∙ 100

gdzie:

Impp [A] – prąd w punkcie mocy maksymalnej

Umpp [V] – napięcie w punkcie mocy maksymalnej

A [m2] – powierzchnia modułu PV

G0 [W/m2] – natężenie promieniowania (można obliczyć z przybliżonej zależności):

𝐺0 = 0,72 ∙ 𝐸𝑣0,625

11. Wyznaczyć współczynnik wypełnienia FF (Fill Factor), korzystając z

zależności:

𝐹𝐹 =𝑈𝑚𝑝𝑝 ∙ 𝐼𝑚𝑝𝑝

𝑈𝑂𝐶 ∙ 𝐼𝑆𝐶

Do obliczeń wykorzystać wartości prądów i napięć otrzymane z charakterystyk

badanego ogniwa fotowoltaicznego.

12. Podsumowanie wyników.

Tabela 7

12

A (m2) Isc (A) Uoc (V) Impp (A) Umpp (V) Pmax (W) η (%) FF ( - )

13. Pomiary można wykonać dla kilku wybranych wartości natężenia oświetlenia i

wykreślić rodzinę krzywych I=f(U). Przy opisywaniu krzywych podać

wartości natężenia oświetlenia Ev.

3.3. Wyznaczanie zależności mocy modułu PV od kąta

ustawienia α

Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności mocy panelu fotowoltaicznego od jego

kąta ustawienia względem źródła światła.

1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru

natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem).

2. Ustawić panele tak, aby kąt α wynosił 0.

3. Wybrać obciążenie odpowiadające w przybliżeniu ISC.

4. Zaczynając od wartości α = 0° zmieniać nachylenie o 5° stopni (ruch w górę, a

następnie w dół do pozycji 0°). Notować wartości natężenia prądu I i napięcia

U.

5. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 8.

6. Wykreślić charakterystyki I=f(cos α) oraz P=f(cos α).

Tabela 8

L.p. Kąt nachylenia

α [°]

Natężenie

oświetlenia

Ev [lux]

Natężenie prądu

I [A]

Napięcie

U [V]

Moc

P [W]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

13

12

13

14

15

3.4. Badanie modułu fotowoltaicznego przy częściowym

zacienieniu pojedynczego ogniwa

Celem ćwiczenia jest zbadanie pracy modułu fotowoltaicznego przy częściowym

zacieniu ogniw modułu i przy ustalonej wartości natężenia oświetlenia

1. Ustalić natężenie oświetlenia np. na wartość maksymalną. Dokonać pomiaru

natężenia oświetlenia miernikiem (luksomierzem).

2. Ustawić panele tak, aby kąt α wynosił 0.

3. Przysłonić kartką pojedyncze ogniwo modułu.

4. Zaczynając od maksymalnej wartości prądu płynącego przez obciążenie

wykonać 10-15 pomiarów wartości natężenia prądu I, napięcia U na

obciążeniu.

5. Zmierzone wartości umieścić w tabeli 9.

Tabela 9

L.p.

Natężenie

oświetlenia

Ev [lux]

Temperatura

modułu PV

t [°C]

Natężenie

prądu

I’ [A]

Napięcie

U’ [V]

Moc

wydzielona

P [W]

Rezystancja

obciążenia

R [Ω]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

14

6. Dla rezystancji R = 0 zmierzyć i zanotować natężenie prądu zwarcia Isc układu

paneli PV, a dla rezystancji R = ∞ zmierzyć i zanotować napięcie otwartego

układu Uoc panelu PV.

7. Uzyskane wyniki pomiarów przedstawić na jednym wykresie w postaci

krzywych I=f(U) i P=f(U).

8. Naszkicować sposób i miejsce zasłonięcia ogniwa fotowoltaicznego.

9. Pomiary można wykonać dla kilku sposobów przesłonięcia ogniwa –

zmieniając powierzchnię i/lub kształt przesłonięcia oraz rodzaj kartki np. biała

lub czarna. W trakcie pomiarów można wykonać pomiary temperatury ogniw

zacienionych i niezacienionych

4. Sprawozdanie.

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Stronę tytułową.

2. Wstęp teoretyczny dotyczący ogniw fotowoltaicznych

3. Schemat stanowiska pomiarowego wraz z zaznaczonymi miejscami

pomiaru określonych wielkości. Opis badanego ogniwa fotowoltaicznego

oraz przyrządów wykorzystanych podczas pomiarów.

4. Tabelę wyników pomiarowych i obliczeń oraz wzory używane do obliczeń.

5. Charakterystyki I=f(U) i P=f(U) wraz z zaznaczonymi charakterystycznymi

punktami.

6. Tabele z wyznaczonymi parametrami ogniwa: Isc, Uoc, Impp, Umpp, Pmax, η,

FF. Porównanie z danymi znamionowymi.

7. Uwagi i wnioski.

15

L.p.

Natężenie

oświetlenia

Ev [lux]

Temperatura

modułu PV

t [°C]

Natężenie

prądu

I’ [A]

Napięcie

U’ [V]

Moc

wydzielona

P [W]

Rezystancja

obciążenia

R [Ω]

Dane znamionowe badanego panelu PV: