Φύλλο εργασίας Το φωτοβολταϊκό στοιχείο Στοιχεία ομάδας: Ονοματεπώνυμο Α.Μ. Ημερομηνία: Τμήμα:
Απαραίτητες Θεωρητικές Γνώσεις: Το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι μία διάταξη που μετατρέπει τη φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Αποτελείται από επεξεργασμένους ημιαγωγούς μικρού πάχους, τοποθετημένους σε επίπεδη επιφάνεια. Διάταξη: διάφορα υλικά και αντικείμενα συνδυασμένα μεταξύ τους για κάποιο σκοπό, συνήθως την εκτέλεση μίας εργασίας ή ενός πειράματος. Υλικό κατασκευής των ημιαγωγών αυτών είναι το πυρίτιο (χημικό σύμβολο: Si, από το Silicium), ένα χημικό στοιχείο που χρησιμοποιείται για την κατασκευή και των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (micro-chips) των ηλεκτρονικών υπολογιστών, καθώς και για την παραγωγή κεραμικών υλικών (όχι από πηλό!) και πολυμερών υλικών, όπως η γνωστή μας σιλικόνη. Το πυρίτιο υπάρχει σε αφθονία στο φλοιό της Γης και οι τεχνικές επεξεργασίας του είναι εξελιγμένες και φθηνές. Επίσης, τα τελευταία χρόνια γίνονται προσπάθειες για κατασκευή φωτοβολταϊκών στοιχείων από άλλα υλικά, όπως ο άνθρακας και αναμένονται νέες εξελίξεις στον τομέα αυτό. Η πρώτη φωτοβολταϊκή διάταξη κατασκευάστηκε από τα Εργαστήρια Μπελ (Bell Laboratories) το 1954 στις Η.Π.Α. και από τότε έχει εξελιχθεί η διαδικασία παραγωγής τους, με αύξηση της απόδοσής τους και μείωση του κόστους παραγωγής τους. Την τελευταία δεκαετία έχει αυξηθεί η χρήση τους στην καθημερινή ζωή και είναι από τις πιο εύχρηστες τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ημιαγωγός: κάθε υλικό, όπως το γερμάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερμοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός. Η ειδική αντίσταση των ημιαγωγών κυμαίνεται μεταξύ των αγωγών και των μονωτών. Πυρίτιο (Si) Διάφορα αντικείμενα κατασκευασμένα από πυρίτιο 2
Η λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, που ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Αλεξάντρ-Εντμόντ Μπεκερέλ (Alexandre-Edmond Becquerel, 1820-1891). Επίσης, το 1904 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (Albert Einstein) με την εργασία του για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (ένα φαινόμενο παραπλήσιο του φωτοβολταϊκού φαινομένου), βοήθησε στην πληρέστερη ερμηνεία του φωτοβολταϊκού φαινομένου (για αυτήν την εργασία, βραβεύτηκε με βραβείο Nobel το 1921). Αλεξάντρ-Εντμόντ Μπεκερέλ Άλμπερτ Αϊνστάιν Τί συμβαίνει στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο; Το ηλιακό φως αποτελείται από μικρά πακέτα ενέργειας, τα φωτόνια. Όταν κάποια υλικά δεχθούν φωτεινή ενέργεια με τη μορφή φωτονίων (σημείο 1), τότε ένα μέρος της ενέργειας αυτής «απορροφάται» από το σώμα και προκαλεί αύξηση της κινητικότητας των ηλεκτρονίων του σώματος και «αλλαγή» της θέσης τους (σημεία 2, 3). Αυτή η «μετακίνηση» ηλεκτρονίων, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού ανάμεσα σε δύο σημεία του σώματος που δέχθηκε τη φωτεινή ενέργεια, έχουμε δηλαδή δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος (σημείο 4). Τα φωτόνια περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας, ανάλογα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Το γαλάζιο χρώμα ή το υπεριώδες π.χ. έχουν περισσότερη ενέργεια από το κόκκινο ή το υπέρυθρο. Αριστερά: μία απλουστευμένη γραφική αναπαράσταση του φωτοβολταϊκού φαινομένου. 3
Αυτή είναι και η αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Πιο συγκεκριμένα, στο φωτοβολταϊκό στοιχείο η «κίνηση» των ηλεκτρονίων συντελείται από την περιοχή «p» (σημείο 2) στην περιοχή «n» (σημείο 3). Και οι δύο αυτές περιοχές αποτελούνται από πυρίτιο, με τη διαφορά ότι η περιοχή «p» μπορεί να «παρέχει» εύκολα ηλεκτρόνια και η περιοχή «n» να «δέχεται» εύκολα ηλεκτρόνια. Όταν υπάρξει χρήση του ηλεκτρικού ρεύματος που παράχθηκε στο φωτοβολταϊκό στοιχείο ή όταν διακοπεί η παροχή φωτός σε αυτό, τότε τα ηλεκτρόνιά αποκτούν την αρχική τους θέση και κινητικότητα. 4
Χρήση του φωτοβολταϊκού στοιχείου και πειραματισμός με τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοσή του. Ερώτηση (Πρόβλεψη): Ποιοί παράγοντες πιστεύετε ότι επηρεάζουν την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου; Σε κάθε παράγοντα, να αναφέρετε και την αιτιολόγηση. Απάντηση της ομάδας: Στις παρακάτω δραστηριότητες θα χρησιμοποιήσετε ένα μικρό φωτοβολταϊκό στοιχείο, ένα ψηφιακό πολύμετρο κι ένα φωτιστικό σώμα εργαστηριακών ασκήσεων. 5
Δραστηριότητα Α: Με τη λάμπα κλειστή, τοποθετείτε το φωτοβολταϊκό στοιχείο σε απόσταση 20 cm από αυτήν (δεν ξεχνάμε ότι το δεν πρέπει να πλησιάσει ποτέ τη λάμπα σε απόσταση μικρότερη των 20 cm, επειδή θα υποστεί ζημιά!). Με το ψηφιακό πολύμετρο θα μετρήσετε την αρχική τάση και την αρχική ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Για τη μέτρηση της τάσης, θέτετε το πολύμετρο στη θέση V 20V και για την ένταση στη θέση A 200mΑ. Το κόκκινο ηλεκτρόδιο θα συνδεθεί στη θέση «VΩmA» και το μαύρο ηλεκτρόδιο στη θέση «COM». Για να πάρετε τις μετρήσεις, ακουμπάτε τις άκρες των ηλεκτροδίων στις στρογγυλές υποδοχές του φωτοβολταϊκού στοιχείου με τα αντίστοιχα χρώματα (το κόκκινο χρώμα αντιστοιχεί στη θετική τάση και το μαύρο χρώμα στην αρνητική τάση συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος). Ανάβετε τη λάμπα και με τις ίδιες ρυθμίσεις στo πολύμετρο, μετράτε την τάση και ένταση του παραγόμενου ρεύματος για τρεις διαφορετικές γωνίες του φωτοβολταϊκού στοιχείου, σε σχέση με την πηγή φωτός. Δεν θα μεταβάλλετε την κλίση του φωτιστικού σώματος, αλλά την κλίση του φωτοβολταϊκού στοιχείου ως προς το επίπεδο επάνω στο οποίο βρίσκεται. Ηλεκτρικό ρεύμα είναι η προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρικών φορτίων ή φορέων ηλεκτρικού φορτίου, κατά μήκος ενός ηλεκτροφόρου αγωγού. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (σύμβολο: I) είναι ένα μέγεθος που εκφράζει την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου που περνάει μέσα από έναν αγωγό σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Μονάδα μέτρησης της έντασης είναι το Α (Αμπέρ, Ampere). Η τάση ηλεκτρικού ρεύματος ή διαφορά δυναμικού (σύμβολο: V), είναι ένα μέγεθος που δείχνει την ενέργεια που μπορεί να δώσει μία πηγή ώστε να κινηθεί ηλεκτρικό φορτίο μεταξύ δύο σημείων ενός αγωγού. Μονάδα μέτρησης είναι το V (Βολτ, Volt). Μέτρηση Γωνία δοκιμής V (Volt) I (Ampere) 1η - 2η 0 o 3η 45 o 4η 90 o Συμπέρασμα: Σε ποια κλίση του φωτοβολταϊκού στοιχείου, έχουμε την καλύτερη απόδοση; 6
Δραστηριότητα Β: Χωρίς να αλλάξετε κάτι στη διάταξη του προηγούμενου πειράματος, θα μετρήσετε την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου ως προς τη μεταβολή της ποσότητας του φωτός που φτάνει στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Καταγράφετε την πρώτη μέτρηση τάσης και έντασης. Για τη δεύτερη μέτρηση, καλύπτετε με το χαρτόνι του πειράματος περίπου το 50% του ανοίγματος του μεταλλικού πλαισίου του φωτιστικού σώματος. Στην τρίτη μέτρηση θα καλύψετε το 75% του ανοίγματος του μεταλλικού πλαισίου. Στην τέταρτη μέτρηση θα το καλύψετε πλήρως. Μέτρηση Ποσοστό κάλυψης ανοίγματος μεταλλικού πλαισίου Ποσότητα φωτός δοκιμής V (Volt) I(Ampere) 1 η 0% 100% 2 η 50% 50% 3 η 75% 25% 4η 100% 0% Συμπέρασμα: Η μεταβολή του ποσοστού κάλυψης του ανοίγματος του μεταλλικού πλαισίου του φωτιστικού, επηρεάζει ανάλογα ή αντιστρόφως ανάλογα την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου; Αιτιολογήστε την απάντησή σας. 7
Δραστηριότητα Γ: Σε αυτήν την άσκηση θα μετρήσετε την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου ως προς τη μεταβολή της απόστασής του από την πηγή του φωτός. Διατηρείτε την πειραματική διάταξη της προηγούμενης άσκησης και παίρνετε την πρώτη μέτρηση. Για τη δεύτερη μέτρηση, αυξάνετε την απόσταση ανάμεσα στο φωτιστικό σώμα και το φωτοβολταϊκό στοιχείο στα 25 cm. Για την τρίτη μέτρηση στα 28 cm. Για την τέταρτη μέτρηση στα 30 cm. Μέτρηση Απόσταση δοκιμής V (Volt) I (Ampere) 1 η 20 cm 2 η 25 cm 3 η 28 cm 4η 30 cm Συμπέρασμα: Η μεταβολή της απόστασης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από την πηγή του φωτός, επηρεάζει ανάλογα ή αντιστρόφως ανάλογα την απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου; Αιτιολογήστε την απάντησή σας. 8
Ερώτηση: Έστω ότι σε ένα σπίτι υπάρχει ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο τοποθετημένο στην οροφή και ο ιδιοκτήτης του θέλει να βελτιώσει την απόδοσή του. Τί θα του προτείνατε να κάνει για να το πετύχει αυτό; Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας! 9