ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΑ ΕΝΩΣΗ ΥΠΕΥΘΥΝΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΚΕΝΤΡΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ - «ΠΑΝΕΚΦE» 1ο και 2ο ΕΚΦΕ Ηρακλείου ΤΟΠΙΚΟΣ ΠΡΟΚΡΙΜΑΤΙΚΟΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΟΣ ΕΥΡΩΠΑΪΚΗΣ ΟΛΥΜΠΙΑΔΑΣ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ - EUSO 2014 Σάββατο 7 Δεκεμβρίου 2013 Εξέταση στη Φυσική (Διάρκεια Εξέτασης 1 ώρα) ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΜΑΘΗΤΩΝ 1)... 2)... 3)... ΣΧΟΛΕΙΟ Επιστημονική Επιτροπή: Βασίλης Γαργανουράκης (Φυσικός) Ιωάννης Καραδάμογλου (Φυσικός)
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 2 / 9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα Φωτοβολταϊκά κύτταρα ή ΦΒ κύτταρα (αγγλικά: PhotoVoltaic cells ή PV cells) είναι συσκευές που επιτρέπουν την μετατροπή της ενέργειας του φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν το φως προσπίπτει στο ΦΒ κύτταρο παρέχει ενέργεια στα ηλεκτρόνια του κυττάρου αναγκάζοντας τα να κινηθούν, προκαλώντας έτσι συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα μικρής έντασης. Έτσι το κύτταρο παίζει το ρόλο ηλεκτρικής πηγής με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από παράγοντες όπως π.χ. το υλικό κατασκευής, τη θερμοκρασία του, τη φύση και την ποσότητα του προσπίπτοντος φωτός κ.α. Στις εφαρμογές που απαιτούν ρεύμα μεγαλύτερης έντασης, πολλά ΦΒ κύτταρα ενώνονται με κατάλληλο τρόπο σχηματίζοντας ΦΒ συστοιχίες (αγγλικά: Solar panels). Σε αυτό το πείραμα θα μελετήσουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός ΦΒ κυττάρου και πως αυτά επηρεάζονται από κάποιους από τους παραπάνω παράγοντες. ΟΡΓΑΝΑ - ΥΛΙΚΑ 1. Ένα ΦΒ κύτταρο με ονομαστικά χαρακτηριστικά 5,5 volt και 0,35 Watt 2. Λάμπα αλογόνου MR16 (με κάτοπτρο) με ονομαστικά χαρακτηριστικά 12 volt και 35 Watt 3. Δύο πολύμετρα εργαστηρίου 4. Μεταβλητή αντίσταση 1KΩ 5. Τροφοδοτικό μεταβαλλόμενης συνεχούς τάσης από 0 έως 20V 6. Καλώδια με άκρες κροκοδειλάκια και μπανάνες 7. Ορθοστάτης και λαβίδες 8. Χάρακας και μοιρογνωμόνιο ΜΕΡΟΣ Α: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Στο πρώτο μέρος θα μετρήσουμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός ΦΒ κυττάρου τα οποία είναι απαραίτητα για τον προσδιορισμό της ισχύος που αποδίδει όταν φωτίζεται. Οι ποσότητες αυτές είναι: Τάση ανοικτού κυκλώματος Voc: είναι η τάση που εμφανίζεται στα άκρα του ΦΒ κυττάρου όταν οι πόλοι του δεν είναι συνδεδεμένοι σε ηλεκτρικό κύκλωμα, οπότε και το ρεύμα που το διαρρέει είναι μηδενικό (I=0) Ρεύμα βραχυκυκλώματος Isc: είναι το ρεύμα που διαρρέει το φωτοβολταϊκό κύτταρο όταν συνδέσουμε τους πόλους του ΦΒ μεταξύ τους, οπότε το ρεύμα παίρνει την μέγιστη τιμή. Η μέγιστη δυνατή ισχύς Pmp: είναι η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδώσει το ΦΒ. Η μέγιστη ισχύς Pmp επιτυγχάνεται όταν στους πόλους του ΦΒ κυττάρου συνδεθεί αντίσταση κατάλληλης τιμής Rmp. Η τάση και το ρεύμα που αποδίδει το ΦΒ τότε συμβολίζονται ως Vmp και Imp αντίστοιχα. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 3 / 9 1. Κατασκευή διάταξης. Στον ορθοστάτη υπάρχουν δύο οριζόντιες (παράλληλες προς το τραπέζι) ράβδοι στήριξης. Στη λαβίδα στο άκρο της πάνω ράβδου είναι στηριγμένη η λάμπα όπως φαίνεται στο σχήμα. Στο άκρο της κάτω ράβδου είναι στηριγμένο οριζόντια το ΦΒ κύτταρο ώστε η επιφάνεια του να είναι παράλληλη με το τραπέζι. Η απόσταση του κάτω άκρου της λάμπας πρέπει να είναι 20cm από την επιφάνεια του ΦΒ κύτταρου. Επίσης η λάμπα πρέπει να κατευθύνεται κάθετα προς την επιφάνεια του ΦΒ κυττάρου. Στο τροφοδοτικό μεταβλητής συνεχούς τάσης, βεβαιωθείτε ότι o κεντρικός διακόπτης Δ1 είναι κλειστός (κόκκινη λυχνία σβηστή) και ο περιστροφικός διακόπτης Δ2 στην ελάχιστη τιμή του (γυρισμένος τέρμα αριστερόστροφα). 2. Σύνδεση της λάμπας και μέτρηση των Voc και Isc. Συνδέστε προσεκτικά τους ακροδέκτες μπανάνας της λάμπας με την έξοδο μεταβαλλόμενης τάσης από 0 έως 20 Volt. Ανοίξτε τον κεντρικό διακόπτη λειτουργίας Δ1 και γυρίστε αργά τον περιστροφικό διακόπτη ρύθμισης τάσης Δ2 έως ότου η ένδειξη στο καντράν πάει στα 12Volt. Βεβαιωθείτε ότι η δέσμη της λάμπας καλύπτει όλη την επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Προσοχή: Οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται στην λάμπα (και στη λαβίδα) είναι πολύ υψηλές και υπάρχει κίνδυνος εγκαύματος. Συνδέστε κατάλληλα τους ακροδέκτες του ΦΒ κυττάρου με το ένα πολύμετρο (βλέπε εικόνα) για να μετρήσετε το Isc. Χαλαρώστε τη βίδα που συγκρατεί την κάτω ράβδο και με μικρές κινήσεις της ράβδου (αριστερά - δεξιά και μέσα-έξω), βεβαιωθείτε ότι το Isc που θα καταγράψετε είναι το μέγιστο δυνατό. Προσοχή: Η απόσταση λάμπας ΦΒ κυττάρου να παραμείνει 20cm και η επιφάνεια του ΦΒ κυττάρου κάθετη στις φωτεινές ακτίνες. Σταθεροποιήστε το ΦΒ στη βέλτιστη θέση σφίγγοντας ξανά τη βίδα. Isc (ρεύμα βραχυκυκλώματος) =... ma
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 4 / 9 Κρατώντας τη θέση του ΦΒ σταθερή, συνδέστε κατάλληλα τους ακροδέκτες του ΦΒ κυττάρου με το πολύμετρο για να μετρήσετε το Voc. Voc (τάση ανοικτού κυκλώματος) =... Volt Γυρίστε αργά τον περιστροφικό διακόπτη ρύθμισης τάσης Δ2 έως ότου η ένδειξη στο καντράν πάει στα 0Volt. Συμπληρώστε τις τιμές των Isc και Voc στον Πίνακα 1 (σελίδα 6). 3. Λήψη καμπύλης I-V Χρησιμοποιώντας το ΦΒ κύτταρο ως πηγή, κατασκευάστε το κύκλωμα της διπλανής εικόνας. Για τη σύνδεση της μεταβλητής αντίστασης χρησιμοποιήστε τις πρώτες 2 επαφές της. Βεβαιωθείτε ότι αρχικά η μεταβλητή αντίσταση έχει τη μικρότερη δυνατή τιμή περιστρέφοντας τον διακόπτη αριστερόστροφα έως το τέρμα. Καλέστε τον καθηγητή να ελέγξει το κύκλωμα σας Ανάψτε τη λάμπα γυρίζοντας αργά τον περιστροφικό διακόπτη ρύθμισης τάσης Δ2 έως ότου η ένδειξη στο καντράν πάει στα 12Volt. Περιστρέψτε αργά τη μεταβλητή αντίσταση δεξιόστροφα ώστε να πετύχετε στο βολτόμετρο ένδειξη ίση με 1V που αναγράφεται στον Πίνακα 1 και καταγράψτε στη δεύτερη γραμμή την αντίστοιχη ένδειξη έντασης του αμπερομέτρου. Προσοχή: Λόγο κατασκευής της μεταβλητής αντίστασης, είναι δύσκολο να πετύχετε στο βολτόμετρο ακριβώς τις πρώτες αναγραφόμενες τιμές τάσης. Μπορείτε για αυτές τις τιμές να δεχτείτε και τιμές που αποκλίνουν ±0,1V από τις αναγραφόμενες (χωρίς απώλεια ακρίβειας). Στη συνέχεια μεταβάλετε την μεταβλητή αντίσταση ώστε να πάρετε όλες τις τιμές τάσης της πρώτης γραμμής και καταγράψτε τις αντίστοιχες ενδείξεις έντασης. Αφού ολοκληρώσετε τις μετρήσεις, γυρίστε αργά τον περιστροφικό διακόπτη Δ2 έως ότου η ένδειξη στο καντράν πάει από στα 0 Volt και κλείστε τον κεντρικό διακόπτη λειτουργίας Δ1.
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 5 / 9 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Τάση (V) 0 1 2 3 4 4,5 5 5,5 5,6 5,7 5,8 Voc=... Ένταση (ma) Ισχύς (mw) Isc=... 0 4. Για κάθε ζεύγος τιμών τάσης και έντασης ρεύματος του Πίνακα 1 υπολογίστε την ηλεκτρική ισχύ που αποδίδει το φωτοβολταϊκό και καταγράψτε την στην τρίτη γραμμή του Πίνακα 1. 5. Με βάση τις τιμές στον Πίνακα 1 σχεδιάστε τη γραφική παράσταση Ισχύος (mw) - Τάσης (V) στο παρακάτω Γράφημα 1. ΓΡΑΦΗΜΑ 1
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 6 / 9 6. Σύμφωνα με το Γράφημα 1, η μέγιστη ισχύ που καταναλώνεται στη μεταβλητή αντίσταση είναι Pmp=... και οι αντίστοιχες τιμές τάσης Vmp=... και έντασης Imp=... 7. Εάν η ισχύς του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου είναι Pφωτός = 1000 W/m 2 να υπολογίσετε τη μέγιστη επί τοις εκατό απόδοση του κυττάρου, α =...
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 7 / 9 ΜΕΡΟΣ Β: ΣΧΕΣΗ ΑΠΟΔΟΣΗΣ - ΓΩΝΙΑΣ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ ΦΩΤΟΣ Μία ΦΒ συστοιχία επιτυγχάνει τη μέγιστη απόδοση όταν οι ακτίνες του ηλίου προσπίπτουν κάθετα στην επιφάνεια της. Η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων μεταβάλλεται ανάλογα τον τόπο και την εποχή προκαλώντας έτσι μεταβολές στην απόδοση των ΦΒ συστοιχιών. Στο πείραμα που ακολουθεί θα μελετήσουμε ποια είναι η μέγιστη μεταβολή στην απόδοση μιας ΦΒ συστοιχίας σε ένα συγκεκριμένο τόπο κατά την διάρκεια του έτους. ΕΙΚΟΝΑ 1: Βέλτιστες κλίσεις ΦΒ συστοιχιών στην Κρήτη ανάλογα την εποχή ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 1. Για να επιτευχθεί η μέγιστη μέση απόδοση κατά τη διάρκεια ενός έτους, οι ΦΒ συστοιχίες τοποθετούνται με κλίση Θ που είναι ο μέσος όρων των κλίσεων για το θερινό και χειμερινό ηλιοστάσιο. Χρησιμοποιήστε την Εικόνα 1 για να υπολογίσετε την κλίση Θ που πρέπει να τοποθετηθεί μία ΦΒ συστοιχία που βρίσκεται στην Κρήτη για να επιτευχθεί η μέγιστη μέση απόδοση κατά τη διάρκεια ενός έτους, Θ =... Ποια η διαφορά των κλίσεων για τη μέση μέγιστη απόδοση και του θερινού ηλιοστασίου; ΔΘ = Θ 10 ο =...
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 8 / 9 2. Κρατώντας το ίδιο κύκλωμα από το Μέρος Α, ανοίξτε τον κεντρικό διακόπτη λειτουργίας Δ1 και γυρίστε αργά τον περιστροφικό διακόπτη ρύθμισης τάσης Δ2 έως ότου η ένδειξη στο καντράν πάει στα 12Volt. Ρυθμίστε τη μεταβλητή αντίσταση έτσι ώστε η ένδειξη του βολτομέτρου να είναι Vmp (που υπολογίσατε στο βήμα 6 του Μέρους Α). Χαλαρώστε τη βίδα στήριξης της κάτω ράβδου. Με τη βοήθεια του μοιρογνωμονίου, περιστρέψτε (όπως φαίνεται στην εικόνα) το ΦΒ κύτταρο κατά γωνία ΔΘ (που υπολογίσατε στο προηγούμενο ερώτημα). Σταθεροποιήστε το ΦΒ σφίγγοντας ξανά τη βίδα. Η νέα ένδειξη του βολτομέτρου θα είναι V mp =... και του αμπερομέτρου I mp =... ενώ η νέα μέγιστη ισχύς P mp =... 3. Υπολογίστε την εκατοστιαία μεταβολή στη μέγιστη ισχύ λόγω της κλίσης ΔΘ, ΔP =...
Τοπικός Διαγωνισμός EUSO 2014 Ν. Ηρακλείου Εξέταση στη Φυσική σελίδα 9 / 9 ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Μέρος Άσκησης Μέγιστο Βαθμός Ομάδας Μέτρηση Voc και Isc 04 + 04 Κατασκευή κυκλώματος (Ερώτημα 3 Μέρους Α) 08 Λήψη και καταγραφή μετρήσεων (συμπλήρωση 2 ης γραμμής Πίνακα 1) 14 Υπολογισμός Ισχύος (συμπλήρωση 3 ης γραμμής Πίνακα 1) 06 Γραφική παράσταση τοποθέτηση φυσικών μεγεθών και μονάδων στους άξονες 05 Γραφική παράσταση τοποθέτηση πειραματικών τιμών στον άξονα 05 Γραφική παράσταση τοποθέτηση πειραματικών σημείων 05 Γραφική παράσταση χάραξη καμπύλης 05 Εύρεση Vmp, Imp 02 + 02 Υπολογισμός Pmp 04 Υπολογισμός απόδοσης α 08 Υπολογισμός γωνίας Θ 04 Υπολογισμός γωνίας ΔΘ 04 Μέτρηση V mp, I mp 04 + 04 Υπολογισμός P mp 04 Υπολογισμός ΔP 08 Σύνολο 100