ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Πειραματική Διάταξη Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιείται στην άσκηση φαίνεται στην φωτογραφία του σχήματος 1: Σχήμα 1 : Η πειραματική συσκευή για τη μελέτη της απόδοσης φωτοβολταϊκού στοιχείου Το φωτοβολταϊκό στοιχείο βρίσκεται μέσα σε αδιαφανές κουτί (sensor unit-su) ώστε να μην επηρρεάζεται από το φως του περιβάλλοντος. Στο ίδιο κουτί υπάρχουν 2 LEDs συνδεδεμένα σε σειρά τα οποία φωτίζουν το φωτοβολταϊκό στοιχείο, ένας αισθητήρας που μετρά την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας και ένας αισθητήρας θερμοκρασίας για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Το σύστημα του φωτοβολταϊκού περιστρέφεται ως προς τη φωτεινή πηγή με τη βοήθεια ενός σερβοκινητήρα, ο οποίος ελέγχεται από το χρήστη μέσω υπολογιστή. Η μονάδα τροφοδοσίας (PSU) παρέχει ηλεκτρικό ρεύμα στο σύστημα, η μονάδα επεξεργασίας (Processing Unit)-PU είναι υπέυθυνη για τη μέτρηση του ρεύματος και της τάσης στα άκρα του φωτοβολταϊκού στοιχείου καθώς μεταβάλλεται το φορτίο στα άκρα του μέσω ενός ψηφιακού ποτενσιόμετρου. Το απλουστευμένο σχεδιάγραμμα της λειτουργίας αυτής της μονάδας φαίνεται στο σχήμα 2. Τέλος, η μονάδα ελέγχου (CU ) είναι υπεύθυνη για την επικοινωνία του συστήματος με τον K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 1
υπολογιστή (μέσω USB): δέχεται εντολές από το χρήστη (μεταβολή του φορτίου στα άκρα του φωτοβολταϊκού, μεταβολή της έντασης των LEDs, στρέψη της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού σε σχέση με την φωτεινή πηγή) και αποστέλει τις μετρήσεις τάσης και έντασης ρεύματος στον υπολογιστή για περαιτέρω επεξεργασία. Σχήμα 2: Απλουστευμένο διάγραμμα της μονάδας επεξεργασίας 2. Πειραματική διαδικασία Στα επόμενα περιγράφονται αναλυτικά τα βήματα για την πειραματική μελέτη της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου. Πριν τη λήψη μετρήσεων είναι απαραίτητες οι προκαταρκτικές ρυθμίσεις του συστήματος οι οποίες γίνονται από τον υπεύθυνο του εργαστηρίου (Παράρτημα). 2.1) Χαρακτηριστικές καμπύλες Ι-V (έντασης τάσης) και P-V(ισχύοςτάσης) του φωτοβολταϊκού στοιχείου 1. Αρχικά δημιουργήστε ένα φάκελο με το όνομα ΑσκησηΦΒ_Ημέρα_Ωρα: π.χ ΑσκησηΦΒ_Δευτέρα_9-11 προκειμένου να αποθηκεύστε εκεί όλα τα αρχεία και τις γραφικές παραστάσεις των μετρήσεων σας 2. Επιλέξτε την καρτέλα Ι-V & P-V. (Επιλέγοντας αυτήν την καρτέλα το σύστημα στρέφεται έτσι ώστε τα LEDs που φωτίζουν το φωτοβολταϊκό να βρίσκονται κάθετα (σε γωνία 90 ο ) σε σχέση με την επιφάνεια του φωτοβολταϊκού). K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 2
3. Πάρτε 20 μετρήσεις τάσης-ρεύματος μεταβάλλοντας το φορτίο στα άκρα του φωτοβολταϊκού (κουμπί Load από 0% έως 100%). Οι μετρήσεις σας αναγράφονται στον αντίστοιχο πίνακα. (Χρησιμοποιώντας τα βελάκια του πληκτρολογίου μπορείτε να ανεβοκατέβετε στον πίνακα προκειμένου να δείτε τις μετρήσεις σας) 4. Καταγράψτε τις μετρήσεις σας σε αρχείο (κουμπί Save) 5. Κάντε την γραφική παράσταση του ρεύματος συναρτήσει της τάσης I-V (κουμπί Plot). 6. Βρείτε την «καλύτερη» συνάρτηση που περνάει από τα πειραματικά σας σημεία (διαδικασία fit). Υπάρχουν τρεις διαθέσιμες συναρτήσεις (linear, polynomial και photovoltaic), προκειμένου να επιλέξετε ποιά από αυτές προσαρμόζεται καλύτερα στις μετρήσεις που συλλέξατε. Δοκιμάστε κάθε μία από αυτές και κάντε προσαρμογή με αυτήν στις μετρήσεις σας (κουμπί Fit). Προσοχή: όταν επιλέξετε τη συνάρτηση photovoltaic πρέπει πρώτα να εισάγετε την τιμή της θερμοκρασίας στο πεδίο Insert Temperature και μετά να πατήσετε το κουμπί Fit. Επιλέγοντας τη συνάρτηση linear, το πρόγραμμα προσαρμόζει στις μετρήσεις σας δύο γραμμικές συναρτήσεις της μορφής Y=A+BX, ενώ επιλέγοντας τη συνάρτηση polynomial, το πρόγραμμα προσαρμόζει στις μετρήσεις σας μια συνάρτηση της μορφής: Y=A+BX+CX 2. Αν επιλέξετε τη συνάρτηση photovoltaic, το πρόγραμμα προσαρμόζει στις μετρήσεις σας τη συνάρτηση: qv I(V) = I L I0 exp 1 (1) nd ktns όπου I L είναι το φωτο-ρεύμα που παράγεται από το φωτοβολταϊκό στοιχείο, I 0 είναι το ρεύμα κόρου του φωτοβολταϊκού, q=1.6x10-19 C είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, k=1.38x10-23 είναι η σταθερά Boltzmann, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το φωτοβολταϊκό στοιχείο, n d είναι ένας παράγοντας που εκφράζει κατά πόσο η δίοδος συμπεριφέρεται ως ιδανική (n d =1 για ιδανική δίοδο) και Νs είναι ο αριθμός των κυψελίδων από τα οποία αποτελείται το φωτοβολταϊκό στοιχείο (Νs=4, για την περίπτωση του φωτοβολταϊκού στοιχείου που χρησιμοποιείται στην άσκηση.) Παρατηρήστε ότι στη συνάρτηση photovoltaic υπάρχουν δύο μεγέθη που χαρακτηρίζουν την απόκριση του φωτοβολταϊκού στοιχείου: K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 3
Α) Η τιμή του ρεύματος όταν η τάση στα άκρα του φωτοβολταϊκού στοιχείου μηδενίζεται (V=0). Η τιμή αυτή ονομάζεται ρεύμα βραχυκύκλωσης (short circuit: Ι sc ). Β) Η τιμή της τάσης στα άκρα του φωτοβολταϊκού όταν το ρεύμα είναι μηδενικό (Ι=0). Η τάση αυτή ονομάζεται τάση ανοιχτού κυκλώματος (open circuit: V oc ). Το πρόγραμμα που πραγματοποιεί την προσαρμογή της καλύτερης καμπύλης της μορφής που δίδεται στην εξίσωση (1) η οποία διέρχεται από τις πειραματικές μετρήσεις σας, υπολογίζει την τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (V oc ) καθώς και την τιμή.του ρεύματος βραχυκύκλωσης (Ι sc ) και τις αναγράφει επάνω στον καμβά του γραφήματος. 7. Κρατήστε αντίγραφο της γραφικής παράστασης σε αρχείο (κουμπί Save) 8. Κάντε τη γραφική παράσταση της ισχύος συναρτήσει της τάσης (P-V) (κουμπί Plot). 9. Κάντε προσαρμογή των μετρήσεών σας με βάση την εξίσωση (1) (κουμπί Fit). To πρόγραμμα υπολογίζει την τιμή της μέγιστης ισχύος (P max ) και την αναγράφει επάνω στον καμβά της γραφικής παράστασης. 10. Δημιουργείστε αντίγραφο της γραφικής παράστασης P-V στο δίσκο του υπολογιστή (κουμπί Save). 11. Υπολογίστε τη μέγιστη απόδοση του φωτοβολταϊκού (efficiency), με δεδομένο ότι η φωτεινή ροή ανά μονάδα επιφάνειας (irradiance) των LEDs που φωτίζουν το φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι 6mW/cm 2. Eισάγετε στο πεδίο Pmax την τιμή της μέγιστης ισχύος (P max ), όπως υπολογίστηκε από το fit στο βήμα 9. Το πρόγραμμα υπολογίζει (κουμπί efficiency) την τιμή της απόδοσης του φωτοβολταϊκού, λαμβάνοντας υπόψη την τιμή της φωτεινής ροής ανά μονάδα επιφάνειας και το εμβαδό της επιφάνειας του P φωτοβολταϊκού, από τον τύπο: efficiency max, όπου Φ είναι η ολική φωτεινή ροή που δέχεται η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού στοιχείου (ίση με 1600mm 2 ). Σημειώστε την τιμή της απόδοσης στο φύλλο μετρήσεών σας γιατί θα την χρειαστείτε στο επόμενο βήμα. 2.2 Υπολογισμός της εξάρτησης της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός 1. Επιλέξτε την καρτέλα Angle Dependence. 2. Μετακινήστε το φωτοβολταϊκό στις 70 μοίρες (κουμπί Tilt Degrees) και πριν πάρετε μετρήσεις καθαρίστε τον πίνακα μετρήσεων (κουμπί Clear Data). K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 4
3. Πάρτε μετρήσεις μεταβάλλοντας το φορτίο στα άκρα του φωτοβολταϊκού (κουμπί Load). Οι μετρήσεις σας αναγράφονται στον αντίστοιχο πίνακα. 4. Αποθηκεύστε τις μετρήσεις σας σε αρχείο (κουμπί Save Data). Στο όνομα του αρχείου γράψτε την γωνία και την θερμοκρασία που αντιστοιχούν στις μετρήσεις σας. 5. Κάντε το γράφημα P-V (κουμπί ΜultiPlot). 6. Επαναλάβατε τα βήματα 2 έως και 5 για να συγκρίνετε τις μετρήσεις σας υπό διαφορετική γωνία. 7. Κρατήστε αντίγραφο στον υπολογιστή του συγκριτικού γραφήματος (κουμπί Save). 2.3 Υπολογισμός της εξάρτησης της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη φωτεινή ροή 1. Επιλέξτε την καρτέλα intensity dependence. 2. Φωτίστε το φωτοβολταικό με 85% της πλήρους φωτεινότητας (κουμπί Brightness). (Στο πεδίο irradiance αναγράφεται αυτόματα η φωτεινή ροή ανά μονάδα επιφάνειας που αντιστοιχεί σε αυτό το ποσοστό). Πριν πάρετε μετρήσεις ανανεώστε τον πίνακα μετρήσεων (κουμπί Clear). 3. Καταγράψτε τις μετρήσεις σας σε αρχείο (κουμπί Save Data). Στο όνομα του αρχείου γράψτε τη φωτεινότητα και την θερμοκρασία που αντιστοιχούν στις μετρήσεις σας. 4. Κάντε το γράφημα P-V (κουμπί ΜultiPlot). 5. Σώστε το γράφημα (κουμπί Save) δίδοντας διαφορετικό όνομα στο αρχείο. 6. Κάντε προσαρμογή (fit) στις μετρήσεις σας (κουμπί Fit) αφού εισάγετε κατάλληλη τιμή για την θερμοκρασία στο πεδίο Temperature. 7. Το πρόγραμμα που κάνει την προσαρμογή επιστρέφει την τιμή της μέγιστης ισχύος (P max ) πάνω στο γράφημα. Συμπληρώστε στον κατάλληλο πίνακα της καρτέλας αυτήν την τιμή καθώς και την τιμή της φωτεινής ροής ανά μονάδα επιφάνειας (Φ) στην οποία αντιστοιχεί. 8. Αλλάξτε τη φωτεινότητα στο 79% (κουμπί Brightness) και πατήστε Clear Data πριν πάρετε νέες μετρήσεις. 9. Επαναλάβατε τα βήματα 3 έως 7 και εισάγετε στον πίνακα τη νέα τιμή P max που έχετε βρει και 10. Εισάγετε στον πίνακα και την τιμή P max που είχατε βρει όταν η φωτεινότητα ήταν στο 100% 11. Κάντε τη γραφική παράσταση της μέγιστης ισχύος συναρτήσει της φωτεινότητας (κουμπί Plot). K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 5
12. Κρατήστε αντίγραφο της παραπάνω γραφικής παράστασης (κουμπί Save) αλλάζοντας το όνομα του αρχείου. 2.3 Προσομοίωση της εξάρτησης των χαρακτηριστικών του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη θερμοκρασία 1. Επιλέξτε την καρτέλα simulation. 2. Ανοίξτε (κουμπί Οpen) το αρχείο (2012_04_26_16-55_An90_Ir20_Tem25_cor.txt) των μετρήσεων που έχουν ήδη συλλεχθεί και αντιστοιχούν στις έξής συνθήκες: Το φωτοβολταϊκού στοιχείο να βρίσκεται υπό γωνία 90 ο σε σχέση με τη φωτεινή πηγή, να φωτίζεται με φωτεινή ροή ίση με 6mW/cm 2 και η θερμοκρασία του να είναι Τ=25 ο C. 3. Kάντε τη γραφική παράσταση των μετρήσεων τάσης και ρεύματος που αντιστοιχούν στις παραπάνω συνθήκες (κουμπί Plot data). 4. Εισάγετε στo πεδίo Temperature την τιμή 25 που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού. Πατήστε το κουμπί Model Adjustment για να δείτε πάνω στο γράφημα το θεωρητικό μοντέλο που προσομοιώνει τις μετρήσεις. Το πρόγραμμα επιστρέφει πάνω στον καμβά του γραφήματος την τιμή του ρεύματος κόρου (Ι sc ) και τάσης ανοιχτού κυκλώματος (V oc ) που αντιστοιχούν στις συνθήκες: γωνία 90 ο, φωτεινή ροή ίση με 6mW/cm 2 και θερμοκρασία Τ=25 ο C. Εισάγετε αυτές τις τιμές στον πεδίο Fit Outputs προκειμένου το πρόγραμμα να δημιουργήσει με βάση τις παραπάνω τιμές το θεωρητικό μοντέλο που προσομοιώνει την εξάρτηση της απόκριση του φωτοβολταϊκού στοιχείου από την θερμοκρασία. 5. Εισάγετε πόσες μετρήσεις θέλετε το πρόγραμμα να προσομοιώσει στο πεδίο Number of Events. 6. Εισάγετε στον πίνακα Insert Temperature τέσσερεις τιμές θερμοκρασίας για τις οποίες θέλετε να δείτε ποιά θα είναι η απόκριση του φωτοβολταϊκού στοιχείου. 7. Πατήστε το κουμπί Temperature Dependence. 8. Κρατήστε αντίγραφο του γραφήματος (κουμπί Save). K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 6
ΦΥΛΛΟ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Α) Χαρακτηριστικές καμπύλες Ι-V (έντασης τάσης) και P- V(ισχύος-τάσης) του φωτοβολταϊκού στοιχείου 1. Η χαρακτηριστική καμπύλη έντασης τάσης (Ι-V) του φωτοβολταϊκού φαίνεται στο παρακάτω γράφημα: 2. Η τιμή του ρεύματος κόρου είναι: Ι sc =. 3. Η τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος είναι: V oc = 4. Η γραφική παράσταση της ισχύος συναρτήσει της τάσης δίδεται στο παρακάτω γράφημα: Η μέγιστη ισχύς είναι: P max =. K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 7
5. Η μέγιστη απόδοση του φωτοβολταϊκού (a max ) υπολογίζεται από τη σχέση: P a max max 2 Δεδομένου ότι ο φωτισμός ανά μονάδα επιφάνειας είναι: B 6 mw cm και 2 το εμβαδό επιφάνειας είναι: S 1600mm, έπεται ότι η φωτεινή ροή (σε μονάδες mw) είναι: S (mw ) = Η μέγιστη απόδοση του φωτοβολταϊκού υπολογίζεται ότι είναι ίση με: a max P max = Β) Υπολογισμός της εξάρτησης της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός 1. Η γραφική παράσταση της ισχύος συναρτήσει της τάσης για διάφορες γωνίες του φωτοβολταικού στοιχείου σχετικά με την φωτεινή πηγή δίδεται στο παρακάτω συγκριτικό γράφημα: 2. Σχολιάστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας σχετικά με την εξάρτηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός. K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 8
Γ) Υπολογισμός της εξάρτησης της απόδοσης του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη φωτεινή ροή 1. Στον παρακάτω πίνακα αναγράφονται οι τιμές της μέγιστης απόδοσης του φωτοβολταϊκού (a max ) για διάφορες τιμές της φωτεινής ροής ανά μονάδα επιφάνειας (Φ). Φ (mw/cm 2 ) a max (%) 2. Στο παρακάτω γράφημα παριστάνεται η εξάρτηση της μέγιστης ισχύος (P max ) συναρτήσει της φωτεινής ροής ανά μονάδα επιφάνειας Φ (irradiance) 3. Σχολιάστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας σχετικά με την εξάρτηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού από την φωτεινή ροή. Δ) Προσομοίωση της εξάρτησης των χαρακτηριστικών του φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη θερμοκρασία 1. H τιμή του ρεύματος κόρου (Ι sc_nominal ) και τάσης ανοιχτού κυκλώματος (V oc_nominal ) που αντιστοιχούν στις συνθήκες: γωνία 90 ο, φωτεινή ροή ίση με 6mW/cm 2 και θερμοκρασία Τ=25 ο C βρέθηκε ότι είναι: Ι sc_nominal =. και V oc_nominal =... K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 9
2. Mε βάση της παραπάνω τιμές η απόκριση του φωτοβολταϊκού για τις παρακάτω θερμοκρασίες φαίνεται στο παρακάτω γράφημα από προσομοίωση. Τ1 ( ο C) Τ2( ο C) Τ3( ο C) Τ4( ο C) 3. Σχολιάστε τα αποτελέσματά σας, σχετικά με την εξάρτηση της απόκρισης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου από τη θερμοκρασία 4. Συνοψίστε τα συμπεράσματά σας σχετικά με την εξάρτηση της απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου από Α) τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός Β) την φωτεινή ροή του προσπίπτοντος φωτός ανά μονάδα επιφάνειας του φωτοβολταϊκου στοιχείου Γ) τη θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού στοιχείου K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 10
ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Προκαταρκτικές ρυθμίσεις (από τον υπεύθυνο του εργαστηρίου) Ο υπολογιστής πρέπει να είναι σε θέση OFF, το καλώδιο USB από το Arduino να είναι συνδεδεμένο στον υπολογιστή και το καλώδιο τροφοδοσίας του συστήματος να είναι σε θέση ΟFF Ανάβουμε τον υπολογιστή, αλλά όχι ακόμα την τροφοδοσία του συστήματος. Καλούμε την εφαρμογή SolarInsight από την επιφάνεια εργασίας. Επιλέγουμε την θύρα COM3 και πατάμε το κουμπί Start Stream. Πατάμε το κουμπί Temperature ή/και το κουμπί Load. Το σύστημα πρέπει να ανταποκριθεί χωρίς να λαμβάνει μετρήσεις (είναι εκτός τροφοδοσίας) Συνδέουμε το καλώδιο της τροφοδοσίας με την τάση. Θα ανάψει στην πλακέτα το κόκκινο Led. Το σύστημα είναι έτοιμο να λάβει μετρήσεις. Πατάμε το κουμπί Temperature οπότε λαμβάνουμε μέτρηση για τη θερμοκρασία του συστήματος. Πατάμε το κουμπί Clear Data προκειμένου να αρχίσουμε να παίρνουμε μετρήσεις K. Ζαχαριάδου, Κ. Γιασεμίδης Σελίδα 11