1.6 Měření V-A charakteristiky různých fotovoltaických článků Cíle kapitoly: Cílem laboratorní úlohy je změřit V-A charakteristiky fotovoltaických článků (monokrystalický, polykrystalický a amorfní) při stejných atmosférických podmínkách. Hlavním cílem je provést vyhodnocení a srovnání změřených parametrů u technologicky odlišně vyrobených článků. Dalším cílem je výpočet a následné srovnání faktorů plnění a účinností jednotlivých typů fotovoltaických článků. 1.6.1 Úvod V současné době fotovoltaické technologie zažívají poměrně široké uplatnění v energetickém průmyslu. V praxi se k výrobě elektrické energie z fotovoltaických panelů využívá několik technologicky odlišných druhů. Mezi nejrozšířenější technologie výroby fotovoltaických panelů patří metoda krystalická a tenkovrstvá. Krystalickou technologií jsou vyráběny fotovoltaické panely monokrystalické a polykrystalické, tenkovrstvou technologií pak panely amorfní. Jednotlivé druhy se od sebe navzájem liší ve svých parametrech a vlastnostech. V České republice jsou nejrozšířenější monokrystalické panely, které se vyznačují velmi malým množstvím poruchovosti své krystalové mřížky. Vnitřní struktura tohoto typu panelu má stejně orientované krystaly křemíku. Účinnost současně nabízených panelů tohoto typu se pohybuje v rozmezí od (13-20)%. Druhým nejčastějším typem jsou panely polykrystalické. Ty na rozdíl od monokrystalických panelů mají krystaly orientované různě a dosahují účinností (13-16)%. U tenkovrstvých technologií lze použít kromě amorfního křemíku i další prvky např. kadmium a telur, jako tomu je u tenkovrstvých CdTe panelů. Účinnost tenkovrstvých panelů se pohybuje v rozmezí (7-11)%. Nutno podotknout, že účinnosti uváděné výrobcem bývají často velmi přejícné. Jsou stanoveny za ideálních atmosférických podmínek a při běžnému provozu je lze stěží dosáhnout. Účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou lze vypočítat zjednodušeným vztahem · (1)
· kde UPmax (ve V) je napětí při maximálním výkonu, IPmax (v A) je proud při maximálním výkonu, E (ve W.m-2) je intenzita slunečního záření získaná z pyranometru, A (v m2) je plocha aktivní části panelu, Kromě účinnosti je vhodné zjistit i další veličiny, které by vypovídaly o kvalitě provedení daného fotovoltaického článku. Lze tak využít jednoduché V-A charakteristiky nebo výkonové charakteristiky, které mohou posloužit pro rychlé zhodnocení kvality měřeného článku či panelu. Z charakteristik lze určit základní body, které poslouží k tomuto vyhodnocení. Jedná se o Pmax, UPmax, IPmax, ISC, UOC. Dále lze z V-A charakteristiky určit i přibližné hodnoty sériového Rs a paralelního odporu Rsh. Stanovené veličiny poslouží k vypočtení tzv. faktoru plnění (FF – fill factor). Faktor plnění, někdy taky nazýván jako činitel naplnění, je dán následujícím matematickým vztahem.
· ·
(2)
kde UOC (ve V) je napětí naprázdno (nulový generovaný proud) a ISC (v A) je zkratový proud (nulové generované napětí). Faktor plnění představuje elektrickou účinnost fotovoltaického panelu. FF je závislý na celé řadě aspektů, které souvisí hlavně s technologickou kvalitou výroby panelu, tj.
morfologie materiálu, kvalita kontaktů či odpor aktivní plochy a další. Lze konstatovat, že kvalitněji vyrobený panel bude dosahovat vyšších hodnot faktoru plnění (teoretické maximum je 1). Z matematického vyjádření lze vypozorovat, že změřením V-A a výkonové charakteristiky, jsme schopni FF stanovit. Získáme tak přibližnou představu o kvalitě proměřovaného fotovoltaického panelu či článku. 1.6.2 Rozbor úlohy Pro měření základních charakteristik fotovoltaických článků různých typů lze využít několik postupů. Fotovoltaický článek lze osvítit zdrojem světla a charakteristiky proměřit změnou odporové dekády. Tato úloha ukazuje odlišnou metodu, kdy je využito stejnosměrného laboratorního zdroje 0-30V/5A a měřících karet či digitálních multimetrů. Schéma zapojení pracoviště je uvedeno na Obr. 1.1.
Obr. 1.1: Schéma zapojení pracoviště V případě, že bude použito měřících karet NI 9215 (pro měření napětí) a NI 9227 (pro měření proud), budou karty pro studenty správně nakonfigurovány a připraveny pro okamžité měření. Již nakonfigurované karty je tedy nutno pouze správně zapojit do měřícího systému, podle množství využitých kanálů na měřících kartách. Propojení kontaktů měřících karet je naznačeno na Obr. 1.2.
Obr. 1.2: Zapojení kontaktů měřících karet NI 9215 (napětí) a NI 9227 (proud) Prvním úkolem je správně stanovit typy jednotlivých fotovoltaických článků a stanovit rozměr jejich aktivní plochy A. Dalším úkolem je správné propojení jednotlivých komponent měřícího systémů. Na výpočetní jednotce se spustí aplikace VA, která je vytvořená
v LabView a slouží pro měření výkonové a V-A charakteristiky. Náhled na tuto aplikaci je na Obr. 1.3.
Obr. 1.3: Aplikace VA v LabView pro měření výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku Před samotným měřením fotovoltaického článku se světelný zdroj nastaví do takové polohy, aby byl článek přímo a rovnoměrně osvícen. Vzdálenost světelného zdroje od fotovoltaického článku stanoví vyučující tak, aby odpovídala konkrétní hodnotě intenzity záření E. Během měření nesmí hodnota napětí překročit hodnotu 5V. Dále se nastaví a změří hodnota napětí naprázdno, a to tak, že je na stejnosměrném zdroji nastavena taková hodnota napětí, aby měřeným obvodem neprotékal elektrický proud. Tento bod odpovídá první hodnotě na měřené V-A charakteristice. Nastavenou hodnotu je proto nutno zapsat v aplikaci do tabulky a vykreslit ji do příslušných grafů. Pro zápis se použije tlačítko Save values. Při prvotním zmáčknutí a zapsání hodnoty se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Změnou hodnoty napětí na DC zdroji bude obdobným způsobem zaznamenána kompletní V-A charakteristika měřeného článku. Tj. budou zaznamenávány hodnoty napětí, proudu a výkonu. Vykreslovány budou V-A a výkonová charakteristika. Díky tomu, že jsou charakteristiky vykreslovány ihned po změření, lze dobře zvolit i krok měření (změny napětí). Nejjemnější krok by měl být v oblasti zlomu V-A charakteristiky, aby bylo dosaženo dobré přesnosti měření. Pro změření dalších typů článků je způsob měření obdobný. Před zapisováním nových hodnot pro nový měřený vzorek je však vhodné „vyčistit“ tabulku a zobrazené charakteristiky, a to pomocí tlačítka Clear table respektive Clear graphs. Hlavním cílem úlohy je však porovnání kvalitativního provedení jednotlivých a technologicky odlišných fotovoltaických článků. Výstupem protokolu o měření by tak měly být závěry informující o tom, který z článků má nejvyšší účinnost a další. Textový soubor získaný během měření, proto poslouží pro získání těchto informací. Z grafických průběhů je nutno odečíst hodnoty Pmax, UPmax, IPmax, ISC, UOC a následně vypočítat účinnost a FF.
1.6.3 Úkol měření Pomocí měřících karet (napětí a proud) a výpočetní jednotky nebo pomocí digitálních multimetrů změřte výkonové a V-A charakteristiky několika technologicky odlišných fotovoltaických článků při konstantních atmosférických podmínkách. Zjistěte rozměry aktivních ploch A jednotlivých článků. Ze změřených dat (*.txt) vyneste V-A a výkonovou charakteristiku každého měřeného článku. Zjistěte hodnotu napětí naprázdno UOC, zkratového proudu Isc, hodnotu maximálního výkonu Pmax a jemu odpovídající hodnoty napětí UPmax a proudu IPmax. Na základě získaných veličin vypočtěte dle výše uvedených matematických vztahů faktor plnění FF a stanovte účinnost. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny jednotlivých fotovoltaických článků navzájem porovnejte a zhodnoťte jejich relevantnost s teoretickými předpoklady. 1.6.4 Použité měřicí přístroje a komponenty -
Svítidlo s halogenovým světelným zdrojem 150W Fotovoltaické články – různé typy (monokrystalický, polykrystalický, amorfní) Měřící karty (NI 9215, NI 9227) nebo digitální multimetry Laboratorní regulovatelný DC zdroj 0-30V/5A Výpočetní jednotka Propojovací kabely
1.6.5 Postup měření A) Pomocí měřících karet 1. Identifikujte jednotlivé technologické typy fotovoltaických článků - monokrystalický, polykrystalický, amorfní. Stanovte velikost jejich aktivních ploch A. 2. Dle Obr 1.1. a Obr.1.2. zapojte pracoviště pro měření prvního typu fotovoltaického článku. 3. Svítidlo resp. světelný zdroj umístěte nad fotovoltaický článek do výšky dle pokynů vyučujícího. 4. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 5. Spusťte programovou aplikaci VA (na ploše PC) pro měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků. 6. Nastavované napětí nesmí během měření nikdy přesáhnout 5V. 7. Nastavte na laboratorním zdroji napětí tak, aby fotovoltaickým článkem neprotékal elektrický proud. 8. Tlačítkem Save values zaznamenejte napětí naprázdno Uoc. Při prvotním zmáčknutí tlačítka se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt. 9. Změnou napětí na zdroji a následně tlačítkem Save values, změřte V-A respektive výkonovou charakteristiku fotovoltaického článku. Krok měření volte tak, aby byl nejmenší krok v ohybu charakteristiky (dle vykreslovaných grafů). 10. Po změření charakteristiky vyčistěte tabulku s hodnotami a grafy, pomocí tlačítka Clear table respektive pomocí Clear graphs. Nyní máte aplikaci připravenu pro měření dalšího fotovoltaického článku. 11. Měření opakujte pro další typy fotovoltaických článků. 12. Po ukončení měření si data z pevného disku uložte na svůj flashdisk a z PC vymažte vámi ukládaná data.
B) Pomocí digitálních multimetrů 1. Identifikujte jednotlivé technologické typy fotovoltaických článků - monokrystalický, polykrystalický, amorfní. Stanovte velikost jejich aktivních ploch A. 2. Dle Obr 1.1. zapojte pracoviště pro měření prvního typu fotovoltaického článku. 3. Svítidlo resp. světelný zdroj umístěte nad fotovoltaický článek do výšky dle pokynů vyučujícího. 4. Digitální multimetry nastavte do správných poloh měřených veličin. 5. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 6. Nastavované napětí nesmí během měření nikdy přesáhnout 5V. 7. Nastavte na laboratorním zdroji napětí tak, aby fotovoltaickým článkem neprotékal elektrický proud. Hodnoty napětí a proudu si zapište do excelovské tabulky na výpočetní jednotce. 8. Změnou napětí na zdroji změřte V-A respektive výkonovou charakteristiku fotovoltaického článku. Krok měření zvolte tak, aby nejnižší krok byl v ohybu charakteristiky (dle vykreslovaných grafů v Excelu). 9. Měření opakujte pro další typy fotovoltaických článků. 1.6.6 Zpracování výsledků Z naměřených hodnot graficky zpracujte V-A charakteristiky respektive výkonové charakteristiky pro jednotlivé typy fotovoltaických článků. Zjistěte hodnotu napětí naprázdno UOC, zkratového proudu Isc, hodnotu maximálního výkonu Pmax a jemu odpovídající hodnoty napětí UPmax a proudu IPmax. Vypočtěte faktor plnění FF a stanovte účinnost. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny jednotlivých fotovoltaických článků navzájem porovnejte. 1.6.7 Závěr Změřené a vypočtené parametry jednotlivých článků mezi sebou porovnejte a proveďte závěrečné zhodnocení. 1.6.8 Shrnutí kapitoly Laboratorní úloha seznámí s různými technologickými druhy fotovoltaických panelů, které jsou v současnosti v praxi nejčastěji používané. Ukáže a představí základní postup měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků v laboratorních podmínkách a za použití výpočetní techniky a měřících karet. Na základě srovnání elektrických parametrů různých technologických druhů fotovoltaických článků, úloha přinese představu o odlišnosti měřených článků a o jejich reálných, v praxi dosažitelných účinnostech. 1.6.9 Kontrolní otázky 1. Jaké technologické typy fotovoltaických panelů znáte? 2. Která z technologií fotovoltaických panelů se vyznačuje nejvyšší účinností přeměny energie slunečního záření na energii elektrickou? 3. Jak velký elektrický proud generuje fotovoltaický článek při napětí naprázdno? 4. V souvislosti s fotovoltaickými panely vysvětlete pojem faktor plnění? 5. Jaký je rozdíl mezi pyranometrem a luxmetrem? 6. Který typ článku vyrobí při konstantních atmosférických podmínkách větší množství elektrické energie? Aktivní plocha každého článku je 1m2
