Teil C: Elektrische Charakterisierung von Solarzellen

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1 Teil C: Elektrische Charakterisierung von Solarzellen Ziele dieses Praktikums Solarzellen kennt man mittlerweile aus dem täglichen Leben. Vielleicht benützen Sie einen Solartaschenrechner oder eine Solaruhr? In diesem Praktikum soll die Solarzelle das Objekt wissenschaftlicher Untersuchung sein. Es wird nicht darum gehen, das Funktionsprinzip der Solarzelle zu begreifen, sondern deren (elektrischen) Eigenschaften zu erforschen. Dazu gehören: Aufbau einer geeigneten Versuchsanordnung, Durchführung von aussagekräftigen Messreihen, graphische Darstellung der Messdaten, Auswertung und Diskussion der Messdaten. Die Lernziele sind: Sie wissen, wie man die Leerlaufspannung, den Kurzschlussstrom und die Strom-Spannungs- Kennlinie einer Solarzelle misst. Sie kennen den Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinien einer Solarzelle unter Beleuchtung. Sie kennen die photovoltaische Kenngrösse Punkt der maximalen Leistung, Füllfaktor und Wirkungsgrad. Grundlagen Strom aus Sonnenlicht kann von Solarzellen erzeugt werden, deren Hauptbestandteil ein Halbleiter, in der Regel Silizium, ist. Der photovoltaische Effekt bildet sich durch zwei aneinander grenzende Halbleiter-Schichten welche mit Metallkontakten versehen sind. An diesen Kontakten kann bei Sonnenlicht eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Der von den Solarzellen produzierte Gleichstrom wird von einem Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Beim Anschluss eines Verbrauchers wird der Stromkreis geschlossen. Durch die Zusammenschaltung mehrerer Solarmodule erreicht man die nötige Leistung, um diese dann für unser Wechselstromnetz einzuspeisen. Aus der Hellkennlinie können Kennwerte einer Solarzelle gewonnen werden. Diese sind: Leerlaufspannung Die Leerlaufspannung U 0 ist die elektrische Spannung einer Solarzelle wenn beide Pole nicht miteinander verbunden sind, zwischen ihnen also kein Strom fliesst. Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0.5 V. Die Leerlaufspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig. Kurzschlussstrom Der Kurzschlussstrom I K ist der Strom, den eine Solarzelle liefert, wenn beide Klemmen ohne jeden zusätzlichen Widerstand verbunden werden (Kurzschluss). Es entspricht den maximalen Strom der Zelle. Der Kurzschlussstrom steigt bei höherer Beleuchtungsstärke an. Punkt maximaler Leistung (MPP) Um der Solarzelle maximale Leistung zu entnehmen, muss man den Punkt auf der Kennlinie finden, der das Produkt P = U I maximiert. An diesem Punkt der I-U-Kennlinie einer Solarzelle kann die maximale Leistung entnommen werden. Dieser optimale Arbeitspunkt wird als maximunm power point (MPP) bezeichnet. Der MPP ist allerdings von der Strahlungsintensität abhängig. Um eine Solarzelle optimal zu nutzen ist also eine sorgfältige Abstimmung mit dem Verbraucher zu gewährleisten. Für AK 1

2 grössere Solarzellen-Anlagen gibt es elektronische Geräte, die den Widerstand des Verbrauchers an die Schwankungen der Lichtintensität anpassen und so die Anlage im MPP betreiben können. Die Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt ist U MP P, der Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung ist I MP P, und die maximale erzielbare Leistung ist P MP P. Füllfaktor Der Füllfaktor F F ist ist ein Mass für die Qualität einer Solarzelle. Er ist gegeben als Quotient aus maximaler Leistung und Produkt aus Lehrlaufspannung und Kurzschlussstrom: F F = P MP P U 0 I K = U MP P I MP P U 0 I K < 1 (1) Er beschreibt, wie gut die Strom-Spannungs- Kennlinie der Solarzelle dem Rechteck aus die Leerlaufspannung U 0 und Kurzschlussstrom I K angenähert ist. Je näher er an 100% liegt (je näher die Kennlinie also einem Rechteck kommt), desto besser ist die Solarzelle. Bei guten Solarzellen und definierter Einstrahlungsintensität beträgt F F ca Bei schlechteren Strahlungsbedingungen nimmt der Füllfaktor jedoch ab. Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad η gibt an, wieviel Leistung von der eingestrahlten Leistung in brauchbare elektrische Leistung umgesetzt wurde. η = P abgegeben P aufgenommen = P elektrisch = U I (2) Der Wirkungsgrad ist am Punkt maximaler Leistung (maximale elektrische Leistung) definiert: η = P MP P = I MP P U MP P = F F U 0 I K (3) Ein hoher Wirkungsgrad ist erstrebenswert, weil er bei gleichen Lichtverhältnissen und gleicher Fläche zu einer größeren Ausbeute an elektrischem Strom führt. Der Wirkungsgrad beträgt bei industriell gefertigten Solarzellen zwischen 10% und 15%. Mit deutlich höherem technischen Aufwand können im Labor Wirkungsgrade von bis zu 24% Die Hersteller von Solarzellen beschönigen ihre Wirkungsgradangaben gern durch spezielle Messbedingungen (z.b. optimale Temperatur, optimales Bestrahlungsspektrum). Mit einem Strahlungsleistungsmessgerät wird die Leistung des eingestrahlten Lichts pro Fläche (Bestrahlungsstärke E) gemessen. Für die Ermittlung der Leistung, die auf die Solarzelle trifft, muss dieser Wert mit der effektiven Fläche A des Solarmoduls multipliziert werden: = A E. Die maximale Leistung des eingestrahlten Lichts pro Fläche bei Sonnenschein im Sommer beträgt ca W/m W/m 2 entspricht der Sonnenstrahlung morgens oder abends. AK 2

3 Versuch 1: Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung einer Solarzelle Sie bauen zunächst elementare Schaltungen zur Messung der Leerlauf-Spannung und des Kurzschluss- Stromes auf. Sie lernen dabei die Komponenten Solarzelle und Strom- und Spannungsmessgerät kennen und die Bedeutung der Begriffe Leerlauf-Spannung und Kurzschluss-Strom verstehen. Aufbau Abbildung 1: Messschaltpläne für die Leerlaufspannung (links) und den Kurschlussstrom (rechts). Durchführung und Auswertung Tragen Sie alle Werte und Ergebnisse ins elektronischen Protokollblatt (Blatt 1) ein. 1. Bauen Sie die links abgebildete Schaltung auf und bestrahlen Sie die Solarzelle mit einer Lichtquelle. Der Spannungsmesser wird direkt mit der Solarzelle verbunden, so dass das Voltmeter eine positive Spannung anzeigt (Achtung Gleichspannungsmessung = DC). Welche Spannung messen Sie an einer beleuchteten, unbelasteten Solarzelle? U 0 = (4) Da das Voltmeter einen sehr grossen Widerstand hat, fliesst praktisch kein Strom. Die Zelle gibt also keine Leistung ab, es fliesst keine Energie. Man sagt, wir messen die Leerlaufspannung der Solarzelle. 2. Solarzelle zunächst mit einem Karton halb abdecken und Spannung am Multimeter ablesen. Wie ändert sich die Leerlaufspannung mit der Solarzellenfläche? U 0 = (5) 3. Versuchen Sie mit der Lampe die Solarzelle stärke und schwächer zu beleuchten. Wie ändert sich die Leerlaufspannung U 0 mit der Beleuchtung? Bemerkung Die Leerlaufspannung hängt vom Material (bei Silizium ca 0.5 V), von der Temperatur und von der Beleuchtung ab. Wenn die Beleuchtung eine gewisse minimale Stärke erriecht hat, ändert die Leerlaufspannung fast nicht mehr, wenn man noch stärker beleuchtet. Haben Sie das gesehen? AK 3

4 4. Bauen Sie die rechts abgebildete Schaltung auf. Das Voltmeter wird einfach mit dem Amperemeter vertauscht. Bestrahlen Sie die Solarzelle mit einer Lichtquelle. Verbinden Sie es direkt mit der Solarzelle (Achtung Gleichstromsmessung = DC). I K = (6) Das Ampèremeter hat einen sehr kleinen Widerstand und bildet beinahe einen Kurzschluss. Unser Amperemeter zeigt also den Kurzschlussstrom. 5. Solarzelle zunächst mit einem Karton halb abdecken und die Stromstärke am Multimeter wieder ablesen. I K = (7) Wie ändert sich die Kurzschlussstromstärke mit der Solarzellenfläche? 6. Versuchen Sie mit der Lampe die Solarzelle stärke und schwächer zu beleuchten. Wie ändert sich der Kurzschlussstrom? Bemerkung Der Strom hängt stark von der Beleuchtung ab. Bei doppelt so starker Beleuchtung fliesst der doppelte Strom. Dazu hängt der Strom linear von der Zellenfläche ab. Haben Sie das gesehen? 7. Kann man aus der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom die Leistung P der Solarzelle nach der Formel P = U I ausrechnen? Wie man dennoch etwas über die Leistung der Solarzelle aussagen kann, zeigt der nächsten Versuch. Versuch 2: Kennlinienaufnahme einer Solarzelle Die Ermittlung der Strom-Spannung-Kennlinie einer Solarzellen bildet die Grundlage für die Anpassung an den Dauerbetrieb und die effektive wirtschaftliche Nutzung beispielsweise einer Hausphotovoltaikanlage. Für die Anwendung ist interessant, wie die von der Solarzelle abgegebene Leistung optimiert werden kann. Bei Leerlauf oder Kurzschluss gib die Solarzelle keine Leistung ab! Durch Variation eines an die beleuchtete Solarzelle angeschlossenen Lastwiderstandes, der den Verbraucher simuliert, kann die Strom-Spannungs-Kennlinie unter Beleuchtung aufgenommen werden. Diese Kennlinie beinhaltet die wesentlichen Kennwerte zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer Solarzelle: AK 4

5 Aufbau Anh a n g 3: Experimente 76 Experiment 4.1.4: Schalten Sie nun einen Widerstand als Verbraucher an die Solarzelle. Stellen Sie genügend grosse Messbereiche an den Messgeräten ein. Messen Sie den Strom vor oder nach dem Widerstand. Messen Sie zusätzlich die Spannung unmittelbar an der Solarzelle, denn das A- Meter bildet auch einen Verbraucherwiderstand. + Solarzelle I U R - Messung der Kennlinie (Charakteristik) einer Solarzelle Abbildung 2: Messschaltplan für die Messung der Kennlinie (Charakteristik) einer Solarzelle. Durchführung Sorgen Sie für eine konstante Beleuchtung, und machen Sie nun eine Messreihe mit verschiedenen Widerständen. Notieren Sie für jeden Widerstand den Widerstandswert, die Stromstärke und die Spannung auf das vorgesehene Blatt. Beginnen Sie bei den Extremen: Machen Sie zuerst einen Kurzschluss, indem Sie den Widerstand durch ein Kabel ersetzen. Sorgen Sie sodann für Leerlauf, indem Sie den Stromkreis beim Widerstand unterbrechen. 1. Bauen Sie die Schaltung mit dem Lastwiderstand R (Potentiometer) auf. Schliesst man die Beschriften Sie nun die Achsen im vorgesehenen Diagramm. Kontakte an einen Lastwiderstand an, fliesst ein sogenante Photostrom. Ergänzen Sie dann die Messreihe so, dass es Ihnen die zugehörigen Punkte im Diagramm erlauben, eine vollständige Kurve zu zeichnen. Machen Sie keine arithmetische, sondern eine geometrische Folge. Wählen Sie beispielsweise 1, 3, 10, 30, 100, 300. Die optimalen Widerstände hängen vom Zellentyp, von der Beleuchtung und von der Temperatur ab. Vor dem Einschalten muss die Schaltung vom Lehrer/in überprüft werden! 2. Belassen Sie die Solarzelle nahe bei der Lichtquelle und verschieben Sie diese nicht mehr, damit die Beleuchtungsintensität Sie stellen fest, dass die stets Charakteristik gleich bleibt. einer Solarzelle Die Solarzelle stark von derjenigen ist vor zu anderer grosser Strom-, Aufheizung durch respektive Spannungsquellen abweicht. die Lampe zu schützen. Die Leistung einer Solarzelle 3. Drehen den regelbaren Widerstand ganz auf die eine Seite. Der variable Widerstand hat drei Viel Strom oder viel Spannung sind ja schön und gut; aber wichtig ist die Leistung P = U. I. Eingäge: damit er als variabel funktioniert, den linken und den mittleren (rote) Eingang benutzen. Durch passenden Drehen Leistungsmassstab. des Stellards Zeichnen wird Sie die R Kurve geändert, mit abgegebenen bis maximal Leistung. 1 kω (in Uhrzeigersinn wird Berechnen Sie für Ihre Messpunkte je die Leistung, und wählen Sie in der y-richtung einen erhöht). Sie sehen, dass bei einem bestimmten Lastwiderstand die abgegebene Leistung maximal ist. Dieser Lastwiderstand hängt von der Beleuchtung und der Temperatur der Zelle ab. Markieren Sie den Punkt mit maximaler Leistung: MPP = maximum power point. Übertragen Sie diesen Punkt auch ins U-I-Diagramm. 4. Verstellen Sie den Potentiometer schrittweise und messen fünfzehn Mal Strom und Spannung bei unterschiedlichem Lastwiderstand. Notieren Sie auch eine Fehlerschranke für I und U jeweils: I =... A und U =... V. Wählen Sie die Widerstände so, dass der Verlauf der Kennlinie möglichst gut erkennbar wird. Falls nötig stehen weitere Potentiometers zur Verfügung. Für grössere Solarzellen-Anlagen gibt es elektronische Geräte, die den Widerstand des Verbrauchers an die Schwankungen der Lichtintensität anpassen und so die Anlage im MPP betreiben können. 5. Wiederholen Sie die Erfassung der Kennlinie bei geringer Beleuchtung (Lichtquelle entfernen). ETH-Leitpro gra m m Physik Stro m a us Lic ht Auswertung 1. Tragen Sie alle Werte und Ergebnisse In der gleichen elektronischen Exceldatei (Blatt 2). 2. Schreiben Sie im elektronischen Protokoll: Name, Datum, Typ der Solarzelle (komerziell oder selbstgemacht), Dimensionen (Breite x Höhe), Lichtquelle, usw. 3. Tippen Sie alle Werte in eine Excel-Tabelle ein (erste Kolonne U in Volt V, zweite Kolonne I in Ampere A). 4. Tragen Sie die Messpunkte in ein Diagramm ein. Diese Kurve nennt man eine U-I-Kennlinie und zeigt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer bestimmten Beleuchtungsstärke. Achten Sie auf die Überschrift und die Beschriftung der Achsen. Zeichnen Sie keine Verbindungslinie zwischen den Punkten. Fügen Sie die Fehlerbalken für U und I ein. 5. Beschreiben Sie in 2-3 Sätze die Kennlinie. Wie ändert sich die Stromstärke mit steigendem Lastwiderstand? Gilt hier das Ohmsche Gesetz? AK 5

6 Bemerkung Wir werden jetzt keine Trendlinie einfügen. Die Theorie, die die Kennlinie beschreibt ist schwierig. Eine Solarzelle besitzt eine exponentielle Strom-Spannungscharakteristik. Das lässt sich mit einer Polynom 3. Ordnung gut fitten. Versuchen Sie! Die Parameter haben keine physikalische Bedeutung. 6. Ermittlen Sie aus dem Diagramm den Kurzschlussstrom (vergleichen Sie mit dem Versuch 1). 7. Ermitteln Sie aus dem Diagramm die Leerlaufspannung (vergleichen Sie mit dem Versuch 1). 8. Berechnen Sie die Leistung P (weitere Kolonne in Excel). 9. Zeichnen Sie in das gleiche Diagramm die P-U-Kennlinie ein. Das Diagramm hat nun zwei Y- Achse. Die linke y-achse ist für die Stromstärke und die rechte y-achse ist für die Leistung. x-achse ist gleich für beide Kennlinie. Fügen Sie die Fehlerbalken für U und I ein. 10. Ermitteln Sie aus der aufgenommenen Kennlinie die maximale Leistung P MP P. Um den maximal power point (MPP) zu finden, legen Sie durch die Leistungskennline einen Polynom-Fit. Das Maximum des Polynoms ist die maximale Leistung. Der Punkt maximaler Leistung ist von der Beleuchtungsstärke abhängig. 11. Wie gross muss der Lastwiderstand R sein, damit die Solarzelle die maximale Leistung abgibt? 12. Ermitteln Sie die zugehörige Spannung bei maximaler Leistung (Nennspannung) U MP P und der zugehörigen Strom bei maximaler Leistung (Nennstrom) I MP P. 13. Bestimmen Sie für die gemessenen Kennlinien den Füllfaktor F F. 14. Bestimmen Sie den Wirkungsgrad der Solarzelle. Dazu muss eine Lichtquelle mit bekannter Leistung verwendet werden. Versuchen Sie die Lichtleistung abzuschätzen. Hinweis: eine Punktquelle strahlt in alle drei Richtungen und die Bestrahlungsstärke nimmt quadratisch mit dem Abstand r ab: E = quelle 4π r. Der Wirkungsgrad ( sichtbare Lichtleistung vs. elektrische 2 Leistung) einer Glühlampe beträgt ca. 5%. Ist der Wirkungsgrad der Solarzelle ein guter Wert? Wo verbleibt der Rest der Energie zu 100%? 15. Fügen Sie ins gleichen Diagramm die zweite I-U-Kennlinie bei geringer Beleuchtung. Was können Sie sagen? Merksatz Die Solarzelle sollte möglichst in der Nähe des Punktes maximaler Leistung (MPP) betrieben werden. Abschluss Benennen Sie Ihre Excel-datei Name1 Name2 TeilC.xls und senden Sie diese an die Kursleiter (krayenba at mng.ch oder didonem at mng.ch oder kommen Sie mit einem Datenträger vorbei). Sie sind erst dann fertig, wenn Ihre Arbeit kontrolliert und für gut befunden worden ist. Dazu müssen Sie persönlich bei den Kursleitern vorbeigehen. AK 6