Μέτρηση ισχύος σε φωτοβολταϊκό πάνελ (solar cell) για διαφορετικές γωνίες της φωτεινής δέσμης

Ερευνητές – επιβλέπων καθηγητής:

Ερευνητές: Απόστολος Μπιτζιλέκης Αποστολίδης  20181092@student.anatolia.edu.gr

Επιβλέπων καθηγητής: Αθηνόδωρος Μπαντής bandis@anatolia.edu.gr

Περίληψη

Σκοπός του πειράματος είναι να διερευνήσουμε πως μεταβάλλεται η ισχύς, αρά και η ενέργεια που παρέχει ένα φωτοβολταϊκό πάνελ (solar cell) σε σχέση με την γωνία που σχηματίζει η επιφάνεια με την φωτεινή δέσμη. Για το σχεδιασμό του πειράματος και την κατασκευή δημιουργήσαμε μία περιοχή χωρίς φωτισμό από άλλες πηγές ώστε να εξασφαλίσουμε ότι μόνο η φωτεινή πηγή της επιλογής μας  έπειτα απαιτείται να κατασκευάσουμε μία βάση στήριξης η οποία να περιστρέφεται, για τη μέτρηση της γωνίας θα χρησιμοποιήσουμε εφαρμογή από το κινητό τηλέφωνο. Το πάνελ θα το συνδέσουμε σε κύκλωμα με αμπερόμετρο και βολτόμετρο για τη μέτρηση της έντασης του ρεύματος και της διαφοράς δυναμικού. Θα καταλήξουμε έτσι σε συμπέρασμα για την περιοχή των γωνιών που η απόδοση του πάνελ είναι ικανοποιητική.

Λέξεις κλειδιά: Ηλιακό πάνελ, ισχύς εξόδου, ένταση ακτινοβολίας, τάση, ένταση ρεύματος.

Θεωρητική μελέτη

Το φωτοβολταϊκό πάνελ είναι μία κατασκευή που μπορεί να μετατρέπει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ήλιου του ήλιου σε ηλεκτρική. Αποτελείται από ημιαγωγούς στους οποίους μέσω της απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας τα ηλεκτρόνια των ατόμων μεταπηδούν σε στιβάδες υψηλότερης ενέργειας και έτσι οδηγούνται μέσω ηλεκτροδίων σε ηλεκτρικό ρεύμα. Ταυτοχρόνως εκπέμπεται και θερμότητα η οποία είναι πρακτικά απώλεια ενέργειας για το πάνελ.

Η απόδοση των φωτοβολταϊκών εξαρτάται από παράγοντες όπως το γεωγραφικό πλάτος, οι εποχές του χρόνου, η κάλυψη της ατμόσφαιρες με σύννεφα αλλά και η κλίση της ακτινοβολίας του ήλιου σε σχέση με την επιφάνεια τους. Για το λόγο αυτό τα σύγχρονα πάνελ έχουν μηχανισμούς που τα περιστρέφουν ώστε να είναι κάθετα στις ηλιακές ακτίνες.

Στην εικόνα 1 φαίνεται η επιφάνεια που καλύπτει η δέσμη ανάλογα με τη γωνία που σχηματίζει με την φωτεινή δέσμη.

Εικόνα 1

Η ένταση της ακτινοβολίας συνδέεται με την ισχύ από την σχέση

 I=PS2 (εξίσωση 1)

όπου I η ένταση ακτινοβολίας, P η ισχύς σε Watt και S το εμβαδό της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού.

Όταν η επιφάνεια είναι κάθετη η ισχύς γίνεται μέγιστη Pmax ενώ αν έχει γωνία φ σε σχέση με την κάθετη θέση τότε η ισχύς είναι:

 P=Pmax×συνφ (εξίσωση 2)

Στο πείραμα μετρήσαμε την ισχύ σε σχέση με την γωνία φ που σχηματίζει η επιφάνεια με την φωτεινή ακτίνα.

Διερευνητικό ερώτημα: «Ποια είναι η σχέση ανάμεσα στην γωνία της φωτεινής δέσμης και της ισχύος που παράγεται από το πάνελ;»

Εικόνα 2: Πραγματοποίηση του πειράματος

Πειραματική διάταξη

Για την πραγματοποίηση του πειράματος χρειάστηκαν τα εξής υλικά και όργανα (όπως στην εικόνα 2):

Φωτοβλαϊκό πάνελ διαστάσεων 20x20cm.

Καλώδια συνδέσεως.

Φωτεινή πηγή (προβολέας) ισχύος 500W.

Αντίσταση 470Ω.

Αναλογικό αμπερόμετρο.

Ψηφιακό βολτόμετρο.

Κινητό τηλέφωνο με εφαρμογή μέτρησης γωνίας.

Εικόνα

Αρχικά συνδέσαμε το κύκλωμα με το πάνελ ως πηγή/μπαταρία, και σε σειρά το αμπερόμετρο και την αντίσταση των 470Ω. Παράλληλα στην αντίσταση συνδέσαμε το βολτόμετρο.

Για τα όργανα μέτρησης, τα σφάλματα των μετρήσεων προσεγγίστηκαν ως εξής:

Το πολύμετρο (χρησιμοποιήθηκε ως αμπερόμετρο και βολτόμετρο) έχει με βάση τον κατασκευαστή σφάλμα 5%. Αυτό αφορά τη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού και της έντασης του ρεύματος.

Για την εφαρμογή ‘clinometer’ της Apple με την οποία μετρήθηκε η γωνία του πάνελ η ακρίβεια μέτρησης είναι το 1ο δεκαδικό ψηφίο. Με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται το σφάλμα στο συνθ πως φαίνεται στο παράδειγμα για τη γωνία θ = 410:

συν(410) = 0.754

συν(41.10 ) = 0.753

συν(40.90) = 0.756

Δθ=max-min2=0.756-0.7532=0.002

Με τον τρόπο αυτό υπολογίστηκε για όλες τις γωνίες

Πίνακας 1

Στη συνέχεια κατασκευάσαμε μία στήλη από χαρτόνι ώστε να αποφύγουμε την είσοδο φωτός από το περιβάλλον. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι συμπληρωμένα στον πίνακα 1

H επεξεργασία των μετρήσεων οδηγεί στην γραφική παράσταση (διάγραμμα 1)

 

Διάγραμμα 1

Συμπέρασμα

Τελικά μετά την διεξαγωγή του πειράματος, συμπεράναμε πως η υπόθεση μας επαληθεύθηκε, διότι οι μετρήσεις μας δείχνουν πως η ισχύς όντως αυξάνεται όπως και  η ενέργεια που παρέχει ένα φωτοβολταϊκό πάνελ (solar cell) όσο μεγαλώνει η γωνία που σχηματίζει η επιφάνεια με την φωτεινή δέσμη. Απλώς δεν επαληθεύεται με ακρίβεια η σχέση αναλογίας ανάμεσα στην ισχύ και το συνημίτονο της γωνίας όπως δείχνει ο συντελεστής συσχέτισης (correlation) της ευθείας. Επιπλέον παρατηρούμε μικρές τιμές για την ισχύ όταν οι τιμές συνθ είναι μικρές και αντίστροφα μεγάλες τιμές όταν το συνθ παίρνει μεγάλες τιμές. Αυτό είναι φανερό στο διάγραμμα. Οι αποκλίσεις μπορεί να εξηγηθούν από παράγοντες, όπως:

• Αξιοπιστία των οργάνων μέτρησης

• Πιθανώς διάχυση του φωτός που έφτανε στο πάνελ ακόμη και για μεγάλες γωνίες κλίσης

Προτάσεις βελτίωσης

Θα μπορούσαμε να επαναλάβουμε το πείραμα 2 φορές ώστε οι μετρήσεις μας να είναι ακριβέστερες έχοντας βρει τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων για τις μοίρες που υπολογίσαμε. Επίσης, ενώ καλύψαμε το φωτοβολταϊκό πάνελ, υπήρχε λίγο φως που χτυπούσε με αποτέλεσμα να διαφοροποιηθούν λίγο οι μετρήσεις σε σχέση με αυτές που περιμέναμε. Για αυτόν τον λόγο, θα μπορούσαμε να πετύχουμε να μην χτυπάει καθόλου φως μέσα στο πάνελ βάζοντας περισσότερες στρώσεις για κάλυμμα.

Βιβλιογραφία

Agrawal, D. C., Leff, H. S., & Menon, V. J. (1996). Efficiency and Efficacy of incandescent lamps. American Journal of Physics , 64 (5), 649-654.

Light Research Center. (2003, May). How are LEDs affected by heat? National Lighting Product Information Program .

M. Chegaar, A . Hamzaoui, A. Namoda, P. Petit, M. Aillerie, & A. Herguth. (2013). Effect of Illumination Intensity on Solar Cells Parameters. Energy Procedia , 36, 722-729.

Mackay, M. E. (2015). Solar Energy: An Introduction. Oxford: Oxford University Press.

Tsokos, K. A. (2008). Physics for the IB Diploma (5th Edition ed.). Cambridge: Cambridge University Press.