Лабораторная работа № 5 исследование солнечных элементов

Цель работы: познакомиться с техническими характеристиками солнечных элементов.

Пояснения к работе

Солнечные элементы представляют собой p-i-n-фотодиоды специальной конструкции, обеспечивающей максимальную эффективность преобразования световой энергии в электрическую. В генераторном режиме под действием светового излучения в фотодиоде образуются носители заряда – электроны и дырки. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают p- область положительно, а n-область – отрицательно. Вследствие этого на выходных выводах фотодиода появляется фотоЭДС. Для снижения внутренних потерь на джоулево тепло, обусловленных протеканием фототока, в этих элементах используют полупроводники с низким удельным сопротивлением.

Вольт-амперные характеристики солнечных элементов имеют такой же вид, как и у фотодиода, работающего в генераторном режиме (рис. 6, б). При практическом применении отдельные элементы соединяют в батареи. Последовательное соединение элементов позволяет увеличить напряжение батареи, параллельное соединение – ток нагрузки.

Одним из основных параметров солнечного элемента является его КПД:

где P_max – максимальная электрическая мощность, отдаваемая в нагрузку;

P_пад – мощность светового излучения, падающего на солнечный элемент.

Для солнечного элемента на основе кремния типичными являются следующие параметры: сила фототока i_Ф = 30 мА/см²; напряжение холостого хода U_ХХ = 0,55 В, мощность в нагрузке Р_Н = 12 мВт/см², КПД =11 %.

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд выполнен в пластмассовом корпусе, на верхней панели которого установлены зажимы для подключения солнечной батареи и измерительных приборов, а также переключатель и регулировочный резистор R1, позволяющий изменять сопротивление нагрузки (рис. 10).

Солнечная батарея состоит из двух секций BL1 и BL2. Каждая секция содержит 13 элементов, соединенных последовательно, и имеет отдельные провода для подключения нагрузки: зеленый “минус”, синий – “плюс”. С помощью переключателя секции батареи могут соединяться последовательно или параллельно. При последовательном соединении секций батарея способна вырабатывать напряжение до 12 В.

Рис.10. Схема лабораторного стенда работы № 5

Программа работы

1. Снять вольт-амперные характеристики батареи U = f(I_Н) при последовательном соединении секций.

2. Снять вольт-амперные характеристики батареи U = f(I_Н) при параллельном соединении секций.

Указания к выполнению работы

1. Подключите к клеммам лабораторного стенда в соответствии со схемой на его верхней панели секции солнечной батареи, вольтметр и миллиамперметр. Установите тумблер в положение ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО.

2. Отключите Rн (режим холостого хода) путем отсоединения одного из выводов амперметра от клеммы лабораторного стенда. Направьте на батарею свет от электрической лампы. Перемещая лампу в вертикальном направлении, определите и зафиксируйте ее положение, при котором показания вольтметра максимальны. Запишите измеренное напряжение холостого хода и вновь подключите Rн.

Вращая ручку резистора, установите ряд значений тока нагрузки и определите соответствующие им напряжения батареи. Повороту ручки резистора по часовой стрелке до упора соответствует режим короткого замыкания (R_Н = 0).

3. Отодвиньте лампу на расстояние, при котором напряжение холостого хода батареи составляет около 70 % от максимального значения, полученного в п. 2, и зафиксируйте это положение лампы. По методике п. 2 снимите вольт-амперную характеристику батареи при меньшей освещенности.

4. Переведите тумблер в положение ПАРАЛЛЕЛЬНО и повторите операции, указанные в пунктах 2 и 3.

5. Постройте на одном рисунке графики снятых характеристик U = f(I_Н).