** Mät solstrålningen

Transkript

1 ** Mät solstrålningen Kort version Prova att mäta Klar himmel Molnigt Mulet Mitt på dan Morgon och kväll Söder, öster, väster, norr Rakt upp eller vinklat 1

2 *** Mät solstrålningen Utförlig version Att mäta solinstrålning Med en solarimeter kan man mäta intensiteten på inkommande solenergi. En dag under sommarhalvåret med solen högt på en klar himmel är instrålningen c:a 1000 watt per kvadratmeter (mätt på en yta vinkelrätt mot instrålningen). När man provar olika soldrivna apparater eller modeller kan det vara bra att veta hur stor instrålningen är för tillfället. Om man vill undersöka solceller eller solfångare mera grundligt och t ex ta reda på deras verkningsgrad blir det nödvändigt att mäta instrålningen. Fysikalisk bakgrund Denna solarimeter utnyttjar en solcell för att mäta instrålningen. Av solcellens strömspänningskarakteristik framgår att strömmen är proportionell mot instrålningen om man befinner sig på platådelen av karakteristiken. En obelastad solcell ger däremot nästan samma spänning (open circuit voltage, U oc ) oberoende av instrålningen. För att få solcellen att arbeta på platådelen måste vi belasta den med ett ganska litet motstånd, så att strömmen blir ganska stor. Strömmen följer ju Ohms lag 2

3 1 I = U R Eftersom resistansen R är konstant i ett motstånd, innebär det att motståndet tvingar solcellen att ge en ström och spänning som ligger på en rät linje i ett U-I-diagram. Så här kan du tillverka solarimetern I figuren visas U-I-karakteristiken för solcellspanelen SD 25, och en linje för en resistor som gör att solcellen arbetar på platådelen. U-I-diagram för solcell och resistor 600 Ström I / ma Solcell 1000 W/m2 Solcell 750 W/m2 Solcell 500 W/m2 Solcell 250 W/m2 Solarimeter, 3 ohm 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Spänning U / V Figur 1. Ström-spänningskarakteristik för en solcell SD25 (de fyra kurvorna) och för resistor lämplig för solarimeter (rät linje) Hur stor resistans motsvarar linjen? Eftersom spänning och ström är proportionella mot varandra i resistorn kommer även spänningen nu att vara proportionell mot instrålningen. Vilken spänning ger solcellen med denna belastning vid 1000 W/m 2? Vi har valt ett motstånd som gör att spänningen blir strax över 1 V vid full instrålning, för att kunna göra en enkel kalibrering på följande sätt. Koppla in belastningsmotståndet till solcellen. Koppla in en trimpotentiometer på 50 kohm över solcell och belastningsmotstånd. Anslut en digital multimeter med mätområdet 2 V över den variabla resistorn. Välj ett tillfälle då instrålningen kan antas vara

4 W/m 2 (se ovan). Rikta solcellen vinkelrätt mot solinstrålningen. Justera trimpotentiometern tills multimetern visar 1V = 1000 mv. Solarimetern är färdig. Instrålningen i W/m 2 är lika med avläst spänning i mv. solcell motstånd trimpotentiometer V voltmeter Figur 2. Kopplingsschema för solarimeter Mätnoggrannhet Mätnoggrannheten beror på hur nära 1000 W/m 2 den verkliga instrålningen är vid kalibreringen. Under de angivna villkoren bör avvikelsen vara mindre än 10 %. Solcellens ström-spänningsegenskaper är svagt temperaturberoende. Om solarimetern blir varm kan den visa någon procent för högt värde. Solcellens känslighet beror starkt av ljusets spektrum. Eftersom vi kalibrerar den för solljus ger den inte alls korrekta värden i annan belysning. Med t ex vissa 500 watts halogenstrålkastare som kan användas för solenergiexperiment, måste avläst värde multipliceras med 1,9. Faktorn kan variera för olika strålkastare. Om man emellertid använder t ex halogenlampor för att undersöka verkningsgraden för solceller behöver man inte korrigera avläst värde. Solarimetern ger samma faktor i missvisning som den undersökta solcellen själv ger. Den verkningsgrad man får fram gäller därför approximativt för solljus (trots att mätningen görs i halogenljus). Detta senare gäller däremot ej vid experiment på solfångare, som utnyttjar all instrålad energi oberoende av våglängd och omvandlar den till termisk energi (värme). 4

5 ***** Mera om Mät solstrålningen Syfte Eleverna får en känsla för storlek och variation i instrålningen beroende på väderstreck, årstid, tid på dagen, väderstreck, höjdriktning och molnighet. För naturvetarelever på gymnasium eller högskola, som bygger solarimetern ger bygget tillfälle att sätta sig in i solcellens elektriska egenskaper. Förkunskaper För att mäta med solarimetern fordras inga egentliga förkunskaper. För att bygga solarimetern fordras kunskaper i ellära på gymnasienivå. Kommentarer till experimenten Se byggbeskrivningen. Temperaturberoendet kan justeras bort med temperaturberoende motstånd. Slutsatser Instrålningsmätningar under olika förhållanden visar bl.a. att instrålningsriktningen är mycket viktig för att instrålningen skall bli stor. En solcell eller solfångare bör om möjligt riktas vinkelrätt mot instrålningen. Med en fast installerad solfångare t.ex. på ett tak blir alltså instrålningen hög bara under några timmar. Tillämpningar Noggrannare mätningar visar att instrålningen håller sig inom 15 % av maxvärdet så länge infallsvinkeln är mindre än 30 o. I höjdled varierar inte solriktningen så kraftigt i Sverige om solfångaren riktas i 45 o uppåt är höjdriktningen acceptabel större delen av dagen. Men i östvästlig riktning rör sig solen 15 o per timma och det är alltså bara några timmar som den är någorlunda i rätt riktning sett från solfångaren. Att låta solfångare vrida sig och följa solriktningen vore en god idé. Men i praktiken är det svårgenomförbart - det rör sig om stora ytor och (för vattenvärmande solfångare) mycket röranslutningar som måste kunna följa med. Denna utrustning behöver du Solcell av god kvalitet (t.ex. Zenit ab läromedel nr eller Soldata SD25) Motstånd 3 ohm, Trimpotentiometer 50 kohm (Elfa) 5

6 Multimeter (experimentmaterielfirma) För montering: Lödkolv, lödtenn, ledningar. Alternativ: Färdigbyggd solarimeter (t.ex. Soldata 98 HP). För jämförande mätningar utomhus kan man också använda en luxmeter (från experimentmaterielfirma). I solljus motsvarar lux c:a 1000 W/m 2. Litteratur Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat ISBN Bl a solenergiutnyttjande, solfångare, solceller behandlas. Många experiment beskrivs. Grundläggande högskolenivå (eller fördjupning på gymnasiet). Bason Frank: Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, Täby. Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå. Eckerman Pelle, Grähs Gunna. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen Idérik experimentbok för barn. Martin Green: Solceller. Från solceller till elektricitet. Svensk byggtjänst Solceller och solcellssystem. Tillämpningsexempel i bostadshus och i utvecklingsländer. Gymnasienivå. Weblänkar PV-school project. Skolor med solcellsinstallation beskrivs och data från elproduktionen ges. Ej tillgänglig SolData. Experiment på bl. a solceller. Försäljning av bra solceller och annan utrustning, samt experimentbeskrivningar och litteratur. Gymnasienivå. På danska. Solcellsteori. Från gymnasie- till avancerad högskolenivå. US Depertment of Energy. Omfattande läromedel om hur solceller fungerar. Gymnasienivå. Mycket bra. På engelska. 6