Se även "Bygg en solcellsdriven bil" och Solcellspaneler för leksaksdrift

Transkript

1 ***** Mera om Motorer för solcellsdrift Se även "Bygg en solcellsdriven bil" och Solcellspaneler för leksaksdrift Ett antal motorer har provats för drift av leksaksbil och annat med solceller. Ett första mått på motorna elektriska egenskaper kan vara dess resistans. Med detta menas den rena resistansen i lindningarna, mätt när motorn hindras från att snurra. Motor Resistans ohm Clas Ohlson 1,5 V 19 Clas Ohlson 3V 1 Adynam snäckväxel 3,6 Sagitta kuggväxel 1,5 Beskrivning av motorerna Clas Olson 1,5V nr Mycket svag och strömsnål. Är bra till enkla snurror, t.ex. en färgsnurra (pappcirkel med färgsegment). Fungerar även bra som generator till vindkraftverksmodeller. Pris 19 kr. Clas Olson 3V nr Stark och bra, bör fungera bra vid 3 ma. Pris 19 kr. A-dynam, snäckväxelmotor Fungerar hyfsat vid 3 ma. Pris c:a 6 kr Sagitta kuggväxelmotor med två utväxlingar, nr 9948 Strömsnål, fungerar bra, stabil. Kugghjulsväxeln är lite pillig att montera. Den kan monteras på två sätt, som ger utväxling 1:6 (lagom för bil), eller 1:288 då blir den mycket stark men långsam, kanske lämplig till speldosa. 1

2 *** Ström spänningskarakteristik Figur 1 visar ström-spänningskarakteristik för motorerna. Med helt bromsad motor beter de sig som en ren resistans, med linjär ström-spännings-karakteristik. Motor, helt bromsad Clas O 1,5V Clas O 3V A-dynam, snäckväxel Sagitta kuggväxel I / ma U / V Figur 1. Ström-spänningskarakteristik för några motorer, bromsade. 2

3 Vid fri drift, Figur 2, beter sig motorn likadant för så små spänningar, att motorn inte roterar. Vid den spänning då den börjar rotera sjunker strömmen kraftigt p.g.a. en inducerad mot-emk. Då man ökar yttre spänningen ökar rotationshastigheten och mot-emk, medan strömmen ökar svagt. Observera skillnaden mot Figur 1 vad gäller skalan på strömaxeln. Resultaten är intressanta exempel på induktion och mot-emk för fysikstuderande på gymnasium och högskola. Motor, fri rotation Clas O 1,5V Clas O 3V A.dynam, snäckväxel Sagitta kuggväxel (1:1) I / ma U / V Figur 2. Ström-spänningskarakteristik för fritt snurrande motorer. 3

4 I Figur 3 visas karakteristiken för en motor som fungerar bra för drift av bilar, Sagitta med kuggväxel, nr Kurvor visas för fri drift och för helt bromsad motor. Därtill finns en kurva som är uppmätt med motorn monterad med kuggväxel och hjul på en bil som står respektive kör på golvet (se Figur 4). Motorn kommer då inte att starta vid lika låg spänning och ström som vid fri drift. Denna mellersta kurva är alltså den motorkarakteristik som skall anpassas mot solcellspanelens karakteristik, för att bilen skall fungera bra. Motor Sagitta Fri rotation Driver bil, 1:6 Helt bromsad I / ma U / V Figur 3. Karakteristik för motor vid tre olika driftsförhållanden. 4

5 Figur 4. Solcellsdriven bil med motor Sagitta med kuggväxel 1:6. *** Anpassning av motorkarakteristik och solcellskarakteristik Solcellens karakteristik diskuteras i avsnittet Solcellspaneler för leksaksdrift. Karakteristiken för den solcellspanel som används i många av experimenten, Soldata SD25, visas i Figur 5. U-I-diagram för solcell SD Ström I / ma Solcell 1 W/m2 Solcell 75 W/m2 Solcell 5 W/m2 Solcell 25 W/m2,5 1 1,5 2 2,5 Spänning U / V Figur 5. Karakteristik för solcell SD25. 5

6 När solcellens och motorns karakteristik läggs in i samma diagram får vi Figur 6. U-I-diagram för solcell SD25 och motor med kuggväxel på bil Ström I / ma ,5 1 1,5 2 2,5 Spänning U / V Solcell 1 W/m2 Solcell 75 W/m2 Solcell 5 W/m2 Solcell 25 W/m2 Motor Sagitta 1:6 på bil i drift Figur 6. Karakteristik för solcell och motor Den ström och spänning solcellen kan ge (beroende på hur den belastas) visas alltså (beroende på hur stor solinstrålningen är) av en av de fyra kurvorna. Den ström och spänning motorn drar (beroende på hurdan strömkälla den förses med) visas av motorkarakteristiken. Vid spetsen på kurvan, c:a,5 V och 2 ma, startar motorn och bilen rullar igång. När den väl rullar drar den mindre ström. Den faktiska strömmen och spänningen som erhålls när man kopplar samman solcell och motor ges av skärningspunkten mellan solcellskurvan och motorkurvan. Om vi följer motorkurvan från origo kan vi konstatera följande: 1. Skärningspunkten med solcell 25 W/m 2. Vid denna instrålning ger solcellen så lite ström att motorn ej startar. 2. Första skärningspunkten med solcell 5 W/m 2. Vid denna instrålning ger solcellen så mycket ström att motorn precis startar. När den väl startat följer den karakteristiken upp till 3. nästa skärningspunkt med solcell 5 W/m Skärningspunkten med solcell 75 W/m 2. Vid denna instrålning ger solcellen så mycket ström att motorn går bra. 5. Skärningspunkten med solcell 1 W/m 2. Även här ger solcellen så mycket ström att motorn går bra. Vi ser att arbetspunkten, dvs. skärningspunkten mellan motorns och solcellens karakteristiker, i detta fall ändras mycket lite då instrålningen ändras från 5 till 1 W/m 2. Bilen går alltså stabilt även om lätta molnslöjor skymmer solen. 6

7 *** Serie- och parallellkopplade solceller I Figur 7 visas karakteristik för två seriekopplade solceller och motor. Solcellerna ger nu dubbla spänningen jämfört med en enkel solcell. Skärningspunkterna förskjuts till högre spänning och något högre ström jämfört med Figur 6. Elektriska effekten blir högre och bilen går snabbare och blir starkare. Däremot förskjuts inte startpunkten, eftersom kurvorna ej förskjuts i höjdled. Bilen startar alltså ej vid lägre instrålning än med en enkel solcell. Ström I / ma U-I-diagram för två seriekopplade solceller SD25 och motor med kuggväxel på bil Spänning U / V Figur 7. Två seriekopplade solceller och motor Figur 8 visar karakteristik för två parallellkopplade solceller och motor. Här inträffar startpunkten (knäet på motorkurvan) redan vid instrålningen 25 W/m 2, bilen startar alltså vid svagare instrålning. Vid de tre högre instrålningskurvorna inträffar däremot skärningspunkten vid obetydligt förändrade värden jämfört med Figur 6. Ström I / ma 1 U-I-diagram för två parallellkopplade solceller SD25 och motor med kuggväxel på bil Spänning U / V Figur 8. Två parallellkopplade solceller och motor I allmänhet resulterar parallellkoppling, som i Figur 8, att motorn startar och går vid lägre instrålning. Beroende på hur motorkarakteristiken skär solcellskurvorna kan ibland seriekoppling (som i Figur 7), ibland parallellkoppling (om motorkurvan skär platådelen av solcellskurvorna) ge högre effekt och säkrare gång. 7

8 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 22. Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 363, 1833 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 22. 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. Solcellsbilar Bilder från solbilstävlingen World solar challenge. Chimacum Middle School. Geomarbetad lektionsplan och detaljerad elevinstruktioner för solcellsbilar. Från 14 år. På engelska. US National Renewable Energy Laboratory. Hur en solcellsbil fungerar inuti och tips för optimering. Kan vara intressant som fördjupning för lärare. På engelska. US National Renewable Energy Laboratory. Diskuterar en rad saker att tänka på när man bygger en solcellsbil. Från 14 år. På engelska. 8

9 US National Renewable Energy Laboratory. Guide för lärare om hur man kan använda solcellsbilkonstruktion i lärandet. På engelska. US National Renewable Energy Laboratory diskuterar i detalj många aspekter på konstruktion av modell- solbilar. Gymnasium. På engelska. 9