Mats Areskoug. Solceller. Sveriges största solcellsanläggning på Ikea i Älmhult.

Transkript

1 Elevhandledning Experiment i miljöfysik Mats Areskoug Solceller Sveriges största solcellsanläggning på Ikea i Älmhult. Inledning Solceller ger elektrisk ström när solen lyser på dem. De består av specialbehandlade plattor av kisel. Kisel är ett halvledarmaterial, som är mycket vanligt på jorden. För att duga till solceller måste kiselmaterialet först göras oerhört rent. Därefter förorenas det med mycket små tillsatser av speciella ämnen. Kiselplattan blir då en diod, som kan leda ström i en riktning, men inte i den motsatta riktningen. En sådan kiselplatta, en p-n-övergång, är utgångsmaterialet till all elektronik i datorer, tvapparater, ljudanläggningar etc. Men det går också att tillverka solceller av materialet. När solen lyser på en p-n-övergång kan energin i ljuset göra att en elektrisk ström uppstår. Ännu är solceller dyra i tillverkning. Men med sjunkande priser skulle de kunna ge ett mycket viktigt bidrag till samhällets energiförsörjning. Experimenten kan göras med elever på olika nivåer i skola och högskola. Som ledning finns vid varje experiment en markering med följande innebörd * lämplig från grundskola och uppåt ** lämplig från gymnasiets naturkunskap och uppåt *** lämplig från gymnasiets naturvetarprogram och uppåt Även de enklare experimenten är givande för äldre elever de visar på fenomen och introducerar begrepp eller stärker begreppsuppfattningen. förteckningen vid varje experimentgrupp omfattar allt som behövs för att genomföra samtliga experiment under rubriken. Dock anges inte kablar och eventuell stativmateriel. De enklare experimenten kräver ofta inte tillgång till all utrustning, vilket framgår av själva experimentbeskrivningen.

2 Innehåll Inledning... 1 Innehåll Hur mycket ström kan solcellen ge Kan du få solcellen att ge mer ström? Solcellsdrivna leksaker Soldriven fontän Solcell och laddningsbart batteri Solcellens elektriska egenskaper Solcellens effekt Solcellens verkningsgrad Bygg en enkel instrålningsmätare Bygg en instrålningsmätare med direktavläsning Solcellen vid serie- och parallellkoppling Fontänpumpens elektriska egenskaper Lysdiod och solcell Solcellen som diod Solcellspanelen vid ojämn belysning Energiprincipen illustrerad med solcell... 20

3 1. Hur mycket ström kan solcellen ge Du skall undersöka hur mycket ström en solcell kan ge, och hur du skall placera solcellen för att få maximal ström. Solcell, gärna på vridbar ställning. Amperemeter Moln av halvgenomskinlig plast Ljuskälla t.ex. solen, lysrörsramp eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) * a) Koppla en amperemeter (strömmätare) till solcellen. Avläs hur mycket ström solcellen kan ge. Hur skall du rikta solcellen för att få största möjliga ström? * b) Låt solcellen stå i ett bra läge. Vad händer med strömmen om solen går i moln? Du kan själv testa genom att hålla ett konstgjort moln av plast framför solcellen.

4 2. Kan du få solcellen att ge mer ström? Undersök om du kan få solcellen att ge mer ström genom att använda reflektorer Solcell med reflektorer på vridbar ställning (Reflektorerna är monterade tätt inpå solcellen och har samma storlek som cellen) Reflektorer (speglar) i samma storlek som solcellen Amperemeter Ev. ljuskälla t.ex. byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) * a) Använd en solcell med två vridbara speglar (reflektorer). Koppla in en amperemeter (strömmätare). Börja med att ha reflektorerna helt utfällda. Rikta solcellen så att den ger största ström. Vinkla nu in reflektorerna och se om du kan få ännu större ström. Justera noga. Hur mycket ökade strömmen? * b) Använd nu en solcell utan reflektor (eller vinkla ut reflektorerna helt). Ställ upp den så att solen träffar baksidan. Koppla in amperemeter. Tag en lös reflektor och ställ dig framför solcellen. Försök rikta in din reflektor så att reflexen, solkatten, träffar solcellen. Du ser på strömmätaren hur bra du lyckas. Hur hög ström kan du få? Samarbeta med några kompisar, använd varsin reflektor. Hur mycket kan ni få strömmen att öka då ni samarbetar? ** c) Gör först experiment a). När reflektorerna står i sina bästa lägen, ställ dig framför solcellen och titta på den och in i reflektorerna. Vad ser du i reflektorerna? Vart går det solljus som träffar reflektorerna? Vrid reflektorerna inåt och utåt från bästa läget och titta in i dem. Försök förklara varför ett visst läge på reflektorerna ger störst ström från solcellen ** d) Gör experiment a). Hur mycket ökade strömmen med reflektorer i bästa läge? Mät nu dels solcellens area och dels den area som reflektorer och solcell tillsammans tar upp ljus från (med reflektorerna i bästa läge). Jämför ökningen av effektiv area och ökningen av ström. *** e) Mät reflektorernas vinkel mot solen vid bästa läge. Försök rita strålgång för några strålar som når solcellen via reflektorn. Kontrollera särskilt de strålar som träffar längst ut på reflektorn. 3. Solcellsdrivna leksaker

5 Undersök om solceller kan användas för att driva leksaker Solcellsdrivna saker, t.ex. flygplan, bil. Reflektorer (speglar) i samma storlek som solcellen Ev lösa solceller och motorer Ljuskälla t.ex. solen eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) Utförande * Undersök ett flygplan, en bil eller något annat som får elektrisk energi från en solcell. Hur mycket ljus behövs för att den skall fungera? Kan du får den att gå bättre med hjälp av reflektorer? Försök att själv bygga någonting som drivs av en solcell

6 4. Soldriven fontän Undersök om en solcell kan driva en fontän Solcell Maxspänning 17 V, maxström c:a 0,8 A Fontänpump 12 V, t.ex. YYYY Reflektorer av spegelplast Utförande Koppla solcellen till fontänpumpen. * a) Mät hur högt fontänen sprutar. Undersök hur solcellen skall riktas i sidled och höjdled, för att ge högst effekt. Jämför hur fontänen sprutar vid olika instrålning (klar sol, lätt molnigt, mulet etc.) Ställ upp solcellen i en fast riktning. Välj en dag med klar himmel och mät hur högt fontänen sprutar vid en rad olika tidpunkter under dagen. * b) Ställ upp solcellen med baksidan mot solen. Använd skivor av spegelplast för att reflektera in solljus på solcellen. Hur högt kan du få fontänen att spruta? Hur skall reflektorerna vara riktade? Samarbeta flera stycken. Hur högt får ni upp strålen nu?

7 5. Solcell och laddningsbart batteri. Du skall undersöka hur en solcell och en ackumulator kan samarbeta Kopplingstavla med lampor och uppladdningsbart batteri Solcell med maxspänning c:a 17 V, lämplig maxström i experimentet är c:a 150 ma. En solcell på c:a 10 dm 2 är lämplig, med en byggstrålkastare på c:a 1m avstånd som ljuskälla. 3 amperemetrar Voltmeter Ljuskälla t.ex. lysrörsramp eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) Solcellen är kopplad till en tavla med tre amperemetrar, en ackumulator och ett antal lampor. A A Solcell A Ackumulator * a) Skruva i en lampa. Titta på amperemetrarna och försök förstå hur strömmen går. Skruva efterhand i fler lampor och se vad som händer med strömmarna. Undersök hur lamporna lyser om solen går i moln (öka avståndet till ljuskällan så att belysningen på solcellen blir mindre). Hur förändras strömmarna då solen går i moln? Hur tror du det skulle gå att få alla fyra lamporna att lysa utan hjälp av ackumulatorn? Du kan också prova med att koppla in någon annan lämplig apparat (vattenpump, radio avsedd för 12 V) till solcellen i stället för lampor. ** b) Koppla bort ackumulatorn. Skruva i en lampa. Hur mycket ökar strömmen då du skruvar i allt fler lampor? Jämför med strömmarna då du har ackumulatorn inkopplad. Går det bra att få alla fyra lamporna att lysa?

8 ** c) Skruva i en enda lampa. Avläs strömmarna dels utan att ha ackumulatorn inkopplad, dels med ackumulator. Jämför hur mycket ström solcellen ger i de två fallen Sammanfatta vilka fördelar det ger att låta solcellen samarbeta med en ackumulator *** d) Koppla in en voltmeter på solcellen. Prova först utan ackumulator. Vad händer med spänningen då du driver en, två, tre eller fyra lampor? Gör om samma mätning med ackumulator. Fundera över hur verkningsgraden för solcellen förändras då den används med respektive utan ackumulator (jfr. experiment Solcellens effekt).

9 6. Solcellens elektriska egenskaper Du skall undersöka elektrisk ström och spänning från en solcell under olika förutsättningar Solcell Amperemeter Voltmeter Variabel resistor av lämplig storlek (se lärarhandledning) Ljuskälla t.ex. solen, lysrörsramp eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) * a) Koppla in en voltmeter till solcellen. Undersök hur hög spänning den ger. Jämför spänningen då solcellen är olika mycket belyst (olika riktningar mot himlen, eller soligt resp. molnigt. Om du använder lampa så varierar du avståndet till lampan.) Koppla nu in en amperemeter till solcellen. Se till att mätområdet är tillräckligt stort, så att mätaren klarar av den ström du får. Undersök nu strömmen vid olika stark belysning. Är det strömmen eller spänningen som varierar mest då belysningen ändras? *** b) Koppla upp en krets med solcell, variabel resistor voltmeter och amperemeter. Börja med högsta resistans. Gör en mätserie där du varierar resistansen i kretsen och avläser vilken spänning och ström solcellen ger. Se till att belysningen på solcellen är konstant under hela mätserien. Gör ett diagram med ström på vertikala axeln och spänning på horisontella. Har du tillräckligt med mätpunkter för att se kurvans form hela vägen från maximal spänning till noll? Komplettera annars med fler mätpunkter. Vad händer med strömmen då du minskar resistansen? Är förändringen likartad hela tiden? Försök förklara kurvans utseende! *** c) Ändra belysningen (rikta om solcellen eller ändra avståndet till lampan). Tag upp en ny ström-spännings karakteristik. Rita in den i samma diagram. Fundera över utseendet. Tag upp ytterligare en kurva vid annan belysning. Beskriv den väsentligaste förändringen i ström och spänning från solcellen då instrålningen minskar.

10 7. Solcellens effekt Du skall undersöka hur du skall göra för att få störst elektrisk effekt från en solcell. Experimentdata från föregående experiment utnyttjas. *** a) Undersök ström-spännings karakteristiken för solcellen (experiment Solcellens elektriska egenskaper). Titta på kurvan för en viss instrålning. Fundera över var på kurvan solcellen levererar högst effekt? Kontrollera ditt svar genom att beräkna effekten i varje mätpunkt. Beräkna också vilken resistans du hade i varje mätpunkt. Gör diagram med effekt mot resistans. *** b) Gör nu motsvarande beräkningar på mätserierna för andra värden på instrålningen. Rita kurvorna (effekt mot resistans) för olika instrålning i samma diagram. Antag att du vill använda solcellen för att driva en apparat med en viss resistans. Fundera över hur väl du utnyttjar solcellen vid olika instrålningar. *** c) Gå tillbaka till dina mätserier vid olika instrålning. Rita diagram med effekt mot spänning. Utnyttja dina diagram för att förklara varför det är lämpligt att låta solcellen samarbeta med en ackumulator (jämför experiment Solcell och laddningsbart batteri)

11 8. Solcellens verkningsgrad Du skall undersöka solcellens verkningsgrad. Solcell Amperemeter Voltmeter Variabel resistor av lämplig storlek (se lärarhandledning) Ev. pyranometer Ljuskälla t.ex. solen, lysrörsramp eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) Verkningsgrad är ett viktigt begrepp som anger hur effektiv en energiomvandlare, t.ex. en solcell, är. Verkningsgraden är kvoten mellan nyttig effekt och tillförd effekt. *** a) Fundera över solcellens energiomvandling: Vad är nyttig effekt? Hur kan du mäta den? Vad är tillförd effekt? Går den att mäta? *** b) Solinstrålningen (instrålad effekt per kvadratmeter) går att mäta med en solarimeter eller pyranometer. Använd den för att mäta instrålningen, samtidigt som du tar upp en ström-spännings karakteristik för solcellen (på samma sätt som i experiment XXX). Var noga med att mäta instrålningen på solcellens plats (samma avstånd från ljuskällan och samma riktning) Leta upp den punkt på karakteristiken som ger störst effekt. Beräkna solcellens verkningsgrad. Om du inte har tillgång till pyranometer kan du ändå göra försöket med klar sol högt på himlen. Med vinkelrätt infall är då instrålningen c:a 1000 W/m 2. Gör om experimentet vid annan instrålning. Jämför verkningsgraden. *** c) Beräkna verkningsgraden i alla mätpunkter i din ström-spännings karakteristik. Gör diagram med verkningsgraden som funktion av spänningen Gör liknande diagram för andra värden på instrålningen Under vilka förhållanden ger solcellen maximal verkningsgrad? Jämför med experiment Solcell och laddningsbart batteri. d) Hur stor är solcellens verkningsgrad när den är som högst? Hur stor är Instrålningen en solig dag är ca 1000 W/m 2, genomsnittsinstrålningen under hela året är ca 100 W/m 2 i Sverige. Hur stor elektrisk effekt kan du få från 1 m 2 solceller? En familj använder ca 4000kWh elektrisk energi på ett år. Hur stor medeleffekt motsvarar det? Hur stor solcellsarea skulle krävas för att familjen skulle bli självförsörjande på el? Finns det någon rimlig möjlighet att få plats med dessa solceller på ett enfamiljshus resp ett flerfamiljshus?

12

13 9. Bygg en enkel instrålningsmätare Du skall bygga en mätare som går att använda som instrålningsmätare, pyranometer, i andra experiment. Solcell Amperemeter ** Du kan själv bygga en enkel pyranometer av en solcell och en amperemeter. Som du sett i experiment Solcellens elektriska egenskaper beror maximala strömmen (kortslutningsströmmen) från solcellen av instrålningen. I själva verket är kortslutningsströmmen proportionell mot instrålningen. Koppla en amperemeter direkt till solcellen. Kontrollera först att amperemetern klarar den ström du kan vänta dig att solcellen ger. Rikta solcellen direkt mot solen, då det är klar sol, högt på himlen. Avläs strömmen. Detta värde motsvarar instrålningen 1000 W/m 2. Beräkna en kalibreringskonstant, som anger hur många W/m 2 som motsvarar strömmen 1 ma. Du kan också göra ett diagram med en kalibreringslinje som ger sambandet mellan ström och instrålning. Nu kan du enkelt mäta instrålning. Egentligen skall man aldrig koppla en amperemeter direkt till en strömkälla. Amperemetern har mycket liten resistans. Strömmen blir därför mycket stor (kortslutning), så stor att det är risk att amperemetern skadas. Varför kan man koppla amperemetern till solcellen, trots att man inte skall göra det med andra strömkällor? (Reservationer för spektrum- och för temperaturberoende i lärarhandledningen)

14 10. Bygg en instrålningsmätare med direktavläsning. Du skall bygga en instrålningsmätare som direkt utan omräkningar visar instrålningen i watt per kvadratmeter. Solcell Voltmeter Variabel resistor av lämplig storlek (se lärarhandledning) *** Använd en solcellsmodul som ger minst 3V obelastad. Anslut den till en variabel resistor. Placera den med en instrålning på 1000 W/m 2 (vinkelrätt mot en klar sol högt på himlen). Justera resistorn tills spänningen sjunkit till 1,000 V = 1000 mv. Du har nu kalibrerat din instrålningsmätare. Vid lägre instrålning ger den en ström genom resistorn som är proportionell mot instrålningen. Och spänningen över resistorn är proportionell mot strömmen enligt ohms lag. Alltså är spänningen proportionell mot instrålningen, med 1000 mv motsvarande 1000 W/m 2.

15 11. Solcellen vid serie- och parallellkoppling Undersök hur solcellen fungerar vid serie- och parallellkoppling 2 likadana solceller Amperemeter Voltmeter Variabel resistor av lämplig storlek (se lärarhandledning) Ljuskälla t.ex. solen, lysrörsramp eller byggstrålkastare 500 W (OBS minsta avstånd till solcell 50 cm, risk för överhettning) *** Använd två likadana solceller. Tag upp en I-U karakteristik för en av dem, som i experiment Solcellens elektriska egenskaper. Koppla samman dem i serie och tag upp en karakteristik för dem båda tillsammans. Hur förändras karakteristiken för de sammankopplade cellerna? Hur förändras optimala arbetspunkten (spänning och ström vid den punkt som ger högst effekt. Hur förändras maxeffekt och vekningsgrad? Gör motsvarande undersökning vid parallellkoppling av cellerna.

16 12. Fontänpumpens elektriska egenskaper Undersök en fontänpump för att se hur väl den passar att drivas av solcellen. Solcell Maxspänning 17 V, maxström c:a 0,8 A Fontänpump 12 V, t.ex. YYYY Voltmeter Amperemeter Variabelt spänningsaggregat *** a) Gör en ström-spänningskarakteristik för fontänpumpen: Se till att pumpen inte går torr. Koppla den till ett spänningsaggregat (0-12 V likström). Koppla in voltmeter och amperemeter. Börja vid 12 V, mät spänning och ström och notera spruthöjd. Gör en mätserie med lämpliga intervall ned till 0 V. Rita diagram. Ser diagrammet ut som du väntat dig? Hur skulle ett I-U-diagram se ut för en resistor? Gör nu om mätserien, men börja på 0 V och gå uppåt. Vad kan det bero på att strömmen blir olika i de båda fallen? *** b) För in pumpens karakteristik i samma diagram som solcellens karakteristik. Se till att du har kurvor för solcellen vid flera olika instrålningsnivåer. Fundera över hur väl fontänpumpen kan drivas av solcellen vid olika ljusförhållanden.

17 13. Lysdiod och solcell Undersök en lysdiod och jämför med en solcell Lysdiod, röd med klart hölje (ev. 7 stycken) Skyddsmotstånd c:a 200 ohm Batteri 3-4,5 V Variabelt spänningsaggregat En lysdiod är på sätt och vis solcellens motsats. Den omvandlar elektrisk energi till ljus, medan solcellen omvandlar ljus till elektrisk energi. Lysdioder används som signallampor på många apparater. En lysdiod kan förstöras om strömmen blir för stor. Därför måste den seriekopplas med en resistor på c:a 200 ohm. * a) Koppla ett batteri till lysdioden (med resistor). Kolla vad som händer. * b) Koppla nu en voltmeter till lysdioden. Täck över lysdioden noga t ex med svart papper så att den befinner sig i mörker. Håll den sedan i solljus eller nära en lampa. Vad händer med voltmeterns utslag? ** c) Koppla lysdioden (med resistor) till ett variabelt späningsaggregat. Koppla in en voltmeter som mäter spänningen över lysdioden. Starta med spänningen 0 V. Öka försiktigt spänningen och undersök hur stor spänning som behövs för att lysdioden skall börja lysa. Jämför med resultatet i experiment b). *** d) För att få lysdioden att lysa måste vi lyfta upp elektroner till en högre energinivå, ett lyft som motsvarar bandgapet i lysdioden. När elektronen sedan faller ned till sin ursprungsnivå, avger den sin energi till en foton. Använd resultatet i föregående experiment för att beräkna fotonens våglängd. Jämför med färgen på det ljus du såg. Upprepa gärna försöket med andra lysdioder. ** e) Som du såg i b) kan lysdioden fungera som energiomvandlare i båda riktningarna. Verkningsgraden är dock inte så stor. Undersök om du kan driva en lysdiod som lampa med några stycken lysdioder som solcell. Koppla t.ex. två lysdioder i serie, och parallellkoppla tre sådana par för att få en duglig solcell.

18 14. Solcellen som diod Undersök solcellens elektriska egenskaper Solcell (ej med inbyggd diod som spärrar mot backström solceller som är avsedda att kopplas till ackumulator brukar ha sådan) Batteri Glödlampa *** Täck över en solcell mycket noga med svart plast så att den befinner sig i mörker. Koppla in en amperemeter och kontrollera att solcellen inte ger någon ström. Koppla nu upp en krets med ett batteri och en glödlampa. Koppla in solcellen i serie i kretsen. Koppla från plus på batteriet till minus på solcellen. Prova sedan att ansluta solcellen i motsatt riktning. Vad kan du dra för slutsats om solcellens elektriska egenskaper i mörker?

19 15. Solcellspanelen vid ojämn belysning Undersök hur solcellen fungerar om den är ojämnt belyst. Solcellspanel (ej med inbyggd bypassdiod som leder strömmen förbi passiva celler vissa solceller har sådan) Voltmeter Amperemeter En solcell är egentligen en enda platta av halvledarmaterial, som ger en ganska låg spänning. Oftast är flera stycken celler seriekopplade i en solcellspanel eller -modul för att ge högre spänning. * a) Undersök en solcellspanel och räkna antalet celler. Koppla till en voltmeter och mät maximala spänningen i solljus. Hur stor spänning ger varje cell? *** b) Koppla solcellspanelen till en amperemeter och avläs strömmen. Klipp till en bit svart papper eller plast noga och lägg det så det täcker en enda cell. Mät strömmen igen. Blir förändringen rimlig med tanke på den övertäckta arean? Vad beror förändringens storlek på?

20 16. Energiprincipen illustrerad med solcell Solcellen tar upp solenergi. Du skall undersöka vilka energiformer denna energi omvandlas till. Solcell Temperaturgivare (gärna för datoranslutning) Termometer för omgivningstemperatur, eller ytterligare en temperaturgivare. Voltmeter Amperemeter Variabel resistor *** Montera en temperaturgivare, t.ex. ett termoelement på baksidan av en solcell. Montera solcellen på en cellplastskiva, så att värmeavgivning bakåt minimeras. Ställ upp solcellen i konstant belysning. Tag upp en ström-spännings karakteristik för att finna bästa arbetspunkt (jfr. experiment Solcellens effekt). Anslut en variabel resistor tillsammans med amperemeter och voltmeter. Justera in resistorn så att solcellen arbetar nära sin bästa arbetspunkt. Bryt därefter kretsen så att strömmen blir noll. Avläs solcellens temperatur regelbundet (gärna med dator- eller CBL-ansluten givare) och låt den stabilisera sig på en konstant nivå. Avläs även omgivningstemperaturen. Energi är som bekant oförstörbar. Vad händer nu med den instrålade effekt som solcellen absorberar? Slut nu kretsen, så att solcellen arbetar vid sin bästa arbetspunkt. Avläs temperaturen regelbundet. Vad händer? Låt temperaturen stabilisera sig. Solcellen är nu åter i energibalans. Vad händer nu med den instrålade effekt som solcellen absorberar? Hur mycket har temperaturskillnaden mot omgivningen förändrats? Kan du ur detta dra någon slutsats om solcellens elektriska verkningsgrad?