Laborationer i miljöfysik Solcellen Du skall undersöka elektrisk ström, spänning och effekt från en solcellsmodul under olika förhållanden, och ta reda på dess verkningsgrad under olika förutsättningar. Figur 1. Solcellspanel på Malmö högskola, lärarutbildningen. Toppeffekten är 55 W, storleken 0,4m 0,9m En solcell (photovoltaic cell) är en tunn platta av dopat halvledarmaterial (oftast kisel), med en p-n-övergång mellan översida och undersida. Vid belysning kan fotonenergin göra att laddningar får tillräcklig energi att driva runt en elektrisk ström i en ansluten krets. Solcellerna tillverkas ofta i ca en kvadratdecir stora plattor, som ger 0,5 volt och 3 ampere vid full solbelysning. De monteras i större sammankopplade enheter, som kallas solpanel eller solmodul. 1-3 Solcellens egenskaper Du skall undersöka ström I och spänning U från en solcellsmodul då du varierar kretsens resistans R. Du mäter också instrålningen med en solarir (kalibrerad solcell) och kontrollerar att den är konstant under din mätserie. Om du använder en lysrörsramp som ljuskälla bör du mäta instrålningen på flera ställen av solcellsmodulen, för att kontrollera om instrålningen är lika över hela ytan. 1
solcell Visa din koppling för handledaren innan du kopplar på strömmen! V R 1. Solcellens karakteristik Ur dina mätvärden beräknar du kretsens resistans R och den effekt P som solpanelen gav. Rita graferna ström som funktion av spänning effekt som funktion av spänning effekt som funktion av belastningsresistans Hur får man maximal effekt från solcellen? Hur stor är solcellens verkningsgrad? 2. Hur fungerar solcellen vid svagare instrålning Tag upp ström-spännings-karakteristiken för solcellen vid lägre instrålning. För in resultaten i samma diagram som du gjort tidigare. Hur förändras ström respektive spänning då instrålningen minskar? Vad bestämmer maximala strömmen från solcellen? 3. Hur fungerar solcellen om en del av den är skuggad? Skugga en av de seriekopplade cellerna i solcellspanelen med ett svart papper. Tag upp karakteristiken. 2
4. Hur fungerar solcellen i kombination med en ackumulator Koppla en solcell och en ackumulator så att de gemensamt kan strömförsörja ett antal glödlampor eller någon annan belastning. Koppla in tre amperemetrar, som mäter totala strömmen till belastningen, strömmen från solcellen resp. strömmen från eller till ackumulatorn. Koppla också in en voltr över solcellen: ckumulator Belys solcellen. Prova med dels några olika belastningar (en eller flera glödlampor), dels olika stark instrålning. Undersök för de olika fallen Varifrån strömmen till belastningen kommer Om ackumulatorn laddas eller urladdas Om solcellen arbetar vid en lämplig spänning 3
5. Energiomvandlingar i olika riktningar Normalt används en lysdiod som en svag ljuskälla, t ex som kontrollampa på elektriska apparater. Den fungerar på motsatt sätt mot solcellen: man tillför elektrisk energi, som lyfter elektroner till en högre energinivå. Då de faller tillbaka avger de ljus. 5 a. Energiomvandlingar i lysdiod nvänd en röd lysdiod med klart hölje. Långt spröt är +. Lysdioden skall vara seriekopplad med ett motstånd på minst 200 ohm, som begränsar strömmen. Koppla in ett 4,5 V batteri. Vad händer? Försök beskriva energiomvandlingen med hjälp av termer som valensband, ledningsband och bandgap. 5 b. Lysdiodens bandgap Undersök ungefärliga storleken på bandgapet genom att långsamt öka spänningen (starta på 0 V) och se vid vilken spänning lysdioden börjar lysa. Lämplig koppling: Batteri 4,5 V Variabelt motstånd 150 ohm Motstånd 220 ohm Lysdiod V Beräkna ungefärliga ljusvåglängden som motsvarar bandgapets energi. Vilken färg motsvarar detta? 5 c. Lysdioden som solcell Prova nu om lysdioden kan göra den omvända energiomvandlingen, från ljus till elektrisk energi. Belys den med klart solljus eller på 1 cm avstånd från en lysrörslampa. Koppla in först en voltr, sen en mycket känslig amperer. (Nu behövs inte något motstånd strömmen blir ändå mycket liten.) Undersök också strömriktningen, och jämför med den strömriktning som behövs för att driva dioden som lysdiod. Gör en beräkning på diodens ungefärliga verkningsgrad som solcell. 4
6. Kompletterande experiment Låt en solcell driva en glödlampa, lysdiod, motor, fläkt, vattenpump, radio, freestyle, klocka, miniräknare etc. Välj kombination av solcell och belastning så att solcellen utnyttjas optimalt. Om solcellen får driva en liten pump, som pumpar vatten från en nivå till en högre, kan man beräkna ökning i potentiell energi och motsvarande effekt och verkningsgrad för kombinationen solcell, motor och pump. 5