***** Mera om Solcellspaneler för leksaksdrift Att finna lämpliga solceller eller solcellspaneler för leksaksdrift är inte lätt. Det är en rad egenskaper man måste beakta, t.ex. solcellens typ, spänning, ström, verkningsgrad, storlek, pris. Man kan också behöva ta ställning till om man skall koppla samman flera solceller, och hur de i så fall skall kopplas samman. Typ av solcell och verkningsgrad Mycket grovt kan man dela in solceller i kristallina och tunnfilmsceller. De kristallina har ett typiskt gaffelformat ledningsmönster på ytan. De har i allmänhet hög verkningsgrad (vilket för en solcell i handeln betyder 1214 %) och är förhållandevis dyra. Tunnfilmscellerna har en i stort sett slät svart yta. De har en verkningsgrad på 68 %. De är oftast billigare än en kristallin med samma mått. Men eftersom verkningsgraden är mindre får man lägre effekt och energi från den. Räknat efter vad de ger i effekt och energi är det därför ofta lämpligast att köpa kristallina solceller. På en leksak, t.ex. en bil eller båt är ju ofta den tillgängliga ytan att placera solceller på begränsad, vilket talar för solceller med hög verkningsgrad. Verkningsgrad definieras som nyttig energi dividerat med tillförd energi. För en solcell anger verkningsgraden hur stor andel av den instrålade solenergin som levereras ut som elenergi. Resten blir värme till ingen nytta. Billiga solceller av mycket låg kvalitet säljs ofta av hobbyfirmor och experimentmaterielfirmor. De brukar vara monterade i ett plasthölje med en genomskinlig ovansida med bubbligt utseende. Ofta har de en storlek på cirka 4 cm. 6 cm. Innanför höljet kan man se att de är hoplappade av små spillbitar av solceller. De har mycket dålig verkningsgrad och går knappast att använda till någonting. Spänning och ström En elektrisk apparat, en lampa, motor e.d. kräver en viss spänning och en viss ström för att fungera. Ofta börjar den fungera (lysa svagt, köra långsamt) vid lägre spänning och ström, medan den fungerar bättre vid högre spänning och ström (upp till en gräns där den bränns sönder). Om apparaten skall drivas med batteri behöver man oftast bara kolla att batteriet ger lämplig spänning. Apparatens resistans avgör sen hur stor strömmen blir. I de flesta fall kan batteriet lämna så mycket ström som apparaten kräver. Mycker grovt kan man säga att batteriet ger en konstant spänning, ofta 1,5 V, och så mycket ström som bestäms av apparatens resistans genom ohms lag: 1
spänning U ström = I = resistans R Vill man ha högre spänning seriekopplar man flera batterier. + kopplingsplint solceller motor + Seriekoppling Figur 1. Seriekoppling av solceller Med solceller är det annorlunda. Varje solcell ger spänningen cirka 0,5 V. Eftersom detta är för lite för de allra flesta apparater seriekopplas oftast ett antal solceller till en solcellspanel redan vid tillverkningen. På kristallina solcellspaneler kan man ganska lätt urskilja de enskilda solcellerna och räkna ut spänningen som antalet celler gånger 0,5 V. (I praktiken kallar man ofta en solcellspanel för en solcell.) Strömmen från en solcell begränsas av solinstrålningen. Man kan mycket förenklat beskriva det som att solstrålningen består av ett flöde av fotoner, ljuspartiklar, som strömmar in. Varje foton kan i princip sätta fart på en elektron i solcellen, och skicka ut den som elektrisk ström. Styrkan på solstrålningen avgör hur många fotoner per sekund som träffar solcellen. Varje foton kan sätta fart på en elektron. Antalet elektroner per sekund som skickas ut från solcellen avgör hur stor strömmen blir. En solcellspanel som ger maximalt spänningen 2 V och strömmen 400 ma vid fullt solljus kan ge exempelvis 2 V och 200 ma vid lätta molnslöjor, 2V och 100 ma vid molnig himmel och kanske 2 V och 50 ma vid mulet väder. Om man vill att denna solcellspanel skall driva en apparat som kräver 2 V och 400 ma går det alltså bra i fullt solsken, men inte molnslöjor. Vill man få högre ström måste man parallellkoppla flera solceller eller solcellspaneler. 2
+ kopplingsplint solceller motor + Figur 2. Parallellkoppling av solceller Parallellkoppling *** Solcellens spänning ström karakteristik Vill man undersöka solcellens elektriska egenskaper noggrannare måste man studera dess spänning ström karakteristik. För naturvetarstudenter på gymnasium eller högskola är det en lämplig uppgift att mäta upp karakteristiken. Solcellen kopplas till en variabel resistor i serie med en amperemeter, och med en voltmeter ansluten parallellt, se Figur 3. Solcellen placeras i solljus med konstant styrka (eventuellt kan konstljus användas). R solcell V Figur 3. Kopplingsschema för solcellens karakteristik A Man startar med maximal resistans (hur mycket som behövs är beroende på solcellens storlek, oftast några tusen ohm). Man avläser spänning och ström från solcellen vid denna resistans, Man minskar resistansen lite och avläser spänning och ström på nytt. Så fortsätter man ned till resistansen noll. Man uppmärksammar så att intervallen mellan mätvärdena inte blir för stort. 3
Mätvärdena prickas ini ett diagram och förenas med en kurva.resultatet kan se ut som i Figur 4. UIdiagram för solcell SD 25 vid fullt solljus 600 500 Ström I / ma 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Spänning U / V Figur 4. Ström spänningskarakteristik för solcell vid full instrålning. Vad kan man utläsa ur denna karakteristik? Mätserien startade med mycket stor resistans i nedre högra änden av kurvan. Spänningen är cirka 2,3 V, strömmen är nära noll, precis som man kan vänta när resistansen är hög. Vi säger att U oc = 2,3 V, där oc står för open cirquit. När vi sedan minskar resistansen följer vi kurvan snett uppåt. Strömmen ökar i enlighet med ohms lag. Spänningen är nästan konstant. I själva verket minskar den något på grund av inre resistans i solcellen. Precis detsamma gäller för ett batteri om man undersöker det på samma sätt. Man kan uttrycka det som att strömkällan inte riktigt orkar hålla spänningen uppe vid stort strömuttag. Med ett batteri skulle linjen som pekar snett upp åt vänster fortsatt i precis samma riktning, och bildat en rät linje när vi ytterligare sänker resistansen. Batteriet har förmåga att ge hög ström, det enda som begränsar det är den inre resistansen. Men för solcellen ser vi att kurvan böjer av och lägger sig på en platå. Denna solcell, vid denna instrålning, kan tydligen ge högst 400 ma. Där kurvan slutar vid strömaxeln har vi vridit ned resistansen till noll solcellen är kortsluten. Vi säger att I sc = 400 ma, där sc står för short cirquit. Om man vill utnyttja en solcell så effektivt som möjligt skall man se till att den ger både hög ström och hög spänning. Elektrisk effekt kan ju beräknas som effekt = ström spänning P = I U 4
Den punkt på kurvan där solcellen ger högst effekt ligger därför ungefär mitt på knäet. Detta är bästa arbetspunkt för cellen, med U mp = 1,9 V, I mp = 310 ma, där mp står för maximum power. Det är utifrån dessa värden som verkningsgraden kan beräknas. Om mätserien upprepas vid några olika tillfällen med lägre instrålning (det kan var p.g.a molnig himmel eller snett infallande solljus) kan man få en skara kurvor som i Figur 5. UIdiagram för solcell SD25 Solcell 1000 W/m2 Solcell 500 W/m2 Solcell 750 W/m2 Solcell 250 W/m2 600 500 Ström I / ma 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Spänning U / V Figur 5. Ström spänningskarakteristik för solcell vid olika värden på instrålning. I Figur 5 ser vi hur maximala strömmen minskar i takt med minskad instrålning, medan maximala spänningen nästan enbart beror på solcellens inre egenskaper. *** Verkningsgrad Utifrån spänning och ström vid maximum power point kan man beräkna maximala elektriska effekten från solcellen: P max = U mp I mp = 1,9 V 310 ma = 0,589 W Den tillförda effekten bestäms av solinstrålningen S = 1000 W/m 2 och solcellens area A. Denna solcellspanel består av 4 seriekopplade celler på vardera 25 mm. 50 mm. Tillförd effekt blir alltså 5
P in = S A = 1000 4 0,025 0,050 W = 5 W Verkningsgraden e blir Pnyttig 0,589 e = = = 0,118 = 11,8 % Pin 5 Eftersom vi utgått från cellernas storlek kallas detta cellverkningsgraden. Vill vi i stället utgå från hela panelens area, inklusive kanter med kopplingskontakter, får vi panelverkningsgraden (panelens yttermått är 60 mm. 120 mm): P in = S A = 1000 0,060 0,120 W = 7,2 W e = P nyttig P in 0,589 = = 0,082 = 8,2 % 7,2 Solceller i praktiken Vilka solceller skall man då köpa för skol och leksaksbruk? För att driva de små motorer för bil och båtdrift m.m. som vi beskriver i experimenten, och som säljs från de flesta experimentmaterielfirmor, är det lämpligt med en eller två solceller som ger cirka 2 V och 300 ma vid full solinstrålning. För att göra en bil starkare så att den klarar ojämnt underlag eller svagare instrålning kan man koppla ihop två solceller. Oftast är det parallellkoppling som fungerar bäst (motorn behöver mer ström än vad en solcell kan ge), men beroende på den tillkopplade apparatens resistans (och övriga egenskaper) kan ibland seriekoppling vara lämpligare. Här är det bäst att prova sig fram. Mer om motorer för solcellsdrift finns i dokumentet Motorer för solcellsdrift. Tre lämpliga solceller är (se Inköpsställen för adresser): Soldata SD25 (från Soldata Instruments). Den syns på bilder i många av våra experimentbeskrivningar. Strömspänningskarakteristik visas i Figur 5. Den kostar 79 danska kr (cirka 100 svenska). Yttermått 60 mm. 120 mm. Zenit ab läromedel nr 16000500. Den är lite större och strömstarkare än Soldata SD 25. Den kostar 185 kr i en sats med en motor, fläkthjul (propeller) och elektronisk speldosa. Yttermått åttakantig 122 mm. 122 mm. Alega skolmateriel AB nr EN6a. Liknande Zenits. Enbart solcell kostar 120 kr. 6
Litteratur Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 9144011148. Bl a solenergiutnyttjande, solfångare, solceller behandlas. Många experiment beskrivs. Grundläggande högskolenivå (eller fördjupning på gymnasiet). Bason Frank: Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing 2002. Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, 18303 Täby. Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå. Eckerman Pelle, Grähs Gunna. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen 1997. Idérik experimentbok för barn. Martin Green: Solceller. Från solceller till elektricitet. Svensk byggtjänst 2002. Solceller och solcellssystem. Tillämpningsexempel i bostadshus och i utvecklingsländer. Gymnasienivå. Weblänkar http://www.pvschools.net/public/pvschools.htm PVschool project. Skolor med solcellsinstallation beskrivs och data från elproduktionen ges. Ej tillgänglig 030919. http://www.soldata.dk/ SolData. Experiment på bl. a solceller. Försäljning av bra solceller och annan utrustning, samt experimentbeskrivningar och litteratur. Gymnasienivå. På danska. http://britneyspears.ac/basics.htm Solcellsteori. Från gymnasie till avancerad högskolenivå. http://www.eere.energy.gov/pv/ US Depertment of Energy. Omfattande läromedel om hur solceller fungerar. Gymnasienivå. Mycket bra. På engelska. 7