Messbericht Kennlinie Einer Solarzelle
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Institut für Energiesysteme und Fluid-EngineeringIEFE
Kennlinie einer Solarzelle
Messprotokoll: SpannungsmessungMessung vom: 9.10.2013
Auftraggeber:ZHAW
A. HeinzelmannTechnikumstr. 98401 Winterthur
Autor : Marc Thurnheer
Sebastian Nadler
EU13b
ZHAW
Zürcher Hochschule für
Angewandte Wissenschaften
Technikumstr. 9
8401 Winterthur / Schweiz
Projekt : ELHL Praktikum 3
Version : 0.2
Seiten : 17
Erstellt am : 12.10.2013
Letzte Änderung : 22.10.2013
Datei : document.docx
geprüft :
genehmigt :
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Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
In diesem Praktikum wurde die Spannung einer Solarzelle, unter zwei unterschiedlich starken Beleuchtungen, mit dem digitalen Voltmeter Hameg 8011 spannungsrichtig ausgemessen. Mit den Messdaten und dem Berechnen des Stromes konnten die beiden U-I-Kennlinien aufgezeigt werden, sowie die Leistungen untereinander verglichen und so mit der Idealkurve verglichen werden. Wie zu erwarten war, fand eine Abweichung zur Idealkennlinie statt, welche jedoch darauf zurückzuführen ist, dass die Idealkennlinie rein theoretisch zu betrachten ist. Was bedeutet, dass jegliche Verluste und äussere Beeinträchtigungen nicht in die Berechnungen miteinbezogen wurden. Von der Charakteristik her sind die zwei U-I-Kennlinien der Messung ähnlich zu jener der Idealkennlinie.
Die Leistung ist abhängig von der Beleuchtungsintensität auf die Solarzelle, und die maximal erreichten Leistungen entsprechen unterschiedlichen Lastwiderständen bei Voll- oder Teilbeleuchtung.
Bei Vollbeleuchtung liegt die höchste Leistung (-5.826 mW) bei einem Lastwiderstand von 300 Ω, bei
Teilbeleuchtung wird bei einem Lastwiderstand von 600 Ω nur noch eine Leistung von -2.432 mW
erreicht. Da sich der Verbraucher (Lastwiderstand RL), der an eine Solarzelle angeschlossen ist, nicht gross ändert, wird bei unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten nicht immer die optimale Maximalleistung abgerufen.
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Inhaltsverzeichnis
Dokument Versionsverwaltung
Version Autor QS Datum Status Änderungen
0.0 Thurnheer
Nadler
MT
SN
2013-10-12 Entwurf Erstellung des Berichts
0.1 Thurnheer
Nadler
MT
SN
2013-10-16 Entwurf Messergebnisse, Tabellen
0.2 Thurnheer
Nadler
MT
SN
2013-10-21 Fertig formative und sprachliche Anpassungen
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis 1 Messung.......................................................................................................................................1-7
1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Messung....................................................................................................1
1.2 Messaufbau..............................................................................................................................................1-2
1.3 Messdurchführung......................................................................................................................................2
1.4 Messergebnis...............................................................................................................................................3
1.5 Auswertung..............................................................................................................................................4-7
2 Begriffsdefinitionen und Masseinheiten.......................................................................................8
3 Anhang.......................................................................................................................................9-10
4 Literatur........................................................................................................................................11
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Messung 1
1 Messung
1.1 Aufgabenstellung und Ziel der Messung
Das Ziel bei der Messung ist, die U-I-Kennlinie einer Solarzelle unter zwei verschiedenen Beleuchtungsstärken darzustellen. Anhand der gemessenen Spannung Um und dem daraus berechneten Strom Im, werden zwei Kennlinien erstellt und untereinander verglichen. Ein weiteres Ziel ist die maximale Leistung in Abhängigkeit des Widerstandes in der Kennlinie zu ermitteln. Es ist zu erwarten, dass die Solarzelle bei voller Beleuchtung mehr Strom abgibt und somit aufgrund des Ohm’schen Gesetzes mehr Leistung hat. Da die Solarzelle aktiv als Spannungsquelle arbeitet, liegt ihre Kennlinie im 4. Quadranten des Koordinatensystems. Die Messgenauigkeit sollte die vom Hersteller der Messgeräte angegebene Messunsicherheit nicht überschreiten unter Berücksichtigung der Genauigkeit von den Widerständen von 1 %.
1.2 Messaufbau
Beim Messaufbau (Bild 1-1) wird zwischen zwei verschiedenen Stromkreisen unterschieden. Zum einen sieht man in der linken Abbildung, dass die Beleuchtungseinheit an der der Spannungsquelle mit 12 V betrieben wird. Zur Aufnahme der Kennlinie wird eine Widerstanddekade (RL) an die Solarzelle angeschlossen. Sie besitzt mehrere Schalterstellungen, mit verschiedenen Widerständen, deren Werte so ausgewählt werden, dass der Verlauf der Kennlinie gut dargestellt werden kann. Der Lastwiderstand RL simuliert in der Schaltung einen Verbraucher. Mit dem Voltmeter, welches parallel an der Widerstanddekade angeschlossen ist, wird die Spannung spannungsrichtig gemessen. In der Messung kamen die Messgeräte nach Tabelle 1-1 zum Einsatz.
Bild 1-1: Messaufbau mit Solarzelle und Lampe
Messgerät: HAMEG 8011
Inventar-Nummer: 12-912
Messbereich: 20V
Messanordnung: Direkte Messung
Messgerät: HAMEG 8142
Inventar: 15-912
Einstellung: 12V DC
Messanordnung: Spannungsquelle
Tabelle 1-1: Messgeräte
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Messung 2
Anmerkungen:
Beim Voltmeter handelt es sich um ein Multimeter HAMEG 8011 Die Messunsicherheit beim HAMEG 8011 bei Messbereich 20V beträgt ± 0.05% vom
Messbereich ± 0.005 vom Ergebnis. Beim Netzgerät handelt es sich um ein Gerät Typ HAMEG 8142
1.3 Messdurchführung
Ohne Betrieb der Beleuchtungseinheit misst man als erstes die höchste Spannung, die bei Umgebungslicht anliegen kann, unter Berücksichtigung der Grösse des Lastwiderstandes RL. Danach wird gemäss Bild 1-2 und 1-3 die Beleuchtungseinheit mit 12V Betriebsspannung belastet, womit auf dem Voltmeter ein Wert erscheint. Die Beleuchtungseinheit wird so ausgerichtet, dass die maximale Spannung auf dem Voltmeter angezeigt wird. Somit ist die Beleuchtungsstärke auf 100 % (Vollbeleuchtung) eingestellt. In der ersten Messserie (Vollbeleuchtung), welche schlussendlich aus 15 Einzelmessungen bestand, wurden die Widerstände so gewählt, dass die U-I-Kennlinie gut dargestellt werden kann. Im Bereich der Krümmung mussten deswegen viele Messpunkte gewählt werden, um grobe Knicke in der U-I-Kennlinie zu vermeiden Ein einzelner Messschritt beinhaltet die Messung eines eingestellten Widerstandes auf der Dekade. Die Spannung wird also unter dem Einfluss verschiedener Widerstände RL von 10 – 10000 Ω gemessen und sogleich abgelesen. Bei der zweiten Messserie (Teilbeleuchtung), bei welcher die gleichen 15 Widerstände verwendet werden, ist die Beleuchtungseinheit so einzustellen, dass beim Lastwiderstand RL = 100 Ω die gemessene Spannung genau die Hälfte des Wertes beträgt, welcher bei 100% Beleuchtungsstärke gemessen wurde. Somit simulieren wir für die zweite Messserie eine andere Beleuchtungsstärke.
Bild 1-2: links Spannungsquelle; rechts Voltmeter Bild 1-3: Solarzelle und Beleuchtungseinheit
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Messung 3
1.4 Messergebnis
Die Tabelle 1-1 zeigt die Messwerte der Messung anhand der verschieden eingesetzten Widerstandswerte bei Voll- und Teilbeleuchtungsintensität.
RL [Ω] UmVoll [V] UmTeil [V]10000 1,667 1,570
3300 1,654 1,5501000 1,612 1,468
800 1,590 1,372600 1,560 1,208500 1,531 1,061450 1,509 0,977400 1,476 0,887350 1,418 0,790300 1,322 0,690250 1,155 0,585200 0,951 0,475150 0,733 0,364100 0,496 0,248
10 0,050 0,025
Tabelle 1-2: Messergebnis
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Messung 4
1.5 Auswertung
Der Einsatz eines Ampere-Meters ist in dieser Messschaltung ungünstig, weil man entweder den Strom (Stromfehlerschaltung) oder die Spannung (Spannungsfehlerschaltung) falsch misst. Durch Berechnung des Stromes aus Spannung und Widerstand mit dem Ohm`schen Gesetz entfällt der Messfehler. Die Solarzelle wird somit durch Verwenden nur eines Messgerätes spannungsrichtig gemessen. Ein systematischer Fehler ist nicht vorhanden.
Der Strom Im wird wie folgt (Formel 1-1) für alle gemessenen Spannungen Um berechnet:
I=UmRL
∗1000=−ℑ=[V ][Ω ]
∗1000=[mA ] (1-1)
In der Tabelle 1-3 sind alle berechneten Ströme für die Vollbeleuchtung und in der Tabelle 1-4 die Ströme der Teilbeleuchtung ersichtlich.
Tabelle 1-3: Stromberechnung Tabelle 1-4: Stromberechnung Vollbeleuchtung Teilbeleuchtung
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RL [Ω] UmVoll [V] Im [mA]10000 1,667 -0,167
3300 1,654 -0,5011000 1,612 -1,612
800 1,590 -1,988600 1,560 -2,600500 1,531 -3,062450 1,509 -3,353400 1,476 -3,690350 1,418 -4,051300 1,322 -4,407250 1,155 -4,620200 0,951 -4,755150 0,733 -4,887100 0,496 -4,960
10 0,050 -5,000
RL [Ω] UmTeil [V] Im [mA]10000 1,570 -0,157
3300 1,550 -0,4701000 1,468 -1,468
800 1,372 -1,715600 1,208 -2,013500 1,061 -2,122450 0,977 -2,171400 0,887 -2,218350 0,790 -2,257300 0,690 -2,300250 0,585 -2,340200 0,475 -2,375150 0,364 -2,427100 0,248 -2,480
10 0,025 -2,500
Messung 5
Im Bild 1-5 sind die zwei erstellten U-I-Kennlinien der Solarzelle abgebildet:
- Die blaue Kennlinie zeigt die U-I-Kennlinie bei Vollbeleuchtung und ergibt sich zum einen aus der abgelesenen Spannungsmessung der Solarzelle und dem berechneten Strom aus Widerstand und Spannung.
- Die rote Kennlinie basiert auf der Spannungsmessung der Solarzelle bei halber Beleuchtungsintensität und dem daraus berechneten Strom.
Die beiden gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien der Solarzelle zeigen jeweils einen charakterisierenden Verlauf: Bei kleinen Spannungen (kleinen Widerstandswerten) sinkt die Stromstärke nur wenig. Erst wenn die maximale Spannung (Leerlaufspannung) fast erreicht ist, fallen die beiden Kurven stark ab.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0Spannung [V]
Stro
m [m
A]
Bild 1-5 Kennlinie der Solarzelle bei Voll- und Teilbeleuchtung
Aufgrund der Ergebnisse der zwei Kennlinien ist die Abweichung von der Idealkurvenform durch das nicht zu starke Abfallen der Kurven am ehesten zu beschreiben. Die Idealkurvenform ist darum geometrisch eher mit einem Rechteck zu vergleichen als die aus dem Praktikum aufgenommenen Kennlinien. Aber rein von der Charakteristik her sind die zwei U-I-Kennlinien der Messung ähnlich zu jener der Idealkennlinie.
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Messung 6
Im Bild 1-6 ist die Leistung in Abhängigkeit der bei der Messung verwendeten Widerstände ersichtlich. Die maximale Leistung Im * Um entspricht dem grössten Rechteck, das man der U-I-Kennlinie (Bild 1-5) einschreiben kann.
Die Leistung P wird wie folgt (Formel 1-2) für alle gemessenen Spannungen Um berechnet:
P=Um2
Rl∗1000=
[V ][Ω ]∗1000=[mW ] (1-2)
-Bei Vollbeleuchtung (blau) entspricht der optimale Widerstand der zur höchsten Leistung führt
300 Ω.
-Bei Teilbeleuchtung (rot) entspricht der optimale Widerstand der zur höchsten Leistung führt 600 Ω.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
-3
-2
-1
0
Widerstand [Ω]
Leis
tung
[mW
]
Bild 1-6: Solarzellenleistung in Abhängigkeit der Lastwiderstände
Die optimalen Widerstandswerte sind nicht in beiden Fällen gleich. Bei der Vollbeleuchtung ist der optimale Widerstand genau halb so gross wie bei der Teilbeleuchtung. Um eine Solarzelle somit optimal nutzen zu können, ist eine sorgfältige Abstimmung mit dem Verbraucher zu gewährleisten. Der Widerstand des Verbrauchers sollte sich an die Schwankungen der Lichtintensität anpassen, damit die Zelle im optimalen Leistungsbereich arbeiten kann. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgrad einer solchen Solarzelle bei unterschiedlicher Strahlungsintensität enorm abnimmt, da die Solarzelle nicht immer auf dem Leistungsmaximum arbeiten kann.
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Messung 7
Die Leistung der Solarzelle bei Vollbeleuchtung pro cm2 wird wie folgt (Formel 1-3) berechnet:
PmaxA
=−5.826mW25cm2 =−0.233
mWcm2 (1-
3)
Die Leistung der Solarzelle bei Teilbeleuchtung pro cm2 wird wie folgt (Formel 1-4) berechnet:
PmaxA
=−2.432mW25cm2 =−0.097
mWcm2
(1-4)
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Messung 8
2 Begriffsdefinitionen und Masseinheiten
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Messung 9
Die Error: Reference source not found zeigt die verwendeten Abkürzungen.
Symbol Bezeichnung Masseinheit
U Spannung Volt [V]I Ampere Milli-Ampère [mA]R Widerstand Ohm [Ω]P Leistung Milli-Watt [mW]A Fläche Quadratzentimeter [cm2] Tabelle 2-1:
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Messung 10
3 Anhang
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Messung 11
Inventar:
-1 Doppel-Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung
-1 Multimeter
-1 Widerstandsdekade, Bereich 1 Ω -10 MΩ, Genauigkeit 1 %, Belastbarkeit 1 W
-1 Solarzelle Marke «Ansmann»
-1 Beleuchtungseinheit
Matlab-Skript:
%**********************************************************************************************************************************% Projekt : Messpraktikum 3% Beschreibung : Kennlinie einer Solarzelle % Verfasser : Marc Thurnheer ; Sebastian Nadler % Datum : 16-10-2013%**********************************************************************************************************************************/ % Initialsierungclear all; % entferne Workspace-Elemente, lösche Systemspeicherclose all; % schliesse alle Fensterclc; % lösche Command Window % Messwerte/Parameter bei halber Beleuchtung Um1 = [0.025 0.248 0.364 0.475 0.585 0.690 0.790 0.887 0.977 1.061 1.208 1.372 1.468 1.550 1.570]; % Spannung: [V]Rl1 = [ 10 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 800 1000 3300 10000]; % Widerstand: [Ohm] % Berechnungen Il1 = Um1./Rl1; % Strom im Lastwiderstand Rl: [A]Im1 = -Il1; % Strom in der Solarzelle: [A]P1 = Um1.*Il1; % Messwerte/Parameter bei voller Beleuchtung Um2 = [0.050 0.496 0.733 0.951 1.155 1.322 1.418 1.476 1.509 1.531 1.560 1.590 1.612 1.654 1.667]; % Spannung: [V]Rl2 = [10 100 150 200 250 300 350 400 450 500 600 800 1000 3300 10000]; % Widerstand: [Ohm] % BerechnungenIl2 = Um2./Rl2; % Strom im Lastwiderstand Rl: [A]Im2 = -Il2; % Strom in der Solarzelle: [A]P2 = Um2.*Il2;
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Messung 12
% Plot% Simulationfigure (1); subplot(2,1,1); plot(Um1,Im1,'-',Um2,Im2,'-'); title('U-I-Kennlinien bei Voll- und Teilbeleuchtung') xlabel('Spannung [V]'); ylabel('Strom [mA]'); legend('Kennlinie bei Teilbeleuchtung ','Kennlinie bei Vollbeleuchtung','Location','SouthEast') subplot(2,1,2); plot(Rl1,-P1,'-',Rl2,-P2,'-'); title('Leistungskennlinien bei Voll- und Teilbeleuchtung'); xlabel('Widerstand [R]'); ylabel('Leistung [P]'); legend('Leistung Teilbeleuchtung','Leistung Vollbeleuchtung');
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Messung 13
4 Literatur
[1] Formeln für Elektrotechniker, Europa Lehrmittel 2005
[2] Heinzelmann, A.: ETEK1-2013 Praktikum-3:Kennlinie einer Solarzelle, Aufgabenstellung 09.10.2013
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