Ústav fyzikální elektroniky PřF MU
Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory
Pracovní list
Úloha 9: Energie ze Slunce, fotovoltaické a palivové články
Jméno: Naměřeno:
Skupina: Otestováno:
Studium vlastností solárního článku
1. Určení optimálního pracovního bodu, měření VA charakteristiky článku Měňte odpor
R reostatu, pomocí systému Vernier naměřte proud I a napětí U. Data přeneste do programu
QtiPlot, v něm spočítejte výkon P a odpor R pro každou dvojici hodnot proudu a napětí. V programu
QtiPlot vykreslete voltampérovou charakteristiku solárního článku a závislost výkonu na
odporu a grafy nalepte do pracovního listu.
Nalepte voltampérovou (VA) charakteristiku solárního článku (závislost proudu na napětí)
1
Nalepte graf závislosti výkonu na odporu pro solární článek.
Optimální pracovní bod:
Maximální výkon solárního článku: PS= mW,
příslušný optimální odpor zátěže: RPS
= Ω,
příslušná hodnota napětí: UPS
= V,
příslušná hodnota proudu: IPS
= mA.
Jakým způsobem byl určen optimální pracovní bod (hodnota výkonu a zátěže)?
hodnota byla naměřena přímo při nastavení určité hodnoty odporu na reostatu
hodnotu jsem získal(a) aproximací z grafu závislosti výkonu na odporu, a to takto:
jiným způsobem, a to takto:
Jakým způsobem byl určen proud a napětí na zátěži odpovídající optimálnímu pracovnímu bodu?
hodnoty byly naměřeny přímo při nastavení určité hodnoty odporu na reostatu
hodnotu jsem získal(a) aproximací z voltampérové charakteristiky, a to takto:
jiným způsobem, a to takto:
2
Při tomto měření dochází k systematické chybě měření výkonu, skutečný výkon článku je
větší menší než výkon naměřený, protože
Tato chyba je významná zanedbatelná, protože
Poznámky k experimentu:
2. Odhad energetické účinnosti solárního článku při osvětlení žárovkou
Nominální výkon použité žárovky je P0= W,
vzdálenost solárního článku od žárovky je r= m,
rozměry článku jsou a= m, b= m, tedy plocha S= m2.
Zářivý výkon žárovky dopadající na solární článek určený dle vztahu P = P0. S
4πr2 : P= W.
Výkon solárního článku při daném osvětlení, měřený v pracovním bodě, je: PS= W.
Účinnost solárního článku pak spočítáme jako ηS = PS
P = .
Poznámky k experimentu:
3. Spektrální účinnost fotovoltaického článku
Výsledky měření proudu v zapojení fotovoltaického článku do zkratu:
(a) před halogenovou žárovkou je pouze:
červený filtr Ir = mA komentář
zelený filtr Ig = mA komentář
modrý filtr Ib = mA komentář
(b) před halogenovou žárovkou je IR-cut filter + barevné filtry:
3
IR-cut++červený filtr Ir = mA komentář
IR-cut++zelený filtr Ig = mA komentář
IR-cut++modrý filtr Ib = mA komentář
(c) před halogenovou žárovkou jsou všechny tři filtry (červený, modrý, zelený):
červený+zelený+modrý filtr I = mA komentář
(d) před halogenovou žárovkou je IR-cut filter a navíc všechny tři filtry (červený, modrý, zelený):
IR-cut+červený+zelený+modrý filtr I = mA komentář
Jaký je příspěvek ultrafialového záření k celkové energii při předchozích měřeních?
Poznámky k experimentu:
Studium vlastností elektrolyzéru a palivového clánku
1. Měření voltampérové charakteristiky elektrolyzéru
Naměřené hodnoty pro voltampérovou charakteristiku (nevyplňujte v případě, že měříte pomocí
systému Vernier a data přenášíte rovnou do počítače):
U[V ]
I[mA]
U[V ]
I[mA]
Z naměřených hodnot sestavte pomocí programu QtiPlot graf, který přidáte k pracovnímu listu.
Hodnota rozkladného napětí je UR = V.
Schéma zapojení a poznámky k experimentu:
4
Nalepte graf voltampérové (VA) charakteristiky elektrolyzéru (závislost proudu na napětí).
2. Měření účinnosti elektrolyzéru
Výhřevnost H je pro vodík rovna H = 10, 8.106Jm−3,
objem vodíku vzniklý při elektrolýze je roven V = m3.
Na elektrolyzéru je napětí U = V, teče jím proud I = mA,
a to po čas t = s.
Účinnost elektrolyzéru určená podle vztahu ϑe = VH2.H
U.I.t = .
Proč je objem vodíku vzniklého při elektrolýze dvojnásobný než objem vzniklého kyslíku?
Poznámky k experimentu:
3. Měření účinnosti palivového článku
Výhřevnost H je pro vodík rovna H = 10, 8.106Jm−3,
objem vodíku proteklého palivovým článkem je V = m3.
Na zátěži palivového článku s odporem byly v časových intervalech ∆t okamžité hodnoty
5
napětí Ui a proudu Ii (tabulku nevyplňujte v případě, že měříte pomocí systému Vernier a data
přenášíte přímo do počítače):
ti[s]
Ui[V ]
Ii[mA]
ti[s]
Ui[V ]
Ii[mA]
Pomocí systému QtiPlot určete energie vyrobené palivovým článkem v jednotlivých časových
intervalech ∆t a celkovou vyrobenou energii za dobu měření.
Účinnost palivového článku určená podle vztahu ϑp =
n
i=1
Ui.Ii.∆t
VH2.H = .
Poznámky k experimentu:
Měření na fotovoltaickém článku, na který dopadá sluneční záření
1. Krátkodobá měření na fotovoltaickém článku
Naměřená hodnota napětí naprázdno je , což se shoduje neshoduje s hodnotou
udávanou výrobcem 21,96 V.
Schéma a poznámky k nastavení systému Tecomat Foxtrot pro měření naprázdno:
Naměřená hodnota proudu nakrátko je , což se shoduje neshoduje s hodnotou
udávanou výrobcem 0,32 A.
Schéma a poznámky k nastavení systému Tecomat Foxtrot pro měření nakrátko:
6
Při odporové zátěži je hodnota napětí a hodnota proudu
Schéma a poznámky k nastavení systému Tecomat Foxtrot pro měření se zátěží:
Porovnání hodnot s napětím naprázdno a proudem nakrátko:
2. Vliv zastínění na činnost fotovoltaického článku:
Způsob zakrytí: napětí naprázdno [V] proud nakrátko [mA]
3. Určení maximálního a průměrného výkonu fotovoltaického článku za předchozí kalendářní
den (případně delší období):
zde nalepte graf závislosti výkonu na čase vytvořený ze stažených hodnot proudu a napětí
v programu QtiPlot
Maximální výkon: . Průměrný výkon: . Nominální výkon: .
7
Výpočty, vztahy, způsob určení uvedených veličin a poznámky k experimentu:
Orientační měření účinnosti celého procesu získávání energie ze Slunce
a její akumulace ve vodíku
1. Určení optimálního pracovního bodu, měření VA charakteristiky článku Měňte odpor
R reostatu, pomocí systému Vernier naměřte proud I a napětí U. Data přeneste do programu
QtiPlot, v něm spočítejte výkon P a odpor R pro každou dvojici hodnot proudu a napětí. V programu
QtiPlot vykreslete voltampérovou charakteristiku solárního článku a závislost výkonu na
odporu a grafy nalepte do pracovního listu.
Nalepte voltampérovou (VA) charakteristiku solárního článku (závislost proudu na napětí)
Optimální pracovní bod:
Maximální výkon solárního článku: PS= mW,
příslušný optimální odpor zátěže: RPS
= Ω,
příslušná hodnota napětí: UPS
= V,
příslušná hodnota proudu: IPS
= mA.
8
Jakým způsobem byl určen optimální pracovní bod (hodnota výkonu a zátěže)?
hodnota byla naměřena přímo při nastavení určité hodnoty odporu na reostatu
hodnotu jsem získal(a) aproximací z grafu závislosti výkonu na odporu, a to takto:
jiným způsobem, a to takto:
Nalepte graf závislosti výkonu na odporu pro solární článek.
Jakým způsobem byl určen proud a napětí na zátěži odpovídající optimálnímu pracovnímu bodu?
hodnoty byly naměřeny přímo při nastavení určité hodnoty odporu na reostatu
hodnotu jsem získal(a) aproximací z voltampérové charakteristiky, a to takto:
jiným způsobem, a to takto:
Při tomto měření dochází k systematické chybě měření výkonu, skutečný výkon článku je
větší menší než výkon naměřený, protože
9
Tato chyba je významná zanedbatelná, protože
Poznámky k experimentu:
2. Měření účinnosti elektrolyzéru
Výhřevnost H je pro vodík rovna H = 10, 8.106Jm−3,
objem vodíku vzniklý při elektrolýze je roven V = m3.
Na elektrolyzéru je napětí U = V, teče jím proud I = mA,
a to po čas t = s.
Účinnost elektrolyzéru určená podle vztahu ϑe = VH2.H
U.I.t = .
Proč je objem vodíku vzniklého při elektrolýze dvojnásobný než objem vzniklého kyslíku?
Poznámky k experimentu:
3. Měření účinnosti palivového článku
Výhřevnost H je pro vodík rovna H = 10, 8.106Jm−3,
objem vodíku proteklého palivovým článkem je V = m3.
Na zátěži palivového článku s odporem byly v časových intervalech ∆t okamžité hodnoty
napětí Ui a proudu Ii (tabulku nevyplňujte v případě, že měříte pomocí systému Vernier a data
přenášíte přímo do počítače):
ti[s]
Ui[V ]
Ii[mA]
ti[s]
Ui[V ]
Ii[mA]
10
Pomocí systému QtiPlot určete energie vyrobené palivovým článkem v jednotlivých časových
intervalech a celkovou vyrobenou energii za dobu měření.
Účinnost palivového článku určená podle vztahu ϑp =
n
i=1
Ui.Ii.∆t
VH2.H = .
Poznámky k experimentu:
4. Celková účinnost solárně vodíkového procesu výroby a akumulace energie je vyjádřitelná jako
součin tří dílčích účinností, a to solárního článku, elektrolyzéru a palivového článku:
ϑ = ϑs.ϑe.ϑp = . . = .
5. Řešte následující příklad:
Vyrábíme elektřinu pomocí solárních článků a akumulujeme ji ve vodíku. Jakou plochu by musely
mít solární články, aby energie akumulovaná z roční výroby solárních článků byla rovna roční
produkci JE Temelín? Temelínská elektrárna má elektrický výkon 2GW a pracuje asi 85% doby
v roce. Na 1m2 povrchu země v ČR dopadá za rok asi 1000kWh energie slunečního záření.
Náměty, komentáře a nápady
týkající se této úlohy (není součástí pracovního listu, bude sloužit k dalším inovacím úlohy).
11