1 אוניברסיטת בן גוריון המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים מעבדה לאלקטרוניקה תעשיתית ניסוי מס' 8 תאי שמש -2014_ 16

תמליל

1 1 אוניברסיטת בן גוריון המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים מעבדה לאלקטרוניקה תעשיתית ניסוי מס' 8 תאי שמש -2014_ 16

2 2 מבוא לניסוי, תאור של תא שמש האפקט הפוטו אלקטרי תאי שמש מבוססים על האפקט הפוטואלקטרי, שגילה היינריך רודולף הרץ בשנת 1887 ושהסביר אלברט איינשטיין ב על ההסבר המבריק קיבל איינשטיין את פרס נובל בשנת אלברט איינשטיין היינריך רודולף הרץ למעשה, צריך להזכיר כאן מס' שמות נוספים: 1. הפיזיקאי בקרל שגילה את האפקט הפוטו-וולטאי בשנת 1839, בהיותו בן 19 בלבד)!(. בקרל אבחן זרמים חשמליים על פני חומרים החשופים לאור: הוא זיהה מכך את הזרם הנמוך יחסית, שנוצר בין שתי פיסות מתכת על ידי הארה על אחת מהן. אבל, הוא לא היה מודע ליכולת, להשתמש בתופעה כדי להמיר את אנרגית האור - לאנרגיה חשמלית. הרץ ולבסוף איינשטיין, השלימו את עבודתו במישור זה. 2. חייבים להזכיר בהקשר של המרת האנרגיה המיוצרת לחשמל לצריכה ביתית, את שמו של דיוויד פרינס, ממציא הממיר inverter) (DC/AC הראשון, בשנת האפקט הפוטואלקטרי שגילה הרץ הוא למעשה, פליטת אלקטרונים ממשטח )לרוב מתכתי(, כתוצאה של חשיפה וקליטת קרינה אלקטרומגנטית, כמו אור נראה, אור אולטרה-סגול וכיו"ב, שהינה מעל תדר-סף מסוים, האופייני למשטח הקולט. הפליטה יוצרת אלקטרונים עם אנרגיה מסוימת וניתן להזרימם במעגל חשמלי ולנצלה. את האפקט הזה העולם הפיזיקלי לא ידע להסביר והוא נכלל ברשימת "3 הבעיות שנשארו לנו לפתור ואז תהיה לנו תמונת עולם מושלמת" של ויליאם תומסון משנת כידוע, ויליאם תומסון שהיה מדען גדול בזכות עצמו, טען אז ש"אין יותר מה לגלות בפיזיקה. כל מה שנשאר לעשות זה לבצע מדידות מדויקות יותר ויותר" )הוא גם טען ש"לעולם לא יהיה כלי טיס מוצלח כבד מהאוויר" וש- "בהינתן קצב הריבוי הטבעי של האוכלוסיה, עוד 400 שנים לא יהיה מספיק חמצן באטמוספירה". אבל הוא בכל זאת אכן היה, מדען גדול. אם כי קצת אקסצנטרי. הוא למשל מצא את האפס המוחלט ) מעלות צלזיוס(, הוכיח את משפט סטוקס והיה אחד מאבות החוק השני של התרמודינמיקה(. ואז.. הגיע איינשטיין. איינשטיין הסביר את התופעה בשנת הפלאות שלו, 1905, כאשר הוא התייחס לאופי החלקיקי של האור: כאשר חלקיק אור )להלן:

3 3 פוטון( פוגע באלקטרון, כל האנרגיה של הפוטון מועברת לאלקטרון והפוטון חדל להתקיים. לפוטונים אין מסה אבל יש להם אנרגיה, הפרופורציונית לתדר שלהם, לפי הנוסחה.E=h אם האנרגיה של הפוטון אינה מספיקה על מנת להתגבר על האנרגיה הקושרת את האלקטרונים למשטח, לא יצפה האפקט. אם האנרגיה של הפוטון גדולה מאנרגית הקשר של האלקטרון למשטח, להלן, אזי האלקטרון החופשי יקבל אנרגיה בגודל.E=h - ההסבר הזה של איינשטיין היווה מהפכה כי הוא שבר את המוסכמות של הפיזיקה של סוף המאה ה- 19 לפיהן האור הוא גל אלקטרומגנטי ויחד איתן היווה את הבסיס לכמה ענפים חדשים בפיזיקה, בניהן מכניקת הקוונטים )שאיינשטיין לא ממש אהב, אבל השתמש בה בכל זאת כשהיה צריך(. איינשטיין קיבל על הסברו המבריק את פרס נובל לפיזיקה לשנת איך עובד תא שמש? תא שמש, איור, 1 הוא מתקן המנצל את האפקט הפוטואלקטרי, על מנת להמיר באופן ישיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית. איור - 1 סימול תא שמש עקרון פעולתו של תא השמש פשוט ומסתמך על המבנה שלו. התא בנוי משתי שכבות סיליקון, האחת מזוהמת בזיהום מסוג "n" )למשל, ארסן( והשניה )הבסיס, העבה יותר( מזוהמת בזיהום מסוג "p" )למשל, בורון(. בין שתי השכבות יש צומת.P/N ללא אור, אלקטרונים יעזבו את השכבה המזוהמת בזיהום "n" אל השכבה המזוהמת בזיהום מסוג "p" וחורים ינועו בכיוון ההפוך בדיפוזיה, עד ליצירת מחסום פוטנציאל, שיצור גם זרם סחיפה בכיוון ההפוך כך שזרם הדיפוזיה וזרם הסחיפה יהיו שווים והמערכת תתכנס לשיווי משקל רגיש. מחסום הפוטנציאל מתנהג כמו דיודה, ומאפשר מעבר אלקטרונים בסחיפה רק מצד "p" לצד "n", אך לא להיפך וחורים בכיוון ההפוך. כאשר מאירים על התא הפוטו-וולטאי, זוגות אלקטרון-חור נוצרים בצומת ונפרדים זה מזה בגלל הכוח החשמלי שיוצר מחסום הפוטנציאל ונעים בסחיפה לעבר צידי שכבת המחסור. כך, מהפרש הפוטנציאלים התיאורטי של מחסום הפוטנציאל, נוצר הפרש פוטנציאלים פיזי: האלקטרונים והחורים שנסחפו אל צידי המחסום ממשיכים לנדוד לכיוונים הפוכים בהשפעת הדיפוזיה ואם מלקטים אותם ע"י רשת מוליכה משני צידי התא, אזי אפשר להשתמש בתא כמקור מתח ולנצל את האנרגיה המומרת שהיתה, במקור, שייכת לפוטונים. בסיס התא הופך להדק הטעון בממתח גבוה )+( ואילו פני התא, הם ההדק הטעון בממתח נמוך )-(. כפי שברור מהדיון עד כה, הרי שגם דיודת סיליקון פשוטה יכולה לשמש כתא פוטו-וולטאי כאשר חושפים אותה לאור. ואכן, זהו הסוג הפשוט ביותר של תאים אלו. תא שמש הוא בראש ובראשונה, דיודה. בד"כ בתאי שמש, עוטפת את שכבת-" n " רשת דקה של מוליכים מהצד הפונה אל השמש. השכבה דקה יחסית.

4 4 שכבת-" p " עבה יותר ומאחריה שכבה מתכתית שעל פניה מתבצעת רקומבינציה עם החורים המגיעים אליה מהצומת. אור N י ר ה י ה איור רש ולי ה ד י ורי ש ברו בדי ו יה אל טרוני ש ברו בדי ו יה + וליך א ורי 1: תא שמש סכמטי במצב אינטרינזי )ללא הארה( איור 2: תא שמש סכמטי בפעולה P - N P ד N ד P - ש ב י ור ר י ה ר י ה שיווי ה ש ל נש ר י ו אה השדה של ר י ה י ה והדי ו יה ה ש לי של ורי אל טרוני אל רש נו י י יר וה רד אל טרון ור ולי ה י י ד י ורי נו י י י י ר ה י ה + וליך א ורי ש ב ור מודל 5 פרמטרים לתא שמש במעבדה זו ידונו תאי שמש פשוטים ביותר, תאים מטיפוס "גביש בודד" )מונוקריסטליים( שאינם מגיעים למצב של פריצה אחורית תוך כדי הניסוי. תאים כאלו ניתנים לתיאור ע"י מודל 5 הפרמטרים, שהוא המודל הפשוט ביותר המקובל בתעשייה למעשה יש מודלים פשוטים אף יותר, אך התיאור שלהם של אופני התא, לוקה בחסר. מודל 5 פרמטרים מבוסס על כך שקודם כל, התא הוא דיודת צומת.P/N לפיכך הרכיב המרכזי במודל התא יהיה, אמנם, דיודת צומת. מרכיב מרכזי נוסף הוא זרם הסחיפה הפוטווולטאי שימודל ע"י מקור זרם. סכימטית, המודל נראה כך + R R s sh I ph V - איור 3: מודל 5 הפרמטרים וכמובן, למודל מתאימה משוואה פשוטה לזרם המוצא. משוואה 1: משוואת זרם המוצא במודל 5 הפרמטרים במשוואה זו הוא זרם הסחיפה הפוטווולטאי )כמות זוגות אלקטרון-חור הנוצרת ע"י ההארה(. זרם זה לינארי עם ההארה. היא ההתנגדות המקבילית של התא הנובעת בעיקר מרקומבינציה של נשאי מטען. היא ההתנגדות החשמלית של התא הנובעת מהתנגדות החומר למעבר נושאי המטען ומהתנגדות המגעים החשמליים. התנהגות הדיודה במודל היא לפי משוואת שוקלי )Shockley( שכן זאת דיודת צומת ודיודת צומת חייבת להתנהג לפי משוואת שוקלי.

5 Voltage[V] 5 משוואה 2: משוואת שוקלי במשוואה זו יש למעשה רק 2 פרמטרים זרם הזליגה האחורי של הדיודה ומקדם הפיזור שלה. שאר הקבועים אינם פרמטרים: הוא קבוע בולצמן,,k=1.38e-23 T היא טמפרטורה העבודה של התא במעלות קלווין, האלקטרון ו- A שטח פני התא. ניתן גם לכתוב מטען עבור מקדם פרופורציה כלשהו C. אבל מכל מקום, A קבוע גיאומטרי ולא פרמטר של המודל וכנ"ל גם C הינו קבוע ולא פרמטר.. מכאן שם לפיכך, יש רק 5 פרמטרים במשוואה )1( - המודל. משוואה )1( היא משוואה סתומה. ברם, אם נגדיר את מתח הצומת החשוך אזי )(dark junction voltage שהוא גם המתח על הדיודה כ- המשוואה הופכת ל- שכבר אינה סתומה ומכיוון שערכי המתח על דיודת צומת בסיליקון מוגבלים, למשל עד 0.7V, ניתן למשל ב- Matlab להגדיר כעת וקטור של ערכי אפשריים ברזולוציה כרצוננו, למשל 1000 מתחים בין 0V ועד - 0.7V ואז נקבל ערכי זרם חיצוני מהתא - וערכים אלו הינם ערכים אמיתיים של זרם היוצא מהתא המתאימים לערכים של מתח הצומת החשוך. כדי לקבל את ערכי המתח החיצוני המתאימים לערכי זרם חיצוני אלו, פשוט נכתוב. בצורה כזאת, ניתן לקבל את עקום התא עד לכל דרגת רזולוציה נדרשת, במידה ו- 5 הפרמטרים ידועים. לדוגמא, עבור תא סולארי מטיפוס פוליקריסטלי בקרינת שמש מלאה בצהרי היום, נמצא ש העקום בדרגת רזולוציה של 1000 נקודות יוצא V/I Curve for a 5-parameter model solar cell Current[A] איור 4: עקום V/I של תא סולארי ברמת קרינה של 1Sun

6 6 אבל המטרה במעבדה זו היא הפוכה נדרש למצוא את 5 הפרמטרים האלו עבור תא שמש לא ידוע, תוך שימוש בניסוי שמודד את עקום V\I של התא.. שיערוך הפרמטרים של תא סולארי הפרמטר שהכי קל למדוד הוא משוואה 3: קירוב הסיבה שהקירוב הזה טוב, היא ש- דווקא גדול יחסית, קטן ולרוב מסדר גודל של מיליאומים בעוד בטמפ' החדר ו-. אז גם וגם 0 כדי לקבל את. מכאן שיש למצוא את נק' החציה של העקום עם מתח בקירוב טוב מאוד, כפי שרואים בעקום. כדי למצוא את ואת מתבוננים בעקום. מ-) 2 ( מתקבל בתחילת העקום, וגם לכן יוצא ש- אבל אם נחזור למשוואה 2, אז מותר לכתוב גם ולכן משוואה 4: קירוב

7 7 הרכיב דומיננטי במשוואה )גדול לפחות בסדר גודל משאר האיברים במשוואה(. לפיכך לכן פשוט יש לקחת את השיפוע בתחילת עקום V/I כדי לקבל משוואה 5: קירוב בצידו השני של העקום, אפשר לקרב את. שוב, מ-) 2 ( מתקבל. כעת יש להציב עכשיו הרכיב אבל לעומת זאת הוא כמעט 1 כי אמנם ז"א עכשיו התהפכו היוצרות ושאר המשוואה היא הדומיננטית על פני. כלומר נקבל אבל ולכן קיבלנו

8 8 משוואה 6: קירוב כדי לשערך את שני הפרמטרים של הדיודה,, יש להשתמש בשיטות חישוביות ואין פתרון קל חוץ מלקחת נתונים ידועים של תא סולארי ולהתאים אותם. למשל, לגבי, אם התאים הסולריים עשויים מאותם חומרים עם אותם רמות זיהום, אפשר לכתוב ולכן., כלומר יש פרופורציה עם שטח התא הסולארי. כמה ששטח התא גדול יותר, יהיה לו זרם זליגה אחורית גדול יותר. ניתן להשתמש ביחס שטחי הפנים עם תא ידוע מאותו חומר ואותם זיהומים, כדי לשערך את בצורה יחסית טובה: ניתן למשל לחבר כמה תאים במקביל כדי לקבל תא שקול עם שטח פנים גדול יותר ולבצע ניסוי מדידת התנגדות ומדידת מתח כאשר התאים תחת הארה זהה ופרט למד ההתנגדות, המעגלים פתוחים )עומס קטן(. אז הערכה לזרם בדיודה תהיה. כדי לקבל מדידה מדוייקת ל- ניתן למדוד את ההתנגדות כאשר התאים בחושך/מוסתרים ממקור האור ויש לחבר את מד ההתנגדות בקוטביות הפוכה לזו של התא )כדי לא לפרוץ את הדיודה(. ואז יתקבל ההפרש לגבי, אין כללים ברורים, אבל בגדול ככל שיש יותר רקומבינציה, כך בתאים מונוקריסטליים, גדול יותר. צריך להיות קרוב ל- 2. ניתן לקחת ערך התחלתי 2. אם עושים זאת וגם מודדים את טמפרטורת התא, הרי שניתן לחשב את בקירוב, כאשר הפרש השטחים מחושב, ידוע. ואז אפשר לעשות fine-tuning ל- קרוב ממש לתוצאות הניסוי. ידוע גם כן, לכן גם C ידוע. ברגע ש- C ול- C עד שמתקבל גרף כמובן שתמיד ניתן להשתמש כאן בשיטות חישוביות כדי לקבל ערך אופטימלי. אבל זה חורג מתוכן המעבדה. מומלץ, אם כן, לבחור ערכים מקובלים בספרות לפרמטרים אלו ולהתאימם. גבול Shockley-Queisser מהדיון עד כה, קל להבין שהתהליך הנ"ל אינו מהווה המרה 100% של אנרגית השמש לאנרגיה חשמלית. למעשה, קיים גבול Shockley-Queisser הנובע בין השאר מהצורך של האלקטרון לקבל אנרגיה יותר גבוהה מה- bandgap והאנרגיה העודפת הופכת לחום )גורם זה נקרא Spectrum Losses והוא אחראי ל- 52% מתוך האנרגיה ההולכת לאיבוד, אבל יש עוד שני גורמים קרינת גוף שחור והרקומבינציה שהזכרנו ששניהם מגדילים עוד יותר את ההפסד(. סה"כ החסם תלוי במידה רבה ב- Bandgap של המל"מ.

9 9 איור 5: גבול Shockley-Queisser )ויקיפדיה( התוצאה היא שהנצילות התיאורטית המכסימלית לתא עם צומת בודדת בסיליקון היא בערך 28.8% ולמל"מ מסוגים אחרים יש נצילויות מכסימליות אחרות. למשל ל- GaAs הנצילות המכסימלית לתא עם צומת בודדת, היא בסביבות 33.5%.

10 10 מחוברת הקורס "מבוא להמרת אנרגיה" על פי הרצאותיו של פרופסור מיכאל סלונים. עריכה: אחנני איתמר, גיל סמו, שחר חורי

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 20. הגדרות אור רינה אל טרו נטי ב ל אורך ל ב ו רינ הש ש ה ולי ב ובה ני הי ב הרי היו.. שוב להד יש Sun ש ו רינ הש ש ב לול ביב דור הארץ ב לל ה י ון הינה וב ובה האו יינו אבל יש ל ב שבון א ב ביבו. ה בר יו ר ה: ב דול, ו האוויר שאו ה האור נאלץ ל בור ה לל ו ד ל אנל ה ולארי. ל י ך ו דר ה ד אשר z היא ה ווי ל ניט )ה ווי שבין הש ש ל 90 לו ה ר (. וא, ודל ורב ו שטני, ובל ב שייה הוא ו לוי ב ווי הש ש. רואי א ך ש ו ההארה ש נה לו אשר ב ווי הש ש בש יי. ודל ו ולא דויי ה, אשר הש ש ב ניט )ישר ל הראש(. אשר. א הש ש ב ווי, בלי וב ובה ני הי, בלי אבל יש ל יין שהנו ה לא לו ב שבון אור הש ש שו ל בלי בר ר ו ר. אשר לו י או ו ב שבון, הירידה דיין לא ש ו י ל ך ול ן בלי ל שה ( ור: 173-G.)ASTM ר אשר הש ש שו ל ה ניט, ו ב, ההארה ש יורד )ב רה ה, ב, ל (. ול ן ה ירוב של ב ובה ני הי, ו או יו ר ו ד, אשר ה וונה ב ך להארה ה י לי ל ני ה אנל. די ל בל ו ל ההארה שיראה אנל ולארי ב ובה ני הי ב ל ש ו הי ה ה וארו ב ו ה שווה, יש לב ור, א בלי ר, אלא שב ביבו ו רו ב ון )אי ה. שאנ נו נ אי (, יו א ו של ו י ידה ד י לעוצמת הארה. אשר Lux, אי לאור באורך ל של.. ב ווני א רי של האור לו ר אור ירו. אן שבאור ירו,. בבאר שב ההארה טנה יו ר. ל אורה שרדי ר ילה יש ו ה של ו ההארה של רינ הש ש ל ני ה ר י ה ד )אין ט לנ ו לה יר א ב ישרין ל, ש ן ו ההארה נ דד ר באורך ל ויי ול ן יש לב אינט רל ל ל ה טרו של האור הנראה, די לב א הה רה נ ון(. תא שמש ( א ולארי( הוא ה ן לה ה ישירה של אנר יה ש לי ל ידי ליט רינה אל טרו נטי ן הש ש. או ן ה ולה: ל ה אי ה ולאריי הינ ל שה דיודו, ו P/N בין אי ור ו שר ור י )ל של יהו של ילי ון בבורון( לאי ור ו שר ב בלי )ל של יהו של או ה י ילי ון באר ן(. ב ב אינטרינ י, אל טרוני באו ן טב י ור י בדי ו יה האי ור ה ו שר ב ור י )N( אל האי ור ה ו שר ב בלי )P(: בט ה דר, ט ל ה ה י יונני. דבר ה יו ר ו וטנ יאל וש ב י ור. ה וטנ יאל ור ל י ה של אל טרוני

21 21 ו אל טרוני, רה האי ור P אל האי ור N שנו ר ור ב נו ה בלי טי דרך ש ב ה ה ורי. נו ר שיווי ש ל בין ה נו ה בדי ו יה לבין ה נו ה ב י ר ו בינ יה ש ה רה א שיווי ה ש ל ב ך בו. הארה ו ה וטנ יאל נו ר ב ינו ב י ה, אשר ור. ו ו אלו לולי ל בור ר ו בינ יה ו שויי ו ו אל טרון ור ב וך ש ב ה שהיא יו ר ב ה וטנ יאל ה ש לי שני ידיה, ה שבדרך לל ורה. א האל טרוני נ ש י אל להי רד, ל ד P, שבו יש ודף של ו ה וטנ יאל וה ורי נ ש י ד N שאיבד אל טרוני ב הלך י יר ד N ולא שר לה ל ש לי בשלב ה א שר לא וף א האל טרוני יר אל טרוני. ה ורי. באו ן וונ רי ו בינ יה ל י וני ול ור דר ו ל ד P, ש ה יו לו לב ל רו ב ל י י ה ו רן ה ו ה ה א, ל י ה ו ה וטנ יאל הו ך ל ה יאורטי של ה, ה ה י וני. ל וד ור האור ין ה הליך י שך. ני ן להש ש ב הליך ה לה יל שיר ש לי לשהו. בני וי נ בוד נור נל שיש לה ן ובה ארוך. ל י ך נראה ו י ובה דו י ל ו הבא בנו ף, לנור הנל יש טרו בדיד ולא ר יף. ה נראה ך

22 22 וי י ל טרו של הלו טר )ש ודד ב י ר אור אדו (: ה רינה ה י אליו, של ה א לבין ה אופיין הריקם של א ש ש הינו ה לו שבין ה א. אשר ט רטור ה א בו ה:

23 23 אופיין הקצר של א ש ש הינו ה לו שבין ר ה א לבין ה ה רינה ה י אליו,. ט רטור ה א בו ה: אשר אופיין חיצוני של א ש ש הינו ה לו שבין ה א לבין ר ה א, אשר ט רטור ה א. וה ה רינה ה י אליו שניה בו י : ל הה דרו הו ל בי ודולי של אי ש ש.

24 24 1. מטרת הניסוי. ש ש לאנר יה ש לי של ר יב ההו ך אנר יה רינ ללי 1.1 ה ר ו י וני של א בודד. ר,רי או ייני 1.2 ה ר. באו ן ש לי ביניה וברי ו י וני של אי ר,רי או ייני 1.3 ה ר ורה של אי ש ש, יור 5-1 ( ודול של אי ש ש(. של ר יבי 1.4 ה דר של א ש ש. אנר י 1.5 נ ילו האו יין ה י וני. לא ו י די ל בל א 1.6 שי וש ב ו 2. ספרות H.S Rauschenbach. Sollar Cell Array Design Handbook.(TK 2960.R35).1 S.L.Soo. Direct Energy Conversion. Pp.1-16, G.W. Sutton. Direct Energy Conversion. Pp.1-37 (TK2896.S9).3 3. שאלות הכנה ה בנה ני י ו י וני של א ש ש. 3.1 אר א 3.2 הו י רון ה ולה של א ש ש? או יין של ה א? 3.3 הי שוו של א ש ש? ר ואו יין רי 3.4 הו או יין י ה א ו ל? ה ר א ו ר הרי 3.5 י ד יש נו ל ה ורה של ה א. 3.6 אר א? ללא ו ה ובר דרך ה אי 3.7 שני אי ש ש וברו ב ביל. הו ה ר? ה ובר דרך ה ו. הו ה ר בילי R ובר ב ביל ל וד שני אי ש ש 3.8 ו? לנ ילו ו האנר י של ו ר ה א, ה שובו ה י י ליו ה ונו 3.9 ה הדבר לנושא נ ילו וי של דירויו. י דנו ו ה הש ש ש רינ 3.10 ידו באו ן אי ו י או יין ה א ט רטורה? 3.11 י ד וש ב הלך הני וי? ה ד ריך ל רר א 3.12 ל ה לד שירי ה דידה. הליך ה ולה של 3.13 ה בר א ה א? 4. ציוד לניסוי בדה -שול ן ב ל י ה ר ו נור ור אור ל ב י - ("BALLAST" של ה ה וה נה) שנ -בלו י -שנאי -רב ודד - ודול של אי ש ש - ט בלי -ראו טט טר -לו 2.5Vdc - ד 400Vac - ד ניי - ש י ש ש 5. מהלך הניסוי ל ץ בוה T-250 NAV-

25 ה נה רשו נ וני נ ובי של יוד ו שור ה של ל הה נה של ה נורה ה ש ש בני וי ור אור ו י ה ב יור ודא ש ל ה י של ה יוד וה שירי ו י ה ן ה Vmeter- ה ובר ל ני בלו "BALLAST" ל ב דיד ( AC יור 5-2( בר א השנאי ה י לרש. ה יל י השנאי וון ב ר ו ה נה של בלו "BALLAST" V. 220 שים לב בניסוי משמשים שנאים חד ותלת פאזיים כמקור מתח חילופין.כאשר משמש שנאי תלת פאזי חבר מתח יציאה פאזי )מגעים R ו- N( ה ל ה ד א S של בלו ה נ בלו אי הש ש ור אור. ה נורה. ב אור נ וב יי ב וך 10 ד ו. 5.2 או ייני א ש ש א ד מדידת עוצמת הקרינה של האור T 1 4 T h איור 5-3. סכימה של המודול. - נקודות בדיקת קרינה. T נקודת חיבור הטרמיסטור

26 26 מדוד את עצמת ההארה התחלתית של האור I il-i של כל תא שמש ונקודת בדיקה 5 )ציור )5-3 בעזרת לוקס מטר. מדידות בנקודה 5 מאפשרות להעריך את עוצמת ההארה של תאי שמש עבור מדידת פרמטרים חשמליים ללא הצללה על ידי חיישן אור. עצמת ההארה, Lux טבלה 1. נקודה 5 תא 4 תא 3 תא 2 תא מדידת הטמפרטורה נעשה בעזרת הטרמיסטור ) T R) הנמצא מתחת תא מס' 4 )ציור 5-3(. כוון את רב מודד למצב מד התנגדות וחבר למגעים T )ציור 5-4( T איור 5-4. מדידת הטמפרטורה. מדוד התנגדות הטרמיסטור. מצא את הטמפרטורה המתאימה לגודל ההתנגדות בגרף של נספח מס' 7. רשום בטבלה 2 את גודל הטמפרטורה. t o ניסוי ריקם של תא שמש בודד. V o f ( I il ) כוון רב מודד למצב Voltmeter וחבר אותו לאחד מהתאי שמש )ציור 5.5(. רשום בטבלה 2 את עצמת הקרינה של האור _ 5 il I בנקודת בדיקה 5, מתח של תא שמש ומתח V o

27 ה. 27 יציאה של השנאי V autr ורד את מתח השנאי עד למתח 160 V בשלבים של ~ V. 10 שים לב שינוי המתח עשה במתינות ובאופן רצוף בלי קפיצות. רשום הנתונים במצב יציב של האור. אחרת המנורה עלולה להיכבות. בכל שלב מדוד ורשום בטבלה 2 את קרינת האור בנקודת בדיקה 5, מתח של תא השמש ומתח היציאה של השנאי. חזור לפעולה בעלית המתח עד ל 220. V קבע רב מודד למצב מד התנגדות ומדוד הטמפרטורה t 1 ורשום בטבלה T V איור 5-5. ניסוי ריקם של תא בודד.

28 28 t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי ריקם של תא בודד. טבלה 2. V o )ירידה( I il_5 V autr V o )עליה( I il_5 V autr ניסוי קצר של תא שמש בודד. I o f ( I il ) חבר רב מודד במצב ma לאחד מתאי השמש. )ציור 5-6( שים לב במשך כל זמן התהליך של מדידות בבלוק של תאי השמש, נא לא להזיז שום דבר ממקומו T ma שים לב איור 5-6. ניסוי קצר של תא בודד. רשום בטבלה 3 את עצמת הקרינה של האור I il בנקודת בדיקה 5, זרם של תא שמש יציאה של השנאי V. autr הורד מתח השנאי ב ~ 10V בכל מדידה. ומתח I o שינוי המתח יעשה במתינות ובאופן רצוף בלי קפיצות. רשום הנתונים במצב יציב של האור.

29 29 רשום בטבלה את קרינת האור בנקודת בדיקה 5, זרם של תא שמש ומתח יציאה של השנאי. חוזר על התהליך כל ~ 10V עד למתח 160 V חזור על הפעולה בעלית המתח עד ל 220V. t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי קצר של תא בודד. טבלה 3. I o )ירידה( I il_5 V autr I o )עליה( I il_5 V autr ומדוד הטמפרטורה.. t 1 כוון את רב המודד למצב מד התנגדות רשום את גודל בטבלה אופיין חיצוני של תא שמש בודד. V o f ( I ) V, I o autr il const הרכב את מעגל לפי ציור 5-7. מדוד טמפרטורה. t o רשום את גודל הטמפרטורה בטבלה 4. הצב מתח יציאת השנאי 220. V הצב פועלת המודול במצב ריקם. מדוד ורשום בטבלה 4 את עצמת הקרינה של האור il-5 I של נקודת בדיקה 5 )ציור )5-7, מתח וזרם של מודול תאי השמש. I o V, o הצב את הנגד של עומס במצב מקסימאלי. מדוד ורשום בטבלה 4 את הפרמטרים הדרושים. תוריד את התנגדות נקודות, של נגד העומס עד לקצרו. במהלך הקטנת ההתנגדות, בצע מדידות ב~ 10

30 T V R ma איור 5-7. אופיין חיצוני של תא שמש בודד. שנה את העומס עד למצב נתק. במהלך הגדלת ההתנגדות, מינימום ב 10 נקודות, רשום בטבלה את עצמת הקרינה של האור I il היציאה של השנאי V. autr בנקודת בדיקה 5, מתח של תא השמש V, o זרם של תא השמש I o ומתח טבלה 4. תוצאות ניסוי אופיין חיצוני של תא שמש בודד. V autr =220V ; I il = ; t 0 C= ; t 1 C=. ShC OC V o,v I o, A OC ShC V o,v I o, A

31 31 אופייני מודול תאי השמש בחיבור טורי ניסוי ריקם של מודול תאי השמש בחיבור טורי חבר כל התאים במודול אחד )ציור 5.8(. מדוד את עצמת ההארה I il-i של כל תא שמש ונקודת בדיקה 5 )ציור 5-3( בעזרת לוקס מטר. עצמת ההארה, Lux נקודה 5 תא 4 תא 3 תא 2 תא 1 מדוד טמפרטורה. t o כוון רב מודד למצב Voltmeter וחבר אותו למגעי יציאה של המודול )ציור 5.8(. בצע מדידות מתאימות ורשום בטבלה 5 את התוצאות t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי ריקם של המודול. טבלה 5. V o )ירידה( I il_5 V autr V o )עליה( I il_5 V autr מדוד טמפרטורה. t 1

32 T V איור 5-8. ניסוי ריקם של מודול תאי השמש בחיבור טורי כסה את תאי השמש 2 ו- 3 על עדי פלטה. חוזר על התהליך המדידות בתני שתאי שמש 2 ו 3 ערכו בצל. רשום בטבלה 6 את התוצאות t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי ריקם של המודול. תאי שמש 2 ו 3 בצל. טבלת 6. V o )ירידה( I il_5 V autr החזר מתח V autr לערך -V ניסוי קצר של מודול תאי השמש בחיבור טורי.

33 T ma איור 5-9. ניסוי קצר של מודול תאי השמש בחיבור טורי. שים לב מדוד את הטמפרטורה t o ורשום בטבלה 7. קבע רב מודד במצב ma וחבר למגעי יציאה של המודול. )ציור 5.9( מדוד את עצמת הקרינה התחלתית של האור I il-5 של כל תא שמש ונקודת בדיקה בכל משך זמן תהליך המדידות, מודול תאי השמש צריך להישאר באותו מקום..5 רשום בטבלה 7 את עוצמת הקרינה של האור, I il זרם של תא השמש I o ומתח היציאה של השנאי.V autr הורד את מתח השנאי ב~ 10V. שים לב שינוי המתח יעשה במתינות ובאופן רצוף בלי קפיצות. רשום את הנתונים במצב יציב של האור. רשום בטבלה את קרינת האור בנקודת בדיקה 5, זרם של מודול תאי השמש ומתח יציאה של השנאי. חוזר תהליך כל ה~ V 10 עד למתח 160. V חזור על הפעולה בעלית המתח עד ל 220. V החזר רב מודד למצב מד התנגדות ומדוד הטמפרטורה t 1 ורשום בטבלה 7.

34 34 t 0 C= ; t 1 C=. טבלה. 7 תוצאות ניסוי קצר של המודול. A, I o )ירידה( Lux,I il_5 V,V autr A, I o )עליה( Lux,I il_5 V,V autr חוזר על התהליך כאשר תאי שמש 2 ו 3 נמצאים בצל רשום בטבלה 8 את התוצאות t 0 C= ; t 1 C=. טבלה. 8 תוצאות ניסוי קצר של המודול. A, I o )ירידה( Lux,I il_5 V,V autr החזר מתח V autr לערך -V אופיין חיצוני של מודול תאי שמש בחיבור טורי. V o f ( I ) V, I o autr il const הרכב את מעגל לפי ציור מדוד טמפרטורה. t o רשום את גודל הטמפרטורה בטבלה 9. הצב מתח יציאת השנאי 220. V הצב פעולת המודול במצב ריקם.

35 35 מדוד ורשום בטבלה 9 את עצמת הקרינה של האור il-5 I של נקודת בדיקה 5 )ציור )5-10, מתח וזרם של מודול תאי השמש. I o V, o הצב את הנגד של עומס במצב מקסימאלי. מדוד ורשום בטבלה 9 את הפרמטרים הדרושים. הורד את התנגדות נקודות. של נגד העומס עד לקצר. במהלך הקטנת ההתנגדות, בצע מדידות ב~ T V R ma איור אופיין חיצוני של מודול תאי השמש בחיבור טורי. שנה את העומס עד למצב נתק. במהלך הגדלת ההתנגדות, מינימום ב 10 נקודות, רשום בטבלה את עצמת הקרינה של האור I il יציאה של השנאי V. autr בנקודת בדיקה 5, מתח של תא שמש V, o זרם של תא שמש I o ומתח

36 36 תוצאות ניסוי אופיין חיצוני של מודול תאי שמש. טבלה 9. V autr =220V ; I il = ; t 0 C= ; t 1 C=. ShC OC V o,v I o, A OC ShC V o,v I o, A הצב קרינת האור המתאימה ע"י מתח יציאת השנאי ~V 180, חזור על המדידות ורשום תוצאות בטבלה 10. תוצאות ניסוי אופיין חיצוני של מודול תאי שמש. טבלה 10. V autr =180V ; I il = ; t 0 C= ; t 1 C=. ShC OC V o,v I o, A החזר מתח V autr לערך -V220. אופייני מודול תאי השמש בחיבור מקבילי ניסוי ריקם של מודול תאי השמש בחיבור מקבילי חבר כל התאים במודול אחד )ציור 5-11(.

37 T V איור ניסוי ריקם של מודול תאי השמש בחיבור מקבילי. מדוד את עצמת ההארה I il-i של כל תא שמש ונקודת בדיקה 5 )ציור 5-3( בעזרת לוקס מטר. עצמת ההארה, Lux ניקודה 5 תא 4 תא 3 תא 2 תא 1 מדוד טמפרטורה. t o כוון רב מודד למצב Voltmeter וחבר אותו למגעי יציאה של המודול )ציור 5-11(. בצע מדידות מתאימים ורשום בטבלה 11 את התוצאות

38 38 t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי ריקם של המודול. טבלה 11. V o )ירידה( I il_5 V autr V o )עליה( I il_5 V autr מדוד טמפרטורה. t 1 החזר על התהליך בתנים שתאי שמש 2 ו 3 נמצאים בצל רשום בטבלה 12 את התוצאות t 0 C= ; t 1 C=. תוצאות ניסוי ריקם של המודול. טבלה. 12 V, I o )ירידה( Lux,I il_5 V,V autr החזר מתח V autr לערך -V ניסוי קצר של מודול תאי השמש בחיבור מקבילי.

39 T ma איור ניסוי קצר של מודול תאי השמש בחיבור מקבילי. בצע מדידות מתאימות ורשום בטבלה 13 את התוצאות תוצאות ניסוי קצר של C=. t 0 C= ; t 1 המודול טבלה 13. A, I o )ירידה( Lux,I il_5 V,V autr A, I o )עליה( Lux,I il_5 V,V autr חזור על התהליך כאשר תאי שמש 2 ו 3 נמצאים בצל ורשום בטבלה 14 את התוצאות

40 40 תוצאות ניסוי קצר של C=. t 0 C= ; t 1 המודול טבלה 14. A, I o )ירידה( Lux,I il_5 V,V autr 5.5 אופיין חיצוני של מודול תאי שמש בחיבור מקבילי הרכב את מעגל לפי ציור מדוד טמפרטורה. t o רשום את גודל הטמפרטורה בטבלה 15. הצב את המתח יציאת השנאי ל V הצב את הפועלת המודול במצב ריקם. מדוד ורשום בטבלה 15 את עצמת הקרינה של האור il-5 I של נקודת בדיקה 5 )ציור )5-13, מתח וזרם של מודול תאי השמש. I o V, o הצב את הנגד של עומס במצב מקסימאלי. מדוד ורשום בטבלה 15 את פרמטרים הדרושים. הורד את התנגדות נגד העומס עד לקצר. במהלך הקטנת ההתנגדות, בצע מדידות ב~ 10 נקודות וחזור חזרה עם נגד העומס עד לנתק. רשום מדידות ב~ 10 נקודות. תוצאות ניסוי אופיין חיצוני של מודול תאי שמש. טבלה 15. V autr =220V ; I il = ; t 0 C= ; t 1 C=. ShC OC V o,v I o, A

41 41 OC ShC V o,v I o, A חוזר על התהליך כאשר תאי שמש 2 ו 3 נמצאים בצל ורשום בטבלה 15 את התוצאות תאי שמש 2 ו 3 בצל טבלה 15. ShC OC V o,v I o, A T R V ma איור אופיין חיצוני של מודול תאי השמש בחיבור מקבילי.

42 שי וש ב ו לא ו י די ל בל א האו יין ה י וני* בשלב ה ליך ל בוד ו לא ו י ה ולל ור שן ור ו.Mosfet ראה ב רשי ה ל )איור 5-14(. ן ד ל.PicoScope Vcc 15Vdc V1 Vcc Vgg SG Vcc Vgg SawtoothOut GND 15Vdc V2 SawtoothGen 0 0 Vgg SC SolarCell + - R1 1 M1 V IRF830 V 0 איור 5-14: מעגל למדידה אוטומטית של האופיין החיצוני )הבחון האדום הוא למעשה מד זרם( שוב לשי לב שה ו אה ב Pico היה שהו ו )ל י ה ל( 18.9V 15.0V 10.0V 5.0V 0V us V(M1:d) us us us us us us V(R1:1) Time די ל בל א האו יין ה י וני יש ל בד א ה ו או ב.Excel בר א ה אי ב יבור טורי ואר באיור 5-10, אבל ב ו הריאו טט R, בר שיו א ה ו ה לא ו י. בר א יישני ה ו ( ו )LEM די לראו א ור ה ליו וה ר בו לא ר בל אישור ה דריך, ה ל א ור ה אורה. לא ר שה יי ב, א ה ו ה לא ו י. רשו א ה אורה בנ.Iil ש ור א ה י וה ר י ב ובץ ט ט text(.)save as ה א ד ארב ה אי וש ור שוב א ה י וה ר י ב ובץ ט ט דש. * יף ה אינו ל הני וי דיין, א ור ב ד י.

43 ב" 43. ור האור. S 5.7 וף הני וי. השנאי ד "0 " ו הורד הה נה של של בלו ל הני וי. ר. ל ו ל האבי רי ה ר א. בו 6 יבוד ה ו או יבוד ה ו או ל ה שב ב בדה.."Lab5_SolCell_10" ור ובץ דש ללי "EXCEL ו ני א ילוי הטבלה,יש לה י ב ל נ וני הטבלה. ה רף א,יש ל ה רה :ל ורך י ון ב ו. לטבלה ולא ר ה ילוי לה ירו ל ו לון ה רף ל בול הטבלה ה וד,יש לה שיך א ב בולו ה דול,שאינו נ נ ר ב הנ וני א. נו ף ה אין ורך להד י ה וד. ל. נ וני יוד ה דידה הדרוש וה א הנבד לא א של א בודד. 6.1 ני וי רי ה רינה של האור, אשר ה א ה א לבין ו בין של א ש ש הינו ה לו או יין רי. ) il.v o = f(p r )= f(i נו של אי ש ש. בנ ודו ו האור ה ו 1 ל י נ וני הני וי. שב א לא טבלה ה דר בנ וד ור א בדי ה 5. לא טבלה ה י ון דר נ וני בטבלה ל י ליי 6.2 ניסוי קצר של תא בודד. אופיין קצר של תא שמש אשר., 2 'ל י נ וני הני וי. שב ו ו האור האור ו ו, ה. מקוצר. ) il.i o = f(p r )= f(i ו נ ו הינו התלות בין זרם התא לבין עוצמת הקרינה של האור, כאשר התא האור. סדר I cor = K cor *I il מלא טבלה מס' 3 לפי נתוני הניסוי. חשב עוצמת האור ממוצעת מתוקנת נתונים בטבלה לפי עליית.I cor לא ודו ) ShC V) OC I, של טבלה. 4 שב א הה האור ל ני א ש ש [W],Pr=Icor * Scell*1.464*10-3 = Icor * Scell/683 אשר Scell שט ה א; א" של ה א הוא [V] IShC,E=Pr /Ishc ר ר של ה א ; ה נ דו ני י של ה א היא. ו ן ו בנה ר י אי י. 6.3 או ייני י וניי של א בודד. או יין י וני של א ש ש היינו ה לו בו ה. ) o.i il =const,v o = f(i בין ר ה א לבין ה א אשר ו ה רינה של האור מלא טבלה מס' 5 לפי נתוני הניסוי. חשב את הספק היציאה של התא ( o.)p o =V o *I מיין את הנתונים בעזרת EXCEL" טבלה מס' 2 לפי סדר הגדלה או הקטנה של. I il 5

44 44 ) ),V o = f(i o.p o = f(i o בנה גרפים של I o max מצא את ההספקים המכסימליים ואת הזרמים והמתחים המתאימים לאותם ההספקים ו-.V omax מודול טורי של תאי השמש. ניסוי ריקם. מלא טבלה מס' 7 לפי נתוני הניסוי חשב את עוצמת האור ממוצעת בנקודות של תאי שמש. הגדר את גורם התיקון.K cor = I il av / I il 5 מלא עמודות 2 1, ו- 5 של חלק העליון של טבלה מס' 8 לפי נתוני מדידת מודול מואר במלאו. באיזור התחתון של הטבלה יש להכניס נתוני מדידה של מודול מוצל בחלקו חשב את עוצמת האור ממוצעת מתוקנת פני תאי שמש I cor = K cor *I il 5 )עמודה )3 והספק ממוצע של האור על S כאשר,P rm =I cor *S /683 [W] מיין את הנתונים בעזרת EXCEL" ב" טבלה מס' 8 יש לבצע בנפרד עבור נתונים של מודול מואר ומוצל. הינו שטח של )2( 4 תאים. לפי סדר הגדלה או הקטנה של.I il 5 את המיון בנה גרפים ) om.v om = f(i ניסוי קצר מלא טבלה מס' 9 לפי נתוני מדידת מודול מואר ומוצל. בצע חישובים הדרושים למציאת פרמטרים של מעגל תמורה. כא"מ של המודול תאי השמש מוגדר לפי - [V],E=P rm I/ ShC כאשר I ShC זרם קצר של המודול. /I 2 sc.r sc =P r התנגדות פנימית של התא היא [ ] מיין את הנתונים בעזרת "EXCEL" בטבלה מס' 8 לפי סדר הגדלה או הקטנה של I. il 5 את המיון יש לבצע בנפרד עבור נתונים של מודול מואר ומוצל. "EXCEL Chart Add trendline" בנה גרפים ) rm I ShC =f(p ועל ידי הוספת קו מגמה מצא את משוואת קו ישר המקרב את הנתונים. רשום בטבלה 10 נתונים של טבלה 8.R scm =f(p rm ) בצע חישובים של I ShC בעזרת משוואת קו מגמה שמצאת. בנה גרף R rad = R scm -R recom,.r recom =V ocm /I scm חשב את התנגדות הרקומבינציה של המודול [ ] בנה גרפים של ) rm R scm =f(p ו- ) rm R recom =f(p ומצא את משוואות המגמה שלהם..R rad,r recom בנה גרפים של ) rm, R scm =f(p

45 אופייני חיצוניים מלא טבלאות מס' 11 ו- 12 לפי נתוני הניסוי. בחלק העליון של טבלה מס' 11 יירשמו נתוני מדידת מודול מואר במלאו ובאיזור התחתון של הטבלה יש להכניס נתוני מדידה של מודול מוצל בחלקו. בצע את החישובים הנדרשים בטבלה 11 בדומה לסעיפים קודמים. חשב את הספק היציאה של המודול:.P om = V om I om בנה גרפים ) om P om = f(i om ),V om = f(i עבור שני מצבי הארה של המודול. הגדר את הספקים ההספקים מלא טבלה ואת הנצילות ו- I o max המכסימליים ואת הזרמים והמתחים המכסימליים המתאימים לאותם.V o max מס' 11 וחשב את מקדם המילוי F.F = P om max /(V ocm * I scm ). = P om max / P rm מודול מקבילי של תאי שמש. חזור על כל הפעולות מסעיף די ל בל א האו יין ה י וני* לא ו י 6.6 שי וש ב ו של ה בר א שני ב י הט ט שש ר ל ב י א ל. הו א ר י לאו ייני ה י וניי בדו ו ה וש ור או ה אי ב יבור טורי, אשר ל ה אי בהארה לאה ו אשר א א ד. ה יף ה יו נ ל בדה ב יד. *. שובו לשאלו הה נה ב ר " נו. שב א ה ר טרי של י ה ורה לנ וד רשו ב ורה ברורה א ה ו או,ה דידו וה ישובי וב א ל הנו או ה שורו ל ישובי..P om max בטבלאו 7. רשו