*****
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 12-14 %) och är förhållandevis dyra. Tunnfilmscellerna har en
i stort sett slät svart yta. De har en verkningsgrad på 6-8 %. 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:
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
1
031001
ström =
spänning
resistans
I=
U
R
Vill man ha högre spänning seriekopplar man flera batterier.
kopplingsplint
+
-
motor
solceller
+
-
Serie-koppling
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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
2
031001
+
-
kopplingsplint
motor
solceller
+
-
Parallell-koppling
Figur 2. Parallellkoppling av solceller
*** Solcellens spänning – ström – karakteristik
Vill man undersöka solcellens elektriska egenskaper noggrannare måste man
studera dess spänning – ström –
karakteristik.
För
naturvetarstudenter på gymnasium
solcell
eller högskola är det en lämplig
uppgift
att
mäta
upp
karakteristiken. Solcellen kopplas
till en variabel resistor i serie med
V
en amperemeter, och med en
voltmeter ansluten parallellt, se
A
Figur 3. Solcellen placeras i
R
solljus med konstant styrka
(eventuellt
kan
konstljus Figur 3. Kopplingsschema för solcellens
användas).
karakteristik
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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
3
031001
Mätvärdena prickas ini ett diagram och förenas med en kurva.Resultatet kan se
ut som i Figur 4.
U-I-diagram för solcell SD 25 vid fullt solljus
600
Ström I / mA
500
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 Uoc =
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 Isc = 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
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
4
031001
Den punkt på kurvan där solcellen ger högst effekt ligger därför ungefär mitt på
”knäet”. Detta är bästa arbetspunkt för cellen, med Ump = 1,9 V, Imp = 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.
U-I-diagram för solcell SD25
Solcell 1000 W/m2
Solcell 750 W/m2
Solcell 500 W/m2
Solcell 250 W/m2
600
Ström I / mA
500
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:
Pmax = U mp ⋅ I mp = 1,9 V ⋅ 310 mA = 0,589 W
Den tillförda effekten bestäms av solinstrålningen S = 1000 W/m2 och solcellens
area A. Denna solcellspanel består av 4 seriekopplade celler på vardera 25 mm .
50 mm. Tillförd effekt blir alltså
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
5
031001
Pin = S ⋅ A = 1000 ⋅ 4 ⋅ 0,025 ⋅ 0,050 W = 5 W
Verkningsgraden e blir
Pnyttig
0,589
= 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):
e=
=
Pin = S ⋅ A = 1000 ⋅ 0,060 ⋅ 0,120 W = 7,2 W
e=
Pnyttig
Pin
=
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. Ström-spänningskarakteristik visas i Figur 5. Den kostar 79 danska
kr (cirka 100 svenska). Yttermått 60 mm . 120 mm.
Zenit ab läromedel nr 16-000500. 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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
6
031001
Litteratur
Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. 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
PV-school 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.
Klimat-X, Klimatexperiment i skolan
Malmö miljöförvaltning i samarbete med
Malmö högskola, lärarutbildningen, fysik. Experimentutveckling: Mats Areskoug
7
031001
