Solcellen - Malmö högskola

Laborationer i miljöfysik
Solcellen
Du skall undersöka elektrisk ström, spänning och effekt från en solcellsmodul under olika
förhållanden, och ta reda på dess verkningsgrad under olika förutsättningar.
Figur 1. Solcellspanel på Malmö högskola, lärarutbildningen. Toppeffekten är 55 W,
storleken 0,4m0,9m
En solcell (photovoltaic cell) är en tunn platta av dopat halvledarmaterial (oftast kisel), med
en p-n-övergång mellan översida och undersida. Vid belysning kan fotonenergin göra att
laddningar får tillräcklig energi att driva runt en elektrisk ström i en ansluten krets. Solcellerna
tillverkas ofta i ca en kvadratdecimeter stora plattor, som ger 0,5 volt och 3 ampere vid full
solbelysning. De monteras i större sammankopplade enheter, som kallas solpanel eller
solmodul.
1-3 Solcellens egenskaper
Du skall undersöka ström I och spänning U från en solcellsmodul då du varierar kretsens
resistans R. Du mäter också instrålningen med en solarimeter (kalibrerad solcell) och
kontrollerar att den är konstant under din mätserie.
Om du använder en lysrörsramp som ljuskälla bör du mäta instrålningen på flera ställen av
solcellsmodulen, för att kontrollera om instrålningen är lika över hela ytan.
MALMÖ HÖGSKOLA, Lärarutbildningen, Avdelningen för fysik
Mats Areskoug
1
2017-07-15
Visa din koppling för handledaren
innan du kopplar på strömmen!
solcell
V
A
R
1. Solcellens karakteristik
 Ur dina mätvärden beräknar du kretsens resistans R och den effekt P som
solpanelen gav. Rita graferna
ström som funktion av spänning
effekt som funktion av spänning
effekt som funktion av belastningsresistans
 Hur får man maximal effekt från solcellen?
 Hur stor är solcellens verkningsgrad?
2. Hur fungerar solcellen vid svagare instrålning
 Tag upp ström-spännings-karakteristiken för solcellen vid lägre instrålning.
För in resultaten i samma diagram som du gjort tidigare.
 Hur förändras ström respektive spänning då instrålningen minskar?
 Vad bestämmer maximala strömmen från solcellen?
3. Hur fungerar solcellen om en del av den är skuggad?
 Skugga en av de seriekopplade cellerna i solcellspanelen med ett svart
papper. Tag upp karakteristiken.
MALMÖ HÖGSKOLA, Lärarutbildningen, Avdelningen för fysik
Mats Areskoug
2
2017-07-15
4. Hur fungerar solcellen i kombination med en ackumulator
Koppla en solcell och en ackumulator så att de gemensamt kan strömförsörja ett antal
glödlampor eller någon annan belastning. Koppla in tre amperemetrar, som mäter totala
strömmen till belastningen, strömmen från solcellen resp. strömmen från eller till
ackumulatorn. Koppla också in en voltmeter över solcellen:
A
A
mete
r
mete
r
A
mete
S
r
Ackumulator
o
l
c
e
l
l
Belys solcellen. Prova med dels några olika belastningar (en eller flera glödlampor), dels olika
stark instrålning.
Undersök för de olika fallen
 Varifrån strömmen till belastningen kommer
 Om ackumulatorn laddas eller urladdas
 Om solcellen arbetar vid en lämplig spänning
MALMÖ HÖGSKOLA, Lärarutbildningen, Avdelningen för fysik
Mats Areskoug
3
2017-07-15
5. Energiomvandlingar i olika riktningar
Normalt används en lysdiod som en svag ljuskälla, t ex som kontrollampa på elektriska
apparater. Den fungerar på motsatt sätt mot solcellen: man tillför elektrisk energi, som lyfter
elektroner till en högre energinivå. Då de faller tillbaka avger de ljus.
5 a. Energiomvandlingar i lysdiod
Använd en röd lysdiod med klart hölje. Långt spröt är +. Lysdioden skall vara seriekopplad
med ett motstånd på minst 200 ohm, som begränsar strömmen. Koppla in ett 4,5 V
batteri. Vad händer? Försök beskriva energiomvandlingen med hjälp av termer som
valensband, ledningsband och bandgap.
5 b. Lysdiodens bandgap
Undersök ungefärliga storleken på bandgapet genom att långsamt öka spänningen (starta på
0 V) och se vid vilken spänning lysdioden börjar lysa. Lämplig koppling:
Batteri
4,5 V
Variabelt
motstånd
150 ohm
Motstånd
220 ohm
Lysdiod
V
Beräkna ungefärliga ljusvåglängden som motsvarar bandgapets energi. Vilken färg motsvarar
detta?
5 c. Lysdioden som solcell
Prova nu om lysdioden kan göra den omvända
energiomvandlingen, från ljus till elektrisk energi. Belys
den med klart solljus eller på 1 cm avstånd från en
lysrörslampa. Koppla in först en voltmeter, sen en mycket
känslig amperemeter. (Nu behövs inte något motstånd –
strömmen blir ändå mycket liten.) Undersök också
strömriktningen, och jämför med den strömriktning som
behövs för att driva dioden som lysdiod.
Gör en beräkning på diodens ungefärliga verkningsgrad
som solcell.
MALMÖ HÖGSKOLA, Lärarutbildningen, Avdelningen för fysik
Mats Areskoug
4
2017-07-15
6. Kompletterande experiment
Låt en solcell driva en glödlampa, lysdiod, motor, fläkt, vattenpump, radio, freestyle,
klocka, miniräknare etc.
Välj kombination av solcell och belastning så att solcellen utnyttjas optimalt. Om solcellen får
driva en liten pump, som pumpar vatten från en nivå till en högre, kan man beräkna ökning i
potentiell energi och motsvarande effekt och verkningsgrad för kombinationen solcell, motor
och pump.
MALMÖ HÖGSKOLA, Lärarutbildningen, Avdelningen för fysik
Mats Areskoug
5
2017-07-15