Дослідження питання узгодження електричного навантаження з фотоелементом

Avatar
Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне та експериментальне дослідження питання узгодження електричного навантаження з фотоелементом.

Мета роботи: визначити оптимальне електричне навантаження для фотоелемента.

Завдання роботи: визначити ККД фотоелемента за різних навантажень та його оптимальне значення.

Блок 2. Попередня інформація

Фотоелементом називається напівпровідниковий пристрій, що перетворює енергію світла, зокрема сонячного, на електричну енергію.

У більшості сучасних фотоелементів як напівпровідниковий матеріал використовується кремній. Такі фотоелементи мають досить високий ККД перетворення світлової енергії на електричну та тривалий ресурс, протягом якого їхні показники залишаються стабільними.

Ефективність будь-якого фотоелемента оцінюють за його ККД, який визначається як відношення електричної потужності фотоелемента до потужності світлового випромінювання, яке падає на його площу:

η = (Рел/Рсвіт)⋅100 %, (1)

де Рел – потужність фотоелемента, Вт;

Рсвіт – потужність світлового випромінювання, що падає на поверхню фотоелемента, Вт.

Електрична потужність фотоелемента може бути визначена як добуток струму в електричному колі, в якому він використовується як джерело живлення, та напруги, Вт:

Рел = Iн⋅Uн. (2)

Для визначення потужності світлового потоку необхідно визначити освітленість у місці розміщення фотоелементу в Лк за допомогою люксметра та розрахувати потужність світлового потоку за формулою, Вт:

Рсвіт = 1,464∙10–7⋅E⋅S, (3)

де 1,464∙10–7 – коефіцієнт переводу Лк у Вт/см2;

Е – освітленість, Лк;

S – площа фотоелементу, см2.

Фотоелемент має певну вольт-амперну характеристику (ВАХ). Його напруга та струм залежать від опору навантаження.

Досліджувана проблема – з’ясувати, чи залежить ККД фотоелемента від опору навантаження, та якщо залежить, то за якого опору ККД буде максимальним.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: фотоелемент, електрична енергія, електричне навантаження, коефіцієнт корисної дії.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

Блок 3. Обладнання

комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії»; цифровий мультиметр UNI-T UT70А – 2 шт.; з’єднувальні провідники; штангенциркуль; цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610.

Рис. 1. Обладнання для дослідження

Основні терміни та поняття

ЗОВНІШНІЙ І ВНУТРІШНІЙ ФОТОЕФЕКТ – ФОТОЕФЕКТ – СВІТЛОВІ КВАНТИ ФОТОЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ – СВІТЛОВІ КВАНТИ РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Потужність електричного струму Електричний опір ЗАКОН ОМА ДЛЯ ДІЛЯНКИ КОЛА. ОПІР МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКІВ. НАДПРОВІДНІСТЬ – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Складіть дослідницьку установку за рисунком у методиці “Дослідження фотоелемента на основі кремнію”, але замість світлодіода як навантаження встановіть змінний резистор опором 1 кОм.
  2. Проведіть вимірювання за цією методикою за різних положень ручки резистора (не менше 10, зокрема двох крайніх положень).

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
№ Е, Лк Рсвіт, Вт U, В І, А Рел, Вт η, %
1
2
3
4
….
10
  1. За формулою (3) визначте потужність світлового потоку.
  2. За формулою (2) визначте електричну потужність фотоелемента.
  3. За формулою (1) визначте ККД фотоелемента.
  4. Побудуйте графік залежності струму фотоелемента від напруги (його ВАХ) та графік залежності ККД фотоелемента від напруги.
  5. Користуючись отриманими графіками та рівнянням закону Ома, визначте, який опір навантаження за цих умов відповідатиме максимальній ефективності фотоелемента.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Визначте співвідношення напруги та струму фотоелемента, що відповідають максимальній ефективності з напругою холостого ходу та струмом короткого замикання.
  2. Узгодьте електричне навантаження з фотоелементом за різних умов освітленості.
  3. Поміркуйте над можливими сферами практичного застосування явища, що було досліджене.