Manual til laboratorieøvelse for elever Solceller · Det er ikke bokstavelig talt riktig siden vi...

Manual til laboratorieøvelse

for elever

Solceller

Skolelaboratoriet for fornybar energi

Universitetet for miljø- og biovitenskap

Foto: Túrelio,

Wikimedia Commons

Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB 2013 2

Formå l

Dagens ungdom står ovenfor en fremtid med store utfordringer. Verden ser snart slutten på en tid med økt forbruk

av fossil energi. Samtidig vil det skje betydelige endringer de neste tiårene for å unngå store klimaendringer. For å

møte disse utfordringene trenger vi både å bytte til, og videreutvikle, våre klimanøytrale energikilder, som for

eksempel fornybar energi.

Elektrisk energi er en høyverdig form for energi, noe som betyr at den enkelt kan omformes til andre energiformer

som er nyttige for oss. Elektrisk energi kan omdannes fra flere andre former for energi. Vi skal i denne øvelsen

konsentrere oss om omformingen av sol-/lysenergi til elektrisk energi. Denne omformingen skjer i solceller.

I dette forsøket skal du lære mer om solenergi og spesielt om solceller. Du skal lære om energiomformingen fra

sollys til elektrisitet. Du skal også kunne vurdere teknologiens muligheter og begrensninger, og drøfte spørsmål

knyttet til miljø og ressursutnyttelse ved bruk av solceller som energikilde.


Teori

Energi og arbeid

Arbeid er et mål på bruk av krefter og har symbolet W. Energi er et mål på lagret arbeid – det vil si at energi kan

omsettes til arbeid, altså til bruk av krefter. Energi har symbolet E. Enheten for arbeid og for energi er J (joule), men

vi bruker også ofte den gammeldagse enheten Wh (watt-timer).

Vi bruker ofte begrepene arbeid og energi litt om hverandre siden de er så nært beslektet. Her i denne

laboratoriemanualen vil vi ofte bruke ”energi” også der vi strengt tatt snakker om ”arbeid”. Noen vanlige former for

energi er

kjemisk energi (for eksempel bensin, rapsolje, dynamitt, mat)

kinetisk energi (bevegelsesenergi, for eksempel i vind)

potensiell energi (stillingsenergi, for eksempel i vannbassenger i fjellet)

elektrisk energi (strøm/spenning, for eksempel fra en generator)

elektromagnetisk energi (for eksempel lys fra sola eller varmestråling fra en vedovn)

termisk energi (varmeenergi, for eksempel i varmtvann).

Ofte snakker vi også om mekanisk energi. Det er et samleuttrykk for kinetisk energi og potensiell energi.

Vi sier ofte at vi ”produserer” eller ”bruker” energi. Det er ikke bokstavelig talt riktig siden vi vet at energi ikke kan

oppstå eller forsvinne, den kan bare skifte form. Når vi sier at et vannkraftverk produserer 1 kWh elektrisk energi

mener vi egentlig at kinetisk energi (fra vannet) omformes til 1 kWh elektrisk energi. Når vi sier at vi bruker 1 kWh

elektrisk energi til oppvarming mener vi egentlig at elektrisk energi omformes til 1 kWh termisk energi.

Når det gjelder energiforsyningen i samfunnet, bruker vi også energienhetene med det vi kaller prefikser, for

eksempel k (kilo = tusen), M (mega = million), G (giga = milliard), T (terra = tusen milliarder) og P (peta = million

milliarder). Sammenhengen er:

1 Wh (wattimer) = 3,6 kJ (kilojoule)

1 kWh (kilowattimer) = 3,6 MJ (megajoule)

1 GWh (gigawattimer) = 3,6 TJ (terrajoule)

1 TWh terrawattimer = 3,6 PJ (petajoule)

Eksempel 1

En norsk elev trenger ca 10 MJ energi per dag (bioenergi = mat). Vi ser fra tabellen at det er litt mindre enn 3 kWh.

(3 kWh = 3 • 3,6 MJ = 10,8 MJ)


Effekt Effekt har symbolet P og er et mål for hvor fort arbeid utføres eller hvor fort energi skifter fra en form til en annen.

Det vil si at vi finner effekten når vi dividerer arbeidet på den tiden arbeidet tar, eller dividerer energien på den

tiden omformingen pågår. For energi kan vi formulere det slik:

effekt = energi / tid (P = W/t) (1)

Enheten for effekt er W (watt) som er en sammensatt enhet for J/s. Vi bruker også ofte kW (kilowatt) og MW

(megawatt).

NB: Her er det dessverre lett å blande sammen W som er enheten for effekt med W som er symbolet for arbeid.

Pass alltid på at du vet hvilken W du bruker.

Merk at tid, som har symbolet t, har enheten sekund (s). Hvis vi bruker h (timer) som enhet for tid må vi huske at

h = 3600 s

Eksempel 2

For skoleeleven finner vi effekten fra den kjemiske energien hun spiser slik:

Vi ser at sammenhengen (1) mellom effekt og energi også kan formuleres slik:

energi = effekt · tid (W = Pt) (2)

Eksempel 3

Et solcellepanel som tilføres effekten 7 kW (fra sola) i en time bruker energien:

25,2 MJ kan vi regne om til kWh slik:

25,2


Eksempel 4

I forrige eksempel regnet vi om fra MJ til kWh ved hjelp av faktoren 3,6 som vi presenterte i avsnittet om arbeid og

energi. Hvorfor er det akkurat 3,6 som er omregningsfaktor?

Jo, 1 kilowattime er energien som tilsvarer en effekt på 1 kW i 1 time:

Elektrisk effekt Energi i form av elektroner som beveger seg i en leder kaller vi elektrisitet. "Mengden" elektrisitet defineres av de

to størrelsene strøm og spenning.

Strøm

Strøm er et mål på hvor mange ladninger (elektroner) som beveger seg gjennom en ledning per tid. Symbolet for

strøm er I. Enheten for strøm er A (ampere).

Spenning

Spenning er et mål for hvor mye energi hver ladning har, altså hvor mye arbeid ladningen kan utføre. Symbolet for

spenning er U. Enheten for spenning er V (volt). Dersom det er spenning over en ledning virker det krefter på

ladningene i ledningen slik at de beveger seg og kan utføre arbeid.

I mange tilfeller kan vi bestemme hvor mye elektrisk effekt som blir brukt i en del av en krets ved hjelp av en enkel

sammenheng:

effekt = strøm · spenning (P = UI)


Serie og parallellkobling av kretser Når flere spenningskilder (batterier, solceller, kraftverk…) kobles sammen i en lukket krets er det to

hovedprinsipper for hvordan de kan kobles sammen – i serie eller i parallell. Seriekobling er at minuspolen kobles

sammen med plusspolen, mens ved parallellkobling kobles minuspolen til minuspolen og plusspolen til plusspolen,

se figur 1.

Når spenningskilder kobles i serie vil spenningen i kretsen bli summen av spenningen fra hver av spenningskildene.

Ved parallellkobling vil spenningen bli lik spenningen på hver av spenningskildene (dersom de er like), men kretsen

vil være i stand til å levere mer strøm.

Virkningsgrad Virkningsgrad er et mål for hvor mye energi eller effekt som vi kan bruke, i forhold til hvor mye vi energi eller effekt

vi putter inn. Det kan for eksempel være hvor mye bevegelsesenergi vi får ut av en motor når vi putter kjemisk

energi i form av bensin eller diesel inn i motoren.

Virkningsgrad angir vi med den greske bokstaven η (eta)

(3)

Eksempel 5

La oss si at solcellepanelet i eksempel 3, som tilføres effekten 7 kW fra sola, leverer ut en effekt i form av strøm

som er 2 kW.

Da blir virkningsgraden til solcellepanelet:

+ - + - + -

+ -

Seriekobling: Parallellkobling

:

Figur 1: Serie og parallellkobling av spenningskilder


Solcellen Et solcellepanel består av flere solceller som er koblet sammen.

En solcelle består vanligvis av silisium som er et halvmetall som også er en halvleder. En halvleder er et stoff som

ikke er en god elektrisk leder i ren form, men som under visse omstendigheter vil kunne lede elektrisk strøm.

Silisium omformes vanligvis til å bli en leder ved å dope det. Doping foregår ved å la et annet stoff reagere (vanligvis

under høy temperatur) med silisium, slik at silisiumet endrer egenskaper.

En solcelle er dopet med to forskjellige stoffer for å danne to forskjellige typer doping. P-dopingen er et område

som har underskudd på elektroner, mens N-dopingen er et område som har overskudd av elektroner. Området som

er P-dopet (har underskudd av elektroner) sier vi at har et overskudd av positive hull. I overgangen mellom de to

typene doping vil det dannes en PN-overgang som hindrer elektroner (og hull) i å bevege seg gjennom overgangen.

Når solcellen belyses vil fotoner i lyset slå løs elektroner fra silisiumet, slik at disse elektronene blir såkalte "frie

elektroner." Det at elektroner slås løs når de utsettes for lys kalles den fotovoltaiske effekt. Når P- og N- siden av

solcellen kobles sammen med en leder vil disse "frie elektronene" bevege seg gjennom lederen – vi har en elektrisk

strøm.

Figur 2: Solcelle illustrasjon


Over en solcelle av silisium vil det normalt være et elektrisk potensiale på ca. 0,5 V. Hvor mye strøm en solcelle vil

produsere vil være avhengig av innstrålingen på solcellen, og strømmen vil være tilnærmet proporsjonal med

lysintensiteten på solcellen. For å få en nyttig spenning, f.eks. for å lade et elektrisk batteri (12 V) er det vanlig å

lage solcellepaneler hvor flere solceller kobles i serie.

Solenergiressurser Effekten i solstrålingen som treffer jordens atmosfære er 1,4 kW/m2. Om lag 30 % av dette blir reflektert tilbake i

rommet. Siden jorden roterer om sin egen akse treffer solenergien bare jordens dagside. Men i gjennomsnitt over

døgnet mottar jordoverflaten 240 W/m2 fra solen – noe mer ved ekvator og noe mindre ved polene.

Figur 3 viser hvor mye solenergi Ås mottar i løpet årets måneder, mens figur 4 viser forskjellen i solinnstråling nord

og sør i Norge, og mellom sommer og vinter. Merk at figur 3 viser solinnstråling per måned, mens figur 4 oppgir for

en gjennomsnittlig sommer- og vinterdag.

10 26

69

100

150 160 157

122

73

33

12 6

0

50

100

150

200

J F M A M J J A S O N D

kWh/m2

Innstrålt solenergi på Ås over året

Figur 3: Solinnstråling på Ås

Figur 4: Solinnstråling i Norge Kilde: Enova.no


Tallene over gjelder innstråling på en horisontal flate. For en flate som er rettet mot sola vil solinnstrålingen kunne

bli høyere enn dette. I forhold til når innstrålingen skjer normalt på flaten vil innstrålingen avta med faktoren cos θ

når innstrålingen avviker med vinkelen θ fra normalen. For et fastmontert panel vil således innstrålingen på panelet

avhenge både av tid på døgnet og tid på året.

Solcelleriggen Til Energilaboratoriene er det laget en rigg med to solcellepaneler, hver på 220 W fra REC. Hvert av panelene er på

1,65 m2. Panelene kan dreies om en vannrett akse og sammen med at hele riggen står på hjul kan panelene enkelt

stilles inn i forhold til solvinkelen. Til hjelp for innstilling av innfallsvinkel (0° når sola skinner rett inn på panelet) er

det på siden montert en 10 cm lang skyggepinne. Når denne pinnen ikke kaster skygge vil sola stå normalt (0°

innfallsvinkel) på panelet.

På solcellepanelene er det også montert et pyranometer som måler

innstrålt effekt fra sola i W/m2. Pyranometeret kan stilles i alle vinkler. Det

er enkelt å finne optimal vinkel: Det er bare å vri på pyranometeret til det

blir maksimal innstråling.

På arbeidsbenken bak solcellepanelene står det to lastbokser som brukes

til å variere den elektriske motstanden som solcellepanelene føler. Disse

brukes når studentene gjør forsøk med disse solcellepanelene.

Figur 6: Pyranometer

Pyranometer

Skyggepinne for

innstilling av

innfallsvinkel

Figur 5: Rigg med 2 stk 220 W solcellepaneler

Fig 7: Lastboks


Energiflyt

Elektromagnetisk energi fra sollys omformes til elektrisk energi i solcellene.

Den elektriske energien kan vi bruke direkte eller lagre i et batteri.

Forhå ndsoppgåver

1. Bruk figur 3 til å finne svar på følgende:

a) Hvor mye solenergi mottar en kvadratmeter på Ås i løpet av et vanlig år?

b) Et solcellepanel på 2 m2 har en virkningsgrad på 20 %, og fordi det er vendt mot sør mottar det

1,4 ganger så mye solenergi per kvadratmeter som en horisontal flate. Hvor mye elektrisk

energi kan vi få fra dette panelet i løpet av et vanlig år?

2. I løpet av 3 timer midt på dagen en fin sommerdag mottar solcellepanelet i oppgave 1b en

gjennomsnittlig innstråling på 980 W. Hvor mye elektrisk energi har solcellepanelet produsert i

løpet av disse 3 timene?

3. Et solcellepanel består av 6 solceller av silisium koblet i serie. Hva er forventet spenning over dette

solcellepanelet?

Elektrisk

energi

Solcelle

Elektro-

magnetisk

energi

Sol


Låboråtorieoppgåver

Det er to solcellepanel på solcelleriggen, men lastboksene er bare koblet til det ene av panelene.

I de første fire oppgavene skal du gjøre målinger på panelet. Skriv svarene dine i skjemaet på baksiden av denne

manualen.

1. Hvor mange solceller er det i hvert panel, og hvordan er de fordelt?

2. Still inn solcellepanelet slik at sola skinner rett inn på panelet

3. Noter innstråling, spenning og strøm for hvert av tilfellene med dekking av panelet som er beskrevet i tabellen

på siste side.

4. Gjenta punkt 3 når solcellepanelene er vippet slik at skyggen fra skyggepinnen er 5 cm lang. Dette punktet kan

bare gjøres når den ekte sola brukes som energikilde.

Resten av oppgavene er utregninger og generelle spørsmål

5. Hva er forventet spenning over panelet? Stemmer dette omtrent med hva dere målte?

6. Hva skjedde når de forskjellige cellene ble dekket til? Hvilke celler er det som faktisk blir "koblet ut" når de

forskjellige cellene dekkes? Kan du ut ifra dette si noe om hvordan solcellene er koblet sammen?

7. Regn ut hvor mye effekt solpanelet gir for alle målingene dine.

8. Hva er virkningsgraden til solcellepanelet når panelet er vendt direkte mot sola, og ingen solceller er dekket?

9. Tenk igjennom og diskuter – Hvor mye av strømforbruket hjemme hos deg er det fornuftig å dekke ved hjelp av

solcellepaneler?


Må letåbeller

Solcellepanelet:

Antall kolonner med solceller: Antall rader med solceller: Antall solceller:

Målte verdier for forskjellige tilfeller av dekking når solcellepanelet er vendt direkte

mot sola:

Dekking: Innstråling (W/m2): Strøm (A): Spenning (V):

Ingen celler dekket

1 celle dekket

2 celler i samme kolonne dekket

2 celler i samme rad dekket (kolonne 1 & 2)

3 celler i samme rad skygget

1 hel rad skygget

Hvis det er sol skal dere også gjøre målingene når solcellepanelene er vippet slik at skyggen fra skyggepinnen er

5 cm lang.

Målte verdier for forskjellige tilfeller av dekking når skyggen fra skyggepinnen er 5 cm

lang:

Dekking: Innstråling (W/m2): Strøm (A): Spenning (V):

Ingen celler dekket

1 celle dekket

2 celler i samme kolonne dekket

2 celler i samme rad dekket (kolonne 1 & 2)

3 celler i samme rad skygget

1 hel rad skygget

Manual til laboratorieøvelse for elever Solceller · Det er ikke bokstavelig talt riktig siden vi...

Documents

Transcript of Manual til laboratorieøvelse for elever Solceller · Det er ikke bokstavelig talt riktig siden vi...