Enrera
 Mòdul 7A
Utilització de l' Aula de Noves Tecnologies per a la Ciència
  Pràctica
1
2
3
   
Exercicis
Exercicis
 
 
  Objectius
   

L'objectiu d'aquesta pràctica és la utilització dels sensors de llum i de corrent (250 mA) per caracteritzar una cèl·lula fotovoltaica, és a dir, per estudiar la variació de la intensitat del corrent elèctric que produeix la cèl·lula, en curtcircuit, segons la il·luminació que rep.
   
Caracterització d'una cèl·lula fotovoltaica
  B. Corrent generat per una cèl·lula fotovoltaica
   

Atenció !

 

Introducció

El sensor de llum de l'equip MultiLab està dissenyat per a mesurar il·luminàncies en lux, i per a calcular la irradiància (W/m/2) utilitzarem un factor d'eficàcia que sabem que depèn del tipus de llum, per a una bombeta de 100W agafem el valor de 45 lux/W/m/2. Farem una extrapolació per saber la quantitat de corrent que produiria la cèl·lula a a situar-la l'exterior.

 

Característiques d'una cèl·lula fotovoltaica

Una cèl·lula fotovoltaica és un dispositiu semiconductor actiu. És capaç de generar corrent elèctric quan rep certa intensitat de radiació. La intensitat de corrent que proporciona la cèl·lula fotovoltaica és proporcional a la intensitat de radiació que rep, encara que hi ha un límit físic a la intensitat de corrent que es pot obtenir.

Extret del llibre 'Electricidad solar. Ingeniería de los sistemas fotovoltaicos', d'E. Lorenzo. Instituto de Energia Solar. UPM.

En aquest gràfic es veu que la resposta espectral és pràcticament del 100% per a fotons de l'espectre visible i part dels infraroigs, fins a uns 1100nm. Per a freqüències ultravioletes, per raons de recombinació dels electrons amb els forats generats dintre del semiconductor, també decau a zero la resposta.

En el gràfic següent s'observa que l'anomenada "corriente de fotogeneración", corrent generada per cada cm2 de material semiconductor (mA/cm2), depèn del tipus de material i de la intensitat de la radiació, la irradiància . Les tres corbes representen diferents intensitats típiques (AMO, AM1.5G, i AM1.5 D) i les dues línies discontinues verticals representen els dos materials que es comparen: Si i GaAs.

Extret del llibre 'Electricidad solar. Ingeniería de los sistemas fotovoltaicos', d'E. Lorenzo. Instituto de Energia Solar. UPM.

La intensitat del corrent elèctric que subministra la cèl·lula ve donada per la diferència entre el corrent de fotogeneració IL i el corrent de recombinació ID , aquest últim provinent de la polarització produïda pel voltatge generat. El valor màxim del corrent en curcircuit és d'uns 30 mA/cm2.

El voltatge, en circuit obert, que ofereix una cèl·lula de silici assoleix un valor constant d'uns
0,6 V, que correspon al d'un díode de silici. A la pràctica 3 fareu l'estudi de la relació entre el voltatge i la il·luminació.
 

 

La corba característica I-V d'una cèl·lula, per a una radiació lluminosa constant, és com la que es veu a la figura següent:
 
 

Al anar variant la resistència de càrrega, varia el voltatge de sortida, i molt poc el corrent, fins al moment que cau a zero. Es comporta com una font d'intensitat amb un díode en paral·lel.

Però arriba a uns valors límits, ja comentats, el corrent de curtcircuit ISC i el voltatge en circuit obert V0C. Hi ha un punt de potència màxima (P = IM ·VM) que correspon a uns valors de IM i de VM propers als ISC i V0C de curtcircuit i de circuit obert. A les pràctiques 2 i 3 estudiareu la relació existent entre la intensitat de radiació, el corrent generat (P2) i el voltatge (P3).

Es deixa per a un possible treball d'ampliació les mesures experimentals per construir la corba característica d'una cèl·lula fotovoltaica, en la qual, amb una intensitat lluminosa constant, s'hauria de mesurar el voltatge i el corrent generats segons es canvia el valor de la resistència exterior, des de curtcircuit, resistència zero, fins a a circuit obert, resistència infinita.
   
Material i equipament
   
 
Equipament MultiLog
  • Consola connectada a l'ordinador
  • Sensor de llum (0-130 klux) amb cable de connexió per a la consola
  • Sensor d'intensitat del corrent elèctric (250mA) amb cable

 

Material de laboratori

  • Regle o cinta mètrica
  • Focus de llum, com pot ser una bombeta de 100 W sense pantalla
  • Suport, nou i pinces
  • Cèl·lula fotovoltaica model ETM 380-2 V
  • Cables i pinces de cocodril
   
   
 

La fotografia següent correspon a la cèl·lula fotovoltaica que utilitzareu per fer la pràctica:

Característiques del fabricant:

  • Model: ETM 380 - 2V
  • Intensitat real: 380 mA
  • Voltatge real: 2 V
  • Material: silici cristal·lí

A la fotografia es pot veure que la cèl·lula està formada per 4 unitats fotovoltaiques connectades en sèrie, de 2,5 cm d'ample i 5 cm d'altura cadascuna. Per tant, l'àrea de cada unitat és 12,5 cm2. Teòricament, segons el gràfic anterior, la intensitat que proporcionen aquestes unitats, per a una intensitat de radiació AM1.5G (969.91 W/m2), que podeu considerar com la radiació solar en les millors condicions, serà de:

Aquest valor s'aproxima al de 380 mA indicat pel fabricant, ja que les 4 unitats fotovoltaiques estan connectades en sèrie i, per tant, la intensitat que circula per cada una d'elles és la mateixa. En canvi, el voltatge se suma. Cada unitat proporciona com a màxim uns 0,6 V i en conjunt 2,4 volts, i per al punt de màxima potència 2 V, valor que correspon al que indica el fabricant.
   
Plantejament d'hipòtesis i disseny de l'experiment
 
  • Quin tipus de relació creieu que hi ha entre la intensitat de llum que rep la cèl·lula i el corrent elèctric que genera?
  • Si intenteu mesurar el corrent elèctric en curtcircuit, podeu dissenyar el circuit elèctric que permet fer la mesura?
Procediment
   
  Muntatge de l'experiència
 

El muntatge que heu de fer correspon a la fotografia i l'esquema següents:
 
  • De la mateixa manera que a la pràctica , heu de muntar un focus de llum i un regle. La cèl·lula se subjecta amb una pinça i al seu costat, amb una altra pinça, s'hi col·loca el sensor de llum.
  • Connecteu-lo a l'entrada I/O-2 de la consola.
  • Connecteu el sensor de corrent, que en el circuit està en sèrie amb la cèl·lula, a l'entrada I/O-1 de la consola.
 

El procediment de mesura és el següent:

  • Deixeu fixos la cèl·lula i els sensors i aneu apropant el focus de llum, des d'un metre de distància fins a 0,1m, cada 0,1m. Tindreu 10 mesures.
  • En cadascuna d'aquestes posicions capturareu les mesures d'intensitat de corrent i de llum.

Com que el que interessa és estudiar la relació entre la radiació i el corrent produït, l'experiència es pot dissenyar de formes diferents. Per exemple, el canvi d'intensitat del focus podríeu provocar-lo amb un potenciòmetre, com el que porten moltes làmpades utilitzades per a la il·luminació en les cases, que canvia progressivament la intensitat lluminosa.

 
 

Configuració de l'equip

1. Configuració de la consola

  • Endolleu la consola a l'ordinador amb el cable USB.
  • Connecteu la font d'alimentació DC/AC a la consola.
  • Obriu la consola amb .
  • Amb desplaceu-vos fins a Configuració sistema . Premeu Enter : apareix la pantalla següent:


  • Amb seleccioneu Mode: Auto ID.
  • Premeu i netegeu la memòria; premeu i us apareixerà el missatge Memòria neta!
  • Premeu per tornar al menú principal.
  • Una vegada fet el muntatge, connecteu el sensor de llum a l'entrada I/O-1 de la consola, el de corrent (250 mA) a la I/O-2.

2. Configuració del MultiLab

  • Engegueu l'ordinador i obriu el programa MultiLab . Si apareix MultiLog no trobat, torneu al primer punt de la configuració.
  • Cliqueu a la icona o bé Enregistrador| Configura enregistrador: apareix la finestra Ajudant de configuració. Pas 1 de 3 - Sensors.
  • Cliqueu a la icona de l'entrada 1 i poseu la unitat de mesura W/m/2.
  • Premeu D'acord i es torna a la finestra anterior, en què heu de prémer Proper perquè surti la finestra referent al pas 2 de 3.
   
  • Seleccioneu la freqüència d'adquisició de dades Manual, Escala completa i Substitueix.
  • Cliqueu a Proper i s'obrirà la finestra Pas 3 de 3.

 
   
  • Seleccioneu Temps: Per mostres / Esborra memòria.
  • Finalment cliqueu a Acaba.

  • El Mode de captura permet capturar les mesures quan voleu; per exemple, quan el focus estigui a la distància adequada, encara que en aquesta experiència no resulta crítica la posició exacte, ja que no es correlacionarà el corrent amb la distància, sinó amb la llum. El programa crea una nova taula de captura en la qual desa els valors capturats.

  • Heu de seleccionar la pestanya Taula | Mode de captura i apareix la finestra Captura:

  • Seleccioneu els sensors de Llum i Corrent i cliqueu a Afegeix. Es crearan dues columnes a la taula de dades en la qual es desaran les mesures
  • Premeu D'acord.
   
  • Com que en aquesta pràctica us interessa la relació entre la intensitat lluminosa i el corrent elèctric generat per la cèl·lula, no resulta necessari crear una columna de les distàncies manualment, com a la pràctica 1.

Enregistrament i transformació de dades

Captació de dades

  • Abans de començar la mesura, assegureu-vos que la consola és al menú principal.
  • Enceneu la bombeta, col·loqueu la bombeta a 1m i comenceu a enregistrar les dades: cliqueu a la icona Enter de la consola i a continuació premeu la icona Captura situada sota la taula i a la dreta. S'escriuran els valors corresponents a 1 m a la mateixa fila de la taula.
  • Col·loqueu la bombeta a 0,9 m dels sensors i torneu a capturar la mesura: primer cliqueu a i després .

  • Continueu capturant les mesures fins a arribar a una distància de 0,1m, en què haureu fet les deu mesures. Heu de tenir un gràfic semblant al següent:

Poseu nom al projecte, m7a_e2. Afegiu el gràfic al projecte i guardeu-lo a la carpeta m7a. Aquest gràfic formarà part de l'exercici 2 i l'haureu d'enviar al tutor/a.

Transformació de les dades

Com que interessa estudiar la variació del corrent segons la radiació solar, heu de fer el següent:

  • Cliqueu a la pestanya Gràfic|Edita gràfic i sortirà la finestra següent:
  • Poseu el nom al gràfic: Corrent - Radiació solar.
  • Seleccioneu les dades de l'eix X: Exp 4: Rad solar I/O2.
  • Seleccioneu les dades de l'eix Y: Exp 5 :Corrent I/O1.
  • Quan cliqueu a D'acord, us ha d'aparèixer el nou gràfic:
   
  • Observeu que la dependència del corrent enfront a la il·luminància és pràcticament lineal.
  • Afegiu el gràfic al projecte. Aquest gràfic formarà part de l'exercici 2 i l'haureu d'enviar al tutor/a.
 

Anàlisi de les dades

  • Per calcular l'equació que relaciona el corrent amb la intensitat, cliqueu a Anàlisi | Ajudant d'anàlisi i s'obrirà la finestra següent:
  • Assegureu-vos que l'Ajustament de corba sigui Lineal.
  • Ha d'estar Basat en un conjunt de dades: Exp 5 - Corrent I/O-1.
  • Ha de mostrar l'equació a gràfic i R2 a gràfic.
  • Cliqueu a D'acord i haureu generat un nou gràfic:

     
   
   

Hi apareix l'equació de la recta d'ajustament :

f(x) = 8,7E-006X
   
Conclusions experimentals
   
 
  • El pendent de la recta és l'augment de corrent per cada lux d'augment de il·luminància: 8,7E-6 A/ lux. Si acceptem que per a la nostra bombeta de 100W el factor d'eficàcia val 45 lux/(W/m2) el pendent ens quedarà:
                 8,7E-6 (A/ lux)*45 lux/(W/m2) = 0,392E-6(A/(W/m2)= 0,392mA/(W/m2).
  • El valor del factor d'eficàcia= 45 lux/(W/m2) està deduït de diverses experiències realitzades per nosaltres amb el sensor de llum i un sensor de radiació, i per tant estan sotmeses a possibles rectificacions.
  • Per a una radiació solar de 1.000 W/m2, valor mitjà de la radiació solar en la superfície terrestre, correspondria un corrent de 392 mA, proper al que proposa el fabricant, que és d'uns 380 mA.
  • L'últim gràfic, l'equació, el pendent i el corrent per a 1.000 W/m2 formen part de l'exercici que heu d'enviar al tutor/a; prèviament s'haurà d'afegir al projecte.
 

Aplicacions

Els resultats permeten pensar que aquesta cèl·lula fotovoltaica es podria calibrar per a mesurar irradiàncies (W/m2) de llum solar si utilitzem un factor de 0,392 mA/(W/m2).
 
Descàrrega de la pràctica en format Word
   
 
Amunt