8/13/2019 Relazione sulla risposta di una cella solare

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Scopo dellesperienza

Una cella solare un dispositivo concepito per sfruttare in maniera efficace esistematica la fotosensibilit delle giunzioni a semiconduttore allo scopo di produrre

enerigia elettrica e di alimentare strumenti elettronici.Lobiettivo dellesperienza analizzare il segnale in tensione-corrente generato da

una cella solare soggetta ad illuminazione. Si vuole stimare anche la posizione di unpunto di lavoro ottimale per ottenere la massima generazione di potenza da partedel dispositivo.

Verranno trattati i seguenti punti:

1. raccolta dati per lanalisi della curva caratteristica della cella solare a disposi-zione;

2. analisi dei dati raccolti e stima del punto di lavoro ottimale.

Materiale

I dispositivi e i materiali utilizzati sono:

1 cella solare (del tipo usato per lalimentazione delle calcolatrici tascabili);

1 lampada alogena;

1 basetta per disporre gli elementi circuitali;

2 multimetri digitali;

alcune resistenze con un ampio spettro di valori (da pochi fino a decine dik);

alcuni cavi coassiali di connessione.

Procedimento

1. Caratterizzazione della cella solare

La cella solare sfrutta i principi di funzionamento delle giunzioni a semiconduttoree ne eredita le caratteristiche. La curva tensione-corrente, rispettando la teoria e lecaratteristiche del dispositivo, quella esponenziale: come quella delle giunzionip-n con una traslazione verso il basso introdotta dalla presenza di una tensionefotogenerata che dipende dallintensit luminosa incidente. La curva caratteristicacompleta pu essere visualizzata sperimentalmente soltanto introducendo una tensionedi alimentazione esterna che polarizzi la cella solare. Di seguito landamento dellacurva caratteristica di una cella solare polarizzata:

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V

I

Non interessando per, come scopo dellesperienza, tutta la curva ma solo lecaratteristiche di generazione di tensione e corrente, basti considerare il tratto di curva

compreso tra le intersezioni con gli assi coordinati. Tali intersezioni rappresentanoinfatti la tensione fotogenerata massima Vmaxph che possibile raccogliere ai capidella cella in una configurazione a circuito aperto (I= 0) e la corrente fotogeneratamassima Imaxph che scorre tra i capi della cella quanto questi vengono cortocircuitati(V = 0).

Prendendo in considerazione solo la tensione intrinseca fotogenerata e la correnteda essa prodotta come se la cella solare funzionasse da generatore si ottiene:

Vmaxph

Imaxph

V

I

avendo invertito il segno della corrente in modo che corrente e tensione siano concordi.Tale configurazione rende accessiblie zone della curva caratteristica diverse dagli

estremi: senza pretese di rigore si pu affermare che la resistenza di valore finitoinserita offre una situazione intermedia tra la resistenza infinita equivalente ad uncircuito aperto e la resistenza idealmente nulla del cortocircuito.

Per compiere unanalisi significativa occorre variare su uno spettro pi ampiopossibile il punto di lavoro del dispositivo: sono state utilizzate le diverse resistenze.Esse avevano spettro piuttosto ampio da circa 47 a 25 k. Per aumentare lo spettro,sono state disposte tali resistenze anche in serie o in parallelo in diverse soluzioni percercare di ottenere punti sperimentali lungo tutta la regione di funzionamento.

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Per migliorare la risposta della cella solare ed assicurare unilluminazione quantopi stabile possibile lungo tutta la fase di raccolta dati invece della semplice illumi-

nazione ambientale si utilizzata una lampada alogena puntata direttamente sulcircuito. I valori delle grandezze sono state misurate dai due multimetri digitali,

usati uno come voltmetro e uno come amperometro.La tabella seguente mostra i prodotti calcolati per i dati sperimentali raccolti:

V (mV) I (A)

45.0 991.097.4 965.0132.0 893.0188.0 782.0246.0 667.0278.0 601.0

286.7 583.0373.0 418.0392.0 398.0450.0 265.0508.0 151.2540.0 115.1539.0 106.2564.0 56.4571.0 37.3575.0 23.4

200 400 600

200

400

600

800

1,000

V (mV)

I (A)

Ciascuno dei valori presentati deve ritenersi affetto da incertezza strumentale dilettura pari a met della cifra meno significativa in eccesso o in difetto.

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2. Stima del punto di lavoro ottimale

Considerando la formula che esprime la potenza come:

P =V I

per tensioni e correnti continue come quelle presenti nellesperienza non ci sono pro-blemi di fase relativa e massimizzare la potenza significa semplicemente massimizzareil prodotto della corrente per la differenza di potenziale.

La tabella seguente mostra i prodotti calcolati per i dati sperimentali raccolti:

V (mV) P (mW)

45.0 0.04597.4 0.094132.0 0.118

188.0 0.147246.0 0.164278.0 0.167286.7 0.167373.0 0.156392.0 0.156450.0 0.119508.0 0.077540.0 0.062539.0 0.057564.0 0.032

571.0 0.021575.0 0.013

Il grafico mostra landamento della potenza raccolta in funzione della tensione:

200 400 600

5 102

0.1

0.15

V (mV)

P (mW)

Ciascuno dei valori presentati deve ritenersi affetto da incertezza strumentale dilettura pari a met della cifra meno significativa in eccesso o in difetto.

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Conclusioni

Occorre prestare attenzione a non mettere accidentalmente in ombra la superficiedella cella solare mentre si registrano i valori delle grandezze misurate dai due

multimetri digitali: esso provoca variazioni sensibili nei valori misurati.I risultati ottenuti non concordano pienamente con le previsioni. Bench landa-mento generale della curva caratteristica sia ragionevolmente rispettato, la formafunzionale non perfettamente esponenziale e, anzi, il grafico si avvicina piuttosto aduna retta con coefficiente angolare negativo.Questo comportamento particolarmenteevidente nella regione centrale distante dai limiti (I= 0 e V = 0).

Il grafico della potenza in funzione della tensione mostra un massimo intorno ai580 mV: landamento simile ad un tipo parabolico (logicamente atteso per duegrandezze legate in modo lineare piuttosto che ad una combinazione di funzionicontenente termini esponenziali). Si pu comunque affermare che la regione di lavorotra 500 mVe 600 mVsembra quella pi promettente per un utilizzo della cella solare

come sorgente di potenza.Lo scostamento tra dati e teoria potrebbe essere dovuto a problemi degli strumentio nelle procedure di misurazione. Unaltra possibilit anche che fosse la cella solarea presentare difetti di fabbricazione o malfunzionamenti. Infine la presenza dellalampada alogena da 50 Wpu essere stata causa del malfunzionamento della cella,non tanto per la luce assorbita ma per il calore emesso dalla lampada stessa chepotrebbe aver danneggato la celletta. In tutti i casi, una seconda e pi curata serie dimisurazioni preceduta da un dettagliato controllo della taratura della strumentazionerisulterebbe indubbiamente chiarificatrice.

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