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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Solarzellentester. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Sie können Solarzellen wie jede andere Energiequelle nutzen. Jeder von ihnen ist darauf ausgelegt, eine bestimmte Strommenge bei einer bestimmten Spannung aufrechtzuerhalten. Anders als bei herkömmlichen Stromversorgungen hängen die Leistungseigenschaften einer Solarzelle jedoch von der Menge des einfallenden Lichts ab. Beispielsweise kann eine einziehende Wolke die Leistungsabgabe um mehr als 50 % reduzieren.
Darüber hinaus erzeugen nicht alle Elemente bei gleichen Lichtverhältnissen die gleiche Leistung, selbst wenn die Elemente in Größe und Design identisch sind. Abweichungen in den technologischen Bedingungen können zu einer merklichen Streuung der Ausgangsströme von Elementen derselben Charge führen. Diese Faktoren müssen beim Entwurf und der Herstellung von Solarzellenstrukturen berücksichtigt werden. Wenn man also die maximale Leistung von Photovoltaik-Wandlern sicherstellen möchte, ist es notwendig, alle Elemente zu überprüfen. Um besser zu verstehen, welche Parameter getestet werden müssen, schauen wir uns zunächst die Eigenschaften einer Silizium-Solarzelle an. Eigenschaften des photoelektrischen Wandlers Wenn Sie mit einer Stromquelle arbeiten, müssen Sie die Beziehung zwischen Spannung und Strom sowie deren Abhängigkeit von der Last verstehen. In den meisten Fällen wird der Zusammenhang durch das Ohmsche Gesetz bestimmt. Leider sind Siliziumsolarzellen nichtlineare Geräte und ihr Verhalten kann nicht durch eine einfache Formel beschrieben werden. Stattdessen kann eine Familie leicht verständlicher Kurven verwendet werden, um die Eigenschaften eines Elements zu erklären (Abbildung 1).
100 mW/cm2 entsprechen der Bestrahlungsstärke, die durch den direkten Fluss der Sonnenstrahlung auf der Erdoberfläche auf Meereshöhe zur Mittagszeit bei klarem Himmel entsteht; 75 mW/cm2 entspricht 3/4; 50 mW/cm2 - 1/2; 25 mW/cm2 – 1/4 dieser Beleuchtung. Die Strom-Spannungs-Kennlinien (Abb. 1) können anhand des Diagramms in Abb. genauer untersucht werden. 2. Die Schaltung misst die Ausgangsspannungen und den Strom, der durch eine variable Widerstandslast fließt. Wir gehen davon aus, dass die Lichtintensität während des Messvorgangs konstant bleibt. Stellen Sie zunächst mit einem Potentiometer den maximalen Widerstandswert ein. In diesem Fall fließt tatsächlich kein Strom im Stromkreis und die resultierende Ausgangsspannung kann als gleich der Leerlaufspannung betrachtet werden, also der Spannung, die das Element erzeugt, wenn keine Last daran angeschlossen ist. Sie beträgt etwa 600 mV (0,6 V). Die Höhe dieser Spannung kann von Element zu Element derselben Charge und von Hersteller zu Hersteller geringfügig variieren. Mit abnehmendem Widerstandswert wird das Element zunehmend belastet. Dies führt wie bei einer normalen Batterie zu einem Anstieg des Stromverbrauchs. Gleichzeitig sinkt die Ausgangsspannung leicht, wie es bei einem ungeregelten Netzteil der Fall sein sollte. Bisher ist dies nicht verwunderlich. Dann passiert etwas Seltsames. Es wird eine Situation erreicht, in der mit abnehmendem Lastwiderstand der Ausgangsstrom nicht mehr ansteigt. Nichts kann einen Stromanstieg verursachen, nicht einmal ein Kurzschluss. In der Praxis wird dieser Strom zu Recht als Kurzschlussstrom bezeichnet. Im Wesentlichen ist der Solargenerator zu einer Gleichstromquelle geworden. Es stellt sich die Frage: Wie sieht es mit der Spannung aus? Die Spannung nimmt proportional zur zunehmenden Last ständig ab.
Sobald der Lastwiderstand Null wird, sinkt die Spannung auf Null. Ein Kurzschluss des fotoelektrischen Wandlers führt übrigens nicht zu dessen Ausfall. Die Strommenge, die ein Element entwickeln kann, hängt von der Intensität des Lichts ab. Für die erste Messung haben wir willkürlich die höchste Bestrahlungsstärke ausgewählt, die der oberen Kurve entspricht (Abb. 1). Jede weitere Kurve wurde am selben Element mit einer allmählichen Abnahme der Lichtintensität erhalten. Leistungskurve Wenn es nötig wäre, die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Spannung darzustellen, dann könnte das Ergebnis in etwa dem in Abb. gezeigten ähneln. 3. An einem Ende des Diagramms gibt es einen maximalen Strom bei Nullspannung. Aufgrund der fehlenden Spannung wird an dieser Stelle natürlich kein Strom abgegeben. Am anderen Ende des Diagramms liegt eine maximale Spannung bei Nullstrom, was ebenfalls dazu führt, dass keine Leistung abgegeben wird. Zwischen diesen beiden Grenzen wird beim Betrieb des Photovoltaik-Wandlers in der Last Leistung abgegeben, wobei die Spitzenleistung nur an einem Punkt abgegeben wird. Hier sorgt die Kombination aller Faktoren dafür, dass aus der Solarzelle die größtmögliche Energie gewonnen wird. Die Spitzenleistung entspricht einer Spannung von etwa 450 mV (0,45 V), die zufällig mit dem in Abb. gezeigten Wendepunkt der Stromkurve zusammenfiel. 1. Die Tatsache, dass die Stromkurvenscharen die gleiche Form haben, bedeutet, dass wir immer die maximale Leistung bei der gleichen Spannung erhalten, unabhängig von der Helligkeit der Sonne. Natürlich hängt die tatsächliche Leistung von der Intensität der Sonneneinstrahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt ab, die Spitzenleistung wird jedoch bei derselben Spannung beobachtet. Um die Qualität einer Silizium-Solarzelle richtig beurteilen zu können, müssen Sie diese so laden, dass die Ausgangsspannung 0,45 V beträgt, und dann die Ausgangsleistung messen. Diese Methode eignet sich nicht nur zum Vergleich von Elementen untereinander unter gleichen Bedingungen, sondern auch zur Beurteilung der Qualität eines einzelnen Elements.
Entwicklung des Testerschemas Wie bereits erwähnt, können Sie zum Testen von Solarzellen die in Abb. gezeigte Schaltung verwenden. 2. Dies ist übrigens eine schnelle und einfache Methode, bei der Sie nach dem Anschließen des Elements an den angegebenen Stromkreis lediglich die entsprechende Spannung mit einem Potentiometer einstellen und Messwerte an Instrumenten zur Messung von Spannung und Strom ablesen müssen. Durch Multiplikation von Spannung und Strom erhält man den Leistungswert. Allerdings ist jedes Element etwas anders und daher sind auch die Widerstände, die der Spitzenleistung der einzelnen Elemente entsprechen, unterschiedlich. Dementsprechend ist es notwendig, den Lastwiderstand jedes Mal zu ändern, um die erforderliche Betriebsspannung wiederherzustellen. Darüber hinaus geht die von der Solarzelle erzeugte Energie im Potentiometer vollständig verloren, wodurch dieses heiß und instabil wird. Eine radikale Lösung für dieses Problem wäre der Austausch des Lastwiderstands im Stromkreis. Was könnte besser sein als ein Transistor? Dies ist ein großartiger Ersatz. In dieser speziellen Anwendung kann man sich den Transistor als dynamischen Widerstand vorstellen. Ein kleiner Basisstrom des Transistors, eingestellt wie in Abb. 4 führt zu einer deutlichen Änderung des Kollektorstroms. Der Basisstrom verändert tatsächlich den Widerstand des Transistors, der wiederum als Last für die Solarzelle dient.
Leider hat der Transistor den gleichen Nachteil wie das Potentiometer, nämlich die Notwendigkeit, den Basisstrom anzupassen, wenn das zu testende Element gewechselt wird. Dieser Vorgang ist für eine kleine Anzahl von Elementen einfach, aber nehmen Sie an, Sie müssen 30, 40 oder mehr Elemente überprüfen. Es wird zu lange dauern. Es wäre schön, eine Möglichkeit zu finden, den Basisstrom automatisch anzupassen, ohne ihn jedes Mal manuell einstellen zu müssen. Es wäre äußerst wünschenswert, einen parallelen Spannungsregler zu haben. Ein Parallelspannungsregler ist ein Regler, der von einer Rückkopplungsschleife umgeben ist und die Eingangsspannung zur Steuerung des Basisstroms verwendet. Unabhängig von der anfänglichen Eingangsspannung ändert der Parallelregler seinen Shunt-Widerstand, sodass die Ausgangsspannung auf dem erforderlichen Niveau gehalten wird. Das Funktionsprinzip der Schaltung Als Ergebnis gelangen wir zu dem in Abb. 5, das einen Operationsverstärker verwendet, um den Basisstrom des Transistors zu regeln. Zur Begrenzung des Basisstroms dient ein 220 Ohm Widerstand. Der Regler vergleicht die vom Photovoltaik-Wandler kommende Eingangsspannung mit einer Referenzspannung. Typischerweise wird eine Zenerdiodenschaltung als Referenzspannungsquelle verwendet. Allerdings bräuchten wir in unserem Fall eine Zenerdiode mit einer extrem niedrigen Stabilisierungsspannung, vorzugsweise unter 1 V. Leider sind Zenerdioden für solche Spannungen entweder sehr temperaturempfindlich oder teuer (meist beides zusammen). Andererseits kann eine in Durchlassrichtung vorgespannte Siliziumdiode als hervorragende Niederspannungsreferenz dienen.
Die Diode D1, deren Durchlassvorspannung durch den Widerstand R1 eingestellt wird, bestimmt den Spannungsbereich des Reglers und begrenzt die Spannung am „Kalibrierungs“-Einstellwiderstand. Die Referenzspannung vom Schieber dieses Potentiometers wird dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt. Die Spannung des fotoelektrischen Wandlers wird über den Widerstand R3 dem invertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt. Der Widerstand R4 legt den Verstärkungswert des Operationsverstärkers fest (in diesem Fall beträgt er 100). Aufgrund seines Designs versucht der Operationsverstärker, die Spannung an seinen invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen auszugleichen, indem er den durch den Shunt-Steuertransistor Q1 fließenden Strom steuert. Der Transistor reduziert die Eingangsspannung auf einen solchen Wert, dass sie der Spannung am Abgriff des Widerstands VR1 entspricht. Diese Spannung kann zwischen 0 und 0,7 V eingestellt werden. In Wirklichkeit kann der Transistor jedoch nicht den Nullwiderstand haben, der erforderlich ist, um die Spannung auf Null zu reduzieren. Egal wie sehr Sie es versuchen, der Transistor behält eine kleine Restspannung von etwa 150 mV. Dadurch wird der Regelbereich auf 0,15–0,7 V begrenzt. Steuergeräte Die Spannung an der Solarzelle wird mit einem Voltmeter M1 und der durch den Shunt-Transistor fließende Strom mit einem Amperemeter M2 gemessen. Die Leistung (in Watt) wird durch Multiplikation der Messwerte beider Geräte ermittelt. Das Voltmeter wird direkt an das Element angeschlossen. Es handelt sich um ein Panel-Gerät, das für einen Strom von 1 mA ausgelegt ist, mit einem Reihenbegrenzungswiderstand, der es Ihnen ermöglicht, 1 V anzuzeigen, wenn die Abweichung den vollen Skalenwert erreicht. Andererseits wird ein Operationsverstärker zusammen mit dem Amperemeter M2 zur Strommessung verwendet. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass der Emitterstrom des Transistors Q1 durch den Widerstand R13 fließen muss. Dieser Strom entspricht dem von der Solarzelle erzeugten Strom. Wenn Strom über den Widerstand R13 fließt, entsteht ein kleiner Spannungsabfall. Es wird durch einen Differenzverstärker verstärkt, dessen invertierende und nichtinvertierende Eingänge über die Widerstände R6 bzw. R7 mit Spannung versorgt werden. Der Verstärkungswert wird durch die Widerstände R8-R10 gesteuert. Der Widerstand R8 ist fest zwischen Ausgang und invertierendem Eingang geschaltet. Sein Widerstand beträgt 3 MΩ und der entsprechende Verstärkungswert beträgt 300. Wenn ein Strom von 13 mA durch den Widerstand R100 fließt, beträgt die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 V. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers wird mit einem Voltmeter gemessen, das mit dem Voltmeter M1 identisch ist. Dieses Gerät ist in Stromeinheiten kalibriert. In unserem Fall entspricht eine Spannung von 1 V einem Strom von 100 mA. Wenn der Widerstand R8 parallel zum Widerstand R10 geschaltet wird, verringert sich die Verstärkung auf 60. In diesem Fall entspricht eine Spannung von 1 V am Ausgang des Verstärkers einem Strom von 500 mA, der durch R13 fließt. Daher haben wir den Bereich der gemessenen Ströme erweitert und decken nun Werte von 100-500 mA ab. Ebenso können bei Parallelschaltung des Widerstands R9 zum Widerstand R8 Ströme im Bereich von 0-3 A gemessen werden. Tester-Design Obwohl ein Solarzellentester mit jeder Methode hergestellt werden kann, empfehle ich dringend die Verwendung einer gedruckten Schaltung. Die Leiterplatte ist in Abb. dargestellt. 6. Platzieren Sie die Details der Schaltung gemäß Abb. 7 und löten Sie sie unter Beachtung der Polarität der Halbleiter. Beachten Sie, dass sich der Shunt-Transistor Q1 auf der Folienseite der Platine befindet. Der Transistor muss vorsichtig auf eine große Kupferplatte geschraubt werden, die als Kühlkörper dient. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, den Transistorkörper zu isolieren.
Idealerweise sollten die Widerstände R6 und R7 eine passende Verbindung bilden. Genaue Widerstände sind jedoch teuer und schwer zu bekommen. Daher empfehle ich, eine kleine Gruppe von 10-kOhm-Widerständen zu nehmen und diese mit einem Digitalmultimeter zu messen. Es wird nicht lange dauern, zwei zueinander passende Widerstände zu finden. Die restlichen Komponenten können als Widerstände R2 und R3 verwendet werden. Andererseits ist der Widerstand R13 kein gewöhnlicher Widerstand. Ich bezweifle, dass man einen solchen Widerstand in einem normalen Laden finden kann. Es kann aber auch aus einem 10 cm langen Stück Draht mit einem Durchmesser von 0,26 mm hergestellt werden, das üblicherweise für Wicklungen verwendet wird. Wickeln Sie den Draht so um den Rahmen (Bleistift), dass die resultierende Spule genau auf die Platine passt. Die Genauigkeit der Strommessung hängt von der Genauigkeit der Auswahl des Widerstandswerts R13 ab. Um die Genauigkeit zu erhöhen, können Sie mit einem Stück Draht beginnen, das etwas länger als 10 cm ist, dieses kürzen und den Stromwert mit dem Amperemeter M2 überwachen. Zwei Messgeräte, ein Kalibrierregler und ein Bereichsschalter, werden zusammen mit einer Leiterplatte in einem geeigneten Gehäuse untergebracht. Beim Anschluss dieser Komponenten ist auf die Polarität zu achten. Zur Stromversorgung des Geräts sind zwei 12-Volt-Quellen mit positiven und negativen Polaritätsanschlüssen und ein gemeinsamer Erdungsdraht erforderlich. Die Art der Stromquelle und die Spannung sind nicht kritisch. Auf Wunsch kann der Tester mit zwei 9-Volt-Batterien für Transistorempfänger betrieben werden. Das Diagramm einer der möglichen Stromquellen ist in Abb. dargestellt. 8.
Am schwierigsten zu finden bzw. herzustellen ist wohl eine Halterung mit Kontaktvorrichtung für Solarzellen. Hier müssen Sie selbst etwas Fantasie zeigen. Ein flaches Stück Aluminium, das etwas größer als die Zelle selbst ist, eignet sich gut als Elektrode, um eine Verbindung zum hinteren Kontakt der Zelle herzustellen, während eine Volt-Ohmmeter-Sonde einen hervorragenden Kontakt zur Vorderseite der Solarzelle herstellt. Um die Prüfung zu automatisieren, müssen Sie möglicherweise eine spezielle Klemme kaufen oder herstellen. Wie gesagt, es erfordert ein wenig Vorstellungskraft und ein Verständnis dafür, was genau benötigt wird.
Arbeiten mit dem Tester Der Tester ist sehr einfach zu bedienen. Sie müssen das Element an den Stromkreis anschließen, es beleuchten und Messungen vornehmen. Der hintere Kontakt des Elements ist eine positive Elektrode und wird mit dem positiven Eingang des Testers verbunden. Das Stromsammelgitter auf der Vorderseite des Elements ist eine negative Elektrode und ist mit dem Erdungsanschluss des Testers verbunden. Es muss ein zuverlässiger Kontakt mit den Elektroden des Elements gewährleistet sein. Da es sich um eine relativ niedrige Spannung handelt, kann bereits ein kleiner Kontaktwiderstand zu erheblichen Unterschieden in den Messwerten führen. Um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten, ist es notwendig, dass die Kontakte gut genug an das Element gedrückt werden. Übermäßiger Druck sollte jedoch vermieden werden, da die Elemente sehr dünn, zerbrechlich und leicht brechen! Hier kommt ein gut konzipiertes Elementkontaktgerät zum Einsatz. Der „Kalibrierungs“-Regler stellt die Betriebsspannung ein, bei der die Leistung gemessen wird. Üblicherweise wird einmalig 450 mV eingestellt. Bei Bedarf kann jedoch die Betriebsspannung geändert werden. Kurz gesagt: Wenn Sie über einen Tester verfügen, müssen Sie die Parameter der Elemente nicht erraten, sondern messen. Autor: Byers T.
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