Esperienza n. 7: Pannello solare
1
Esperienza n. 7: PANNELLO SOLARE
Cella solare (pannello fotovoltaico)
Lo scopo dell’esperienza è quello di misurare il rendimento di conversione fra l’energia
elettrica prodotta da una cella solare e l’ energia luminosa incidente.
Essendo una cella solare un generatore reale, in prima approssimazione è
rappresentabile da un generatore ideale con la resistenza interna posta in serie, come in
fig. 1.
.
Ri
Va
.
Fig. 1 Modello elettrico di pannello solare semplificato
Per eseguire le misure sarebbe necessario disporre di una sorgente di luce avente lo
spettro di emissione luminosa uguale a quella solare, infatti le celle solari sono
massimizzate, come rendimento di conversione, allo spettro (del sole) emesso da un
corpo nero avente una temperatura di 5700°K. In laboratorio non è disponibile questo
generatore di luce, si fa uso di una lampadina ad incandescenza, il cui spettro di
emissione non è solo quello di un corpo riscaldato, ma è in parte corretto
dall’eccitazione di gas contenuto nell’ampolla (lampada alogena). Non bisogna quindi
stupirsi se il rendimento misurato risulta essere minore di quello dichiarato dal
costruttore. Nella fase successiva dell’esperienza lo studente può eseguire la misura con
luce solare, portando i pannelli all’aperto, infatti gli strumenti di misura sono alimentati
a pile ed è anche disponibile un calcolatore portatile per la raccolta dei dati.
Lo schema da seguire per caratterizzare la cella solare è presentato in fig. 2 e 3.
Illuminare la cella con una lampadina alogena da 50 W alimentata a 12 V.
Misurare la corrente di cortocircuito ICC e la tensione a circuito aperto VP della cella
solare per varie distanze cella – lampadina (l’amperometro usato ha una sua resistenza
interna quindi la corrente I misurata dall’amperometro non è la ICC) .
pannello solare
lampadina
amperometro
Fig. 2 Disposizione sperimentale
Esperienza n. 7: Pannello solare
2
pannello
Ilamp
lampadina
.
alimentatore
0-13V
.
.
Rp
10Mohm
Ramp
.
.
Vp
mA
V
.
Fig. 3 collegamenti elettrici
Ricavare la resistenza interna della cella, supponendo di poterlo rappresentare come un
generatore reale (generatore ideale di tensione di valore VP e resistenza interna RP .
Modo di procedere:
a) Disporre la cella ( si intende per cella solare il dispositivo costituito da un solo
elemento convertitore, mentre per pannello solare si intende più elementi collegati in
serie) sul banco ottico, il più possibile vicino alla lampadina, misurare con un calibro la
distanza pannello – filamento.
b) Montare il circuito come in figura 3.
c) Alimentare la lampadina a 12V, leggere la corrente Ilamp che assorbe, calcolare la
potenza dissipata.
d) Leggere la corrente I indicata dall’ amperometro e la tensione sul voltmetro. Il
rapporto fra tensione e corrente fornisce il valore della resistenza interna del
amperometro, che non cambia, a meno di non cambiare scala allo strumento; in questo
caso è necessario ripetere la misura.
e) Scollegare il l’amperometro e leggere la tensione indicata, essa rappresenta la
tensione VP .
f) Calcolare la resistenza interna del pannello attraverso i dati misurati: VP , I, Ramp .
Osservare che la resistenza interna del pannello è di ordini di grandezza più piccola
della resistenza del voltmetro (quindi…).
V
g) Calcolare la
I CC P
RP
h) Calcolare la potenza elettrica prodotta dal pannello Ppannello I CC VP
i) Accecare con l’apposito specchietto la luce che incide direttamente sul pannello e,
ripetendo le misure, calcolare la potenza generata, per la luce di fondo.
l)Sottrarre le potenze ottenute, il risultato rappresenta la potenza generata dalla luce
incidente diretta.
m)Ripetere le misure per le varie distanze e verificare che la potenza prodotta è
inversamente proporzionale da d2 ( distanza lampadina – pannello).
n) Graficare la corrente Icc , la Vp in funzione della distanza e verificare se il modello
proposto è sufficientemente realistico.
Sono disponibili in laboratorio due tipi di pannelli solari, costituiti da celle elementari a
silicio amorfo e cristallino, connesse in serie.
Verifica del rendimento relativo fra celle costituite da celle di silicio amorfo e
cristallino al variare dello spettro di luce incidente
Esperienza n. 7: Pannello solare
3
a) Montare sul banco ottico il pannello composto da celle di silicio cristallino e
calcolare la potenza generata per diverse tensioni di alimentazione della lampada,
partendo da tensioni di alimentazione da 8V, arrivando fino a 13V (si raccomanda di
eseguire la misura a 13V molto velocemente, perché la lampada è costruita per tensione
massima di 12V).
b) Ripetere la misure per il pannello composto da silicio amorfo.
c) Graficare le potenze ottenute in funzione della potenza di illuminamento della
lampadina. E’ disponibile in laboratorio un misuratore di spettro della luce emessa nel
visibile dalla lampadina.
Efficienza di conversione
Per calcolare l’efficienza di conversione della cella elementare è necessario calcolare il
rapporto fra la potenza incidente sulla cella e la potenza elettrica prodotta dal pannello.
La potenza incidente sul pannello è:
S pannello
Pincidente
Plampada
S sfera
con Plampada =VI
con V tensione di alimentazione della lampada
I corrente che passa nella lampada
lampadina
Ssfera
Scella
Cella solare
Fig. 4
La potenza che arriva sulla cella è
Pincidente
r 2
r2
P
Plampadina
lampadina
4d 2
4d 2
con r il raggio della zona sensibile della cella.
Questo calcolo è però approssimato perché il pannello è piatto e non sferico. L’errore è
tanto più grande quanto più il pannello è vicino alla sorgente luminosa.
Calcolo dell’angolo solido sotteso dalla cella (fig. 5)
pannello
Fig. 5
Chiamiamo con l’angolo solido sotteso dal pannello solare:
lampadina
Esperienza n. 7: Pannello solare
2
0
0
d send 2 cos 0 21 cos
il rapporto fra l’angolo solido sotteso e quello totale è:
1 cos
4
2
quindi la potenza che arriva sulla pannello è
1 cos
Pincidente
Plampadina
2
ricordando che
cos
d2
r2 d2
si può calcolare l’efficienza:
Pprodottacella
Pincidente
La cella disponibile in laboratorio è formata da silicio amorfo. Il rendimento massimo di
conversione che si può ottenere con lo spettro di luce solare è minore del 10%. Lo
studente può fare alcune considerazioni sul loro utilizzo come generatori di energia
elettrica.
Misure da eseguire con luce solare (se possibile):
a) Orientare il pannello verso il sole in modo da avere il massimo di corrente di
cortocircuito.
b) Ripetere le misure con l’altro tipo di pannello o cella
c) Osservare quale pannello sopporta meglio (schermando in parte le celle elmentari) le
zone d’ombra ed in quale direzione rispetto alle celle elementari costituenti il pannello.
Collegare la cella elementare con un carico ohmico composto da una cassetta di
resistenze di precisione disponibile in laboratorio e misurare la corrente che fluisce nel
carico per le varie resistenze inserite e la tensione.
Graficare la corrente in funzione della tensione generata.
Il modello ipotizzato è realistico?
Immaginando di collegare un pannello ad un utilizzatore (resistenza) quale valore di
resistenza si dovrà inserire per avere il massimo trasferimento di potenza?
4
