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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Tester per il controllo delle celle solari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Puoi utilizzare le celle solari proprio come qualsiasi altra fonte di energia. Ognuno di essi è progettato per mantenere una certa quantità di corrente ad una determinata tensione. Tuttavia, a differenza degli alimentatori convenzionali, le caratteristiche di rendimento di una cella solare dipendono dalla quantità di luce incidente. Ad esempio, una nuvola in arrivo può ridurre la produzione di energia di oltre il 50%.
Inoltre, non tutti gli elementi producono la stessa potenza nelle stesse condizioni di illuminazione, anche se gli elementi sono identici per dimensioni e design. Deviazioni nelle condizioni tecnologiche possono portare ad una notevole diffusione delle correnti di uscita di elementi dello stesso lotto. Questi fattori devono essere presi in considerazione durante la progettazione e la produzione di strutture di celle solari. Pertanto, se si vuole garantire la massima resa ai convertitori fotovoltaici, è necessario controllare tutti gli elementi. Per capire meglio quali sono i parametri da testare, vediamo innanzitutto le caratteristiche di una cella solare in silicio. Caratteristiche del convertitore fotoelettrico Ogni volta che lavori con qualsiasi fonte di alimentazione, devi capire qual è la relazione tra tensione e corrente, nonché la loro dipendenza dal carico. Nella maggior parte dei casi, la relazione è determinata dalla legge di Ohm. Sfortunatamente, le celle solari al silicio sono dispositivi non lineari e il loro comportamento non può essere descritto da una formula semplice. Invece, per spiegare le caratteristiche di un elemento è possibile utilizzare una famiglia di curve di facile comprensione (Figura 1).
100 mW/cm2 corrispondono all'irraggiamento creato dal flusso diretto della radiazione solare sulla superficie terrestre al livello del mare a mezzogiorno con cielo sereno; 75 mW/cm2 corrispondono a 3/4; 50 mW/cm2 - 1/2; 25 mW/cm2 - 1/4 di questa illuminazione. Le caratteristiche corrente-tensione (Fig. 1) possono essere studiate più in dettaglio utilizzando il diagramma mostrato in Fig. 2. Il circuito misura le tensioni di uscita e la corrente che scorre attraverso un carico resistivo variabile. Assumeremo che l'intensità della luce rimanga costante durante il processo di misurazione. Innanzitutto, utilizzare un potenziometro per impostare il valore di resistenza massimo. In questo caso, in realtà non c'è corrente nel circuito e la tensione di uscita risultante può essere considerata uguale alla tensione a circuito aperto, che è la tensione che l'elemento genera quando non è collegato alcun carico. Si tratta di circa 600 mV (0,6 V). L'entità di questa tensione può variare leggermente da un elemento all'altro dello stesso lotto e da un produttore all'altro. Man mano che la resistenza del resistore diminuisce, l'elemento viene caricato sempre più. Come con una normale batteria, ciò provoca un aumento del consumo di corrente. Allo stesso tempo, la tensione di uscita diminuisce leggermente, come dovrebbe accadere con un alimentatore non regolato. Finora questo non è sorprendente. Poi succede qualcosa di strano. Si raggiunge una situazione in cui, al diminuire della resistenza di carico, la corrente di uscita non aumenta più. Niente può causare un aumento di corrente, nemmeno un cortocircuito. In pratica questa corrente viene chiamata giustamente corrente di cortocircuito. In sostanza, il generatore solare è diventato una fonte di corrente continua. La domanda sorge spontanea: che dire della tensione? La tensione diminuirà costantemente in proporzione all'aumento del carico.
Non appena la resistenza del carico diventa zero, la tensione scenderà a zero. A proposito, un cortocircuito del convertitore fotoelettrico non porta al suo guasto. La quantità di corrente che un elemento può sviluppare dipende dall'intensità della luce. Per la prima misurazione abbiamo scelto arbitrariamente il livello di irradianza più alto, che corrisponde alla curva superiore (Fig. 1). Ogni curva successiva è stata ottenuta sullo stesso elemento con una diminuzione graduale dell'intensità luminosa. curva di potenza Se fosse necessario tracciare la dipendenza della potenza in uscita dalla tensione, il risultato potrebbe essere qualcosa di simile a quello mostrato in Fig. 3. Ad un'estremità del grafico c'è una corrente massima a tensione zero. Naturalmente a questo punto non viene rilasciata alcuna potenza a causa della mancanza di tensione. All'altra estremità del grafico c'è una tensione massima a corrente zero, che comporta anche l'assenza di rilascio di potenza. Tra questi due limiti, quando il convertitore fotovoltaico funziona nel carico, la potenza viene rilasciata e la potenza di picco viene rilasciata in un solo punto. È qui che la combinazione di tutti i fattori garantisce la selezione della massima energia dalla cella solare. La potenza di picco corrisponde ad una tensione di circa 450 mV (0,45 V), che coincideva casualmente con l'inflessione della curva di corrente mostrata in Fig. 1. Il fatto che la famiglia delle curve di corrente abbia la stessa forma significa che otterremo sempre la massima potenza alla stessa tensione, indipendentemente dalla luminosità del sole. Naturalmente, la potenza effettiva dipenderà dall'intensità della radiazione solare in un dato momento, ma la potenza di picco verrà osservata alla stessa tensione. Pertanto, per valutare correttamente la qualità di una cella solare al silicio, è necessario caricarla in modo che la tensione di uscita sia di 0,45 V, quindi misurare la potenza di uscita. Questo metodo è efficace non solo per confrontare elementi tra loro nelle stesse condizioni, ma anche per valutare la qualità di un singolo elemento.
Sviluppo dello schema tester Come già accennato, per testare le celle solari è possibile utilizzare il circuito mostrato in Fig. 2. A proposito, questo è un metodo rapido e semplice, secondo il quale, dopo aver collegato l'elemento al circuito specificato, è sufficiente impostare la tensione appropriata utilizzando un potenziometro e leggere gli strumenti che misurano tensione e corrente. Moltiplicando tensione e corrente si ottiene il valore della potenza. Ogni elemento però è leggermente diverso e quindi diverse saranno anche le resistenze corrispondenti alla potenza di picco dei singoli elementi. E in base a ciò, è necessario modificare ogni volta la resistenza di carico per ripristinare la tensione operativa richiesta. Inoltre, l'energia generata dalla cella solare viene completamente dissipata nel potenziometro, rendendolo surriscaldato e instabile. Una soluzione radicale a questo problema sarebbe quella di sostituire la resistenza di carico nel circuito. Cosa potrebbe esserci di meglio di un transistor? Questo è un ottimo sostituto. In questa particolare applicazione, il transistor può essere pensato come una resistenza dinamica. Una piccola corrente di base del transistor, impostata come mostrato in Fig. 4 provoca una variazione significativa nella corrente del collettore. La corrente di base modifica effettivamente la resistenza del transistor, che a sua volta viene utilizzato come carico per la cella solare.
Purtroppo il transistor presenta lo stesso svantaggio del potenziometro, ovvero la necessità di regolare la corrente di base quando si cambia l'elemento in prova. Questa operazione è semplice per un numero limitato di elementi, ma supponiamo che tu debba controllare 30, 40 o più elementi. Ci vorrà troppo tempo. Sarebbe bello trovare un modo per regolare automaticamente la corrente di base senza doverla impostare manualmente ogni volta. Sarebbe altamente auspicabile avere un regolatore di tensione parallelo. Un regolatore di tensione parallelo è un regolatore circondato da un circuito di retroazione che utilizza la tensione di ingresso per controllare la corrente di base. Indipendentemente dalla tensione di ingresso iniziale, il regolatore parallelo modifica la propria resistenza di shunt in modo che la tensione di uscita venga mantenuta al livello richiesto. Il principio di funzionamento del circuito Di conseguenza arriviamo allo schema mostrato in Fig. 5, che utilizza un amplificatore operazionale per regolare la corrente di base del transistor. Una resistenza da 220 Ohm serve a limitare la corrente di base. Il regolatore confronta la tensione in ingresso proveniente dal convertitore fotovoltaico con una tensione di riferimento. Tipicamente un circuito a diodo zener viene utilizzato come sorgente di tensione di riferimento. Nel nostro caso però avremmo bisogno di un diodo Zener con una tensione di stabilizzazione estremamente bassa, preferibilmente inferiore a 1 V. Purtroppo i diodi Zener per tali tensioni sono o molto sensibili alle variazioni di temperatura o costosi (di solito entrambi insieme). D'altra parte, un diodo al silicio polarizzato direttamente può fungere da eccellente riferimento a bassa tensione.
Il diodo D1, la cui polarizzazione diretta è impostata dal resistore R1, determina l'intervallo di tensione del regolatore, limitando la tensione sul resistore di regolazione “calibrazione”. La tensione di riferimento dal cursore di questo potenziometro viene fornita all'ingresso non invertente dell'amplificatore. La tensione del convertitore fotoelettrico viene fornita all'ingresso invertente dell'amplificatore attraverso il resistore R3. Il resistore R4 imposta il valore del guadagno dell'amplificatore operazionale (in questo caso è 100). A causa della sua progettazione, l'amplificatore operazionale tenta di equalizzare la tensione attraverso i suoi ingressi invertenti e non invertenti controllando la corrente che scorre attraverso il transistor di controllo shunt Q1. Il transistor riduce la tensione di ingresso a un valore tale da diventare uguale alla tensione alla presa del resistore VR1. Questa tensione può essere regolata tra 0-0,7 V. Tuttavia, in realtà il transistor non può avere la resistenza zero necessaria per ridurre la tensione a zero. Non importa quanto ci provi, il transistor manterrà una piccola tensione residua di circa 150 mV. Ciò limita il campo di regolazione a 0,15-0,7 V. Контрольные приборы La tensione sulla cella solare viene misurata con un voltmetro M1 e la corrente che scorre attraverso il transistor shunt con un amperometro M2. La potenza (in watt) viene determinata moltiplicando le letture di entrambi i dispositivi. Il voltmetro è collegato direttamente all'elemento. Si tratta di un dispositivo da pannello progettato per una corrente di 1 mA, con in serie un resistore limitatore che permette di indicare 1 V quando la deviazione è a fondo scala. D'altra parte, per misurare la corrente viene utilizzato un amplificatore operazionale insieme all'amperometro M2. Il circuito è progettato in modo tale che la corrente dell'emettitore del transistor Q1 debba fluire attraverso il resistore R13. Questa corrente corrisponde alla corrente generata dalla cella solare. Quando la corrente scorre attraverso il resistore R13, viene creata una piccola caduta di tensione. È amplificato da un amplificatore differenziale, la cui tensione agli ingressi invertente e non invertente viene fornita rispettivamente attraverso i resistori R6 e R7. Il valore del guadagno è controllato dai resistori R8-R10. Il resistore R8 è collegato permanentemente tra l'uscita e l'ingresso invertente. La sua resistenza è 3 MΩ e il valore di guadagno corrispondente è 300. Quando una corrente di 13 mA scorre attraverso il resistore R100, la tensione di uscita dell'amplificatore è 1 V. La tensione di uscita dell'amplificatore differenziale viene misurata con un voltmetro identico al voltmetro M1. Questo dispositivo è calibrato in unità di corrente. Nel nostro caso una tensione di 1 V corrisponde ad una corrente di 100 mA. Quando si collega il resistore R8 in parallelo al resistore R10, il guadagno viene ridotto a 60. In questo caso, una tensione di 1 V all'uscita dell'amplificatore corrisponde ad una corrente di 500 mA che scorre attraverso R13. Pertanto, abbiamo ampliato la gamma delle correnti misurate, coprendo valori di 100-500 mA. Allo stesso modo, quando si collega il resistore R9 in parallelo al resistore R8, è possibile misurare le correnti nell'intervallo 0-3 A. Progettazione del tester Sebbene sia possibile realizzare un tester per celle solari utilizzando qualsiasi metodo, consiglio vivamente di utilizzare un circuito stampato. Il circuito stampato è mostrato in Fig. 6. Posizionare i dettagli del circuito secondo la Fig. 7 e saldarli, rispettando la polarità dei semiconduttori. Si noti che il transistor di shunt Q1 si trova sul lato a foglio della scheda. Il transistor deve essere avvitato con cura su un grande pad di rame che funge da dissipatore di calore. In questo caso non è necessario isolare il corpo del transistor.
Idealmente, i resistori R6 e R7 dovrebbero formare una connessione abbinata. Tuttavia, resistori precisi sono costosi e difficili da ottenere. Pertanto consiglio di prendere un piccolo gruppo di resistori da 10 kOhm e di misurarli utilizzando un multimetro digitale. Non ci vorrà molto tempo per trovare due resistori che corrispondano tra loro. I restanti componenti possono essere utilizzati come resistori R2 e R3. D'altra parte, il resistore R13 non è un resistore ordinario. Dubito che tu possa trovare una resistenza come questa in un normale negozio. Ma può essere realizzato con un pezzo di filo lungo 10 cm e con un diametro di 0,26 mm, che viene solitamente utilizzato per gli avvolgimenti. Avvolgi il filo attorno al telaio (matita) in modo che la bobina risultante si adatti esattamente alla tavola. La precisione della misurazione della corrente dipende dalla precisione della selezione del valore del resistore R13. Per aumentare la precisione si può iniziare con un pezzo di filo poco più lungo di 10 cm ed accorciarlo, monitorando il valore della corrente tramite l'amperometro M2. Due strumenti di misura, un regolatore di calibrazione e un commutatore di portata, vengono alloggiati insieme ad un circuito stampato in un alloggiamento adatto. Quando si collegano questi componenti è necessario rispettare la polarità. Per fornire alimentazione al dispositivo sono necessarie due sorgenti da 12 volt con terminali di polarità positiva e negativa e un filo comune con messa a terra. Il tipo di fonti di alimentazione e la tensione non sono fondamentali. Se lo si desidera, il tester può essere alimentato utilizzando due batterie da 9 volt per ricevitori a transistor. Lo schema di una delle possibili fonti di alimentazione è mostrato in Fig. 8.
Probabilmente il più difficile da trovare o realizzare è un supporto con dispositivo di contatto per celle solari. Qui devi mostrare tu stesso un po 'di immaginazione. Un pezzo piatto di alluminio leggermente più grande della cella stessa costituisce un buon elettrodo per effettuare il collegamento al contatto posteriore della cella, mentre una sonda volt-ohmmetro costituisce un ottimo contatto con la parte anteriore della cella solare. Per automatizzare i test, potrebbe essere necessario acquistare o realizzare un morsetto speciale. Come ho detto, ci vorrà un po' di immaginazione e comprensione di ciò che è esattamente necessario.
Lavorare con il tester Il tester è molto facile da usare. È necessario collegare l'elemento al circuito, illuminarlo e effettuare letture. Il contatto posteriore dell'elemento è un elettrodo positivo ed è collegato all'ingresso positivo del tester. La griglia di raccolta corrente sulla superficie anteriore dell'elemento è un elettrodo negativo ed è collegata al terminale di terra del tester. È necessario garantire un contatto affidabile con gli elettrodi dell'elemento. Poiché si tratta di una tensione piuttosto bassa, anche una piccola resistenza di contatto può causare una differenza significativa nelle letture. Per garantire una connessione affidabile, è necessario che i contatti siano sufficientemente premuti sull'elemento. Tuttavia, è opportuno evitare una pressione eccessiva, poiché gli elementi sono molto sottili, fragili e facili da rompere! È qui che torna utile un dispositivo di contatto con elementi ben progettato. Il regolatore di "calibrazione" imposta la tensione operativa alla quale viene misurata la potenza. Di solito viene impostato una volta a 450 mV. Tuttavia, se necessario, è possibile modificare la tensione operativa. In breve, se hai un tester, non devi indovinare i parametri degli elementi, ma misurarli. Autore: Byers T.
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