Πείραμα: Μελέτη φωτοβολταικών κυττάρων

Θέλετε να κάνετε κάποιο πείραμα σχετικό με τα φωτοβολταϊκά κύτταρα, αλλά δεν έχετε ασχοληθεί ξανά με το θέμα; Πριν καιρό ήμουν και εγώ στη θέση σας, γι’αυτό παρακάτω σας παρουσιάζω τα ευρήματα της έρευνάς μου για τα θέματα του τοπικού διαγωνισμού EUSO 2014.

Πάγκοι εργασίας μαθητών κατά τη διάρκεια του διαγωνισμού EUSO 2014
Πάγκοι εργασίας μαθητών κατά τη διάρκεια του διαγωνισμού EUSO 2014

Ο συνάδελφος Γιάννης Καραδάμογλου υπέκυψε και φέτος στην πρότασή μου να συναργαστούμε στον τοπικό διαγωνισμό EUSO 2014 για τα σχολεία του N. Ηρακλείου. Μετά την ανώμαλη διαστολή του νερού, αποφασίσαμε να ασχοληθούμε με κάτι μοντέρνο και σχετικό με τον τόπο μας. Το κίνητρό μας να επιλέξουμε τη μελέτη των φωτοβολταϊκων κυττάρων (ΦΒΚ) ήταν ότι, παρόλο που τα παιδιά έρχονται σε επαφή μαζί τους καθημερινά και από μικρή ηλικία, ελάχιστα έχουν ασχοληθεί με τη μελέτη τους και τις ιδιαιτερότητες που έχουν ως πηγές ηλεκτρικού ρεύματος.

Επιλογή χαρακτηριστικών ΦΒΚ προς μελέτη

Xαρακτηριστική Kαμπύλη I-V ενός ΦΒ κυττάρου
Xαρακτηριστική Kαμπύλη I-V ενός ΦΒ κυττάρου

Το πρώτο πράγμα που έπρεπε να αποφασίσουμε ήταν ποια χαρακτηριστικά των ΦΒΚ θα μπορούσαν να μελετήσουν οι μαθητές. Έπειτα από έρευνα στο διαδίκτυο (βλέπε συνημμένα αρχεία), βρήκαμε ότι τα κυριότερα χαρακτηριστικά είναι:

  1. Χαρακτηριστική καμπύλη I-V (Ρεύματος-Τάσης)
  2. Σχέση παραγόμενου ρεύματος – μήκους κύματος προσπίπτοντος φωτός
  3. Σχέση παραγόμενου ρεύματος – σκίασης ΦΒΚ
  4. Σχέση παραγόμενου ρεύματος – γωνίας προσπίπτοντος φωτός
  5. Σχέση παραγόμενου ρεύματος – θερμοκρασίας ΦΒΚ
  6. Σχέση παραγόμενου ρεύματος – απόστασης φωτεινής πηγής

Με δεδομένο το χρονικό περιορισμό (50 λεπτά που θα έπρεπε να διαρκεί το πείραμα) και τις προηγούμενες σχολικές γνώσεις των μαθητών, αποφασίσαμε να εξετάσουμε 1) τη Χαρακτηριστική καμπύλη I-V (Ρεύματος-Τάσης) και 4) τη Σχέση παραγόμενου ρεύματος – γωνίας προσπίπτοντος φωτός.

Επιλογή τύπου ΦΒΚ

Ψάχνοντας κάποιος στο ίντερνετ (π.χ. solar panels στο ebay) μπορεί να βρει πολλές και οικονομικές επιλογές αλλά λόγω της αβεβαιότητας του χρόνου παράδοσης αποφασίσαμε να στραφούμε στην τοπική αγορά. Mετά από πολύ έρευνα που έκανα (από τα 15 καταστήματα ηλεκτρονικών ειδών που ψάξαμε βρήκαμε μόνο σε 2) για τύπους ΦΒΚ, είχαμε δύο επιλογές. Αφού αγόρασα και δοκίμασα μερικά τα αποτελέσματα ήταν:

  1. Φωτοβολταϊκά φιλμ (κόστος 1 ευρώ με χαρακτηριστικά 0.5V, 2W). Τα φωτοβολταϊκά φιλμ είναι εξαιρετικά λεπτά (πάχος < 1mm) και εύθραυστα (από τα 5 που αγόρασα μόνο στο 1 κατάφερα να κολλήσω καλώδια χωρίς να το σπάσω).

    Πέρα από την κόλληση ειδικών καλωδιώσεων (τύπου ταινίας) χρειάζονται μηχανική υποστήριξη (με κομμάτια πλέξιγλας ή γυαλιού) και μόνωση έναντι της υγρασίας (με σιλικόνη). Επιπλέον εάν οι κολλήσεις είναι ατελείς σε κάποια σημεία, υπάρχει μεγάλη απόκλιση στην απόδοση τους που τα κάνει ακατάλληλα εαν θέλουμε να έχουμε παραπλήσειες μετρήσεις για όλες οι διατάξεις.Με τα επιπλέον εξαρτήματα που απαιτούνται για να γίνει το φωτοβολταϊκο φιλμ λειτουργικό για πείραμα με μαθητές, το συνολικό κόστους φτάνει τα 4 ευρώ/φιλμ.

    Για όποιον αποφασίσει να το επιχειρήσει μπορεί να βρει αναλυτικές οδηγίες στο iqsolarpower.com και εδώ.

  2. Φωτοβολταϊκα φιλμ (κόστος 1 ευρώ με χαρακτηριστικά 0.5V, 2W)
    Φωτοβολταϊκα φιλμ (κόστος 1 ευρώ με χαρακτηριστικά 12V, 2W)
  3. Φωτοβολταϊκά πάνελ (κόστος 9 ευρώ με χαρακτηριστικά 6V, 350mW). Τα φωτοβολταϊκά πάνελ κολλώντας (στις θέσεις + και – που φαίνονται στην εικόνα) μόνο δύο απλά καλώδια με κροκοδειλάκια είναι έτοιμα προς χρήση αφού έχουν έτοιμη την υπόλοιπη καλωδίωση, τη μηχανική υποστήριξη και τη προστασία από υγρασία.
Φωτοβολταϊκά πάνελ (κόστος 9 ευρώ με χαρακτηριστικά 6V, 350mW)
Φωτοβολταϊκά πάνελ (κόστος 9 ευρώ με χαρακτηριστικά 6V, 350mW)

Συνυπολογίζοντας τα παραπάνω συμπεράσματα με το ότι εμείς ενδιαφερόμασταν κυρίως για το πείραμα καθεαυτό και όχι για να εξασκηθούμε στην κατασκευή ΦΒ κυκλωμάτων καταλήξαμε στα ΦΒ πάνελ.

Επιλογή φωτεινής πηγής

Λάμπα αλογόνου τύπου MR16 (με κάτοπτρο)
Λάμπα αλογόνου τύπου MR16 (με κάτοπτρο)

Αφού το πείραμα θα γινόταν σε κλειστό χώρο, χρειαζόμασταν μία πηγή φωτισμού. Ο περιβάλλον φωτισμός (από τις λάμπες του δωματίου) ήταν αρκετός για να δώσουν τα ΦΒΚ κάποια ένδειξη ρεύματος αλλά αυτή η ένδειξη ήταν πολύ ευμετάβλητη λόγο της σκίασης που προκαλούσαν οι κινήσεις των ατόμων μέσα στο χώρο. Έτσι έπρεπε να καταφύγουμε σε κάποια πηγή εξολοκλήρου για το φωτισμό του ΦΒΚ.

Μετά από δοκιμές με διάφορες λάμπες καταλλήξαμε στις λάμπες αλογόνου τύπου MR16 με κάτοπτρο με χαρακτηριστικά λειτουργίας 12V και 30W (κόστος 1 ευρώ) για τρεις κυρίως λόγους:

  1. Πρόκειται για λάμπες πυρακτώσεως οπότε υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της φωτεινότητας χρησιμοποιώντας το τροφοδοτικό μεταβλητής συνεχούς τάσεως
  2. Η τάση λειτουργίας είναι 12V ασφαλής για τους μαθητές
  3. Λόγο του κατόπτρου που διαθέτει εστιάζει όλη την παραγόμενη φωτεινή ενέργεια σε μία στενή περιοχή με αποτέλεσμα το ΦΒΚ να δίνει μεγάλες τιμές έντασης ηλεκτρικού ρεύματος (τάξης 100mA) μετρήσιμες από ένα εργαστηριακό πολύμετρο.

Τροφοδοσία φωτεινής πηγής

Η τροφοδοσία της λάμπας αλογόνου τύπου MR16 έγινε από ένα εργαστηριακό τροφοδοτικό μεταβλητής συνεχούς τάσεως με χαρακτηριστικά max 20V – 6Α.

Pages: 1 2

vgargan Written by:

Είμαι ο Βασίλης Γαργανουράκης και ζω στο Ηράκλειο Κρήτης. Σπούδασα Φυσικός και εργάζομαι στη δημόσια δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Όποτε βρίσκω χρόνο, αποτυπώνω και μοιράζομαι τις σκέψεις μου με φίλους, γνωστούς και αγνώστους μέσω του vgargan.gr.