1 SKOLELABORATORIET Solcellekurs m/laboratorium Skolelaboratoriet 17. sept av Nils Kr. Rossing Skolelaboratoriet ved NTNU

2 SKOLELABORATORIET Program for dagen Kort intro til solceller Modeller for en kvalitativ forståelse av virkemåte Noen utvalgte prosjekter Beregning av solcelleareal og antall celler for mobiltelefonlader Framstilling av solcellepaneler (lab) Karakterisering og måling av virkningsgrad for panelet Flere prosjekter

3 SKOLELABORATORIET Kort intro til solceller

4 SKOLELABORATORIET Solceller

5 SKOLELABORATORIET Sol og vind AS Skandinavias største bygningsintegrerte solcelleanlegg på 1260 m 2 Årlig produksjon kWh Offisiell åpning 26. sept Kostnad 7,8 mill 1690 solcelleplater

6 SKOLELABORATORIET Solcellens oppbygning p-dopet (B) silisium n-dopet (P) sjikt Metallgrid – Metallbelegg + Antireflekslag (SiN x ) pn-overgangen SOLLYS

7 SKOLELABORATORIET Solcelle spenning + ‒ Tomgangsspenning: 0,56 V Kortslutningsstrøm: 2,5 A i sterkt sollys 15,5 cm

8 SKOLELABORATORIET Serie- og parallellkobling

9 SKOLELABORATORIET Oppdeling av celler? 15,5 cm Tomgangsspenning = 0,56 V Kortslutningsstrøm = 2,0 A Tomgangsspenning = 0,56 V Kortslutningsstrøm = 250 mA 7,25 cm 3,6 cm 1/8

10 SKOLELABORATORIET P ut RLRL Typisk virkningsgrad 14 – 18 % Hvor tapes energien? 19.6 % - Andel fotoner med for lav energi 42.0 %- Andel fotoner med høyere energi enn nødvendig 7 – 8 %- Skyggevirkning av metalliske kontakter 6 – 8 %- Refleksjon av lyset, til tross for antireflekterende lag 7 – 8 %- Uønsket rekombinasjon av elektroner 14 –18%- Til nytte P inn Lys

11 SKOLELABORATORIET Hvordan solcelle effektiviteten har økt CIGS

12 SKOLELABORATORIET Forutsetning for maksimalt levert effekt P ut RLRL P inn Lys RSRS Maks. levert effekt til belastningen når R L = R S

13 SKOLELABORATORIET Solcellens virkemåte En didaktisk tilnærming

14 SKOLELABORATORIET Antall ladning pr. sek = I Ladningenes midlere fart Antall ladning pr. sek = I Ladningenes midlere fart Hvor kommer energien fra som stråler ut av lyspæra? Lys Varme Strømretning

15 SKOLELABORATORIET Hva skjer når ladningene beveger seg? + + – ++++ Strøm av negative ladninger Strøm av positiv ladning Strømretningen

16 SKOLELABORATORIET Elektrisk leder og isolator Nils Kr. Rossing

17 SKOLELABORATORIET

18 SKOLELABORATORIET

19 SKOLELABORATORIET Elektrisk energiomvandling fra kjemisk energi via elektrisk energi til lysenergi tid Stillings- energi BatteriLysdiode - Batteri -

20 SKOLELABORATORIET Elektrisk energiomvandling fra lysenergi via elektrisk energi til lysenergi tid energi Solcelle -Lysdiode Solcelle + -

21 SKOLELABORATORIET Halvlederteori og solcellens virkemåte (avansert)

22 SKOLELABORATORIET Halvledermaterialet Rent silisium er nærmest en isolator

23 SKOLELABORATORIET Energinivåer Bare noen energinivåer er lovlige 1,12eV Valens-skall Lys/energi Fritt Hull Silisium

24 SKOLELABORATORIET N-dopet og P-dopet materiale P

25 SKOLELABORATORIET Solceller n p Elektrisk nøytral Elektrisk nøytral Ladning

26 SKOLELABORATORIET p Solceller n Potensial

27 SKOLELABORATORIET V 0V 0.5V ‒ + n p Solceller Potensial MørktLys UiUi

28 SKOLELABORATORIET Eksempler på små prosjekter for bruk i klasserommet

29 SKOLELABORATORIET Praktisk solcelle- teknologi for skolen Grunnleggende teori Praktisk håndtering Karakterisering Prosjekter

30 SKOLELABORATORIET Bygg en solcellebil Intro til solceller i klasseromme Skjær ut bunnplata (side 55)

31 SKOLELABORATORIET Monter hjullager og hjul

32 SKOLELABORATORIET Monter motor

33 SKOLELABORATORIET Monter solcellepanelet

34 SKOLELABORATORIET Om å sette skoleprosjektet inn i en sammenheng

35 SKOLELABORATORIET Om å sette prosjektet inn i en sammenheng Solkvinnene i India

36 SKOLELABORATORIET Foreningen har som formål å gjennom innsamling av alle former for nyttige bidrag fra private personer,offentlige instanser samt næringsliv i Norge og utlandet bidra til å støtte ulike prosjekter innen landsbyutvikling i land, der behovene for slik støtte eksisterer til enhver tid. Foreningen vil prioritere å bidra til implementering av solenergi som primær fremgangsmåte men vil også være åpen for hybride løsninger. Kvinner og barn i landsbymiljøer der primærbehov som Vann, Helse, Skole og Bygdenæring er områder med energibehov vil være viktige innfallsvinkler og fokusert satsing. Foreningen's virke vil alltid være uavhengig av politiske og religiøse tilhørighet. Tommy Fernandez Torgeir Ulset Per Horgen

37 SKOLELABORATORIET Lita solcelle ladet bordlampe side 72 Plastplate (1,5 mm) Solceller Koblingsband Lamineringsplast Batteriholder Ladbare batterier Bateriklemme Tynn myk ledninger Bryter 3 stk hvite lysdioder Motstand (serie med lysdioder)

38 SKOLELABORATORIET Solcellesikke side 50 Hva som trengs: Solceller Lamineringsplast Koblingsbånd CD-plate Solcellemotor ”Sukkerbit” Sykkeleike Trekloss Ledninger Dobbelsidig tape Tynn ståltråd Dekor Verktøy Lamineringsmaskin

39 SKOLELABORATORIET Lærerkurs Teknologi og design Ide til emnet Teknologi og Design Lærere laget solcellesikker på kurs Flere skoler har brukt konseptet - Charlottenlund u. skole - Ugla skole - Gerhard Schönning vgs - Byåsen vgs - m.fl.

40 SKOLELABORATORIET Smarttelefon lader side 66 Ladekit fra –Solceller –USB kabel –Mini USB kabel –Plastplate A4 –Power Pack Lamineringsmaskin Verktøy (loddebolt)

41 SKOLELABORATORIET Introduksjon til solcellepaneler Beregning av areal, strøm og spenning, serie-, parallelkobling, oppdeling, laminering

42 SKOLELABORATORIET Noen viktig fakta Ved tilstrekkelig belysning gir hver celle ca. 0,56 V uten belastning Er vi heldige får vi ut 10 % av lysenergen som elektrisk energi Solceller kan serie- og parallellkobles på samme måte som batterier Seriekobling gir økt spenning Parallellkobling gir økt strøm (økt effekt) EFFEKT = STRØM x SPENNING (levert til en belastning) Tilpasning til lasten er viktig for å få maksimal levert effekt.

43 SKOLELABORATORIET Serie- og parallellkobling

44 SKOLELABORATORIET Solcellepanel for en mobil-lader Hvor høy spenning trenger vi for å lade en smart-telefon? Hvor mange solceller trenger vi? Skal vi seriekoble eller parallellkoble cellene? Hvor stor effekt bør vi ha? Hvor store (cm 2 ) bør hver celle være?

45 SKOLELABORATORIET Oppgave 1: Hvor stor spenning og strøm trengs? Hver celle leverer en tomgangsspenning på 0,56 V Dvs. at 10 celler seriekoblet leverer ca. 5,6 V Oppgave 2: Hvor mange solceller trenger vi? En mobillader til en Smart Phone kan lades fra en USB som normalt leverer 5 V. Vi skulle derfor kunne nøye oss med V. En mobillader bør minst kunne levere 0,5 A, ved hurtiglading 1,0 A

46 SKOLELABORATORIET Dersom vi minimum krever 5 V og 0,5 A så vil dette si 2,5 W. Oppgave 3: Hvor store effekt trengs? Vi antar at vi belyser cellene med klar sol, f.eks. 600 W/m 2. Så må vi totalt ha et areal på 2,5 W/600 W/m 2 = 0,004m 2 = 40 cm 2, men… Vi får i beste fall omdannet 10 % av effekten i sollyset … Dvs. vi må øke arealet tilsvarende. Dvs. vi trenger 400 cm 2 totalt. Med 10 celler betyr det at hver celle er minst 40 cm 2 Oppgave 4: Hvor stort solcelleareal trengs?

47 SKOLELABORATORIET Oppgave 5: Hvordan skal vi koble opp cellene? Hvilken form og størrelse på bitene skal vi velge? 15 cm 32 cm

48 SKOLELABORATORIET

49 SKOLELABORATORIET Proxxon Bench Circular Saw KS html#.U1nosNGKDIU html#.U1nosNGKDIU Oppdeling

50 SKOLELABORATORIET Oppkobling av 10 celler 5 cm 7,5 cm 29,5 cm 0,5 cm 17 cm + ‒

51 SKOLELABORATORIET Montering av flat koblingstråd + ‒ Tape

52 SKOLELABORATORIET Oppkobling 1.Lag 10 solcellebiter 2.Klipp opp koblingstråd 3.Sett lim på koblingstråden 4.Fest tråden til banen med tapen

53 SKOLELABORATORIET ‒ + Oppkobling (forts.) 5.Legg solcellene inntil hverandre 6.Fest ledningene til undersiden med tape

54 SKOLELABORATORIET Oppkobling (forts.)

55 SKOLELABORATORIET Til undersiden Fra oversiden Seriekobling

56 SKOLELABORATORIET Laminering

57 SKOLELABORATORIET Oppkobling La det være igjen et stykke. Brukes ved måling.

58 SKOLELABORATORIET Fra solcellepanel USB type a (hunn) USB micro type b Til batteripakke Oppkobling forts.

59 SKOLELABORATORIET Den ferdige mobilladeren

60 SKOLELABORATORIET Oppsummering Det er mulig å gjennomføre mange ulike prosjekter i videregående skole. Bruk av nakne celler: + Gir ”hands on” erfaring med silisiumet på godt og vondt + Cellene kan formes og tilpasses + Cellene er relativt billige – Cellene er ekstremt skjøre, går lett i stykker – Gir relativt dårlig virkningsgrad – Kan lett ødelegges av varme (virkningsgraden faller med oppvarming) – Vanskelig å lodde, men lette å laminere (gir økt kontaktmotstand) Bruk av ferdig monterte celler: + Robuste + Lette å koble sammen – Dyrere – Vanskeligere å tilpasse til spesiell bruk – Få ikke samme ”hands-on”