4-я Жаутыковская олимпиада (2008), экспериментальный тур

Исследование характеристик солнечного элемента

Приборы и принадлежности: Солнечный элемент (1), цифровые мультиметры, $2$ штуки (2), резистор с переменным сопротивлением (3), резистор с известным сопротивлением ($1,00\pm 0,01$) Ом (4), электрическая лампа (5), «крокодильчики» (6), пинцет (7), миллиметровая бумага.
Выработка энергии играет важную роль в человеческой деятельности. В связи с уменьшением минеральных энергетических ресурсов Земли в настоящее время особую актуальность приобретают возобновляемые источники энергии. Одним из ее видов является солнечная энергия. Работа по использованию данного вида энергии проводится и в Казахстане. Солнечные элементы напрямую преобразуют энергию света в электрическую энергию. В данной работе Вы будете исследовать характеристики такого солнечного элемента. Эти элементы специально изготовлены для данной олимпиады в лаборатории микро- и оптоэлектроники Казахского национального университета.

Внимание: Солнечные элементы очень хрупкие, будьте внимательны при работе с ними. Непосредственно элементы руками трогать нельзя. Из-за загрязнения существенно могут меняться их характеристики. Для соединения их в электрическую схему используйте пинцет и «крокодильчики». Во время измерений положение солнечного элемента относительно лампы не должно меняться. Желательно электрическую лампу включать только во время измерения. Будьте осторожны, электрическая лампа достаточно сильно нагревается.
Задание экспериментального тура (15 баллов): Вам необходимо измерить вольт-амперную характеристику ($BAX$) солнечного элемента. При этом Вы можете использовать предоставленные Вам мультиметры только как вольтметры. Их использование в качестве амперметров приводит к некорректным результатам, так как они в качестве амперметров имеют слишком большое внутреннее сопротивление.
Осветите солнечный элемент данной вам настольной лампой, включив ее на максимальную мощность и расположив ее на расстоянии $10-20$ см от солнечного элемента.

[label=\alph*)]
1. Непосредственно измерьте ЭДС солнечного элемента. Приведите схему измерений; (1 балл)
2. Подключите к солнечному элементу внешнюю нагрузку, используя переменный резистор и резистор с известным сопротивлением. Приведите схему, позволяющую измерить зависимость силы тока через солнечный элемент от напряжения на внешней нагрузке. Постройте график полученной зависимости. Используйте оба мультиметра только в качестве вольтметров; (5 баллов)
3. Считая, что при малых токах ЭДС солнечного элемента и его внутреннее сопротивление постоянны, определите их по данным пункта b); (3 балла)
4. Определите теоретически сопротивление внешней нагрузки для батарейки с постоянным внутренним сопротивлением, при котором на внешней нагрузке выделяется максимальная мощность. Используя результат пункта с), вычислите теоретически это сопротивление, считая сопротивление солнечного элемента постоянным; (1 балл)
5. Используя данные, полученные в пункте b), постройте график зависимости мощности, выделяющейся на внешней нагрузке, от ее сопротивления. Укажите значение сопротивления внешней нагрузки, при котором на ней выделяется максимальная мощность. Во сколько раз полученное значение отличается от результата, предсказанного в пункте d)? (3 балла)
6. Коэффициент заполнения определяется как отношение максимальной мощности, выделяющейся на внешней нагрузке, к произведению ЭДС солнечного элемента (измеренного в пункте a)) на максимальный ток через солнечный элемент. Определите коэффициент заполнения солнечного элемента.(2 балла)