FOTONAPONSKA KONVERZIJA SOLARNE ENERGIJE

Uvod Slika 1: Fotolektrični efekat na primeru materijala od kalijuma fotoelektrični efekat: emisija elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti Slika 1: Fotolektrični efekat na primeru materijala od kalijuma fotonaponski efekat: stvaranje napona (struje) u materijalima pod dejstvom svetlosti Slika 2: Fotonaponski efekat u poluprovodničkom materijalu

1839. Edmund Becqerel otkrio fotonaponski efekat 1876. Adam i Day su napravili ćelije od selena koje se i danas koriste u fotografskoj industriji 1904. Albert Einstein je uvodeći kvantnu teoriju dao teorijsko objašnjenje fotoelektričnog efekta (Nobelova nagrada 1923) 1940.-1950. Czochralsky je razvio metod za dobijanje monokristalnog silicijuma, ovaj postupak je danas dominantan u industriji PV materijala 1950. neuspeli pokušaji praktične primene PV materijala zbog visoke cene 1958. prva praktična primena solarnih ćelija na satelitu Vanguard I energetska kriza 70-tih godina XX veka uticala na poboljšanje efikasnosti PV ćelija i razmatranje njihove primene na Zemlji 80-tih godina počine primena solarnih ćelija za manje izolovane potrošače (za džepne kalkulatore, za označavanje i signalizaciju na putevima i moru, navodnjavanje i za male kućne sisteme) krajem 90-tih godina izgrađuju se prvi značajniji kapaciteti fotonaponskih sistema priključenih na mrežu

trend i trenutno stanje instalisanih kapaciteta fotonaponskih sistema u svetu Slika 2: Instalisani kapaciteti fotonaponskih panela (plavo – prema izveštajima zemalja, narandžasto – ostatak sveta)

Slika2: Ukupni instalisani kapaciteti svih fotonaponskih sistema u svetu po regionima

Osnovi fizike poluprovodnika fotoelement, fotonaponski materijal ili fotovoltaik poluprovodnički elementi: Si, Ge, B, P, Ga, As, Cd, Te Tabela2: Deo tabele periodnog sistema elemenata

- drugi element po zastupljenost na Zemlji (27 %) Silicijum - drugi element po zastupljenost na Zemlji (27 %) - struktura atoma silicijuma - na apsolutnoj nuli izolator - sa porastom temperature raste provodnost - prelazak e- iz valentne u provodnu zonu Slika 4: Atom silicijuma i kristalna rešetka Slika 5: Energetske zone provodnika i poluprovodnika

foton koji ima energiju veću od 1.12 eV može osloboditi elektron slobodan elektron se može rekombinovati sa šupljinom (LEDs) kretanje elektrona i šupljina u poluprovodniku Slika 6: Formiranje para elektron šupljina i rekombinacija Slika 7: Prividno kretanje šupljine u poluprovodniku

efikasnost fotonaponskog materijala Fotonaponski materijal Si GaAs Tabela 6: Energetske barijere poluprovodnika i kritične talasne dužine fotona Fotonaponski materijal Si GaAs CdTe InP Energetska barijera (eV) 1.12 1.42 1.5 1.35 Talasna dužina (μm) 1.11 0.87 0.83 0.92 Slika 8: Gubici energije fotona i spektar sunčevog zračenja na zemlji za m=1.5

pitanje optimalne energetska barijera za konverziju solarne energije u električnu Slika 9: Maksimalna efikasnost fotonaponskog elemenata u funkciji energetske barijere maksimalna efikasnost fotonaponskog materijala 26 % zbog: - na priključcima se koristi 1/2 do 2/3 ukupnog napona - dolazi do rekombinacije elektrona i šupljina - postoje fotoni koji se ne apsorbuju - postoji unutrašnji otpor ćelije na kome dolazi do gubitka snage

Fotonaponska ćelija i princip fotonaponske konverzije trovalentni elementi (akseptori) i petovalentni elementi (donori) p-n spoj Slika 10: p-n spoj u trenutku spajanja poluprovodnika p i n tipa i nakon formiranja oblasti prostornog tovara

poluprovodnička dioda - direktno polarisana: Vd=ΔU=0.6 V - ako je Vd<ΔU=0.6 V dioda ne provodi - inverzno polarisana: oblast prostornog tovara je prekid kola - Šoklijeva (Shockley) jednačina poluprovodničke diode q=1.602·10-19 C, k=1.381·10-23 J/K Slika 11: Poluprovodnička dioda, simbol realne diode i karakteristika poluprovodničke diode

Slika 12: Fotonaponski efekat u p-n spoju fotonaponska dioda Slika 12: Fotonaponski efekat u p-n spoju Slika 13: Fotonaponsa ćelija

ekvivalentna šema i I-U karakteristika fotonaponske ćelije Slika 14: Ekvivalentna šema fotonaponske ćelije Slika 15: Strujno-naponska karakteristika fotonaponske ćelije

Slika 16: Fotonaponska ćelija u kratkom spoju i otvorenom kolu Slika 17: Uticaj temperature i iradijacije na karakteristiku fotonaponske ćelije

realna fotonaponska ćelija Slika 18: Slučaj zasenčenja jedne fotonaponske ćelije Slika 19: Realna fotonaponska ćelija sa otpornostima koje postoje

Slika 20: Ekvivalentna šema fotonaponske ćelije sa paralelnim otporom Slika 21: Uticaj paralelnog otpora na I-U karakteristiku fotonaponske ćelije

Slika 22: Ekvivalentna šema fotonaponske ćelije sa rednim otporom Slika 23: Uticaj redne otpornosti na I-U karakteristiku fotonaponske ćelije

Slika 24: Ekvivalentna šema fotonaponske ćelije sa paralelnim i rednim otporom Slika 25: Uticaj paralalne i redne otpornosti na I-U karakteristiku fotonaponske ćelije

Fotonaponski moduli i paneli Slika 26: Fotonaponska ćelija, modul i panel

Slika 27: I-U karakteristika fotonaponskog modula fotonaponski modul Slika 27: I-U karakteristika fotonaponskog modula

Slika 29: Optimalna radna tačka fotonaponskog modula Slika 28: Snaga fotonaponskog modula pri karakterističnim režimima rada Slika 29: Optimalna radna tačka fotonaponskog modula

Slika 30: I-U karakteristika i kriva snage fotonaponskog modula faktor popunjenosti koeficijent efikasnosti (pri STC: IC=1000 W/m2, Tcell=250C, m=1.5)

Slika 31: Redna veza modula i I-U karakteristika panela fotonaponski paneli Slika 31: Redna veza modula i I-U karakteristika panela Slika 32: Paralelna veza modula i I-U karakteristika panela

Slika 33: Načini povezivanja modula u panel i I-U karakteristika panela

Uticaj temperature na efikasnost fotonaponskih modula standarndni test uslovi (STC): - solarna iradijacija od 1000 W/m2 - temperatura ćelije od 250C - koeficijent vazdušne mase od 1.5 Slika 34: Uticaj temperature i iradijacije na I-U karakteristiku modula

koeficijent efikasnosti i ostali tehnički parametri u realnim eksploatacionim uslovima se razlikuju od STC temperatura ćelije u fotonaponskom modulu: NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) je temperatura ćelije u fotonaponskom modulu pri: - temperaturi ambijenta od 200 - solarnoj iradijaciji od 0.8 kW/m2 - brzini vetra od 1m/s Tamb – temperatura ambijenta IC – solarna iradijacija γ=250C-350C

Uticaj temperature na napon praznog hoda Voc, struju kratkog spoja Isc i snagu fotonaponskog modula PDC