Obnovljivi izvori energijemikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2020_OIE_Lec05...Solarna...

Obnovljivi izvori energije11/22/2020 SKIS - 2018/19 1

ENERGIJA

VETRA

ENERGIJA

VODE

GEOTERMALNA

ENERGIJA

BIO

ENERGIJAENERGIJA

SUNCA

11/22/2020 SKIS - 2018/19 2

Obnovljiviizvori

energije

Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)

Modul US - 2020/21.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)

Modul E - 2020/21.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)

Modul EKM - 2020/21.

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsDoc. dr Sanja Aleksić, kabinet 403, sanja.aleksic@elfak.ni.ac.rs

Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Solarna fotonaponska energija11/22/2020 SKIS - 2018/19. 4

2020/21.

Karakteristike svetlosti

Svetlost koju vidimo je samo deo ukupne energije koju emituje Sunce.

Sunčeva svetlost je oblik elektromagnetnog (EM) zračenja.

Početkom XIX veka, na osnovu eksperimenata vezanih za efekte interferencije, svetlost se opisuje kao talas. (Thomas Young, Francios Arago, Augustin

Jean Fresnel)

11/22/2020 SKIS - 2018/19 5

Karakteristike svetlosti

Krajem XIX veka se uočavaju efekti koji se ne mogu objasniti talasnim jednačinama svetlosti.

Plank je predložio da se ukupna energija svetlosti sastoji od elemenata koji imaju određeni kvant energije.

Ajnštajn se pridružio ovoj pretpostavci pri proučavanju fotonaponskog efekta.

Svetlost je sastavljena od paketa, ili čestica energije, zvanih fotoni.

11/22/2020 SKIS - 2018/19 6

Karakteristike svetlosti

Danas, kvantna mehanika objašnjava ova oba pristupa.

Priroda svetlosti, tj. EM zračenja je dvojaka.

U nekim pojavama EM zračenje se ponaša kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat).

U drugim, EM zračenje ima osobine talasa (interferencija, difrakcija).

11/22/2020 SKIS - 2018/19 7

Karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

11/22/2020 SKIS - 2018/19 8

Karakteristike svetlosti11/22/2020 SKIS - 2018/19 9

Energija fotona

Foton se karakteriše:◦ ili talasnom dužinom l

◦ ili ekvivalentnom energijom E

◦ Plankova konstanta h=6.626×10-34J∙s

◦ Brzina svetlosti c=2.998×108m/s

11/22/2020 SKIS - 2018/19 10

Fluks fotona

Fluks fotona se definiše kao broj fotona u sekundi po jedinici površine:

Fluks fotona je bitan za određivanje broja generisanih elektrona, tj. struje koju generiše solarne ćelije.

Fluks fotona ne daje nikakvu informaciju o energiji.

11/22/2020 SKIS - 2018/19 11

Fluks fotona

Na određenoj talasnoj dužini, talasna dužina fotona ili energija i fluks fotona te talasne dužine se mogu iskoristiti da se izračuna gustina snage.

11/22/2020 SKIS - 2018/19 12

Spektralno zračenje

Najčešći način za karakterizaciju izvora svetlosti

Daje gustinu snage izvora na određenoj talasnoj dužini

Spektrano zračenje se češće određuje korišćenjem izraza:

11/22/2020 SKIS - 2018/19 13

• F(l) - spektralno zračenje (Wm-2mm-1)• F – fluks fotona

• E – energija fotona• l – talasna dužina fotona

Spektralno zračenje11/22/2020 SKIS - 2018/19 14

Ukupna gustina snage

Izračunava se integraljenjem spektralnog sračenja po talasnim dužinama ili enegijama:

Izmereno spektralno zračenje se množi opsegom talasnih dužina u kojoj je mereno:

11/22/2020 SKIS - 2018/19 15

Ukupna gustina snage11/22/2020 SKIS - 2018/19 16

Zračenje crnog tela

Izvori svetlosti se mogu modelirati kao blackbody emiteri.

Crno telo apsorbuje kompletno zračenje koje padne na njegovu površinu i emituje zračenje na osnovu svoje temperature.

Spektralno zračenje crnog tela je dato Plankovim zakonom:

11/22/2020 SKIS - 2018/19 17

• l – talasna dužina svetlosti

• T – temperatura crnog tela (K)• F – spektralno zračenje• h, c, k - konstante

Planck-ov zakon

Zračenje crnog tela

Ukupna gustina snage crnog tela, određena integraljenjem spektralnog zračenja po svim talasnim dužinama je:

Značajan parametar je talasna dužina na kojoj je spektralno zračenje najveće:

11/22/2020 SKIS - 2018/19 18

• s – Stefan-Boltzman-ova konstanta• T – temperatura crnog tela

• lp – talasna dužina na kojoj je

zračenje najjače• T – temperatura crnog tela

Wien-ov zakon

11/22/2020 SKIS - 2018/19 19

Spektralno zračenje crnog tela11/22/2020 SKIS - 2018/19 20

Solarna ćelija11/22/2020 SKIS - 2018/19 21

2020/21.

Fotoelektrični efekat

Princip rada svih solarnih ćelija je u svojoj suštini isti i zasniva se na fotoelektričnom efektu.

11/22/2020 SKIS - 2011/12 22

Fotoelektrični efekat11/22/2020 SKIS - 2012/13 23

Princip rada solarne ćelije

Manifestuje se kao formiranje potencijalne razlike na spoju dva različita materijala kao odziv na neku vrstu zračenja.

Osnovni procesi koji se odvijaju:◦ Apsorpcija svetlosti (fotona) -

generacija naelektrisanja

◦ Razdvajanje generisanih nosilaca na spoju

◦ Sakupljanje naelektrisanja na kontaktima

11/22/2020 SKIS - 2011/12 24

Kako radi solarna ćelija?

Solarna ćelija je pn-spoj koji osvetljen.

Da bi razumeli princip rada potrebno je da razumemo:◦ Kako radi pn-spoj◦ Kako se absorbuje

svetlost u poluprovodniku (bez pn-spoja)

◦ Šta se dešava kada se poluprovodnik sa pn-spojem izloži solarnomzračenju.

11/22/2020 SKIS - 2012/13 25

Poluprovodnici11/22/2020 SKIS - 2012/13 26

Fermijev nivo11/22/2020 SKIS - 2012/13 27

Sopstveni poluprovodnik11/22/2020 SKIS - 2012/13 28

N-tip poluprovodnika11/22/2020 SKIS - 2012/13 29

P-tip poluprovodnika11/22/2020 SKIS - 2012/13 30

pn-spoj u ravnoteži11/22/2020 SKIS - 2012/13 31

pn-spoj u ravnoteži11/22/2020 SKIS - 2012/13 32

pn-spoj – direktna polarizacija11/22/2020 SKIS - 2012/13 33

Idealna dioda11/22/2020 SKIS - 2012/13 34

DiodaI/V karakteristika diode

11/22/2020 SKIS - 2012/13 35

Kako radi solarna ćelija?Osnovni parametri – tehnološki i geometrijski

Baza –

NA= 1016cm-3

Emitor –

ND= 6·1019cm-3

Vreme života manjinskih nosilaca –

tn = 34ms

Širina baze –

W = 198.9mm

Dubina p-n spoja –

xj = 0.3mm

11/22/2020 SKIS - 2012/13 36

Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 37

Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 38

Kako solarna ćelija radi?Spektar solarnog zračenja na površini Zemlje

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 39

Kako solarna ćelija radi?Koji deo spektra je moguće zahvatiti?

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 40

Kako solarna ćelija radi?Šta se dešava sa viškom energije?

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 41

Kako solarna ćelija radi?Kako povećati apsorpciju/generaciju?

Povećati broj fotona koji ulazi u strukturu solarne ćelije (AR slojevi, teksturizacija).

Optimizovati efektivnu debljinu apsorbera.

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 42

Kako solarna ćelija radi?Kako povećati apsorpciju/generaciju?

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 43

Kako solarna ćelija radi?Kako povećati apsorpciju/generaciju?

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 44

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 45

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 46

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 47

Kako solarna ćelija radi?Verovatnoća “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 48

Kako solarna ćelija radi?Generisana struja zavisi od generacije nosilaca i verovatnoće “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 49

• G(x) – brzina generacije

• CP(x) – verovatnoća prikupljanja nosilaca

• q – naelektrisanje elektrona

• W – debljina komponente

• a(l) – koeficijent apsorpcije• H0 – broj fotona na određenoj talasnoj dužini

Kako solarna ćelija radi?Kvantna efikasnost (Q.E.) prestavlja odnos prikupljenih naelektisanja i ukupnog broja fotona

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 50

Kako solarna ćelija radi?Spektralni odziv predstavlja odnos generisane struje i incidentne snage koja dolazi na SC

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 51

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 52

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše snagu

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 53

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 54

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – superpozicija

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 55

Solarne komponente i sistemiSolarna ćelija – Eelektrične karakteristike

Strujno-naponska karakteristika diode BAY 45

11/22/2020 SKIS - 2011/12 57

Probojni napon

Direktna polarizacija

Inverzna polarizacija

Električni parametri solarne ćelije

11/22/2020 SKIS - 2011/12 58

Napon otvorenogkola

Struja kratkog spoja

I-V karakteristika11/22/2020 SKIS - 2011/12 59

Standardtestcondition:

Poređenje I-V karakteristika c-Si i a-Si solarnih ćelija

11/22/2020 SKIS - 2011/12 60

Struja kratkog spoja - ISC

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 61

• q – naelektrisanje elektrona

• G – brzina generacije

• Ln – difuziona dužina elektrona

• Lp – difuziona dužina šupljina

Zavisi od:

• površine SC

• broja fotona

• spektra incidentne svetlosti

• optičkih osobina materijala

(apsorpcija i refleksija)

• verovatnoće prikupljanja nosilaca

Napon otvorenog kola - VOC

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 62

Maksimalna snaga11/22/2020 SKIS - 2013/14. 63

Fill faktor11/22/2020 SKIS - 2011/12 64

Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 65

Empirijski izraz:

Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 66

Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

11/22/2020 SKIS - 2013/14. 67

11/22/2020 SKIS - 2011/12 68

Gubici11/22/2020 SKIS - 2011/12 69

Gubici11/22/2020 SKIS - 2011/12 70

Gubici

11/22/2020 SKIS - 2011/12 71

Optički gubici – non-absorption

11/22/2020 SKIS - 2011/12 72

Optički gubici – thermalization11/22/2020 SKIS - 2011/12 73

11/22/2020 SKIS - 2011/12 74

Deo AM1.5 spektra koji se može konvertovati u korisnu energiju ako se koriste monokristalne Si solarne ćelije

Oko 55% energije se gubi!!!

Spektralna osetljivost različitih tipova solarnih ćelija

11/22/2020 SKIS - 2011/12 75

11/22/2020 SKIS - 2011/12 76

Optički gubici – refleksija i transmisija

Refleksija◦ Različiti uzroci refleksije

od površine kao i od međupovršina u strukturi

Gubitak aktivne površine◦ Metalne elektrode

(kompromis između male serijske otpornosti front kontakta i velikog coverage faktora)

Transmisija◦ Konačna debljina

solarne ćelije◦ Koeficijent apsorpcije

11/22/2020 SKIS - 2011/12 77

Collection gubici

Rekombinacija◦ Bulk rekombinacija

(vreme života manjinskih nosilaca naelektrisanja)

◦ Površinska rekombinacija (brzina površinske rekombinacije)

11/22/2020 SKIS - 2011/12 78

Optimalno projektovanje

Debljina apsorpcionog sloja (difuziona dužina manjinskih nosilaca)

Povećanje apsorpcije (Surface texture, antirefleksioni slojevi, pasivizacija površine)

11/22/2020 SKIS - 2011/12 79

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

Ekvivalentno kolo idealne solarne ćelije I-V karakteristika

11/22/2020 SKIS - 2011/12 80

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

11/22/2020 SKIS - 2011/12 81

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

RS – serijaska otpornost◦ Bulk otpornost

poluprovodnika

◦ Bulk otpornost metalnih elektroda

◦ Kontaktna otpornost između poluprovodnika i metala

11/22/2020 SKIS - 2011/12 82

11/22/2020 SKIS - 2011/12 83

Uticaj RS

11/22/2020 SKIS - 2012/13 84

Uticaj RS

11/22/2020 SKIS - 2012/13 85

Uticaj RS

11/22/2020 SKIS - 2012/13 86

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

RP – paralelna (šant) otpornost◦ Curenja p-n spoja na

ivicama

◦ Defekti kristalne strukture

11/22/2020 SKIS - 2011/12 87

11/22/2020 SKIS - 2011/12 88

Uticaj RP ili RSH

11/22/2020 SKIS - 2012/13 89

Uticaj RP ili RSH

11/22/2020 SKIS - 2012/13 90

Uticaj RP ili RSH

11/22/2020 SKIS - 2012/13 91

Uticaj RS i RSH na karakteristiku

11/22/2020 SKIS - 2012/13 92

Karakteristike solarne ćelije11/22/2020 SKIS - 2011/12 93

Solarne komponente i sistemi

Solarna ćelija – Tipovi

11/22/2020 SKIS - 2011/12 95

11/22/2020 SKIS - 2011/12 96

11/22/2020 SKIS - 2011/12 97

11/22/2020 SKIS - 2012/13 98

Monokristalne solarne ćelije11/22/2020 SKIS - 2011/12 99

Monokristalne Si solarne ćelije

Efikasnost: 15-20% (Si je dobijen metodom Czochralski).

Oblik: zavisi od toga kako je monokristalni ingot sečen. Seče se u obliku zaobljenih kvadrata (najbolja ispuna panela i najveća cena). Kružni su najjeftiniji (najmanje se gubi na materijalu, mala ispuna panela) –imaju primenu u nekim modulima koji se integrišu u fasade.

Najčešće dimenzije: 10cm x 10cm (4 inch); 12.5cm x 12.5cm (5 inch); 15.6cm x 15.6cm (6 inch)

Debljina: 0.2-0.3mm. Izgled: uniformne Boja: tamno plava do crna (sa AR –

anti-reflektivnim slojem); siva (bez AR).

11/22/2020 SKIS - 2011/12 100

Polikristalne Si solarne ćelije 11/22/2020 SKIS - 2011/12 101

Polikristalne Si solarne ćelije

Efikasnost: 13-16% (sa AR). Oblik: Kvadratni. Najčešće dimenzije: 10cm x

10cm; 12.5cm x 12.5cm;15cm x 15cm; 15.6cm x15.6cm; i 21cm x 21cm (4 inch; 5 inch; 6 inch; 6+ inch; 8 inch).

Debljina: 0.24mm to 0.3mm.

Izgled: polikristal – oblasti Si različite orijentacije – svetlost se reflektuje različito.

Boja: plava (sa AR); srebrno siva (bez AR).

11/22/2020 SKIS - 2011/12 102

Amorfne solarne ćelije

Velika fleksibilnost u proizvodnji bilo kog oblika

Debljina aktivnog sloja 0.001mm

Dimenzije ćelija: 0.77×2.44m (standardno) ili 2×3m (specijalno)

Boja crveno-braon ka crnoj, ili plava ka ljubičastoj

Efikasnost 5-8%

11/22/2020 SKIS - 2011/12 103

Kadmijum telurove (CdTe)ćelije

Bilo koji oblik, homogena struktura Debljina aktivnog sloja 0.0008mm Dimenzije 1.2×0.6m Boja tamno zelena ka crnoj Efikasnost 6-9%

11/22/2020 SKIS - 2011/12 104

Ostali tipovi

CIS (bakar-indium diselenid)

HIT ćelije Polu transparentne

11/22/2020 SKIS - 2011/12 105

Thin-film solarne ćelije11/22/2020 SKIS - 2012/13 106

Thin-film solarne ćelije11/22/2020 SKIS - 2012/13 107

Nove tehnologije- koncentratorske ćelije- PV folije

11/22/2020 SKIS - 2011/12 108

Antireflektivni slojevi na solarnim ćelijama

Solarne ćelije se prekrivaju antireflektivnim slojem Si3N4 ili TiO2

Ovo obezbedjuje da se što je moguće manje svetlosti odbije od površine

Gubici usled refleksije se smanjuju za nekoliko procenata

Sloj Si3N4 takodje ima i ulogu pasivizacije jer smanjuje koncentraciju površinskih defekata a time i rekombinaciju nosilaca

11/22/2020 SKIS - 2011/12 109

Moduli (paneli)

1 – pokrovno staklo

2 – zaštitni sloj (EVA –encapsulation)

3 – solarna ćelija

4 – drugi zaštitni sloj (EVA – encapsulation)

5 – višeslojni zadnji zid

11/22/2020 SKIS - 2011/12 110

Moduli (paneli)11/22/2020 SKIS - 2011/12 111

Moduli (paneli)

Okvir modula –osnovna fnkcija je zaštita modula◦ Zaštita od korozije

◦ Zaptivanje modula

◦ Olakšava uzemljenje

◦ Poboljšana mehanička otpornost

◦ Smanjena oštećenja pri montaži

11/22/2020 SKIS - 2011/12 112

Moduli (paneli)

Priključna kutija◦ Veza PV modula ka

susednom modulu

◦ Zaštitna klasa II

◦ Zaštita od vode

◦ Obezbeđuje pravilan polaritet i zaštitu od dodira

◦ Poprečni presek kabla od 1.5mm2 do 6mm2

11/22/2020 SKIS - 2011/12 113

Moduli (paneli)

Bypass dioda◦ Preterano zagrevanje

dovodi do trajnog uništenja solarne ćelije

◦ Ćelija pod senkom se ponaša kao potrošač

◦ Struja koja protiče kroz nju se konvertuje u toplotu

◦ Izbegava se efekat vrućih tačaka

◦ Optimalno jedna dioda na jednu ćeliju, u praksi 15-20 ćelija na diodu.

11/22/2020 SKIS - 2011/12 114

Moduli (paneli)11/22/2020 SKIS - 2011/12 115

Moduli (paneli)11/22/2020 SKIS - 2011/12 116

Moduli (paneli)11/22/2020 SKIS - 2011/12 117

Moduli (paneli)11/22/2020 SKIS - 2011/12 118

Moduli (paneli) - parametri

Cell number◦ Broj ćelija u jednom modulu

Cell type◦ Tehnologija (mono-Si, poly-Si, amorfne, ...)

C-V characteristics curve◦ Strujno naponska karakteristika modula pod

određenim uslovima

Power Wp, Nominal power◦ Nazivna snaga modula merena pri:

STC (Standard Test Conditions) – 1000W/m2, AM 1.5, 25oC

NOCT (Nominal Operation Cell Temperature) -800W/m2, AM 1.5, 20oC, vetar 1 m/s

11/22/2020 SKIS - 2011/12 119

Moduli (paneli) - parametri

Open circuit voltae Voc◦ Napon na osvetljenoj solarnoj ćeliji bez potrošača

Short circuit current Isc◦ Struja osvetljene soarne ćelije sa kratkospojenim

priključcima

MPP (Maximum Power Point)◦ Tačka maksimalne snage. Radna tačka osvetljene

solarne ćelije sa optimalnom, tj najvećom snagomPMPP=UMPP · IMMP

MPP – Tracker ◦ Funkcija invertora da radi u tačkama maksimalne

snage

11/22/2020 SKIS - 2011/12 120

Moduli (paneli) - naponsko struja zavisnost od intenziteta sunčevog

zračenja

11/22/2020 SKIS - 2011/12 121

Moduli (paneli) – tehnički podaci

Dimenzije 1.640 × 990 × 40 mm Snaga 220W 60 ćelija po modulu, 6 serijski

povezanih nizova po 10 ćelija, svaki sa bzpass diodom

Priključna kutija sa kablom (po 1m sa obe strane), MC4 konektorima i 6 bypass dioda

Aluminijumski ram Otpornost na grad prečnika do 25mm

sa 1m udaljenosti brzine do 23m/s Napon praznog hoda: 37.7V Maksimalni (MPP) radni napon: 30.6V Struja kratkog spoja: 8.78A Maksimalna (MPP) radna struja: 8.35A Maksimalno odstupanje od nazivne

snage: 0 ± 3%

11/22/2020 SKIS - 2011/12 122