Solarne komponente i sistemi -...

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 1

2018/19.

Solarne komponente i sistemi

VII semestar – 2+1+2 – 6 kreditaModul E – 2OEE7O02

Modul US – 2OEU7A05 Modul EKM – OEM7O04

Prof.dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsProf. dr Dragan Mančić, kabinet 106, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Dr Sanja Aleksić, kabinet 347, sanja.aleksic@elfak.ni.ac.rsDipl. inž. Igor Jovanović, kabinet M2-4, igor.jovanovic@elfak.ni.ac.rs

1/14/2019 SKIS - 2017/18. 3

1. Obnovljivi i neobnovljivi izvori energije

Neobnovljivi izvori energije◦ Ugalj

◦ Nafta

◦ Gas

◦ Nuklearno gorivo

◦ ...

Obnovljivi izvori energije◦ Solarna energija

◦ Energija vetra

◦ Geotermalna energija

◦ Hidroenergija

◦ Biomasa

◦ Energija talasa

◦ Energija plime i oseke

◦ Gorive ćelije

◦ ...

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 4

80%

20%

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 5

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 6

2. Ko je i kada otkrio fotoelektrični efekat?

1987. Heinrich Hertz ispitivao fotoprovodnost i otkriva fotoelektrični efekat

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 7

3. Ko je i kada prvi patentirao solarnu ćeliju?

1988. Edward Weston dobija patent US389124 Solar cell

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 8

4. Ko je i kada objasnio fotoelektrični efekat?

1905. godine Albert Einstein publikovao

rad o fotoelektričnomefektu – Nobelova nagrada 1921.

1916. godine Robert

Millikan jeeksperimentalno potvrdio fotoelektrični

efekat – Nobelova nagrada 1923.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 9

5. Kako se zove metoda za dobijanje monokristalnog silicijuma i kada je otkrivena?

1918. godine poljski naučnik Jan Czochralski otkriva metodu za dobijanje monokristalnog silicijuma.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 10

6. Koje godine i gde je napravljena prva Si fotonaponska ćelija?

25. april 1954. se smatra rođenjem fotonaponske tehnologije. U Bell lab. naučnici Daryl Chapin, Calcin Fuller i Gerald Pearson su razvili Si fotonaponsku (PV) ćeliju koja je konvertovala dovoljno solarne energije da napaja neke električne uređaje. Njena efikasnost je bila 6%.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 11

7. Na kom principu se zasniva rad solarne ćelije?

Princip rada svih solarnih ćelija je u svojoj

suštini isti i zasniva se na

fotoelektričnom efektu.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 12

Fotoelektrični efekat.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 13

8. Objasniti Swanson-ov zakon.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 14

Cena solarni ćelija pada 20% sa dupliranjem kapaciteta

9. Osnovne tehnologije korišćenja solarnog zračenja.

Postoje tri tehnologije korišćenja solarnog zračenja kao aktivnog izvora energije:◦ Fotonaponski solarni sistemi (Solar

photovoltaics -PV) – električna energija se generiše direktnom konverzijom sunčevog zračenja

◦ Solarni sistemi sa koncentratorima (Concentrating solar power systems - CSP) –koristi se koncentrisano solarno zračenje kao izvor visoke temperature, koji se dalje koristi za dobijanje električne energije.

◦ Solarni sistemi za zagrevanje i hlađenje (Solar heating and cooling - SHC) – za zagrevanje ili hlađenje vode ili prostorija koriste termičku energiju direktno od Sunca.

1/15/2019 SKIS - 2013/14 15

10. Osnovne fotonaponske tehnologije.

Si solarne ćelije (Crystalline silicon: c-Si) moduli predstavljaju 85-90% godišnje svetske proizvodnje. C-Si moduli su podeljeni u dve kategorije:◦ Monokristalni (single crystalline: sc-Si) i

◦ Polikristalni (multi-crystalline: mc-Si).

Tankoslojne solarne ćelije (Thin films) moduli trenutno predstavljaju 10% do 15% godišnje prodaje PV modula. Oni su podeljeni u tri kategorije:◦ amorphous (a-Si) i micromorph silicon (a-Si/µc-Si),

◦ Cadmium-Telluride (CdTe), i ◦ Copper-Indium-Diselenide (CIS) and Copper-Indium-Gallium-Diselenide (CIGS).

Napredne tehnologije (Emerging technologies) obuhvataju napredne tanke filmove i organske ćelije.

Solarne ćelije sa koncentratorima (Concentrator technologies: CPV) koriste optičke koncentratorse sisteme koji fokusiraju solarno zračenje na male, visokoefikasne ćelije. CPV tehnologije su trenutno u fazi intenzivnog testiranja.

Novi PV koncepti (Novel PV concepts) cilj je dobijanje vrlo efikasnih solarnih ćelija korišćenjem naprednih materijala i foto-hemijskih procesa. Trenutno su predmet intenzivnih proučavanja.

1/15/2019 SKIS - 2013/14 16

11. Skicirati na jednom grafiku efikasnost i cenu I, II i III generacije solarnih ćelija.

1/15/2019 SKIS - 2017/18. 17

1/15/2019 SKIS - 2017/18. 18

12. Kolika je maksimalna teorijska efikasnost Si solarnih ćelija? Objasniti zašto efikasnost ne može biti veća od te vrednosti.

1/15/2019 SKIS - 2017/18. 19

13. Osnovne karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

1/15/2019 SKIS - 2018/19 20

14. Opseg talasnih dužina IC, vidljivog i UW dela solarnog zračenja.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 21

UW: 0.1μm-0.38μm

Vidljivi spektar: 0.1μm-0.38μm

IC: 0.39μm-0.75μm

15. Spektar solarnog zračenja.1/15/2019 SKIS - 2012/13 22

16. Spektar ekstraterestričnog zračenja.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 23

17. Kako se definiše i koliko iznosi solarna konstanta?

Zračenje Sunca tj. energija koja dospe naobod atmosfere Zemlje, normalno najedinicu površine, na srednjem rastojanjuZemlje od Sunca (jedna astronomskajedinica, tj 1AU ili 149.597.870 km), u jedinici vremena, zove se Solarnakonstanta S0.

Prosečna vrednost solarne konstante zaperiod od jedne godine specificirana je 1982 god. od strane Svetskemeteorološke organizacije i iznosi1367W/m2(AM0).

1/15/2019 SKIS - 2011/12 24

18. Šta je Air Mass faktor i kako se definiše?

Air Mass predstavlja dužinu koju svetlost prođe kroz atmosferu, pre nego što stigne do površine Zemlje, normalizovano sa najkraćim putem kada je Sunce direktno iznad glave.

1/15/2019 SKIS - 2018/19 25

19. Kako se definiše AM faktor?

1/15/2019 SKIS - 2011/12 26

20. Objasniti razliku između direktnog i difuzionogzračenja.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 27

21. Nacrtati i objasniti referentne uglove pozicije Sunca i fotonaponskog panela.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 28

22. Skicirati osnovne uglove koji definišu poziciju Sunca za datu lokaciju.

1/15/2019 SKIS - 2018/19 29

23. Koji su optimalni uglovi elevacije solarnih PV modula?

1/15/2019 SKIS - 2012/13 30

Fiksni - optimalni = geografska širinaZima + 15 lat.

Leto – 15 lat.

24. Koji su atmosferski efekti na

solarno zračenje?

Smanjenje snage solarnog zračenja zbog apsorpcije, rasipanja i refleksije

Promena spektra solarnog zračenja zbog veće apsorpcije ili rasipanja nekih talasnih dužina

Uvođenje difuzione ili indirektne komponente u solarno zračenje

Lokalne varijacije u atmosferi (vodena para, oblaci, zagađenje) koje utiču na snagu, spektar i pravac solarnog zračenja.

1/15/2019 SKIS - 2018/19 31

25. Koliko iznose geografska širina, geografska dužina i nadmorska visina za Niš?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 32

43o19’ severna geografska širina

21o54’ istočna geografska dužina

Nadmorska visina: oko 200m

26. Navesti osnovne komponente PV sistema.

Solarni PV sistem se sastoji od više različitih komponenata koje je potrebno pažljivo odabrati u zavisnosti od tipa sistema, lokacije i primene. Osnovni delovi sistema soarnog PV sistema su:◦ PV moduli – konvertuju sunčevo zračenje u DC ◦ Kontroler – kontroliše napon i struju koja dolazi od PV

panela ka baterijama kako bi se kontrolisalo punjenje (sprečava overcharging) i produžio životni vek baterija

◦ Invertor – konvertuje DC izlaz od PV panela u AC

◦ Baterija – skladišti generisanu energiju sa ciljem da se koristi kada nema sunčevog zračenja

◦ Opterećenje – uredjaju povezani na PV sistem

◦ Pomoćni izvor energije -

1/15/2019 SKIS - 2012/13 33

27. Navesti osnovne tipove PV sistema

Direktni PV sistemSamostalni (Stand-alone) PV sistemi

Hibridni PV sistemiPV sistemi povezani na elektrodistributivnu mrežu (Grid-on)

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 34

28. Nacrtati blok šemu direktno povezanog PV sistema

1/15/2019 SKIS - 2012/13 35

29. Nacrtati blok šemu samostalnog PV sistema

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 36

30. Nacrtati blok šemu hibridnog PV sistema

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 37

31. Nacrtati blok šemu PV sistema povezanog na elektrodistributivnu mrežu

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 38

32. Čemu služi PGF i kolika je njegova definisana vrednost za našu lokaciju

PGF – Panel generation factor

Koristi se za dimenzionisanje PV sistema

Ukupna procenjena potrebna dnevna energija za rad svih uređaja priključenih

na PV sistem se podeli ovim faktorom da

bi se dobila neophodna snaga PV panela

za taj sistem.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 39

33. Ako je za rad svih uređaja priključenih na samostalni PV sistem potrebno 2000Wh dnevno,

koliko je PV panela snage 260W potrebno za pouzdan rad ovog sistema?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 40

34. Kako se određuje potrebna snaga invertora kod projektovanja PV sistema?

Snaga invertora mora biti 25-30% veća

od ukupne snage svih priključenih uređaja

na PV sistem.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 41

35. Kako se određuje kapacitet akumulatora kod projektovanja samostalnih PV sistema?

1. Izračunati total Wh/day koji koriste potrošači.2. Podeliti dobijenu vrednost iz 1 sa 0.85 zbog gubitaka akumulatora.3. Podeliti dobijenu vrednost iz 2 sa 0.6 zbog dozvoljenog nivoa pražnjenja.4. Dobijenu vrednost iz 3 podeliti sa nominalnim naponom akumulatora.5. Konačno, pomnožiti dobijenu vrednost sa brojem dana autonomije sistema (koliko dana sistem može da radi ako nema proizvodnje struje)

1/15/2019 SKIS - 2012/13 42

Kapacitet akumulatora (Ah) =Total Wh/day x Broj dana autonomije

0.85x0.6xNominalni napon

36. Ako je za rad svih uređaja priključenih na samostalni PV sistem potrebno 2000Wh dnevno,

koliki je kapacitet akumulatora ako je nominalni napon akumulatora 12V, a sistem je projektovan tako da ima 3 dana autonomije?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 43

𝟐𝟎𝟎𝟎 ∙ 𝟑

𝟎. 𝟖𝟓 ∙ 𝟎. 𝟔 ∙ 𝟏𝟐= 𝑪𝑨𝒌𝒖

37. Koji je kriterijum kod izbora kontrolera PV sistem?

Kontroler se bira tako da se usaglasi napon PV modula sa naponom akumulatora i da može da prihvati struju koja se dobija od celog PV polja

Dimenzionisanje kontrolera zavisi od ukupne struje koja se dobija iz PV panela, a i od konfiguracije panela (redna ili paralelna konfiguracija).

1/15/2019 SKIS - 2012/13 44

Procena kontrolera = Isc x 1.3

ISC – Ukupna struja kratkog spoja

38. Koja je uloga MPPT algoritma?

MPPT - Maximum Power Point Trackingpredstavlja algoritam koji je ugradjen u kontroler i koji ima ulogu da izvuče maksimalnu energiju iz PV modula u datim uslovima

Maksimalni napon pri kojem PV modul daje maksimalnu snagu se naziva ‘maximum power point’ (ili peak power voltage) i on varira u zavisnosti od:

◦ solarnog zračenja,◦ temperature ambijenta, i ◦ temperature solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2012/13 45

39. Opisati proceduru instaliranja PV sistema

Montaža i postavljanje nosača

Montiranje i povezivanje panela

Postaviti DC izlaz

Povezati DC sa invertorom

Montirati i konfigurisati invertor (AC/DC)

Postaviti AC izlaz

Povezati invertor sa elektro-mrežom

Instalirati i aktivirati monitoring sistem

1/15/2019 SKIS - 2011/12 46

40. Navesti neke osnovne prednosti PV sistema.

Obnovljivi izvor energije

Neograničen potencijal

Primenljivo na svakoj lokaciji

Robusna i pouzdana tehnologija

Smanjenje emisije CO2

Jeftino održavanje

Nezavisnost od menjanja cene energenata

Feed tarifa – 16.25 do 18.77 c€/kWh

Ugovor na 12 godina

1/15/2019 SKIS - 2012/13 47

41. Nacrtati poprečni presek strukture tipične Si solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 48

41a. Objasniti rincip rada solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 49

Apsorpcioni sloj u kojem se fotoni incidentnog zračenja efikasno apsorbuju, pri čemu se generišu parovi elektron-šupljina

Polupropustljiva membrana –selektivno propušta elektrone

Polupropustljiva membrana –selektivno propušta šupljine

< difuziona dužina

41b. Objasniti rincip rada solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 50

42. Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

1/15/2019 SKIS - 2018/19 51

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

1/15/2019 SKIS - 2018/19 52

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

1/15/2019 SKIS - 2018/19 53

42. Kako solarna ćelija radi?Posle prolaska kroz opterećenje elektron se sreće sa šupljinom i kolo se zatvara

1/15/2019 SKIS - 2018/19 54

43. Nacrtati strujno-naponsku karakteristiku tipične Si diode pri direktnoj i inverznoj

polarizaciji.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 55

44. I/V karakteristika solarne ćelije.I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

1/15/2019 SKIS - 2018/19 56

45. I/V karakteristika solarne ćelije u zavisnosti od intenziteta.I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše strujuI-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

1/15/2019 SKIS - 2018/19 57

46. Označiti struju kratkog spoja na

I/V karakteristici. Od čega ona zavisi?

1/15/2019 SKIS - 2018/19 58

• 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

47. Označiti napon otvorenog kola na

I/V karakteristici. Kako se definiše?

1/15/2019 SKIS - 2018/19 59

48. Nacrtati strujno-naponsku karakteristiku tipične Si solarne ćelije .

1/15/2019 SKIS - 2011/12 60

Napon otvorenogkola

Struja kratkog spoja

49. Nacrtati strujno-naponsku karakteristiku tipične Si solarne ćelije .

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 61

50. Nacrtati I-V karakteristiku i karakteristiku snage za tipičnu Si solarnu ćeliju.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 62

51. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristiku i karakteristiku snage tipične solarne ćelije i

označiti tačku maksimalne snage.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 63

Standardtestcondition:

Maksimalna snaga1/15/2019 SKIS - 2013/14. 64

52. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristike tipičnih mc-Si i a-Si solarnih ćelija.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 65

53. Na nacrtanoj I-V karakteristici tipične Si solarne ćelije objasniti šta je Fill Factor.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 66

Fill faktor1/15/2019 SKIS - 2011/12 67

54. Nabrojati električne parametre solarne ćelije.

Isc[A] – struja kratkog spoja

Voc[V] – napon otvorenog kola

ff – fill faktor

Pmax[W] – maksimalna snaga

h - efikasnost

1/15/2019 SKIS - 2011/12 68

55. Kako se definišu maksimalna snaga i efikasnost solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 69

55. Kako se definiše efikasnost solarne ćelije?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/15/2019 SKIS - 2018/19 70

Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 71

56. Kako se može povećati

apsorpcija/generacija nosilaca?

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

Optimizovati efektivnu debljinu apsorbera.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 72

57. Gubici kod solarne ćelije.1/15/2019 SKIS - 2011/12 73

58. 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

1/15/2019 SKIS - 2011/12 74

59. Gubici usled rekombinacije nosilaca.

Rekombinacija◦ Bulk rekombinacija

(vreme života manjinskih nosilaca naelektrisanja)

◦ Površinska rekombinacija (brzina površinske rekombinacije)

1/15/2019 SKIS - 2011/12 75

61. Kako smanjiti gubitke kod sakupljanja i razdvajanja nosilaca naelektrisanja?

62. Nacrtati ekvivalentno kolo idealne solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 77

63. Nacrtati ekvivalentno kolo solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 78

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

1/15/2019 SKIS - 2011/12 79

64. Kako na I-V karakteristiku solarne ćelije utiče redna, a kako paralelna otpornost?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 80

Uticaj RS na I/V karakteristiku1/15/2019 SKIS - 2012/13 81

Uticaj RP na I/V karakteristiku1/15/2019 SKIS - 2012/13 82

Uticaj RS i RP na I/V karakteristiku

solarne ćelije

1/15/2019 SKIS - 2012/13 83

65. Kako na I-V karakteristiku solarne ćelije utiče temperatura?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 84

66. Kako na efikasnost, faktor ispune i VOC

solarne ćelije utiče temperatura?

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 85

67. Objasniti paralelno, redno i kombinovano vezivanje solarnih ćelija.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 86

nIsc

mVoc

68. Kako redno i paralelno vezivanje solarnih ćelija utiče na ISC, VOC i Pmax solarne ćelije.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 89

69. Električne karakteristike PV panela

Broj solarnih ćelija

Tip solarnih ćelija (mc-Si, a-Si,...)

IV karakteristika

Maksimalna i nominalna snaga

VOC

ISC

MPP 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

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 90

70. I-V karakteristike PV modula u zavisnosti od intenziteta solarnog zračenja.

1/15/2019 SKIS - 2013/14. 91

71. I-V karakteristike PV modula u

zavisnosti od temperature.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 92

72. Koja je uloga bypass diode?

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.

1/15/2019 SKIS - 2011/12 93

Moduli (paneli)1/15/2019 SKIS - 2011/12 94

Moduli (paneli)1/15/2019 SKIS - 2011/12 95

73. Tipovi solarnih ćelija.1/15/2019 SKIS - 2011/12 96

74. Nacrtati poprečni presek strukture a-Si:H solarne ćelije.

75. Nacrtati poprečni presek strukture CIGS solarne ćelije.

76. Nacrtati poprečni presek strukture CdTe solarne ćelije.