Upload
hamien
View
224
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Filip Lemić 0036435725
Što je solarna ćelija?
Fotoelektrični efekt
Tipovi solarnih ćelija
Kućna izrada solarne ćelije
SEMINARSKI RAD - SPVP
9. lipanj 2011
Solarna ćelija
2
Sažetak Solarne ćelije su tehnologija budućnosti. U seminaru se opisuje način rada solarnih ćelija. Opisuju
se njihovi tipovi, fotoelektrični efekt na čijem principu se ćelije temelje te se daje pokus kojim se
pokušava ostvariti izrada kućne solarne ćelije. Nekolicinom slika prikazan je i objašnjen praktični
rad na seminaru, a konačni rezultati mogu se naći na web stranici:
http://studenti.zesoi.fer.hr/pametne-kuce/Studenti/2011/flemic/.
Sadržaj 1. UVOD ............................................................................................................ 3 2. ŠTO JE SOLARNA ĆELIJA ................................................................................. 4 3. FOTOELEKTRIČNI EFEKT .................................................................................. 5 4. TIPOVI SOLARNIH ĆELIJA ................................................................................ 7 5. IZRADA SOLARNE ĆELIJE ................................................................................ 9
5.1. Materijali i alati potrebni za izradu ................................................................. 9 5.2. Izrada ćelije ...............................................................................................10
6. ZAKLJUČAK ...................................................................................................15 7. LITERATURA..................................................................................................16 8. POJMOVNIK ..................................................................................................17
Ovaj seminarski rad je izrañen u okviru predmeta „Sustavi za praćenje i voñenje procesa“ na Zavodu za elektroničke sustave i obradbu informacija, Fakulteta elektrotehnike i računarstva, Sveučilišta u Zagrebu. Sadržaj ovog rada može se slobodno koristiti, umnožavati i distribuirati djelomično ili u cijelosti, uz uvjet da je uvijek naveden izvor dokumenta i autor, te da se time ne ostvaruje materijalna korist, a rezultirajuće djelo daje na korištenje pod istim ili sličnim ovakvim uvjetima.
Solarna ćelija
3
1. Uvod
Solarna ćelija (fotonaponska ćelija) pretvara svjetlosnu energiju Sunca u električnu energiju. Na
svjetskom tržištu dominira silicijeva solarna ćelija. Silicijska fotonaponska ćelija je sastavljena od
dva tipa silicija. Izmeñu njih se djelovanjem svjetlosnih fotona stvara razlika napona i time tok
struje kroz priključeni potrošač. U praksi koristimo solarne panele, koji se sastoje od više solarnih
ćelija spojenih serijski da se dobije veći napon i paralelno da se dobije veća struja. Cilj ovog rada je
pokušati ostvariti fotonaponsku ćeliju za pametnu kuću. Prednosti korištenja fotoćelije u pametnoj
kući su višestruke. Osim što se može koristiti kao napajanje i akumulator, ona može poslužiti i kao
senzor svijetlosti u kući te kao sigurnosno napajanje pametne kuće. Nažalost, rezultati pokusa su
polovični. Naime, zaključeno je da ćelija može poslužiti kao senzor svijetlosti i mali izvor napajanja
u pametnoj kući, ali je preslaba da se koristi kao napajanje, pa čak i ono sigurnosno. Takoñer,
zaključak rada daje osvrt na moguća poboljšanja ćelije, kojima bi se mogle ukloniti postojeće
mane.
Solarna ćelija
4
2. Što je solarna ćelija
Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Količina solarne energije koja svake
minute stiže na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovječanstva u
trenutnoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, iskorištavanjem solarne energije trenutno
se pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovječanstva. Jednim dijelom to je zbog slabe
razvijenosti trenutnih tehnologija za iskorištavanje energije Sunca, ali ipak je najveći problem
trenutna cijena sustava za iskorištavanje solarne energije. Postoji nekoliko načina iskorištavanja
energije Sunca. Najjednostavniji i najjeftiniji način iskorištavanja solarne energije svakako je
grijanje vode ili neke druge tekućine za upotrebu u domaćinstvima. Elementi koji iskorištavaju
energiju Sunca za grijanje vode nazivaju se solarni kolektori i uobičajeno se postavljaju na krovove
kuća i zgrada. Drugi način iskorištavanja energije Sunca je koncentriranje solarne energije pomoću
sistema zrcala i stvaranje velike količine toplinske energije koja se kasnije u standardnim
generatorima pretvara u električnu energiju. Ovakva postrojenja mogu biti vrlo velika i uobičajeno
se grade u pustinjama, a služe za komercijalnu proizvodnju električne energije. Solarne
(fotonaponske) ćelije su treći i najpoželjniji način iskorištavanja energije Sunca, ali zbog slabe
efikasnosti i visoke cijene trenutno se ne koriste u velikoj mjeri. Solarne ćelije direktno pretvaraju
solarnu energiju u električnu energiju. Solarne ćelije uobičajeno se koriste tamo gdje nije moguće
dovesti neki drugi izvor energije, primjerice na satelitima, na znakovima uz ceste i slično. Dodatno
se koriste za napajanje energijom malih potrošača kao što su džepna računala.
Slika 1. Komercijalna solarna ćelija
Solarna ćelija
5
3. Fotoelektrični efekt
Fotoelektrični efekt je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo
ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u
mikrosvijetu. Heinrich Rudolf Hertz je 1807. godine otkrio, ali ne i objasnio fotoelektrični efekt.
Fotoelektrični efekt je otkrio francuski fizičar Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) 1839.
godine. Imenom fotoelektrični efekt je nazvana pojava kada svjetlost odreñene valne dužine padne
na površinu metala (npr. cinka, natrija ili bakra) i iz njega izbija elektrone. Najvažnija osobina
fotoelektričnog efekta je povezana s ovisnošću fotoelektričnog efekta o valnim dužinama i
intenzitetu svjetlosti kojom se osvjetljava metalna ploča. Ukoliko je valna duljina manja od neke
granice (koja ovisi o vrsti tvari), intenzitet efekta (količina el. naboja koji se pojavljuje na ploči)
raste s povećanjem intenziteta. Meñutim, ako valna dužina svjetlosti prelazi tu granicu,
fotoelektrični efekt nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svijetlost. Druga opažena osobina
efekta je vezana za gibanje električnih naboja koji napuštaju metalnu ploču. To gibanje se može
zaustaviti ako se električni naboji koče vanjskim električnim poljem. Eksperimenti su pokazivali da
veličina napona kočenja uopće ne ovisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o njenoj valnoj dužini. To
se nije moglo objasniti teorijom o svjetlosti kao valu. Ona je predviñala da će s povećanjem
intenziteta rasti napon kočenja koji neće ovisiti o valnoj dužini.
Slika 2. Prikaz fotoelektričnog efekta
Solarne ćelije su zasnovane na fotoelektričnom efektu. Solarne ćelije su izgrañene od dva sloja:
pozitivnog i negativnog, a razlika potencijala izmeñu ta dva sloja ovisi o intenzitetu solarnog
zračenja. Solarna energija stiže na Zemlju u obliku fotona. Prilikom pada na površinu solarne ćelije
ti fotoni predaju svoju energiju panelu i na taj način izbijaju negativno nabijene elektrone iz atoma.
Solarna ćelija
6
Izbijeni elektroni kreću se prema drugoj (negativnoj) strani panela i na taj način dolazi do razlike
potencijala, tj. generira se električna energija. Fotonaponske ćelije grade se od silicija, a silicij je
jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji.
Solarna ćelija
7
4. Tipovi solarnih ćelija
Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W
električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je
apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na
tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.
Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W
električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u
odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom
skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se
pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost.
Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne
energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu
podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 µm, stoga su
troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Meñutim iskoristivost amorfnih
ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je
potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade.
Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena.
Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band
gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od
samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u
usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u
sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja
su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima
iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može
pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.
Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u
160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid
je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV
modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima
zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.
Solarna ćelija
8
Slika 3. Različiti tipovi solarnih ćelija
Solarna ćelija
9
5. Izrada solarne ćelije
Ideja za izradu ove kućne solarne ćelije potječe sa stranice:
http://www.youtube.com/watch?v=jL1KiWN26Q0&feature=player_embedded.
5.1. Materijali i alati potrebni za izradu
Za izradu kućne solarne ćelije potrebni materijali su:
• bakrena pločica minimalnih dimenzija 10x10,
• obična ON/OFF sklopka,
• bakrene žice,
• LED dioda,
• plastična folija,
• plastična posuda s poklopcem te
• kuhinjska sol otopljena u običnoj vodi.
Potrebni alati su:
• lemilica,
• pila za metal,
• univerzalna kliješta,
• plamenik (ili slično),
• silikon te
• voltmetar.
Solarna ćelija
10
Slika 4. Alati i materijali potrebni za izradu solarne ćelije
5.2. Izrada ćelije
Bakrenu pločicu je potrebno prerezati kao što je prikazan na slici. Potrebno je dobiti pločicu veličine
10x10 cm koja će predstavljati katodu i manju pločicu veličine 2x10 koja će predstavljati anodu.
Slika 5. Rezanje bakrene pločice
Solarna ćelija
11
Veću pločicu potrebno je zagrijavati minimalno pola sata da bi bakar oksidirao. Nakon toga
potrebno ju je hladiti dodatnih sat vremena.
Slika 6. Zagrijavanje veće pločice
Na obje pločice potrebno je zavariti žice kojima će teći generirana struja. Pločice se može silikonom
zalijepiti na komad plastike radi lakšeg rukovanja, no taj korak nije nužan.
Slika 7. Pločice sa zalemljenim žicama postavljene na komad plastike
Solarna ćelija
12
Pločice je potrebno postaviti u plastičnu posudu korištenjem silikona. Žice zalemljene na pločice
treba ostaviti van posude.
Slika 8. Pločice uglavljene u plastičnu posudu
Posudu je potrebno napuniti običnom ili destiliranom vodom te u vodu dodati kuhinjsku sol i sodu
bikarbonu.
Slika 9. Punjenje posude vodom
Solarna ćelija
13
Posudu s vodom je potrebno hermetički zatvoriti uz korištenje plastične folije i silikona. Žice moraju
izlaziti iz posude.
Slika 10. Izgled hermetički zatvorene posude
Kada se na žice spoji voltmetar, dobije se odreñeni napon i struja. Postoji mogućnost da se struja
neće moći očitati jer je previše mala (reda veličine 10uA).
Slika 11. Izgled gotove solarne ćelije na koju je spojen voltmetar
Solarna ćelija
14
Posudu se može učvrstiti na stalak čime ona dobiva na stabilnosti. Proizvoljno, u ovom primjeru na
žice je zalemljen strujni krug koji se sastoji od sklopke i LED diode.
Slika 12. Posuda na stalku
Solarna ćelija
15
6. Zaključak
Izrada kućne solarne ćelije zanimljiva je zanimacija, ali upitne je koristi. Naime, najveći napon koji
je ovom solarnom ćelijom je 0.05 V pri struji od 4uA. Ipak, može se primijetiti porast napona pri
pojačavanju razine svijetlosti. Taj porast može se iskoristiti za izradu senzora svijetlosti. Takoñer,
ovakva solarna ćelija može poslužiti kad napajanje za neke prilično nezahtjevne ureñaje, primjerice
kalkulatore. Nažalost, ćelija nije bila dovoljno snažnog napona i struje za napajanje LED diode,
tako da se izrada strujnog kruga nije previše isplatila. Još jedna mana ovakve ćelije je njeno
vrijeme trajanja. Naime, ćelija nakon dva tjedna vidno smanji svoja svojstva, odnosno smanje se
napon i struja koju ćelija može davati. Daljnja poboljšanja uključivala bi korištenje većih bakrenih
pločica i otopinu kalijevog-klorida (KCl) koja daje bolja svojstva te korištenje boljih svjetlosnih
izvora (ovo testiranje koristilo je blic fotoaparata). Sunce je daleko najveći izvor energije u
solarnom sustavu, a time su solarne ćelije područne na kojem se osniva budućnost. Potrebna su
daljnja istraživana solarnih ćelija da bi one postale tehnologija budućnosti, a tome je ovaj pokus
doprinio.
Solarna ćelija
16
7. Literatura
1. ELEKTRONIKA.BA: Solarna ćelija u kućnoj uporabi,
http://www.elektronika.ba/640/solarna-celija-u-kucnoj-izradi/
2. Wikipedia: Solarna fotonaponska energija,
http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija
3. Phy: Fotoelektrični efekt,
http://phy.grf.unizg.hr/media/download_gallery/4_Fotoelektri%C4%8Dni%20efekt.pdf
4. Gradimo: Solarni fotonaponski sustavi
http://www.gradimo.hr/Solarni-fotonaponski-sustavi/hr-HR/720.aspx
Solarna ćelija
17
8. Pojmovnik
Pojam Kratko objašnjenje
Više informacija potražite na
Solarna ćelija Način iskorištavanja sunčeve energije
http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija
Fotoelektrični efekt
Otpuštanje elektrona pod utjecajem svijetlosti
http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotoelektri%C4%8Dni_u%C4%8Dinak
Alexandre-Edmond Becquerel
Fizičar koji je otkrio fotoelektrični efekt
http://en.wikipedia.org/wiki/A._E._Becquerel
Monokristalne Si ćelije
Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija
Polikristalne Si
ćelije
Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija
Amorfne Si
ćelije
Tip solarne ćelije http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija