Upload
others
View
3
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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, [email protected]. dr Sanja Aleksić, kabinet 403, [email protected]
Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, [email protected]
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