11.10 Základní charakteristiky fotovoltaického modulu

Transkript

1 11.10 Základní charakteristiky otovoltaického odulu. Úvod do probleatiky Základní eleente pro stavbu otovoltaických (FV) odulů je otovoltaický článek. FV oduly bývají řazeny do skupin, tzv. polí, které jsou dále seskupovány do velkoplošných panelů užívaných v solárních elektrárnách. Fotovoltaické články jsou vlastně plošnýi světelnýi diodai, ve kterých je elektrický proud iniciován dopade světla na přechod P-N (viz obr. 1). Obr. 1 Schéa solárního článku (převzato z [1]]. Světelná dioda se liší od obyčejné diody předevší tí, že á posunutou voltapérovou (VA) charakteristiku níže do záporných hodnot proudu o hodnotu tzv. otoproudu. Na obrázku 2 jsou heaticky vyobrazené VA charakteristiky obou typů diod. VA charakteristiku obyčejné polovodičové diody lze popsat poocí nasyceného proudu v závěrné sěru a exponenciální unkcí závislou na přiložené napětí U o i o [exp( cu) 1] (1) kde c je konstanta silně závislá na teplotě diody. VA charakteristiku světelné polovodičové diody ůžee tedy vyjádřit poocí základní charakteristiky (1) posunutí do záporných hodnot o hodnotu otoproudu i o[exp( cu ) 1] (2) Z obrázku 2 je patrné, že VA charakteristika obyčejné diody zasahuje pouze do prvního a třetího kvadrantu. Průběh v první kvadrantu představuje propustný sěr proudu, ve třetí kvadrantu jde o závěrný sěr, který vede až k průrazu diody. Podobný průběh ůžee sledovat i u VA charakteristiky světelné diody, která ale zasahuje navíc i do čtvrtého kvadrantu. Ve třetí kvadrantu se světelná dioda chová jako pasivní otoodpor, kdežto ve čtvrté kvadrantu se stává aktivní zdroje elektrické energie, tj. otovoltaický článke. Hlavní charakteristiky otovoltaického článku, jakožto základního stavebního kaene otovoltaických celků, jsou tedy zakódovány v chování VA charakteristiky právě ve čtvrté kvadrantu. Praktičtější je převést průběh ze čtvrtého do prvního kvadrantu, a to prostý překlopení charakteristiky kole osy x, což ateaticky znaená vynásobit ínus 1

2 jedničkou hodnoty proudu ve čtvrté kvadrantu, tj. i. Do prvního kvadrantu tak dostanee VA charakteristiku aktivního otovoltaického článku (potažo odulu, viz obr. 2) popsanou rovnicí o[exp( cu ) 1] (3) Obr. 2 Schéa VA charakteristik obyčejné diody a otodiody. Existují tři typy křeíkových FV odulů [2]: onokrystalické, polykrystalické a aorní. Monokrystalické oduly jsou založené na bázi vysoce čistého křeíku, jsou proto dražší a eektivnější (eektivita otoelektrické konverze u nich činí až 16% - 20%). Polykrystalické oduly sestávají z polykrystalického křeíku, jsou levnější, ale s enší eektivitou konverze kole 12% -14%. Aorní oduly jsou vyrobeny z aorního křeíku, jejich konverzní účinnost je nejnižší, a to kole 6% i éně. Jejich hlavní výhodou je ohebnost, která dovoluje jejich rolování. V praxi se nejčastěji používají polykrystalické oduly kvůli jejich nižší ceně. Hlavní elektrické paraetry FV odulů, které lze získat z jejich výkonových a VA charakteristik jsou následující: 1) Bod axiálního výkonu (MPP) Vyznačuje se jako pracovní bod MPP na VA charakteristice. V této oblasti pracuje odul nejvýkonněji. Pracovní bod je odvozován z totálního axia na výkonové křivce P(U ) (viz obr. 3). Z axia výkonové křivky lze získat souřadnici U, která je společná i pro bod MPP na VA charakteristice. 2) Napětí U, proud a výkon P Hodnota P je dána y souřadnicí totálního axia na výkonové křivce P(U ) otovoltaického odulu. Hodnota U je dána x souřadnicí tohoto axia. Přenesení hodnoty U na voltapérovou charakteristiku (U ) získáe y souřadnici (viz obr. 3). Platí: P U. 3) ezistance článku při axiální výkonu Tuto hodnotu zjistíe výpočte U /. 2

3 4) Napětí naprázdno Uoc Je to axiální napětí, které lze získat z odulu při dané osvětlení a dané teplotě odulu. Určíe jej po příé saostatné připojení voltetru k odulu. 5) Proud nakrátko Je roven axiálníu proudu, který je článek hopen dodávat při dané osvětlení a dané teplotě. Proud nakrátko získáe po příé saostatné připojení apéretru k odulu. 6) Proud při napětí 450 V (450 ) Paraetr se používá k zařazení odůlů do výkonnostních tříd. (450) 7) Vnitřní sériová s a vnitřní paralelní rezistance p Tyto paraetry jsou rovněž určitýi kvalitativníi ukazateli. Snahou je, aby sériová rezistance byla co nejenší a paralelní co největší. Velká vnitřní sériová rezistance ubírá napětí na vnější zatěžovací odporu a alá paralelní rezistence způsobuje vnitřní zkrat článku (znehodnocení). Obě rezistance lze určovat ze sěrnic na VA charakteristice: s du d U oc (4) p du d (5) 8) Činitel plnění FF (Fill Factor) Je dán následující poěre FF U / ( U oc ) P / ( U oc ). Geoetricky lze tento poěr připodobnit k poěru ploch obdélníku vepsaného do VA křivky kole pracovního bodu MPP a obdélníka opsaného kole VA křivky (viz obr 3 ). Tento poěr závisí na kvalitě kontaktů a použitých ateriálů. Je to rovněž kvalitativní ukazatel. 9) Účinnost otovoltaického článku Je ěřítke eektivity otoelektrické konverze a vyjadřuje se jako poěr výkonu otovoltaického článku P a zářivého výkonu Prad světla, které dopadá na účinnou plochu S článku. Zářivý výkon světla je dán součine intenzity zářivého toku E ve wattech na etr čtvereční a účinné plochy S článku, tj. P rad E S. ntenzitu E ěříe přío na povrchu článku poocí soláretru:. P P 10 (%) 100 (%) (6) P E S rad 3

4 Obr. 3 Schéa VA charakteristiky a výkonové křivky otovoltaického článku.. Standardní testy FV panelů Charakteristické paraetry otovoltaických panelů udávané výrobce se stanovují poocí testů, které odpovídají standardní podínká. Používá se světelný zdroj AM1.5 (Air Mass) siulující sluneční záření na zeské povrchu se zahrnutí vlivu atoséry; světelná intenzita E 1000 W/ 2 odpovídá hodnotě na povrchu Zeě; teplota panelu 25 o C je teplotou letních ěsíců. Vzhlede k inanční náročnosti zdroje záření AM1.5 budee v této práci používat jako náhradu silný halogenový relektor, který sice neá rozdělení spektrálních intenzit odpovídající přirozenéu slunečníu záření, ale na druhé straně jeho světlo obsahuje všechny potřebné vlnové délky. ntenzitu osvětlení E 1000 W/ 2 bude ožno nastavit poocí vertikálního posuvu relektoru nad povrche FV odulu. Nebudee oci zaručit teplotní stabilizaci odpovídající standardní hodnotě 25 o C, ale budee testovat při vyšší teplotě, která se ustaví přirozený způsobe po osvícení odulu za určitou dobu, a to přibližně v okolí hodnoty 53 o C.. Cíle laboratorní práce Naěřte voltapérovou a výkonovu křivku otovoltaického odulu WS-10 indického výrobce Waaree [3]. Poocí těchto křivek určete všechny charakteristické paraetry 1) 9) vyjenované v předešlé kapitole. Účinná plocha 1 tohoto odulu činí přibližně 0, Üčinná plocha byla oceněna součte eleentárních plošek základních aktivních buněk odulu, které jsou vyezeny neaktivníi tenkýi světlýi linkai. Jde o přibližné ocenění aktivní plochy odulu. 4

5 Poůcky: Fotovoltaický Modul WS-10 Halogenový relektor 160W s vertikální posuve Soláretr pro ěření intenzity osvitu E Voltetr Metex na rozsahu 200V ss. Apéretr Metex na rozsahu 2A ss Digitální teploěr na ěření teploty povrchu FV odulu V. Pracovní postup 1) Posuňte rozsvícený halogenový relektor vertikálně co nejblíže k povrchu FV odulu tak, aby byl ještě ozářen celý jeho aktivní povrch. Těsná blízkost relektoru u odulu zaručí rychlé ohřívání odulu a zkrátí čekací dobu. Čidlo digitálního teploěru přiložte na střed povrchu odulu a sledujte stoupající teplotu. 2) Jakile teplota dosáhne 53 o C, položte na střed odulu do blízkosti čidla teploěru čidlo soláretru a vertikální posuve oddalte rozsvícený relektor do takové výšky, až soláretr na displeji ukáže hodnotu E 1000 W/ 2. Poté čidlo soláretru odstraňte, avšak čidlo teploěru ponechte na povrchu a sledujte dále teplotu odulu. elektor usí stále svítit. 3) Po oddálení relektoru teplota odulu ůže ještě nějakou chvíli stoupat nebo klesat, ale pak se dostane do ustáleného stavu. Tuto ustálenou teplotu T si poznaenejte. Čidlo teploěru odstraňte. Tí je odul připraven k ěření. elektor bude pochopitelně svítit po celou dobu ěření. Obr. 4 Ovod nakrátko. 4) Vzhlede k tou, že ěřící zařízení není uístěno v kliatizační kooře, teplota odulu ůže, bohužel, kolísat vlive průvanu v ístnosti (otevření okna nebo dveří nebo častý procházení kole odulu), což se ůže negativně projevit na výsledcích ěření, neboť odul, jako každý jiný polovodič, je silně teplotně závislý. Je proto nutné, aby zařízení bylo uístěné v laboratoři na takové ístě, aby k teplotníu ovlivnění docházelo jen iniálně. 5) Jakile je vyhřátý odul s ustálenou teplotou připraven k ěření, ůžee zapojit apéretr saostatně přío k vývodů odulu dle héatu znázorněné na obr. 4. Naěřenou hodnotu si poznaenejte do tabulky jako první hodnotu. 6) Nyní je ožno zapojit celkový ěřící obvod dle héatu na obr. 5 pro usnadnění je připraven rozvodný box s popsanýi vstupy a výstupy. Nejprve nastavíe odpor dekády (kole 3,3 ) tak, aby voltetr ukazoval 450V a odečtee hodnotu proudu 450 na apéretru a zapíšee do tabulky. Následující hlavní ěření je založeno na postupné zvyšování hodnot rezistance vnějšího zatěžovacího odporu dekády. Ke každé nové hodnotě rezistance si zapište hodnoty napětí U a proudu. Hodnoty rezistancí je žádoucí dodržet v posloupnosti, která je uvedená v níže uvedené tabulce 5

6 Obr. 5 Hlavní ěřící obvod. Č. U Tabulka 1. Doporučený zázna naěřených hodnot.... V... A U P=U U P=U V A W Č. V A W Č U V... A U oc P=U W Obr. 6 Obvod naprázdno. 7) Jakile jsou naěřeny všechny doporučené hodnoty a kopletována tabulka 1, provedee ěření napětí odulu naprázdno dle héatu na obr. 6. Voltetr je zapojen saostatně přío na vývody FV odulu. Hodnotu z voltetru U zapíšee do tabulky 1 na poslední ísto. oc 8) Stanovte teplotu T na různých povrchových ístech FV odulu. Místa jsou označena červenýi body přío na povrchu odulu. Použijte k tou čidlo digitálního teploěru. Vypočítejte průěrnou teplotu. Průěrnou teplotu stanovujee kvůli nerovnoěrnéu osvětlení relektore. 9) Na stejných povrchových ístech odulu označených červenýi body zěřte intenzitu osvětlení E soláretre a vypočítejte její průěrnou hodnotu. S průěrnou hodnotou intenzity osvětlení budee vstupovat do výpočtů účinnosti odulu. Průěrnou hodnotu stanovujee kvůli nerovnoěrnéu osvětlení relektore. 6

7 10) Stanovte intenzity osvětlení E na různých povrchových ístech FV odulu. Místa jsou označena červenýi body přío na povrchu odulu. 11) Vypněte halogenové světlo relektoru a ostatní přístroje. Nyní ůžete sestrojovat gray VA charakteristiky a výkonové křivky jako dva separátní gray. Výkonové body P jsou dány součine naěřených napětí a proudů (viz tabulka 1). Z vizuálně určeného axia výkonové křivky odečtěte souřadnici U, kterou přenesete do grau VA křivky a určíte druhou souřadnici (viz obr. 3). Dál postupujte podle deinic ostatních paraetrů uvedených na konci úvodní kapitoly. Pro větší názornost je v příloze tohoto návodu kopletně zpracováno jedno celé ěření V. Příloha příklad kopletního zpracování naěřených dat Č. U Tabulka 2 Naěřené hodnoty. 450 V 0,164 A U P=U U P=U V A W Č. V A W =0, ,5 0,137 1, ,63 0,160 0, ,5 0,135 1, ,13 0,157 0, ,5 0,132 2, ,60 0,154 0, ,3 0,128 2, ,02 0,152 0, ,6 0,120 1, ,4 0,150 1, ,7 0,113 1, ,7 0,147 1, ,8 0,107 1, ,0 0,145 1, ,0 0,102 1, ,3 0,143 1, ,1 0,096 1, ,5 0,141 1, ,1 0,092 1,573 Č. U V... A... P=U W ,3 0,080 1, ,4 0,068 1, ,6 0,051 0, ,8 0,036 0, ,9 0,020 0, ,0 0,009 0, ,1 0,001 0, ,1 0,000 0, U oc =18,1 0,000 0 Tabulka 3 Naěřené intenzity osvětlení E a povrchové teploty T E76E / W W 2 7

8 1T5T / o C , o C Obr. 7 Výkonová křivka. Obr. 8 VA křivka. 8

9 Obr. 9 Stanovení vnitřní séiové rezistance FV odulu. Obr. 10 Stanovení vnitřní paralelní rezistance FV odulu. 9

10 Výsledky: MPP (viz obr. 8) 450 0,164 A (Měřeno v ráci hlavního zapojení tab. 2) U oc 18,1 V (tab. 2) 0,165 A (tab. 2) U 16,3 V (obr. 7, 8) 0,128 A (obr. 8) P U 2,09 W (obr. 7) U / 127 s 10 (vnitřní sériová rezistance odulu viz obr. 9) p 504 (vnitřní paralelní rezistance odulu viz obr. 10) FF P / U oc 0,8 (činitel plnění) / [ E S] 100 7,3 % (Účinnost otovoltaické konverze odulu) P Diskuse: Výše uvedené paraetry otovolatickoho odulu WS-10 indického výrobce Waaree [3] vypovídají o standardní kvalitě výrobku. Vnitřní paralelní rezistance je 50x větší než vnitřní sériová rezistance, což je žádoucí, aby nedocházelo k vnitřníu zkratu nebo k velkéu úbytku napětí. Činitel plnění FF je rovněž dostatečně velký 0,8. Byla zjištěna otovoltaická účinnost 7.3 % (výrobce udává 9,52 %). Obě účinnosti jsou poněkud nižší, než by odpovídalo polykrystalickéu odulu, avšak naše hodnota byla jistě ovlivněna nestandardní teplotou 51 o C standardní testovací teplota á být 25 o C tí ůže být vysvětlen i rozdíl ezi naší hodnotou a hodnotou výrobce, který navíc používal standardní zdroj osvětlení na rozdíl od naší halogenové náhražky. Závěr: Modul WS-10 z hlediska testovaných elektrických paraetrů představuje spíše průěrný výrobek s poněkud nižší účinností, avšak celkově jde o spolehlivý výrobek střední třídy jakosti. Pro kopletní otestování tohoto výrobku by bylo žádoucí provést další analýzy, které se týkají ateriálových vad a provést jejich zviditelnění některou z vizuálních registračních technik jako jenapř. elektroluinience, luinience ikroplazy nebo etoda LBC (Light Bea nduced Current) apod. Testování ateriálových vad je předěte další saostatné laboratorní úlohy

11 Apendix - nepovinná část Pro zájece o detailnější rozbor naěřených závislostí, které souvisí s voltapérovou křivkou a výkonovou křivkou, je v této části textu proveden podrobnější rozbor experientálních dat a jejich porovnání s teoretický odele otodiody. V úvodní kapitole byla vysvětlena základní rovnice pro VA charakteristiku otodiody. VA křivka čtvrtého kvadrantu byla překlopena do prvního kvadrantu a tí byla získána rovnice (3), tj. o[exp( cu ) 1] (7) Tuto unkci (U) ůžee poocí některé nelineární regresní etody naitovat na naěřená data VA charakteristiky a zjistit přibližné hodnoty všech tří paraetrů, tj. otoproudu, nasyceného proudu o v závěrné sěru při zateněné odulu a také hodnotu konstanty c, která silně závisí na teplotě. Použili jse k tou Levenberg- Marquardtovu optializační etodu a výsledky je ožno vidět na obrázku 11 Obr. 11 Fitace VA charakteristiky poocí unkce (7). Jak je patrno z obrázku 11, voltapérovou charakteristiku FV odulu lze alespoň přibližně aproxiovat rovnicí otodiody, avšak vzhlede k viditelný odchylká zejéna v oblasti počátečního šikého úseku nelze zcela spoléhat na nuerickou přesnost paraetrů itace; např. itovaný otoproud á hodnotu 0,154 A, kdežto naěřená hodnota tohoto otoproudu byla 0,164 A - rozdíl ale činí pouhých 6%, což ve skutečnosti není tak velký rozdíl. Využijee-li okrajové podínky ( U oc ) a ( U oc ) 0, ůžee z rovnice (11) vyjádřit konstantu c 1 c ln 1 (8) U oc o 11

12 a porovnat její itovanou hodnotu c 0, 780 s hodnotou z výpočtu podle vzorce (8) c 0,786 ezi nii je zanedbatelný rozdíl 0,8 %. Můžee konstatovat, že rovnice otodiody (7) dosti dobře aproxiuje chování VA charakteristiky vyšetřovaného FV odulu. Jestliže tedy rovnice (7) popisuje dobře VA charakteristiku FV odulu, ěla by být použitelná i pro odvození výkonové křivky P( U ) U : P U o[exp( cu ) 1] (9) Z podínky pro extré dp / du 0 dostáváe rovnici určující napěťovou souřadnici U totálního axia výkonové křivky: 1 (1 cu )exp( cu ) (10) o 6 1,51310 (1 0,78U )exp(0,78u ) (11) ovnice (11) je tranendentní rovnicí. Takový typ rovnic se řeší iterativně. Z ěření víe, že by řešení pro U ělo být v okolí hodnoty 16.3 V, a proto se v iteracích zaěříe na toto okolí. Lze ověřit, že rovnici (11) docela dobře vyhovuje hodnota 15,0 V. To sice není úplná shoda s naěřenou hodnotou, ale rozdíl činí pouhých 8 %. Když nyní vynesee gra výkonové unkce (9) s dosazenýi itovanýi hodnotai z VA itace společně s naěřenýi hodnotai výkonu, dostanee výsledek, který je znázorněn na obrázku 12. Z něho je patrno, že teoretická křivka á axiu skutečně v blízkosti napěťové souřadnice 15 V. Celková graická shoda obou průběhů je patrná. U Obr. 12 Teoretická křivka výkonu versus experientální výkonový průběh. Literatura [1] V. Kopunec, "Analytické etody solárních panelů a systéů". Diploová práce (FEKT VUT, Brno, 2011). [2] V. Quahning, Obnovitelné zdroje energií (Grada, Praha, 2010). [3] Webová stránka výrobce Waaree: (aktivní v r. 2017). 12