A VÝVOJOVÉ TRENDY. Prof. Ing. Vitězslav Benda, CSc. ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická katedra elektrotechnologie

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "A VÝVOJOVÉ TRENDY. Prof. Ing. Vitězslav Benda, CSc. ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická katedra elektrotechnologie"

Otakar Jaroš
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY DNES A VÝVOJOVÉ TRENDY Prof. Ing. Vitězslav Benda, CSc ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická katedra elektrotechnologie

2 Fotovoltaika přímá přeměna energie slunečního záření na elektrickou energii Potenciál využití vice než 2000 násobek současné potřeby objev fotovoltaického jevu (A. E. Becquerel ) 1877 první selénový FV článek (W. G. Adams a R. E. Day) 1954 křemíkový FV článek (D. M. Chapin, C. S. Fuller a G. L. Pearson) 1970 první FV článek na bázi GaAs heterostruktury (Alferov, Andreev a kol.) 1976 první FV článek na bázi amorfního Si ( D.Carlson and C. Wronski) 2008 instalovaný výkon FV elektráren překročil 14 GW p 2009 instalovaný výkon FV elektráren překročil 21 GW p 2010 instalovaný výkon FV elektráren překročil 37 GW p

Pearson) 1970 první FV článek na bázi GaAs heterostruktury (Alferov, Andreev a kol.) 1976 první FV článek na bázi amorfního Si ( D.Carlson and C.

3 Komponenty fotovoltaických systémů 1. Fotovoltaické články a moduly 2. Měniče 3. Pomocná zařizení

4 Generace volných nosičů náboje v materiálech s kovalentní vazbou Ve vzdálenosti x pod povrchem je generováno za jednotku času G tot párů elektron-díra Je-li koncentrace nerovnovážných nosičů Δn, za jednotku čau rekombinuje R párů elektron-díra V ustáleném stavu je dynamická rovnováha ( α( λ x) G tot ( x) = G( λ; x) dλ = α( λ) β( λ) Φ exp ) 0 0 dδn R = dt rec Δn = τ G 0 Δn = τ dλ

Δn, za jednotku čau rekombinuje R párů elektron-díra V ustáleném stavu je dynamická rovnováha (

5 Část sluneční energie se využila na generaci volných nosičů nanokrystalický Si V homogenním materiálu je Δn= Δp (elektroneutralita)

6 Polovodičové fotovoltaické články Pro vytvoření potřebného rozdílu potenciálu je možno využít struktury s vestavěným elektrickým polem Vhodné struktury jsou: přechod PN heteropřechod (kontakt dvou různých materiálů). Generovaná proudová hustota H Δn J PV ( λ) q G( λ) dx q dx sr + H = τ 0 0 n ( J (0) J ( H )) sr

jsou: přechod PN heteropřechod (kontakt dvou různých materiálů).

7 V-A charakteristika fotovoltaických článků V-A charakteristika přechodu PN J eu j = J 01 exp 1 kt + J 02 eu j exp 2kT 1 J 01 = n 2 i D e L n n 1 p p0 + D L p p 1 n n0 J = 02 R s eni d τ sc I Paralelní odpor R p Sériový odpor R S A ill ozářená plocha I PV D R p U R L A - celková plocha Napětí na článku U = U j -R s I I A J U + R I U + R I I01 exp e I e kt exp 2kT s s = ill PV U + R R p s I

Paralelní odpor R p Sériový odpor R S A ill ozářená plocha I PV D R p U R L A - celková plocha

8 K dosažení maximální hodnoty J PV je třeba maximální generace G minimální ztráty ztráty optické rekombinací elektrické odrazem zastíněním neabsorbované záření oblast emitoru oblast báze povrch sériový odpor paralelní odpor

elektrické odrazem zastíněním neabsorbované záření

9 V-A charakteristika fotovoltaického článku a její důležité body Parametry závisejí na intenzitě dopadajícího záření Parametry U OC, I SC, U mp, I mp, P m = U mp I mp ( STC: 25 C, 1 kw/m 2, AM= 1,5) Činitel plnění U η = mp P I in mp U mpimp FF = UOCI SC účinnost článku

OC, I SC, U mp, I mp, P m = U mp I mp ( STC: 25 C, 1 kw/m 2, AM=

10 Vliv teploty na V-A charakteristiku a na účinnost I (A) U OC T 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 U (V) 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C 75 C 85 C 95 C < 0 U FV článků z c-si 1 U OC U T OC 0,4% / K 1 η η T 0.5% / K S rostoucí teplotou roste R s a klesá R p

11 Základní typy článků Krystalický Si Tenkovrstvé články CuInSe 2 amorfní křemík amorfní SiGe CdTe/CdS

12 Materiály a technologie pro fotovoltaické články Nové materiály Gratzel, DSSC polymery nanotechnologie 82,5% 17,5% R&D

13 FV články a moduly z krystalického Si (c-si) FV články jsou realizovány z destiček krystalického Si o tloušťce 0,15 0,3 mm a straně 100 až 200 mm c-si mono (34,1%) c-si multi Ztráty materiálu při řezání cca 40% (46,9%)

tloušťce 0,15 0,3 mm a straně 100 až 200 mm c-si mono

14 Výroba fotovoltaických článků (c-si) textura povrchu leptáním difúze fosforu (0,2 0,5 μm) SiN(H) antireflexní vrstva a pasivace kontakty realizovány pomocí sítotisku (Ag a Al/Ag pasty) s následným vypálením η 15% η 17%

antireflexní vrstva a pasivace kontakty realizovány

15 FV článek ~0.5 V, ~30 ma/cm 2 Pro praktické použití je třeba články spojovat do série do modulů FV moduly musí být odolné proti vlhkosti, větru, v dešti, krupobití (kroupy o průměru ru 25 mm), teplotním m změnám m (od -40 do +85 C) písku p a mechanickému mu namáhání. Odolnost vůčv ůči i napětí > 600 V Požadovaná životnost: let (životností se rozumí pokles účinnosti na 80% původní hodnoty)

být odolné proti vlhkosti, větru, v dešti, krupobití (kroupy o průměru ru 25 mm), teplotním m

16 Sériově zapojené FV články: všemi články teče stejný proud Optimální situace: Všechny články mají stejný I mp Zjednodušený model modulu (řetězce) Pokud články mají různý I mp, pracují mimo bod maximálního výkonu a účinost klesá I = I PV I U + R I U + R ' ' s s 01 exp e 1 I02 exp e 1 mkt mn2kt I U ' + RsI R sh 16

články mají různý I mp, pracují mimo bod maximálního výkonu a účinost klesá I

17 Technologie modulů z c-si pájení těsnění tvrzené sklo EVA krycí folie (tedlar) Al rám krycí folie (tedlar) FV články tvrzené sklo EVA

18 Provozní teplota FV článků a modulů Provozní teplota FV článků v modulu závisí na teplotě okolí. Intenzitě dopadajícího záření na konstrukci modulu NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) je definována jako teplota článků T c při teplotě okolí T a = 20 C. intenzitě slunečního záření G = 0.8 kwm 2 a rychlosti větru 1 ms 1. r thcab db = λ b T = T + c 1 + h b a r thcaf r thca G d f = λ f ab + 1 h f r thca = r r thcaf thcaf r + r thcab thcab Na zadní straně modulu je možno měřit teplotu modulu T mod T c = T mod + ΔT G G SCT

při teplotě okolí T a = 20 C. intenzitě slunečního záření G = 0.8 kwm 2 a rychlosti větru 1 ms 1.

19 Tenkovrstvé moduly na skleněném substrátu TCO sklo Rozměr pracovní komory depozičního zařízení musí odpovídat rozměrům modulu (maximální dosažená plocha 5 m 2 )

20 Stav výroby FV článků a modulů

21 1.Fotovoltaické články a moduly 2.Měniče 3.Pomocná zařizení

22 Autonomní systémy P Sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) dp/dv > 0 dp/dv = 0 MPP dp/dv < 0 V

23 Systémy připojené k elektrické síti Elektrická siť nahrazuje akumulaci energie STŘÍDAČ

24 Různá zapojení střídačů S transformátorem High frequency inverter High frequency bridge Filter Line frequency inverter v x Filter ~ v grid PV array C High frequency tranformer Bez transformátoru se zvyšováním napětí Boost Converter Full bridge inverter PV array C V DC bus Filter ~ v grid

25 Konfigurace FV pole a typy měničů u systému připojených k síti (on-grid) Centrální měnič kw (elektrárna) vysoká účinnost, nízká cena nižší spolehlivost, ne zcela optimální MPPT Řetězcový měnič 1 10 kw každý řetězec má MPPT (vysoká účinnost) vyšší cena Modulový měnič W každý modul má MPPT vysoká cena, nižší účinnost

26 1.Fotovoltaické články a moduly 2.Měniče 3.Pomocná zařizení

27 Pevná konstrukce (orientace, sklon) ε h Jihovýchod Jih Jihozápad P P vyuz Čas (hod) ( t) = sinϕ( t ) cosε ( t)cosε ( t) Pro systémy připojené k síti je v podmínkách České republiky optimální úhel sklonu 35 v h

28 Systém se sledovačem Otáčení kolem jedné osy P vyuz ( t) = sin ϕ ( t) cosε ( t) v

29 Systém se sledovačem Dvouosé natáčení FV pole P vyuz ( t) = sinϕ ( t) Systémy se sledovačem mohou získat až o 30% více energie oproti systémům s pevnou konstrukcí

30 Ekonomický nástroj FiT (feed-in tariff) (výkupní cena energie taková, aby se investice vrátila za dobu kratší než 15 let)

31 FiT v Evropě (2010) V říjnu 2009, JAR zavádí FiT 0,356 /kwh pro PV systémy větší než 1 MW p

33 Cíl EU: dosáhnout úrovně pod 2,5 EUR/W p síťová parita

34 Podstatné snížení ceny Si: 2008 > 500 USD/kg USD/kg Snížení ceny modulů z krystalického křemíku

35 Vývoj instalovaného výkonu FV elektráren Roční přírůstek instalovaného výkonu 62

36 Instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v Evropě (v MW p ) V roce 1997 byl stanoven cíl EU dosáhnout v roce 2010 instalovaný výkon 3 GW p

37 Možné varianty vývoje instalovaného výkonu v EU Procenta podílu FV elektráren na celkové výrobě elektrické energie

38 Předpokládaný vývoj ceny elektrické energie vyráběné FV systémy

39 Česká republika klimatické podmínky Realita: Instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v ČR ,4 MW p ,7 MW p MW p MW p MW p???????

Podobné dokumenty

Fotovoltaické články

Fotovoltaické články (historie, současný stav a trendy) Prof. Ing. Vitězslav Benda, CSc ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická katedra elektrotechnologie Fotovoltaika přímá přeměna energie slunečního záření