FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY

Transkript

1 FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY Prof. V. Benda, ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická Ing. Petr Wolf, Sunnywatt CZ, s.r.o. Ing. Kamil Staněk, Fakulta stavební ČVUT v Praze Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 1

2 Obsah semináře Fotovoltaické články a moduly (V.Benda) solární energie; principy konstrukce fotovoltaických článků; technologie FV článků a modulů; současné trendy v oblasti fotovoltaických článků a modulů Komponenty a funkce FV systemů (P.Wolf) jednotlivé prvky FV systému; monitoring solárních elektráren; příklady FV systémů; Integrace FV systémů do budov (K. Staněk) architektura, stavební a konstrukční řešení; stavebně integrované FV systémy v reálném provozu; fotovoltaika pro energeticky nulové budovy; 2

3 Prof. V. Benda, ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY A MODULY 3

4 Energie slunečního záření dopadajícího na povrch Země r 0 = km. Na povrch Země dopadá záření o výkonu přibližně TW Střední intenzita slunečního záření dopadajícího na povrch atmosféry je 1367 W/m 2 4

5 Pohyb slunce po obloze solární deklinace δ 23.5 n 80 sin

6 Pohyb slunce po obloze Maximální úhel paprsků dopadajících na horizontální rovinu v zeměpisné šířce Φ v n-tém dni v roce m n 80 sin

7 Pohyb slunce po obloze úhel mezi Sluncem a zenitem, θ S ; sluneční azimut, ψ S ; úhel mezi Sluncem a horizontem, φ; zeměpisná šířka, F; cos S cos sin sin cos cos cos S sin sin sin sign{ ) cos cos sin východ slunce, ω S, S arccos( tan tan) 7

8 Pohyb slunce po obloze ,5 Z úhel φ jako funkce slunečního azimutu ψ S ω skutečný sluneční čas 16,5 J S Φ 50 s.š. letní slunovrat φ m = 63,5, v době rovnodennosti φ m = 40 zimní slunovrat φ m = 16,5 V 8

9 Intenzita záření Intenzita záření - hustota výkonu dopadajícího na povrch (W/m 2 ) přímé záření paprsky světla, které nejsou ani odražené, ani rozptýlené - B difúzní záření přichází z celé oblohy mimo sluneční kotouč - D odražené záření (albedo) je záření odražené od okolních předmětů - R celkové (globální) záření (přímé + difúzní + odražené) G = B + D + R 9

10 Intenzita záření Nejčastěji se získává celková intenzita záření jako součet intenzit přímého, difúzního a odraženého záření dopadající na plochu odkloněnou o úhel α od jihu a o úhel β od horizontální roviny. G(β, α) = B(β, α) + D(β, α) + R(β, α) přímé záření B(β,α) = B (0) cos (θ S β) difúzní záření odražené záření ρ je odrazivost povrchu 10

11 Intenzita záření Pokud záření vstupuje do atmosféry pod úhlem ( je úhel od horizontální roviny) m B( ) B0 (0,7) m B( 1 ) B0 (0,7) m sin 1 m sin koeficient atmosférické masy AM Solární konstanta B 0 = 1367 W/m 2 Při nejkratší dráze (záření kolmo k horizontální rovině) dopadá na povrch výkon 1000 W/m 2 11

12 Intenzita záření Záření (W/m 2 ) Difúzní podíl (%) Modré nebe Zamlžené nebe až 50 Mlhavý podzimní den Zamračený zimní den Celoroční průměr Sluneční záření, jasno Oblačno Léto 7 8 kwh/m 2 2 kwh/m 2 Jaro / podzim 5 kwh/m 2 1,2 kwh/m 2 Zima 3 kwh/m 2 0,3 kwh/m 2 12

13 Vliv klimatických podmínek Intenzita záření je ovlivňována klimatickými podmínkami oblačnost, prašnost, mlha apod. Mesíční střední hodnota globální intenzity, G dm (0); Index průzračnosti K Tm, (počítaný pro každý měsíc) 13

14 Intenzita záření v jednotlivých oblastech 14

15 Intenzita záření v jednotlivých oblastech 15

16 Česká republika klimatické podmínky Z hlediska energie dopadajícího slunečního záření jsou podmínky srovnatelné s Německem 16

17 Absorpce světla materiálem Pokud na povrch materiálu dopadá světlo o intenzitě Φ in, část světla o intenzitě Φ 0 vstoupí do objemu materiálu. Při průchodu světla materiálem intenzita klesá se vzdáleností od povrchu. α je tzv. absorpční koeficient Absorpce fotonu znamená předání jeho energie částicím materiálu. 17

18 Absorpce světla materiálem Absorpce je způsobena interakcí světla s částicemi hmoty (elektrony a jádry) Je-li energie částice před interakcí W 1, po absorpci fotonu je energie W 1 + h interakce s mřížkou nízkoenergetické fotony, následkem je zvýšení teploty; interakce s volnými elektrony zvýšení teploty; Fotovoltaické články a moduly Solar Thermal generace tepla interakce s vázanými elektrony - může dojít k uvolnění elektronu z vazby, vznik volných nosičů náboje; 18

19 Polovodiče W W h W g Generace nerovnovážných nosičů náboje W c W g W v 1 h W 2 W 1 W c W g W v 1 h 2 k k 19

20 Dopadající energie 20

21 21 Ve vzdálenosti x pod povrchem je generováno za jednotku času G párů elektron-díra x x dt n d x G gen ) ( )exp ( ) ( ) ( ) ; ( ) ( ) ( ) ; ( 0 F F Celková generace F 0 0 ) ; ( ) ( ) ( ) ; ( ) ( d x d x G x G tot Za jednotku času rekombinuje R párů elektron-díra n dt n d R rec V ustáleném stavu je dynamická rovnováha G n Generace nerovnovážných nosičů 21

22 Výběr vhodných materiálů Účinnost generace nosičů závisí na šířce zakázaného pásu Vhodné materiály Si GaAs CuInSe 2 amorfní SiGe CdTe/CdS 22

23 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); 23

24 Princip funkce fotovoltaického článku V ozářené oblasti jsou generovány nerovnovážné nosiče, které difundují směrem k přechodu PN. Hustota proudu J PV je tvořena nosiči které byly zachyceny oblastí prostorového náboje v oblasti typu N v oblasti typu P J PVN J PVP v oblasti prostorového náboje přechodu PN Generovaná proudová hustota J PV x x j j p ( ) eg( ) dx e dx J sr(0) 0 0 p H H n ( ) e G( ) dx e dx J ( H) H x j d x j d n x d J OPN x j n ( ) eg( ) dx e dx H 0 0 j sr ( ) e G( ) dx e n j J sr (0) J x d j x sr j j ( H n dx ) 24

25 V-A charakteristika fotovoltaických článků R s I Paralelní odpor R p Sériový odpor R s I PV D R p U R L A ill ozářená plocha A - celková plocha V-A charakteristika přechodu PN Napětí na článku U = U j - R s I 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 eni d sc I U R I kt s s AillJ PV I01 exp e 1 I02 exp e 1 U R I 2kT U RsI R p 25

26 V-A charakteristika fotovoltaického článku a její důležité body 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) U mpi mp Účinnost článku Pin U mpi mp FF U I Činitel plnění OC SC 26

27 P m (W) U I 01 ~ OC Je proto Vliv teploty na VA charakteristiku n 2 i kt e I ln BT PV I 01 3 Wg exp kt U OC 0 T teplota ( C) I (A) U(mV ) Pro c-si fotovoltaické články pokles U OC je okolo 0.4%/K R s roste s rostoucí teplotou R p klesá s rostoucí teplotou Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí teplotou klesají FF 0 0 T T 1 V případě c-si 0.5% T K -1 27

28 Vliv parazitních odporů (R s a R p ) I SC R I kt R I 2kT s SC s SC AillJ PV I01 exp e 1 I02 exp e 1 RsI R SC p Pokud je R p velký a A ill J PV I PV I 01 I 02 U OC kt e I ln PV I 01 U U 28

29 Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na intenzitě záření 29

30 Srovnání FV článků FV článek (modul) s nízkým R s FV článek (modul) s vysokým R s 30

31 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 31

32 Optimalizace pozice přechodu PN hν N L n P L p d x = 0 x j x PN x j +d x = H PN přechod sbírá nosiče generované jak v oblasti typu P tak v oblasti typu N. U článků z c-si vzdálenost přechodu PN od povrchu x j by měla být menší, než 0.5 μm (0.2 m je žádoucí). Je třeba minimalizovat rekombinaci (dostatečně čistý materiál) 32

33 Antireflexní vrstva V případě monochromatického záření, minimální odraz R min nastává je-li optická dráha rovna čtvrtině vlnové délky. d a n 0 n 1 n 2 Index lomu Si Tenká vrstva s n 2 2 je potřebná pro články z c-si (Si 3 N 4 nebo TiO 2, d 75 nm). 33

34 Texturace povrchu texturised Má-li povrch pyramidovou strukturu, je možné snížit odrazivost na zhruba jednu třetinu oproti rovinnému povrchu. Oba principy (texturace povrchu a antireflexní vrstva) mohou být kombinovány. 34

35 Elektrické ztráty Sériový odpor R s sestává z: R 1 kontakt kov-polovodič na zadním kontaktu R 2 odpor materiálu báze R Si H / 2 A R 3 laterální odpor vrstvy typu N R 3 ~ d N x j R 4 kontakt kov-polovodič Sériový odpor R s ovlivňuje silně paramety FV článku. R 5 odpor prstu sběrnice R 6 odpor hlavní sběrnice M R l 5 3bh R 6 ~ Ml hb B B 35

36 Základní typy článků Krystalický Si Tenkovrstvé články CuInSe 2 amorfní křemík amorfní SiGe CdTe/CdS 36

37 Materiály a technologie pro fotovoltaické články 37

38 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%) 38

39 Výroba fotovoltaických článků (c-si) 39

40 Výroba fotovoltaických článků (c-si) kontakty realizovány pomocí sítotisku (Ag a Al/Ag pasty) 15% 17% 40

41 Moduly z krystalického Si 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, dešti, krupobití (kroupy o průměru 25 mm), teplotním změnám (od -40 do +85 C) písku a mechanickému namáhání. Odolnost vůči napětí > 600 V Požadovaná životnost: let (životností se rozumí pokles účinnosti na 80% původní hodnoty) 41

42 Sériově zapojené FV články: všemi články teče stejný proud R s R s R s R s R p R p R p R p 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 I ' ' s s 01exp e 1 I02exp e 1 mkt mn2kt U ' RsI R sh 42

43 Technologie modulů z c-si 43

44 Provozní teplota FV článků a modulů Provozní teplota FV článků v modulu závisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího záření a 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. T c r r T thcab r thca thcaf a r db d b f f r r thcaf thcaf thca G 1 h b 1 h r r f thcab thcab ab Na zadní straně modulu je možno měřit teplotu modulu T mod T c T mod T G G SCT 44

45 Vliv částečného zastínění články v sérii I (A) R s R s R s R s R p R p R p R p V případě spojení článků do série se zvyšuje sériový odpor pokles výstupního proudu pokles výstupního napětí pokles výstupního výkonu 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, bez zastínění U (V) 1/2 článku zastíněná 1 článek zastíněn 2 články zastíněny 45

46 Vliv překlenovacích diod Bez diod S diodami 46

47 Řazení článků 47

48 Tenkovrstvé články TCO (transparent conducting oxide) SnO 2 Nutný pro dosažení přijatelné hodnoty R s ITO ZnO 48

49 Tenkovrstvé články 600nm 1% <12% substrate TCO Antireflexní vrstva (Light trapping) TCO Ag or Al contact 49

50 Technologie tenkovrstvých článků A) Vakuové deposice - Napařování - Naprašování B) CVD (Chemical vapour deposition ) - Chemická depozice z plynné fáze CVD vytvoření stabilní sloučeniny na vyhřívané podložce chemickou reakcí nebo rozkladem směsi plynů depozice nitridu kemíku 3SiH 4 + 3NH 3 Si 3 N H 2 depozice křemíku SiH 4 Si + 2H 2. 50

51 Technologie tenkovrstvých článků Struktura deponované vrstvy závisí na složení plynu a na teplotě substrátu zředění rh = ([H 2 ] + [SiH 4 ])/[SiH 4 ]. rh < 30, roste amorfní vrstva rh > 45, roste vrstva c-si 51

52 Technologie tenkovrstvých článků Články z amorfního (mikrokrystalického) Si průhledný substrát (sklo) TCO a-si:h p+ vrstva (20-30 nm) a-si:h nedotovaný ( 250 nm) a-si:h n+ vrstva (20 nm) TCO (difúzní bariéra) Ag nebo Al 52

53 Tandemové články W g1 > W g2 53

54 Tenkovrstvé moduly na skleněném substrátu TCO sklo Rozměr pracovní komory depozičního zařízení musí odpovídat rozměrům modulu. (Maximální dosažená plocha 5 m 2.) 54

55 Tenkovrstvé FV články na pružném substrátu Roll to roll technologie Po rozčlenění pásu se jednotlivé články spojí do modulu a zapouzdří polymery 7% 55

56 A III B V články s vysokou účinností Nejvyšší dosažená účinnost 40% 56

57 Koncentrátorové moduly chladič FV články parabolické zrcadlo Sluneční záření musí být v optické ose Musí být zajištěn odvod ztrátového tepla 57

58 Rozvoj fotovoltaických systémů Ekonomický nástroj FiT (feed-in tariff) (výkupní cena energie taková, aby se investice vrátila za dobu kratší než 15 let) 58

59 Stav výroby FV článků a modulů V současné době instalováno Německo 16 GW p Zbytek Evropy 12 GW p Zbytek světa 10 GW p 59

60 Vývoj ceny FV modulů Podstatné snížení ceny Si: 2008 > 500 USD/kg USD/kg Snížení ceny modulů z krystalického křemíku 60

61 Účinnost panelů a článků 61

62 Předpokládaný vývoj ceny elektrické energie vyráběné FV systémy Terrawattová éra: 62