FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY DNES A VÝVOJOVÉ TRENDY Prof. Ing. Vitězslav Benda, CSc ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická katedra elektrotechnologie
Fotovoltaika přímá přeměna energie slunečního záření na elektrickou energii Potenciál využití vice než 2000 násobek současné potřeby 1839 - 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
Komponenty fotovoltaických systémů 1. Fotovoltaické články a moduly 2. Měniče 3. Pomocná zařizení
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
Část sluneční energie se využila na generaci volných nosičů nanokrystalický Si V homogenním materiálu je Δn= Δp (elektroneutralita)
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
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 1 02 1 U + R R p s I
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
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
Vliv teploty na V-A charakteristiku a na účinnost I (A) U OC T 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 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
Základní typy článků Krystalický Si Tenkovrstvé články CuInSe 2 amorfní křemík amorfní SiGe CdTe/CdS
Materiály a technologie pro fotovoltaické články Nové materiály Gratzel, DSSC polymery nanotechnologie 82,5% 17,5% R&D
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%)
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%
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: 20 30 let (životností se rozumí pokles účinnosti na 80% původní hodnoty)
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
Technologie modulů z c-si pájení těsnění tvrzené sklo EVA krycí folie (tedlar) Al rám krycí folie (tedlar) FV články tvrzené sklo EVA
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
Tenkovrstvé moduly na skleněném substrátu TCO sklo Rozměr pracovní komory depozičního zařízení musí odpovídat rozměrům modulu (maximální dosažená plocha 5 m 2 )
Stav výroby FV článků a modulů
1.Fotovoltaické články a moduly 2.Měniče 3.Pomocná zařizení
Autonomní systémy P Sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) dp/dv > 0 dp/dv = 0 MPP dp/dv < 0 V
Systémy připojené k elektrické síti Elektrická siť nahrazuje akumulaci energie STŘÍDAČ
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
Konfigurace FV pole a typy měničů u systému připojených k síti (on-grid) Centrální měnič 10 250 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 50-180 W každý modul má MPPT vysoká cena, nižší účinnost
1.Fotovoltaické články a moduly 2.Měniče 3.Pomocná zařizení
Pevná konstrukce (orientace, sklon) ε h Jihovýchod Jih Jihozápad P 6 8 10 12 14 16 18 20 P vyuz Čas (hod) ( t) = 1353 0. 7 1 sinϕ( t ) cosε ( t)cosε ( t) Pro systémy připojené k síti je v podmínkách České republiky optimální úhel sklonu 35 v h
Systém se sledovačem Otáčení kolem jedné osy P vyuz ( t) = 1353 0.7 1 sin ϕ ( t) cosε ( t) v
Systém se sledovačem Dvouosé natáčení FV pole P vyuz ( t) = 1353 0.7 1 sinϕ ( t) Systémy se sledovačem mohou získat až o 30% více energie oproti systémům s pevnou konstrukcí
Ekonomický nástroj FiT (feed-in tariff) (výkupní cena energie taková, aby se investice vrátila za dobu kratší než 15 let)
FiT v Evropě (2010) V říjnu 2009, JAR zavádí FiT 0,356 /kwh pro PV systémy větší než 1 MW p
Cíl EU: dosáhnout úrovně pod 2,5 EUR/W p síťová parita
Podstatné snížení ceny Si: 2008 > 500 USD/kg 2010.. 54 USD/kg Snížení ceny modulů z krystalického křemíku
Vývoj instalovaného výkonu FV elektráren Roční přírůstek instalovaného výkonu 62
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
Možné varianty vývoje instalovaného výkonu v EU Procenta podílu FV elektráren na celkové výrobě elektrické energie
Předpokládaný vývoj ceny elektrické energie vyráběné FV systémy
Česká republika klimatické podmínky Realita: Instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v ČR 2006 0,4 MW p 2007 4,7 MW p 2008 58 MW p 2009 485 MW p 2010 1900 MW p???????