Ogniwa

Fotowoltaiczne (PV)

Konwersja fotowoltaiczna

W procesie konwersji fotowoltaicznej

energia słoneczna przetwarzana jest

w energię elektryczną w specjalnych

przyrządach wykonanych

z półprzewodników zwanych ogniwami

fotowoltaicznymi.

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwo
fotowoltaiczne to
krzemowa płytka
półprzewodnikowa
w postaci złącza
p-n (positive

–

negative),
wewnątrz którego
istnieje bariera
potencjału

(pole elektryczne),

Materiały na ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa słoneczne wytwarza się z półprzewodników krystalicznych,
polikrystalicznych bądź amorficznych.
Materiały do budowy ogniw słonecznych :
-krzem,
-siarczek kadmu (CdS),
-arsenek galu (GaAs),
- CdTe (tellurek kadmu),
- CIS (selenek indowo-miedziowy – CIS,
-CIGS- związek miedziowo-indowo-galowo-selenowy.
Najczęściej stosowanym materiałem jest jednak krzem w postaci
monokrystalicznej, polikrystalicznej lub w stanie bezpostaciowym.

Wytwarzanie ogniwa fotowoltaicznego

Technologia produkcji ogniw monokrystalicznych obejmuje:
-

hodowanie bloków monokryształu krzemu,

-

cięcie ich na płytki,

-

domieszkowanie w celu wytworzenia złącza p-n,

-przymocowywanie elektrod,
-

nakładanie warstwy antyrefleksyjnej i specjalnej powłoki ochronnej. Rolę warstwy antyrefleksyjnej

mogą pełnić : SiO, Te

2

O

5

, ZnS, In

2

O

5

nanoszone np. metodą naparowywania próżniowego.

Warstwa antyrefleksyjna zapobiega stratom na odbicie, wynoszącym nawet do 6%.

Wytwarzanie ogniwa fotowoltaicznego

Metoda Czochralskiego - technika otrzymywania monokryształów, która polega na powolnym,

stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w sposób zapewniający

kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego

warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem

polepszenia warunków transportu masy i ciepła.

W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ. Wymiary i kształt hodowanego kryształu

(średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową

zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.

Wytwarzanie ogniwa fotowoltaicznego

Wytwarzanie ogniwa fotowoltaicznego

Porównanie grubości ogniw PV

Budowa i zasada działania ogniwa
fotowoltaicznego

Budowa i zasada
działania ogniwa
fotowoltaicznego

Niesymetryczne złącze p-n:
(a) — połączenie tworzących
złącze półprzewodników typu p
i n,
(b) — koncentracje akceptorów
nA i donorów nD,
(c) — koncentracje swobodnych
nośników ładunku,
(d) — gęstość ładunku
przestrzennego,
(e) — przebieg potencjału (Ud
— napięcie dyfuzyjne),
(f) — przebieg natężenia pola
elektrycznego

d=d

p

+d

n

=0,37μm

12

a)




b)






c)









d)







e)







f)

Rys.2.1. Niesymetryczne złącze p-n: (a) — połączenie tworzących złącze półprzewodników typu p i n, (b) — koncentracje
akceptorów n

A

i donorów n

D

, (c) — koncentracje swobodnych nośników ładunku, (d) — gęstość ładunku przestrzennego, (e)

— przebieg potencjału (Ud — napięcie dyfuzyjne), (f) — przebieg natężenia pola elektrycznego

typ p

typ n

p, n

cm

-3

10

6

10

16

p

p

n

n

n

p

p

n

d

n

A

, n

D

cm

-3

10

16

2∙10

16

n

A

n

D

x

0



V

U

d

0,8

0

d

n

d

p



/e

2∙10

16

cm

-3

10

16

-10

16

x

p

x

n

x

x

x

E

V/m

-2∙10

6

-4∙10

6

x

x

+

-

Niesymetryczne złącze p-n: (a) — połączenie tworzących złącze półprzewodników typu p i n, (b) — koncentracje akceptorów nA i donorów nD, (c) — koncentracje swobodnych nośników ładunku, (d) — gęstość ładunku przestrzennego, (e) — przebieg potencjału

(Ud — napięcie dyfuzyjne), (f) — przebieg natężenia pola elektrycznego

Niesymetryczne złącze p-n: (a) — połączenie tworzących złącze półprzewodników typu p i n, (b) — koncentracje akceptorów nA i donorów nD, (c) — koncentracje swobodnych nośników ładunku, (d) — gęstość ładunku przestrzennego, (e) — przebieg potencjału

(Ud — napięcie dyfuzyjne), (f) — przebieg natężenia pola elektrycznego

Napięcie dyfuzyjne
np.dla złącza
krzemowego
U

d

=0,71V

Budowa i zasada działania ogniwa fotowoltaicznego

13

Ogniwa słoneczne to przyrządy wykorzystujące złącze p-n. Na rys. zamieszczono wykresy
obrazujące krzemowe złącze niesymetryczne, które powstało poprzez połączenie warstwy p
(o koncentracji akceptorów n

A

=10

16

cm

-3

) oraz warstwy n (charakteryzującej się

koncentracją donorów n

D

=2x10

16

cm

-3

). W obszarach dostatecznie odległych od miejsca

styku obu warstw gęstości nośników ładunków większościowych są równe gęstościom
donorów bądź akceptorów. W obszarze złącza, wskutek znacznych różnic koncentracji,
następuje dyfuzja elektronów (nośników większościowych) z obszaru n do obszaru p, co
skutkuje zwiększeniem koncentracji nośników mniejszościowych. Podobne zjawisko ma
miejsce w przypadku dziur, które wędrują z obszaru p do n. Proces ten powoduje spadek
koncentracji swobodnych nośników w strefie przy złączowej, co pokazano na rys.c ,
powstaje strefa zubożona. Dyfuzja dziur z obszaru typu p powoduje jonizację znajdujących
się w pobliżu złącza akceptorów (ładunek akceptorów przestaje być kompensowany przez
odpowiednią liczbę dziur), co prowadzi do powstania ujemnego ładunku przestrzennego. W
półprzewodniku typu n, podobnie wytwarza się przestrzenny ładunek dodatni (rys.c). W
obszarze złącza, w bardzo cienkiej warstwie ładunku o grubości d, powstaje pole
elektryczne, które hamuje proces dyfuzji nośników. Grubość warstwy ładunku
przestrzennego (tj. grubość złącza) wynosi d=d

p

+d

n

=0,37μm (rys.d). Na rys.e

przedstawiono przebieg potencjału odpowiadający zmianom pola. Różnica potencjału
pomiędzy obszarem n i p nazwa się napięciem dyfuzyjnym U

d

(przykładowo dla złącza

krzemowego U

d

=0,71V). Zmiany natężenia pola elektrycznego w złączu przedstawiono na

rys.f.

Zjawisko fotowoltaiczne

14

Jeżeli złącze jest oświetlone, fotony

(o energii większej od szerokości pasma zabronionego)

generują

pary nośników ładunków: dziury i elektrony. Na skutek działania wewnętrznego pola elektrycznego
dziury kierują się do półprzewodnika typu p, a elektrony do typu n. Jeżeli elektrody są rozwarte, to w
wyniku działania światła w półprzewodniku typu n gromadzą się elektrony, a w półprzewodniku typu
p dziury. W wyniku takiego rozkładu ładunków wytwarza się różnica potencjałów zwana napięciem
obwodu otwartego U

o

(ang. open circuit voltage).

Z kolei przy zwarciu elektrod poprzez amperomierz (U=0V), przez ogniwo płynie prąd zwarcia Is
(ang. short circuit current), o gęstości:

gdzie:

A-powierzchnia aktywna fotoogniwa.

Schemat działania łącza p-n

jako ogniwa

A

I

J

s

s



Zjawisko fotowoltaiczne

15

Schemat zastępczy ogniwa można przedstawić tak jak na rys.
Przy działaniu oświetlenia charakterystykę prądowo-napięciową ogniwa można
opisać następującym równaniem:












gdzie:

I

d

-

prąd płynący przez diodę,

I

0

-

prąd nasycenia.

d

s

I

I

I







































1

0

kT

eU

s

e

I

I

I

Zjawisko fotowoltaiczne

16

Przyjmując I=0 dla obwodu otwartego można obliczyć napięcie (U=Uo):































o

s

o

s

o

I

I

e

kT

I

I

e

kT

U

ln

1

ln

0

1

e

I

I

I

kT

eU

0

s





























Zjawisko fotowoltaiczne

17

Zwarciowy Is i napięcie jałowe Uo w funkcji natężenia światła L

Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa

18

Rys. Charakterystyka prądowo –napięciowa ogniwa oświetlonego i nieoświetlonego

I

U

Charakterystyka

ogniwa

nieoświetlonego

Charakterystyka

ogniwa

oświetlonego

Is

I

m

a

x

U

max

Uo

M

Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa

19

max

max

max

U

I

P





Moc idealnego ogniwa (przy

charakterystyce o kształcie

Prostokąta o bokach Is i Uo:

P

id

=I

s

∙U

o

W praktyce takiej charakterystyki nie

można uzyskać i w rzeczywistym

ogniwie maksymalna moc wynosi:

gdzie:

Imax, Umax- natężenie prądu i

napięcie, dla których prostokąt wpisany w

charakterystykę prądowo- napięciową jest

największy.

U

o

[V]

Punkt maksymalnej

mocy MPP

I

s

[mA]

Pid=Is∙Uo

Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa

20

Przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej jest zależny przede

wszystkim od rodzaju materiału zastosowanego na ogniwo. Przykładowe

charakterystyki dla arsenku galu (Eg=1,41 eV) oraz krzemu (Eg=1,12 eV).

Punkty maksymalnej mocy MPP

Punkty

maksymalnej

mocy MPP

Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa

W rzeczywistym ogniwie charakterystyka prądowo-napięciowa jest uzależniona
od oporu równoległego Ru oraz oporu wewnętrznego Rs .









Schemat zastępczy rzeczywistego fotoogniwa

Opór równoległy Ru jest związany
z upływnością po granicach
ziaren i krawędzi. W przypadku
struktury nie posiadającej
defektów Ru nie ma wpływu na
moc maksymalną.
Opór szeregowy Rs natomiast
ma bardzo negatywny wpływ na
moc maksymalną.

Sprawność ogniwa

Sprawność konwersji fotowoltaicznej jest silnie uzależniona od parametrów Is, Uo.
Można ją zdefiniować jako stosunek maksymalnej mocy wytwarzanej w ogniwie
do mocy promieniowania padającego na to ogniwo:




Gęstości mocy P

rad

można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:
Is -

natężenie prądu zwarcia baterii w danych warunkach oświetleniowych,

S -

powierzchnia fotoczuła,

α- współczynnik, który można obliczyć z zależności:



gdzie:

Ics -

prąd zwarcia pojedynczego ogniwa przy oświetleniu standardowym,

Ps -

gęstość mocy oświetlenia.

rad

P

P

max





s

rad

I

S

P









cs

s

I

P





Sprawność ogniwa

Kolejnym istotnym parametrem określającym jakość ogniwa jest współczynnik

wypełnienia FF określony wzorem:

Jest to stosunek powierzchni prostokąta o bokach Imax, Umax do powierzchni

prostokąta o bokach I

s

, U

0

. Im bardziej współczynnik FF jest zbliżony do jedności,

tym bardziej prostokątny kształt ma charakterystyka ogniwa.

0

max

max

max

U

I

U

I

P

P

FF

s

id









Moc ogniwa PV 1 - 2 W

Moc modułów (18 do 180 ogniw , o powierzchni od 0,3 do 1 m

2

) 30 - 120 W

Dla małych zastosowań panele PV napięcie 12 lub 14 V,
dla zastosowań dołączonych do sieci 240 V lub więcej.

SPRAWNOŚĆ:
-

moduły z krzemu amorficznego mają sprawności 4 - 8 %,

-

przeciętne moduły zawierające krzem mono- lub polikrystaliczny mają

sprawności około 11 % do 13 %,

-

zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego wykazują

sprawności powyżej 16 %,

-

moduły do zastosowań kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają

ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawnościach dochodzących do 30%.

Moc, sprawność systemów PV

Sprawności ogniw fotowoltaicznych

Przyczyny zmniejszenia sprawności

ogniwa

Moc uzyskiwana z ogniwa jest mniejsza niż teoretyczna z
powodu strat powodowanych następującymi czynnikami:

-

fotony promieniowania słonecznego mają zbyt małą

energię lub za dużą, aby wybić elektron z sieci
krystalicznej krzemu (Si, E=1,1eV),
-

następuje odbicie promieniowania (nawet do 36%) dla

powierzchni fakturowanej, oraz 6% z powłoką
antyrefleksyjną),
-

rezystancją ogniwa,

-

wpływem temperatury (podwyższona temperatura

przyspiesza proces rekombinacji).

Sposoby poprawienia sprawności ogniwa

Poprawienie sprawności jest możliwe poprzez:

-Zwiększenie współczynnika FF – zastosowanie
bardziej zaawansowanych technologii,

-zmniejszenie odbić – powłoki antyrefleksyjne,

-zmniejszenie temperatury powierzchni absorpcyjnej,

-zastosowanie koncentratorów promieniowania
słonecznego.

KONCENTRATORY

28

Systemy koncentratorów: a) soczewkowy – załamujący , b) lustrzany - odbiciowy,
1- soczewka Fresnela, 2- ogniwo, 3- lustro paraboliczne

Elementy systemów PV

System fotowoltaiczny składa się z :
- modułów - paneli lub kolektorów fotowoltaicznych,
- elementów dostosowujących wytwarzany w ogniwach prąd
stały do potrzeb zasilanych urządzeń.

Wykorzystanie energii w nocy:
-konieczne jest stosowanie systemu magazynowania energii
(akumulatory) wyprodukowanej ciągu dnia.
Zasilanie urządzeń stałoprądowych:
- potrzebny jest kontroler napięcia.
Zasilanie urządzeń zmiennoprądowych:
-konieczne jest użycie falownika.
Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja kierująca moduły
lub panele w kierunku słońca oraz zabezpieczająca przed
kradzieżą (znacznie podnosi koszty).

Elementy systemów PV

szeregowe łączenie – max. U;

równoległe łączenie – max. P

Panel fotowoltaiczny składa się z modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania

większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy od

nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów.

moduł

panel

ogniwo

Elementy systemów PV



Przetwornik



Akumulator



Regulator ładowania

Relatywny udział poszczególnych

składowych w kosztach 1 kWp-systemu

pokrywającego dach wynosi:

• moduł - 53%

• falownik - 22%

• urządzenia mocujące - 12%

• reszta - 13 %

Elementy systemów PV

Akumulatory

Są najprostszym sposobem magazynowania energii produkowanej w
małych systemach PV zwłaszcza, że ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają
prąd stały. Naładowany akumulator dostarcza energię elektryczną do
obciążenia, gdy nie ma promieniowania słonecznego lub jest ono
niewystarczające. Stosuje się akumulatory ołowiowo-kwasowe, a w
regionach o ostrym klimacie niklowo-kadmowe.

Regulator ładowania

Użyteczny czas życia akumulatora silnie zależy od sposobu kontroli jego
ładowania i rozładowania, szczególnie w przypadku akumulatorów
ołowiowo-kwasowych. Dobry kontroler ładowania akumulatora ograniczy
głębokość i szybkość rozładowania, odpowiednio do temperatury
akumulatora. Niektóre kontrolery w systemach fotowoltaicznych używają
systemu śledzenia punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z ogniwa,
który automatycznie pozwala modułowi lub kolektorowi PV pracować przy
napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową.

Przetworniki-falowniki

Głównymi funkcjami przetwornika (falownika) są: zamiana napięcia
stałego na zmienne, nadanie kształtu wyjściowej fali zmienno-
napięciowej. Zaprojektowane są one do ciągłej pracy w pobliżu punktu
maksymalnej mocy.

Systemy hybrydowe

Systemy hybrydowe

Urządzenie hybrydowe: ogniwo
PV-kolektor słoneczny

1 i 3 – urządzenia pomiarowe
pyranometr i rotametr
2- termopary
4- zasobnik ciepłej wody

Systemy fotowoltaiczne mogą być dokładnie dostosowane do
zapotrzebowania na moc, uni

ka się nakładów zwiazanych z

przesyłaniem energii i odpowiadających mu strat.

Podstawowe cechy instalacji fotowoltaicznych:

 nie potrzeba paliwa - brak problem

ów związanych z

transportem i magazynowaniem paliwa;


nie wymagają one intensywnego chłodzenia, zatem mogą

być lokalizowane z dala od rzek na słonecznych suchych
obszarach;


ogniwa przekształcają także rozproszoną część

promieniowania słonecznego padającego na Ziemię, dlatego
stanowią atrakcyjną metodę produkcji energii elektrycznej w
krajach o przeważającej pochmurnej pogodzie (np. Wielka
Brytania);

Zalety systemów PV

Zalety systemów PV



wydajność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu



żywotność wynosi 20-30 lat,



brak części ruchomych - ulegają zużyciu, nie wymagają

części zamiennych ani konserwacji;


nie zanieczyszczają atmosfery,

 n

iezawodność,

 prostota,
 m

odułowość,

 w

ygląd {wizerunek},

 cicha praca.
P

roblemy magazynowania energii związane z instalacjami

fotowoltaicznymi są podobne jak te związane z siłowniami
wiatrowymi.

Zastosowanie systemów PV

Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech
podstawowych obszarach:
• elektronika powszechnego użytku,
• systemy wolnostojące,
• systemy dołączone do sieci

elektroenergetycznej.

Stosowane rozwiązania systemów PV

Systemy wolnostoj

ące (samodzielne)

Systemy wolnostoj

ące korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach

fotowoltaicznych. System taki składa się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz
urz

ądzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora i odłączającego panel, gdy

akumulator jest w pełni naładowany lub odłączającego urządzenie zasilane chroniąc
akumulator przed jego zbytnim rozładowaniem. Akumulatory muszą mieć więc
wystarczaj

ąco dużą pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w nocy oraz w okresach

złej pogody.

Systemy hybrydowe

Systemy hybrydowe s

ą kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania

energii takiego, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Dla zapewnienia
efektywnego wykorzystania różnych sposobów wytwarzania energii systemy hybrydowe
maj

ą zazwyczaj bardziej skomplikowane układy kontrolne niż systemy wolnostojące. Dzięki

wykorzystaniu dodatkowego

źródła energii panel fotowoltaiczny w systemie hybrydowym

mo

że być mniejszy niż w analogicznych systemie wolnostojącym. Dlatego w niektórych

przypadkach system hybrydowy mo

że być tańszy.

Systemy dołączone do sieci

Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać elektrowni z dużą ilością paneli
fotowoltaicznych oddaj

ących energię do sieci elektroenergetycznej. Innym wykorzystaniem

takich systemów może być zasilanie budynków dołączonych do sieci, gdzie energię z sieci
pobiera si

ę tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach

fotowoltaicznych. Systemy te dołączone są do sieci poprzez falownik. Akumulatory w tym
typie systemu nie s

ą potrzebne, ponieważ sieć jest w stanie przyjąć całą energię

wyprodukowan

ą przez system fotowoltaiczny.

Rodzaje systemów PV

Systemy wolnostojące (samodzielne)

Systemy wolnostojące przykłady

Układy nadążne

Rodzaje systemów PV

Systemy hybrydowe

Rodzaje systemów PV

Systemy dołączone do sieci

Systemy podłączone do sieci

•

Integracja PV



Rozproszona



Scentralizowana

•

Typ sieci



Centralna



Wydzielona

•

Zwykle

nieopłacalne

bez źródła

rezerwowego

Źródło:

Photovoltaics in Cold Climates

, Ross & Royer, eds.

Scentralizowana

instalacja PV

Miernik

Miernik

Sieć

energetyczna

Wytwarzanie

rozproszone

Systemy pracujące poza siecią

Są opłacalne jeżeli:



Występuje małe zapotrzebowanie (< 10 kW)



Koszty inwestycyjne są mniejsze od kosztów

doprowadzenia sieci

Źródło:

Photovoltaics in Cold Climates

,

Ross & Royer, eds.

Układ PV

Genset

Zasilacz

mocy

Akumulatory

Antena radiowotelewizyjna

Stosowane rozwiązania systemów PV

•

Systemy dachowe

– stosowane zamiast pokrycia dachowego,

które tworzą na dachu szczelne pokrycie.

•

Systemy fasadowe

– do montażu na pionowych ścianach

budynków o wysokości do 200 m. Moga one mieć postać
„zimnej” fasady produkującej energię oraz podwójnie

przeszklonych segmentów do zabudowy w „ciepłej” fasadzie.

•

Systemy zacieniające

– zaprojektowane specjalnie by zacieniać

w okresie letnim okna zlokalizowane na południowej ścianie
budynku. Zwiększa to komfort pracy i obniża koszty chłodzenia.

Przykłady instalacji PV

Układy oddzielone

Przykłady instalacji PV

Systemy fasadowe

Przykłady instalacji PV

Systemy zacieniające

Moduły PV montowane są bezpośrednio na obudowie budynku pod kątem do

elewacji, co zapewnia:

- efektywniejsze wykorzystanie ogniw PV w skali roku (o 17% większe niż w

płaszczyźnie horyzontalnej i o 39% większe w porównaniu z pionowym

montażem)

- ochronę pomieszczeń przed nagrzewaniem (poprawa komfortu cieplnego).

lub jako samodzielny system

Systemy wielkiej mocy

Systemy wielkiej mocy są wydajne ale droższe, ze względu:

- zakup ziemi,

- pozwolenie na budowę,

- oczyszczanie, przygotowanie terenu,

- koszty budowy fundamentów, konstrukcji wsporczych,

- zabezpieczenie terenu,

- koszty przesyłu energii.