MODEL CIEPLNY OGNIW PV I KOLEKTORÓW

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 70 Electrical Engineering 202 Joanna RATAJCZAK* Konrad DOMKE* MODEL CIEPLNY OGNIW PV I KOLEKTORÓW Parametry wyjściowe oletorów oraz ogniw PV zależą od wielu czynniów np. od poziomu natężenia napromienienia, widma promieniowania oraz od temperatury. Waruni pracy dowolnego ogniwa słonecznego ulegają zmianie wraz ze zmieniającym się charaterem padającego na nie promieniowania słonecznego. Producenci przeazują użytowniowi własności ogniw fotowoltaicznych jao charaterystyi fabryczne, mierzone w znormalizowanych standardowych warunach. Taie uśrednione waruni odbiegają znacznie od warunów rzeczywistych w jaich pracują ułady fotowoltaiczne. Nie pozwalają one odpowiedzieć na pytanie ja zachowują się badane ogniwa w warunach rzeczywistych. Są jedna dobrą podstawą do porównywania jaości ogniw fotowoltaicznych różnych producentów. Ważnym aspetem jest również wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej na sprawność ogniw różnego typu. W artyule zostaną omówione modele cieplne ogniw PV i oletorów.. PODSTAWOWE WZORY I POJĘCIA Podane poniżej wzory i zależności są ściśle związane z omawianymi w artyule zjawisami oraz modelem cieplnym oletora słonecznego, tórego zastępczy schemat cieplny zamieszczony został na Rys. 2. Natężenie napromienienia E [W/m 2 ] padające na powierzchnię oletora lub ogniwa PV zostaje w części odbite E o [W/m 2 ], w części zaabsorbowane E a [W/m 2 ] a w części przepuszczone E p [W/m 2 ]: E E E () o a E p Natężenie promieniowania zaabsorbowanego zależy od wartości natężenia napromienienia padającego i od widmowego współczynnia pochłaniania E E (2) a (λ) widmowy współczynni pochłaniania Natężenie promieniowania odbitego oreślone zostało jao: E ( ) E (3) o * Politechnia Poznańsa.

2 292 Joanna Ratajcza, Konrad Dome Natężenie napromienienia odbiornia jest równe strumieniowi promienistemu przypadającemu na jednostę powierzchni czyli gęstości powierzchniowej strumienia promienistego q: E [W/m 2 ] = q[w/m 2 ] (4) Gęstość strumienia cieplnego q r wymienianego pomiędzy powierzchniami o temperaturze T PV/Kol i T ot za pośrednictwem fal eletromagnetycznych można zapisać w postaci: q 4 4 r (TPV/Kol ) T PV / Kol T ot (5) gdzie: σ stała Stefana Boltzmana = 5,669*0-8 [W/m 2 K 4 ], ε (T PV/Kol ) emisyjność w funcji temperatury ogniwa PV/oletora. Zgodnie z prawem Newtona gęstość strumienia cieplnego onwecji q przeazywana przez powierzchnię o temperaturze T PV gazowemu otoczeniu o temperaturze T ot została opisana równaniem: q PV / Kol ot t t (6) gdzie: współczynni onwecyjnego przejmowania ciepła. 2. MODEL CIEPLNY Model cieplny został zaprezentowany na przyładzie oletora słonecznego. Schemat budowy oletora słonecznego przedstawia rysune. Natomiast na Rys.2 zamieszczony został zastępczy schemat cieplny przedstawionego oletora. Opory cieplne, przedstawione na zastępczym schemacie cieplnym (Rys. 2), oreślone są wzorami: a) przewodzenie - ściana płasa jednowarstwowa l R p (7) S - ściana płasa wielowarstwowa li R (8) p is - walec wydrążony jednowarstwowy r2 R p ln (9) 2L r b) przewodzenie ciepła onwecja na ściance - onwecyjna wymiana z płasiej powierzchni R (0) S - onwecyjna wymiana z powierzchni walca (wewnętrznej lub zewnętrznej)

3 Model cieplny ogniw PV i oletorów 293 R () 2rL c) radiacja przeazywanie ciepła przez promieniowanie - radiacyjna wymiana z płasiej powierzchni Rr (2) r S gdzie współczynni przejmowania ciepła α r przez promieniowanie jest funcją: 4 4 T T2 r (2) 2 T T2 a -2 to zastępczy współczynni onfiguracji. Dla powierzchni S i S 2, z tórych powierzchnia S znajduje się wewnątrz powierzchni S 2-2 oreśla się wzorem [2]: (3) 2 S S 2 2 Wzory oreślające -2 dla innych przypadów podano w literaturze [2]. Bilans energetyczny dla przyładowego węzła nr 5 (Rys.2) przedstawia równanie: q q 0 (4) q 5 r6 p7 3. WARUNKI PRACY OGNIW PV I KOLEKTORÓW Należy zwrócić uwagę, że parametry wyjściowe rozpatrywanych ogniw PV zależą od: - widma promieniowania (długości fali promieniowania), - dopasowania tego widma do materiału, - poziomu natężenia napromienienia, - oraz od temperatury. Poziom natężenia napromienienia wynosi odpowiednio: - w dzień z bezchmurnym, niebiesim, niebem 000W/m 2, - w dzień, gdy Słońce przebija się przez chmury 600W/m 2, - w dzień, gdy Słońce przebija się przez zamglenia 300W/m 2, - w pochmurny, zimowy dzień 00 W/m 2.

4 294 Joanna Ratajcza, Konrad Dome Rys.. Schemat budowy oletora słonecznego [wg 3] z zaznaczonymi strumieniami q

5 Model cieplny ogniw PV i oletorów 295 Rys. 2. Zastępczy schemat cieplny oletora słonecznego

6 296 Joanna Ratajcza, Konrad Dome Dlatego dowolne ogniwo słoneczne posiada inne waruni pracy wraz ze zmieniającym się charaterem (intensywność, sład widmowy) padającego na nie promieniowania słonecznego. Producenci przeazują użytowniowi własności ogniw fotowoltaicznych jao tzw. charaterystyi nominalne. Pomiary wyonywane są w znormalizowanych standardowych warunach zwanych STC (Standard Test Condition), tóre zdefiniowane są następująco: - natężenie promieniowania słonecznego: 000W/m 2, - widmo słoneczne AM=,5 (bezchmurne niebo w południe), - temperatura modułu: 25 0 C []. Rys. 3. Procentowa zmiana mocy masymalnej, napięcia otwartego obwodu i prądu zwarcia dla różnych wartości temperatury ogniw (punt odniesienia przyjęto dla temperatury 25 0 C) [4] Rys. 4. Wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej na sprawność różnych ogniw PV [6] a) b) Rys. 5. a)wpływ natężenia promieniowania na przebieg charaterystyi prądowo napięciowej b) Wpływ temperatury ogniw na przebieg charaterystyi prądowo napięciowej [4] Straty energetyczne wpływające na moc wyjściową rozpatrywanych ogniw PV zależą od widma promieniowania (długości fali promieniowania) oraz od dopasowania tego widma do materiału. W rzeczywistych uładach moc uzysiwana w ogniwach jest mniejsza wsute strat spowodowanych m. in.

7 Model cieplny ogniw PV i oletorów 297 odbiciem promieniowania od powierzchni ogniwa czy wpływem temperatury ogniwa (Rys. 3). Dzieje się ta dlatego, że podwyższona temperatura ogniwa przyspiesza proces reombinacji dziur i w efecie przyspiesza wzrost przepływu prądu wstecznego [6]. Ogniwa PV najlepiej pracują w oreślonej temperaturze (temperatura pracy ogniwa nie powinna być ani za wysoa ani za nisa), danej dla materiału, z tórego są wyonane np. rzem w temperaturze o. 298K (25 0 C) jest dobrym materiałem fotowoltaicznym, a w temperaturach wysoich np. o. 473K (98 0 C) sprawność onwersji ogniwa maleje do poziomu 5% wartości odpowiadającej 298K [4]. Temperatura ogniwa rzado odpowiada warunom STC jej wzrost reduuje otrzymane napięcie i moc o o. 0,5% na ażdy 0 C. Wynosi ona ~50 0 C gdy na dworze jest ~30 0 C, a ~0 0 C gdy ~(-25 0 C). Ważnym aspetem jest więc wpływ temperatury powierzchni absorpcyjnej na sprawność ogniw różnego typu (Rys. 4). Na Rys. 5a) i b) przedstawiono wpływ natężenia promieniowania i temperatury ogniw na przebieg charaterystyi prądowo napięciowej ogniwa PV. Natężenie prądu wzrasta istotnie ze wzrostem natężenia promieniowania (Rys. 5a)) [4]. Z charaterystyi prądowo napięciowej (Rys 5 b)) wynia, że napięcie wyjściowe generowane przez pojedyncze ogniwo PV zależy istotnie od temperatury ogniw [4]. W celu poprawy sprawności ogniw PV stosuje się m. in. [4, 6]: - oncentratory promieniowania słonecznego, - różne materiały, z tórych wyonuje się ogniwa (np. c-si, mc-si, cienowarstwowe, amorficzne), - powierzchnie odpowiednio faturowane uształtowane (ta aby miało miejsce wnianie promieni równoległych, a nie ich odbicie), - i powłoi antyreflesyjne (aby zmniejszyć odbicia). 3. UWAGI KOŃCOWE W artyule został zaprezentowany model cieplny oletora słonecznego jego schemat budowy z zaznaczonymi strumieniami cieplnymi oraz zastępczy schemat cieplny z oporami cieplnymi przewodzenia, onwecji i radiacji. Stosowane powszechnie waruni pomiarowe odbiegają znacznie od warunów rzeczywistych (zmienne nasłonecznienie) w jaich pracują ułady fotowoltaiczne. Standard Test Condition nie pozwalają odpowiedzieć na pytanie ja zachowują się badane panele w warunach rzeczywistych. W tej sytuacji najlepiej byłoby zbadanie paneli w terenie, ale taie badanie jest dość niepratyczne z puntu widzenia środowisa producyjnego. STC są jedna dobrą podstawą do porównywania jaości ogniw fotowoltaicznych różnych producentów. Ważnym elementem jest również zmniejszenie temperatury powierzchni absorpcyjnej oletora lub ogniwa PV.

8 298 Joanna Ratajcza, Konrad Dome LITERATURA [] Gronowicz J., Nieonwencjonalne źródła energii, Państwowe Wydawnictwo Instytutu Technologii Esploatacji PIB, Radom - Poznań, 200. [2] Hauser J., Eletrotechnia Podstawy eletrotermii i technii świetlnej, Wydawnictwo Politechnii Poznańsiej, Poznań, [3] Jarzębsi Z., Energia słoneczna onwersja fotowoltaiczna, Państwowe Wydawnictwo Nauowe, Warszawa, 990. [4] Klugmann Radziemsa E., Fotowoltaia w teorii i pratyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 200. [5] Klugmann E., Klugmann Radziemsa E., Ogniwa i moduły fotowoltaiczne oraz inne nieonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Eonomia i Środowiso, Białysto, [6] Lewandowsi W. M., Proeologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa, Wydawnictwo Nauowo Techniczne [7] Nowici J., Promieniowanie słoneczne jao źródło energii, Warszawa, Wydawnictwo Arady 980. [8] Palz W., Solar electricity, Butterworths, Unesco, 978. [9] Pluta Z., Słoneczne pasywne instalacje przygotowania ciepłej wody użytowej, Oficyna Wydawnicza Politechnii Warszawsiej, Warszawa, 998. [0] Pluta Z., Podstawy teoretyczne fototermicznej onwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechnii Warszawsiej, Warszawa, [] Ratajcza J., Conformity Assessment of the Solar Simulators Spectrums and the Solar Radiation Spectrum in the Actual Weather Conditions Conference Intertech 200 (9 2 maj). [2] Sarnia M., Podstawy fotowoltaii, Oficyna Wydawnicza Politechnii Warszawsiej, Warszawa, [3] Wiśniewsi G., Gołębiowsi S., Gryciu M., Kurowsi K., Więca A., Koletory słoneczne energia słoneczna w mieszalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle, Dom Wydawniczy Medium, Warszawa, THERMAL MODEL PV CELLS AND COLLECTORS Output parameters tested collectors and PV panels depends on several factors such as the level of irradiance, the spectrum of radiation and temperature. Any solar cell has a different operating conditions with the changing nature of the incident solar radiation on them. Manufacturers provide the user ownership of the characteristics of the photovoltaic module factory, measured in a standardized under standard conditions. These averaged conditions deviate significantly from actual conditions in which they operate photovoltaic systems. They do not allow to answer the question how to behave panels tested in real conditions. But there are a good basis for comparing the quality of PV modules from different manufacturers. An important aspect is the effect of temperature of absorption surface of the cell efficiency of various types. This paper will discuss the thermal models of solar PV cells and collectors.