Część 1 Wprowadzenie Przegląd funkcji, układów i zagadnień
Źródło energii w systemie fotowoltaicznym Ogniwo fotowoltaiczne / słoneczne photovoltaic / solar cell pojedynczy przyrząd półprzewodnikowy U 0,5 V, P 3 W Moduł fotowoltaiczny / Panel słoneczny PV module / solar panel ogniwa połączone szeregowo U = 12 lub 24 V (typ), P ~ 3 300 W Zespół fotowoltaiczny PV array moduły połączone szeregowo wyższe napięcie (I przy P=) moduły połączone równolegle wyższa wydajność prądowa P ~ 100 1000 W ( 1 MW) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 2
Typowe idee systemów fotowoltaicznych + wiele możliwych systemów pośrednich i mieszanych Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 3
Absorpcja optyczna w półprzewodniku Generacja par dziura-elektron w wyniku absorpcji fotonów o E > E g Niewykorzystana energia (E E g, ok. 80%) ciepło najlepiej by E g E = 2,5 ev dla λ = 0,5 µm (maksimum widma słonecznego) Pęd fotonu jest stosunkowo niewielki lepsze są materiały o bezpośredniej przerwie energetycznej wykorzystywane w fotowoltaice: GaAs, CdTe, CuInSe 2, a-si-h Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 4
Generacja energii elektrycznej w złączu Pary dziura-elektron są usuwane z obszaru złącza (e N, h P) i dyfundują w stronę kontaktów Nieskompensowany ładunek różnica potencjałów między kontaktami przepływ prądu po zamknięciu obwodu Prąd całkowity (znak + odp. kierunkowi generacji tj. wstecznemu dla złącza) Jeżeli prąd i napięcie są skierowane w tę samą stronę, to dwójnik jest źródłem energii Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 5
Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego Charakterystyka wykreślana jest dla prądu generacji, czyli ujemnego względem prądu złącza Kiedy U > U TO, złącze zaczyna przewodzić (jak w diodzie) duży prąd w kierunku przewodzenia nietrudno by był > prądu generacji ogniwo nie może być efektywnie wykorzystywane jako źródło energii Charakterystyka wykazuje ograniczenie prądowe i napięciowe U = 0 lub I = 0 P = 0 ogniwo może bez przeszkód i zabezpieczeń pracować w warunkach zwarcia i rozwarcia (duża zaleta) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 6
Parametry graniczne charakterystyk U-I Równanie ogniwa Prąd zwarcia (short-circuit current): V = 0 Zależność od nasłonecznienia (insolation) jest w przybliżeniu proporcjonalna Napięcie rozwarcia (open-circuit voltage): I = 0 I l / I o ~ 10 10 (typ) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 7
Punkt mocy maksymalnej Ogniwo jest stosunkowo kosztowne konieczność maksymalizacji generowanej mocy Dla każdej wartości nasłonecznienia istnieje punkt, w którym moc ogniwa jest największa Dla każdej wartości nasłonecznienia punkt ten występuje przy innym napięciu Niezwykle istotne dopasowanie źródła do odbiornika niemożliwe raz na zawsze wskutek zmienności nasłonecznienia, obciążenia, temperatury oraz starzenia Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 8
Współczynnik wykorzystania ogniwa Fill Factor FF = 1 dla idealnego źródła prądowo-napięciowego prostokątna charakterystyka P max = I sc V oc Typowo FF = 0,5 0,8 P max < I sc V oc R s FF R p FF I l /I o FF Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 9
Wpływ temperatury Prąd wsteczny I o jest silnie rosnącą funkcją temperatury Wypadkowy wpływ na napięcie rozwarcia: 2,3 mv/ W wyższej temperaturze ogniwo jest w stanie dostarczyć mniejszą moc maksymalną przy takim samym nasłonecznieniu niekorzystne zwykle G towarzyszy T Samonagrzewanie P T P Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 10
Prognozowana temperatura pracy Normalna temperatura pracy ogniwa (Normal Operating Cell Temperature) temperatura, którą osiągnie ogniwo w warunkach rozwarcia w temperaturze powietrza 25, w warunkach odpowiadających współczynnikowi masy powietrza 1,5, przy nasłonecznieniu 0,8 kw/m 2 i prędkości wiatru nie większej niż 1 m/s W danych warunkach, przy nasłonecznieniu G Współczynnik masy powietrza (air mass coefficient) stosunek długości drogi promienia słonecznego na danej szerokości geograficznej i w danej chwili do drogi zenitalnej wpływ na nasłonecznienie warunki standardowe AM = 1,5 z = 48,2 W/m 2 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 11
Łączenie w moduły Napięcie dostosowane do typowych poziomów w średnich warunkach nasłonecznienia Typowo dla systemu 12 V = V nom : V mpp 16 18 V przy pełnym nasłonecznieniu V mpp 0,8 V oc V oc 20 V 33 36 ogniw szeregowo (0,5 0,6 V każde) moc sumaryczna 70 100 W Brak nasłonecznienia polaryzacja w kierunku przewodzenia przez akumulator rozładowanie, straty mocy dioda blokująca straty mocy podczas ładowania więcej ogniw w łańcuchu U cell = U bat /n < U F(TO) Zacienienie pojedynczego ogniwa spadek wydajności całego łańcucha prąd jest wspólny diody bocznikujące umożliwiają obejście ogniwa o I 0 polaryzacja równoległe łańcuchy w pełni nasłonecznione Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 12
Charakterystyka modułu Ten sam prąd płynie przez wszystkie ogniwa Napięcia poszczególnych ogniw dopasowują się do obciążenia Wydajność prądowa narzucona jest przez najsłabsze ogniwo Charakterystyki ogniw powinny być jak najbardziej zbliżone Przy niedopasowaniu, w pobliżu stanu zwarcia niektóre ogniwa mogą zostać spolaryzowane w kierunku przewodzenia straty mocy Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 13
Zespoły modułów fotowoltaicznych Połączenia szeregowe dopasowanie prądu, przy którym występuje maksymalna moc Połączenia równoległe dopasowanie napięcia, przy którym występuje maksymalna moc Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 14
Elektroniczne podzespoły typowego systemu fotowoltaicznego Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 15