WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Wprowadzenie

Część energii promieniowania słonecznego, która jest absorbowana przez biosferę aż 10 000 – krotnie przekracza aktualne zapotrzebowanie ludzkości na energię.

Przed około 35 laty rozpoczęło się techniczne zastosowanie fotowoltaicznego przetwarzanie energii z bezpośrednim wykorzystaniem promieniowania słonecznego, jako pierwotnego źródła pozyskiwania energii elektrycznej. Dzięki szybko rozwijającej się fotowoltaice można było uzyskiwać energię elektryczną w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi i w otwartej przestrzeni okołoziemskiej, a także kosmicznej, gdzie dociera strumień fotonów. Poprzez przetwarzanie fotowoltaiczne uzyskuje się prąd stały za pomocą elementów półprzewodnikowych, nazywanych także ogniwami słonecznymi. Omawiana forma przetwarzania energii mogła się rozwinąć i rozwija się nadal dzięki opanowaniu produkcji materiałów półprzewodnikowych i wykonywaniu z nich struktur ogniw słonecznych, nazywanych panelami fotowoltaicznymi.

Konwersja energii słonecznej w elektryczną

Konwersja energii słonecznej w elektryczną zachodzi w ogniwach fotowoltaicznych na drodze efektu fotowoltaicznego wewnętrznego.

Mechanizm zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego charakteryzuje zmiana właściwości elektrycznych ciała stałego pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego (światła). Dotyczy to w szczególności półprzewodników, zarówno jednorodnych jak i niejednorodnych. W tym pierwszym wypadku zwiększeniu ulega przewodnictwo elektryczne. W półprzewodnikach niejednorodnych, w których występuje złącze p-n, w wyniku padającego promieniowania powstaje – natomiast - zjawisko fotowoltaiczne, a w efekcie - siła elektromotoryczna.

Ogniwo fotowoltaiczne pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Ogniwo fotowoltaiczne

Foton promieniowania słonecznego pada na górną powierzchnię fotoogniwa, którą stanowi cienka warstwa typu n złącza półprzewodnikowego p-n. Gdy energia padającego fotonu promieniowania słonecznego przekracza energię pasma zabronionego, w złączu powstaje para dziura-elektron. Zaabsorbowanie kwantów promieniowania słonecznego prowadzi do generacji ładunków, które są rozdzielane przez barierę potencjału Eq. Rozdzielone ładunki gromadzone są na elektrodach zewnętrznych, co pozwala uzyskać różnicę potencjałów pomiędzy górną i dolną powierzchnią fotoogniwa. Po zamknięciu obwodu przez dołączenie obciążenia popłynie w nim prąd stały.

              Pojedyncze ogniwo ma niewielką moc, rzędu 1 - 2 W. Odpowiada to generowaniu prądu stałego o parametrach I = 4 A i U = 0,5 V.               Aby zapewnić wymaganą moc wyjściową panelu fotowoltaicznego, zwiększamy prąd, poprzez połączenie równoległe pojedynczych paneli, względnie – poprzez połączenie szeregowe – odpowiednio zwiększamy napięcie.

              W połączeniu równoległym prąd elektryczny jest sumą prądów poszczególnych ogniw. Na wszystkich ogniwach jest takie samo napięcie.

              Szeregowe połączenie ogniw umożliwia - natomiast - uzyskanie dowolnego napięcia ( nawet do wartości kilkuset woltów). Najczęściej stosuje się jednak - 14 - 15 V. Jednak w tym drugim przypadku najsłabsze ogniwo ( wskutek n.p. zacienienia), determinuje jakość całego łańcucha.

Ogniwa łączone są w moduły, a następnie – w panele.

Schemat zastępczy ogniwa fotowoltaicznego rzeczywistego i jego parametry

Na rysunku 2 przedstawiono schemat zastępczy ogniwa fotowoltaicznego rzeczywistego, a poniżej opisano wielkości charakteryzujące ogniwo.

Rys.2. Schemat zastępczy ogniwa fotowoltaicznego. Objaśnienia: Isł – prąd powstający w wyniku promieniowania słonecznego, Id – prąd diody, Ib – prąd płynący przez rezystancję bocznikującą Rb, I – prąd płynący przez obciążenie R i rezystancję szeregową Rsz, U – spadek napięcia na obciążeniu [1]

Do parametrów stanowiących o jakości ogniwa należą m.in. rezystancje:

-      rezystancja szeregowa Rsz – składają się na nią rezystancje kontaktowe, rezystancja bazy oraz innych warstw ogniwa.

-      rezystancja bocznikowa Rb– reprezentuje możliwości drogi upływu prądu wzdłuż krawędzi ogniwa czy wzdłuż granic ziaren.

-      rezystancja obciążenia R– powinna być tak dobrana, aby moc w niej wydzielona miała wartość optymalną ze względu na maksimum sprawności.

Ogniwo doskonałe charakteryzuje się wartościami rezystancji Rb = ¥ i Rsz = 0. Przy projektowaniu ogniwa należy dążyć zatem do zminimalizowania wartości Rsz i uzyskania możliwie dużej wartości Rb.

Rezystancja szeregowa, jeżeli nie jest dostatecznie mała, może spowodować zmniejszenie wartości fotoprądu, przy czym jej wpływ na parametry ogniwa jest większy przy większych natężeniach nasłonecznienia i wyższych temperaturach pracy.

Rezystancja bocznikowa – natomiast zmniejsza fotonapięcie, a jej wpływ na parametry ogniwa zaznacza się przy niewielkich natężeniach nasłonecznienia i w niskich temperaturach.

Do charakterystycznych parametrów elektrycznych, decydujących o własnościach ogniwa należą ponadto:

-      Prąd zwarcia Isło

W przypadku zwarcia elektrod sumaryczna gęstość fotoprądu jest największa dla danego ogniwa i danych warunków nasłonecznienia. Wartość prądu zwarcia zależy od konstrukcji ogniwa i parametrów materiałowych półprzewodnika, w przybliżeniu jest wprost proporcjonalna do nasłonecznienia, w funkcji temperatury, w zakresie od 25° do 65°C zmienia się bardzo nieznacznie.

-      Napięcie obwodu otwartego U0

Napięcie przyjmuje wartość U0 wtedy, gdy elektrody ogniwa nie są połączone ze sobą. Przy uwzględnieniu wykładniczej zależności prądu nasycenia I0 od temperatury stwierdzono, że napięcie obwodu otwartego maleje ze wzrostem temperatury. Odpowiednie przebiegi graficzne podano w [1].

Dla wartości napięcia obwodu otwartego U0 i prądu zwarcia Islo moc wydzielona w obwodzie zewnętrznym jest równa zeru.

-      Moc maksymalna i punkt mocy maksymalnej MPP

MPP charakteryzuje maksymalną moc wydzieloną na rezystancji obciążenia. Położenie MPP na charakterystyce prądowo-napięciowej zmienia się przy zmieniających się warunkach nasłonecznienia i temperatury. Z punktem MPP wiąże się pojęcie bardzo ważnego parametru określającego jakość ogniwa, tzw. współczynnika wypełnienia.

                                                                      (1)

-      Współczynnik wypełnienia FF

Współczynnik wypełnienia FF (fill factor) zdefiniowany jest jako stosunek pola powierzchni prostokąta o bokach określonych wartościami prądu i napięcia dla optymalnego obciążenia Pm (Im, Um) do pola powierzchni prostokąta wyznaczonego przez współrzędne prądu zwarcia Isło i siły fotoelektrycznej U0 ogniwa, tj. do mocy idealnej ogniwa.

Moc maksymalna Pm uzyskiwana z ogniwa jest zawsze mniejsza od mocy idealnej, stąd współczynnik FF przyjmuje wartość mniejszą od 1.

                                                                          (2)

-              Maksymalna sprawność ogniw

                                                                                                                                       (3)

gdzie: S- powierzchnia panelu (ogniw fotowoltaicznych), E - gęstość mocy promieniowania słonecznego.

Charakterystyka prądowo – napięciowa

i parametry eksploatacyjne ogniwa

W pracy [1] przeprowadzono symulację komputerową pracy ogniwa w zmieniających się warunkach nasłonecznienia i temperatury i wyznaczono charakterystyki prądowo – napięciowe dla wybranych ogniw. Przedmiotem badań były ogniwa SF 115 i SF 100/3 produkcji Solar Fabrik AG.

Przykładowe wyniki symulacji charakterystyk prądowo – napięciowych rozpatrywanych ogniw dla różnych wartości nasłonecznienia, a także współrzędne odpowiadających MPP przedstawiono na rysunku 3.

Rys..3. Wpływ nasłonecznienia na pracę ogniwa fotowoltaicznegow temperaturze 25ºC i przy nasłonecznieniu odpowiednio S=1000W/m2 (1); S=800W/m2 (2); S=600W/m2 (3); S=400W/m2 (4), S=200W/m2(5), a) ogniwo monokrystaliczne SF115: b) ogniwo polikrystaliczne SF100/3 [1]

Jak widać z zamieszczonych charakterystyk, przy zwiększającym się nasłonecznieniu następuje wzrost prądu zwarcia ogniwa, co implikuje wzrost mocy.

Rozwiązania technologiczne ogniw krzemowych

W ostatnich latach roczna produkcja ogniw fotowoltaicznych wzrasta średnio o 25%.

Obecnie najpowszechniej stosowanym materiałem do produkcji ogniw jest krzem. Ogniwa krzemowe stanowią aż 80% światowej produkcji wszystkich ogniw słonecznych. Podstawowe kryteria przydatności materiału do produkcji ogniw fotowoltaicznych to sprawność i koszt. W roku 2000 cena krzemu, wynikająca z jego nadmiernej podaży była wyjątkowo niska, pozwoliło to na znaczny rozwój fotowoltaiki. Jednak ze względu na przewidywane zwiększenie cen krzemu, trwają prace nad nowymi metodami jego przetwarzania, na przykład takiego cięcia płytek, aby zminimalizować straty materiału.

Wyróżnia się trzy podstawowe typy ogniw krzemowych:

-      monokrystaliczne,

-      polikrystaliczne

-      cienkowarstwowe – amorficzne na bazie krzemu bezpostaciowego..

Ogniwa krzemowe monokrystaliczne stanowią 49% produkcji ogniw krzemowych. Wykonywane są z płytek o przekroju kołowym i przycinane do przekroju kwadratowego. Przeważnie ogniwa krzemowe monokrystaliczne mają kształt kwadratu 10x10 cm o ściętych narożach. Umożliwia to lepsze „upakowanie” ogniw na powierzchni modułu.

Polikrystaliczne ogniwa – natomiast – produkowane są w postaci prostopadłościennych bloków, a następnie cięte na prostokątne płytki, w których formowana jest bariera potencjału.

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowe struktury krystaliczne krzemowych ogniw fotowoltaicznych w laboratorium energii źródeł odnawialnych w parku ekologicznym w Morasku.

Rys.4. Struktury krystaliczne ogniw fotowoltaicznych, każde o mocy 140 W, w parku ekologicznym w Morasku

a.)     panel ogniw monokrystalicznych, b.) panel ogniw polikrystalicznych

Nowe możliwości stwarza zastosowanie krzemu amorficznego, szczególnie w urządzeniach małej mocy. Stosuje się tu technologie „cienkowarstwowe”. Materiał półprzewodnikowy o grubości zaledwie kilku mikronów naniesiony zostaje na tanie podłoże, co pozwala na zredukowanie kosztów. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne wytwarza się bezpośrednio np. na szklanym podłożu z naniesionym przez naparowanie kompletem kontaktów elektrycznych. Problemem do tej chwili nierozwiązanym pozostaje jednak szybsze, w porównaniu do tradycyjnych, starzenie się ogniw amorficznych.

Na rysunku 5 pokazano teoretyczną sprawność maksymalną wybranych ogniw fotowoltaicznych

Rys.5. Maksymalna sprawność teoretyczna (a) i praktyczna (b) wybranych ogniw fotowoltaicznych. W przypadku ogniw polikrystalicznych brak ujednoliconych danych [1...