FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY
Prof. V. Benda, ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická
Ing. Petr Wolf, Sunnywatt CZ, s.r.o.
Ing. Kamil Staněk, Fakulta stavební ČVUT v Praze
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
15.4.2011
1
Obsah semináře
• Fotovoltaické články a moduly (V.Benda)
–
–
–
–
solární energie;
principy konstrukce fotovoltaických článků;
technologie FV článků a modulů;
současné trendy v oblasti fotovoltaických článků a modulů
• Komponenty a funkce FV systemů (P.Wolf)
– jednotlivé prvky FV systému;
– monitoring solárních elektráren;
– příklady FV systémů;
• Integrace FV systémů do budov (K. Staněk)
– architektura, stavební a konstrukční řešení;
– stavebně integrované FV systémy v reálném provozu;
– fotovoltaika pro energeticky nulové budovy;
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
2
Prof. V. Benda, ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická
FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY A MODULY
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
3
Energie slunečního záření dopadajícího na
povrch Země
r0 = 1.496 × 108 km
. Na povrch Země dopadá záření o
výkonu přibližně 180 000 TW
Střední intenzita slunečního záření dopadajícího
na povrch atmosféry je 1367 W/m2
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
4
Pohyb slunce po obloze
solární deklinace δ


  23.5  sin 2
n  80 

365 
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
5
Pohyb slunce po obloze
Maximální úhel paprsků
dopadajících na horizontální
rovinu v zeměpisné šířce Φ
v n-tém dni v roce
 m  90     
 n  80 
 90    23.5  sin 2

365


15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
6
Pohyb slunce po obloze
• úhel mezi Sluncem a zenitem, θS;
•sluneční azimut, ψS;
•úhel mezi Sluncem a horizontem, φ;
•zeměpisná šířka, F;
cos  S  sin  sin   cos  cos  cos   sin 
cos S 
sin  sin   sin 
sign{ )
cos  cos 
východ slunce, ωS,
S   arccos(  tan  tan  )
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
7
Pohyb slunce po obloze
úhel φ jako funkce slunečního azimutu ψS
21.6.
ω skutečný sluneční čas
21.3.
23.9.
63,5°
Z
40°
22.12.
16,5°
J
S
V
Φ ≈ 50° s.š.
letní slunovrat
φm = 63,5°,
v době rovnodennosti φm= 40°
zimní slunovrat φm = 16,5°
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
8
Intenzita záření
Intenzita záření - hustota výkonu dopadajícího na povrch (W/m2)
•přímé záření
– paprsky světla, které nejsou ani
odražené, ani rozptýlené - B
•difúzní záření
– přichází z celé oblohy mimo
sluneční kotouč - D
•odražené záření (albedo)
– je záření odražené od okolních
předmětů - R
•celkové (globální) záření
– (přímé + difúzní + odražené)
– G=B+D+R
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
9
Intenzita záření
Nejčastěji se získává celková intenzita záření jako součet intenzit přímého,
difúzního a odraženého záření dopadající na plochu odkloněnou o úhel α od
jihu a o úhel β od horizontální roviny.
G(β, α) = B(β, α) + D(β, α) + R(β, α)
přímé záření
B(β,α) = B (0) cos (θS – β)
difúzní záření
odražené záření
ρ je odrazivost povrchu
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
10
Intenzita záření
Pokud záření vstupuje do atmosféry pod úhlem 
( je úhel od horizontální roviny)
B( )  B0 (0,7) m
m
B
(

)

B
(
0
,
7
)
0
Solární konstanta
1 B0 = 1367 W/m2
m
1
msin

sin 
koeficient atmosférické masy AM
Při nejkratší dráze (záření kolmo
k horizontální rovině) dopadá na
povrch výkon 1000 W/m2
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
11
Intenzita záření
Záření (W/m2)
Modré nebe
Difúzní podíl (%)
800 – 1000
10
Zamlžené nebe
600 – 900
až 50
Mlhavý podzimní den
100 – 300
100
Zamračený zimní den
50
100
600
50 - 60
Celoroční průměr
Sluneční záření, jasno
Oblačno
7 – 8 kWh/m2
2 kWh/m2
Jaro / podzim
5 kWh/m2
1,2 kWh/m2
Zima
3 kWh/m2
0,3 kWh/m2
Léto
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
12
Vliv klimatických podmínek
Intenzita záření je ovlivňována klimatickými podmínkami
oblačnost, prašnost, mlha apod.
Mesíční střední hodnota globální intenzity, Gdm(0);
Index průzračnosti KTm,
(počítaný pro každý měsíc)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
13
Intenzita záření v jednotlivých oblastech
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
14
Intenzita záření v jednotlivých oblastech
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
15
Česká republika – klimatické podmínky
Z hlediska energie dopadajícího slunečního
záření jsou podmínky srovnatelné s Německem
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
16
Absorpce světla materiálem
Pokud na povrch materiálu dopadá světlo o intenzitě Φin, část světla o intenzitě Φ0
vstoupí do objemu materiálu.
Při průchodu světla materiálem intenzita klesá se vzdáleností od povrchu.
α je tzv. absorpční koeficient
Absorpce fotonu znamená předání jeho energie částicím materiálu.
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
17
Absorpce světla materiálem
Absorpce je způsobena interakcí světla s částicemi hmoty (elektrony a jádry)
Je-li energie částice před interakcí W1, po absorpci fotonu je energie W1+ h
•
interakce s mřížkou – nízkoenergetické fotony, následkem je zvýšení
teploty;
• interakce s volnými elektrony – zvýšení teploty;
Fotovoltaické články a moduly
Solar Thermal – generace tepla
• interakce s vázanými elektrony - může dojít k uvolnění elektronu
z vazby, vznik volných nosičů náboje;
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
18
Polovodiče
W
W
h  Wg
Generace nerovnovážných
nosičů náboje
W2
Wc
Wg
Wv
1 h
1
Wc
Wg
W1
k
h
2
Wv
k
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
19
Dopadající energie
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
20
Generace nerovnovážných nosičů
Ve vzdálenosti x pod povrchem je generováno za jednotku času G párů elektron-díra
 dn 
G ( ; x )  
   ( ) ( )F(; x)   ( ) ( )F 0 ( ) exp   ( ) x 
 dt  gen
Celková generace


0
0
Gtot ( x)   G(; x)d    ( ) ( )F(; x)d
Za jednotku času rekombinuje R párů elektron-díra
n
 dn 
R




 dt  rec
V ustáleném stavu je dynamická rovnováha
n   G
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
21
Výběr vhodných materiálů
Účinnost generace nosičů závisí na šířce
zakázaného pásu
Vhodné materiály
Si
GaAs
CuInSe2
amorfní SiGe
CdTe/CdS
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
22
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);
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
23
Princip funkce fotovoltaického článku
V ozářené oblasti jsou
generovány nerovnovážné
nosiče, které difundují
směrem k přechodu PN.
Hustota proudu JPV je tvořena nosiči které byly zachyceny oblastí prostorového náboje
xj
• v oblasti typu N
• v oblasti typu P
J PVN ( )  e  G ( )dx  e 
0
J PVP ( )  e
0
H

p
p
G( )dx  e
x j d
• v oblasti prostorového náboje přechodu PN
Generovaná
proudová hustota
xj
dx  J sr (0)
H

xj
n

d n
x j d j
J OPN ( )  e
H
H
0
0
J PV ( )  e  G( )dx  e 
n
n
dx  J sr ( H )
 G( )dx  e
xj
x j d j

xj
n

dx
dx  J sr (0)  J sr ( H ) 
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
24
V-A charakteristika fotovoltaických článků
Rs
IPV
D
Rp
Paralelní odpor Rp
Sériový odpor Rs
I
U
RL
Aill – ozářená plocha
A - celková plocha
Napětí na článku U = Uj- RsI
V-A charakteristika přechodu PN

 eU j
J  J 01 exp
 kT

I  Aill J PV

 eU j  
 
  1
  1  J 02 exp 
 2kT  

 
D 1
D 1 

J 01  ni2 e n
 p
L p

L
n
p
n0 
 n p0
J 02 
eni d
 sc
  U  Rs I  
  U  Rs I   U  Rs I
 I 01 exp  e
  1  I 02 exp  e
  1 
kT  
Rp
 
  2kT  
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
25
V-A charakteristika fotovoltaického článku
a její důležité body
Parametry
UOC, ISC, Ump, Imp, Pm= UmpImp
( STC: 25°C , 1 kW/m2, AM= 1,5)
U mp I mp

Účinnost článku
Pin
FF 
U mp I mp
U OC I SC
Činitel plnění
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
26
Vliv teploty na VA
charakteristiku
U OC 
kT I PV
ln
e
I 01
  Wg
 kT
I01 ~ ni 2  BT 3 exp 

Je proto
Pm
U OC
0
T
I
(A)



U(mV
)
(W)
Pro c-Si fotovoltaické články pokles UOC
je okolo 0.4%/K
Rs roste s rostoucí teplotou
teplota (°C)
Rp klesá s rostoucí teplotou
Činitel plnění FF a účinnost s rostoucí
FF

teplotou klesají
0
0
T
T
1 
 0.5% K-1
V případě c-Si
 T
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
27
Vliv parazitních odporů (Rs a Rp)


 RI  
 RI   RI
I SC  Aill J PV  I 01 exp e s SC   1  I 02 exp e s SC   1  s SC
Rp
 kT  
 2kT  


Pokud je Rp velký a
Aill J PV  I PV  I 01  I 02
U
U OC 
kT I PV
ln
e
I 01
U
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
28
Sériový odpor ovlivňuje závislost účinnosti na
intenzitě záření
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
29
Srovnání FV článků
FV článek (modul) s nízkým Rs
FV článek (modul) s vysokým Rs
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
30
K dosažení maximální hodnoty
JPV je třeba
• maximální generace G
• minimální ztráty
ztráty
optické
rekombinací
elektrické
• odrazem
• oblast emitoru
• sériový odpor
• zastíněním
• oblast báze
• paralelní odpor
•neabsorbované
záření
• povrch
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
31
Optimalizace pozice přechodu PN
N
Ln
P
hν
Lp
x=0
d
xj xPN
xj+d
x=H
PN přechod sbírá nosiče generované jak
v oblasti typu P tak v oblasti typu N.
U článků z c-Si vzdálenost
přechodu PN od povrchu xj by
měla být menší, než 0.5 μm
(0.2 m je žádoucí).
Je třeba minimalizovat rekombinaci
(dostatečně čistý materiál)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
32
Antireflexní vrstva
V případě monochromatického
záření, minimální odraz Rmin
nastává je-li optická dráha rovna
čtvrtině vlnové délky.
n0
da
n1
n2
Index lomu Si
Tenká vrstva s n2  2 je potřebná
pro články z c-Si (Si3N4 nebo TiO2,
d  75 nm).
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
33
Texturace povrchu
texturised
Má-li povrch pyramidovou
strukturu, je možné snížit
odrazivost na zhruba jednu
třetinu oproti rovinnému
povrchu.
Oba principy (texturace povrchu
a antireflexní vrstva) mohou být
kombinovány.
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
34
Elektrické ztráty
Sériový odpor Rs sestává z:
·R1 – kontakt kov-polovodič na zadním kontaktu
·R2 – odpor materiálu báze R2   Si H / A
·R3 – laterální odpor vrstvy typu N R3 ~
N d
xj
·R4 – kontakt kov-polovodič
·R5 – odpor „prstu“ sběrnice R5 
Sériový odpor Rs ovlivňuje
silně paramety FV článku.
M l
3bh
·R6 – odpor hlavní sběrnice R6 ~  M lB
hbB
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
35
Základní typy článků
Krystalický Si
Tenkovrstvé články
CuInSe2
amorfní křemík
amorfní SiGe
CdTe/CdS
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
36
Materiály a technologie pro fotovoltaické
články
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
37
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
(34,1%)
c-Si mono
Ztráty materiálu při řezání cca 40%
c-Si multi
(46,9%)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
38
Výroba fotovoltaických článků (c-Si)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
39
Výroba fotovoltaických článků (c-Si)
•kontakty realizovány
pomocí sítotisku (Ag a
Al/Ag pasty)
  15%
  17%
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
40
Moduly z krystalického Si
FV článek……~0.5 V, ~30 mA/cm2
Pro praktické použití je třeba články
spojovat do série do modulů
FV moduly musí být odolné proti
vlhkosti, větru, dešti, krupobití (kroupy
o průměru 25 mm), teplotním změnám
(od -40 do +85°C) písku a
mechanickému namáhání.
Odolnost vůči napětí > 600 V
Požadovaná životnost: 20 – 30 let
(životností se rozumí pokles účinnosti na
80% původní hodnoty)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
41
Sériově zapojené FV články: všemi články teče
stejný proud
Rs
Rs
Rp
Rs
Rs
Rp
Rp
Rp
Optimální situace: Všechny články mají stejný Imp
Zjednodušený model modulu (řetězce)
Pokud články mají různý Imp, pracují
mimo bod maximálního výkonu a
účinost klesá
I  I PV
  U  Rs' I   U  Rs' I
  U  Rs' I  
  1 
  1  I 02 exp  e
 I 01 exp  e
Rsh
  mkT  
  mn2 kT  
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
42
Technologie modulů z c-Si
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
43
Provozní teplota FV článků a modulů
Tc  Ta  rthcaGab
rthcab 
rthcaf 
Provozní teplota FV článků v modulu
závisí na teplotě okolí, intenzitě dopadajícího
záření a na konstrukci modulu.
NOCT (Nominal Operating Cell
Temperature) je definována jako teplota
článků Tc při teplotě okolí Ta´= 20°C.
intenzitě slunečního záření G = 0.8 kWm−2
a rychlosti větru 1 ms−1.
rthca 
db
b
df
f

1
hb

1
hf
rthcaf rthcab
rthcaf  rthcab
Na zadní straně modulu je možno
měřit teplotu modulu Tmod
G
Tc  Tmod  T
GSCT
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
44
Vliv částečného zastínění – články v sérii
Rs
Rp
Rs
Rs
Rp
V případě spojení článků do
série se zvyšuje sériový
odpor
• pokles výstupního proudu
Rp
I (A)
Rs
Rp
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
5
10
• pokles výstupního napětí
• pokles výstupního výkonu
15
20
25
U (V)
bez zastínění
1 článek zastíněn
1/2 článku zastíněná
2 články zastíněny
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
45
Vliv překlenovacích diod
Bez diod
S diodami
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
46
Řazení článků
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
47
Tenkovrstvé články
TCO (transparent conducting oxide)
SnO2
ITO
Nutný pro dosažení přijatelné hodnoty Rs
ZnO
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
48
Tenkovrstvé články
600nm
1%
substrate
<12%
TCO
Antireflexní vrstva
(Light trapping)
TCO
Ag or Al contact
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
49
Technologie tenkovrstvých článků
A) Vakuové deposice
- Napařování
- Naprašování
B) CVD (Chemical vapour deposition )
- Chemická depozice z plynné fáze
CVD vytvoření stabilní sloučeniny na vyhřívané
podložce chemickou reakcí nebo rozkladem směsi
plynů
depozice nitridu kemíku
depozice křemíku
3SiH4 + 3NH3 → Si3N4 + 12H2
SiH4 → Si + 2H2.
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
50
Technologie tenkovrstvých článků
Struktura deponované vrstvy závisí na složení
plynu a na teplotě substrátu
zředění
rH = ([H2] + [SiH4])/[SiH4].
rH < 30, roste amorfní vrstva
rH > 45, roste vrstva c-Si
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
51
Technologie tenkovrstvých článků
Články z amorfního (mikrokrystalického) Si
průhledný substrát
(sklo)
TCO
a-Si:H p+ vrstva (20 - 30 nm)
a-Si:H nedotovaný
( 250 nm)
a-Si:H n+ vrstva (20 nm)
TCO (difúzní bariéra)
Ag nebo Al
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
52
Tandemové články
Wg1> Wg2
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
53
Tenkovrstvé moduly na skleněném
substrátu
TCO
sklo
Rozměr pracovní komory depozičního
zařízení musí odpovídat rozměrům modulu.
(Maximální dosažená plocha 5 m2.)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
54
Tenkovrstvé FV články na pružném
substrátu
„Roll to roll“ technologie
Po rozčlenění pásu se jednotlivé články
spojí do modulu a zapouzdří polymery
  7%
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
55
AIIIBV články s vysokou účinností
• Nejvyšší dosažená účinnost   40%
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
56
Koncentrátorové moduly
chladič
FV
články
parabolické zrcadlo
Sluneční záření musí být v optické ose
Musí být zajištěn odvod ztrátového tepla
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
57
Rozvoj fotovoltaických systémů
Ekonomický nástroj –
FiT (feed-in tariff)
(výkupní cena energie taková,
aby se investice vrátila za
dobu kratší než 15 let)
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
58
Stav výroby FV článků a modulů
V současné době instalováno
Německo
Zbytek Evropy
Zbytek světa
16 GWp
12 GWp
10 GWp
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
59
Vývoj ceny FV modulů
Podstatné snížení ceny Si:
2008……
2010
> 500 USD/kg
…..
54 USD/kg
Snížení ceny modulů
z krystalického křemíku
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
60
Účinnost panelů a článků
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
61
Předpokládaný vývoj ceny elektrické
energie vyráběné FV systémy
Terrawattová éra:
15.4.2011
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
62