Elementy systemów fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne lub słoneczne to podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną przy pomocy efektu fotowoltaicznego. Uformowany jest on w materiale półprzewodnikowym, w którym pod wpływem absorpcji promieniowania powstaje napięcia na zaciskach przyrządu. Po dołączeniu obciążenia do tych zacisków płynie przez nie prąd elektryczny. Najczęściej do produkcji ogniw używany jest krzem.

Największe sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %) uzyskuje się z ogniw wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te są najdroższe.
Klasyczne ogniwo fotowoltaiczne jest to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo fotowoltaiczne.

Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, które powoli oziębiają roztopiony krzem, aby zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej wydajne niż monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy.

W chwili obecnej przemysł fotowoltaiczny oparty jest głównie na krzemie krystalicznym i polikrystalicznym. Podstawowymi zaletami tej technologii są: możliwość wykorzystania doświadczeń bardzo dobrze rozwiniętego przemysłu półprzewodnikowego (mikroelektroniki), relatywnie wysokie sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego, prostota i bardzo dobra stabilność pracy. Jednakże ogniwa takie są stosunkowo grube i zużywając dużo drogiego materiału, mają ograniczoną wielkość i muszą być łączone, a więc moduły nie są monolitycznie zintegrowane.

Przewiduje się, że następna generacja ogniw fotowoltaicznych będzie się opierać na technologiach znanych szeroko jako technologie "cienkowarstwowe". Dzięki stosowaniu jedynie bardzo cienkich warstw drogiego materiału półprzewodnikowego na tanich podłożach o dużej powierzchni można znacznie zredukować całkowity koszt ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwa cienkowarstwowe są mniej sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego, ale oczekuje się, że w przyszłości, przy produkcji na skalę masową, będą one znacznie tańsze. Obecnie, najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe wykonane są z krzemu amorficznego (a-Si) i jego stopów (a-SiGe, a-SiC). Technologia pojedynczych, podwójnych i potrójnych ogniw jest dobrze rozwinięta i skomercjalizowana. Ogniwa potrójne osiągnęły w skali laboratoryjnej sprawność 13%. Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.).

Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: mały koszt materiału, niewielkie zużycie energii przy produkcji modułu (głównie dzięki niskiej temperaturze procesu), możliwość osadzania na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych powierzchni. Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach oraz projektowane w sposób umożliwiający integrację z fasadami i dachami budynków lub w postaci dachówek.

Mogą być one projektowane jako nieprzezroczyste lub półprzezroczyste. Jednakże wydajność ogniwa jest niższa niż w przypadku krzemu krystalicznego. Duże zaangażowanie przemysłu w technologie cienkowarstwowe rokuje nadzieję na obniżenie kosztów produkcji.
Innymi materiałami używanymi do wyrobu ogniw cienkowarstwowych są tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CIS - copper indium diselenide). Zademonstrowano już możliwości produkcji, na dużą skalę, ogniw wykonanych z tych materiałów, ale w przeciwieństwie do ogniw z krzemu amorficznego, nie zostały one jeszcze wprowadzone do produkcji masowej.


Moduły i panele fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne to podstawowy element systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moc takich modułów (dostępne na rynku maja powierzchnię od 0,3 do 1 m2) wyrażana jest w watach mocy szczytowej (Wp - watt peak), zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25°C i zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120 Wp. W praktyce moduły rzadko pracują przy warunkach standardowych, więc użyteczne jest posiadanie charakterystyk prądowo-napięciowych (I - V) wydajności modułu w szerokim zakresie warunków pracy. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy muszą być trwałe, ponieważ dla modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20 - 30 lat.

Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na korozję od słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach.

Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Panel fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 14 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 woltów lub więcej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazywane są kolektorem fotowoltaicznym (PV array). W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny może zawierać pojedynczy panel.

Dostępne obecnie na rynku są jedynie moduły wytwarzane z krzemu krystalicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. Moc wyjściowa waha się od 30 Wp do 120 Wp. Sprawności modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z poprawą technologii. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego wykazują obecnie sprawności powyżej 16 %, podczas gdy przeciętne moduły zawierające krzem mono- lub polikrystaliczny moją sprawności około 11 % do 13 %. Większość nich ma czas życia co najmniej 20 lat. Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % i 8 %. Zwrot kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat. Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawnościach dochodzących do 30%.



Źródło:

  1. www.instalacjebudowlane.pl
  2. www.greenworld.pl



Kategoria: Technologia
<< Poprzedni Styczeń 2018 Następny >>
PoWtŚrCzPtSoNd
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31