SVEUILITE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ELEKTROTEHNIKI FAKULTET Sveuilini studij TEHNOEKONOMSKA ANALIZA FOTONAPONSKIH SUSTAVA Diplomski rad Kuterovac Ivan Osijek, godina 2011 SADRAJ : 1.UVOD .......................................................................................................... 1 2.SUNEVA ENERGIJA .............................................................................. 2 2.1Uvod ....................................................................................................................................... 2 2.2Sunevo zraenje na granici Zemljine atmosfere ................................................................... 4 2.3Sunevo zraenje na povrini Zemlje ..................................................................................... 4 3.FOTONAPONSKA PRETVORBA ............................................................ 8 3.1Povijest fotonaponskih (FN) elija ......................................................................................... 8 3.2Fotonaponski efekt ............................................................................................................... 11 3.3Nain izrade i tipovi fotonaponskih elija ............................................................................ 13 3.3.1Suneve elije izraene od monokristalnog (c-Si) silicija 14 3.3.2Suneve elije izraene od polikristalinskog silicija (p-Si).. 14 3.3.3Suneve elije izraene od amorfnog silicija (a-Si).. 15 3.4Fotonaponske elije .............................................................................................................. 17 3.4.1Pregled parametara 17 3.4.2Napon praznog hoda. 18 3.4.3Struja kratkog spoja... 19 3.4.4Karakteristini otpor i snaga fotonaponske elije. 20 3.4.5Stupanj korisnog djelovanja.. 22 3.5Fotonaponski modul ............................................................................................................. 23 4.Projektiranje fotonaponskog sustava ......................................................... 25 4.1Uvod u projektiranje fotonaponskog sustava ....................................................................... 25 4.1.1Intenzitetsunca 25 4.1.2Kut sunca.. 26 4.1.3Utjecaj sjene.27 4.1.4Radna temperatura 29 4.1.5Usklaivanje optereenja.. 31 4.1.6Traenje sunca.. 32 4.2Prednostifotonaponskih elija ............................................................................................ 33 4.3Ostale komponente ............................................................................................................... 35 4.3.1Baterije.35 4.3.2Izmjenjivai.. 37 4.3.3Regulator punjenja 39 5.FOTONAPONSKI SUSTAV .................................................................... 41 5.1Uvod ..................................................................................................................................... 41 5.2Podjela fotonaponskih sustava ............................................................................................. 42 5.2.1Osnovne razlike izmeu autonomnih i mrenih sustava.. 43 5.2.2Prednosti pojedinih sustava.. 44 5.3Autonomn i ili otoni sustav ................................................................................................ 44 5.4Mreni sustavi ...................................................................................................................... 46 5.5Prikljuak malih fotonaponskih sustava ............................................................................... 47 5.6Poticaji i promidba fotonaponskih sustava ......................................................................... 51 6.TEHNO-EKONOMSKA ANALIZA FOTONAPONSKOG SUSTAVA52 6.1Definiranje osnovnih parametara potrebnih za realizaciju projekta ..................................... 52 6.2Kreiranje dnevnog profila optereenja ................................................................................. 53 6.3Procjena raspoloivih obnovljivih energetskih resursa ........................................................ 54 6.4Dizajn samostalnog energetskog sustava raunalnim simulacijskim programom HOMER 56 6.5PROJEKT 1: Tehnoekonomska analiza otonog (autonomnog) sustava ............................. 58 6.5.1Optereenje sustava58 6.5.2Podaci o intenzitetu Suneva zraenja60 6.5.3Fotonaponska mrea62 6.5.4Rezultati simulacije..65 6.6PROJEKT 2 : Tehnoekonomska analiza mrenog sustava .................................................. 71 6.6.1Rezultati simulacije... 75 6.7PROJEKT 3 : Tehnoekonomska analiza mrenog sustava sa potroaem .......................... 81 6.7.1Rezultati simulacije.82 7.Zakljuak ................................................................................................... 88 1 1.UVOD Poznavanjeradapojedinihkomponentisustavakaoisamogsustavaucjelininunojepotrebnoza pristupprojektiranjusustava.Dobroprojektiranisustavsmanjujenepotrebnetrokovezbog predimenzioniranjailipodimenzioniranja.Poveavanjemsnagesustava,trokovizbog neprilagoenjaznaajnorastu.Simuliranjemfotonaponskihsustavamoguejesagledatiponaanje sustavatijekomradatetakootklonitimogueslabostikojesemogupojaviti.Naimeprojektiranje sustavanatemeljusrednjihvrijednostiozraenjaitemperaturedajepouzdanerezultatesamoza klimatskeuvijetepriblinojednakimsrednjimvrijednostima.Vanojeutvrditikakoesesustav ponaatiakodoedoodstupanjaodsrednjihvrijednosti.Stogadimenzioniranjesustavatreba usmjeriti ka nalaenju konfiguracije s veom pouzdanou opskrbe troila. U treem poglavlju ovog rada prikazan je model ozraenja dok su modeli fotonaponske elije (generatora) i baterije prikazani u 5. i 6. poglavlju.Ostale komponenteFNS-a kao i njihovi modeli predstavljeni su u 7. poglavlju. Uslijedeempoglavljuopisanjesamsimulacijskiprogram,au9.poglavljudanjejedanprimjer simulacije.Udodatkuprikazanisuprorauniianalizekojisudopunamatematikimmodelima komponenata sustava. 2 2.SUNEVA ENERGIJA 2.1Uvod Sunevaenergijajepokretaivotanazemljeisvihkretanja.ivotkakvogdanaspoznajemo naplanetiZemljijeuvelikojmjeriovisanoSuncu.SuncejenajbliazvijezdaplanetiZemljii predstavlja centar naeg planetarnog sustava.Suncejegolemauarenaplinovitakuglapromjera1.391milijunakilometarakojassastoji uglavnom od vodika i helija. Unutar Sunca, vodik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helij, to rezultira oslobaanjem velikih koliina energije, uslijed kojih temperatura u unutranjosti Sunca premauje20milijunaK.Meutim,tonijetemperaturakojaodreujeelektromagnetskasvojstva sunevazraenjabuduidazraenjeizunutranjostiuvelikomdijeluapsorbiraslojnegativnih vodikovih iona blizu povrine. Dakle temperatura povrine Sunca je oko 6000 K, a spektar sunevog zraenjapriblinoodgovaraspektrucrnogtijelaugrijanognatemperaturu5760K.Stogase temperaturaod5760Kmoeuzetikaoefektivnatemperaturasunevepovrine,aiznjeje primjenom Planckova zakona mogue proraunati energetski spektar Suneva zraenja. Dakle,energija(snaga)kojomSuncezraisasvojepovrineiznosioko9.51025Witose zraenjesastojiodrazliitihvalnihduljina.Veina(99%)sunevogzraenjaotpadanaspektar 0.275 - 4.6 mm. Maksimum sunevog zraenja je na 0.48 mm i sastoji se od ultraljubiastog (0.12-0.4mm),vidljivog(0.4-0.75mm)iinfracrvenogdijela(>0.75mm).Ultraljubiastidionosioko9 %, vidljivi oko 41,5 % i infracrveni oko 49,5 % ukupne energije sunevog zraenja. (Sl.2.1.) Nuklearna fuzija odvija se na Suncu ve oko 5 milijardi godina, kolika je njegova procijenjena starost,apremaraspoloivimzalihamavodikamoeseizraunatidaesenastavitijootprilike5 milijardi godina.Postojeuglavnomtrinainaupotrebesunaneenergije:pretvorbautoplinskuenergijui elektrinu energiju te dobivanje energije iz biomase. 3 Sl. 2.1. Spektar Suneva zraenja na ulasku u atmosferu i na povrini Zemlje Sl, 2.2. Shematska struktura i osnovni parametri sunca 4 2.2Sunevo zraenje na granici Zemljine atmosfere Zemlja se vrti oko Sunca u eliptinoj putanji s vrlo malim ekscentricitetom (e=0.017) tako da se udaljenost Zemlje i Sunca mijenja vrlo malo tijekom godine. Srednja udaljenost Zemlje i Sunca je 149.68 milijuna km. Putujui brzinom svjetlosti sunevom zraenju potrebno je tek 8.31 minuta da prijee udaljenost do Zemlje. SunevozraenjakojedopiredovanjskogrubaZemljineatmosferenazivase ekstraterestikozraenje,tepredstavljasiuandioenergijekojomSuncezraisasvojepovrine. Budui da se udaljenost Zemlje od Sunca mijenja tijekom godine, tako se mijenja i ekstraterestiko ozraenje(insolacija)teiznosiod13071399W/m2naplohuokomitunasmjerzraenja. Eksteterestiko ozraenje na okomitu plohu za srednju udaljenost Zemlje od Sunca naziva se solarna konstanta. Utvrivanje solarne konstante i njene mogue promjenjivosti poelo je na prijelazu u XX. stoljee. Nakonnekolikodesetljeasatelitskihmjerenjautvrenojedasolarnakonstantainije konstanta,negosemijenjakakoseiSunevaaktivnostmijenja.Ipak,Svjetskameteoroloka organizacijaje1981.godinestandardiziralasolarnukonstantu.Srednjavrijednostekstrateristikog ozraenja (insolacije) na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i iznosi

. 2.3Sunevo zraenje na povrini Zemlje Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca moe se smatrati da se Sunevo zraenje prije ulaska uatmosferusastojiodsnopaparalelnihelektromagnetskihvalova.Zbogmeudjelovanjas plinovima i esticama u atmosferi sunevo zraenja ono se moe upiti (oko 18 %), odbiti (oko10 %) iliviemanjenesmetanoproikrozatmosferu(oko70%).Slijeddogaajaprilikomprolaska suneveenergijezraenjaodvanjskogrubaZemljineatmosferedopovrineZemljeprikazanje prema slici 2.3. 5 Direktno sunevo zraenje je kratkovalnogkaraktera, za sunanog dana oituje se kao kombinacija ukastog svjetlosnog snopa i topline. Valja napomenuti da direktno sunevo zraenje ne utjee na povienje temperature zraka nego ga osjeamo kao toplinu na tijelu. Difuzno rasprivanje zraenja ili refleksija sadri vie kratkovalne nego dugovalne energijesunevog zraenja, tu pojavu izazivaju molekuleplinova i estica koje se nalaze u atmosferi.Naime, kada energija zraenja na svom putu dopre do molekule plina ili estice pobuuje je na titranje i zraenje, ime postaje izvorelektromagnetskog zraenja specifine valne duljine. Primljenu energiju molekula, odnosno estica predaje nejednako u svim smjerovima, dio se odbija nazad u svemir a dio se raspruje na Zemlji. Sl. 2.3. Utjecaj atmosfere na upadno sunevo zraenje Pri kontaktu sa Zemljom, ovisno o svojstvima podloge, vei e dio suneva zraenja Zemlja upitiamanjidiozraenjaeseodbiti(reflektirati).Svojstvopodlogedaodbijazraenjemoese izraziti koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo imalo bi albedo 1.0 jer bi potpuno odbijalo Sunevo zraenje (snijeg), a potpuno crno tijelo imalo bi albedo nula. Najea vrijednost albeda bila bi 0.2 (travnata povrina) i ta se vrijednost najee uzima pri izraunima. 6 Dakle, na Zemljinu povrinu dopire iz atmosfere izravno i raspreno Sunevo zraenje te se upija ili odbija na Zemljinoj povrini. Ukupna koliina Suneva zraenja na okomitu plohu naziva se globalnozraenje.Globalnozraenjenahorizontalnuplohusesastojioddirektnogzraenja, rasprenog i odbijenog sunevog zraenja. Mjerna jedinica globalnog zraenja je (W/m2). Drugi, ire prihvaeni pojam u znanstvenoj zajednici je insolacija, odnosnotrajanje suneve insolacije.Pojaminsolacijaodnosisenagustousunevihzrakanaodreenojplohiuzodreenu orijentaciju kroz odreeno vrijeme. Mjeri se u (Wh/m2) ili (kWh/m2). Umnoak ukupnog zraenja sa vremenom daje nam insolaciju. Energija sunevog zraenja koja dopire do povrine Zemlje ovisi u prvom redu o trajanju insolacije (trajanju sijanja Sunca, odnosno broju sunanih sati), dok trajanje insolacije zavisi o zemljopisnoj irini i o godinjem dobu. Valjarazluititrenutnujakostsunevogzraenja(W/m2)odukupnekoliinesunevog zraenja(koliineisijavanja)mjerenekrozodreenivremenskiinterval(Wh/m2).Nebitnoo kontekstu,podacioenergijisunevogzraenjanajeesuprikazanikaoprosjenevrijednosti. Prosjenamjesenailigodinjaenergijasunevogzraenjaunekommjesecudobivasekao aritmetika sredina za sve dane u promatranom mjesecu odnosno godini. Dotok ukupnog sunevog zraenja koje dopire do Zemljine povrine iznosi 920 W/m2. Ako jeprojekcijapovrineZemlje127.106km2,dotokenergijeiznosi117.400TW.Zbogrotacije ZemljetaseenergijarasporeujepocijelojpovriniZemlje,pajeprosjenidotokenergije230 W/m2, odnosno 5.52 kWh/m2 dnevno. To su prosjene vrijednosti, a stvarne zavise od zemljopisne irine, dijela dana, pojave oblaka, zagaenja itd. Energija suneva zraenja koja dolazi do Zemljine povrine iznosi oko 109 TWh godinje. Ta je energija oko 170 puta veanego energija u ukupnim rezervama uglja u Svijetu. U Hrvatskoj je prosjena vrijednost insolacije na horizontalnu plohu izmeu 3 i 4.5 kWh/m2 dnevno,odnosnoizmeu1.2i1.6MWh/m2godinje(Sl.2.4.)[1].Trajanjeinsolacije,odnosno prosjeni broj sunanih sati godinje je izmeu 2000 i 2800 sati. 7 Sl. 2.4. Vrijednosti srednje godinje ozraenosti (insolacije) na okomitu plohu za podruje Hrvatske Kao to je navedeno, potencijal suneve energije sa aspekta pretvorbe u koristan oblik energije je ogroman, ali pri tome postoje veliki problemi pri iskoritavanju: 1. Mala gustoa energetskog tijeka, 2. Velike oscilacije intenziteta zraenja tijekom dana, 3. Ovisnost zraenja o klimatskim uvjetima, 4. Intenzitet zraenja ne poklapa se s intenzitetom potronje, 5. Nemogunost skladitenja, 6. Trenutna neisplativost. tosetiesunevogpotencijalauHrvatskojpremaslici2.4.jasnojevidljivokakoje podruje june Dalmacije vrlo pogodno za eksploataciju energije sunevog zraenja. Iako je suneva energijauzronikveineizvoraenergije,uovomuradufokusiranojenadirektnoiskoritavanje suneve energije, posebice na izravno pretvaranje suneve energije u elektrinu energiju. 8 3.FOTONAPONSKA PRETVORBA Energijasunevogzraenjaizravnosemoekoristitizaproizvodnjuelektrineenergije fotonaponskim(FN)odnosnosunevimelijama.Terminphotovoltaicprviputajeupotrebljen krajem19.stoljea,nastaojespojemrijeiphoto(gr.svjetlo)ivolt(poAlessandruVolti).U doslovnomprijevoduterminphotovoltaicznai"strujaizsvjetla"iupravotakavprijevodnajbolje opisujeprincipradafotonaponskihelijapretvaranjeenergijusunevogzraenjauelektrinu energiju putem fotonaponskog efekta. 3.1Povijest fotonaponskih (FN) elija Razvojfotonaponskihelijapoinje1839.godineistraivanjimafrancuskogfiziara Edmonda Becquerela. On je primijetio fotonaponski efekt dok je eksperimentirao sa elektrodama u otopinielektrolitaprilikomegasestvorionaponkadasuelektrodebileizloenesvjetlu.Nedugo nakon Becquerel-ovog otkria, tonije 1870. godine Hertz je prouavajui selen (Se) uspio ostvariti pretvorbu svijetla u elektricitet efikasnosti oko 1 %. Nakonnavedenihotkriapoinjerazvojsolarnihelija,tesupreglednostiradivaniji dogaaji prikazani u vremenskom slijedu: 1883. godine ameriki izumitelj Charles Fritts opisao je prvu fotonaponsku eliju nainjenu od selena kao vodia sa vrlo tankim slojem zlata. 1905. godine proslavljeni fiziar Albert Einstein objavio je znanstveni dokaz fotonaponskog efekta, ali i teoriju relativnosti. Upravo za znanstveni dokaz fotonaponskog efekta 1921. godine osvojio je Nobelovu nagradu (jedinu). 1916. godine Robert Millikian pruio je eksperimentalni dokaz fotonaponskog efekta. 1918. godine poljski znanstvenik Jan Czochralski otkrio je nain proizvodnje istog silicija (Si), a koji je uspio proizvesti tek nakon 1950. istoa proizvedenog silicija bilajeoko99.99%,tejeodtadapadodananjegdananaosnovisilicijske tehnologije proizvedeno daleko najvie elektronikih komponenti. 9 1954. godina smatra se poetkom fotonaponske tehnologije. Naime, te godine su tri amerika znanstvenika (Peasron, Fuller i Chapin) razvili prvu FN eliju koja je mogla generirati upotrebljivu koliinu energije (efikasnosti oko 4 %). 1958. poinje upotreba FN tehnologije u svemirskom programu SAD-a. Dakle,poetkom60-ihgodinaprologastoljeapoinjerazvojfotonaponsketehnologije prvenstveno za potrebe svemirskog programa, odnosno napajanja satelita, to je u konanici dovelo do komercijalne primjene FN elija kakvu danas poznajemo. Tritefotonaponskihsustavaimalojedosadasnaanrasttoesesigurnonastavitiiu sljedeim godinama. Do kraja 2009. U svijetu je instalirano blizu 23 GW fotonaponskih sustava. Od svjetskih regija lider u ugradnji fotonaponskih sustava je Europa u kojoj je instalirano 16 GW i koja obuhvaa 70 % ukupno instaliranih sustava, zatim slijedi Japan sa 2,6 GW, SAD sa 1,6 GW i ostalo otpada na ostatak svijeta. EPIA(eng.EureopeanPhotovoltaicIndustryAssociation)predviadaefotonaponska tehnologija do 2020 godine pokriti 12 % potronje elektrine energije u Europskoj uniji, a do 2040 godineak28%.Takoersuiznijelipodatakdaje2008g.uindustrijifotonaponskojtehnologije radilo 130 000 radnika izravno i 60 000 neizravno. Njihova procjena je da e 2020. godine raditi oko 1,4 milijunaradnika, a 2030. Godine ak2,2 milijuna radnika na podruju fotonaponskih sustava. 10 Sl. 3.1.Godinja instalirana snaga fotonaponskih sustava u svijetu Udio Europe, na tritu fotonaposnkih sustava u 2009. godini, iznosio je 78 % (5618 MW), zatim slijedi SAD sa 7 % (477 MW), japan sa 7 % (484 MW), Juna Koreja sa 2 % (168 MW), Kina sa 2 % (160 MW), dok se na ostatak svijeta odnosi preostalih 4 %(309 MW). Sl. 3.2. Trini udjeli fotonaponskih sustava u svijetu 2009. godine 11 Usvijetuje2009.godineinstalirano7,2GWfotonaponskihsustava.Ovomejeznatan doprinosdalosnanorazvijenoeuropskotritefotonaponsketehnologije.UEuropskojuniji instalirano je 2009.godine 5,6 GW to je 78 %ukupno instaliranih sustava tegodine u svijetu. U EuropidominiraNjemaka,kojaje2009.godineinstaliralanovih3,8GWtoje53% fotonaponskihsustavainstaliranousvijetu,odnosno68%instaliranihfotonaponskihsustavau Europi te godine. Njemaka s ukupnih 10 GW fotonaponskih sustava uvjerljivo je na prvom mjestu ne samo u Europi nego i u svijetu.IzaNjemakesa3,8GWu2009.godinidolaziItalijas730MW,ekarepublikasa411 MW, Belgija s 292 MW, Francuska s 185 MW i tako dalje. Usluajuveepolitikeodgovornostipremaglobalnomzatopljenjuiklimatskim promjenamateuzpolitikupotporuprematehnologijamafotonaponauEuropskobitrite fotonapona zabiljeilo rast sa 5,6 MW u 2009. godini 13,5 MW u 2014. godini.3.2Fotonaponski efekt Prijenotosepojasnifotonaponskiefekt,potrebnojereinetoopoluvodiima,odnosno materijalimanakojimasefotonaponskiefektbazira.Materijaliseposvojstvuelektrine provodljivostidijelenavodie(uglavnommetali),poluvodie(Si,Ge,GaAs,GaP)iizolatore[2]. Poluvodiisuizolatorinatemperaturiapsolutnenule,saporastomtemperatureeksponencijalnose poveavabrojnosilacanabojakojimoguprovoditielektrinustruju.Poluvodiisesobziromna vrstu elektrine provodljivosti dijele u dva tipa: ntip s elektronima i ptip s tzv "upljinama"kao osnovnim nosiocima naboja. Najvaniji i najznaajniji poluvodiki materijal je silicij (Si) i iz njega jeproizvedenodalekonajvie(>95%)elektronikihkomponenti,dioda,tranzistoraiintegriranih krugova. Naprimjerusilicija(Si)pojasnitiesekakosedobivap-tip,odnosnon-tippoluvodia.U kristalu silicija atomi su uvreni kovalentnom, odnosno stabilnom vezom. Ukoliko se ukristal Si ugradi(dopira)malakoliina(1016do1029atoma/cm3)nekogodelemenataizVskupine elemenata(npr.PfosforiliAsarsen)kristalnastruktura(cca1023atoma/cm3)ostajesauvana. Atomi iz V skupine se ugrauju na mjesta Si atoma, ali pritom moraju "otpustiti" svoj peti elektron kako bi ostao okruen s 8 atoma (kovalentna veza). Taj otputenielektron postaje slobodni nosilac 12 naboja i budui da je negativan, takav poluvodi se naziva ntip. Isto tako ako se u kristal Si ugradi (dopira) mala koliina nekog od elemenata iz II skupine (npr. B bor), taj se atom ugrauje na mjesto na mjesta Si atoma. Pri tom mu za konfiguraciju8 elektrona u okruenjunedostaje jedan elektron, onga"trai"iponaasekaopozitivnaestica.Takva"pozitivnaestica"nazivase"upljina",a poluvodi gdje su pozitivne upljine nosioci naboja naziva se ptip. Posebno iskonstruiran i dizajniran oblik pn spoja, koji omoguuje prostorno padanje svijetla na to veu njegovu povrinu, pri emu svjetlost (fotoni) ulaskom u materijal pn spoja prijenosom svojeenergijeoslobaajuslobodnenosiocenabojaelektroneiupljine,nazivasefotonaponska elija. Pojavakojaimazaposljedicuoslobaanjeslobodnihnosiocanabojapoddjelovanjem svjetlosti te stvaranje elektrinog toka naziva se fotonaponski efekt, koji je prikazan prema slici 3.3.. Sl: 3.3. Prikaz fotonaponskog efekta 13 Prvikorakpremaslici3.3.prikazujestanjefotonaponskeelijeprijenotosep-tipin-tip poluvodia spoje.Iako su oba poluvodika materijala elektriki neutralna, spajanjem p-tipa i n-tipa poluvodia nastaje takozvani p-n spoj koji za posljedicu ima stvaranje elektrinog polja. U trenutku kada se n-tip Si poluvodia i p-tip Si poluvodia spoje, viak elektrona od strane n-tipa kree se ka p-tipstrani.Rezultatnavedenihdogaajajenagomilavanjepozitivnognabojanan-tipstranielije, odnosnonagomilavanjenegativnognabojanap-tipstranielije(korak2).Kadafotonipogode fotonaponskuelijuonisemogureflektirati,proidirektnokroznjuilibitiapsorbirani.Samo apsorbiranifotonidajuenergijuzaproizvodnjustruje.Kadapoluvodiapsorbiradovoljnosvjetla elektroni se istiskuju iz atoma materijala, sele se ka prednjem (negativnom) kontaktu elije dok se u isto vrijeme upljine kreu u suprotnom smjeru ka donjem (pozitivnom) kontaktu elije gdje oekuju elektrone(korak 3). Napon na vanjskim kontaktima p-n spoja moe se povezati sa potroaima pri emu e se stvarati naboj i tei DC struja sve dok postoji upadni tok svjetlosti (korak 4). 3.3Nain izrade i tipovi fotonaponskih elija Fotonaponskeelijemogubitiizraeneodrazliitihtipovapoluvodikihmaterijala,koji mogubitisloeniurazliitestrukturesciljempostizanjatoboljeefikasnostipretvorbe.Zaizradu fotonaponskih elija koriste se sljedei poluvodiki materijali i tehnologije: Silicij(Si)ukljuujuimonokristalnisilicij(c-Si),polikristalnisilicij(p-Si)te amorfni silicij (a-Si). Polikristalnitankoslojnimaterijali(polikristalnitankifilm)ukljuujuiCISspoj poluvodikihmaterijala(Bakar-Indij-Diselenid),CdTe(Kadmij-Telurid)te tankoslojni silicij (veinom amorfni silicij). Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) veinomizvedeni od Galij-Arsenida (Ga-As). 14 a) Monokristalni silicij b) Polikristalni silicijc) Amorfni silicij Sl. 3.4. Tri vrste morfolokih oblika silicija 3.3.1Suneve elije izraene od monokristalnog (c-Si) silicija Suneveelijeizraeneodmonokristalnogsilicijaimajutzv.homojunctionstrukturu,to znai da se sastoje od istog materijala koji je modificiran tako da je na jednoj strani elije p-sloj, a nadrugojn-slojSipoluvodia.Unutarelije,p-nspojlociranjetakodasemaksimumsunevog zraenjaapsorbirablizuspoja.Povrinatakvihelijaovisiopresjekumonokristalaodkojegse proizvode, iznosi od 5 do 10 cm, debljina im je od 200 do 300 m. Napon takvih elija je od 0.55 do 0.70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22 %, dok je stvarna efikasnost oko 15 %. Jedina mana elija izraenihodmonokristalnogsilicijajevisokaproizvodnacijena,zbogzamrenogprocesa proizvodnje.NajpouzdanijemetodeproizvodnjemonokristalnogsilicijasuCzochralski(Cz)te Float-zone (FZ) procesi, dok se u zadnje vrijeme sve vie koristi tzv. Ribbon growth tehnologija. 3.3.2Suneve elije izraene od polikristalinskog silicija (p-Si) Identinoc-Sielijama,suneveelijeizraeneodpolikristalnogsilicijaimajutzv.homojunctionstrukturu.Suprotnomonokristalnomsiliciju,polikristalnisilicijsainjenjeodvie malihkristala,zbogegadolazidopojavegranica.Graniceprijeetokelektronimateihpotiuna rekombiniranje sa upljinama to rezultira smanjenjem izlazne snage takvih elija. 15 Polikristalinski silicij mogue je proizvesti na vie naina, najrairenije metoda sastoji se od izlijevanjatekuegsilicijaukalup,kojiseostavljadasezgusneuetvrtastioblikpoputcigle. Krajnja koliina kristala i neistoa unutar etvrtastog oblika ovisi o brzini hlaenja. Rasijecanjemetvrtastogoblika(cigle)dobijusetankeploice.Postupakdobivanja polikristalne Si suneve elije identian je postupku kod c-Si elija. Isto tako, presjek p-Si suneve elije identian je presjeku c-Si elije. Jedina razlika je u obliku p-Si elija, koje su etvrtaste (zbog kalupa) stoga se mogu bolje sloiti u FN module. Proces proizvodnje elija od polikristalnog silicija je znatno jeftiniji od procesa proizvodnje monokristalnihelija,alip-Sifotonaponskeelijeimajumanjuefikasnostodc-Sielija.Teorijska efikasnost im je oko 18 %, stvarna efikasnost im je izmeu 10 i 13 %. 3.3.3Suneve elije izraene od amorfnog silicija (a-Si) Atomiunutaramorfnihmaterijalanisusloeniunikakvuposebnustrukturu,odnosnone formirajukristalnustrukturu.Takoer,amorfnimaterijalisadrevelikbrojstrukturnihdefekatate loupovezanostatoma,toznaidaatominemajususjedasakojimbisemoglipovezati.Zbog navedenog razloga elektroni e rekombinirati sa upljinama umjesto da "uu" u strujni krug. Budui dadefektilimitirajutokelektrinestruje,ovakvevrstematerijalasuinaeneprihvatljiveu elektronikim napravama. Defekti se mogu djelomino ukloniti ako se u amorfni silicij ugradi mala koliinavodika.Posljedicatakvogtretiranjaamorfnogsilicijajekombiniranjeatomavodikasa atomimaamorfnogsilicijakojinemajususjeda(nisuvezani)takodaelektronimogunesmetano putovati kroz materijal. Jo 1974. godine istraivai su otkrili da je amorfni (a-Si) silicij upotrebljiv u FN tehnologiji ukolikosekontrolirajuuvjetipolaganjamaterijalaipaljivomodificiranjegovsastav.Danasse amorfni silicij koristi u napravama koje koriste sunevu energiju kao izvor napajanja te imaju male energetske zahtjeve (kalkulatori, runi satovi i sl.). Amorfnisilicijupijasunevozraenje40putaefikasnijenasprammonokristalnogsilicija,takoda slojdebljine1mmoeupitioko90%energijesunevogzraenja,naravnokadajeobasjan. UpravotosvojstvoamorfnogsilicijabimoglosniziticijenuFNtehnologije.Ostaleprednosti amorfnog silicija takoersu ekonomskog karaktera, primjerice amorfni silicij je mogue proizvesti 16 na niskim temperaturama te moe biti poloen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) to ga ini idealnim za integriranje PV tehnologije kao sastavni dio objekata. Zbog jedinstvenog svojstva amorfnog silicija, suneve a-Sielije izraene su tako da imaju ultratanak(0.008m)gornjip-sloj,deblji(0.5do1m)intristini(nedopirani)i-slojteizrazito tanak (0.02 m) donji n-sloj. Takav struktura suneve elije naziva se p-i-n struktura. Budui da je gornji p-sloj ultra tanak te relativno transparentan veina svjetlosti proi e direktno kroz njega na i-sloj gdje e generirati slobode elektrone. p sloj i n sloj proizvedeni dopiranjem amorfnog silicija (a-Si) stvoriti e elektrino polje kroz cijelu intristinu povrinu te e inducirati kretanje elektrona kroz i-sloj.NajveinedostatakFNelijamaizraenimaodamorfnogsilicijajenestabilnost.ZbogStaebler-Wronskiefektaizlaznasnagaa-Sielijasenakonprvogizlaganjasunevojsvjetlosti smanjuje kroz odreeni vremenski period. Djelovanje efekta rezultira gubicima izlazne snage od 20 % dok se u konanici a-Si elija ne stabilizira. Valja napomenuti da a-Si elije po podjeli spadaju u tzv. tankoslojne materijale. Teorijska efikasnost a-Si elija je oko 11.5 %, stvarna efikasnost je oko 7 % (i manje). Tablica 3.1. Uinkovitost za razliite tipove elija 17 3.4Fotonaponske elije Idealnaosvijetljenafotonaponskaelijamoesesmatratikaostrujniizvorsparalelnomdiodom. Pretpostavljamo da je foto struja

proporcionalna toku fotona koji dopiru do elije. Sl. 3.5. Struktura tipine fotonaponske elije3.4.1Pregled parametara Zaispravanodabirfotonaponskihmodulaipodrujaupotrebepotrebnojepoznavati parametreelijaodkojihjestvoren.Osnovniparametrisolarnihsustavasunaponpraznoghoda elije,strujakratkogspoja,karakteristiniotporFNelije,snagaFNelije,stupanjkorisnog djelovanjaFNelije,ovisnoststupnjakorisnogdjelovanjailispektralniodazivFNelije,ovisnost stupnjakorisnogdjelovanjaelijeoirinizabranjenogpojasa,teovisnostnavedenihparametarao temperaturi.ZalakeshvaanjepojedinihparametaraFNelijumoemoprikazatipomou nadomjesnog strujnog kruga kao strujni izvor. 18 Sl. 3.6. Ekvivalentna elektrina shema IzlaznastrujaIjejednakastrujikojuproizvodisunevasvjetlost

,umanjenojza zanemarivu struju diode

i struju anta

. Serijski otpor

predstavlja unutarnji otpor toka struje i ovisi o dubini PN-spoja, neistoama i otporu spoja. Otpor anta

je obrnuto razmjeran rasipnoj struji prema zemlji. 3.4.2Napon praznog hoda Elektromotorna sila ili napon praznog hoda koja se javlja na stezaljkama elije kada je strujni krugotvoren(strujaI=0),jeuzstrujukratkogspojanajvanijiparametarzaopisivanjeelektrine uinkovitosti neke elije. Maksimalni foto-napon (

) se dobiva u praznom hodu strujnog kruga fotonaponskeelijepodpunimosvjetljenjem.Ignorirajuigubitke,odnosnostrujurasipanjaprema zemlji, uzimamo za I = 0 i napon iznosi:

(

)[V]( 3 1 ) gdje je: kT/Q apsolutna temperatura izraena u voltima (300 K = 0.026 V)

fotogenerirana struja

struja zasienja diode Q = naboj = 1.6

C k = Boltzmannova konstanta = 1.38

J/K T temperatura u K 19 3.4.3Struja kratkog spoja Struja kratkog spoja (

) je ona struja koja e potei ako su stezaljke elije kratko spojene, odnosno napon izmeu stezaljki U = 0. Ukupna izlazna struja (

) rauna se prema izrazu ( 3 - 2 ) :

[

]

( 3 2) gdje je:

- otpor shunta

- napon praznog hoda Ugorenavedenomizrazuposljednjilanizraza(

/

)predstavljastrujurasipanjau zemlju, koja je znatno manja u odnosu na struje

i

, pa se moe zanemariti. Struja zasienja diode moe se eksperimentalno odrediti primjenjujui napon

u mraku i mjereistrujukojaodlaziuelije.Ovastrujaestosenazivastrujamrakailiobrnutastruja zasienjadiode.Naovajsenaindobivajudvijegraninetokeustrujno-naponskojkarakteristici FNelije,aostalesetokedobijumjerenjem.Postojiiovisnostovekarakteristikeuodnosuna jakost suneva zraenja (Sl. 3.7. b) ). 20 a)b) Sl.3.7. a) Strujno naponska karakteristika fotonaponske elije b)Ovisnost strujno naponske karakteristike o jakosti suneva zraenja 3.4.4Karakteristini otpor i snaga fotonaponske elije Pomou napona praznog hoda i struje kratkog spoja moe se definirati karakteristini otpor

[] ( 3 3 ) Snaga fotonaponske elije dobiva se kao umnoak napona i struje: [

] [W] ( 3 4 ) Snagakojuidealnaelijamoedatijerazliitauodnosunasnagukojumoedatirealna. Raunskisemoedobititraenjemekstremafunkcije(34)odnosnoodreivanjempovrine pravokutnika prema slici 3.8.koji ima maksimalnu povrinu. 21 Sl. 3.8. Maksimalna snaga idealne i realne fotonaponske elije Maksimalna (vrna) snaga Pm koju FN elija moe dati moe se prikazati i pomou napona praznog hoda i struje kratkog spoja

[Wp]( 3 5 ) gdje je :

( 3 6 ) Faktorpunjenja(FF=FillFactor)definiranjeomjerompovrinepravokutnikaUmiImi povrine drugog sa stranicama

i

. Faktorpunjenjapokazujekolikojestvarnaelijablizuidealnoj,pokarakteristikama, odnosnokoliki jeutjecajserijskogotporaFNelije.FaktorpunjenjaFFopadalinearnosomjerom

/

i

/

. gdje je :

serijski,

paralelni i

karakteristini otpor FN elije i obino iznosi 0.7< FF