coeficients z prądem

Część 1
Wprowadzenie
Przegląd funkcji, układów i zagadnień
Źródło energii w systemie fotowoltaicznym
●
Ogniwo fotowoltaiczne / słoneczne



●
Moduł fotowoltaiczny / Panel
słoneczny



●
photovoltaic / solar cell
pojedynczy przyrząd
półprzewodnikowy
U ≈ 0,5 V, P ≈ 3 W
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 > Eg
●
Niewykorzystana energia (E − Eg, ok. 80%) – ciepło

●
najlepiej by Eg ≈ 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
Iℓ / Io ~ 1010 (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
Pmax = Isc ∙ Voc
Typowo FF = 0,5…0,8

Pmax < Isc ∙ Voc
●
Rs ↗ ⇒ FF ↘
●
Rp ↘ ⇒ FF ↘
●
Iℓ/Io ↘ ⇒ FF ↘
Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16
9
Wpływ temperatury
●
●
●
Prąd wsteczny Io 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/m2 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
W/m2

warunki standardowe
AM = 1,5 ⇔ z = 48,2°
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 = Vnom:

Vmpp ≈ 16…18 V przy pełnym nasłonecznieniu

Vmpp ≈ 0,8 Voc ⇒ Voc ≈ 20 V


●
Brak nasłonecznienia



●
33…36 ogniw szeregowo (0,5…0,6 V każde)
moc sumaryczna 70…100 W
polaryzacja w kierunku przewodzenia przez akumulator
⇒ rozładowanie, straty mocy
dioda blokująca ⇒ straty mocy podczas ładowania
więcej ogniw w łańcuchu ⇒ Ucell = Ubat/n < UF(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