Spis treści
Transkrypt
Spis treści
Spis treści WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 WYKAZ UŻYWANYCH SKRÓTÓW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 WSTĘP 1. ........................................................................................ 17 ENERGIA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO I JEJ WYKORZYSTANIE . ....... . .... .. . ......... .. ..... ... .......... ... ..... .. ... . 21 Wpływ odległości Ziemi od Słońca oraz położenia geograficznego na właściwości promieniowania słonecznego ...... ... ... ... ..... ..... ..... .... .. . . 1.2. Struktura promieniowania słonecznego ......... ... ... .. ...... ........ ..... ... .... . 1.2.1. Wpływ ukształtowania terenu .......... .. .......... .. ..... .. ............ ... .... .. .. . 1.2.2. Wpływ atmosfery na widmo promieniowania słonecznego .. ................... . 1.3. Zasoby energii słonecznej w Polsce i w innych krajach europejskich ........... . 1.4. Wykorzystanie promieniowania słonecznego w siłowniach fotowoltaicznych Europy Środkowej ............................................... . 1.1. 21 24 24 26 28 33 2. PODSTAWY FIZYCZNE DZIAŁANIA OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH ........................................... . ....... ..... ... . 37 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.7.1. 2.7.2. Wstęp 2.8. ............................................ . .................................... . Zjawisko fotowoltaiczne w złączach p-n .. . ..... ..... . ... .... .... .. ...... ... ... . ... . Odbicie światła od powierzchni ogniwa PV .. ... .... ... ..... ... ........... . ..... .. . Absorpcja światła i generacja nośników ładunku .. ... ........ ... .... ... ..... .. ... . Procesy rekombinacyjne ............... : „ „ .. .... ... ... .... . „ . . . . . ... ..... .... ... . . Wydajność kwantowa i charakterystyka widmowa ogniwa PV ... .... .... ... .... . Charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) oświetlonego ogniwa PV .......... . Podstawowe parametry „ ..... „ .... „ ... . . „ .. . . . . . . . . .. „ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . „ .. . Ciemna charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa. Modele zastępcze ogniwa słonecznego ...... ..... ....... .. ....... ........ .. .... .... ................... . . Czynniki ograniczające sprawność przetwarzania w ogniwie PV ......... ...... . 37 38 40 41 43 47 49 49 51 54 s Spis treści Wpływ natężenia promieniowania słonecznego oraz temperatury otoczeniana temperaturę znam ionową pracy ogniw w module fotowoltaicznym (NOCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Wpływ temperatury na parametry ogniwa fotowoltaicznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. 3. STRUKTURY WSPÓŁCZESNYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH ........ ...... :................... ........... ............... 65 3.1. Monolityczne ogniwa krzemowe krystaliczne i multikrystaliczne wykonywane w technologii grubowarstwowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wysokosprawne ogniwa z krzemu krystalicznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa typu PERL/PERT . . .. ............. ........... ..... ............................ Ogniwa z tylnym kontaktem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa typu HIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jedno- i wielozłączowe ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa cienkowarstwowe polikrystaliczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa cienkowarstwowe z CdS/CdTe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa cienkowarstwowe typu CIS i CIGS. ... ............ .. . ........ . ... ........ ... Ogniwa cienkowarstwowe jedno- i wielozłączowe z arsenku galu . . . . . . . . . . . . . . Inne konstrukcje ogniw PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa typu SLIVER™ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ogniwa typu SPHELAR® ... .. . . . . ... . . . . . ... . . . ..... .. . .... .. . . ..... .. . . . . ....... .. . . . 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.3. 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 6 60 62 65 66 67 68 69 70 74 74 76 79 83 83 87 4. OGNIWA FOTOWOLTAICZNE Z MATERIAŁÓW ORGANICZNYCH ORAZ UCZULANE BARWNIKIEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 93 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.2.4. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.4. 4.5. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Charakterystyka organicznych ogniw fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura pasmowa materiałów organicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procesy zachodzące w czasie pracy organicznych ogniw fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontakty omowe i prostujące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Działanie organicznych ogniw fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Architektura organicznych ogniw fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heterozłącze dwuwarstwowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heterozłącze przestrzenne..... .... .... ... .... . . ... ... .............. . .... ... .. ... . ... Ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perspektywy materiałów organicznych w fotowoltaice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. MODUŁY 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Konstrukcja modułów fotowoltaicznych .. ....... .. . .................... . ........... Sposoby hermetyzacji modułów PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wpływ hermetyzacji ogniw PV na ich właściwości optyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wpływ zacienienia na pracę modułów fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 94 94 95 96 97 99 99 100 101 104 107 FOTOWOLTAICZNE ..... ... ..... ................. . ........ . ... ........ 109 109 111 115 116 Spis treści 6. WPŁYW WARUNKÓW ATMOSFERYCZNYCH NA PRACĘ MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH . . .. . ..... ... . . ... .. ........... . .... . .. . 123 6.1. Systemy pomiarowe i zbierania danych Uniwersytetu Opolskiego ... ....... . . .. . 123 6.1.1. Stanowisko badawcze monitorujące pracę systemu fotowoltaicznego 6.1.2. 6.2. 6.3. 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.4. 6.5. 7. 7.1. 7.2. 7.2.1. 7.2.2. 7.2.3. 7.2.4. 7.3. 7.3.1. 7.3.2. 7.4. 8. oraz dane meteorologiczne ......... ... ... „ • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Stanowisko badawcze do testowania modułów fotowoltaicznych ......... . .... . Badanie wpływu temperatury modułu Tc i otoczenia T•mb ....... . ....... . ...... . . Wpływ zawartości pary wodnej w atmosferze ... ............................... . . . Badania symulacyjne .. .... .. ..... ......... ... ...... .. .. . ...... . ..... .... .... ........ . . Badania doświadczalne ............ .................................................. . Wpływ zawartości pary wodnej oraz średniej energii fotonów promieniowania słonecznego na parametry modułów PV ....................... . Wpływ kąta padania promieniowania słonecznego ... .... .. ..................... . Wpływ wiatru .. ...... .. ...... .. ............ .. ..... . ..... ... ... ....................... . OGNIWA FOTOWOLTAICZNE WIELOZŁĄCZOWE I OPTYMALIZACJA SPRAWNOŚCI .. „ „ „ „ „ „ „ „ „ „. „ „ „ „ „ „ . „ „. „. Analiza ilościowa ogniwa PV wielozłączowego ..... .. ... .... .... .................. Optymalizacja szerokości przerw energetycznych absorberów jednoi wielozłączowych ogniw PV dla charakterystycznych warunków pracy . . . . . . . . Rozkłady widma promieniowania słonecznego dla dni zdefiniowanych projektem normy !EC 61853 (draft 82/254) .... .. .... .. ..... ... ...... ... ... .. .... Rzeczywista temperatura pracy modułów PV w różnych warunkach pracy .... „ . „ .. .... „ „ . .. . „ . . . . . „ .. „ .. „ .... „ ... .. „ ..... „ . . . . . „ . . . . . . . „ . . . . . „ Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej jednozłączowych ogniw PV dla różnych warunków pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej dwuzłączowych i wielozłączowych ogniw PV dla różnych warunków pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wpływ współczynnika masy powietrza (AM) na pracę ogniw /modułów jedno- i wielozłączowych .. .. ... ....... . ................... .. ..... ... .... .. ........... Wpływ szerokości przerwy energetycznej ogniw PV na ich pracę w warunkach zmiennego współczynnika masy powietrza......... .. ....... ... ... Wpływ kształtu charakterystyk czułości widmowej ogniw PV na ich pracę w warunkach zmiennego współczynnika masy powietrza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optymalizacja szerokości przerwy energetycznej absorberów jednoi wielozłączowych ogniw PV w warunkach klimatycznych Polski Południowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 127 128 132 132 133 135 137 139 141 141 144 144 147 147 149 152 152 154 156 ANALIZA WIELOLETNIEJ PRACY MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH ....... ... .... : .................................. ......... .. 159 8.1. Analiza warunków meteorologicznych w okresie testowania modułów ......... 8.1.1. Rozkład wartości napromieniowań . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2. Rozkład wartości temperatury oraz natężenia promieniowania słonecznego . . 8.1.3. Rozkład chwilowych wartości indeksu składowej rozproszonej promieniowania słonecznego....... ..... .... .... .. ............................... .. . 159 159 160 161 7 Spis treści Rozkłady zawartości pary wodnej i średniej wartości energii fotonów światła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Analizy sprawności energetycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Analiza zmian wartości współczynnika PR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4. Zdolność kumulacji ładunku i energii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5. Analiza uzysku energii z pozycjonowania modułów w warunkach Polski Południowej ..................... „............................... ...... .. ... ... 8.5.1. Krótkoterminowa analiza uzysku energii ...................................... .. ... 8.5.2. Długoterminowa analiza uzysku energii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6. Podsumowanie badań ............................. . . ........................ .. ..... . . 8.1.4. 163 165 166 168 171 171 175 176 9. NAJNOWSZE OSIĄGNIĘCIA I PERSPEKTYWY ROZWOJU FOTOWOLTAIKI ............ ............ .. ...................... .... ... .. . ....... .... 177 9.1. 9.2. Najnowsze rekordy świata w zakresie sprawności ogniw i modułów PV . . . . . . . . 177 Perspektywy rozwoju fotowoltaiki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 10. PODSUMOWANIE ......... ..... .. .... .... .. ....................................... 189 BIBLIOGRAFIA ...... .. ........... .... .. .. ..... ... ....... . ........ . .......... . .............. 191 SKOROWIDZ .............. ...... .. ...... ...... .... ..... .. .................. . ... ............. 20 3