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