Wstęp
Kolektor słoneczny
Bateria słoneczna
Koncentrator promieniowania słonecznego
Formularz kontaktowy
Najczęściej zadawane pytania
Aktualności
Literatura - baterie słoneczne
Bateria słoneczna (ogniwo fotowoltaiczne) służy do przemiany energii słonecznej w energię elektryczną. Ogniwa słoneczne ze względu na zastosowany w nich materiał podzielić można na:
- krystaliczne ogniwa krzemowe:
- ogniwa z krzemu monokrystalicznego (osiągają sprawność 24% w warunkach laboratoryjnych, seryjnie produkowane ogniwa osiągają sprawność 17%, cechują się dużym kosztem produkcji),
- ogniwa z krzemu polikrystalicznego (sprawności zawsze mniejsze od monokrystalicznego z powodu defektów strukturalnych, ogniwa polikrystaliczne są tańsze od monokrystalicznych z powodu pominięcia procesu tworzenia monokryształu oraz tańszego kosztu krzemu polikrystalicznego),
- cienkowarstwowe amorficzne ogniwa krzemowe (osiągają sprawność 9% , typowa sprawność ogniwa jest na poziomie 6-7%, koszty wytworzenia ogniwa mniejsze niż krystaliczne),
- polikrystaliczne, cienkowarstwowe ogniwa heterozłączowe (opiera się na technologii stosowania cienkich warstw drogiego materiału, wykazują sprawność dla różnych rodzajów 9-14%, przewiduje się zmniejszenie kosztów wytworzenia tego typu ogniw na skalę masową w stosunku do pozostałych ogniw),
- ogniwa na bazie arsenku galu (osiągają największe sprawności ok. 24 %, największy koszt materiałów i produkcji, stosowany jest głównie w przestrzeni kosmicznej lub systemach koncentrujących energię słoneczną na Ziemi).
Parametry baterii słonecznej
Podstawowe parametry baterii słonecznych podawane przez producentów:
- powierzchnia czynna baterii słonecznej Ap [m2],
- sprawność n [%],
- moc maksymalna Pmax [W],
- napięcie odpowiadające punktowi maksymalnej mocy UMPP [V],
- napięcie otwartego obwodu UOC[V],
- zmiana wartości UOC przy temperaturze różnej od 298 Kelwinów UOC_T[V],
- natężenie odpowiadające punktowi maksymalnej mocy IMPP [A],
- natężenie prądu zwarcia ISC [A],
- zmiana wartości ISC przy temperaturze różnej od 298 Kelwinów ISC_T[A],
- prąd nasycenia diody I0 [nA],
- rezystancja szeregowa RS [OM],
- rezystancja równoległa RW [OM],
- wymiary zewnętrzne (wysokość x szerokość x grubość) [mm],
- ciężar [kg].
Ogniwo słoneczne przedstawić można w postaci schematu zastępczego. Jeżeli opisujemy ogniwo słoneczne idealne, wówczas schemat ma następującą postać (rysunek poniżej):
Rys. Schemat zastępczy idealnego ogniwa słonecznego
Biorąc pod uwagę, że określenie nasłonecznienia oraz temperatury otoczenia ma charakter losowy i jest obarczone kilkuprocentowym błędem, wydaje się, że do analizy pracy systemów fotowoltaicznych zastosowanie modelu idealnego jest wystarczające. W przypadku gdy kilkunastoprocentowe przewymiarowanie nie jest pożądane wówczas stosuje się modele o zwiększonej dokładności. Do modeli tych zalicza się m.in. model z pięcioma lub siedmioma parametrami. Pamiętając należy, że model idealny składa się z trzech parametrów. Zastosowanie modelu z siedmioma parametrami zwiększa skomplikowanie obliczeń dla którego wyróżniamy dwa rodzaje diod. Zmniejszenie skomplikowania modelu przy wystarczającej dokładności obliczeń uzyskać można dla modelu rzeczywistego z pięcioma parametrami. Prostym sposobem stwierdzenia dokładności obliczeń jest wykreślenie charakterystyki prądowo-napięciowej danego ogniwa. Jeżeli wyznaczone wartości pokrywają się z parametrami takimi jak UMPP, IMPP, UOC i ISC wówczas możemy domniemywać o większej dokładności danego modelu w stosunku do pozostałych. Poniżej przedstawiony jest model z pięcioma parametrami.
Rys. Schemat zastępczy ogniwa słonecznego dla modelu z pięcioma parametrami
Przedstawiony schemat uwzględnia przede wszystkim wpływ rezystancji szeregowej RS oraz równoległej RW. Rezystancja szeregowa określana jest jako suma rezystancji kontaktowych, bazy oraz i innych warstw ogniwa. Niedostatecznie mała rezystancja RS wpływać może na fotoprąd, dlatego pożądana jest najmniejsza wartość RS. Natomiast rezystancja bocznikowa spowodowana jest drogami upływu spowodowanymi defektami strukturalnymi, wpływając na fotonapięcie przy niedostatecznie dużej rezystancji. Dla ogniwa idealnego rezystancja równoległa jest równa nieskończoności. Spośród przedstawionych rezystancji największy wpływ na sprawność ma rezystancja szeregowa, której wartość powinna być mniejsza od 1 [Om].
Jeżeli rozpatrujemy model ogniwa z pięcioma parametrami przy zmianie temperatury otoczenia oraz nasłonecznienia wówczas chcąc wyznaczyć I najpierw liczymy wartości Iph, Io, ewentualnie UOC i podstawiamy do wzoru na prąd obciążenia. Stosując powyższe zależności możliwe jest wykreślenie podstawowych charakterystyk modułu fotowoltaicznego (prąd w funkcji napięcia, mocy w funkcji napięcia). Poniżej przedstawione są charakterystyki dla modułu fotowoltaicznego 65W BP 365 firmy BP Solar.
Na podstawie poniższego rysunku zauważalny jest wzrost sprawności wraz ze wzrostem nasłonecznienia. Zmiana napięcia UOC w niewielkim stopniu zależy od nasłonecznienia, co ułatwia projektowanie systemów słonecznych dla określonego zakresu napięcia. A więc stosowanie układów pozycjonowania szczególnie jest uzasadnione dla modułów fotowoltaicznych, dla których zwiększenie nasłonecznienia konieczne jest ze względu na koszt wytworzonej energii elektrycznej.
Rys. Wpływ natężenia promieniowania słonecznego na zmianę charakterystyki: a) prądowej w funkcji napięcia, b) mocy w funkcji napięcia
Tabela Wpływ natężenia promieniowania słonecznego na moc maksymalną i sprawność modułu
Wpływ temperatury na sprwność baterii słonecznych jest większy niż zmian nasłonecznienia. Zmniejszenie temperatury zwiększa sprawność. Rozwiązaniem tego problemy jest zasosowanie hybryd bateri i kolektorów słonecznych.
Rys. Wpływ temperatury otoczenia na zmianę charakterystyki (dla GB=1000W/m2): a) prądowej w funkcji napięcia, b) mocy w funkcji napięcia
Tabela Wpływ temperatury otoczenia na moc maksymalną i sprawność modułu (dla GB=1000W/m2)
Dla pozycjonowania nadążnego modułu fotowoltaicznego o maksymalnej mocy 65W w okresie całego roku (rysunek poniżej) można spodziewać się energii elektrycznej o wartości ok. 70 [kWh] (ok. 130 [kWh/m2]) co daje sprawność większą niż 10% w okresie całego roku (dla nasłonecznienia ok. 1250 [Wh/m2] bez składowej zerowej promieniowania słonecznego). Dla stałej optymalnej pozycji modułu osiągnąć można ok. 50 [kWh] i sprawność ok. 9% w ciągu całego roku. A więc pozycjonowanie nadążne zwiększa wytworzoną energię elektryczną o ok. 40 %.
Rys. Energia elektryczna modułu fotowoltaicznego 65W BP 365 firmy BP Solar dla określonego nasłonecznienia: a) wartości dzienne, b) wartości roczne
