6. Przykładowe zagadnienia i pomiary laboratoryjne z zakresu praktycznego zastosowania ogniw i systemów PV
202
6.1. Pomiary podstawowych parametrów i charakterystyk elektrycznych ogniw słonecznych.
6.1.1. Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych
6.1.2. Charakterystyki pojemności złączowej
6.1.3. Pomiar i znaczenie charakterystyk wydajności kwantowej . . .
6.2. Wpł yw warunków oświetlenia, temperatury i obciążenia na pracę ogniw słonecznych
6.2.1. Pomiary transmitancji optycznej w ogniwach fotowoltaicznych
6.2.2. Zależ ność parametrów ogniw PV dla róż nych warunków oświetlenia
6.2.3. Wpł yw kąta padania światła na pracę ogniw słonecznych
6.2.4. Wpł yw temperatury na pracę ogniw i modułów fotowoltaicznych
6.3. Konfiguracja robocza modułów fotowoltaicznych i efekty niedopasowania
6.3.1. Rezystancja szeregowa i równoległa w ogniwach słonecznych. .
6.3.2. Konfiguracja ogniw i modu łów fotowoltaicznych oraz wpł yw zacienienia na parametry pracy instalacji
6.3.3. Niedopasowanie prądowe i napięciowe w instalacjach PV
6.4. Systemy hybrydowe ogniwo – kolektor słoneczny
6.5. Literatura
1. Struktura i zasada działania
ogniwa słonecznego
1.1. Energia słoneczna jako źródło odnawialne
Promieniowanie słoneczne jest podstawowym ź ród łem energii w naszym uk ładzie planetarnym, czyli również głównym ź ródłem energii dla naszej planety. Masa Słońca jest 330 tysięcy razy większa od masy Ziemi i wynosi 1,991·1030 kg, co stanowi obecnie około 99,87% masy całego uk ładu słonecznego [1]. Źródłem energii słonecznej w postaci promieniowania są reakcje termojądrowe (fuzja jądrowa), dzięki którym Słońce wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną energię równą ponad 8,33·1024 kWh dziennie. Słońce emituje fale elektromagnetyczne o bardzo szerokim widmie. Począwszy od fal o najmniejszej dł ugości i największej częstotliwości wyróż niamy promieniowanie gamma, rentgenowskie (X), ultrafioletowe, a ż wreszcie promieniowanie widzialne oraz fale dł u ższe, czyli podczerwień, mikrofale oraz fale radiowe. Rozk ład i podział promieniowania elektromagnetycznego przedstawia rys. 1.1.
Gęstość mocy emitowanej ze Słońca wynosi 62,5 MW/m 2, natomiast do powierzchni atmosfery ziemskiej, odległej od Słońca o 150 milionów kilometrów, dociera około 1360 W/m 2 (wg NASA 1360,8 ± 0,5 W/m 2, wg WMO – World Meteorological Organization – 1367 W/m 2) [2]. Wielkość ta jest oznaczana jest jako stała słoneczna lub TSI (ang. Total Solar Irradiance), czyli cał kowite natężenie promieniowania słonecznego. Określa ona cał kowit ą ilość energii przenoszonej przez promieniowanie S łońca na powierzchnię jednego metra kwadratowego, ustawioną prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych i umieszczoną w odległości od Słońca równej średniej orbicie ziemskiej. Redukcja energii Słońca wynika w tym przypadku jedynie z wielkości kąta przestrzennego, gdyż w próż ni nie zachodzi rozpraszanie ani absorpcja światła. Warto zauważ yć, że ze względu na zmiany zachodz ą ce w aktywności słonecznej wielkość emitowanej energii nie jest stała, lecz podlega pewnym fluktuacjom w ramach tzw. cykli słonecznych. Nat ęż enie promieniowania słonecznego docierają cego do atmosfery waha się
1. Struktura i zasada działania ogniwa słonecznego
Rys. 1.1. Spektrum fal elektromagnetycznych; na podstawie [3, 4]
rocznie o około 6,6% w zależ ności od zmian odległości Ziemi i Słońca. Są powtarzalne fazy o okresie 11 lat, w wyniku których w niewielkim stopniu zmienia się temperatura Słońca i wielkość emitowanej energii, co jednak ze względów energetycznych jest pomijalne w dł u ższym okresie czasu.
Uż yteczne energetycznie promieniowanie słoneczne pochodzi w przeważającej części od tak zwanej fotosfery – zewnętrznej powierzchni warstwy gazowej Słońca. Temperatura fotosfery wynosi około 5780 K, zaś jej emisja to głównie promieniowanie elektromagnetyczne o widmie ciągł ym. Maksimum rozk ładu energii widma przypada na zakres światła widzialnego o dł ugości około 460 nm, co odpowiada barwie żółto-zielonej. Fakt ten zachęca do modelowania rozkładu promieniowania słonecznego w oparciu o model ciała doskonale czarnego, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana. W rzeczywistości jednak emisja słoneczna odbiega od idealnego rozk ładu ciała doskonale czarnego, co przedstawia rys. 1.2.
Największe różnice między pokazanymi na rysunku 1.2 przebiegami występują dla zakresu fal krótkich i wynikają z niejednorodnego sk ładu i budowy Słońca,
Rys. 1.3. Wpływ atmosfery ziemskiej na światło słoneczne; na podstawie [9]
1.1. Energia słoneczna jako źródło odnawialne
5. Projektowanie instalacji fotowoltaicznych w praktyce
5.6. Analiza przykładowego projektu PV
Analiza przyk ładowego projektu modelowej instalacji fotowoltaicznej została przeprowadzona na podstawie pracy studentki Politechniki Ł ódzkiej zrealizowanej z wykorzystaniem oprogramowania PV*SOL premium, w ramach studiów drugiego stopnia [21]. Projekt sk łada się z czterech części, tj. opisania warunków początkowych projektowanej instalacji, projektu technicznego instalacji w wybranym programie, analizy rynku oraz analizy opłacalności wraz z obliczeniem czasu zwrotu instalacji.
Instalacja została zaprojektowana do wykorzystania w domu jednorodzinnym znajdującym się w województwie łódzkim, w powiecie łowickim, w miejscowości Brodne Józefów. Wspó ł rzę dne geograficzne wybranej lokalizacji to: 52°15’ N, 19°55’ E. Jest to istniejący budynek zamieszkiwany przez cał y rok. Do powierzchni mieszkalnej jest dobudowany garaż wraz ze spiżarnią. Dach powierzchni mieszkalnej, widoczny na rys. 5.31, jest skierowany na wschód, natomiast dach garaż u jest skierowany na pół noc oraz poł udnie (rys. 5.32). Nieopodal domu znajduje się du ża stodoła, a za nią pola. Na rysunku 5.33 lokalizację budynku pokazano z lotu ptaka. Na czerwono zaznaczono teren należący do u ż ytkowników obiektu.
Rys. 5.31. Widok domu z ulicy (północny wschód)
5.6. Analiza przykładowego projektu PV
Rys. 5.33. Widok z lotu ptaka wybranej lokalizacji
5.6.1. Specyfikacja projektowanej instalacji
Poniżej przedstawiano szczegóły projektowanej instalacji. W podpunkcie a) opisano zapotrzebowanie rodziny, dla której będzie instalowana instalacji. W podpunkcie b) omówiono wybrane umiejscowienie instalacji. Natomiast w podpunkcie c) opisano wybrane moduł y fotowoltaiczne oraz falownik.
Rys. 5.32. Widok garażu od południowego zachodu
4. Projektowanie instalacji słonecznych
4.1. Instalacje sieciowe i wyspowe
Ogniwa słoneczne jako konwertery energii są wykorzystywane w praktyce w instalacjach energetycznych prądu stałego lub prądu przemiennego (zazwyczaj o parametrach sieciowych). Instalacje tego typu oprócz samych ogniw zawierają wiele elementów niezbędnych do magazynowania, transformowania, przesył u i kontroli energii. Szczegółowy zestaw elementów wykorzystywanych w poszczególnych rodzajach instalacji zależ y od ich konstrukcji, przeznaczenia, lokalizacji i sposobu montaż u. Podstawowymi typami instalacji fotowoltaicznych są tak zwane instalacje sieciowe (ang. on-grid )oraz instalacje wyspowe (ang. off-grid ). Ze względu na róż ną konstrukcję wynikającą z przeznaczenia i specyfiki działania oba systemy zostaną omówione odrębnie w dalszej części rozdział u. Rozwinięty schemat instalacji fotowoltaicznej zawierający podstawowe komponenty wykorzystywane zarówno w konfiguracji sieciowej, jak i wyspowej prezentuje rys. 4.1.
Rys. 4.1. Typowe elementy składowe systemu fotowoltaicznego
Podstawowym, pierwotnym elementem składowym każdego systemu są moduły fotowoltaiczne zawierające ogniwa słoneczne. Ze względu na du żą wra żliwość na działanie wilgoci, utlenianie oraz udary mechaniczne, większość typów ogniw
4.1. Instalacje sieciowe i wyspowe
słonecznych nie jest w stanie funkcjonować w warunkach zewnętrznych bez zabezpieczenia w postaci odpowiednio skonstruowanego moduł u fotowoltaicznego.
Do podstawowych funkcji moduł u fotowoltaicznego należą:
• połączenie mechaniczne ogniw słonecznych;
• po łą czenie elektryczne ogniw słonecznych w odpowiedniej konfiguracji roboczej;
• zabezpieczenie ogniw słonecznych przed czynnikami środowiskowymi;
• umożliwienie łatwego montaż u mechanicznego modułów;
• zapewnienie zgodności z zasadami kompatybilności elektromagnetycznej EMC.
Typowy modu ł fotowoltaiczny złożony jest z kilku warstw zapewniających jego właściwe funkcjonowanie i odpowiednie parametry Rysunek 4.2 przedstawia przekrój przez typowy współczesny moduł fotowoltaiczny.
Rys. 4.2. Budowa współczesnego modułu fotowoltaicznego (na podstawie [1]). Elementy składowe: 1 – szyba, 2 – folia polimerowa EVA, 3 – krzemowe monokrystaliczne ogniwa słoneczne połączone w wybranej konfiguracji, 4 – folia EVA, 5 – elektroda zbiorcza, 6 – folia TEDLAR oraz rama aluminiowa, 7 – konektory i puszka przyłączeniowa
Szyba stosowana w konstrukcji modułów słonecznych jest elementem nadającym odpowiednią sztywność i odporność mechaniczną konstrukcji. Do podstawowych wymagań stawianych szklanemu pokryciu modułów fotowoltaicznych należą:
• wysoka transmitancja optyczna w szerokim zakresie widma słonecznego (zależ nie od typu ogniw);
