100967719

Spis treści

Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1. Struktura i zasada działania ogniwa słonecznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 11 18

1.1. Energia słoneczna jako źródło odnawialne . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2. Efekt fotowoltaiczny w złączu półprzewodnikowym . . . . . . . . . . .

1.3. Konstrukcja bazowa i podstawowe parametry elektryczne modelowego jednozłączowego ogniwa PV na bazie homozłącza p-n . . . . . . . . . .

1.3.1. Budowa modelowego ogniwa słonecznego . . . . . . . . . . . . .

1.3.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.3. Rezystancja szeregowa i rezystancja równoległa . . . . . . . . . .

1.3.4. Charakterystyka pojemnościowa . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.5. Charakterystyka wydajności kwantowej . . . . . . . . . . . . . .

1.3.6. Modele elektryczne rzeczywistych ogniw słonecznych . . . . . .

1.4. Limity teoretyczne i metody poprawy sprawności fotokonwersji w ogniwach słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24 24 28 38 40 43 46

2. Przekrój rozwiązań konstrukcyjnych współczesnych ogniw fotowoltaicznych . . . .

58

2.1. Podstawowe struktury fotowoltaiczne oparte na półprzewodnikach mono- i polikrystalicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. Ogniwa PV wykorzystujące heterozłącze półprzewodnikowe . . . . . . .

2.3. Fotowoltaiczne struktury cienkowarstwowe na bazie związków nieorganicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1. Ogniwa słoneczne na bazie heterozłącza CdS/CdTe . . . . . . . .

2.3.2. Struktury fotowoltaiczne wykorzystujące związki CIS, CIGS i CIGSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.3. Przyrządy z krzemu amorficznego i materiałów pochodnych . . .

2.3.4. Wykorzystanie CuO i Cu2O oraz innych związków alternatywnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4. Ogniwa organiczne, hybrydowe oraz bazujące na materiałach perowskitowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50 54

60 66 71 77 82 86 91 93 5

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 5

03.08.2021 14:29:59

Spis treści

2.5. Alternatywne konstrukcje struktur fotowoltaicznych . . . . . . . . . . .

2.6. Systemy PVT jako rozwiązanie problematyki wymiany ciepła w instalacjach fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Rozwój zastosowań systemów fotowoltaicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Rys historyczny zastosowań kosmicznych i aplikacji naziemnych . . . . .

3.2. Elektrownie fotowoltaiczne i systemy rozproszone (off-grid ) . . . . . . .

3.3. Fotowoltaika zintegrowana z budownictwem (BIPV) . . . . . . . . . . .

3.4. Fotowoltaika elastyczna w zastosowaniach mobilnych . . . . . . . . . . .

3.5. Fotowoltaika w instalacjach na wodzie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. Projektowanie instalacji słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1. Instalacje sieciowe i wyspowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2. Współpraca z innymi źródłami energii w systemach wydzielonych . . . .

4.3. Budowa instalacji fotowoltaicznej – etapy praktycznej realizacji . . . . .

4.3.1. Wymagania prawne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3.2. Projekt instalacji PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3.3. Wykonanie instalacji PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Projektowanie instalacji fotowoltaicznych w praktyce . . . . . . . . . . . . . . . . .

98 105 109

117 117 120 125 133 137 139 142 142 165 173 174 176 178 186

5.1. Zawartość projektu instalacji słonecznej . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2. Mikroinstalacje i system prosumencki . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3. Wymagane kwalifikacje wykonawców i obowiązki inwestora . . . . . .

5.4. Metody i zasady projektowania instalacji fotowoltaicznych . . . . . . . .

5.5. Narzędzia CAD wspierające wymiarowanie instalacji fotowoltaicznej . .

5.5.1. Aplikacja PV*SOL online . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.2. Program SolarGIS pvPlanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.3. Interaktywna baza meteorologiczna PVGIS . . . . . . . . . . . .

5.5.4. Oprogramowanie Archelios Pro Free . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.5. Program sieciowy PV Watts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.5.6. Profesjonalne oprogramowanie PV*SOL premium . . . . . . . .

5.6. Analiza przykładowego projektu PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6.1. Specyfikacja projektowanej instalacji . . . . . . . . . . . . . . .

5.6.2. Symulacja komputerowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6.3. Analiza finansowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.7. Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188 190 194 196 198 202 203 208 217 222 225 229 232 233 237 244 251

6. Przykładowe zagadnienia i pomiary laboratoryjne z zakresu praktycznego zastosowania ogniw i systemów PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

253

6

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 6

03.08.2021 14:29:59

Spis treści

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. Wpływ warunków oświetlenia, temperatury i obciążenia na pracę ogniw słonecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.1. Pomiary transmitancji optycznej w ogniwach fotowoltaicznych . .

6.2.2. Zależność parametrów ogniw PV dla różnych warunków oświetlenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.3. Wpływ kąta padania światła na pracę ogniw słonecznych . . . . .

6.2.4. Wpływ 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 modułów fotowoltaicznych oraz wpływ 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

253 254 260 264 266 267 271 280 282 287 287 290 294 298 301

7

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 7

03.08.2021 14:29:59

1. Struktura i zasada działania ogniwa słonecznego

1.1. Energia słoneczna jako źródło odnawialne Promieniowanie słoneczne jest podstawowym źródłem energii w naszym układzie planetarnym, czyli również głównym źródłem 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 układu 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 długości i największej częstotliwości wyróżniamy promieniowanie gamma, rentgenowskie (X), ultrafioletowe, aż wreszcie promieniowanie widzialne oraz fale dłuższe, czyli podczerwień, mikrofale oraz fale radiowe. Rozkład i podział promieniowania elektromagnetycznego przedstawia rys. 1.1.

Gęstość mocy emitowanej ze Słońca wynosi 62,5 MW/m2, natomiast do powierzchni atmosfery ziemskiej, odległej od Słońca o 150 milionów kilometrów, dociera około 1360 W/m2 (wg NASA 1360,8 ± 0,5 W/m2, wg WMO – World Meteorological Organization – 1367 W/m2) [2]. Wielkość ta jest oznaczana jest jako stała słoneczna lub TSI (ang. Total Solar Irradiance), czyli całkowite natężenie promieniowania słonecznego. Określa ona całkowitą ilość energii przenoszonej przez promieniowanie Słońca 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 próżni nie zachodzi rozpraszanie ani absorpcja światła. Warto zauważyć, że ze względu na zmiany zachodzące w aktywności słonecznej wielkość emitowanej energii nie jest stała, lecz podlega pewnym fluktuacjom w ramach tzw. cykli słonecznych.

Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery waha się 11

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 11

03.08.2021 14:30:00

1. Struktura i zasada działania ogniwa słonecznego

Rys. 1.1. Spektrum fal elektromagnetycznych; na podstawie [3, 4]

rocznie o około 6,6% w zależności 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 dłuższym okresie czasu.

Użyteczne 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 ciągłym. Maksimum rozkładu energii widma przypada na zakres światła widzialnego o długości 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 rozkładu 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 składu i budowy Słońca, 12

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 12

03.08.2021 14:30:00

1.1. Energia słoneczna jako źródło odnawialne

Rys. 1.3. Wpływ atmosfery ziemskiej na światło słoneczne; na podstawie [9]

15

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 15

03.08.2021 14:30:00

5. Projektowanie instalacji fotowoltaicznych w praktyce

5.6. Analiza przykładowego projektu PV Analiza przykładowego projektu modelowej instalacji fotowoltaicznej została przeprowadzona na podstawie pracy studentki Politechniki Łódzkiej zrealizowanej z wykorzystaniem oprogramowania PV*SOL premium, w ramach studiów drugiego stopnia [21]. Projekt składa 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. Współrzędne geograficzne wybranej lokalizacji to: 52°15’ N, 19°55’ E. Jest to istniejący budynek zamieszkiwany przez cały rok. Do powierzchni mieszkalnej jest dobudowany garaż wraz ze spiżarnią. Dach powierzchni mieszkalnej, widoczny na rys. 5.31, jest skierowany na wschód, natomiast dach garażu jest skierowany na północ oraz południe (rys. 5.32). Nieopodal domu znajduje się duża stodoła, a za nią pola. Na rysunku 5.33 lokalizację budynku pokazano z lotu ptaka. Na czerwono zaznaczono teren należący do użytkowników obiektu.

Rys. 5.31. Widok domu z ulicy (północny wschód)

232

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 232

03.08.2021 14:30:13

5.6. Analiza przykładowego projektu PV

Rys. 5.32. Widok garażu od południowego zachodu

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 moduły fotowoltaiczne oraz falownik.

233

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 233

03.08.2021 14:30:13

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, przesyłu i kontroli energii. Szczegółowy zestaw elementów wykorzystywanych w poszczególnych rodzajach instalacji zależy od ich konstrukcji, przeznaczenia, lokalizacji i sposobu montażu. Podstawowymi typami instalacji fotowoltaicznych są tak zwane instalacje sieciowe (ang. on-grid) oraz instalacje wyspowe (ang. off-grid). Ze względu na różną konstrukcję wynikającą z przeznaczenia i specyfiki działania oba systemy zostaną omówione odrębnie w dalszej części rozdziału. 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 dużą wrażliwość na działanie wilgoci, utlenianie oraz udary mechaniczne, większość typów ogniw 142

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 142

03.08.2021 14:30:07

4.1. Instalacje sieciowe i wyspowe

słonecznych nie jest w stanie funkcjonować w warunkach zewnętrznych bez zabezpieczenia w postaci odpowiednio skonstruowanego modułu fotowoltaicznego.

Do podstawowych funkcji modułu fotowoltaicznego należą: • połączenie mechaniczne ogniw słonecznych; • połączenie elektryczne ogniw słonecznych w odpowiedniej konfiguracji roboczej; • zabezpieczenie ogniw słonecznych przed czynnikami środowiskowymi; • umożliwienie łatwego montażu mechanicznego modułów; • umożliwienie łatwej konfiguracji elektrycznej instalacji; • zapewnienie zgodności z zasadami kompatybilności elektromagnetycznej EMC. Typowy moduł 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 (zależnie od typu ogniw); • niski współczynnik odbicia 143

pwn_sa_fotowoltaika_001_304.indd 143

03.08.2021 14:30:07