Fotovoltaika: Solarna elektrana i solarne ćelije u teoriji i praksi
Fotovoltaika: Solarna elektrana i solarne ćelije u teoriji i praksi
Riječ fotovoltaik je kombinacija grčke riječi za svjetlost i ime fizičara Allesandro Volta. Identifikuje direktnu konverziju sunčeve svetlosti u energiju pomoću solarnih ćelija. Proces konverzije zasnovan je na fotoelektričnom efektu koji je otkrio Alexander Bequerel 1839. Fotoelektrični efekat opisuje oslobađanje pozitivnih i negativnih nosača punjenja u čvrstom stanju kada svetlost udari na njenu površinu.
Kako funkcioniše solarna ćelija?
Solarne ćelije su sastavljene od različitih poluprovodničkih materijala. Poluprovodnici su materijali koji postaju električno provodljivi kada se snabdevaju svetlom ili toplinom, ali koji rade kao izolatori na niskim temperaturama.
Preko 95% svih solarnih ćelija proizvedenih širom sveta sastoji se od poluprovodničkog materijala Silicon (Si). Kao drugi najugroženiji element u zemaljskoj kori, silicijum ima prednost, da je dostupan u dovoljnim količinama, a dodatno prerada materijala ne opterećuje životnu sredinu. Za proizvodnju solarne ćelije poluprovodnik je kontaminiran ili "dopiran". "Doping" je namjerno uvođenje hemijskih elemenata, sa kojima se može dobiti višak bilo pozitivnih nosača punjenja (p-provodni poluprovodnički sloj) ili negativnih nosača punjenja (n-provodni poluprovodnički sloj) iz poluprovodničkog materijala. Ako se kombinuju dva različito kontaminirana sloja poluprovodnika, tzv. Pn-spoj rezultira granicom slojeva.
Na ovom spoju izgrađeno je unutrašnje električno polje što dovodi do razdvajanja nosača punjenja koje oslobađaju svetlost. Kroz metalne kontakte, električno napajanje se može koristiti. Ako je vanjsko kolo zatvoreno, što znači da je potrošač povezan, onda struja struje struje.
Silicijumske ćelije su otprilike 10 cm većim od 10 cm (nedavno i 15 cm do 15 cm). Transparentni anti-refleksivni film štiti ćeliju i smanjuje refleksivni gubitak na površini ćelije.
Karakteristike Solarne ćelije
Upotrebljivi napon iz solarnih ćelija zavisi od poluprovodničkog materijala. U silicijumu iznosi otprilike 0,5 V. Napon na priključku je slabo zavisan od zračenja svetlosti, dok se trenutni intenzitet povećava sa većom osvetljenošću. Na primer, silicijumska ćelija kapaciteta 100 cm, dostiže maksimalni intenzitet struje od približno 2 A kada zrači 1000 W / m².
Izlaz (proizvod električne energije i napon) solarne ćelije zavisi od temperature. Veće temperature ćelija dovode do manjih izlaza, a time i do smanjenja efikasnosti. Nivo efikasnosti ukazuje na to koliko se odmerene količine svetlosti pretvaraju u korisnu električnu energiju.
Različiti tipovi ćelija
Mogu se razlikovati tri vrste ćelija prema vrsti kristala: monokristalni, polikristalni i amorfni. Da bi se proizvela monokristalna silicijumska ćelija, neophodan je apsolutno čisti poluprovodnički materijal. Monokristalinske šipke se ekstrahuju iz rastopljenog silicijuma i zatim se žale u tanke ploče. Ovaj proizvodni proces garantuje relativno visok nivo efikasnosti.
Proizvodnja polikristalnih ćelija je ekonomičnije. U tom procesu, tečni silicijum se sipa u blokove koji se kasnije sijaju u ploče. Prilikom očvršćavanja materijala formiraju se kristalne strukture različitih veličina, na čijim granicama se pojavljuju defekti. Kao rezultat ovog defekt kristala, solarna ćelija je manje efikasna.
Ako je silikonski film odložen na staklu ili drugom materijalu supstrata, ovo je tzv. Tzv. Amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1μm (debljina ljudske kose: 50-100 μm), pa su troškovi proizvodnje niži zbog niskih troškova materijala. Međutim, efikasnost amorfnih ćelija je znatno niža nego kod drugih tipova ćelija. Zbog toga se prvenstveno koriste u opremi niske snage (satovi, džepni kalkulatori) ili kao fasadni elementi.
Materijal | Nivo efikasnosti u% Lab | Nivo efikasnosti u% Proizvodnja |
|---|---|---|
Monokristalni silicijum | cca. 24 | 14 do 17 |
Polikristalni silicijum | cca. 18 | 13 do 15 |
Amorfni silicijum | cca. 13 | 5 to7 |
Od ćelije do modula
Kako bi se obezbedile odgovarajuće napone i izlazi za različite primene, pojedine solarne ćelije su međusobno povezane kako bi se formirale veće jedinice. Ćelije povezane u seriji imaju veći napon, a one povezane paralelno proizvode više struje. Međusobno povezane solarne ćelije su obično ugrađene u providni etil-vinil-acetat, opremljen aluminijumskim ili nerđajućim čeličnim okvirom i prekriven prozirnim staklom na prednjoj strani.
Tipične ocene snage takvih solarnih modula su između 10 Wpeak i 100 Wpeak. Karakteristični podaci odnose se na standardne uslove ispitivanja od 1000 W / m² solarnog zračenja na temperaturi ćelije od 25 ° C. Standardna garancija proizvođača od deset ili više godina je prilično dugačka i pokazuje visoke standarde kvaliteta i očekivani životni vijek današnjih proizvoda.
Prirodne granice efikasnosti
Pored optimizacije proizvodnih procesa, radi se i na povećanju efikasnosti, kako bi se smanjili troškovi solarnih ćelija. Međutim, različiti mehanizmi gubitaka postavljaju ograničenja na ove planove. U osnovi, različiti poluprovodnički materijali ili kombinacije su pogodni samo za specifične spektralne opsege. Zbog toga ne može se koristiti određeni dio zračenja energije, jer kvant svjetlosti (fotoni) nemaju dovoljno energije da "aktiviraju" nosače punjenja. Sa druge strane, određena količina viška energije fotona pretvara se u toplotu, a ne u električnu energiju. Pored toga, postoje i optički gubici, kao što je senčenje površine ćelije kroz kontakt sa staklenom površinom ili odraz dolaznih zraka na površini ćelije. Ostali mehanizmi gubitaka su gubici električnog otpora u poluprovodnici i priključnom kablu. Međutim, značajan je i ometajući uticaj kontaminacije materijala, površinskih efekata i kristalnih defekata.
Mehanizam pojedinačnog gubitka (fotoni s premalo energije se ne apsorbuju, višak fotona energije pretvara u toplotu) ne može se dodatno poboljšati zbog inherentnih fizičkih ograničenja koje nameću sami materijali. Ovo dovodi do teorijskog maksimalnog nivoa efikasnosti, odnosno oko 28% za kristalni silicijum.
