Paneli sunčanih ćelija

Fakultet elektrotehničke i računarstava Paneli sunčanih ćelija Vladimir Bachler 0036453225

1. Uvod Sunce je zvijezda u centru našega solarnoga sustava. Staro je oko 5 milijardi godina te se nalazi u sredini svog životnog ciklusa. Sunce se sastoji od užarene plazme, a u njenom središtu odvija se termonuklearna reakcija. Termonuklearnom reakcijom vodik se pretvara u helij čime se oslobađa velika količina energije. Ta energija u obliku elektromagnetskog zračenja dolazi i do Zemlje. Sunčeva energija predstavlja neophodnu komponentu za razvoj života kakvog poznajemo. Smatra se da čak 99% energije na Zemlji potječe upravo od Sunca. Od pamtivijeka čovjek je fasciniran Suncem, koristio ga je za praćenje vremena, orijentaciju na dugim putovanjima, a često mu je pridijevao i božansku narav. No u današnje vrijeme postavlja se pitanje kako direktno iskoristiti sunčevu energiju za obavljanje neke nama željene radnje, primjerice opskrba kućanstva električnom energijom. Napredci u fizici u prvoj polovici 19. stoljeća doveli su do otkrića foto-naponskog efekta koji je omogućio izgradnju prve solarne ćelije. Solarna ćelije pretvara sunčevu energiju izravno u električnu. Narednim istraživanjima i napredcima u znanosti i tehnologiji proizvode se nove, efikasnije solarne ćelije. Danas solarne ćelije imaju veliku važnost u ljudskom životu, a mnogi ljudi smatraju da će njihova primjena u narednim godinama postati nezamjenjiva.

2. Solarne ćelije Solarne ćelije su građevni elementi solarnih panela. Njihova funkcija je pretvaranje sunčeve energije u električnu putem foto-naponskog efekta. 2.1. Povijest solarnih ćelija Foto-naponski efekt 1939. godine opazio je francuski fizičar A. E. Becquerel, dok prvu solarnu ćeliju izrađuje Charles Fritts 1883. godine. On je poluvodič selenija presvukao sa veoma tankim slojem zlata te time dobio solarnu ćeliju sa efikasnošću od 1%. Prva praktički primjenjiva solarna ćelija proizvedena je 71 godina poslije u Bell laboratoriju, 1954. godine. Koristili su p-n spoj difundiranog silicija. Ćelija koja je proizvodila 1 W električne snage koštala je $250 dok je u usporedbu s time cijena po vatu za elektranu na ugljen bila oko $3. Tada jedina primjena solarnih ćelija bila je u igračkama. Od zaborava vjerojatno ih je spasila odluka da se solarne ćelije ugrade u satelit Vanguard 1. Prvotno, satelit je trebao biti napajan isključivo iz baterija, a prijedlog da se ugrade solarne ćelije dočekan je sa povećom dozom skepticizma. No, solarne ćelije pokazale su se kao pun pogodak te su se počele ugrađivati u mnoge nove satelite. Slika 1. Satelit Vanguard 1

Na krilima uspjeha, započet je polagan ali primjetan napredak u proizvodnji solarnih ćelija. Preokret u proizvodnji događa se kasnih 60-tih godina prošlog stoljeća, kada je Elliot Berman smanjio proizvodnu cijenu na $10 po vatu. On je koristio odbačeni silicij koji se nije mogao koristiti za integrirane krugove ali je bio dovoljno dobar za solarne ćelije, smanjio je kompleksnost obrade silicija te je više solarnih ćelija smjestio u jedan panel solarni panel čime je dobio veće snage i napone uz minimalni utrošak na ožičenje. U tom trenutku solarni paneli približavaju se običnom čovjeku i svakodnevnoj upotrebi. Danas proizvodna cijena solarnih ćelija kreće se oko $1 po vatu, dok se paneli mogu proizvoditi sa cijenom od $3.40 po vatu. Pad u cijeni omogućio je običnom čovjeku korištenje solarnih ćelija i panela kako bi samostalno proizvodio struju pa čak i izvozio struju u elektroenergetsku mrežu te za to primao određenu novčanu naknadu što od države u obliku poticaja, a što od samog distributera električnom energijom. 2.2. Teorijska podloga Slika 2. Moderne solarne ćelije Osnovni materijal za izradu solarnih ćelija je silicij. Kada foton pogodi elektron čistog silicija, predaje mu energiju koja je proporcionalna frekvenciji tog fotona. Ako je elektron primio dovoljno energije, postaje slobodan elektron. Taj proces postaje izraženiji ako čistom siliciju procesom dopiranja dodamo nečistoće u obliku petero valentnog elementa, primjerice fosfora. Silicij je četvero valentan, a fosfor petero valentan, stoga za svaki fosforov atom postoji jedan elektron koji ne sudjeluje u stvaranju veze. Za taj elektron potrebna je manja energija da bi on postao slobodnim. Takav nečisti silicij nazivamo N-tip silicija. Kako bi solarna

ćelija proizvodila struju, oslobođene elektrone potrebno je natjerati na usmjereno gibanje. To se postiže dodavanjem P-tipa silicija - silicij dopiran sa trovalentnim elementom. Za svaki atom trovalentnog elementa u siliciju, postoji šupljina koja je nosilac pozitivnog naboja. Kada se N-tip i P-tip silicija spoje, javlja se pn-spoj gdje se šupljine i elektroni miješaju te stvaraju električno polje. Električno polje djeluje tako da slobodni elektroni u N-tipu silicija ne mogu preći preko spoja do P-tipa silicija, dok elektroni u P-tipu mogu preći u N-tip silicija. Ako spojimo trošilo između ta dva tipa silicija, elektroni odnosno struja će poteći kroz vanjski krug. Slika 3. Struktura solarne ćelije Moderne ćelije premazuju se slojem koji smanjuje refleksiju svjetlosti kako bi se postigla čim veća efikasnost. Naposljetku dolazi zaštita od vanjskih utjecaja primjerice stakleni pokrivač. Često, više solarnih ćelija spaja se zajedno u solarni panel. Solarni panel ima veći nominalni napon te veću maksimalnu struju od jedne solarne ćelije.

3. Solarni paneli Solarni panel je niz međusobno povezanih solarnih ćelija na nosivoj konstrukciji. Solarni panel često se koristi kao komponenta u izgradnji većeg foto-naponskog sustava, čija je zadaća proizvodnja struje. Kada je solarni panel osvijetljen, on proizvodi istosmjernu struju. Tipična snaga koju jedan moderan panel može dostaviti iznosi između 100 W i 320 W, zavisno o tipu panela. 3.1. Teorijska podloga i konstrukcija Proizvodnja solarnih panela započinje od međusobnog povezivanja solarnih ćelija u seriju kako bi se povećao nominalni napon. Potom se tako povezane ćelije spajaju u paralelu čime se povećava maksimalna struja koju panel može proizvesti. Takav spoj solarnih ćelija polaže se na zaštitno staklo, prekriva se laminatom za poboljšavanje termičkih i mehaničkih svojstva, te se na kraju stavlja zaštitna folija stražnje strane panela. Takav svojevrstan sendvič stavlja se u industrijski laminator gdje se sljedećih 15 min laminira na temperaturi od 80 C. Potom paneli prolaze kontrolu kvalitete pod umjetnim suncem. Uz kontrolirani dozračeni spektar i snagu, mjeri se napon panela. Ako panel prođe kontrolu, stavlja se u metalni okvir te poneki proizvođači panela ugrađuju blocking i by-pass diode. Slika 4. Struktura solarnog panela

Kada je u serijski povezanom nizu solarnih ćelija, jedna ili više ćelija zasjenjena ili oštećena, tada te ćelije predstavljaju trošilo. Da bi se zaobišlo takve ćelije, koriste se by-pass diode. Dioda se spaja u paralelu sa solarnom ćelijom, a omogućuje prolazak struje po putu niskog otpora kada je ćelija zasjenjena ili oštećena. Uz by-pass diode koriste se i blocking diode. To su diode koje se spajaju u seriju sa svakim serijski povezanim lancem solarnih ćelija. One omogućavaju da struja teče isključivo iz serijskog lanca prema trošilu, a ne u drugom smjeru do čega bi došlo kada bi jedan serijski lanac ostvario niži napon od drugih. Također ako se koristi akumulator za pohranu energije, bez blokirajućih dioda, akumulator bi se noću praznio na solarnim panelima. Slika 5. Bypass i blocking diode

3.2. Efikasnost solarnih panela Efikasnost solarnih panela (ŋ) je omjer dobivene električne snage u točki maksimalne snage panela te upadnog sunčevog zračenja. P m Snaga panela u točki maksimalne snage (W). E Snaga upadno zračenje po površini (W/m 2 ). A c Površina solarnog panela (m). Postoje više faktora koji utječu na efikasnost solarne ćelije, a time i solarnog panela. Faktori kao što su: refleksija svjetlosti na površini, termodinamička efikasnost, efikasnost separacije nosioca naboja. Pošto je te parametre teško direktno mjeriti, za mjerenje efikasnosti panela koriste se: mjera kvantne efikasnosti omjer upadnih fotona i broja nosioca naboja koji pridonose ukupnoj struji, napon praznog hoda te faktor ispune omjer maksimalne snage i umnoška napona praznog hoda i struje kratkog spoja. Granica termodinamičke efikasnosti Fotoni sa energijom manjom od zabranjenog područja ne mogu proizvesti elektron-šupljina par te se stoga njihova energija pretvara u toplinu. Za fotone koji imaju energiju veću od zabranjenog područja, samo dio te energije se može pretvoriti u električnu. Kada foton s većom energijom oslobodi elektron, ostatak energije manifestira se kao kinetička energija elektrona. Ta kinetička energija nosioca naboja se putem fonenske interakcije elektron-kristalna rešetka pretvara u toplinu sve dok se kinetička energija nosioca ne izjednači sa prosječnom kinetičkom energijom ostalih nosioca naboja. Solarna ćelija sa jednim pn-spojem ima teoretsku granicu efikasnosti od 33.7%. Solarne ćelije sa više pn-spoja mogu ostvariti veće efikasnosti podjelom upadnog zračenja u manja područja spektra. 2014. godine postignuta je rekordna efikasnost solarne ćelije koja koristi više pn-spjeva, a iznosi čak 44.7%. Teoretska granica efikasnosti za sunčev spektar

iznosi 86%. No danas komercijalno dostupni solarni paneli imaju jedan pn-spoj te ostvaruju maksimalnu efikasnost od 21%. Slika 6. Teoretska maksimalna efikasnost solarne ćelije Kvantna efikasnost Apsorbirani foton može proizvesti elektron-šupljina par. Kada jedan od nosioca naboja dostigne pn-spoj i time pridonese ukupnoj struji kaže se da je taj nosilac naboja prikupljen (engl. collected), u protivnom može biti rekombiniran bez doprinošenja ukupnoj struji. Kvantna efikasnost je definirana kao omjer nosioca naboja koji doprinose ukupnoj struji i broja apsorbiranih fotona. Točka maksimalne snage Točka maksimalne snage solarnog panela odnosi se na točku u U-I krivulji solarnog panela koja rezultira maksimalnom snagom. U-I krivulja solarnog panela ovisi o vanjskim uvjetima, primjerice temperaturi, intenzitetu sunčevog zračenja, kutu upada sunčevih zraka. Promjenom U-I krivulje mijenja se i točka pri kojoj panel daje maksimalnu snagu. Kako bi se panel postavio u točku maksimalne snaga koristi se metoda praćenja točke maksimalne snage. U teoriji ta metoda podrazumljeva da se panel opterećuje sa različitim iznosima otpora.

Slika 7. Točka maksimalne snage Time se mijenja radna točka na U-I krivulji. Za svaku promjenu otpora prati se struja i napon panela, odnosno njihov umnožak tj. snaga. Kada se nađe maksimalna snaga, panel se ostavlja u toj točki kako bi se proizvodila maksimalna moguća snaga. Komercijalne implementacije te metode najčešće mjere napon praznog hoda panela te potom postavljaju radnu točku panela na 70% vrijednosti napona praznog hoda. Danas, praćenje točke maksimalne snage izvodi se za više solarnih panela istovremeno, no pojeftinjenjem elektronike javlja se trend ugradnje mikro-invertora na svaki panel zasebno. Time će se svaki panel postavljati u točku maksimalne snage, što će rezultirati ukupno većom efikasnošću foto-naponskog sustava. Faktor ispune Faktor ispune (engl. Fill factor - FF) je još jedan važan faktor pri procjeni ukupne efikasnosti solarnog panela. On je definiran kao omjer maksimalne snage (P m ) podijeljen sa umnoškom napona praznog hoda (U oc ) i struje kratkog spoja (I sc ).

3.3. Tipovi solarnih panela Solarne panele možemo podijeliti na nekoliko tipova ovisno o vrsti solarnih ćelija od kojih su paneli sastavljeni. Najčešći solarni paneli su: Polikristalni solarni panel Monokristalni solarni panel Tankoslojni solarni paneli Polikristalni solarni panel Polikristalni solarni paneli prvi put se javljaju na tržištu 1981. godine. Solarne ćelije ovih panela baziraju se na polikristalnom siliciju, odakle dolazi i ime. Proces proizvodnje takvog silicija je jednostavan i jeftiniji. Naime, čisti silicij se lijeva u kalupe, hladi te se potom reže u kockaste vafere i dopira. Prednost ovakvih solarnih panela je njihova cijena. No polikristalni paneli imaju manju efikasnost (13-16%), manju snagu po jedinici površine, te mnogi ih ljudi smatraju estetski ne privlačnim. Slika 8. Monokristalni solarni panel Monokristalni solarni paneli sačinjeni su od solarnih ćelija baziranim na monokristalnom siliciju. Silicij takvih solarnih ćelija je u stvari jedan kristal odakle i specifičan uniforman izgled ćelija. Monokristalne solarne ćelije dobivaju se kompleksnom obradom ingota silicija. Prednost monokristalnih panela je visoka efikasnost koja doseže do 21%. Uz visoku efikasnost ovi paneli imaju i najveću snagu po jedinici površine te najdulji životni vijek. Nedostaci su visoka cijena te proizvodni proces ćelija koji rezultira u velikoj količini otpadnog silicija. Slika 9.

Tankoslojni solarni panel Solarne ćelije ovakvog panela građene se od jednog ili više slojeva tankog filma foto-naponskog materijala na supstratu. Kao glavni foto-naponski materijali koriste se: Amorfni silicij Kadmij-telur Bakar-indij-galij-selen Organske solarni materijal Masovna proizvodnja ovakvih panela i solarnih ćelija je jednostavna te potencijalno jeftinija od polikristalne varijante. Zbog homogenog izgleda, estetski su privlačni. Paneli mogu biti fleksibilni što otvara put novim aplikacijama i primjenama solarnih panela. Temperatura i zasijenjavanje ima manje učinka na degradaciju ukupne efikasnosti. Negativna strane ovih panela je kraći životni vijek, manja snaga po jedinici površine te manja efikasnost (oko 9%), ali se očekuje povećanje efikasnosti ove tehnologije u narednim godinama. Slika 10. Tankoslojni penel Slika 11. Tankoslojni panel

3.4. Ekonomski aspekt solarne energije Solarne panele možemo spojiti u veći foto-naponski sustav tj. solarnu elektranu. Takvi sustavi često se viđaju po krovovima zgrada i kuća te drugim raznim površinama. Ako proizvedenu električnu energiju koristimo isključivo za vlastite potrebe, tada govorimo o off-grid sustavima. S druge strane, on-grid sustavi omogućuju izvoz električne energije u elektroenergetsku mrežu. On-grid sustavi prate izvoz električne energije te ovisno o količine izvezene energije vlasnik sustava prima novčanu naknadu po ugovorenoj tarifi. Često države potiču korištenje obnovljivih izvora energije, te nude dodatni novčani poticaj. Trenutno stanje tržišta je takvo da bez dodatnih državnih poticaja, troškovi kupnje, postavljanja te održavana jednog takvog sustava u pravilu nadilazi ostvarenu dobit. No, očekuje se da bi između 2016. i 2020. godine trebalo doći do izjednačavanja ukupnih troškova izgradnje i održavanja foto-naponskog sustava i ostvarene novčane naknade od isključivo izvoza električne energije. Taj trenutak često se naziva parnost mreže (engl. grid parity), tada će se korisnicima foto-naponskih sustava garantirati novčana dobit neovisno o državnim poticajima koji su podložni čestim fluktuacijama. Slika 12. Grid parity Često pitanje vezano uz solarnu energiju je i energetska efikasnost. Stvaraju li solarni paneli manje energije kroz svoj život nego što je potrebno uložiti energije u njihovu izgradnju? Istraživanja pokazuju da noviji solarni paneli (barem 2010. godina) ipak stvaraju više energije nego što je uloženo u njihovu proizvodnju. Solarni panel će isplatiti uloženu energiju nakon 1-4 godine.

3.5. Off grid sustavi Off-grid sustavi, su sustavi solarnih panela koji proizvode struju bez izvoza u elektroenergetsku mrežu. Takvi sustavi često sadrže i baterije kako bi se višak proizvedene energije sačuvao, te naknadno iskoristio kada nema dovoljno sunčevog zračenja. Slika 13. Off grid sustav Solarni paneli off-grid sustava spajaju se na punjač baterija. Kada je potražnja za električnom energijom manja od proizvodnje, višak energije se skladišti u baterije. AC/DC inverter pretvara DC struju iz panela u AC struju te je dostavlja do kućanskih instalacija. Inverter također provodi praćenje točke maksimalne snage solarnih panela. Kada je potražnja električne energije veća od proizvodnje, koristi se energija uskladištena u baterijama.

3.6. On-grid sustavi On-grid sustavi, su sustavi solarnih panela koji proizvode te izvoza struju u elektroenergetsku mrežu. Sustav prati izvezenu energiju, prema čemu se dobiva novčana naknada. Postoje dva tipa on-grid sustava. Prvi isključivo izvozi električnu energiju. Dok drugi izvozi električnu energiju ako je proizvodnja veća od vlastite potrošnje. Slika 14. On grid sustav On grid sustav tipično se sastoji od niza solarnih panela koji su spojeni na inverter. Inverter dovodi panele u točku maksimalne snage, te pretvara DC struju u AC. Metar mjeri koliko se električne energije izvelo u elektroenergetsku mrežu.

4. Zaključak Iako je pretvorba solarne energije u električnu putem solarnih panela poznata preko 100 godina, tek danas smo svjedoci napredcima koji ovu tehnologiju čine primjenjivom i ekonomski isplativom. U posljednjem desetljeću javlja se nagli napredak i porast proizvodnje i korištenja solarnih panela. Ljudi postaju sve svjesniji svojeg utjecaja na okoliš, a solarni paneli predstavljaju alternativni izvor čiste energije. Nedvojbeno je da ćemo, kako će tehnologija sazrijevati,. biti svjedoci porasta popularnosti solarne energije. No usprkos svim pozitivnim stvarima koje solarna energija nudi, teško je očekivati da će čovječanstva sve svoje potrebe dobivati isključivo iz solarne energije. Solarna energija je nepouzdana, te ju je kao takvu potrebo skladištiti što predstavlja veliki trošak. Također solarna energija zahtjeva velike površine, a efekti zbrinjavanja solarnih panela nakon završetka životnog ciklusa još nisu dovoljno istraženi pošto se tek očekuje prva generacija zastarjelih solarnih panela

5. Literatura [1] Solar Cells and Their Applications, Lewis M. Fraas, Larry D. Partain Wiley, 2010, ISBN: 0470446331 [2] Wikipedia, PN-jucntion, http://en.wikipedia.org/wiki/p n_junction [3] Wikipedia, Solar Cell, http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cel [4] Wikipedia, Solar panel, http://en.wikipedia.org/wiki/solar_panel [5] Wikipedia, Photovoltaics, http://en.wikipedia.org/wiki/photovoltaics [6] Wikipedia, Thin film solar cell, http://en.wikipedia.org/wiki/thin_film_solar_cell [7] Wikipedia, MPPT, http://en.wikipedia.org/wiki/maximum_power_point_tracking [8] Wikipedia, Grid Parity, http://en.wikipedia.org/wiki/grid_parity [9] Wikipedia, off grid, http://en.wikipedia.org/wiki/off-the-grid [10] EnergyInformative, http://energyinformative.org/best-solar-panelmonocrystalline-polycrystalline-thin-film/#monocrystalline-silicon [11] HowstuffWorks, solar cell, http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-cell1.htm [12] BISOL installer training- 2012 [13] BISOL katalog proizvoda, 2012