Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Napelemek laboratóriumi segédlet Energetikai méresek II. 2015 1
1. ELMÉLETI BEVEZETÉS 1.1. Napenergia és napelem szerkezet 1-1. ábra A napban való fúziós reakció lefolyását mutatja az 1. szamú ábra. A hidrogének egyesülésével deutérium, majd hélium keletkezik, ezek egyesülésekor pedig helium-4 illetve hidrogén molukula keletkezik, mindeközben elektormágneses sugárzásokat bocsát ki. Ebből összesen 220 milliárd GWH éri el a földfelszínt. A napelemek vagy fotovoltaikus cellák, az ultraibolya és látható hullámhosszú sugárzásból közvetlen egyenáramú villamos energiát állítanak elő, amit inverter alakít váltóárammá. A napelemek félvezető anyagból készülnek, és két rétegből állnak. Az egyik a pozitív a másik a negatív réteg melyek különböző adalékokat tartalmaznak. A sugárzás következtében a N típusú réteg vegyérték elektronjai gerjesztett állapotba kerülnek, pályájukról kimozdulván nagyobb valószínűséggel, kerülnek át, a N típusú rétegbe. A félvezető dióda egy p típusú (3 vegyértékű atomokkal szennyezett) félvezető réteg és egy n típusú (5 vegyértékű atomokkal szennyezett) félvezető réteg összeillesztéséből keletkezik. Az előbbiben az un. lyukvezetés, az utóbbiban az elektronvezetés a domináns, és a lyuk elektron pároknak a határfelületen 1-2. ábra való semlegesítıdése következtében a kétféle réteg között kialakul egy pn átmeneti tartomány. Ebben a tartományban nincsenek szabad lyukak illetve elektronok. Ha a beeső fény bejut a pn átmeneti tartományba, és ott lyuk-elektron párokat választ szét, akkor azok a félvezető belsejében a pn átmenet tértöltési tartományában a diffúzió vagy sodródás hatására szétválnak. A töltésszétválasztás a napelem két oldala között feszültség keletkezésével jár, amit a napelem cellák kontaktusain keresztül, a celláknak (illetve a cellákból összekapcsolt modulnak) egy külső fogyasztóval áramkörbe kötésével hasznosíthatunk. A nehézséget itt az 2
adja, hogy legalább az egyik kontaktus átlátszó kell, hogy legyen, hogy a fény eljusson az elem belsejében lévı abszorber rétegig. 1.2. Anyagok A legtöbb napelem szilícium (Si) alapú, ami inkább a szilícium technológia kiforrottságának mintsem jó anyagi minőségének köszönhető. Ezzel megközelíthető a Napelem elméletileg lehetséges hatásfok maximumát. A szükséges nagytisztaságú alapanyag miatt, a félvező gyártók egyre kevésbé tudják kielégíteni az igényeket. Egyéb alapanyagokból is készítenek napelemeket, ezek közül a 3 legfontosabb, a gallium-arzenid (GaAs), kadmium-tellurid (CdTe) és réz-indium-diszelenid (CIS) alapanyaggal. GaAs: Nagyobb mennyiségben rendelkezésre álló alapanyagok (gallium alumínum gyártás mellékterméke) de az arzén mérgező anyag. Elméletileg jobb hatásfok elérhető, de gyártástechnológi még fejlődés alatt. CdTe: Igen ritka elemek, a kadmium káros az emberi szervezetre, és csak évek alatt ürül ki, de degradációjuk jóval csekélyebb mertékű mint az általános amorf szilícium napelemek.külön kategóriát képeznek a szerves napelemek: Polimerre helyezett szerve molekulák segítik a villamosenergia potenciál kialakulását. Ezen technológia még fejlesztési stádiumban van. 1.3. Cellák A napelemek felépítése a 3-1. ábrán látható. A napelem panelek tehát modulokból, azok pedig cellákból tevődnek össze. A modulok egymással sorba illetve párhuzamosan kapcsolható egy panelen belül. A cellákat a modulokon belül is kapcsolahatjuk ezen két módon míg előbbi a feszültséget (I=const) az utóbbi az áramerősséget (U=const) többszörözi. A cellákon belüli kristályelrendezések különbözősége okán 3 típust nevezhetünk meg. A monokristályos szilikon cellákat, egykristályból állítják elő szeleteléssel, így az egész cella, összefüggő szabályos kristályrácsból áll. Az előállítása egyszerű, feltétele azonban a nagytisztaságú szilícium. A rétegeket diffúziós eljárással állítják elő. A p-típusú réteg jellemző adalékanyaga a bór, az n típusé a foszfor. A gyártás következő lépése a vezetők elhelyezése, végül a napelem tetejére a reflexió csökkentő bevonat kerül. 1-3. ábra Polikristályos (vagy multikristályos) cellát szabálytalanul kikritályosodott szilíciumból állítanak elő, az egyes kristályok véletlenszerűen kapcsolódnak egymáshoz. Öntéssel készül a polikristályos szilícium, és kevésbé költséges technológia, mint az egykristály húzása, viszont a kristályok határainál a részecskék könnyebben rekombinálódhatnak, így a polikristályos napelem hatásfoka nem éri el a monokristályosét. Amorf szilícium napelemek mikroszerkezete rendezetlen, és bár előállításuk olcsóbb, a napelem hatásfoka kisebb. A kristályszerkezet hiánya miatt bizonyos szilíciumatomoknak nincs lekötve az összes vegyértékelektronja, de ezeket hidrogénnel stabilizálni lehet. Amorf szilíciumból nem csak egyenes, de görbülő felületeket is lehet gyártani, és vékonyabbak is lehetnek kristályos társaiknál. 1-4. ábra 3
A vékonyréteg napelem készülhet amorf vagy polikristályos szilíciumból, de a más anyagokból készült napelemek is általában ebbe a kategóriába sorolhatóak. A vékony - mikrométernyi, akár csak atomnyi vastagságú - félvezető réteget üveg vagy fém alapra viszik fel. A vékony rétegvastagságból adódik, hogy gyártásuk kevesebb félvezetőt igényel. Többrétegű napelemek nem csak egy p- és n-típusú réteget tartalmaznak, hanem több ilyen rétegkapcsolatot egymás fölött. Mivel egy p-n kapcsolat csak egy bizonyos spektrumát képes a napsugárzásnak hasznosítani, azt egy más típusú p-n kapcsolat még befoghatja, ha a nem hasznosított sugárzást átengedi. 1.4. Hatásfokok A napelem átlagos hatásfoka (η E ) az általa a nappali időtartam alatt termelt villamos energia (E) és a felületére érkező napsugárzás hőjének (Q s ) hányadosa. A hatásfok a napelem típusán kívül körülménytől is függ egyrészt a napelemek anyaguktól függően a sugárzási spektrum egy korlátozott tartományát képesek hasznosítani, másrészt a keletkezett töltés egy része a napelemen belül visszaszivárog. Utóbbi jelenség a napelem anyagának szennyezettségével erősödik. A napelem felszínéről a töltéseket elvezető kontaktusok árnyékolják a napelemet, ill. a napelem felszíne a ráeső sugárzás egy részét visszaveri. Előbbit ki lehet küszöbölni átlátszó vezetőréteg alkalmazásával, utóbbi csökkentésére speciális bevonatot alkalmaznak, vagy megfelelő mikrostruktúrát alakítanak ki a napelem felszínén. A kereskedelemben kapható amorf napelemek hatásfoka 0,05-0,07, a polikristályos napelemeké 0,13-0,15, míg a legdrágább monokristályosé 0,14-0,17. A fotoviltaikus napelemeket ma is intenzíven fejlesztik, és több fejlesztés alatt álló napelem hatásfoka 0,20-0,30, valamint idővel további hatásfokjavulás és jelentős árcsökkenés várható. A hőmérséklet növekedésével jellemzően csökken a napelemek hatásfoka, vagyis a napelem hűtésével növelhető a napelem teljesítménye. Léteznek léghűtéses és folyadékhűtéses megoldások is. A hűtés hátránya, hogy többletberendezések szükségesek, és bonyolítják a rendszert. Ugyanakkor, ha a napelemtől elvont hőt hasznosítani szeretnénk, akkor nagyobb hőmérsékletűnek kell lennie, de ekkor a napelem hőmérséklete nagyobb lesz, mint ami előnyös lenne a villamosenergia-termeléshez. A napelemre vetülő sugárzás növelését nem csak napkövetéssel lehet megvalósítani, hanem különböző optikai megoldásokkal, tükrökkel, lencsékkel, prizmákkal. Ha egy napelemre a felületénél nagyobb területről koncentrálják a sugárzást, kevesebb napelem elegendő azonos teljesítmény biztosításához. A napelem a nagyobb sugárzás miatt jobban is melegszik, vagyik a napelem hűtésének itt fokozott szerepe lehet. Az ilyen konstrukciók a gyakorlatban még nem terjedtek el. 1-5. ábra 4
1.5. Tájolás A napelemek tájolása esetén figyelembe kell vennünk, hogy a napsugárzás dőlésszöge, minél inkább a merőlegest közelítse meg. Ennek beállításához ismernünk kell az adott földrajzi szélességben, a sugárzás napi eloszlását, tovább a Nap járását az évben, Az ábrán látható hogy Déli tájolás esetén éri a legtöbb napsugárzás az elemet, és az északi tájolás mondható a legkedvezőtlenebbnek. 1-6. ábra Napelemek tájolása 1.6. Termelt villamos energia rendelkezésre állása A napelemes villamosenergia-termelés - a nemzetközi alkalmazások alapján - decentralizáltan van elképzelve, azaz a lakosság és az intézmények épületeinek tetején helyezik el az 1-10 kw pe (csúcs) teljesítményű napelemeket. A jelenlegi hazai szabályozás az 50 kw pe villamos teljesítménynél kisebb napelemmel termelt villamos energiát megtakarításként kezeli, mert a fel nem használt többletet a hálózat elszállítja, utólag elszámolja. A legjobb, ezért legdrágább monokristályos PV napelemek villamosenergiatermelésének hatásfoka 14-17 %, és 0,15 átlagos hatásfokkal, 5 m 2 napelemmel számolva egy fogyasztó évi termelhető villamos energia mennyisége 903 kwe/év, az átlagos hazai lakossági fogyasztó évi fogyasztásának ~40 %-a, ami az augusztusi ~75 % és a decemberi, januári ~10 % között ingadozik. Nagyszámú napelem hirtelen teljesítményingadozást okoz a villamosenergia rendszerben. Például Észak- Olaszországban 2010-ben ~300 MWe teljesítményváltozás a naplemente, ill. napkelte után, amit műszakilag csak vízerőművek képesek szabályozni. 1-7. ábra A napelem kapcsolás és az általa leadott teljesítmény napi változása 5
2. KARAKTERISZTIKA ÉS A MÉRÉS MENETE 2.1. Teljesítmény optimalizálás és karakterisztika A napelem kimenő villamos teljesítményének optimalizálásához a fény frekvenciájának megfelelő abszorber rétegválasztás, nagy abszorpció a rétegben, és a szétválasztott töltések mielőbbi szétválasztása a rekombináció minimalizálására szükséges. A fenti célok eléréséhez a szokásos eszközök az anti-reflexiós (tükrözésmentes) réteg felvitele (ACR), nagy tisztaságú félvezetők használata és a félvezető felületének passziválása. Vagyis az elfogadható hatásfokú fotovillamos elemek készítése bonyolult technológiát igényel. A fotovillamos modul, mint összetett villamos rendszer egyik fontos jellemzője az áram-feszültség (I-V) karakterisztika, amelyből a modulnak a különböző terhelések melletti feszültsége és áramleadása, vagyis a teljesítménye határozható meg. A görbe deriváltjából kiolvasható a maximális teljesítményő ponthoz (MPP) tartozó áram és feszültségérték. A 2. ábrán egy ASE-100 modul mért I-V karakterisztikája látható. 2-1. ábra 2.2. Karakterisztika felvétele Az I-V karakterisztika mérésének menete: A méréshez a modult változtatható terheléssel (változtatható ellenállás) terheljük, miközben mérjük minden beállításban a terhelésen átfolyó áramot és a terhelésen mérhetı feszültséget. A mért érték-párokat táblázatba foglaljuk, és ábrázoljuk. A mérés kapcsolási rajza a 3. ábrán látható. 2-2. ábra 2.3. MPP megkeresése Maximális teljesítményő munkapont (MPP) megkeresése: Mivel a teljesítmény a feszültség és az áram szorzata, ha az I-V karakterisztikában a kalibrációs görbe egy pontjába olyan téglalapot írunk, amelynek szemközti csúcsa az origó, és két oldala a tengelyekre esik, a téglalap területe éppen a teljesítmény lesz (P=U I, lásd 4. ábra). Azaz a maximális teljesítményű munkapont megkeresése a legnagyobb területű beírható téglalap megkeresésével egyenértékű. 2-3. ábra 6
2.4. Az árnyékolás hatásának vizsgálata Közismert, hogy a fotovillamos modulnál a felület aránylag kis részének árnyékolása is jelentős teljesítménycsökkenést okoz, mert ilyenkor az árnyékolt részek fogyasztókká válnak (rövidzár). Az 5. ábrán látható modulnál egy cellát árnyékoltunk, a 6. ábrán látható modulnál a 8% árnyékolt felületet jelentű rúd például közelítőleg 1/3-os teljesítménycsökkenést okozott. 2-4. ábra Az cella letakarás és cella kivételhez tartozó jelleggörbék 7
3. FOGALOMTÁR Napelem cella: A napelem modul legkisebb, tovább már nem osztható egysége, amelyből napfény hatására elektronok lépnek ki. A napelem sorosan és párhuzamosan kapcsolt cellákból áll. Napelem modul: Nagyobb egység, amelyet sorosan és/vagy párhuzamosan kapcsolt napelemek építenek fel. Napkollektor: A napsugárzást közvetlenül hőenergiává alakítja. Off-grid rendszer: Szigetüzemi rendszer vagy más néven Standalone renszer, amelynek fő alkotóelemei a napelem, töltésszabályozó, akkumlátor és inverter. Hálózattól függetlenül működik. On-grid rendszer: Más néven, hálózatra visszatápláló rendszer fő elemei a napelem, inverter és az ad-vesz mérőóra. Hálózatra kapcsoltan tud csak működni. Működése engedélyköteles. PV (Photovalatic): technológia, amely a napenergiát közvetlenül villamosenergiává alakítja. kwp (Wp): A napelem csúcs teljesítménye, 1000W/m2 besugárzáskor és 25C panelhőmérsékleten. Ezredrésze a Wp; a panelek jellemzésére ez a mértékegység a használatosabb. MPP: (Maximum power point): maximális teljesitmény érték, ami a napelemekből kivehető, adott környezeti feltételek mellett. Ez a pont az üzem körülmények változásával folyton változik. MPP tracking: hálozatra kapcsolt inverterek rendelkeznek ezzel funkcióval, folyamatosan figyeli a napelem feszultsegét, áramát es tartja a napelemekből maximalisan kivehető teljesítményt. Ad-vesz mérőóra: Kétirányú mérésre alkalmas berendezés. Hálózatra visszatápláló rendszer esetén a háztartási fogyasztáson felüli többletenergiát a hálózatba tápláljuk vissza, amelyet az áramszolgáltató átvesz. Az óraleolvasást követően a napelem által termelt villamos energia és a hálózatból felvett energia különbözetét kell fizetünk. Többlettermelés esetén pedig a szolgáltató fizet a háztartásoknak. Töltésvezérlő: Olyan eszköz, amely az akkumlátorok töltését szabályozza, beállítja az optimális töltőáramot és feszültséget és megakadályozza a mélykisülést valamint gondoskodik a túlfeszültség védelméről is. Szigetüzemű rendszereknél szokták alkalmazni. Diffúz sugárzás (szórt) sugárzás: Az a sugárzás, amikor a napsugár nem közvetlen útvonalon, hanem a légköri részecskéken, felhőkön keresztül többszörször visszaferődés útán éri el a földfelszínt. A szórt sugárzás kisebb teljesítményű energia, mint a közvetlen napfény, azonban a napelemek ezt is tudják hasznosítani. Direkt (közvetlen) sugárzás: Az a sugárzás, amikor a napsugarak közvetlen úton érik el a földfelszínt, így a napelemet is. Globális sugárzás - a közvetlen, diffúziós és visszaverődő napsugárzás összege. Inverter: Egy olyan eszköz amely a napelemek által előállított egyenáramot, szinuszos váltakozó árammá alakítja. Erre azért van szükség, mert háztartási fogyasztóink jellemzően váltakozó áramot használnak fel működésük során. Ezenkívül az inverter ellát még nagyon sok védelmi funkciót is és szinkronban dolgozik a hálózattal. Hatásfok: A napelem 1 m2 feluletéből kivehető és a napból ugyanarra a felületre érkező teljesítmény hanyadosa. A ma használt napelemek átlagosan 15% hatásfokúak. Kristályos napelem: Olyan napelem, amelynek alapanyaga tiszta kristály szilicium. Szerkezeti struktúrájától függően lehet egy kristályos vagy több kristályos. Bypass (áteresztő) dióda: A napelem cellákkal párhuzamosan kapcsolt dióda, amely alternatív útvonalat biztosít az áramnak a modul árnyékolása esetén. String: Egymással kapcsolt napelemek stringet alkotnak. Amorf szilicium napelem: A legolcsóbb és a leggyengébb hatásfokkal rendelkező napelem. Ott alkalmazzák, ahol bőven van rendelkezésre álló felület. Gyártása teljesen eltér a kristályos napelemekétől. A hordozó általában valamilyen üveg. 8