10/30/2018 SKIS - 2018/19 1

2018/19.

Solarne komponente i sistemi

VII semestar – 2+1+2 – 6 kreditaModul E – 2OEE7O02

Modul US – 2OEU7A05 Modul EKM – OEM7O04

Prof.dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsProf. dr Dragan Mančić, kabinet 106, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Dr Sanja Aleksić, kabinet 347, sanja.aleksic@elfak.ni.ac.rsDipl. inž. Igor Jovanović, kabinet M2-4, igor.jovanovic@elfak.ni.ac.rs

10/30/2018 SKIS - 2018/19 3

10/30/2018 SKIS - 2018/19 4

10/30/2018 SKIS - 2018/19 5

10/30/2018 SKIS - 2018/19 6

10/30/2018 SKIS - 2018/19 7

10/30/2018 SKIS - 2018/19 8

10/30/2018 SKIS - 2018/19 9

10/30/2018 SKIS - 2018/19 10

10/30/2018 SKIS - 2018/19 11

10/30/2018 SKIS - 2018/19 12

Technology Roadmap

Solarna fotonaponska energija

10/30/2018 SKIS - 2018/19 14

10/30/2018 SKIS - 2018/19 15

Osnovne činjenice o PV

Solarni PV sistemi su komercijalno dostupni, zasnovani na pouzdanim tehnologijama.

Imaju veoma veliki potencijal za duži vremenski period na teritoriji cele planete.

Procena je da će do 2050. godine 11% ukupne proizvodnje električne energije poticati od PV sistema.

Ovo će smanjiti emisiju CO2 za 2.3Gt godišnje.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 16

Osnovne činjenice o PV

Ostvarivanje ovih ciljeva zahteva efikasnu, dugoročnu i izbalansiranu politiku u sledećoj deceniji, kako bi se omogućio: ◦ optimalni razvoj tehnologije, ◦ smanjenje cena, ◦ povećanje industrijske proizvodnje, i ◦ masovnu primenu.

Značajna, skoro odlučujuća, je uloga političara na vlasti koji moraju da definišu dugoročne ciljeve i mere kako bi podstakle investicije u ovoj oblasti.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 17

Osnovne činjenice o PV

PV elektrane će postati postati potpuno kompetitivne sa elektro mrežama do 2020. godine, a verovatno i ranije u mnogim regijama.

Posle toga treba podžavati samoodrživost PV mreža.

Sledeći korak je razvoj novih tehnologija kako bi se veliki PV sistemi integrisali u fleksibilne, efikasne i pametne mreže.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 18

PV – trenutni status

10/30/2018 SKIS - 2018/19 19

Tehnologije konverzije solarne energije

Postoje tri tehnologije korišćenja solarnog zračenja kao aktivnog izvora energije:◦ Solar photovoltaics (PV) – električna energija se

generiše direktnom konverzijom sunčevog zračenja◦ Concentrating solar power systems (CSP) – koristi

se koncentrisano solarno zračenje kao izvor visoke temperature, koji se dalje koristi za dobijanje električne energije.

◦ Solar heating and cooling (SHC) – za zagrevanje ili hlađenje vode ili prostorija koriste termičku energiju direktno od Sunca.

Ova tri načina iskorišćavanja solarnog zračenja nisu konkurentna. Naprotiv, oni se dopunjavaju i u zavisnosti od postojećih uslova i zahteva bira se najpogodniji način za korišćenje solarnog zračenja.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 20

PV tehnologije: Pregled

Crystalline silicon (c-Si) moduli predstavljaju 85-90% godišnje svetske proizvodnje. C-Si moduli su podeljeni u dve kategorije:◦ single crystalline (sc-Si) i ◦ multi-crystalline (mc-Si).

Thin films moduli trenutno predstavljaju 10% do 15% godišnje prodaje PV modula. Oni su podeljeni u tri kategorije:◦ amorphous (a-Si) i micromorph silicon (a-Si/µc-Si), ◦ Cadmium-Telluride (CdTe), i ◦ Copper-Indium-Diselenide (CIS) and Copper-Indium-Gallium-Diselenide

(CIGS).

Emerging technologies – obuhvataju napredne tanke filmove i organske ćelije.

Concentrator technologies (CPV) – koriste optičke koncentratorse sisteme koji fokusiraju solarno zračenje na male, visokoefikasne ćelije. CPV tehnologije su trenutno u fazi intenzivnog testiranja.

Novel PV concepts – cilj je dobijanje vrlo efikasnih solarnih ćelija korišćenjem naprednih materijala i foto-hemijskih procesa. Trenutno su predmet intenzivnih proučavanja.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 21

10/30/2018 SKIS - 2018/19 22

Trenutna cena i karakteristike različitih PV tehnologija

10/30/2018 SKIS - 2018/19 23

Maksimalna teorijska efikasnost10/30/2018 SKIS - 2018/19 24

Trenutna i projektovana efikasnost PV modula

10/30/2018 SKIS - 2018/19 25

Trenutna efikasnost PV komercijalnih modula

10/30/2018 SKIS - 2018/19 26

Efikasnost se definiše kao odnos

proizvedene električne energije i

količine incidentne solarne

energije u sekundi

Efikasnost solarnih ćelija10/30/2018 SKIS - 2018/19 27

10/30/2018 SKIS - 2018/19 28

Dobar primer!!10/30/2018 SKIS - 2018/19 29

Instalirani PV sistemi10/30/2018 SKIS - 2018/19 30

Veoma brzi rast on-grid

PV sistema je posledica

subvencionisanih cena

ovako dobijene energije

Feed-in tarifa - Nemačka10/30/2018 SKIS - 2018/19 31

Potrošnja u toku dana.10/30/2018 SKIS - 2018/19 32

Zemlje sa najviše instaliranih PV kapaciteta

10/30/2018 SKIS - 2018/19 33

Instalirani PV sistemi2000. – oko 1000MW

10/30/2018 SKIS - 2018/19 34

Instalirani PV sistemi2004. – 3000MW

10/30/2018 SKIS - 2018/19 35

Instalirani PV sistemi2008. – 14500MW

10/30/2018 SKIS - 2018/19 36

Instalirani PV kapaciteti10/30/2018 SKIS - 2018/19 37

10/30/2018 SKIS - 2018/19 38

Izdvajanje za PV R&D10/30/2018 SKIS - 2018/19 39

10/30/2018 SKIS - 2018/19 40

Cena PV modula (1979 – 2015.)

10/30/2018 SKIS - 2018/19 41

10/30/2018 SKIS - 2018/19 42

10/30/2018 SKIS - 2018/19 43

Cena instaliranja PV sistema10/30/2018 SKIS - 2018/19 44

Ukupna cena PV sistema10/30/2018 SKIS - 2018/19 45

Predvidjanje cene PV modula (c-Si)proizvodjači iz Evrope, SAD i Japana

10/30/2018 SKIS - 2018/19 46

Predvidjanje cene PV modula (c-Si)low-cost proizvodjači

10/30/2018 SKIS - 2018/19 47

Smanjenje cene PV sistema10/30/2018 SKIS - 2018/19 48

10/30/2018 SKIS - 2018/19 49

10/30/2018 SKIS - 2018/19 50

10/30/2018 SKIS - 2018/19 51

Tipovi PV sistema10/30/2018 SKIS - 2018/19 52

Primene

10/30/2018 SKIS - 2018/19 53

Primene

10/30/2018 SKIS - 2018/19 54

Primene

10/30/2018 SKIS - 2018/19 55

10/30/2018 SKIS - 2018/19 56

Karakteristike solarnog zračenja

10/30/2018 SKIS - 2018/19 57

Karakteristike svetlosti

Svetlost koju vidimo je samo deo ukupne energije koju emituje Sunce.

Sunčeva svetlost je oblik elektromagnetnog (EM) zračenja.

Početkom XIX veka, na osnovu eksperimenata vezanim za efekte interferencije, svetlost se opisuje kao talas. (Thomas Young, Francios Arago, Augustin

Jean Fresnel)

10/30/2018 SKIS - 2018/19 58

Karakteristike svetlosti

Krajem XIX veka se uočavaju efekti koji se ne mogu objasniti talasnim jednačinama svetlosti.

Plank je predložio da se ukupna energija svetlosti sastoji od elemenata koji imaju određeni kvant energije.

Ajnštajn se pridružio ovoj pretpostavci pri proučavanju fotonaponskog efekta.

Svetlost je sastavljena od paketa, ili čestica energije, zvanih fotoni.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 59

Karakteristike svetlosti

Danas, kvantna mehanika objašnjava ova oba pristupa.

Priroda svetlosti, tj. EM zračenja je dvojaka.

U nekim pojavama EM zračenje se ponaša kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat).

U drugim, EM zračenje ima osobine talasa (interferencija, difrakcija).

10/30/2018 SKIS - 2018/19 60

Karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

10/30/2018 SKIS - 2018/19 61

Karakteristike svetlosti10/30/2018 SKIS - 2018/19 62

Energija fotona

Foton se karakteriše:◦ ili talasnom dužinom l

◦ ili ekvivalentnom energijom E

◦ Plankova konstanta h=6.626×10-34J∙s

◦ Brzina svetlosti c=2.998×108m/s

10/30/2018 SKIS - 2018/19 63

Fluks fotona

Fluks fotona se definiše kao broj fotona u sekundi po jedinici površine:

Fluks fotona je bitan za određivanje broja generisanih elektrona, tj. struje koju generiše solarne ćelije.

Fluks fotona ne daje nikakvu informaciju o energiji.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 64

Fluks fotona

Na određenoj talasnoj dužini, talasna dužina fotona ili energija i fluks fotona te talasne dužine se mogu iskoristiti da se izračuna gustina snage.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 65

Spektralno zračenje

Najčešći način za karakterizaciju izvora svetlosti

Daje gustinu snage izvora na određenoj talasnoj dužini

Spektrano zračenje se češće određuje korišćenjem izraza:

10/30/2018 SKIS - 2018/19 66

• F(l) - spektralno zračenje (Wm-2mm-1)• F – fluks fotona• E – energija fotona• l – talasna dužina fotona

Spektralno zračenje10/30/2018 SKIS - 2018/19 67

Ukupna gustina snage

Izračunava se integraljenjem spektralnog sračenja po talasnim dužinama ili enegijama:

Izmereno spektralno zračenje se množi opsegom talasnih dužina u kojoj je mereno:

10/30/2018 SKIS - 2018/19 68

Ukupna gustina snage10/30/2018 SKIS - 2018/19 69

Zračenje crnog tela

Izvori svetlosti se mogu modelirati kao blackbody emiteri.

Crno telo apsorbuje kompletno zračenje koje padne na njegovu površinu i emituje zračenje na osnovu svoje temperature.

Spektralno zračenje crnog tela je dato Plankovim zakonom:

10/30/2018 SKIS - 2018/19 70

• l – talasna dužina svetlosti• T – temperatura crnog tela (K)• F – spektralno zračenje• h, c, k - konstante

Planck-ov zakon

Zračenje crnog tela

Ukupna gustina snage crnog tela, određena integraljenjem spektralnog zračenja po svim talasnim dužinama je:

Značajan parametar je talasna dužina na kojoj je spektralno zračenje najveće:

10/30/2018 SKIS - 2018/19 71

• s – Stefan-Boltzman-ova konstanta• T – temperatura crnog tela

• lp – talasna dužina na kojoj je zračenje najjače

• T – temperatura crnog tela

Wien-ov zakon

10/30/2018 SKIS - 2018/19 72

Spektralno zračenje crnog tela10/30/2018 SKIS - 2018/19 73

Sunce

Sunce je vrela sfera gasa čija unutrašnja temperatura prelazi 20∙106K, zbog nuklearne fusije.

Zračenje iz unutrašnjosti nije vidljivo jer ga apsorbuje sloj vodonikovih atoma u blizini površine.

Kroz ovaj sloj toplota se prenosi konvekcijom.

Površina Sunca, fotosfera, se nalazi na temperaturi od 6000K. (5762K)

10/30/2018 SKIS - 2018/19 74

10/30/2018 SKIS - 2018/19 75

Sunce

Ukupna snaga koju emituje Sunce se dobija kada se emitovana gustina snage pomnoži površinom Sunca, što daje 9.5×1025W

10/30/2018 SKIS - 2018/19 76

Solarno zračenje u svemiru10/30/2018 SKIS - 2018/19 77

Na rastojanju D od Sunca, ista snaga se širi

na mnogo veću površinu pa se intenzitet

solarne radijacije smanjuje.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 78

Solarno zračenje u svemiru

Planeta Rastojanje (×109m)

Srednja solarna insolacija (W/m2)

Merkur 57 9116,4

Venera 108 2611,0

Zemlja 150 1366,1

Mars 227 588,6

Jupiter 778 50,5

Saturn 1426 15,04

Uran 2868 3,72

Neptun 4497 1,51

Pluton 5806 0,878

10/30/2018 SKIS - 2018/19 79

10/30/2018 SKIS - 2018/19 80

10/30/2018 SKIS - 2018/19 81

10/30/2018 SKIS - 2018/19 82

Solarno zračenje van Zemljine atmosfere

Računa se koristeći sledeće podatke:◦ Gustina snage na površini Sunca Hsun=5.961×107W/m2

◦ Poluprečnik Sunca Rsun=6.96×105km

◦ Rastojanje između Zemlje i Sunca

10/30/2018 SKIS - 2018/19 83

1.36kW/m2

Solarno zračenje van Zemljine atmosfere

Gustina snage se menja s obzirom da se Zemlja oko Sunca kreće po eliptičkoj putanji – menja se rastojanje.

Menja se oko 3.4%

Najveća je u januaru a najmanja u julu.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 84

• H – gustina snage zračenja van Zemljine atmosfere (W/m2)

• Hconstant – solarna konstanta, 1.353kW/m2

• n – dan u godini

Solarno zračenje na površini Zemlje

Dok je solarna radijacija na ivici Zemljine atmosfere konstantna, zračenje na površini Zemlje zavisi od:◦ Atmosferskih efekata, uključujući apsorpciju i skaterovanje,

◦ Lokalnih uslova u atmosferi – isparenja, oblaci, zagađenja,

◦ Geografske širine,

◦ Godišnjeg doba, i

◦ Doba dana.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 85

Atmosferski efekti

Smanjenje snage solarnog zračenja zbog apsorpcije, rasipanja i refleksije

Promena spektra solarnog zračenja zbog veće apsorpcije ili rasipanja nekih talasnih dužina

Uvođenje difuzione ili indirektne komponente u solarno zračenje

Lokalne varijacije u atmosferi (vodena para, oblaci, zagađenje) koje utiču na snagu, spektar i pravac solarnog zračenja.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 86

10/30/2018 SKIS - 2018/19 87

Atmosferski efekti10/30/2018 SKIS - 2018/19 88

O3 – ozon

CO2 – ugljen dioksid

H2O – vodena para

10/30/2018 SKIS - 2018/19 89

Air Mass

Air Mass predstavlja dužinu koju svetlost prođe kroz atmosferu, pre nego što stigne do površine Zemlje, normalizovano sa najkraćim putem kada je Sunce direktno iznad glave.

10/30/2018 SKIS - 2018/19 90

Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

10/30/2018 SKIS - 2018/19 91

Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

10/30/2018 SKIS - 2018/19 92

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

10/30/2018 SKIS - 2018/19 93

Kako solarna ćelija radi?Posle prolaska kroz opterećenje elektron se sreće sa šupljinom i kolo se zatvara

10/30/2018 SKIS - 2018/19 94

Kako solarna ćelija radi?Verovatnoća “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

10/30/2018 SKIS - 2018/19 95

Kako solarna ćelija radi?Generisana struja zavisi od generacije nosilaca i verovatnoće “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

10/30/2018 SKIS - 2018/19 96

• G(x) – brzina generacije

• CP(x) – verovatnoća prikupljanja nosilaca

• q – naelektrisanje elektrona

• W – debljina komponente

• a(l) – koeficijent apsorpcije• H0 – broj fotona na određenoj talasnoj dužini

Kako solarna ćelija radi?Kvantna efikasnost (Q.E.) prestavlja odnos prikupljenih naelektisanja i ukupnog broja fotona

10/30/2018 SKIS - 2018/19 97

Kako solarna ćelija radi?Spektralni odziv predstavlja odnos generisane struje i incidentne snage koja dolazi na SC

10/30/2018 SKIS - 2018/19 98

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

10/30/2018 SKIS - 2018/19 99

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše snagu

10/30/2018 SKIS - 2018/19 100

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

10/30/2018 SKIS - 2018/19 101

Kako solarna ćelija radi?Struja kratkog spoja - ISC

10/30/2018 SKIS - 2018/19 102

• q – naelektrisanje elektrona

• G – brzina generacije

• Ln – difuziona dužina elektrona

• Lp – difuziona dužina šupljina

Zavisi od:

• površine SC

• broja fotona

• spektra incidentne svetlosti

• optičkih osobina materijala

(apsorpcija i refleksija)

• verovatnoće prikupljanja nosilaca

Kako solarna ćelija radi?Napon kratkog spoja - VOC

10/30/2018 SKIS - 2018/19 103

Kako solarna ćelija radi?Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

10/30/2018 SKIS - 2018/19 104

Empirijski izraz:

Kako solarna ćelija radi?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

10/30/2018 SKIS - 2018/19 105