SVEUILITE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAUNARSTVA

SEMINAR

Paneli sunanih elija

Ivan Debelec

Marko Vraniar

Zagreb, sijeanj, 2013.

2

Sadraj

1. Uvod .................................................................................................................... 3 2. Fizikalne osnove.................................................................................................. 5

2.1. PN spoj dioda............................................................................................ 5 2.2. Fotonaponski efekt ....................................................................................... 5 2.3. Princip rada sunane elije .......................................................................... 6

3. Paneli sunanih elija .......................................................................................... 8 3.1. Opis i usporedba materijala za izradu sunanih elija.................................. 8 3.2. Postupak proizvodnje solarnih elija .......................................................... 10 3.3. Primjena solarnih elija .............................................................................. 12

4. Solarni fotonaponski sustavi.............................................................................. 14 4.1. Samostalni fotonaponski sustavi ................................................................ 15 4.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu.......... 16

5. Zakljuak ........................................................................................................... 18 6. Literatura ........................................................................................................... 19

3

1. Uvod

U dananje vrijeme sve vie se tei ekolokoj proizvodnji energije iz obnovljivih izvora energije. Na taj nain uvelike se smanjuje proizvodnja staklenikih plinova te su upravo zbog te injenice lanice Europske unije zacrtale veoma ambiciozan plan da se 8,5% energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije u 2005. godini povea na 20% do 2020. godine. Ova inicijativa Europske unije na podruju obnovljivih izvora daje vie od 350 000 radnih mjesta s godinjim prometom od preko 30 milijardi eura. Upravo zbog tih injenica Europska unija je svjetski lider u podruju razvoja, upotrebe i instalacije tehnologija za iskoritavanje obnovljivih izvora energije. Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se dobivaju iz prirode te se mogu obnavljati. Najee se koriste energija sunca, vjetra i vode. Veina tehnologije obnovljivih izvora energije se na direktan ili indirektan nain napaja iz Sunca. Uzmemo li u obzir da Sunce samo u jednoj sekundi oslobodi vie energije nego to je naa civilizacija tijekom svojeg razvoja iskoristila, vanost istraivanja energije Sunca i pretvorbe energije suneva zraenja u korisne oblike energije poprima sasvim novu dimenziju s velikom mogunou rjeavanja problema energetske krize, koja je u svijetu sve prisutnija. Zanimljivo je da se tek tisuitim dijelom energije, koja dolazi do tla, koriste biljke u procesu fotosinteze za nastajanje biomase, a ovjeanstvo se uglavnom koristi energijom koju su biljke skupljale milijunima godina i to kroz eksploataciju nafte, ugljena ili prirodnog plina. Neznatan dio energije suneva zraenja uzrokuje nastajanje valova i vodenih strujanja u morima i oceanima te stvaranje vjetra i zranih strujanja u atmosferi, a takoer i zanemariv dio slui u fotosintezi za proizvodnju biomase. Udio suneve energije na kopnenoj povrini iznosi samo jednu petinu, a ostatak suneve energije apsorbiraju mora i oceani. Zbog toga kaemo da su svi izvori energije, osobito obnovljivi, samo razliite pretvorbe i oblici energije suneva zraenja. Slika 1. zorno pokazuje prirodni potencijal energije suneva zraenja. To je velika uta kocka, koja je 50 puta vea od zbroja svih zaliha fosilnih i nuklearnih goriva. Trenutano je tehniki potencijal energije suneva zraenja jo uvijek vei od svjetske potronje energije, koja je prikazana malom plavom kockicom.

4

Slika 1. Godinje sunevo zraenje na povrini zemlje u usporedbi s godinjom potronjom energije u svijetu te svjetskim zalihama fosilnih i nuklearnih goriva

Snaga sunevog zraenja iznosi oko 3,81023 kW, odnosno 3,31027 kWh/god., od ega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim kutom od 32', odnosno 0,53. Do vrha Zemljine atmosfere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj. oko 1,751014kW ili 1,531018kWh/god. Ta snaga prelazi vie od 100 000 puta snagu svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je koliina energije od suneva zraenja. Manje od jednog sunanog sata dovoljno je da pokrije cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji ive na ovom planetu. Unato tome da se oko 30 % energije suneva zraenja reflektira natrag u svemir, jo uvijek Zemlja od Sunca godinje dobiva oko 1,071018 kWh energije, to je nekoliko tisua puta vie nego to iznosi ukupna godinja potronja energije iz svih primarnih izvora.

5

2. Fizikalne osnove

2.1. PN spoj dioda

Sunana je elija u biti PN-spoj (poluvodika dioda). PN-spoj nastaje kada se jednom dijelu kristala istog poluvodia dodaju trovalentne (akceptorske) primjese, tako da nastane p-tip poluvodia, a drugom dijelu peterovalentne (donorske) primjese, te nastaje n-tip poluvodia. Na granici izmeu tih dvaju podruja (PN-spoj), kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija elektrona iz n-podruja prema p-podruju i upljina iz p-podruja prema n-podruju. Bitno je svojstvo PN-spoja njegovo ispravljako djelovanje, tj. lake vodi struju kad je p-podruje pozitivno, a n-negativno. Tada je napon u propusnom smjeru, a suprotno tome je napon u zapornom smjeru. Dakle, PN-spoj radi kao dioda, i proputa struju samo u jednom smjeru. Ako se na PN-spoj prikljui izvor vanjskog napona u propusnom smjeru, tako da je pozitivan pol na p-strani a negativan na n-strani, protekne struja elektrona iz n-podruja prema p-podruju i upljina iz p-podruja prema n-podruju.

2.2. Fotonaponski efekt

Godine 1839. Edmond Becquerel (1820.-1891.) otkriva fotonaponski efekt. On je to opisao kao proizvodnju elektrine struje kada se dvije ploe platine ili zlata urone u kiselu, neutralnu ili lunatu otopinu te izloe na nejednolik nain sunevu zraenju. Fotoelektrini uinak ili fotoefekt je fizikalna pojava kod koje djelovanjem elektromagnetskog zraenja dovoljno kratke valne duljine (npr. Vidljivi ili UV dio spektra) dolazi do izbijanja elektrona iz obasjanog metala. Upravo na taj nain dolazi do stvaranja vika elektrona i kroz zatvoreni krug poinju tei struja. Zraenje valnom duljinom veom od granine ne izbija elektrone jer elektroni ne mogu dobiti dovoljno energije za raskidanje veze s atomom.

6

2.3. Princip rada sunane elije

U silicijevoj su solarnoj eliji, prikazanoj na slici 2, na povrini ploice P-tipa silicija difundirane primjese (npr. Fosfor), tako da na tankom povrinskom sloju nastane podruje N-tipa poluvodia. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz suneva zraenja, na prednjoj povrini elije nalazi se metalna reetka koja ne pokriva vie od 5% povrine, tako da gotovo ne utjee na apsorpciju suneva zraenja. Stranja strana elije prekrivena je metalnim kontaktom. Da bi se poveala djelotvornost elije, prednja povrina elije moe biti prekrivena prozirnim proturefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju suneve svjetlosti. Kada se solarna elija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon. Tako solarna elija postaje poluvodika dioda, tj. PN-spoj, i ponaa se kao ispravljaki ureaj koji proputa struju samo u jednom smjeru.

Slika 2. Silicijeva solarna elija

Kada se solarna elija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-upljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Meutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutranje elektrino polje, koje postoji u osiromaenom podruju, odvaja nastali elektron i upljinu. Elektron se giba prema N-strani, a upljina prema P-strani. Zbog skupljanja elektrona i upljina na odgovarajuim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave

7

elektromotorne sile na krajevima solarne elije. Kada se solarna elija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti elije spojeni s vanjskim troilom, kao to je prikazano na slici 3., protei e elektrina struja, a solarna elija postaje izvorom elektrine energije.

Slika 3. Solarna elija kao izvor elektrine energije

8

3. Paneli sunanih elija

3.1. Opis i usporedba materijala za izradu sunanih elija

Kristali su vrsta tijela sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se ponavlja njihov trodimenzionalni raspored s pravilnom meusobnom udaljenou tvorei tzv. kristalnu reetku. Kristali sa savreno pravilnom reetkom idealizacija su, dok je u realnoj kristalnoj reetki geometrijska pravilnost naruena raznim utjecajima (npr. toplinskim, klizanjem i sl.). Promjena strukture utjee na mehanika, toplinska, elektrina i magnetska svojstva kristala. Materijali vani za izradu fotonaponskih solarnih elija mogu doi u obliku monokristala, polikristala (multikristala) ili kao amorfne tvari. Ako se itav aktivni obujam elija sastoji od samo jednog kristala, onda je takva elija monokristalna. Ako se u procesu rasta kristala veih dimenzija formira vie kristala (obino zajedniki orijentiranih), i iz takva kristalnog bloka izree ploica za izradu solarne elije, onda takve elije nazivamo polikristalnim ili multikristalnim. Amorfne tvari ne posjeduju pravilan raspored atoma duljeg dosega kao kristali. Obino nastaju ako se rastaljeni materijal vrlo brzo hladi, tako da se molekule ne stignu organizirati u termodinamiki stabilnija kristalna stanja. Drugi je nain da se pravilna kristalna reetka nekog materijala oteti vanjskim utjecajem, npr. usaivanjem (implantacijom) ubrzanih iona koji ih, zbog sudara s atomima mete, izbacuju iz vorova reetke. Pritom e povrinski slojevi mete postati amorfni samo ako je temperatura mete previe niska da bi izbaeni atomi kasnije mogli difundirati natrag na svoje poetne poloaje.

Monokristalne Si ploe mogu pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 140 W elektrine energije s povrinom ploe od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si elija potreban je apsolutno isti poluvodiki materijal. Monokristalni tapii se izvade iz rastaljenog silicija i reu na tanke ploice. Takav nain izrade omoguuje relativno visoki stupanj iskoritenja.

Polikristalna Si ploa moe pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 130 W elektrine energije s povrinom ploe od 1 m2. Proizvodnja ovih ploa je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekui silicij se ulijeva u blokove koji se zatim

9

reu u ploe. Tijekom skruivanja materijala stvaraju se kristalne strukture razliitih veliina, na ijim granicama se pojavljuju greke, pa zbog tog razloga suneva fotonaponska elija ima manji stupanj iskoritenja.

Amorfne Si ploe mogu pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 50 W elektrine energije s povrinom elija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu, to se naziva amorfna ili tankoslojna elija. Debljina sloja iznosi manje od 1m, stoga su trokovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Meutim stupanj iskoritenja amorfnih elija je puno nii u usporedbi s drugim tipovima elija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, depna raunala) ili kao element fasade na zgradama.

Galij arsenid je poluvodi napravljen iz mjeavine galija (Ga) i arsena (As). Pogodan je za upotrebu u vieslojnim i visoko uinkovitim ploama. irina zabranjene vrpce (engl. band gap) je pogodna za jednoslojne suneve elije. Ima visoku apsorpciju, pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrometara da bi apsorbirao suneve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa silicijevim ploama, te na zraenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zraenjem, gdje se tedi na elijama. Projekti koncentriranog zraenja su jo u razdoblju istraivanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna elija ima stupanj iskoritenja od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ploe moe pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 300 W elektrine energije sa povrinom elija od 1 m2.

Kadmij telurijeve (CdTe) ploe mogu pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 160 W elektrine energije sa povrinom ploe od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim fotonaponskim modulima zbog fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u irokoj upotrebi.

U tablici 1. usporeene su osnovne karakteristike sunanih elija izraenih od gore opisanih vrsta materijala.

10

Tablica 1. Usporedba parametara solarnih ploa

Povezivanje elija moe biti izvedeno na dva naina:

1. Paralelno paralelnim spajanjem dolazi do poveanja jakosti struje s poveanjem povrine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodi, analogno i za (-) vodie.

2. Serijski serijskim spajanjem dolazi do poveanja napona s poveanjem povrine, izvodi se tako da se naizmjenino spajaju (+) i (-) pol elija u nizu.

3.2. Postupak proizvodnje solarnih elija

Poto su solarne elije poluvodiki ureaji, dijele mnoge tehnike procesiranja i proizvodnje s ostalim poluvodikim ureajima poput raunala i memorijskih ipova. Meutim, zahtjevi za istoom i kontrolom kvalitete izrade poluvodia nisu toliko strogi za solarne elije. Veina velikih komercijalnih tvornica solarnih elija danas izrauje solarne elije od polikristalnog silicija tiskanog na zaslonu. Iz pojedinanih kristalnih ploica koje se koriste u poluvodikoj industriji mogu se izraditi izvrsne visokouinkovite solarne elije, ali openito se smatraju preskupima za masovnu proizvodnju. Ploice od polikristalnog silicija izrauju se piljenjem lijevanih poluga silicija icom u vrlo tanke (180 do 350 mikrometara) krike ili ploice. Ploice su obino slabo dopirani poluvodi p-tipa. Za dobivanje solarne elije iz ploice, izvodi se povrinska difuzija dopanada n-tipa s prednje strane ploice. To stvara p-n spoj nekoliko stotina nanometara ispod povrine.

11

Idue se obino aplicira antirefleksijska prevlaka, za poveanje koliine svjetlosti iskoritene u eliji. Silicij nitrid je postupno zamijenio titan dioksid kao antirefleksijsku prevlaku zbog svojih izvrsnih mogunosti pasivizacije povrine. Spreava rekombinaciju nosilaca naboja na povrini solarne elije. Obino se primjenjuje u sloju debelom nekoliko stotina nanometara uporabom PE-CVD postupka. Neke solarne elije imaju teksturirane prednje povrine koje, poput antirefleksijskih obloga, slue uveanju koliine svjetlosti iskoritene u eliji. Takve se povrine obino mogu formirati samo na pojedinanim kristalima silicija, iako su se zadnjih godina razvile metode njihova formiranja na multikristalnom siliciju. Ploici se tada dodaje metalni kontakt po cijeloj stranjoj povrini, i mreasti metalni kontakt napravljen od tankih "prstiju" i veih "sabirnica" koje se tiskaju na zaslon prednje povrine uporabom srebrne paste. Stranji kontakt se takoer formira tiskanjem metalne paste na zaslon, obino aluminijske. Taj kontakt najee pokriva cijelu stranju stranu elije, iako se u nekim dizajnima elija tiska u mreasti uzorak. Pasta se zatim grije na nekoliko stotina stupnjeva celzijusa da formira metalne elektrode u omskom kontaktu sa silicijem. Neke kompanije koriste dodatni korak elektro-anodiranja da uveaju uinkovitost elije. Nakon to se izrade metalni kontakti, solarne elije se meusobno spajaju u seriju (i/ili paralelu) plosnatim icama ili metalnim trakama i sastavljaju u modul ili "solarni panel". Solarni paneli imaju s prednje strane plou tvrdog stakla, a sa stranje strane ahuru od polimera. Cijeli postupak proizvodnje elija i panela prikazan je na slici 4.

12

Slika 4. Postupak proizvodnje elija i solarnih panela

3.3. Primjena solarnih elija

Primjena solarnih elija danas postaje sve rairenija. U Hrvatskoj solarne elije najee moemo vidjeti kao izvore napajanja parkiralinih automata, ili na kalkulatoru kao pomoni izvor napajanja. Koriste se na kao izvori napajanja na umjetnim satelitima i svemirskim stanicama. Koriste se i u dekorativne svrhe u arhitekturi. Takoer se koriste za proizvodnju elektrine energije u solarnim elektranama. Zapravo, jedna od najeih primjena sunanih elija je napajanje elektrinom energijom ureaja, industrijskih objekata, kuanstava na mjestima gdje nema elektrine energije, na lokacijama koji su udaljene od elektroenergetskog sustava ili je jeftinije ugraditi fotonaponski sustav nego napraviti

13

instalacije za napajanje iz elektroenergetskog sustava. Fotonaponski sustav najee ine fotonaponske elije spojene sa baterijama i potroaem.

Slika 5. Primjeri primjene solarnih panela

14

4. Solarni fotonaponski sustavi

Solarni fotonaponski sustavi mogu se podijeliti na dvije osnovne skupine: fotonaponski sustavi koji nisu prikljueni na mreu (engl. off-grid), a esto se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), i fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu (engl. on-grid). Podjela fotonaponskih sustava prikazana je na slici 6.

Slika 6. Podjela fotonaponskih sustava

Fotonaponski sustavi koji nisu prikljueni na mreu, odnosno samostalni sustavi, mogu biti sa ili bez pohrane energije, to e ovisiti o vrsti primjene i nainu potronje energije, i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, dizelskim generatorom ili gorivnim lancima. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu mogu biti izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu ili prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije.

15

4.1. Samostalni fotonaponski sustavi

Kao to je ve reeno, solarni fotonaponski sustavi koji nisu prikljueni na mreu (engl. offgrid) esto se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), a mogu biti sa ili bez pohrane energije, i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, gorivnim lancima ili dizelskim generatorom.

Slika 7. Samostalni sustav s pohranom energije

Fotonaponska pretvorba energije suneva zraenja, odnosno svjetlosne energije u elektrinu, odvija se u solarnoj eliji, dok se u akumulatoru obavlja povratni (reverzibilni) elektrokemijski proces pretvorbe, povezan s nabijanjem (punjenjem) i izbijanjem (pranjenjem) akumulatora. U troilima se elektrina energija pretvara u razliite oblike, kao primjerice mehaniku, toplinsku, svjetlosnu ili neku drugu energiju. Troilo je definirano snagom, naponom i strujom.

Solarni fotonaponski sustavi mogu biti izvedeni i kao hibridni sustavi s vjetroagregatom, kogeneracijom, gorivnim lancima ili, najee, generatorom na dizel ili biodizel gorivo. Kod tih sustava se elektrinom energijom proizvedenom solarnim modulima ili vjetroagregatom, prvotno napajaju troila, a viak energije se pohranjuje u tzv. solarne akumulatore. U sluaju da ne postoje uvjeti za proizvodnju

16

elektrine energije solarnim modulima ili vjetroagregatom, izvor za napajanje istosmjernih ili izmjeninih troila e biti akumulator. U sluaju da ni akumulator vie nema energije za napajanje troila, ukljuuje se generator na dizel ili biodizel gorivo.

Slika 8. Hibridni sustav

4.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu

Razvojem trita fotonaponske tehnologije, primjerice elija, modula, izmjenjivaa i pratee opreme, poinju se fotonaponski sustavi ugraivati ne samo na graevinama ili u njihovoj neposrednoj blizini, nego i na slobodnim povrinama u blizini elektroenergetske mree, te gradnjom djela elektroenergetske mree do prikljuka na nisku, srednju ili visoku razinu napona elektroenergetskog sustava. Ti su sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu i svu proizvedenu elektrinu energiju predaju u elektroenergetski sustav, kao to je prikazano na slici 9. Za te je sustave karatkeristina vea snaga i zahtijevaju vee povrine.

17

Slika 9. Fotonaponski sustav prikljuen na EE mreu

Osim fotonaponskih sustava koji su prikljueni direktno na elektroenergetsku mreu postoje i sustavi koji su kombinacija samostalnih i spojenih na elektroenergetsku mreu, kod kojih se spajanje na elektroenergetsku mreu izvodi koristei kunu instalaciju te se zbog toga tako i nazivaju. Oni omoguuju povezivanje distribuiranih sustava na centralizirane sustave, odnosno sustave prikljuene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava. Temeljne komponente fotonaponskog sustava, prikljuenog na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije prikazane su na slici 10.

Slika 10. Fotonaponski sustav prikljuen na elektroenergetsku mreu preko kune instalacije

18

5. Zakljuak

Trite fotonaponskih sustava imalo je do sada snaan rast, to e se sigurno nastaviti i u sljedeim godinama. Do kraja 2009. godine u svijetu je instalirano blizu 23 GW fotonaponskih sustava. U ugradnji fotonaponskih sustava prednjai Europa u kojoj je instalirano 16 GW i koja obuhvaa oko 70 % ukupno instaliranih sustava, zatim slijedi Japan sa 2,6 GW, SAD sa 1,6 GW, a ostalo otpada na ostatak svijeta.

Europsko udruenje industrije fotonapona EPIA (engl. European Photovoltaic Industry Association), koje broji preko 200 tvrtki u svijetu koje se bave industrijom fotonaponske tehnologije (95 % europskih tvrtki, odnosno 80 % svjetskih), dalo je jasnu poruku i predvianja do 2014. godine, s pogledom i do 2020. odnosno 2040. godine. EPIA predvia (a sve to su do sada prognozirali, znatno je i nadmaeno) da e solarna fotonaponska tehnologija do 2020. godine pokriti 12 % u Europskoj uniji potroene elektrine energije, a 2040. godine ak 28 %. Takoer su iznijeli podatak da je 2008. godine u industriji fotonaponske tehnologije izravno radilo 130 000 radnika te posredno jo 60 000. Njihova je procjena da e 2020. godine raditi oko 1,4 milijuna radnika, a 2030. godine ak 2,2 milijuna radnika na podruju fotonaponskih sustava. Upravo iz tih predvianja industrija vezana uz razvoj i proizvodnju sunevih elija je jedna od najbre rastuih industrija te ima sigurnu budunost.

19

6. Literatura

[1] Solarna elija, Wikipedija http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija

[2] Fotoelektrini uinak, Wikipedija http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotoelektri%C4%8Dni_efekt

[3] Solarna fotonaponska energija, Wikipedia http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

[4] Autor: Lj. Majdandi Naziv: Fotonaponski sustavi

[5] Tehniki listovi, Solvis www.solvis.hr