Know How moduły fotowoltaiczne

Specyfika działania modułów fotowoltaicznych i ich rodzaje oraz podstawy elektrotechniki

Efekt fotowoltaiczny: Kwant promieniowania wzbudza „wspólny elektron” uwalniając go z wiązania. Elektron może poruszać się w sieci krystalicznej. W miejscu brakującego elektronu, tworzącego uprzednio wiązania kowalencyjne „wskazują” elektrony z sąsiadujących wiązań. Powstały „brak elektronu” czyli dziura może poruszać się w sieci krystalicznej.

Wytworzona para nośników elektron i dziura są rozdzielane pod wpływem wbudowanego w złącze p-n powstałego na granicy krzemu typu n i krzemu typu p, pola elektrycznego i są kierowane w stronę odpowiednich kontraktów. Każdy nośnik może w swej drodze zrekombinować – wędrujący elektron może trafić na dziurę i powrócić do stanu podstawowego – stać się znowu wiązaniem kowalencyjnym pomiędzy dwoma atomami sieci.

Podstawy elektrotechniki potrzebne do fotowoltaiki:

Półprzewodniki; Krzem (SI) z którego wykonane są ogniwa fotowoltaiczne w najpopularniejszej technologii c-Si jest pierwiastkiem pochodzącym z IV grupy układu okresowego pierwiastków.

Domieszkowanie krzemu atomami z grupy V (np. fosfor) zwiększa przewodność półprzewodnika poprzez zwiększenie ilości elektronów tworząc materiał typu „n”

Domieszkowanie atomami z grupy III układu okresowego (B-Bar) zwiększa ilość pustych miejsc dziur tworząc strukturę o sumarycznym ładunku dodatnim – materiał typu „p”.

Rodzaje modułów fotowoltaicznych
Podział ogniw:

Monokrystaliczne – wyprodukowane z jednego dużego monokryształu krzemu. Mają najwyższą sprawność wśród ogniw krzemowych. Kolor granatowo – czarny

Polikrystaliczne – krystalizujący w postaci wielu kryształów. Kształt kwadratu lub prostokąta.

Cechy ogniw z krystalicznego krzemu:
Zalety:
Wady:
Ogniwa cienkowarstwowe
Zalety
Półprzezroczystość
Wady:
AMAROFICZNE

cienka, na około 2 mikronomy, warstwa bezpostaciowego krzemu, Osadzona jest na powierzchni innego materiału, np. na szkle. Cechuje się niskim kosztem produkcji oraz niską sprawnośćią 8,5%

Zalety:
Wady:
Zalety:
Wady:
Podstawowe pojęcia

Volt (Volt) – to jednosta napięcia elektrycznego U. Płynie prąd o wartości 1 Amperea poprzez opór o wartości 1 (Ω) następuje spadek napięcia 1 V

U=R x I
Ohm (Ω) – Ohm to jednostka oporu elektrycznego R. Przewód ma oporność 1 (Ω) jeżeli po przyłączeniu do jego końców napięcia 1 V (volt) popłynie prąd o natężeniu 1 A (amper)

R= U/I
Amper (1) Amper jest jednostką natężenia prądu elektrycznego nie zmieniającego się, który płynąc w dwóch równoległych prostolinijnych, nieskończenie długich przewodach, o znikomo małym przekroju poprzecznym, umieszczonym w próżni w odległości 1 m jeden od drugiego, wywołałby między tymi przewodami siłę 2 x 10 -7 N na każdy metr długości I= U/R

Wat (W) – Jest to jednostka mocy elektrycznej. Moc elektryczna to praca jaką wykonuje energia elektryczna w jednostce czasu

P= V x I
Poprzez odpowiednie połączenie modułów fotowoltaicznych w zależności od potrzeb jesteśmy w stanie sterować wysokością napięcia albo prądu po stronie DC.

Połączenie szeregowe: U = U1 + U2 + U3

UWAGA!
Połączenie równoległe: I = I 1 + I2+ I3

Tego typu połączenie może mieć negatywny wpływ na instalacje. Jeżeli jeden z modułów ulegnie uszkodzeniu powstaje w systemie dodatkowy opór. W takiej sytuacji może w niekorzystnym przypadku dojść do całkowitego zepsucia modułu. W celu ochrony modułu stosuje się tak zwane Bypass- Diody które mostkują w takiej sytuacji moduły. Diody te spełniają rolę zaworu bezpieczeństwa.

KIEDY MODUŁY RÓŻNIE PRACUJĄ:

Może się przydarzyć że prąd z jednego stringu może wpłynąć do innego stringu co negatywnie wpływa na ich pracę. Z tego powodu przy dobrze zaprojektowanych instalacjach stosuje się tzw. diody stringowe które stanowią zapore chroniącą przed tym negatywnym efektem i uszodzeniem modułu, czy całego generatora.

KWp i Wp – Dosłownie Wat peak „max moc” oznacza maksymalną moc jaką moduł fotowoltaiczny jest w stanie osiągnąć w określonych warunkach laboratoryjnych

Efektywność modułu fotowoltaicznego to stosunek mocy promieniowania słonecznego do wyprodukowanej energii elektrycznej przez ten moduł.

Żywotność instalacji fotowoltaicznej

Moduły z czasem tracą na mocy, teoretycznie można przypuszczać że ich żywotność to 30 -35 lat, bo są systemy które już tyle funkcjonują. Jednak może to trwać jeszcze dłużej.

Współczynnik Air Mass AM: do powierzchni Ziemi dociera ok.40% promieniowania słonecznego. Pozostała ilość jest odbijana (40%) i pochłaniana (20%) przez atmosferę. Współczynnik AM określa warunki oświetlenia na powierzchni w zależności od kąta padania promieniowania. Wyznacza się go, uwzględniając kąt pomiędzy położeniem Słońca a zenitem:

AM= 1/ cosQ
AM – wzrasta wraz ze wzrostem padania promieniowania, natomiast gęstość mocy promieniowania maleje.

Hot Spot: Zjawisko jest niczym innym jak miejscowym przegrzewaniem się łańcucha ogniw krzemowych w module fotowoltaicznym, wahania temperatury w module, wywołane np. przez ptasi kał, liście, złe lutowanie, mechaniczne uszkodzenie. Staje się niebezpieczny. Wtedy takie ogniwo nie potrafi wytwarzać napięcia i takie miejsce staje się elektrycznym oporem. Zostaje przekroczone napięcie zaporowe, wzrost temperatury, oraz uszkodzenie ogniwa – tworzenie się gorących punktów. Taka wada w najlepszym przypadku może doprowadzić do strat w produkowanej energii elektrycznej. W najgorszym scenariuszu zastosowanie modułu z takim problemem prowadzi do pożaru instalacji fotowoltaicznej.