DEE Aurinkosähkön perusteet

Transkriptio

1 DEE Aurinkosähkön perusteet Toisen luennon aihepiirit Lyhyt katsaus aurinkosähkön historiaan Valosähköinen ilmiö: Mistä tässä luonnonilmiössä on kyse? Pinnallinen tapa aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodon ymmärtämiseen Perustellaan virta-jännite-käyrän muoto yksinkertaisen piirimallin avulla. Mietitään, mitä hyötyjä ja haittoja tällaisesta lähestymistavasta on. 1 AURINKOSÄHKÖN HISTORIA (1/2) Ranskalainen Becquerel havaitsi 1839, että elektrolyyttiin upotettujen elektrodien välinen jännite riippuu valon määrästä. Vuonna 1873 englantilainen Smith havaitsi saman ilmiön ensimmäisen kerran kiinteässä aineessa, seleenissä. Yhdysvaltalainen Fritts rakensi 1883 ensimmäisen toiminnallisen aurinkokennon. Materiaali oli seleeni. Aurinkokennojen nykyisen aikakauden katsotaan alkavan vuodesta 1954, jolloin yhdysvaltalaisessa Bell Labs -tutkimuskeskuksessa havaittiin valosähköinen ilmiö piistä valmistetussa -liitoksessa. Tämän havainnon perusteella valmistettiin vielä samana vuonna aurinkokenno, joka muunsi auringonvaloa sähköksi ylivoimaisella hyötysuhteella (6%). Puolijohdeaurinkokennojen perusteoria ymmärrettiin vuoteen 1960 mennessä. 2 1

2 AURINKOSÄHKÖN HISTORIA (2/2) Vuotta 1973 pidetään merkittävänä aurinkosähkön historiassa. Yhdysvalloissa syntyi Cherry Hill -konferenssin seurauksena US Energy Research and Development Agency (myöhemmin US Dept. of Energy), joka alkoi merkittävästi rahoittaa uusiutuvien energiamuotojen tutkimusta. Öljykriisi sai monet valtiot panostamaan uusiutuviin energiamuotoihin luvulla piipohjaisten aurinkokennojen valmistustekniikka alkoi olla kypsää. Suurehkoja tehtaita nousi Yhdysvaltoihin, Japaniin ja Eurooppaan. Ongelmana oli kuitenkin aurinkokennojen korkea hinta. Öljyn hinnan nousu ja ilmastonmuutos ovat lisänneet uusiutuvien energiamuotojen suosiota ja tarpeellisuutta. Saksa, Japani ja Espanja ovat tänä päivänä edelläkävijöitä aurinkosähkön hyödyntäjinä hajautetussa energiantuotannossa. Viime vuosina aurinkosähkön maailmanlaajuinen kasvu on ollut erittäin voimakasta. Vuoden 2012 kokonaiskapasiteetti oli 102 GW, josta noin 31 GW asennettiin VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ (photoelectric effect) (1/2) Valosähköinen ilmiö on pohjimmiltaan sähkömagneettisen säteilyn ja sähkövarausten välistä vuorovaikutusta. Kyse on siitä, että aineen elektronit voivat saada niin paljon energiaa sähkömagneettisesta säteilystä, että ne irtautuvat atomiytimen vetovoimasta. Ilmiön huomasi vuonna 1887 saksalainen fyysikko Heinrich Hertz, joka tarkasteli kahden vastakkaismerkkisesti varatun metallipallon välistä läpilyöntiä. Hertz huomasi, että läpilyöntijännite riippuu metallipalloihin kohdistuvan valon määrästä. Havainto aiheutti hämmennystä, sillä valon ei vielä tässä vaiheessa ymmärretty olevan sähkömagneettista säteilyä. 4 2

3 VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ (photoelectric effect) (2/2) Saksalaiset fyysikot Hallwachs ja Lenard jatkoivat Hertzin havaitseman ilmiön tutkimista ja tekivät seuraavanlaisia havaintoja. 5 VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ JA AURINKOKENNOT Kaikkien puolijohdetekniikkaan perustuvien aurinkokennojen taustalla on valosähköinen ilmiö, joka on pohjimmiltaan sähkömagneettisen säteilyn fotonien ja aineen elektronien välistä vuorovaikutusta. Yksinkertaisesti selitettynä osa aurinkokennoon osuvien fotonien energiasta siirtyy kennomateriaalin elektroneille, ja kennon rakenteen ansiosta tämä energia saadaan hyödynnettyä sähkövirtana ja jännitteenä. Tavoitteena on aurinkokennon virta-jännite-käyttäytymisen ymmärtäminen. 6 3

4 PINNALLINEN TAPA VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN YMMÄRTÄMISEEN (1/3) Aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodosta on mahdollista saavuttaa pinnallinen ymmärrys yksinkertaisen piirimallin avulla. Ideaalisen virtalähteen lähdevirta I edustaa aurinkokennon oikosulkuvirtaa, ja virtalähteen rinnalla oleva diodi mallintaa aurinkokennon -liitoksen ominaisuuksia. Tässä lähestymistavassa mallinnuksen kulmakivinä käytetään Kirchhoffin virtalakia ja Shockleyn diodiyhtälöä jossa I s on pimeä saturaatiovirta, ja V T on terminen jännite. Kulmakivillä tarkoitetaan niitä kiistämättömiä sääntöjä, jotka muodostavan pohjan selityksille. I I e VVT s 1, 7 PINNALLINEN TAPA VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN YMMÄRTÄMISEEN (2/3) Pyritään selvittämään aurinkokennon virta-jännite-käyrän muoto kiinnitettyjen mallinnuksen kulmakivien avulla. Kirchhoffin virtalain perusteella voidaan kirjoittaa I I I I I I I I e T VV s 1. Annetaanpa sitten muuttujille tyypillisiä arvoja. Jos tarkastellaan yksittäistä piiaurinkokennoa keskikesän auringonpaisteessa, seuraavat lukuarvot ovat käypiä: I 10 A, I 8 A, V mv. 10 s T Käydään sitten läpi virta-jännite-käyrän päätepisteet. Aloitetaan oikosulusta, jolloin V = 0 V. Kun tämä sijoitetaan yllä olevaan yhtälöön, saadaan I =I = 8 A. Toinen päätepisteistä on tyhjäkäynti, jolloin I = 0 A. Tällöin saadaan Voc VT Voc V I T Is e 1 I e I Is 1 Voc VT ln 1. Is 8 4

5 PINNALLINEN TAPA VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN YMMÄRTÄMISEEN (3/3) Tyhjäkäyntijännitteen arvoksi saadaan V oc = V. Virta-jännite-käyrän päätepisteiden lukuarvot ovat nyt selvillä. Näiden pisteiden välissä käyttäytyminen noudattaa yhtälöä I I I e VVT s 1. Virta lähtee pienenemään jännitteen kasvaessa. Aluksi pieneneminen on hidasta, mutta eksponentiaalisen riippuvuuden seurauksena jossain vaiheessa virta romahtaa. Syntyy oheinen virta-jännite-käyrä. Täten aurinkokennon virta-jännite-käyrän muoto on pystytty selittämään valittujen mallinnuksen kulmakivien avulla. 9 PINNALLISEN MENETELMÄN HYÖDYT JA HAITAT Sanaa pinnallinen ei tule tässä tulkita negatiivissävytteiseksi. Kun aurinkokenno ajatellaan mustaksi laatikoksi, jonka sisällön penkominen ei ole kiinnostuksen kohteena, tilannetta tarkastellaan mustan laatikon pinnalta. Tällaisia tilanteita, joissa aurinkokennoa mallinnetaan mustana laatikkona, ja joissa tieto virta-jännite-käyrän pisteistä on riittävä kennon mallinnuksen kannalta, löytyy teollisuudesta runsaasti. Monet elektroniikan, tehoelektroniikan ja sähkövoimatekniikan ongelmat ovat juuri tällaisia. Toki piirimallin on mallinnuksen tarkkuuden nimissä usein syytä olla monimutkaisempi kuin edellä, mutta silti kyse on pinnallisesta menetelmästä. Mutta jos tavoitteena on syvällisempi ymmärrys virta-jännite-käyrän muodostumisesta, pinnallinen malli on käytännössä hyödytön. Syvällisemmän ymmärryksen saavuttaminen edellyttää sitä, että pinnallinen piirimalli pilkotaan pienempiin ja pienempiin osiin, kunnes ollaan sellaisella mallinnuksen tasolla, että ilmiöiden ymmärtäminen tulee mahdolliseksi. 10 5