SMG-4450 Aurinkosähkö

Transkriptio

1 SMG-4450 Aurinkosähkö Kolmannen luennon aihepiirit Aurinkokennon ja diodin toiminnallinen ero: Puolijohdeaurinkokenno ja diodi ovat molemmat pn-liitoksia. Mietitään aluksi, mikä on toiminnallinen ero näiden välillä. Tarkastellaan myös aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostumista. Olosuhteiden vaikutus aurinkokennon toimintaan: Mietitään, miksi ja miten lämpötilan ja säteilytehotiheyden muutokset vaikuttavat aurinkokennon toimintaan. Aurinkokennon hyötysuhde: Mietitään, mitä aurinkokennon hyötysuhde tarkoittaa, ja mitkä tekijät siihen vaikuttavat. 1 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (1/4) Puolijohdeaurinkokennot ovat pn-liitoksia, joilla on suuri liitoksen pinta-ala. Elektroniikassa yleisesti käytetty komponentti, diodi, on myös pn-liitos. Diodia käytetään siten, että sen sähkönjohtavuus riippuu diodin yli olevan jännitteen suunnasta. Kun jännite on myötäsuuntaan, diodi johtaa sähköä. Kun jännite on estosuuntaan, diodi ei johda sähköä. Aurinkokenno vastaa rakenteellisesti diodia, mutta aurinkokennoa ei käytetä samalla tavalla kuin diodia. Aurinkokennon yli ei syötetä jännitettä, vaan auringonsäteily synnyttää virran pn-liitokseen. 2 1

2 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (2/4) 3 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (3/4) Myötäsuuntaan kytketyssä diodissa elektronit liikkuvat pn-liitoksen sisällä n- puolelta p-puolelle. Mitä voimakkaampi on myötäsuuntainen jännite, sitä suuremmaksi virta kasvaa. Estosuuntaan kytketyssä diodissa elektronit liikkuvat pn-liitoksen sisällä p- puolelta n-puolelle. Estosuuntaisen jännitteen arvo ei juurikaan vaikuta estosuuntaiseen virtaan. 4 2

3 AURINKOKENNON JA DIODIN TOIMINNALLINEN ERO (4/4) 5 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ Aurinkokennon toiminnallinen virta-jännite-käyrä on edellä esitetystä käyrästä se osa, jolla jännite ja virta ovat positiivisia. Tyhjäkäyntijännite V oc on I(V)-käyrän suurin jännitteen arvo. Tällöin pätee I = 0 A. Oikosulkuvirta I sc on I(V)-käyrän suurin virran arvo. Tällöin pätee V = 0 V. Aurinkokennon toiminnan kannalta erityisen kiinnostava on se I(V)-käyrän piste, jossa virran ja jännitteen tulo on maksimissaan. Tämä maksimitehopiste (V m, I m ) kertoo sähkötehon suurimman arvon, joka kennosta voidaan tietyissä olosuhteissa saada. Aurinkokennon maksimisähköteho P max on usein tapana ilmaista V oc :n ja I sc :n avulla täytekerrointa f hyödyntäen: P V I fv I. max mp mp oc sc 6 3

4 AURINKOKENNON HYÖTYSUHDE Aurinkokennon hyötysuhde on kennosta saatavan sähkötehon ja kennolle tulevan säteilytehon osamäärä. Oheisessa taulukossa on 36 piiaurinkokennon sarjaankytkennästä koostuvan aurinkopaneelin suoritusarvoja. Paneelin ulkomitat ovat m 2, ja noin 90% tästä pinta-alasta koostuu kennoista. Aurinkopaneelin hyötysuhteeksi saadaan: P fv I GA GA max oc sc % AURINKOKENNON HYÖTYSUHTEESEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Aurinkokennon hyötysuhde on alle 100%, koska: Fotonin ylimääräinen energia muuttuu lämmöksi (piille max 44%). Toisaalta osalla auringonsäteilyn fotoneista on liian vähän energiaa. Resistiivisten häviöiden vuoksi osa sähköenergiasta muuttuu kennossa ja johtimissa lämpöenergiaksi. Kaikki auringonsäteilyn synnyttämät varauksenkuljettajat eivät saavuta kennon virtakontakteja. Tästä käytetään nimitystä keruuhäviöt. Osa auringonsäteilystä heijastuu kennon pinnasta, ja toisaalta kennon pinnalla olevat metalliset virtakontaktit vähentävät aktiivista pinta-alaa. Kidevirheissä ja puolijohde-metalli-liitoksissa tapahtuu rekombinaatiota. 8 4

5 OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOKENNON TOIMINTAAN Kaksi olosuhdemuuttujaa, jotka vaikuttavat merkittävästi aurinkokennon toimintaan, ovat lämpötila T ja säteilyintensiteetti G. Tarkastellaan seuraavassa, miksi ja miten T:n ja G:n muutokset vaikuttavat aurinkokennon toimintaan. Tehdään yksinkertaisuuden vuoksi se oletus, että täytekerroin f pysyy vakiona olosuhteista riippumatta. Kun nyt selvitetään, miten V oc ja I sc riippuvat T:stä ja G:stä, saadaan selville, miten aurinkokennon I(V)-käyrä ja maksimiteho muuttuvat olosuhteiden muuttuessa. 9 LÄMPÖTILAN VAIKUTUS TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEESEEN 10 5

6 SÄTEILYINTENSITEETIN VAIKUTUS TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEESEEN 11 LÄMPÖTILAN VAIKUTUS V oc :hen JA I sc :hen Lämpötilan kasvu pienentää V oc :tä merkittävästi. Yksittäiselle piiaurinkokennolle pätee dvoc dt 2.3 mv K. Lämpötilan kasvu kasvattaa hieman I sc :tä. Vaikutus ei kuitenkaan ole kovinkaan merkittävä kennon toiminnan kannalta. SÄTEILYINTENSITEETIN VAIKUTUS V oc :hen JA I sc :hen Säteilyintensiteetin ja I sc :n välillä on likimain lineaarinen riippuvuus. I ag jossa a on vakio. sc, Säteilyintensiteetin kasvu kasvattaa hieman V oc :tä. Vaikutus ei kuitenkaan ole kovinkaan merkittävä kennon toiminnan kannalta. 12 6

7 YHTEENVETO TOIMINTAOLOSUHTEIDEN VAIKUTUKSESTA 13 AURINKOKENNOJEN STANDARDIMITTAUSOLOSUHTEET Jotta eri aurinkokennojen suoritusarvojen vertaileminen on mielekästä, mittaustulokset on ilmoitettava aina samoissa olosuhteissa. Nämä standardimittausolosuhteet (STC, Standard Test Conditions) ovat: AM1.5, T cell = 25 o C, G = 1000 W/m