DEE Aurinkosähkön perusteet

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "DEE Aurinkosähkön perusteet"

Leena Jääskeläinen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

DEE-53010 Aurinkosähkön perusteet Viidennen luennon aihepiirit Olosuhteiden vaikutus aurinkokennon toimintaan: Mietitään kennon sisäisten tapahtumien avulla, miksi ja miten lämpötilan ja

1 DEE Aurinkosähkön perusteet Viidennen luennon aihepiirit Olosuhteiden vaikutus aurinkokennon toimintaan: Mietitään kennon sisäisten tapahtumien avulla, miksi ja miten lämpötilan ja säteilyintensiteetin muutokset vaikuttavat aurinkokennon toimintaan. Aurinkokennojen standardimittausolosuhteet 1 OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOKENNON TOIMINTAAN Kaksi olosuhdemuuttujaa, jotka vaikuttavat merkittävästi aurinkokennon toimintaan, ovat lämpötila T ja säteilyintensiteetti G. Tarkastellaan kennon sisäisten ilmiöiden avulla, 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. 2 1

2 OIKOSULKUVIRRAN RIIPPUVUUS KENNON LÄMPÖTILASTA PN-liitoksen lämpötilan nousu kasvattaa (valenssi)elektronien energiaa. Toisin sanoen energia-aukko pienenee lämpötilan kasvaessa. Lämpötilan nousu vaikuttaa pn-liitoksen oikosulkuvirtaan kahdella tavalla: Lisääntynyt lämpöenergia lisää vähemmistövarauksenkuljettajien määrää. Täten p- puolelle syntyy aiempaa enemmän johtavuuselektroneja, jotka tyhjennysalueen sähkökenttä siirtää n-puolelle. Kun energia-aukko pienenee, aiempaa matalaenergiasemmät fotonit pystyvät virittämään valenssielektroneja johtavuusvyölle. Oikosulkuvirta kasvaa lievästi pn-liitoksen lämpötilan kasvaessa. 3 TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEEN RIIPPUVUUS KENNON LÄMPÖTILASTA (1/2) 4 2

3 TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEEN RIIPPUVUUS KENNON LÄMPÖTILASTA (2/2) Tarkastellaan ensin lämpötilan vaikutusta pimeässä olevaan pn-liitokseen. Kun pn-liitoksen lämpötila kasvaa, samalla kasvaa myös vähemmistövarauksenkuljettajien lukumäärä. Tyhjennysalueeseen syntyy siis entistä enemmän vapaita varauksenkuljettajia, jotka sähkökenttä erottelee. Siksi tyhjennysalueen sähkökenttä heikkenee pn-liitoksen lämpötilan kasvaessa. Vaikka samanaikaisesti lisääntyvä diffuusio pyrkii estämään sähkökentän heikkenemisen, lämpötilan noususta seuraava nettovaikutus on kuitenkin sähkökentän heikkeneminen. Tarkastellaan sitten auringonsäteilylle altistetun pn-liitoksen toimintaa kahdessa eri lämpötilassa. Mitä korkeampi lämpötila on, sitä heikompi on tyhjennysalueen sähkökenttä. Mitä heikompi on tyhjennysalueen sähkökenttä, sitä vähemmän se pystyy erottelemaan fotonien synnyttämiä varauksenkuljettajia pn-liitoksen eri puolille. Tyhjäkäyntijännite pienenee huomattavasti pn-liitoksen lämpötilan kasvaessa. 5 OIKOSULKUVIRRAN RIIPPUVUUS SÄTEILYINTENSITEETISTÄ Auringon säteilyintensiteetin muutos johtuu pääosin pinta-alayksikköä kohti tulevien fotonien määrän muutoksesta. Yleisesti ottaen säteilyintensiteetin muutos voi tarkoittaa joko aallonpituuden tai fotonien lukumäärän muutosta. Pilvisyyden ja ilmamassan muutokset vaikuttavat kuitenkin pääasiassa fotonien lukumäärään pinta-alayksikköä kohti, eivät niinkään aallonpituuteen. Täten säteilyintensiteetin kaksinkertaistaminen likimain kaksinkertaistaa tyhjennysalueeseen tulevien fotonien lukumäärän. Syntyy likimain kaksinkertainen määrä elektroniaukko-pareja, jotka tyhjennysalue erottelee. Ulkoisen piirin virta likimain kaksinkertaistuu. Oikosulkuvirran riippuvuus säteilyintensiteetistä on likimain lineaarinen. 6 3

4 TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEEN RIIPPUVUUS SÄTEILYINTENSITEETISTÄ Kun pn-liitos altistetaan auringonsäteilylle, tyhjennysalueen sähkökenttä erottelee fotonien virittämät johtavuuselektronit ja aukot eri puolille liitosta. Jännite syntyy pn-liitoksen eri puolille kertyvistä varauksista. Tyhjäkäyntitilanteessa varaukset eivät pääse purkautumaan ulkoisen piirin kautta, joten tyhjäkäyntitilanteessa tyhjennysalueen sähkökenttä on kertyvien varausten vuoksi heikentynyt niin paljon, ettei se pysty enää erottelemaan lisää varauksia. Koska säteilyintensiteetin kasvu tarkoittaa fotonien ja samalla elektroni-aukkoparien lukumäärän kasvua, äkkiä ajatellen voisi luulla, että säteilyintensiteetin kasvu kasvattaa voimakkaasti tyhjäkäyntijännitettä. Oleellista on kuitenkin tiedostaa, että tyhjäkäyntijännite edustaa sitä tilannetta, jossa tyhjennysalueen sähkökentän varaustenerottelukyky on jo miltei kokonaisuudessaan käytetty. Täten liitoksen eri puolille kertyvien varausten määrä ei enää juurikaan lisäänny, vaikka tyhjennysalueeseen tulevien fotonien määrä aikayksikössä kasvaisikin. Tyhjäkäyntijännite kasvaa vain lievästi säteilyintensiteetin kasvaessa. 7 OLOSUHDERIIPPUVUUKSIEN KESKINÄINEN VERTAILU (1/2) Olosuhderiippuvuuksien merkittävyysjärjestys on seuraavanlainen: Säteilyintensiteetin G ja oikosulkuvirran I sc välillä on likimain lineaarinen riippuvuus: I» ag jossa a on vakio. sc, Lämpötilan kasvu pienentää merkittävästi tyhjäkäyntijännitettä V oc : Yksittäiselle piiaurinkokennolle pätee dvoc dt»-2.3 mv K. Lämpötilan kasvu kasvattaa hieman oikosulkuvirtaa. Säteilyintensiteetin kasvu kasvattaa hieman tyhjäkäyntijännitettä. Kumpikaan näistä riippuvuuksista ei ole merkittävä aurinkosähkön energiantuotannon kannalta. Aurinkokennon toiminnan ymmärtämisen kannalta kaikki olosuhderiippuvuudet ovat yhtä tärkeitä, mutta energiantuotannon kannalta oikosulkuvirran riippuvuus säteilyintensiteetistä on hallitseva. 8 4

OLOSUHDERIIPPUVUUKSIEN KESKINÄINEN VERTAILU (2/2) 9 AURINKOKENNOJEN STANDARDIMITTAUSOLOSUHTEET Jotta eri aurinkokennojen suoritusarvojen vertaileminen on mielekästä, mittaustulokset on ilmoitettava

5 OLOSUHDERIIPPUVUUKSIEN KESKINÄINEN VERTAILU (2/2) 9 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 2. Normaalin toiminnan aikana kennolämpötila on yleensä huomattavasti korkeampi kuin 25 o C, jos säteilyintensiteetti on korkeissa lukemissa. NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) tarkoittaa todellista kennolämpötilaa, kun G = 800 W/m 2, ilman lämpötila on 20 o C, ja tuulennopeus 1 m/s. Kiteisillä piiaurinkokennoilla NOCT asettuu yleensä välille o C. 10 5

Samankaltaiset tiedostot

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö Kolmannen luennon aihepiirit Aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostuminen Miksi aurinkokennon virta-jännite-käyrä on tietyn muotoinen? Miten aurinkokennon virta-jännite-käyrää