SMG-4450 Aurinkosähkö

Transkriptio

1 SMG-4450 Aurinkosähkö Kolmannen luennon aihepiirit Aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostuminen Miksi aurinkokennon virta-jännite-käyrä on tietyn muotoinen? Miten aurinkokennon virta-jännite-käyrää mallinnetaan? 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 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ Tarkastellaan seuraavassa aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostumista kennon sisäisten ilmiöiden avulla. Tavoitteena on hahmotella virta-jännite-käyrä ja hakea maksimitehopiste. Lähdetään liikkeelle virta-jännite-käyrän päätepisteistä: tyhjäkäynnistä ja oikosulusta. Maksimitehopisteessä kennon tuottama teho on suurimmillaan, joten kyseessä on kennon optimaalinen toimintapiste. 2 1

2 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ: TYHJÄKÄYNTI Tyhjennysalueen sähkökenttä erottelee fotonien synnyttämät varauksenkuljettajat eri puolille pn-liitosta. Tyhjäkäynnin vuoksi varaus ei pääse purkautumaan ulkoista piiriä pitkin. Varausten kertyminen heikentää tyhjennysalueen sähkökenttää. Kun varausten erottelu ei enää onnistu, tyhjäkäyntijännite V oc on saavuttanut lopullisen arvonsa. 3 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ: OIKOSULKU Fotonien synnyttämät varauksenkuljettajat eivät kerry ei puolille pn-liitosta, sillä varaus pääsee purkautumaan ulkoista piiriä pitkin. Tyhjennysalueen sähkökenttä säilyy voimakkaana, sillä n-puolelta ulkoista piiriä pitkin tuleva elektroni rekombinoituu p-puolen aukkoon. Oikosulkuvirta I sc on aurinkokennon maksimivirta. 4 2

3 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MUODOSTUMINEN (1/3) Tarkastellaan, mitä valolle altistetun pn-liitoksen sisällä tapahtuu, kun tyhjäkäynnistä siirrytään pienen askeleen verran kohti oikosulkua. Napojen välille on kytketty suuriresistanssinen vastus, joten ulkoista piiriä pitkin alkaa kulkea nollasta poikkeava sähkövirta. Pieni virta purkaa hieman liitoksen eri puolille kertyneitä varauksia, joten napojen välinen jännite pienenee hieman tyhjäkäyntiarvostaan. Syntyy oheisen virta-jännite-käyrän piste (i). 5 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MUODOSTUMINEN (2/3) Tarkastellaan, mitä valolle altistetun pn-liitoksen sisällä tapahtuu, kun oikosulusta siirrytään pienen askeleen verran kohti tyhjäkäyntiä. Napojen välille on kytketty pieniresistanssinen vastus, joten napojen välille syntyy nollasta poikkeava jännite. Nollasta poikkeava jännite tarkoittaa sitä, että varauksia kertyy hieman pnliitoksen eri puolille, joten myös virta pienenee hieman oikosulkuarvostaan. Syntyy oheisen virta-jännite-käyrän piste (ii). 6 3

4 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MUODOSTUMINEN (3/3) Oleellista on tiedostaa, että jokainen virta-jännite-käyrän piste edustaa tasapainotilaa aikayksikköä kohden kertyneiden varausten (jännite) ja ulkoista piiriä pitkin purkautuneiden varausten (virta) välillä. Lähdetään liikkeelle tyhjäkäyntitilanteesta kuormaresistanssia pienentäen. Niin kauan, kuin varausten kertyminen dominoi varausten purkautumista, jännitteen pieneneminen pysyy maltillisena. Jossain vaiheessa varauksia alkaa siirtyä ulkoista piiriä pitkin aikayksikköä kohti niin paljon, että kertynyt varaus alkaa purkautua voimakkaasti. Jännite romahtaa, ja varausten purkautuminen alkaa dominoida varausten kertymistä aikayksikköä kohti. Aurinkokennon maksimitehopiste edustaa rajatilannetta aikayksikköä kohti pn-liitoksen eri puolille kertyvien varausten ja ulkoista piiriä pitkin purkautuvien varausten välillä. 7 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MALLINTAMINEN Aurinkokenno on rakenteellisesti vastaava komponentti kuin elektroniikkateollisuudesta tuttu diodi, sillä molemmat ovat pn-liitoksia. Diodin sähkönjohtavuus perustuu komponentin yli syötetyn jännitteen suuntaan. Diodi on siis jänniteohjattu komponentti. Aurinkokennossa fotonien absorptio synnyttää sähkövirran pn-liitokseen, joten aurinkokenno ei ole jänniteohjattu komponentti. Toiminnallisesta erilaisuudesta huolimatta molemmille pätee pn-liitoksen virran I pn ja jännitteen V välinen riippuvuus ev Ipn I0 exp 1, kt jossa e on elektronin varaus, T lämpötila (K), k Boltzmannin vakio, ja I 0 saturaatiovirta, jolla kuvataan lämpöenergian virittämien elektronien liikettä tyhjennysalueen yli p-puolelta n-puolelle. 8 4

5 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MALLINTAMINEN Aurinkokenno on yksinkertaisimmillaan mallinnettavissa pn-liitoksen ja virtalähteen rinnankytkentänä. ev I Ivalo Ipn I Ivalo I0 exp 1 kt Huomataan, että yhtälön mallintama aurinkokennon virta-jännite-riippuvuus vastaa kennon sisäisen toiminnan kautta pääteltyä käyttäytymistä. Oleellista on huomata, että tyhjäkäynti ja oikosulku ovat aurinkokennon virtajännite-käyrän päätepisteet. 9 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 m m oc sc 10 5

6 AURINKOKENNON HYÖTYSUHDE Aurinkokennon hyötysuhde on kennosta saatavan sähkötehon ja kennolle tulevan säteilytehon osamäärä. Oheisessa taulukossa on 36 piiaurinkokennon sarjaankytkennästä koostuvan aurinkopaneelin suoritusarvoja. Aurinkopaneelin hyötysuhteeksi saadaan: P fv I GA GA max oc sc % tyhjäkäyntijännite V oc (V) 21.4 oikosulkuvirta I sc (A) 4.6 täytekerroin f 0.74 ulkomitat (m) kennojen osuus pinta-alasta (%) 90 9/28/ 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. 12 6

7 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. 13 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. 14 7

8 TYHJÄKÄYNTIJÄNNITTEEN RIIPPUVUUS KENNON LÄMPÖTILASTA (1/2) 15 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 enstistä enemmän vapaita varauksenkuljettajia, jotka sähkökenttä erottelee. Tämän vuoksi tyhjennysalueen sähkökenttä heikkenee pn-liitoksen lämpötilan kasvaessa. 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. 16 8

9 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. 17 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. 18 9

10 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. 19 OLOSUHDERIIPPUVUUKSIEN KESKINÄINEN VERTAILU (2/2) 20 10

11 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