DEE Aurinkosähkön perusteet

Transkriptio

1 DEE Aurinkosähkön perusteet Neljännen luennon aihepiirit Aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostuminen Edellisellä luennolla tarkasteltiin aurinkokennon toimintaperiaatetta kennon sisäisten tapahtumisen avulla (reduktionistinen tapa). Miten aurinkokennon virta-jännite-käyrän muoto pystytään hahmottamaan reduktionistisen lähestymistavan avulla? Virta-jännite-käyrän formalisointi: mistä pinnallisen lähestymistavan matemaattinen esitys tulee? 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 tapahtumien avulla. Tavoitteena on hahmotella virta-jännite-käyrä ja hakea maksimitehopiste. Valittu reduktionistinen tapa rakentuu viiden kulmakiven päälle: kiderakenteen malli, elektronin malli, diffuusio, sähköstaattinen vuorovaikutus ja smg-energian aalto-hiukkas-dualismi. Näiden avulla pyritään siis selittämään, mitä kennon sisällä tapahtuu virta-jännite-käyrän eri vaiheissa. Lähdetään liikkeelle käyrän päätepisteistä (tyhjäkäynti ja oikosulku) ja sen jälkeen tarkastellaan toiminnallisesti tärkeää maksimitehopistettä. 2 1

2 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ: TYHJÄKÄYNTI Tyhjäkäynnissä aurinkokennon napojen välillä on ääretön resistanssi. 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 HUOMIOITA AURINKOKENNON JÄNNITTEESTÄ Aurinkokennon jännite syntyy pn-liitoksen eri puolille kertyvistä varauksista! Tärkeä huomio on, että kennon napojen välillä olevan jännitteen suunta on vastakkainen tyhjennysalueen jännitteelle. Kun kennon napojen väliin kytketään äärettömästä poikkeava resistanssi, varauskertymä pääsee purkautumaan ulkoista piiriä pitkin. Ulkoista piiriä pitkin tulevat elektronit täyttävät p-puolen aukkoja. Mitä pienempi on napojen välisen vastuksen resistanssi, sitä voimakkaampaa on varauksen purkautuminen. Þ Mitä pienempi on napojen välisen vastuksen resistanssi, sitä suurempi on virta, ja sitä alemmas jännite putoaa. 4 2

3 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ: OIKOSULKU Oikosulussa aurinkokennon napojen välinen resistanssi on nolla ohmia. Fotonien synnyttämät varauksenkuljettajat eivät kerry ei puolille pn-liitosta, sillä varaus pääsee purkautumaan resistanssittomasti ulkoista piiriä pitkin. Tyhjennysalueen sähkökenttä säilyy voimakkaana, sillä elektronien kertymistä ei tapahdu lainkaan. Tästä syystä napojen välinen jännite on nolla volttia. Oikosulkuvirta I sc on aurinkokennon maksimivirta. 5 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. Toisin sanoen ulkoista piiri pitkin kulkevien varausten määrä aikayksikössä kasvaa tyhjäkäyntiin verrattuna. Pieni virta purkaa hieman liitoksen eri puolille kertyneitä varauksia, joten napojen välinen jännite pienenee hieman tyhjäkäyntiarvostaan. Oleellista on huomata, että pienestä virrasta huolimatta varausten kertyminen on kuitenkin dominoiva ilmiö varausten purkautumiseen verrattuna. Siksi jännite pienenee vain vähän ja syntyy oheisen virta-jännite-käyrän piste (i). 6 3

4 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 varausten kertymistä tapahtuu hieman. Siksi myös virta pienenee hieman oikosulkuarvostaan, sillä aikayksikköä kohti purkautuvien varausten määrä pienenee kertymisen seurauksena. Oleellista on huomata, että pienestä jännitteestä huolimatta varausten purkautuminen on kuitenkin dominoiva ilmiö varausten kertymiseen verrattuna. Siksi virta pienenee vain vähän, ja syntyy oheisen virta-jännite-käyrän piste (ii). 7 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MUODOSTUMINEN (3/3) Huomatkaa, että jokainen virta-jännite-käyrän piste edustaa tasapainotilaa aikayksikköä kohti 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. 8 4

5 VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN FORMALISOINTI Mistä virta-jännite-käyrän pinnallisen lähestymistavan matemaattinen esitys tulee? VVT I = I -I e - ( ) sc s 1 Edellä huomattiin, että virta-jännite-käyrän muoto liittyy varausten kertymisen ja varausten purkautumisen dominointiin kennon eri toimintatilanteissa. Tämä on se ilmiö, joka selittää käyrän muodon. Mutta mikä johtaa eksponentiaaliseen riippuvuuteen? Kyse on siitä, että varausten liikettä kennon sisällä kuvaavat mallinnuksen kulmakivet ovat diffuusio ja sähköstaattinen vuorovaikutus (drift). Diffuusio on poikkitieteellinen ilmiö, jota yleisesti mallinnetaan differentiaaliyhtälöllä. Differentiaaliyhtälöiden ratkaisut ovat yleisesti eksponenttimuotoisia funktioita, ja sieltä on peräisin myös aurinkokennon virta-jännite-käyrän eksponentiaalinen muoto. 9 YHTEENVETO VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄN MALLINTAMISESTA Aurinkokennon virta-jännite-käyrän muoto on nyt selitetty sekä pinnallisella että reduktionistisella opetustavalla. Pinnallisessa menetelmässä mallinnuksen kulmakiviä oli kaksi. Reduktionistisessa menetelmässä tavoiteltiin syvällisempää ymmärrystä kennon virta-jännite-käyttäytymisestä, ja siksi toinen pinnallisen menetelmän kulmakivistä pilkottiin viiteen osaan. 10 5

6 AURINKOKENNON VIRTA-JÄNNITE-KÄYRÄ Kerrataanpa vielä aurinkokennon virta-jännite-käyrään liittyvät oleellisimmat yksityiskohdat. 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 11 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 h = = GA GA max oc sc =» 12.8% tyhjäkäyntijännite V oc (V) 21.4 oikosulkuvirta I sc (A) 4.6 täytekerroin f 0.74 ulkomitat (m) kennojen osuus pinta-alasta (%)

7 AURINKOKENNON HYÖTYSUHTEESEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Aurinkokennon hyötysuhde on alle 100%, koska: Fotonin ylimääräinen energia muuttuu lämmöksi (piille h 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. 13 7