Schrack Technik BH d.o.o., Mostar

Osnove o fotonaponskoj ćeliji i fotonaponskom modulu

Shvatili smo da ne bi bilo loše objasniti osnove o fotonaponskoj ćeliji i fotonaponskom modulu.
Česta pitanja koja dobivamo od kupca su:

  • Ako je modul 265W, a njegova efikasnost je 16,20%, da li to znači da je on u stvari snage svega 16,20% x 265W = 42,93W ?
  • Koliko on stvarno proizvodi kWh na dan?  1kWh ili 140Wh?

Za upoznati način rada fotonaponskih modula izabrali smo put „bez formula“. Formule koje prikazuju fizikalne procese u fotonaponskom modulu neće biti predmet ovog prikaza.
Na svu sreću fotonaponski modul je dovoljno poznavati na razini njegovih vanjskih karakteristika, tj. kako se on ponaša u strujnom krugu, a ne i što se u njemu stvarno događa na razini atoma.
Tako se može elegantno izbjeći priča o poluvodičima, P N prijelazu, atomima, elektronima i šupljinama. To sve zaista i nije neophodno dubinski poznavati da bi fotonaponska elektrana proizvodila struju!

Od diode do fotonaponske ćelije

Električki uređaji koji povezuju dva ili više, po nekom parametru električke energije, različita električka sustava nazivaju općenito pretvarači. Osnovna  komponenta elektroničkih pretvarača je elektronički ventil, a danas se u praksi najviše koriste poluvodički ventili. Poluvodički ventil karakterizira sklopni način rada. Idealni poluvodički ventil može biti otvoren ili zatvoren. Bliska je pomisao da se poluvodički ventil zapravo ponaša kao idealna sklopka. Otvoreni ventil omogućuje tok struje u pravilu u jednom definiranom smjeru, dok zatvoreni ventil predstavlja prekid strujnog kruga. Svaki ventil ima dva energetska izvoda pomoću kojih se spaja u energetski krug, a upravljivi ventili imaju i dodatni izvod za upravljački signal.

 

Promotrimo djelovanje diode. To je poluvodički ventil s dva energetska izvoda. Dioda se može nalaziti u stanju vođenja ili u stanju zapiranja. Idealna dioda u stanju vođenja predstavlja kratki spoj, a u stanju zapiranja predstavlja prekid strujnog kruga. Stvarna dioda pak počinje voditi struju u propusnom smjeru tek kada napon na diodi prijeđe prag vođenja. Prag vođenja je iznos za koliko mora biti anoda pozitivnija u odnosu na katodu da bi struja tekla kroz diodu od anode prema katodi. Prag vođenja možemo u pojednostavnjenoj slici s klasičnom sklopkom predstaviti da je to napon koji mora „pročistiti“ kontakte da bi struja stvarno i protekla. Ako su kontakti klasične sklopke masni, zaprljani onda mali naponi ne mogu provesti struju, no čim se napon poveća kontakti se „pročiste“ i sklopka provede. Sam simbol diode podsjeća na strelicu i upravo samo u tom smjeru može teći struja. Ako je napon na anodi negativan u odnosu na katodu onda dioda dolazi u područje zapiranja. U tom području struja gotovo ne teče, no u stvarnoj diodi ona postoji, zanemarivo je male razine i naziva se reverzna struja ili struja zapiranja. Ako se napon na anodi sada povećava tako da je sve više negativan u odnosu na katodu doći će do naponske razine koja se naziva prag proboja. Prag proboja je onaj napon pri kojem dioda više ne može izdržati zapiranje već probija i provede struju i u pravilu se uništava. Potpuno pojednostavnjeno, u analognoj slici s običnom sklopkom, to bi mogao biti onaj prag napona kada kontakti iako razmaknuti više ne mogu izdržati da ne dođe do električnog luka među njima. Naravno da time sklopka više nije u rasklopljenom stanju, već je zaiskrila, provodi struju i općenito je neispravna.
Na slici 1. prikazan je simbol diode, idealna i stvarna strujno-naponska karakteristika. Ovdje smo predstavili samo „statičke“ karakteristike poluvodičkog ventila diode, ne upuštajući se u fizikalne prelazne pojave sklapanja i isklapanja strujnog kruga.

Slika 1.: Simbol diode, idealna i stvarna karakteristika diode.

Slika 1.: Simbol diode, idealna i stvarna karakteristika diode.

Što se događa ako diodu kao poluvodički ventil izvedemo tako da na nju može dolaziti svjetlost? Dobiva se fotonaponska ćelija.

Kada svjetlo obasja diodu, energija fotona - energija svjetla stvara slobodne nositelje naboja. To se  može predstaviti strujnim izvorom paralelno spojenim s diodom. Strujni izvor predstavlja konstantnu struju  stvorenu energijom fotona iPh (fotoelektrična struja),  koja zavisi od razine osunčanja. Što je osunčanje veće, veća je i fotoelektrična struja.  Može se i ovako reći: pod djelovanjem svjetla, karakteristika diode klizi prema dolje, dakle u smjeru reverzne struje i to upravo za iznos fotoelektrične struje stvorene svjetlom.  Poznavajući karakteristiku diode, a to je fotonaponska ćelija u mraku, sada tako spoznajemo i vanjsku karakteristiku fotonaponske ćelije pri nekom konstantnom osunčanju.

Slika 2.: Djelovanje svjetlosnog toka na diodu, nadomjesna shema i simbol fotonaponske ćelije.

Slika 2.: Djelovanje svjetlosnog toka na diodu, nadomjesna shema i simbol fotonaponske ćelije.

U tehničkoj literaturi koristi se samo 4. kvadrant karakteristike fotonaponske ćelije, pri čemu strujna os, samo zbog estetike prikaza, ali i logike trošilo/generator mijenja još i predznak. Pozitivna struja je ona koja izlazi iz fotonaponske ćelije jer je obasjana fotonaponska ćelija u stvari izvor struje - generator struje. Na slici 3. se na strujno-naponskoj karakteristici fotonaponske ćelije uočavaju dvije karakteristične vrijednosti: napon praznog hoda kao napon pri otvorenim stezaljkama fotonaponske ćelije (UOC)  i struja kratkog spoja kao struja uz kratko spojene stezaljke fotonaponske ćelije (ISC).  Sve među-točke krivulje se mogu dobiti terećenjem osunčanog fotonaponskog modula i snimanjem iznosa napona i struje.

Slika 3.: Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije.

Slika 3.: Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije.

Slika 4.: Serijsko i paralelno spajanje fotonaponskih ćelija.

Slika 4.: Serijsko i paralelno spajanje fotonaponskih ćelija.

Serijskim spajanjem ćelija rasti će napon niza ćelija uz zadržavanje struje ćelije. Paralelnim spajanjem ćelija struja ćelija se zbraja uz zadržavanje istog napona ćelija (slika 4.).

Zasjenjenje fotonaponske ćelije

Slika 5.: Utjecaj razine osunčanja na strujno naponsku karakteristiku fotonaponske ćelije.
Slika 5.: Utjecaj razine osunčanja na strujno naponsku karakteristiku fotonaponske ćelije.

Na slici 5. je vidljivo smanjenje struje fotonaponske ćelije i smanjenje napona fotonaponske ćelije pri manjim razinama osunčanja.

Niz fotonaponskih ćelija spaja se u seriju i tako nastaje fotonaponski modul. Što se događa kada je jedna fotonaponska ćelija u fotonaponskom modulu zasjenjena? To je realna i česta situacija uzrokovana prisustvom snijega ili lišća na površini modula. Na slici 6. je prikazan fotonaponski modul sastavljan od 36 fotonaponskih ćelija. Na tom modulu zasjenjena je tek jedna ćelija, npr. 36-ta. Na slici 5. smo vidjeli da će ta ćelija proizvoditi nižu struju od ostalih. I upravo ta ćelija će biti „usko grlo“ za struju svih ostalih, trenuntno nezasjenjenih ćelija. Takvo lokalno zasjenjenje na jednoj fotonaposnkoj ćeliji ograničiti će struju cijelog fotonaponskog modula. Na slici 6. je prikazana crtkanom strelicom struja koja bi mogla teći da nema sjene na 36. ćeliji, dok je punom strelicom označena struja koju propušta zasjenjena ćelija. Ograničenje struje znači ograničenje snage, gledano u vremenu to je ograničenje proizvedene energije. Znamo li da se u realnoj fotonaponskoj elektrani nekoliko modula  (i do 20) spaja u niz, tada će već jedna zasjenjena ćelija prouzrokovati smanjenu struju cijelog niza fotonaponskih modula!

Slika 6.: Strujno naponska karakteristika nezasjenjenog modula i modula sa sjenom na 36. ćeliji.

Slika 6.: Strujno naponska karakteristika nezasjenjenog modula i modula sa sjenom na 36. ćeliji.

No, realna situacija je i slučaj potpunog zasjenjenja jedne ćelije, npr , opet 36. ćelije. Tada ta ćelija više ne proizvodi fotoelektričku struju i postaje, kao što smo uvodno rekli obična dioda. To je prikazano na slici 7.

Slika 7.: potpuno zasjenjenje jedne od 36 ćelija fotonaponskog modula.

Slika 7.: potpuno zasjenjenje jedne od 36 ćelija fotonaponskog modula.

Na slici 7 dolje je prikazan slučaj kratko spojenih stezaljki modula, a što je vrlo dobro približenje stanja rada regulatora punjenja baterija priključenih na modul jer se iz modula želi izvući što viša struja. Uočimo da „obična dioda“ C36  (nastala zasjenjenjem fotonaponske ćelije 36.) u stvari sada na anodi ima negativan napon, a na katodi pozitivan napon.
35 ćelija spojenih u seriju daje  uAK =  35 x -0,6 = -21 V. Prisjetimo se sada slike 1. i tamo objašnjenog praga proboja diode. Reverzni napon od 21 V na diodi C36 (potpuno zasjenjenoj fotonaponskoj ćeliji!) može biti dovoljan da dioda probije.  Probijanje fotonaponske ćelije  dogodit će se točkasto. Kroz tu točku će prolaziti sva struja modula i ta će se točka sigurno grijati, taliti i širiti. Jasno da jednom probijena fotonaponska ćelija više nije u funkciji proizvodnje fotoelektrične struje već predstavlja nepoželjno mjesto zagrijavanja.  Svako potpuno zasjenjenje jedne od u serijski niz spojenih fotonaponskih ćelija dovodi  gotovo sigurno do uništenja iste ako zasjenjenjem stvoren napon pređe prag proboja diode. Ponovimo: nezasjenjenih 35 ćelija, 35 generatora, spojenih u seriju proizvodi fotoelektričnu energiju koju dovodi u zasjenjenu ćeliju koja je pasivna i ne proizvodi energiju. Sva snaga proizvedena u 35 ćelija troši se u 36. ćeliji koja zapravo predstavlja trošilo. Proizvedena energija u ne zasjenjenim ćelijama pretvara se u toplinsku energiju u zasjenjenoj ćeliji, trošilu. Upravo opisani efekt naziva se „hot spot“ efekt.

Slika 8.: Premosne diode i sprečavanje „hot spot“ efekta.

Slika 8.: Premosne diode i sprečavanje „hot spot“ efekta.

Neželjena pojava zagrijavanja i konačno proboja fotonaponskih ćelija zbog zasjenjenja riješena je korištenjem premosnih (engl. bypass) dioda. Idealno bi bilo svakoj fotonaponskoj ćeliji spojiti premosnu diodu, ali to se u praksi ne radi. Paralelno s 15 do 20 fotonaponskih ćelija spaja se po jedna premosna dioda kako je to prikazano je na slici 8.  Kroz ćelije 1 do 18 može teći maksimalna struja koje one mogu proizvesti. Premosna dioda na slici 8. kroz koju teče struja je propusno polarizirana, dakle anoda je pozitivnija od katoda preko napona koji generira ispravni dio fotonaponskog modula. Premosnom diodom kroz koju teče struja i koja u stanju vođenja ima na sebi tek oko 0,6 V spriječen je razarajući reverzni napon na zasjenjenoj ćeliji. Na taj način kroz zasjenjenu ćeliju praktički ne teče struja, ona se ne zagrijava i nema opasnosti od proboja i oštećenja. Naravno da je zasjenjenjem došlo do smanjenja proizvodnje energije. Premosne diode smještene su u spojnoj kutiji (slika 9.) na poleđini fotonaponskog modula i o njima korisnik modula ne mora razmišljati. Ostaje samo pripaziti da na modul ne pada sjena jer se odmah i drastično smanjuje proizvodnja energije.

Slika 9.: Detalj „hot spot“ točke na fotonaponskom modulu i primjer spojne kutije fotonaponskog modula.

Slika 9.: Detalj „hot spot“ točke na fotonaponskom modulu i primjer spojne kutije fotonaponskog modula.

Karakteristični električni paramteri fotonaponskog modula.

Slika 10.: Strujno naponska karakteristika i karakteristika snage.
Slika 10.: Strujno naponska karakteristika i karakteristika snage.

Niz fotonaponskih ćelija spaja se, najćešće serijski, u fotonaponski modul. Tako npr. 265W modul ima 60 fotonaponskih ćelija. Svaki fotonaponski modul karakteriziran je određenim parametrima koji su nam važni u primjeni. Strujno naponska karaktertistika je uvijek dana za određeno osunčanje. Tako će proizvođači navoditi podatke mjerene pri STC (engl. standard test conditions) i NOCT (engl. normal operating cell temperature):

  • NOCT uvjeti: 800 W/m, 20°C temperatura okoline, brzina vjetra 1 m/s = 3,6km/h, AM = 1,5
  • STC uvjeti: 1000 W/m, 25°C temperatura okoline, AM = 1,5

 

I u STC i u NOCT uvjetima nalazi se bezdimenzionalni podatak AM=1,5.  Ovaj parametar je vezan za sastav spektra zračenja koje pada na modul, a sve kako bi se simuliralo sunčevo zračenje.

Iz strujno naponske karakteristike se može dobiti i karakteristika snage jednostavnim množenjem vrijednosti napona i struje. Na karakteristici snage, slika 10., se može uočiti točka maksimalne snage, i baš za tu točku par vrijednosti napona i struje Umpp  i Impp. Maksimalna snaga fotonaponskog modula pri STC  je ujedno i definicija nazivne snage modula i označava se u Wp (engl. watt-peak).

Najinteresantniji parametar fotoćelije, a time i fotonaponskog modula sastavljenog iz fotoćelija, bez obzira na tehnologiju (monokristalni, polikristalni, amorfni, galij-arsenidni, kadmij-telurijevi itd..) je stupanj korisnog djelovanja. On nam kaže koliko će se zračenja pri STC uvjetima pretvoriti u električnu snagu, odnosno energiju. Namjerno se neće davati pregled stupnja korisnosti vezano uz tehnologiju fotonaponskog modula jer je to parametar koji se stalno mijenja kako se tehnologija usavršava. Tek za primjer polikristalni modul dimenzije 1,7 x 1m, površine 1,7 m2 , koji ima stupanj korisnog djelovanja 16,2 % će iz 1000 W/m2 (pri STC uvjetima!) dati 265Wp snage (Schrack Technik fotonaponski modul: PVM32650). Kada se uspoređuju moduli iste tehnolgije međusobno ili pak različitih tehnologija, važno je voditi računa da se iz iste fizičke površine dobije što više snage!

Slika 11.: Utjecaj temperature na strujno naponsku karakteristiku fotonaponskog modula.
Slika 11.: Utjecaj temperature na strujno naponsku karakteristiku fotonaponskog modula.

Na slici 11. prikazane su karakteristike jednog fotonaponskog modula pri raznim temperaturama modula. Važno je uočiti da se pri zagrijavanju modula, napon praznog hoda modula (Uoc) smanjuje, dok se struja kratkog spoja (Isc) praktički ne mijenja. Kada se nekoliko modula spaja u niz, pri čemu raste napon niza, potrebno je proračunom provjeriti napon pri najhladnijem stanju osunčanog modula. Svaki uređaj na koji su spojeni fotonaponski moduli mora imati veći ulazni napon od osunčanih modula u najhladnijem stanju kako ne bi došlo do oštećenja uređaja. Ponašanje modula u zavisnosti o temperaturi dano je temperaturnim koeficijentima promjene vrijednosti u odnosu na STC uvjete i to na primjeru jednog modula : struje kratkog spoja TK(Isc)= + 0,059%/K  i napona praznog hoda TK (Uoc) = -0,32%/K.

Slika 12.: Dimenzije fotonaponskog modula 250Wp Schrack PVM32500.

Karakteristični mehanički parametri fotonaponskog modula

Slika 12.: Dimenzije fotonaponskog modula 265Wp Schrack PVM32650.

Među najvažnijim mehaničkim podacima fotonaponskog modula su svakako njegove dimenzije i detalji metalnog okvira zbog primjene prihvatnih elemenata na noseću podkonstrukciju modula (slika 12.). Nadalje, potrebno je voditi računa o masi modula koja će u pravilu opterećivati podlogu. Već spominjani 265Wp modul ima 18,2 kg. Zgodno je i uočiti koliko je debljina prednje ploče koja pokriva fotonaponske ćelije (3,2mm u našem primjeru), no još je važnije dozvoljeni pritisak na prednju ploču (u našem primjeru 6000Pa -  što odgovara opterećenju cca 600kg/m2), kao i da je specificirana testirana izdržljivost na tuču, obično se navodi test otpornosti na ispucavanje kuglicama promjera 25mm s 1m udaljenosti i brzinom od 23m/s!

  • obratite pažnju u tehničkim podacima modula i da je priključna kutija u mehaničkoj izvedbi IP67,
  • pogledajte duljinu „+“ i „ - “ priključaka, tu je važno zaključiti da ima dosta kabela za međusobno spajanje modula u seriju;
  • prekontrolirajte presjek priključaka (najmanje 4 mm2)
  • i tip konektora (po mogućnosti MC4).
Slika 13.: Certifikati uz fotonaponski modul 250Wp Schrack PVM32500.

Slika 13.: Certifikati uz fotonaponski modul 265Wp Schrack PVM32650.

 

Činjenica je da se fotonaponski moduli nabavljaju kao trajna i dugogodišnja investicija, stoga nije loše pri nabavci pogledati kakve to proizvođačke oznake sukladnosti kvalitete prate modul, odnosno tvornicu koja ih proizvodi, te koje su sve norme navedene u tehničkim podacima kao zadovoljene. Na slici 13. su prikazane oznake spominjanog 265Wp modula, bez ulaženja u detalje konkretnih značenja.

Slika 14.: Garancija snage kroz godine.

Slika 14.: Garancija snage kroz godine.

Fotonaponske ćelije nažalost gube efikasnost starenjem.  Pri nabavi modula obratite pažnju što proizvođač deklarira kao snagu u godinama eksploatacije. Na slici 14. je vidljivo kako promatrani 265 Wp modul ima garantirano linearno opadanje snage, dok se obično garantira snaga samo u stepenastom opadanju kroz godine. Kada već modul mora stariti, onda je dobro da to radi što sporije i da proizvođač garantira da neće stariti brže!

Čak i nazivna snaga u tehničkim podacima je garantirana kao 265Wp  -0% + 3%, što znači da modul ima sigurnih 265Wp, a možda i do 3% više u trenutku proizvodnje. Ovo izgleda možda nevažno, ali pogledajmo tih nekoliko postotaka kroz godine eksploatacije. Jedan modul od 265Wp na dan može prikupiti cca 1060Wh energije. To znači da je 3% u stvari 31,8 Wh. 31,8Wh x 365dana x 25 godina = 290,17kWh.  I neka se uspije izvući i samo trećina ovog iznosa to ostaje još uvijek 100kWh. Ako prosječno kućanstvo troši 10kWh na dan to je sigurnih 10 dana na poklon u 25 godina. I naravno, to treba pomnožiti s brojem modula u sustavu. 10 kW fotonaponska elektrana ima 38 modula, pa tako Vi dobivate u 25 godina rada elektrane, jednu godinu kućne potrošnje na poklon. A tu smo tek računali koliko je to ako imamo nazivnu snagu definiranu kao (-0 +3%). Na slici 14. prikazan je dobitak od 5,8% uz linearnu garanciju snage u odnosu na standardnu stepenastu garanciju snage. Sada se može provesti sličan račun kao gore što to znači u dobitku energije!

Koliko energije proizvodi fotonaponski modul?

Slika 15.: Javni servis za proračun proizvodnje energije iz fotonaponskih modula.

Odgovor na ovo pitanje dat će besplatni javni servis dostupan na:

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Ukucajte svoje mjesto i nekoliko osnovnih podataka o sustavu  (snagu, orijentaciju, nagib i slično), sve kao na slici 15. i pritisnite „calculate“. Proučite rezultate i poigrajte se aplikacijom. Pregledajte brojne grafičke prikaze koje aplikacija nudi.

No za brzu inženjersku procjenu proizvodnje idealno na jug postavljenih i kroz cijelu godinu jednako nagnutih modula (postavljenih na izračunom dobiven optimalni nagib), možemo  uzeti da ljeti modul proizvede energije u iznosu: 4 h x nazivna snaga modula, (u primjeru to je 265W x 4h = 1060Wh energije). Isto tako inženjerski procijenjeno zimi će se proizvodnja energije prepoloviti (dakle oko 530Wh na dan za 265Wp modul).

Slika 16.: Utjecaj stvarnog položaja modula prema idealnom.

Slika 16.: Utjecaj stvarnog položaja modula prema idealnom.

Za inženejersku primjenu gornja apoksimacija proizvodnje modula može se opet daljnje jednostavno korigirati prema slici 16.

Zaključak

U ovom članku prošli smo sve što je važno znati o fotonaponskom modulu, a nismo se pri tome zamorili formulama i fizikom na atomskoj razini, niti smo suhoparno čitali tehnički list modula. No onaj kojega zanimaju pravi podaci iz tehničkog lista našeg modula može ih pronaći ovdje: PVM32650.