Vpliv hlajenja fotonapetostnih celic na njihovo vršno moč in proizvodnjo električne energije

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv hlajenja fotonapetostnih celic na njihovo vršno moč in proizvodnjo električne energije

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jure Rovan

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vpliv hlajenja fotonapetostnih celic na njihovo vršno moč in proizvodnjo električne energije

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jure Rovan

Mentor: izr. prof. dr. Ciril Arkar, univ. dipl. inž Somentor: prof. dr. Sašo Medved, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

v

Zahvala

Zahvaljujem se svojemu mentorju, izr. prof. dr. Cirilu Arkarju, in somentorju, prof. dr. Sašu Medvedu, ki sta me podpirala in odlično usmerjala pri pisanju diplomske naloge. Prav tako sta mi nudila tudi tehnično pomoč pri izdelavi eksperimenta. Poleg njiju se zahvaljujem celotni inštituciji Fakultete za strojništvo za vse znanje, ki sem ga pridobil v času študija.

Hvala tudi moji družini, prijateljem in preostalim sorodnikom za podporo pri študijskem izobraževanju.

(10)

vi

(11)

vii

(12)

viii

(13)

ix

Izvleček

UDK 502.21:523.9(043.2) Tek. štev.: VS I/915

Vpliv hlajenja fotonapetostnih celic na njihovo vršno moč in proizvodnjo električne energije

Jure Rovan

Ključne besede: obnovljivi viri energije, sončna energija,

fotonapetostne celice, naravno hlajenje,

vršna moč sončne celice.

Količino proizvedene električne energije s fotonapetostnimi sistemi lahko povečamo na več načinov, in sicer z zgoščevalniki sončnega sevanja, s sledenjem Soncu in hlajenjem sončnih celic. V nalogi smo raziskali hlajenje, ker je to področje, kjer se še lahko izboljša učinkovitost delovanja, in ker je to tema, ki še ni zelo raziskana. Z eksperimentom smo preverili hlajenje s fazno spremenljivo snovjo in hlapilno hlajenje z navlaženim gradnikom iz umetnih vlaken ter z navlaženim gradnikom iz naravnih vlaken. Pri izvedbi eksperimenta smo najprej uredili merilno progo z ustreznimi merilniki, nato smo preverili, če so temperature vseh treh virtualnih sončnih celic enake. Po primerjavi smo eksperiment nadgradili s tehniko hlapilnega hlajenja in hlajenja s fazno spremenljivo snovjo. Uporabili smo meteorološke podatke treh različnih podnebij na območju Evrope in nato izračunali učinkovitost delovanja in letno proizvedeno električno energijo. Rezultati so pokazali, da hlajenje s fazno spremenljivo snovjo ne deluje, ker je fazno spremenljiva snov na spodnji strani virtualne sončne celice delovala kot izolator. Hlapilno hlajenje z navlaženim gradnikom iz umetnih vlaken je delovalo precej bolje kot hlajenje s fazno spremenljivo snovjo, še boljše rezultate pa je proizvedlo hlapilno hlajenje z naravnimi vlakni.

(14)

x

(15)

xi

Abstract

UDC 502.21:523.9(043.2) No.: VS I/915

Influence of cooling of photovoltaic cells on the peak power and electricity production

Jure Rovan

Key words: renewable sources of energy, solar energy,

photovoltaics, natural cooling,

peak power of the solar cell.

We can increase produced electricity by photovoltaic systems in several ways, with solar radiation thickeners, sun-tracking systems, and solar cell cooling. In the paper, we explored cooling because it is an area where we can still improve performance and because it is a topic that has not been much researched yet. With the experiment, we checked the cooling with phase-change materials and the evaporative cooling with a moistened building block made of artificial fibers and with a moistened building block made of natural fibers. Firstly, we arranged the measuring line with appropriate meters, and then we checked if the temperatures of all three virtual solar cells were the same. After comparison, we upgraded the experiment with the evaporative cooling technique and cooling with phase-change materials. We used meteorological data from three different climates in Europe and then calculated operating efficiency and annual electricity production. The results showed that cooling with phase-change materials did not work because they acted as an insulator on the underside. Evaporative cooling with artificial fibers worked much better than cooling with phase-change materials. Evaporative cooling with natural fibers produced even better results.

(16)

xii

(17)

xiii

Kazalo

Kazalo slik ... xvii

Kazalo preglednic ... xxi

Seznam uporabljenih simbolov ... xxiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.1.1 Pariški sporazum ... 3

1.1.2 Zakon o učinkoviti rabi energije ... 4

1.2 Namen in cilji naloge ... 5

1.3 Struktura naloge ... 5

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 7

2.1 Fotonapetostni pojav ... 7

2.2 Zgodovina fotonapetostnih sistemov ... 7

2.3 Pregled PV tehnologij ... 8

2.3.1 Tržni deleži PV tehnologij ... 8

2.3.2 Izkoristki različnih PV tehnologij ... 9

2.4 Povečanje proizvedene energije sončne celice... 10

2.4.1 Zgoščevalniki sončne energije ... 10

2.4.2 Sledenje Soncu ... 11

2.4.3 Hlajenje sončnih celic ... 12

2.4.3.1 Delitev tehnik hlajenja ... 13

2.5 Opis modela ... 18

2.5.1 Modeliranje I-U krivulje ... 19

2.5.1.1 Podroben matematični model ... 20

2.5.1.2 Poenostavljen matematični model ... 22

2.5.1.3 Primerjava podrobnega in poenostavljenega modela ... 23

2.5.1.4 Validacija modela ... 23

2.5.1.5 Validacija modela s podatki proizvajalca ... 24

2.6 Temperaturni faktorji PV tehnologij ... 25

3 Metodologija raziskave ... 27

3.1 Zgradba eksperimenta ... 28

(18)

xiv

3.1.1 Merilna proga ... 28

3.2 Referenčne virtualne sončne celice in primerjava temperatur ... 29

3.3 Nadgradnja s tehnikami naravnega hlajenja ... 31

3.3.1 Hlajenje s fazno spremenljivo snovjo... 31

3.3.2 Hlapilno hlajenje ... 32

3.4 Določitev časovnega intervala povprečenja merjenih veličin ... 32

3.5 Baza meteoroloških podatkov ... 34

3.6 Izračun globalnega urnega sončnega obsevanja ... 35

3.6.1 Izračun globalnega urnega sončnega obsevanja na nagnjeno površino ... 35

3.6.2 Izračun globalnega urnega sončnega obsevanja pri dvoosnem sledenju ... 37

3.6.3 Prikaz izračuna sončnega obsevanja s programskim orodjem ... 38

3.7 Modeliranje izkoristka, letne proizvedene električne energije in učinka hlajenja ... 39

4 Rezultati in diskusija ... 41

4.1 Primerjava hlajenih sončnih celic z referenčno sončno celico ... 41

4.2 Model nadtemperature – ΔT15 ... 43

4.2.1 Referenčne sončne celice ... 43

4.2.2 Sončne celice s FSS ... 43

4.2.3 Sončne celice z gradnikom iz umetnih vlaken ... 44

4.2.4 Sončne celice z gradnikom iz naravnih vlaken ... 44

4.3 Proizvodnja električne energije ... 45

4.3.1 Proizvodnja električne energije pri nagnjenih sončnih celicah ... 45

4.3.1.1 Referenčne sončne celice – naklon 30° ... 45

4.3.1.2 Hlajenje s FSS – naklon 30° ... 46

4.3.1.3 Hlapilno hlajenje z gradnikom iz umetnih vlaken – naklon 30° ... 46

4.3.1.4 Hlapilno hlajenje z gradnikom iz naravnih vlaken – naklon 30° ... 47

4.3.2 Proizvodnja električne energije pri sledenju Soncu ... 48

4.3.2.1 Referenčne sončne celice – sledenje Soncu ... 48

4.3.2.2 Hlajenje s FSS – sledenje Soncu ... 49

4.3.2.3 Hlapilno hlajenje z gradnikom iz umetnih vlaken – sledenje Soncu ... 50

4.3.2.4 Hlapilno hlajenje z gradnikom iz naravnih vlaken – sledenje Soncu ... 51

4.4 Letna proizvedena električna energija ... 52

4.4.1 Naklon 30° ... 52

4.5 Letni izkoristek ... 53

4.5.1 Naklon 30° ... 53

(19)

xv

5 Zaključki ... 55

Literatura ... 57

(20)

xvi

(21)

xvii

Kazalo slik

Slika 1.1: Trendi PV sistemov v svetovnem merilu [1] ... 2

Slika 1.2: Delež inštalirane moči PV sistemov po državah sveta [1] ... 2

Slika 1.3: Trendi PV sistemov v Evropi ... 3

Slika 1.4: Trendi PV sistemov v Sloveniji ... 3

Slika 2.1: Delitev tehnologij sončnih celic [12] ... 8

Slika 2.2: Tržni deleži tehnologij PV celic [12] ... 9

Slika 2.3:Površina modula in površina zgoščevalnika [14] ... 10

Slika 2.4: Vpliv zgoščevalnika na temperaturo sončne celice in na količino vpadnega sončnega sevanja [15] ... 11

Slika 2.5: Leva slika prikazuje enoosno sledenje Soncu, desna slika prikazuje napravo za dvoosno sledenje Soncu [16] ... 12

Slika 2.6: Vpliv temperature na I-U krivuljo ... 12

Slika 2.7: Delitev tehnik hlajenja [17]... 14

Slika 2.8: Hlajenje z zrakom levo in hlajenje z vodo desno [17] ... 15

Slika 2.9: Energijski tokovi pri sevalnem hlajenju [18] ... 16

Slika 2.10: Hlajenje na osnovi nano-tekočin [19] ... 17

Slika 2.11: Termoelektrično hlajenje [21] ... 17

Slika 2.12: Hibridni hladilni sistem (PV/T) [12] ... 18

Slika 2.13: Model enojne diode [22] ... 19

Slika 2.14:Vpliv Rs in Rsh na I-U krivuljo [22] ... 21

Slika 2.15: Primerjava podrobnega in poenostavljenega modela ... 23

Slika 2.16: Primerjava I-U krivulje (levo) in primerjava krivulje moči (desno) s krivuljama, ki sta bili predstavljeni v članku ... 23

Slika 2.17: Primerjava I-U krivulje s priloženo krivuljo proizvajalca pri SS 800 W/m² in Tc 25°C (levo), primerjava pri SS 1000 W/m² in Tc 50°C (desno) ... 24

Slika 2.18: Krivulja moči PV panela BMU/233... 24

Slika 3.1: Grafični povzetek raziskave tehnik hlajenja ... 27

Slika 3.2: Zgradba eksperimenta ... 28

Slika 3.3: Prikaz merilnih elementov (levo) in prikaz merilnih elementov na spodnji strani virtualne sončne celice (desno) ... 29

Slika 3.4: Meteorološki podatki ... 29

Slika 3.5: Temperature desne sončne celice na višinah 5 cm in 10 cm od zgornjega roba ... 30

Slika 3.6: Temperature srednje sončne celice na višinah 5 cm in 10 cm od zgornjega roba ... 30

Slika 3.7: Temperature leve sončne celice na višinah 5 cm in 10 cm od zgornjega roba ... 30

Slika 3.8: Primerjava povprečnih temperatur vseh treh sončnih celic ... 31

Slika 3.9: Prikaz, kako se je uredilo podatke za vsak dan poteka meritev ... 32

Slika 3.10: Minutni interval ... 33

Slika 3.11: 5-minutni interval... 33

Slika 3.12: 15-minutni interval... 34

(22)

xviii

Slika 3.13: 60-minutni interval ... 34 Slika 3.14: Prikaz baze Meteonorm na zaslonu računalnika [12] ... 35 Slika 3.15: Prikaz kotov, ki jih potrebujemo v enačbah za izračun sončnega obsevanja ... 37 Slika 3.16: Horizontalno sončno obsevanje ... 38 Slika 3.17: Sončno obsevanje na naklon 30° ... 38 Slika 3.18: Sončno obsevanje pri sledenju Soncu ... 39 Slika 4.1: Primerjava temperature referenčne virtualne sončne celice z virtualno sončno celico s

FSS ... 41 Slika 4.2: Primerjava temperature referenčne virtualne sončne celice z virtualno sončno celico z

gradnikom iz umetnih vlaken ... 42 Slika 4.3: Primerjava temperature referenčne virtualne sončne celice z virtualno sončno celico z

gradnikom iz naravnih vlaken ... 42 Slika 4.4: Odvisnost nadtemperature referenčne sončne celice v odvisnosti od sončnega sevanja . 43 Slika 4.5: Odvisnost nadtemperature sončne celice s FSS v odvisnosti od sončnega sevanja ... 43 Slika 4.6: Odvisnost nadtemperature sončne celice z gradnikom iz umetnih vlaken v odvisnosti od

sončnega sevanja ... 44 Slika 4.7: Odvisnost nadtemperature sončne celice z gradnikom iz naravnih vlaken v odvisnosti od

sončnega sevanja ... 44 Slika 4.8: Proizvedena električna energija referenčne sončne celice z naklonom 30° ... 45 Slika 4.9: Proizvedena električna energija sončne celice s FSS pri naklonu 30° ... 46 Slika 4.10: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico s FSS pri naklonu 30° ... 46 Slika 4.11: Proizvedena električna energija sončne celice z gradnikom iz umetnih vlaken pri

naklonu 30° ... 47 Slika 4.12: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico z gradnikom iz umetnih vlaken pri naklonu 30° ... 47 Slika 4.13: Proizvedena električna energija sončne celice z gradnikom iz naravnih vlaken pri

naklonu 30° ... 48 Slika 4.14: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico z gradnikom iz naravnih vlaken pri naklonu 30° ... 48 Slika 4.15: Proizvedena električna energija referenčne sončne celice s sledenjem Soncu... 49 Slika 4.16: Proizvedena električna energija sončne celice s FSS pri sledenju Soncu ... 49 Slika 4.17: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico s FSS pri sledenju Soncu ... 50 Slika 4.18: Proizvedena električna energija sončne celice z gradnikom iz umetnih vlaken pri

sledenju Soncu ... 50 Slika 4.19: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico z gradnikom iz umetnih vlaken pri sledenju Soncu ... 51 Slika 4.20: Proizvedena električna energija sončne celice z gradnikom iz naravnih vlaken pri

sledenju Soncu ... 51 Slika 4.21: Razlika v proizvedeni električni energiji med referenčno sončno celico in hlajeno

sončno celico z gradnikom iz naravnih vlaken pri sledenju Soncu ... 52 Slika 4.22: Letna proizvedena električna energija pri naklonu 30° za Stockholm, Ljubljano in Atene

pri vseh tehnikah hlajenja (levo), indeks hlajenja, ki prikazuje učinkovitost posamezne tehnike (desno) ... 52

(23)

xix Slika 4.23: Letna proizvedena električna energija pri sledenju Soncu za Stockholm, Ljubljano in

Atene pri vseh tehnikah hlajenja (levo), indeks hlajenja, ki prikazuje učinkovitost posamezne tehnike (desno) ... 53 Slika 4.24: Letni izkoristki za vse kraje in tehnike hlajenja pri naklonu 30° (levo), prikaz

izboljšanja posamezne tehnike v primerjavi z referenčno (desno) ... 54 Slika 4.25: Letni izkoristki za vse kraje in tehnike hlajenja pri sledenju Soncu (levo), prikaz

izboljšanja posamezne tehnike v primerjavi z referenčno (desno) ... 54

(24)

xx

(25)

xxi

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Maksimalni izkoristki različnih tehnologij sončnih celic [13] ... 9 Preglednica 2.2: Tehnični podatki proizvajalca ... 18 Preglednica 2.3: Temperaturna koeficienta αIsc in αVoc za različne PV tehnologije [23] ... 25 Preglednica 3.1: Letne vrednosti sončnega obsevanja za Ljubljano ... 39 Preglednica 4.1: ΔT15 in R² za različne tehnike hlajenja ... 45

(26)

xxii

(27)

xxiii

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A m² površina

C / koncentracija

E W h m^-2 a^-1 letna proizvedena električna energija

E' W h m^-2 15minut^-1 proizvedena električna energija v 15 minutah

G W m^-2 sončno sevanje

h ° urni kot

H W h m^-2 a^-1 letno sončno obsevanje

H' W h m^-2 15minut^-1 sončno obsevanje v 15 minutah

i ° kot med sončnimi žarki in sončno celico

I A, W h m^-2 h^-1 električni tok, urno sončno obsevanje

k J K^-1 Boltzmanova konstanta

kt / indeks jasnosti

L ° zemljepisna širina

m / faktor idealnosti

n / dan v letu

p / razmerje merilnega upora z vsoto serijskega in

merilnega upora

P' W moč pri enournem računskem intervalu

r / sončno sevanje

R Ω električna upornost

t / čas v dnevu

T °C temperatura

V V električna napetost

q C naboj elektrona

α ° višina sonca

αI A °C^-1 temperaturni koeficient

αV V °C^-1 temperaturni koeficient napetosti

β ° naklon sončne celice

Β / korekcijski parameter Β

γ ° usmerjenost sončne celice

Γ / korekcijski parameter Γ

δ ° deklinacija

δT °C sprememba temperature

ΔT °C sprememba nadtemperature

ε / indeks hlajenja

η / izkoristek

ρ / odbojnost

Indeksi

0 nasičeni

(28)

xxiv

1, 2 začetek, konec

15 15 minutni interval

a okolice

c celica

c,15 celica pri 15 minutnem intervalu

dif difuzno

dif,0 difuzno (horizontalna površina)

dir direktno

dir,0 direktno (horizontalna površina) ex,0 ekstrateristično (horizontalna površina)

ex ekstrateristično

glob,0 globalno (horizontalna površina) glob,β globalno (nagnjena površina)

mpp točka maksimalne moči

oc odprtih sponk

odb odboj

ok okolica

ok,15 okolica pri 15 minutnem intervalu

ph svetlobe

pu relativno

pv sončne celice

s serijska

sc kratkostični tok

sh merilni upor (angl. shant)

(29)

xxv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

Al aluminij

AM koeficient zračne mase

a-Si amorfni silicij

CdTe kadmijev telurid

CIGS bakrov indij-galijev diselenid COP (angl. conference of the parties)

EU Evropska unija

FSS fazno spremenljiva snov

I-U tokovno-napetostna

MPP točka maksimalne moči (angl. maximum power point)

PV fotonapetostni

RER delež obnovljivih virov glede na skupno dovedeno energijo

SC sončne celice

SS sončno sevanje

STC standardni testni pogoji

(30)

xxvi

(31)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V zadnjih letih se proizvodnja električne energije spreminja, saj vgrajujemo večinoma generatorje električne energije, ki delujejo z obnovljivimi viri energije in ne s fosilnimi, kot je to bila praksa v preteklosti. Ena izmed glavnih tehnologij pridobivanja električne energije z OVE so tudi fotonapetostni sistemi, ki imajo pomembne primerjalne prednosti, predvsem enostavno vgradnjo v/na elemente ovoja stavb, in vedno večjo stroškovno učinkovitost.

Učinkovitost delovanja sončnih celic se v zadnjih letih postopoma zvišuje, poleg tega nastajajo tudi nove tehnologije, ki omogočajo večje zajemanje sončnega sevanja in s tem učinkovitejše delovanje. Poleg vseh teh novih tehnologij, ki prihajajo, se že sedaj lahko izboljša učinkovitost delovanja fotonapetostnega sistema s hlajenjem, saj tako povečamo napetost sončne celice, kar pomeni, da pridobimo večjo moč.

Trendi zadnjega desetletja kažejo eksponentno rast fotonapetostnih sistemov v svetovnem merilu, kar je prikazano na sliki 1.1, kjer vidimo, da se je inštalirana moč v zadnjih 10 letih zvišala z 30 GW na 623 GW [1]. Največjo rast inštalirane moči fotonapetostnih sistemov beležijo v Aziji, kjer prednjači Kitajska, ki ji sledita Japonska in Indija, kar je prikazano na sliki 1.2. Aziji nato sledi Evropa, nekaj manjši delež inštalirane moči pa predstavljajo države Južne, Srednje in Severne Amerike. S slike 1.2 je razviden še en zelo obetaven podatek, ki kaže, da je delež inštalirane moči v preostalih državah sveta 18,5%, kar kaže na razširjenost te tehnologije pridobivanja električne energije po celotnem svetu [1].

(32)

Uvod

2

Slika 1.1: Trendi PV sistemov v svetovnem merilu [1]

Slika 1.2: Delež inštalirane moči PV sistemov po državah sveta [1]

Na področju Evrope se je najprej začela masovna uporaba PV sistemov za pridobivanje električne energije, vendar lahko vidimo, da v tem primeru povečanje rabe PV sistemov ni tako strmo kot v svetovnem merilu, kar je prikazano na sliki 1.3 [2]. Največji delež inštalirane moči v Evropi ima Nemčija, ki ji sledijo Italija, Združeno Kraljestvo in Francija, kot je prikazano na sliki 1.2 [1].

(33)

Uvod

3 Slika 1.3: Trendi PV sistemov v Evropi

Kot v Evropi tudi v Sloveniji ne beležimo tako strmega povečanja uporabe PV sistemov.

Največje povečanje smo beležili v letu 2012, kar je prikazano na sliki 1.4, nato se je letno povečanje do leta 2018 spremenilo za samo nekaj MW. Kasneje se je skupna inštalirana moč začela povečevati, ker se je ponovno vgrajevalo več PV sistemov [3].

Slika 1.4: Trendi PV sistemov v Sloveniji

1.1.1 Pariški sporazum

Zaradi drastičnih podnebnih sprememb, ki so posledica prekomerne uporabe fosilnih goriv, prihaja do vedno večjega števila ekstremnih pojavov, kot so gozdni požari, vročinski valovi, poplave itd. Zavedanje številnih držav, da se podnebje resnično spreminja in da je potrebno ukrepanje, je leta 2005 pripeljalo do Kjotskega sporazuma, ki ga je podpisalo 141 držav. Ta sporazum ni uspel v veliki meri zaradi tega, ker v njem ni bilo Kitajske, Indije, ZDA in Brazilije. Države, ki so sprejele Kjotski sporazum, so namreč prispevale zgolj 11% svetovnih emisij.

(34)

Uvod

4

Zaradi neuspeha Kjotskega sporazuma je bilo potrebno pripraviti nov sporazum, v katerem bi bile prisotne vse države, ki so največje onesnaževalke. 12. decembra leta 2015 je na konferenci COP 21 196 članic sprejelo Pariški sporazum, ki je začel veljati 4. novembra 2016 [4].

Cilj Pariškega sporazuma je omejiti globalno segrevanje na precej pod 2 °C, po možnosti na 1,5 °C, v primerjavi s predindustrijsko dobo. Da bi dosegli ta dolgoročni temperaturni cilj, si države prizadevajo čim hitreje doseči vrhunec emisij toplogrednih plinov, ker bi s tem do sredine stoletja dosegli podnebno nevtralni svet. Da bi bil cilj lažje dosegljiv, pomagajo bogate države s finančnimi podporami v višini 95 milijonov vsako leto do leta 2025 državam v razvoju. Za boljšo preglednost in nadzor nad izvajanjem ukrepov, povezanih s sporazumom, se bodo vse države članice Pariškega sporazuma sestale vsakih pet let in tako obveščale preostale države o napredku. Pariški sporazum je velik mejnik v boju proti podnebnim spremembam, ker zavezujoči sporazum prvič povezuje vse države v skupno prizadevanje [4], [5].

Evropska unija si je ob podpisu zadala, da bo znižala emisije do leta 2020 za 20%, kar ji je uspelo že do leta 2017. Do leta 2030 je bil cilj 40% znižanja emisij toplogrednih plinov, ampak se je EU odločila, da se poviša cilj na 55% zmanjšanje [4].

1.1.2 Zakon o učinkoviti rabi energije

Zakon o učinkoviti rabi energije [6] določa ukrepe za spodbujanje energetske učinkovitosti, ukrepe za povečanje učinkovite rabe energije in ukrepe za izboljšanje energetske učinkovitosti stavb.

Cilji zakona:

- zmanjšanje rabe energije, - učinkovita raba energije,

- povečanje energetske učinkovitosti, - zanesljiva oskrba z energijo,

- učinkovita pretvorba energije,

- prehod v podnebno nevtralno družbo z uporabo nizkoogljičnih energetskih tehnologij, - zagotavljanje energetskih storitev,

- zagotavljanje kakovosti notranjega okolja v stavbah,

- ozaveščanje in informiranje odjemalcev o koristih energetske učinkovitosti, porabi energentov in energetski učinkovitosti njihovih objektov,

- varstvo končnih odjemalcev energije.

Za lažje in uspešnejše izvajanje zastavljenih ciljev glede učinkovite rabe energije se izvajajo tudi finančne spodbude z namenom zmanjšanja porabe energije in s tem posledično dviga deleža obnovljivih virov energije. V malih in srednje velikih podjetjih se spodbuja izvajanje energetskih pregledov, v velikih podjetjih pa so ti pregledi obvezni na vsake štiri leta. Vse nove stavbe morajo izpolnjevati zahteve za skoraj ničenergijske stavbe, kar pomeni da:

(35)

Uvod

5 - potrebna toplota za ogrevanje ne presega 25 kWh/m²a;

- je delež obnovljivih virov energije glede na dovedeno energijo (RER) vsaj 50%;

- največja dovoljena vrednost primarne energije na enoto kondicionirane površine ne znaša več kot 75 kWh/m²a za enostanovanjske stavbe, 80 kWh/m²a za večstanovanjske zgradbe in 55 kWh/m²a za nestanovanjske zgradbe [6].

Na ravni EU je potrebno energetsko učinkovitost povečati za 32,5% do leta 2030. V Sloveniji smo si zastavili obetavnejši cilj in jo želimo povečati za vsaj 35% glede na osnovni scenarij iz leta 2007 [7].

1.2 Namen in cilji naloge

Namen naloge je raziskati načine hlajenja PV sistemov in nekatere tehnologije preizkusiti z eksperimentom, da se ugotovi smiselnost postavitve različnih tehnik hlajenja. Potrebno je tudi poiskati in izdelati model, ki izračuna in izriše tokovno-napetostno krivuljo in obenem tudi točko maksimalne moči. Na podlagi pridobljenih temperatur virtualne sončne celice bo potrebno izdelati diagrame, ki bodo prikazovali vpliv sončnega sevanja na temperaturo te sončne celice. Poleg potrebnih diagramov bo potrebno pridobiti tudi meteorološke podatke za tri kraje z različnim podnebjem. Cilj diplomske naloge je preveriti, kako se spremenijo temperature sončne celice, proizvedena električna energija in izkoristki za te tri kraje pri različnih načinih hlajenja.

1.3 Struktura naloge

V prvem delu so predstavljene teoretične osnove, kjer smo predstavili razloge, ki so pripeljali do tako velike uporabe PV sistemov. Poleg tega smo pripravili tudi pregled PV tehnologij in možnosti za povečanje energije Sonca ter opisali model, ki smo ga uporabil za določitev maksimalne moči in izris I-U krivulje. Temu sledi opis metodologije dela, v kateri smo predstavili potek eksperimenta, kamor spadajo opis merilne proge, postopek pridobivanja podatkov in matematični model delovanja sončne celice, potreben za urejanje pridobljenih podatkov. Na koncu smo v poglavju Rezultati in diskusija predstavili in prikazali pridobljene rezultate, ki so plod eksperimentalnega dela in numeričnih analiz delovanja PV celic v treh različnih podnebnih razmerah.

(36)

Uvod

6

(37)

7

2 Teoretične osnove in pregled literature

V poglavju Teoretične osnove in pregled literature bomo predstavili fotonapetostni pojav, zgodovino PV sistemov, pregled PV tehnologij in možnosti povečanja proizvedene energije sončne celice. Predstavili bomo tudi uporabljen model in njegovo validacijo, poleg tega pa bomo prikazali temperaturne faktorje različnih PV tehnologij, ki so potrebne za pravilno uporabo predstavljenega modela.

2.1 Fotonapetostni pojav

Fotonapetostni pojav si lahko razlagamo kot neposredno pretvorbo sončne energije v električno energijo. Pretvorba sončne energije poteka v sončnih celicah, ki so v osnovi polprevodniške diode in so zgrajene iz dveh različnih tipov polprevodnikov. Prvi polprevodnik ima presežek elektronov in ga imenujemo polprevodnik tipa n. Drugi polprevodnik ima za razliko od prvega primanjkljaj elektronov in ga imenujemo polprevodnik tipa p. Pri stiku obeh tipov polprevodnikov se pojavi difuzija nabojev preko stične površine. Pri tem začnejo elektroni iz polprevodnika tipa n prodirati v polprevodnik tipa p. Istočasno pa prodirajo tudi vrzeli v nasprotni smeri, torej iz tipa p v tip n. S tem dogajanjem se ustvari naboj, ki povzroči električno polje, ki zavira difuzijo delcev. Na zunanjo zgradbo p-n spoja se priključi zunanjo napetost in s tem se zaviralno električno polje v prehodnem območju spreminja; tako se doseže, da lahko električni tok teče le v eni smeri [8].

2.2 Zgodovina fotonapetostnih sistemov

Začetki sončnih celic segajo v leto 1839, ko je pri poskusu francoski fizik Edmond Becquerel odkril fotonapetostni pojav. Pri tem je ugotovil, da se napetost med elektrodama, potopljenima v elektrolit, poveča takrat, ko so elektrode osvetljene [9]. Znanstvenika Day in Adams pa sta leta 1877 kot prva objavila članek o fotonapetostnem pojavu v trdni strukturi iz selena. Leta 1918 je postopek pridobivanja monokristalnega silicija, ki ga uporabljamo še danes, razvil poljski znanstvenik Jan Czochralski. Prva sončna celica z malenkost višjim

(38)

Teoretične osnove in pregled literature

8

izkoristkom, ki je znašal 6%, je bila narejena leta 1954. Razvili so jo znanstveniki Chapin, Fuller in Pearson [10]. Sončne celice so bile prvič uporabljene leta 1958 v vesoljski industriji in so skrbele za napajanje radijskega oddajnika na vesoljskem satelitu. Te sončne celice so bile takrat nekaj tisočkrat dražje kot danes. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so se začele uporabljati tudi na površju Zemlje, najprej v prenosnih aplikacijah majhnega obsega, kot so kalkulatorji in ure. Leta 1985 se je za sončne celice naredil velik preboj, saj so takrat prvič dosegli mejnik 20% učinkovitosti. Danes so sončne celice priznane ne le kot sredstvo za zagotavljanje energije in višjo kakovost življenja tistim, ki nimajo dostopa do omrežja, ampak so tudi sredstvo za znatno zmanjšanje onesnaževanja okolja, ki ga povzročajo fosilna goriva [11].

2.3 Pregled PV tehnologij

Sončne celice se v osnovi delijo glede na število p-n slojev, zato poznamo sončne celice z enim p-n slojem in sončne celice z več p-n sloji. Slednje so trenutno še v fazi raziskav, medtem ko se celice z enim p-n slojem delijo še na kristalne silicijeve SC, tanko slojne SC in na druge polprevodnike, ki se jih uporablja pri izdelavi SC, kar je prikazano na sliki 2.1.

Slika 2.1: Delitev tehnologij sončnih celic [12]

2.3.1 Tržni deleži PV tehnologij

Največji tržni delež imajo kristalne silicijeve sončne celice, saj predstavljajo kar 93%

inštaliranih sončnih celic po svetu. Poleg kristalnih SC se uporabljajo še tankoslojne SC, ki predstavljajo preostalih 7%. Sončne celice iz drugih materialov so po svetu tako malo uporabljene, da na sliki 2.2, ki prikazuje tržne deleže različnih tehnologij, niso prikazane [12].

(39)

9 Slika 2.2: Tržni deleži tehnologij PV celic [12]

2.3.2 Izkoristki različnih PV tehnologij

Prikazani maksimalni izkoristki v tabeli 2.1 veljajo za sončne celice, ki so testirane v kontroliranih pogojih okolja pri STC. To pomeni pri sončnem sevanju 1000 W/m², temperaturi sončne celice 25 °C, hitrosti vetra 1 m/s in zračni masi AM = 1,5.

Preglednica 2.1: Maksimalni izkoristki različnih tehnologij sončnih celic [13]

Sončne celice s 4 n-p sloji 38,8%

Sončne celice s 3 n-p sloji 37,9%

Sončne celice z 2 n-p slojema 31,6%

GaAs 27,3%

mc-Si 25,0%

pc-Si 21,3%

Tanko slojne kristalne Si 21,2%

CIGS 22,3%

CdTe 22,1%

a-Si 13,6%

V realnosti so izkoristki sicer nižji, saj je temperatura celice pri sončnem obsevanju skoraj vedno višja kot 25 °C. Sončno sevanje pa tudi ne doseže velikokrat v letu 1000 W/m².

(40)

10

2.4 Povečanje proizvedene energije sončne celice

Pridobljeno električno energijo s sončnimi celicami lahko povečamo na dva načina. Prvi način je povečanje količine sončnega sevanja na module sončnih celic, kar se lahko naredi z zgoščevalniki sončne energije in sistemom za sledenje Soncu. Drugi način, ki smo ga v nalogi tudi raziskovali, je hlajenje sončnih celic, saj se z nižanjem temperature v sončni celici zviša učinkovitost delovanja sončne celice, kar se kaže v večji proizvedeni električni energiji.

2.4.1 Zgoščevalniki sončne energije

Slika 2.3:Površina modula in površina zgoščevalnika [14]

Temeljna naloga zgoščevalnikov sončne energije je, da povečajo količino vpadnega sončnega sevanja na modul sončne celice. V primeru sončne celice z dodatnimi zgoščevalniki sprejema sončna celica direktno sončno sevanje in odbito sončno sevanje od tako imenovanih zrcal, kot je prikazano na sliki 2.3. Konstrukcijska značilnost zgoščevalnikov je stopnja koncentracije C, ki je opredeljena z enačbo 2.1.

𝐶 =𝐴𝑧𝑔𝑜šč𝑒𝑣𝑎𝑙𝑛𝑖𝑘

𝐴_{𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙} (2.1)

Zaradi povečanega sončnega sevanja se poviša tudi učinkovitost sončne celice in v primeru, da je površina zgoščevalnika dvakrat večja kot površina modula, znaša stopnja koncentracije 𝐶 = 2, kar je bilo v raziskavah ugotovljeno, da poveča učinkovitost za 30% [12]. Še večjo učinkovitost bi lahko dosegli s premičnimi zrcali, ki bi se prilagajali Soncu, kar bi sicer dvignilo ceno investicije. Z zgoščevanjem sončnega sevanja prihaja tudi do višjih temperatur sončne celice, zato je dorečeno, da lahko znaša najvišja stopnja koncentracije 𝐶 = 2, ker v primeru višje stopnje prihaja do še večjega sevanja, kar se kaže v negativnem vplivu

(41)

11 temperature na sončne celice. Zrcala so narejena iz visoko odbojnega tankega kovinskega nanosa, ki je v večini primerov aluminij ali srebro, občasno lahko tudi iz druge kovine.

Zaradi občutljivosti na korozijo in odrgnine so te kovine zaščitene s steklom in na spodnji strani prekrite z bakreno zaščitno prevleko [12].

Slika 2.4 prikazuje vpliv zgoščevalnika na temperaturo sončne celice in na količino vpadnega sončnega sevanja na sončno celico pri 𝐶 = 2. Iz slike 2.4 je razvidno, da se temperatura SC zviša. Obenem se zviša tudi sončno sevanje, ki bolj pripomore k zvišanju moči, kot pripomore temperatura k znižanju moči. Na podlagi rezultatov raziskave [15] je bilo ugotovljeno, da se moč zviša za 31,5%.

Slika 2.4: Vpliv zgoščevalnika na temperaturo sončne celice in na količino vpadnega sončnega sevanja [15]

2.4.2 Sledenje Soncu

Sončno sevanje na PV module lahko povečamo s senzorji za sledenje Soncu, ki na podlagi lege Sonca nagibajo PV modul v pravilno smer. Poznamo dve vrsti sledenja: enoosno in dvoosno sledenje. Pri enoosnem sledenju, ki je prikazano na levi sliki 2.5, se moduli čez dan pomikajo od vzhoda proti zahodu z željo, da bi zajeli kar se da veliko sončnega sevanja. Pri dvoosnem sistemu, ki je prikazan na desni sliki 2.5, se poleg pomikanja vzhod – zahod ves čas spreminja tudi naklon PV modulov, kar nam zagotavlja, da so vpadni žarki na PV modul vedno pravokotni.

Sledilnike ločimo tudi na izvedbo in v tem primeru poznamo pasivne in aktivne sledilnike.

Pasivni sledilniki imajo že vnaprej zastavljeno premikanje PV modula, medtem ko se aktivni sledilniki ves čas premikajo glede na položaj Sonca in mu poizkušajo slediti. Dodatna uporaba sledilnikov poveča investicijo v PV sistem, saj je potrebno upoštevati v ceni tudi

(42)

12

dodatno elektroniko za sledenje Soncu, mehansko konstrukcijo in redno vzdrževanje, ki ga zahteva delovanje sistema. Z enoosnim sistemom je možno proizvesti 20% več energije [16], v primeru dvoosnega sledenja pa se poviša proizvodnja energije za 35% v primerjavi s fiksnim PV sistemom [16]. Glavna pomanjkljivost sledilnikov je dodatna montaža gibljivih delov in zobnikov, ker zahtevajo redno vzdrževanje; če niso dobro vzdrževani, se lahko sistem ustavi pod skrajnim kotom. Posledica so velike izgube proizvodnje električne energije, saj je modul osvetljen samo majhen del dneva [12].

Slika 2.5: Leva slika prikazuje enoosno sledenje Soncu, desna slika prikazuje napravo za dvoosno

sledenje Soncu [16]

2.4.3 Hlajenje sončnih celic

Z učinkovitim hlajenjem je mogoče povečati učinkovitost delovanja sončne celice ter preprečiti razne negativne učinke, ki se pojavijo s povišano temperaturo. Zaradi višje temperature v sončni celici se posledično zviša prevodnost polprevodnika znotraj celice, kar se kaže v zmanjšanju delovne napetosti in prenesenega toka.

Slika 2.6: Vpliv temperature na I-U krivuljo

(43)

13 Na podlagi slike 2.6 je razvidno, da se z višanjem temperature v sončni celici zmanjša napetost odprtih sponk, hkrati pa se poviša kratkostični tok. Znižanje napetosti odprtih sponk je v primerjavi z dvigom kratkostičnega toka precej večje, kar se kaže v manjši površini ploskve, ki je pod krivuljo. Iz tega je razvidno, da bi pridobili manjšo izhodno moč, kar pomeni tudi manjšo učinkovitost pretvorbe sončnega sevanja v električno energijo.

Kombinacija močnega sončnega sevanja in visoke temperature okolice lahko povzroči temperature v sončni celici tudi do 70 °C. Tako ekstremne temperature privedejo do pregrevanja sončne celice, kar lahko povzroči:

- zmanjšanje zmogljivosti sončnih celic,

- zmanjšanje učinkovitosti pretvorbe sončnega sevanja v električno energijo, - povečanje razgradnje sončnih celic,

- zmanjšanje življenjske dobe sončnih celic.

Iz teh razlogov je pomembno, da se temperatura zniža, ker bomo s tem delovali bližje optimalni temperaturi, s čimer bomo podaljšali življenjsko dobo sončnih celic; to pomeni tudi manjšo porabo surovin za izdelavo in manj odpadkov izrabljenih sončnih celic [17].

2.4.3.1 Delitev tehnik hlajenja

Poznamo aktivne in pasivne hladilne sisteme za zniževanje temperature sončne celice.

Aktivno hlajenje potrebuje hladivo, kot sta recimo voda ali zrak. Pri tej metodi se tipično potrebuje ventilator za povečanje hitrosti zraka ali črpalko za pretok vode. Pasivno hlajenje za razliko od aktivnega ne porablja elektrike.

Pasivne hladilne tehnike so razdeljene v tri glavne kategorije:

- pasivno hlajenje z zrakom, - pasivno hlajenje z vodo,

- hlajenje s povečanjem odvoda toplote.

Pasivne tehnologije so učinkovite pri nižanju temperature, obenem pa so tudi enostavne in stroškovno učinkovite [17]. Različne tehnike hlajenja PV modulov so prikazane na sliki 2.7.

Hlajenje z zrakom

Pasivna metoda hlajenja z zrakom poteka na povsem naraven način, torej brez ventilatorjev.

Pri hlajenju z zrakom se odstrani toploto, ki nastane zaradi konvekcije. Uporablja se tudi aktivno hlajenje z zrakom, pri čemer se uporablja ventilator za ustvarjanje pretoka zraka [17].

(44)

14

Slika 2.7: Delitev tehnik hlajenja [17]

Hlajenje z vodo

Pri hlajenju z vodo je potrebno, da voda neprestano teče skozi sistem, za kar skrbijo vodne črpalke. Poznanih je več metod hlajenja z vodo.

Prva metoda je prisilno kroženje vode, pri čemer namestimo cevi z vodo na spodnjo stran PV modula, da se toplota iz naprave prenese na vodo, ki se jo v nadaljevanju lahko učinkovito uporabi. Ta sistem ni primeren za večje sončne elektrarne, poleg tega so tudi stroški namestitve visoki [17].

(45)

15 Druga metoda je potopno hlajenje, pri čemer se PV module montira pod vodo. Ta način omogoča najvišje znižanje temperature izmed vseh načinov hlajenja z vodo ter predstavlja majhen vpliv na okolje [17].

Tretja metoda je škropljenje, pri čemer se vodo nanaša na sprednjo stran PV modulov.

Rezultati analiz kažejo povečanje električne učinkovitosti za 15%, ampak se potroši tudi velika količina vode, ki se je ne uporabi za noben nadaljnji proces [17].

Hlajenje s fazno spremenljivimi snovmi

Hlajenje s fazno spremenljivimi snovmi je oblika hlajenja s povečanim prehodom toplote.

FSS absorbirajo in nato sprostijo velike količine latentne toplote, pri čemer se z absorbiranjem toplote začnejo taliti, s sproščanjem toplote pa ponovno strjevati. Delujejo tako, da sprejmejo toploto čez dan in jo nato sproščajo ponoči, ko ni sonca in zato višja temperatura ne vpliva na delovanje celice. Pri izbiri pravilne FSS je potrebno poznati, kakšne so temperature okolice; na podlagi tega se lahko izbere FSS z ustrezno temperaturo tališča, kajti če je temperatura tališča nižja, kot je temperatura okolice čez dan, se bo FSS stalila prehitro in ne bo izpolnjevala svoje funkcije. Uporabljajo se organske FSS (parafin), anorganske FSS (solni hidrati) in evtektiki [17].

Hlajenje s toplotno cevjo

Hlajenje s toplotno cevjo, ki je prikazano na sliki 2.8, je pasivni sistem, pri katerem se transportira energija iz vira v sprejemnik z izhlapevanjem in kondenzacijo tekočine v zaprtem sistemu. Materiali, ki se uporabljajo za uparjalnik in kondenzator, imajo visoko toplotno prevodnost, kot na primer baker ali aluminij. Sistemi s toplotno cevjo lahko pretvorijo toploto iz PV modula v zrak ali vodo in s tem znižajo temperaturo ter povišajo učinkovitost PV modula. Kitajska znanstvenika Zhao in Tang [17] sta z analiziranjem metode z vodo in zrakom prišla do rezultatov, da je vodno hlajenje bolj učinkovito. Pri tem načinu hlajenja se temperatura zniža za 8 °C, zato se prvotna učinkovitost, izražena v odstotkih, poveča za 13.9% v primerjavi z običajnimi sončnimi celicami brez hlajenja. Pri hlajenju z zrakom se zniža temperatura za 4,7 °C, kar predstavlja 8,4% povečanje izhodne moči [17].

Slika 2.8: Hlajenje z zrakom levo in hlajenje z vodo desno [17]

(46)

16

Hlajenje z rebri / povečanimi površinami

To je pasivno hlajenje, pri čemer se zniža temperatura PV modula z dodatnimi komponentami, kot so rebra, nameščena na spodnji strani PV modula. Z dodanimi rebri se poveča območje prenosa toplote iz PV modula na zunanjo okolico, kar izboljša hlajenje.

Izdelava in montaža reber na PV modul je enostavna in poceni možnost zniževanja temperature [17].

Mikro – kanalni izmenjevalnik toplote

Pri tem sistemu se za hlajenje uporablja prenos toplote iz enega medija v drugega, za kar skrbijo rebra, ki so lahko različnih oblik: trikotne ali v obliki črke V. Mikro-kanali se lahko uporabljajo tudi v hibridnih sistemih hlajenja [17].

Sevalno hlajenje

Sevalno hlajenje, prikazano na sliki 2.9, je pasivna tehnika. Pojavi se, ko površina objekta absorbira manj sevanja iz okolice in energije, kot je oddaja. Ko se to zgodi, odda površina toploto v vesolje; hladilni učinek je mogoče doseči brez potrebe po električni energiji. Za uspešno delovanje te tehnike je potrebna razlika v temperaturi med vesoljem in objekti na Zemlji [17].

Slika 2.9: Energijski tokovi pri sevalnem hlajenju [18]

Hlajenje na osnovi nano-tekočin

Nano-tekočina (ang. nanofluid) je mešanica nanodelcev s premerom 1–100 nm, ki so razpršeni v osnovni tekočini: vodi, hladilnem sredstvu, etilnem glikolu ali termičnih oljih. Z uporabo nano-tekočine lahko izboljšamo prenos toplote skozi tekočino in posledično toplotne lastnosti celotnega sistema. Uporabljajo se različni nanodelci, kot so boemit, aluminijev oksid, cinkov oksid, titanov oksid, magnetit, silikonov karbid in bakrov oksid [19]. Hlajenje na osnovi nano-tekočin je prikazano na sliki 2.10.

(47)

17 Slika 2.10: Hlajenje na osnovi nano-tekočin [19]

Termoelektrično hlajenje

Termoelektrični modul, ki je prikazan na sliki 2.11, pretvori toploto v električno energijo s Seebeckovim učinkom (kadar je modul izpostavljen toploti) in električno energijo v toplotno energijo s Peltierjevim učinkom (kadar je modul izpostavljen električni napetosti). Za hlajenje PV panelov je termoelektrični modul integriran na zadnji strani PV panelov, ki ga oskrbujejo z električno energijo, in ustvari hladilni učinek. Poraba energije termoelektričnega modula mora biti manjša od moči, ki se jo pridobi iz PV modula, če želimo, da je hlajenje učinkovito in opravičeno [20].

Slika 2.11: Termoelektrično hlajenje [21]

Hlajenje z izhlapevanjem vode

Hlajenje z izhlapevanjem je proces, pri katerem voda izhlapi, da se doseže fazno ravnovesje z vodno paro v okoliškem zraku. Proces izhlapevanja je povezan z absorpcijo energije, imenovano latentna toplota. Voda, ki izhlapi, absorbira toploto iz okolice in tako nastane hladilni učinek, ki se uporablja pri hlajenju PV plošč. Glavne prednosti hlajenja z izhlapevanjem so [20]:

(48)

18

- enostavna izvedba, - nizki stroški in

- učinkovito delovanje v suhem podnebju.

Hibridni hladilni sistem (PV/T)

Hibridni (PV/T) kolektorji so naprave, ki pretvarjajo sončno sevanje tako v toplotno kot tudi električno energijo. Izdelani so iz PV modulov v kombinaciji s ploščatim kolektorjem, ki skrbi za zmanjšanje temperature PV modula in izkoriščanje toplote za nizkotemperaturne aplikacije, zato ima ta konfiguracija številne prednosti [20]:

- večjo splošno učinkovitost sistema,

- povečanje električne učinkovitosti zaradi odvajanja toplote, - zmanjšanje skupnih stroškov.

Slika 2.12: Hibridni hladilni sistem (PV/T) [12]

2.5 Opis modela

V nadaljevanju prikazujemo model I-U karakteristike in model prikaza maksimalne moči, ki smo ju tudi validirali s podatki iz članka ter s podatki referenčnega modula z monokristalnim silicijem. Uporabili smo solarni panel proizvajalca Bisol moči 233 W z oznako BMU/233. Tehnični podatki za PV panel BMU/233 so prikazani v preglednici 2.2.

Preglednica 2.2: Tehnični podatki proizvajalca

TIP MODULA BMU/233

Maksimalna moč 𝑃_𝑚𝑝𝑝 [W] 233

Kratkostični tok 𝐼_𝑠𝑐 [A] 8,45

Napetost odprtih sponk 𝑉_𝑜𝑐 [V] 37,5

Tok pri maksimalni moči 𝐼_𝑚𝑝𝑝 [A] 7,9 Napetost pri maksimalni moči 𝑉_𝑚𝑝𝑝 [V] 29,5 Tokovni temperaturni koeficient αIsc [mV/°C] 5,5 Napetostni temperaturni koeficient βVoc [mV/°C] 120

(49)

19

2.5.1 Modeliranje I-U krivulje

Učinkovitost PV sistema je odvisna od mnogih dejavnikov, kljub temu pa na učinkovitost najbolj vplivata sončno sevanje in temperatura sončne celice. Prvi močno vpliva na tok kratkega stika, drugi na napetost odprtih sponk, hkrati pa oba vplivata na največjo moč sončne celice.

Obstaja več modelov, ki temeljijo na toku fotonov, enem ali več uporih in eni ali več diodah.

Za te metode je značilno, da je potrebno izračunati več neznank, preden se lahko začne uporabljati model. Pogosto uporabljen model 'enojne diode' je znan tudi kot model 'petih parametrov', ker mora biti v celoti označen s petimi parametri. Podobno kot model enojne diode je opredeljen tudi model dvojne diode, znan tudi kot model 'sedmih parametrov'. Oba modela temeljita na natančnosti skozi tri značilne točke I-U krivulje (stanje odprtega kroga, stanje kratkega stika in MPP). Njuna pomanjkljivost je, da vrednosti komponent, kot so upori in diode, niso navedeni v tehničnih podatkih proizvajalcev, zato je skoraj vedno potrebna predhodna obdelava tehničnih podatkov, da se jih lahko uporabi za modela s petimi ali sedmimi parametri.

Slika 2.13: Model enojne diode [22]

Na sliki 2.13 je prikazan petparametrični model sončne celice, sestavljen iz diode in dveh uporov. Funkcija diode v tem primeru je modeliranje prehajanja elektronov v eni smeri pri p-n sloju. 𝑅_𝑠 je serijski upor, ki predstavlja notranjo električno upornost materiala in elektrod, nameščenih na celici. 𝑅_𝑠ℎ pa predstavlja izgube po robu PV celice, ker tam ne moremo zajeti vseh elektronov. Enačba, ki opisuje petparametrični model, je prikazana z enačbo 2.2.

𝐼 = 𝐼_𝑝ℎ− 𝐼₀ ∙ (𝑒⁻

𝑞∙(𝑉+𝐼∙𝑅_𝑠)

𝑚∙𝑘∙𝑇_𝑐 − 1) −𝑉 + 𝐼 ∙ 𝑅_𝑠

𝑅_𝑠ℎ (2.2)

𝐼_𝑝ℎ: tok, ki ga ustvarja sončno sevanje [A]

𝐼₀: temni nasičeni tok zaradi rekombinacije [A]

𝑔: naboj elektrona [C]

𝑅_𝑠: serijski upor [Ω]

𝑚: faktor idealnosti

(50)

20

𝑘: Boltzmannova konstanta [^𝐽

𝐾] 𝑇_𝑐: temperatura celice [K]

𝑅_𝑠ℎ: upornost, ki predstavlja izgube po robu sončne celice [Ω]

Neznani parametri v enačbi so: 𝑅_𝑠, 𝑅_𝑠ℎ, 𝑚, 𝐼₀, 𝐼_𝑝ℎ. Problem te enačbe je, da ti parametri niso na voljo v tehničnih podatkih proizvajalcev, ampak najdemo v njih tok kratkega stika (𝐼_𝑠𝑐), napetost odprtih sponk (𝑉_𝑜𝑐), napetost in tok v točki največje moči (𝑉_𝑚𝑝𝑝 in 𝐼_𝑚𝑝𝑝), nazivno moč (𝑃_𝑛), koeficienti 𝛼𝐼_𝑠𝑐 (temperaturni koeficient za tok kratkega stika) in 𝛼𝑉_𝑜𝑐 (temperaturni koeficient za napetost odprtih sponk). Vsi ti parametri so definirani v standardnih preskusnih pogojih, ki se merijo pri sončnem sevanju 1000 W/m², temperaturi celice Tc = 25 °C, hitrosti vetra 1 m/s in zračni masi AM = 1,5.

Parametri za to metodo torej niso navedeni v tehničnih podatkih PV modula, zato je lahko model uspešno uporabljen v simulatorju vezij šele po izračunu petih parametrov.

Za modeliranje I-U krivulje smo zato uporabili dva modela, podrobni matematični model in poenostavljeni matematični model. Oba se uporabljata za modeliranje PV modulov in PV nizov pri spremenljivih vremenskih pogojih. Temeljita na dobro poznanem pet- parametričnem modelu, ki omogoča pisanje nove enačbe, in vsi podatki, ki so potrebni za izračun, so dostopni v tehničnih listih proizvajalcev sončnih celic. Prednost je predvsem v tem, da ni potrebne predhodne obdelave podatkov ne glede na sončno sevanje in temperaturo sončne celice.

2.5.1.1 Podroben matematični model

Električni tok, ki ga generirajo fotoni, je neposredno sorazmeren sončnemu sevanju:

𝐼_𝑝ℎ= 𝐺_𝑝𝑢 ∙ [𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ (𝑇_𝑐 − 25)] (2.3)

𝐺_𝑝𝑢 = 𝐺

1000 (2.4)

𝛿𝑇 = (𝑇_𝑐− 25) (2.5)

𝐺_𝑝𝑢: relativno sončno sevanje pri STC 𝐼_𝑠𝑐^𝑜: kratkostični tok pri STC

𝛼𝐼_𝑠𝑐: trenutni temperaturni koeficient pri STC

Tok v točki maksimalne moči je odvisen tako od sončnega sevanja kot od temperature celice:

(51)

21 𝐼_𝑚𝑝𝑝 = 𝐺_𝑝𝑢 ∙ [𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ (𝑇_𝑐− 25)] (2.6) Napetost odprtih sponk Voc je močno odvisna od temperature celice in sledi:

𝑉_𝑜𝑐 = 𝑉_𝑜𝑐⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇 (2.7)

Enako matematično razmerje velja tudi za Vmpp:

𝑉_𝑚𝑝𝑝 = 𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇 (2.8)

Zadnji člen enačbe 2.2 vsebuje upore Rs in Rsh. Ti ne predstavljajo komponent, ki dejansko obstajajo v PV celici, ampak modelirajo pojave, ki se dogajajo pri delovanju celice. Z grafičnega vidika, kot je prikazano na sliki 2.14, je upor Rs povezan z naklonom I-U krivulje v stanju odprtega kroga (črna pikčasta črta), medtem ko je Rsh povezan z naklonom v stanju kratkega stika (črna pikčasta črta).

Slika 2.14:Vpliv Rs in Rsh na I-U krivuljo [22]

Ker je Rsh povezan z naklonom I-U krivulje v stanju kratkega stika, sledi:

𝑅_𝑠ℎ = 𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇 𝐺_𝑝𝑢∙(𝐼_𝑠𝑐⁰ − 𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ )

2

= 𝑉_𝑠ℎ

𝐼_𝑠ℎ (2.9)

Rs je povezan z naklonom I-U krivulje v stanju odprtih sponk, zato sledi:

𝑅_𝑠 =

(𝑉_𝑜𝑐⁰ − 𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ ) 4

𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛥𝑇) =𝑉_𝑠 𝐼_𝑠

(2.10)

Da se lahko sledi I-U krivulji, je potrebno izračunati še β, γ in p na sledeči način:

(52)

22 {

𝐼 = 𝐼_𝑠𝑐 𝑧𝑎 𝑉 = 0 𝐼 = 0 𝑧𝑎 𝑉 = 𝑉_𝑜𝑐 ^𝑑𝑃

𝑑𝑉 = 0 𝑧𝑎 𝑉 = 𝑉_𝑚𝑝𝑝

𝐼_𝑠𝑐= 𝑝 ∙ [𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇)] (2.11)

𝛣 = 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛥𝑇) −𝑉_𝑜𝑐⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇

𝑅_𝑠ℎ (2.12)

𝛤 = 1

𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝑉_𝑜𝑐⁰∙ 𝑙𝑛

𝐺𝑝𝑢∙ (𝑝 ∙ 𝐼𝑠𝑐0 − 𝐼𝑚𝑝𝑝0 ) − (1 − 𝑝) ∙ 𝛼𝐼𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇 −𝑝 ∙ (𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇) 𝑅_𝑠ℎ

𝑝 ∙ (𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) −𝑉𝑜𝑐0− 𝛼𝑉𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇 𝑅𝑠ℎ )

(2.13)

𝑝 = 𝑅𝑠ℎ

𝑅𝑠+ 𝑅𝑠ℎ= (𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇) ∙ 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇)

(𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝛼𝑉_𝑜𝑐∙ 𝛿𝑇) ∙ 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) + (𝑉_𝑜𝑐⁰− 𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ ) ∙ 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ − 𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰ ) (2.14)

Enačba 2.15 omogoča sledenje I-U krivulje pod poljubnimi vremenskimi pogoji. Odvisna je od že omenjenih vremenskih pogojev, tehničnih podatkov sončne celice in parametrov Γ ter Β.

𝐼 = 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) − 𝛣 ∙ 𝑒^{𝛤∙(𝑉+𝛼𝑉}^𝑜𝑐^{∙𝛿𝑇−𝑉}^𝑜𝑐⁰⁾− 𝑉

𝑅_𝑠ℎ (2.15)

2.5.1.2 Poenostavljen matematični model

Upor Rsh predstavlja izgube sončne celice po robu. Ker je njegov vpliv pomemben v redkih območjih delovanja, se ga lahko zanemari in tako poenostavi izračun matematičnega modela. Postopek izračuna po poenostavljeni metodi se izračuna s pomočjo sledečih enačb.

𝐼 = 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) − 𝛣 ∙ 𝑒^{𝛤∙(𝑉+𝛼𝑉}^𝑜𝑐^{∙𝛿𝑇−𝑉}^𝑜𝑐⁰⁾ (2.16)

𝐼_𝑠𝑐= 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) (2.17)

𝛣 = 𝐺_𝑝𝑢∙ (𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇) (2.18)

𝛤 = 1

𝑉_𝑚𝑝𝑝⁰ − 𝑉_𝑜𝑐⁰ ∙ 𝑙𝑛 𝐼_𝑠𝑐⁰ − 𝐼_𝑚𝑝𝑝⁰

𝐼_𝑠𝑐⁰ + 𝛼𝐼_𝑠𝑐∙ 𝛿𝑇 (2.19)

𝑝 = 1 (2.20)

(53)

23

2.5.1.3 Primerjava podrobnega in poenostavljenega modela

Na sliki 2.15 sta prikazani I-U krivulji podrobnega in poenostavljenega modela. Do odstopanja med modeloma pride zaradi neupoštevanja upora Rsh v primeru poenostavljenega modela, zato je v tem primeru manjši naklon krivulje pri kratkostičnem toku in posledično večji naklon v primeru napetosti odprtih sponk.

Slika 2.15: Primerjava podrobnega in poenostavljenega modela

2.5.1.4 Validacija modela

Za validacijo modela na podlagi članka smo uporabili podatke, ki so bili v tem članku uporabljeni za izris I-U krivulje, prikazane na levi sliki 2.16. Poleg I-U krivulje smo preverili veljavnost modela še z izrisom moči (slika 2.16 desno) v odvisnosti od napetosti. Na podlagi obeh diagramov se vidi, da so krivulje zelo podobne, zato lahko sklepamo, da je model pravilno pripravljen za nadaljnjo uporabo.

Slika 2.16: Primerjava I-U krivulje (levo) in primerjava krivulje moči (desno) s krivuljama, ki sta bili predstavljeni v članku

(54)

24

2.5.1.5 Validacija modela s podatki proizvajalca

Model, ki smo ga pripravili, smo dodatno preverili še s podatki proizvajalca in ga primerjali s krivuljami, podanimi v tehničnem listu. I-U krivulja na levi sliki 2.17 je izrisana za temperaturo celice 25 °C in sončno sevanje 800 W/m². I-U krivulja na desni sliki 2.17 pa je izrisana za sončno sevanje 1000 W/m² in temperaturo celice 50 °C. Obe krivulji, tako za poenostavljeni model kot tudi za podrobnega, se ujemata s krivuljami, ki predstavljajo podatke pri določenih okoljskih pogojih.

Slika 2.17: Primerjava I-U krivulje s priloženo krivuljo proizvajalca pri SS 800 W/m² in Tc 25°C (levo), primerjava pri SS 1000 W/m² in Tc 50°C (desno)

Za dodatno kontrolo moči, ki jo izračuna model, smo vanj vstavili še standardne testne pogoje. Rezultati, prikazani na sliki 2.18, so za poenostavljeni primer popolnoma pravilni, ker znaša maksimalna moč natanko 233 W. V primeru podrobnega modela prihaja do rahlega odstopanja, saj je maksimalna moč 237 W, kar kljub vsemu predstavlja manj kot 2%

odstopanje.

Slika 2.18: Krivulja moči PV panela BMU/233

(55)

25

2.6 Temperaturni faktorji PV tehnologij

Za učinkovito delovanje modela, ki smo ga uporabili v nalogi, je potrebno poznati temperaturni koeficient napetosti odprtih sponk in temperaturni koeficient kratkostičnega toka. Na spletu smo poiskali potrebna temperaturna koeficienta za različne tehnologije, kot so sončne celice z monokristalnim silicijem, polikristalnim silicijem, kadmijevim teluridom, bakrovim indijevim selenidom in amorfnim silicijem. Za vsako izmed tehnologij smo poiskali pet različnih sončnih celic z najboljšim izkoristkom. Povprečne vrednosti koeficientov αIsc in αVoc so prikazane v tabeli 2.3.

Preglednica 2.3: Temperaturna koeficienta αIsc in αVoc za različne PV tehnologije [23]

αIsc αVoc

Monokristalni silicij 0,048 0,29

Polikristalni silicij 0,045 0,32

Cd-Te 0,062 0,29

CIS 0,050 0,32

a-Si 0,088 0,31

(56)

26

(57)

27

3 Metodologija raziskave

Predmet raziskave so bile tri virtualne sončne celice, izdelane iz Al pločevine. V eksperimentalnih raziskavah v naravnem okolju so bile izpostavljene sončnemu sevanju, pri čemer smo merili temperaturo sončnih celic na zadnji (spodnji) strani na dveh različnih višinah. Skozi celotni eksperiment je ena virtualna sončna celica predstavljala referenčno sončno celico brez dodanih tehnologij hlajenja. Preostali dve sta služili za eksperimentalne raziskave treh različnih načinov hlajenja, in sicer: s fazno spremenljivo snovjo, hlapilnim hlajenjem z umetnimi vlakni in hlapilnim hlajenjem z naravnimi vlakni.

Slika 3.1: Grafični povzetek raziskave tehnik hlajenja