A NAPENERGIAINFO.HU portál a prágai Cseh M?szaki F?iskolával együttm?ködve szakcikksorozatot készített a fotovoltaikus er?m?vek karbantartásáról. A nagy szakmai hozadéknak számító írások célja, hogy kell? tippekkel és tanácsokkal lássa el a fotovoltaika terén tevékenyked? szakembereket.
1. Bevezetés
A kedvez? feltételeknek és a gyakorlatilag minimális jogszabályi korlátozásoknak köszönhet?en Csehországban sok – zömmel hálózathoz csatlakoztatott – fotovoltaikus rendszert telepítenek. Sajnos, ez a robbanásszer? növekedés a tervez?k és f?ként az ilyen fotovoltaikus er?m?veket üzemeltet?k kevés tapasztalatából fakadóan számos problémát is felvet. A jöv?beni rendszereknél elengedhetetlen a rendszeres állapotfelmérés, a szakszer? karbantartás és sok esetben a telepítés során elkövetett hibák utólagos kiküszöbölése is.
Az alkotóelemek szempontjából a fotovoltaikus modul számít a fotovolatikus rendszer legkritikusabb elemének. A PV modulok különválasztásával kapcsolatos probléma a min?ség szempontjából f?ként abban rejlik, hogy a fotovoltaikus modulok többsége nagyon hasonló, és zömmel egyforma anyagokból állnak, amelyeknek azonban a min?sége nagyon eltér?, ám az eltérés nagyon nehezen állapítható meg. Abban az esetben, ha a PV modul megrongálódott, nem feltétlenül vannak azon szabad szemmel is látható, érzékelhet? változások, éppen ezért elengedhetetlen a meghibásodásoknak – valamint azok okainak és lehetséges következményeinek – a diagnosztizálása. A lehetséges degradációs mechanizmusok megértéséhez azonban az is elengedhetetlen, hogy legalább a PV elemek és modulok alapvet? m?ködési elveit értsük.
2. A fotovoltaikus jelenség
Minden fotovolatikus elem és modul a töltéshordozó generálásának az elvén m?ködik. A töltéshordozó generálásához szükséges olyan energia hozzáadása, amit a fotovolatikus jelenség esetén az elnyelt fénysugárzás energiája jelent. Az elnyel?dést a fotonok és az anyagrészecskék közti interakció okozza. Ha a részecske energiája a foton becsapódása el?tt E_1, az elnyel?dés után ez az energia a foton energiájával növekszik; a foton energiáját a h? szorzat adja meg [1]:
A foton elnyel?dése után a következ? kölcsönhatásokra kerülhet sor:
1) kölcsönhatás ráccsal,
2) kölcsönhatás szabad elektronokkal és
3) kölcsönhatás kötött elektronokkal.
Minden kölcsönhatás az E energia csökkenését jelenti. Csupán ennek a csökkenésnek a megnyilvánulása eltér?. A kölcsönhatás els? két típusa esetében h?mérséklet-növekedés következik be. Alacsony h?mérséklet esetében ismét h?mérséklet-emelkedésre kerül sor, s akkor, ha az energia nagyobb, mint az elektron kötési energiája, az elektron kioldódik a kötelékb?l – elektron–lyuk pár generálódása. Ha képesek vagyunk egymástól különválasztani a generált elektronokat és a lyukakat, és ily módon potenciálkülönbséget elérni, az anyagot áram kezdi átjárni. Ilyen esetben fotovoltaikus jelenségr?l beszélünk (1839, Alexander Edmond Becquerel).
Ha az elnyel?dött foton energiáját tekintve nagyobb, mint a tiltott EG sáv szélessége, az energia felesleges része a ráccsal való kölcsönhatása révén h?vé alakul át (az ún. terminalizáció folyamata). A EG-nél kisebb energiájú fotonok számára az anyag transzparens (nem kerül sor a fotonok elnyel?désére).
3. A fotovoltaikus elem és modul
Az elektron–lyuk pár generálása szempontjából dönt? jelent?ség? a kötési energia értéke. Fémek esetében ez az energia nullával egyenl?, és a foton abszorpciója ez esetben nem okozza új töltéshordozó keletkezését. A szigetel?k esetében a kötési energia nagy, éppen ezért nagyon kicsi a valószín?sége annak, hogy az elektron kiválik a kötésb?l (a valenciasávból). Ilyen esetben a félvezet? t?nik a megfelel? fotovoltaikus anyagnak, amelynek valencia- és vezet?sávja nagyságrendileg eV egységeknek megfelel? nagyságú energiasávval van elválasztva. A félvezet?k esetében az ilyen energiát az E_G tiltott sáv energiájának nevezzük. Ámde önmagában nem elegend? az elektron–lyuk pár generálása. A generált töltéshordozókat szükséges egymástól különválasztani. E célra szolgálnak általában a beépített elektromos pólussal rendelkez? félvezet? struktúrák – PN átmenet. A szokványos fotovoltaikus elem tehát lényegében egy nagy felület? félvezet? dióda, amelynél a kontaktusok struktúrája lehet?vé teszi a fénynek a félvezet? struktúrába való behatolását.
3.1. A fotovoltaikus elemek és modulok felosztása
Tekintettel a gyártás nagy hagyományaira és a hozzáférhet?ségre jelenleg a fotovoltaikus elemek többsége kristályos szilíciumból készül. A fotovoltaika fejl?dése során azonban számos, a gyártás hatékonyabbá tételére vonatkozó igyekezet is tapasztalható volt, és fokozatosan új anyagokat és technológiákat fejlesztettek ki, f?ként vékonyréteg?eket.
A fotovoltaikus elemek szerkezete a kiindulási anyagok tulajdonságaitól függ. Ha az anyagnak ún. közvetlen sávos struktúrája van (pl. GaAs), a fotonok és a hv abszorpciós együtthatója – h? ? EG – nagyon gyorsan növekszik az energiájukkal, úgyhogy a napsugárzás teljesen elnyel?dik a mikrométerek er?s egységének a rétegében. Ha a sávstruktúra közvetett (pl. szilícium), az abszorpciós együttható szabadon növekszik a foton energiájával, és a napfényspektrum hosszú hullámú részének elnyeléséhez nagyságrendileg több száz mikrométer vastagságú anyag szükséges.
3. 1. 1. Kristályos szilíciumból készült elemek
A kiindulási anyag a kristályos szilíciumból készült vékony panel.
Gyártástechnológia szerint ezek három csoportra oszthatók:
– monokristályos,
– multikristályos (vagy polikristályos),
– sávos.
A monokristályos PV elemeket a szilícium monokristályos ingotjából gyártják. Az ingotot gyémántf?résszel lapokra vágják fel. Ezt követi a roncsolt réteg leválasztása, a felszín texturálása az anyag visszaver? képességének csökkentése érdekében, a p-n átmenet kialakításához szükséges diffúz folyamatok, az antireflex réteg depozitálása és a kontaktrendszer tamponnyomásos felvitele az ezt követ? melegítéssel és az így keletkezett fotovoltaikus elem kerületi zárlatának eltávolításával.
A multikristályos fotovoltaikus elemeket szilícium multikristályos ingotjából gyártják, hasonló módon, mint a monokristályosat. S?t, a szemcsék határán jelentkez? rekombinációs veszteségek csökkentésére ún. passzivációt is végeznek (a szemcsék határán lév? szabad kötéseket hidrogén foglalja el).
A kristályos szilíciumból készült elemek esetében az egy fotovoltaikus elemre es? munkaponti feszültség 0,5 V körüli. A gyakorlati alkalmazásokhoz tehát alacsony, és néhány elem sorozatba kapcsolása szükséges. A napelemek egyszer? kezelése, a környez? közeg hatásai elleni védelem és a magasabb feszültség kialakítása érdekében rendszerint néhány fotovoltaikus elemet kapcsolnak sorozatba, és ezek együtt fotovoltaikus modult képeznek. Modul alatt tehát néhány kölcsönösen egybekapcsolt napelem értend?, amelyeket hermetikusan nagyon transzparens anyagok rétegrendszerébe tokoznak be. Ily módon olyan konstrukciós m?tárgyat alkotnak, amely fotovoltaikus forrás építéséhez is igénybe vehet?. Néha a szoláris modul és szolár panel kifejezéseket is alkalmazzák. Rendszerint 60 vagy 72 elemet kapcsolnak sorozatba, hogy kell?képpen magas feszültséget érjenek el. A sorozatgyártott fotovoltaikus modulok esetében a végs? hatékonyság max. 18% körül mozog a monokristályos mmodulok esetében, a multikristályos moduloknál pedig ez a mutató körülbelül 16%. Ez a hatékonyság a modul teljes felületére számított, beleértve a széleket és a keretet is.
A sávos Si kristályos anyagok lényegében a multikristályosak speciális esetei, ahol az olvadékból multikristályos sávot húznak, amelyet tovább már csak vertikálisan osztanak az egyes elemekre, és ennek köszönhet?en lényegesen kisebbek az átvágással keletkez? veszteségek. Manapság már csak nagyon ritkán használatosak.
3. 1. 2. További kristályos elemek és modulok
A szilíciumos elemeken kívül vannak más anyagból készült elemek is, amelyeket azonban nagy áruk miatt csak speciális célokra használnak, pl. ?rkutatási alkalmazásokhoz (InP, GaAs) vagy koncentrátoros rendszerekhez.
3. 1. 3. Vékonyréteg? elemek és modulok
Anyagtakarékossági (és ily módon költségtakarékossági) okokból vékonyréteg? fotovoltaikus modulokat is kifejlesztettek. Ezeknak a moduloknak – szemben a klasszikus kristályos modulokkal – ugyan kisebb a konverziós hatékonysága, ám azt viszonylag kisebb ár ellensúlyozza (a gyártás anyagfelhasználási és zömmel technológiai szempontból is kevésvé igényes), de kissé a sugárzás alacsonyabb szintjeinél tapasztalható, némileg jobb tulajdonságok is. Manapság ezek alacsony ára eléggé vitatott, mert a fotovoltaika világszerte végbemen? gyors fejl?désének köszönhet?en olyan jelent?s költségcsökkenés következett be a hagyományos Si kristályos modulok gyártása terén, hogy a vékonyréteg? modulok csak nagyon nehezen vehetik fel velük a versenyt.
A kristályos modulokkal ellentétben – tulajdonságaiknak köszönhet?en – diffúz sugárzásnál nagyobb éves hozamokat érnek el, tehát használatuk a magyarországi feltételek közepette mindenütt megfelel?, ahol nincs a telepítési felülettel kapcsolatos korlátozás. Másrészt – tekintettel kisebb hatékonyságukra – nagyobb felület szükséges, s ezáltal növekednek a BOS („balance of system“ – szerkezet, felhasználandó anyagok, kábelek, váltóirányítók…) költségei. A c-Si modulok jelenlegi alacsony ára mellett tehát az egész fotovoltaikus rendszer ára nagyobb lehet. Egyfajta el?nyt jelent annak a lehet?sége, hogy többfajta szubsztrátumra vihet?k fel, ami például lehet?vé teszi rugalmas fotovolatikus modulok el?állítását. A gyártás során a rétegeket a leend? modul teljes felületén felviszik a hordozó szubsztrátumra, és az elemeket vájatokkal (a leggyakrabban lézerrel) képezik ki. Megfelel? vájatok készítése esetén az elemek közvetlenül az elvárt sorozatos-párhuzamos kombinációban vannak összekötve, anélkül, hogy forrasztásra lenne szükség. A moduloknál oxidréteg felvitelével végzik el a kontaktálást, nagy szélesség? tiltott sávval, amely áttekinthet? vezet? elektródként (TCO) funkcionál. A modulok az elemek alakjának köszönhet?en rendszerint vékony, hosszú sávok, amelyek a hagyományos kristályos moduloknál kevésbé érzékenyek az árnyékolásra (ha nincs árnyékolva az egész sáv). Az anyag szempontjából a következ? felosztás lehetséges:
– CuInSe2 (CIS); Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) és CuGaSe2 (CGS) modulok,
– CdTe modulok,
– modulok amorf és mikromorf szilíciumból,
– egyéb vékonyréteg? elemek:
többszörös átmenet?,
nanostruktúrát kihasználó elemek,
szerves anyagok.
3. 2. A fotovoltaikus elemek és modulok paraméterei
Tekintettel arra, hogy a fotovoltaikus elemek lényegében nagy felület? diódák, viselkedésük is leírható a félvezet?s technikából ismert képletekkel. A p-n átmenetet leszámítva még szükséges figyelembe venni a soros kapcsolás R_S ellenállását, amely a kontaktok és a rétegek ellenállását jelenti, valamint a párhuzamos kapcsolás R_SH ellenállását, amely viszont az elemeken belüli hibákból (pl. kis rövidzárlatok) fakad. Ily módon más ábrát kapunk a fotovoltaikus elemre vonatkozóan [1]:
Ily módon a matematikai leírásnál is kiindulhatunk a helyettesít? ábrából [1]:
A leírt kétdiódás modellt gyakran az ún. egydiódás modell formájára egyszer?sítik le, elhanyagolva az áram generáló-rekombinációs elemének hatását. Az I_01 áramot így szaturációs áramnak is szokás nevezni. A képlet (3) egyben az elem alapvet? voltampéres jellemz?it (VACH) is leírja, ami alapján megállapíthatók a fotovoltaikus elemek alapvet? paraméterei [1], miközben az ellenállásokat mint az érint?k iránytényez?it a V_OC üresjárási feszültség és az I_SC rövidzárlati áram pontjaiban úgy, amint az ki van jelölve:
Az egyes fotovoltaikus elemek munkafeszültsége kisebb mint 1,5 V (a kristályos szilícium esetében 0,5 V közti), és az árams?r?sége néhány tíz mA/cm2 (a kristályos Si ? 35 mA/cm2). Ezen oknál fogva az egyes elemeket szükséges sorozatba, funkcionális blokkokba – modulokba – kapcsolni, amint az a 3. számú ábrán látható. Egyszer?sített közelítésmód alapján, amely a 3 b) ábrán látható, a modul a soros kapcsolás RS´ ellenállásának és a párhuzamos kapcsolás RSH ellenállásának egyetlen értékével jellemezhet?. A modul voltampéres jellemzésének (n sorozatba kapcsolt elem) – feltételezve, hogy az egyes elemeknek egyformák a paraméterei – ezzel analóg a formája: (3):
4. Befejezés
A cikk a fotovoltaikus elemek és modulok m?ködésének alapelveit írja le. Az egyes fotovoltaikus modulok paramétereinek és bekötésének ismerete a fotovoltaikus rendszerek helyes tervezésének, monitoringjának és karbantartásának, valamint a rendszerek diagnosztizálásának is alapfeltétele. Következ? írássunkban ezeket a rendszereket ismertetjük, és figyelmet szentelünk azoknak az eszközöknek is, amelyek a tervezés során igénybe vehet?k.
Hivatkozott irodalom
Gray, Jeffery L. The Physics of the Solar Cell. A. Luque a S. Hegedus. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Chichester : John Wiley & Sons, Ltd., 2003, 3.
Mohr, Peter J., Taylor, Barry N. a Newell, David B. CODATA recommended values of the fundamental physical constants. REVIEWS OF MODERN PHYSICS. 2008. április–május, 80, s. 633–730.
1) A standard szerint a feszültséget (mennyiség értelemben) U bet?vel kellene jelölni, de a kiadványok többsége (f?ként a külföldiek) a feszültség jelölésére a V bet?t használja az angol Voltage kifejezés alapján.
B?vebben: napenergiainfo.hu
Forrás: napenergiainfo.hu
