SVEUILITE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RA UNARSTVA

SEMINAR

Paneli sun anih elija

Ivan Debelec

Marko Vrani ar

Zagreb, sijeanj, 2013.

2

Sadraj

1. Uvod .................................................................................................................... 3

2. Fizikalne osnove.................................................................................................. 5

2.1. PN spoj dioda............................................................................................ 5

2.2. Fotonaponski efekt ....................................................................................... 5

2.3. Princip rada sunane elije .......................................................................... 6

3. Paneli sunanih elija .......................................................................................... 8

3.1. Opis i usporedba materijala za izradu sunanih elija.................................. 8

3.2. Postupak proizvodnje solarnih elija .......................................................... 10

3.3. Primjena solarnih elija .............................................................................. 12

4. Solarni fotonaponski sustavi.............................................................................. 14

4.1. Samostalni fotonaponski sustavi ................................................................ 15

4.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu.......... 16

5. Zakljuak ........................................................................................................... 18

6. Literatura ........................................................................................................... 19

3

1. Uvod

U dananje vrijeme sve vie se tei ekolokoj proizvodnji energije iz

obnovljivih izvora energije. Na taj nain uvelike se smanjuje proizvodnja staklenikih

plinova te su upravo zbog te injenice lanice Europske unije zacrtale veoma

ambiciozan plan da se 8,5% energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije u

2005. godini povea na 20% do 2020. godine. Ova inicijativa Europske unije na

podruju obnovljivih izvora daje vie od 350 000 radnih mjesta s godinjim prometom

od preko 30 milijardi eura. Upravo zbog tih injenica Europska unija je svjetski lider u

podruju razvoja, upotrebe i instalacije tehnologija za iskoritavanje obnovljivih izvora

energije.

Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se dobivaju iz prirode te se

mogu obnavljati. Najee se koriste energija sunca, vjetra i vode. Veina tehnologije

obnovljivih izvora energije se na direktan ili indirektan nain napaja iz Sunca.

Uzmemo li u obzir da Sunce samo u jednoj sekundi oslobodi vie energije nego to je

naa civilizacija tijekom svojeg razvoja iskoristila, vanost istraivanja energije Sunca

i pretvorbe energije suneva zraenja u korisne oblike energije poprima sasvim novu

dimenziju s velikom mogunou rjeavanja problema energetske krize, koja je u

svijetu sve prisutnija. Zanimljivo je da se tek tisuitim dijelom energije, koja dolazi do

tla, koriste biljke u procesu fotosinteze za nastajanje biomase, a ovjeanstvo se

uglavnom koristi energijom koju su biljke skupljale milijunima godina i to kroz

eksploataciju nafte, ugljena ili prirodnog plina. Neznatan dio energije suneva

zraenja uzrokuje nastajanje valova i vodenih strujanja u morima i oceanima te

stvaranje vjetra i zranih strujanja u atmosferi, a takoer i zanemariv dio slui u

fotosintezi za proizvodnju biomase. Udio suneve energije na kopnenoj povrini

iznosi samo jednu petinu, a ostatak suneve energije apsorbiraju mora i oceani. Zbog

toga kaemo da su svi izvori energije, osobito obnovljivi, samo razliite pretvorbe i

oblici energije suneva zraenja.

Slika 1. zorno pokazuje prirodni potencijal energije suneva zraenja. To je velika

uta kocka, koja je 50 puta vea od zbroja svih zaliha fosilnih i nuklearnih goriva.

Trenutano je tehniki potencijal energije suneva zraenja jo uvijek vei od

svjetske potronje energije, koja je prikazana malom plavom kockicom.

4

Slika 1. Godinje sunevo zraenje na povrini zemlje u usporedbi s godinjom potronjom energije u svijetu te svjetskim zalihama fosilnih i nuklearnih goriva

Snaga sunevog zraenja iznosi oko 3,81023 kW, odnosno 3,31027 kWh/god., od

ega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim kutom od 32', odnosno 0,53.

Do vrha Zemljine atmosfere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj.

oko 1,751014kW ili 1,531018kWh/god. Ta snaga prelazi vie od 100 000 puta snagu

svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je koliina energije

od suneva zraenja. Manje od jednog sunanog sata dovoljno je da pokrije

cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji ive na ovom planetu.

Unato tome da se oko 30 % energije suneva zraenja reflektira natrag u svemir,

jo uvijek Zemlja od Sunca godinje dobiva oko 1,071018 kWh energije, to je

nekoliko tisua puta vie nego to iznosi ukupna godinja potronja energije iz svih

primarnih izvora.

5

2. Fizikalne osnove

2.1. PN spoj dioda

Sunana je elija u biti PN-spoj (poluvodika dioda). PN-spoj nastaje kada se

jednom dijelu kristala istog poluvodia dodaju trovalentne (akceptorske) primjese,

tako da nastane p-tip poluvodia, a drugom dijelu peterovalentne (donorske)

primjese, te nastaje n-tip poluvodia. Na granici izmeu tih dvaju podruja (PN-spoj),

kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija elektrona iz n-podruja

prema p-podruju i upljina iz p-podruja prema n-podruju. Bitno je svojstvo PN-

spoja njegovo ispravljako djelovanje, tj. lake vodi struju kad je p-podruje pozitivno,

a n-negativno. Tada je napon u propusnom smjeru, a suprotno tome je napon u

zapornom smjeru. Dakle, PN-spoj radi kao dioda, i proputa struju samo u jednom

smjeru. Ako se na PN-spoj prikljui izvor vanjskog napona u propusnom smjeru, tako

da je pozitivan pol na p-strani a negativan na n-strani, protekne struja elektrona iz n-

podruja prema p-podruju i upljina iz p-podruja prema n-podruju.

2.2. Fotonaponski efekt

Godine 1839. Edmond Becquerel (1820.-1891.) otkriva fotonaponski efekt. On

je to opisao kao proizvodnju elektrine struje kada se dvije ploe platine ili zlata

urone u kiselu, neutralnu ili lunatu otopinu te izloe na nejednolik nain sunevu

zraenju. Fotoelektrini uinak ili fotoefekt je fizikalna pojava kod koje djelovanjem

elektromagnetskog zraenja dovoljno kratke valne duljine (npr. Vidljivi ili UV dio

spektra) dolazi do izbijanja elektrona iz obasjanog metala. Upravo na taj nain dolazi

do stvaranja vika elektrona i kroz zatvoreni krug poinju tei struja. Zraenje valnom

duljinom veom od granine ne izbija elektrone jer elektroni ne mogu dobiti dovoljno

energije za raskidanje veze s atomom.

6

2.3. Princip rada sun ane elije

U silicijevoj su solarnoj eliji, prikazanoj na slici 2, na povrini ploice P-tipa silicija

difundirane primjese (npr. Fosfor), tako da na tankom povrinskom sloju nastane

podruje N-tipa poluvodia. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz

suneva zraenja, na prednjoj povrini elije nalazi se metalna reetka koja ne

pokriva vie od 5% povrine, tako da gotovo ne utjee na apsorpciju suneva

zraenja. Stranja strana elije prekrivena je metalnim kontaktom. Da bi se poveala

djelotvornost elije, prednja povrina elije moe biti prekrivena prozirnim

proturefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju suneve svjetlosti. Kada se solarna

elija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon. Tako

solarna elija postaje poluvodika dioda, tj. PN-spoj, i ponaa se kao ispravljaki

ureaj koji proputa struju samo u jednom smjeru.

Slika 2. Silicijeva solarna elija

Kada se solarna elija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove

elektron-upljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se

rekombinira. Meutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutranje

elektrino polje, koje postoji u osiromaenom podruju, odvaja nastali elektron i

upljinu. Elektron se giba prema N-strani, a upljina prema P-strani. Zbog skupljanja

elektrona i upljina na odgovarajuim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave

7

elektromotorne sile na krajevima solarne elije. Kada se solarna elija osvijetli,

kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti elije

spojeni s vanjskim troilom, kao to je prikazano na slici 3., protei e elektrina

struja, a solarna elija postaje izvorom elektrine energije.

Slika 3. Solarna elija kao izvor elektrine energije

8

3. Paneli sun anih elija

3.1. Opis i usporedba materijala za izradu sun anih elija

Kristali su vrsta tijela sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se

ponavlja njihov trodimenzionalni raspored s pravilnom meusobnom udaljenou

tvorei tzv. kristalnu reetku. Kristali sa savreno pravilnom reetkom idealizacija su,

dok je u realnoj kristalnoj reetki geometrijska pravilnost naruena raznim utjecajima

(npr. toplinskim, klizanjem i sl.). Promjena strukture utjee na mehanika, toplinska,

elektrina i magnetska svojstva kristala. Materijali vani za izradu fot