Solarne komponente i sistemimikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/SKIS_Lec01_Uvod... · 2019-11-21 · Istorijski pregled Hoffman Electronic, u to vreme vodeća kompanija u ovoj

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 1

2019/20.

Solarne komponente i sistemi

VII semestar – 2+1+2 – 6 kreditaModul E – 2OEE7O02

Modul US – 2OEU7A05 Modul EKM – OEM7O04

Prof.dr Dragan Pantić, kabinet 337, [email protected]. dr Dragan Mančić, kabinet 106, [email protected]

Dr Sanja Aleksić, kabinet 347, [email protected]. inž. Igor Jovanović, kabinet M2-4, [email protected]

mailto:[email protected]




Osnovne informacije o predmetu

Naziv predmeta:SOLARNE KOMPONENTE I SISTEMI (SKIS)

Nastavnici:Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337 [email protected]. dr Dragan Mančić, kabinet M2-4 [email protected]

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 3

Modul S Šifra predmeta

Fond časova

Elektronske komponente i mikrosistemi

VII 2OEM7A04 2+1+2

Elektronika VII 2OEE7O02 2+1+2

Upravljanje sistemima VII 2OEU7A05 2+1+2




Preduslovi:Fizika, Elektronske komponente, Osnovi elektronike

Literatura:◦ D. Pantić, B. Pešić, S. Ristić, Z. Prijić, T. Pešić, A. Prijić, Projektovanje fotonaponskih

sistema, Studija, Elektronski fakultet u Nišu, 2004. ◦ Solar Cells, Miro Zeman, Delft University of Technology, ◦ Planning and Installing Photovoltaic Systems - A guide for installers, architects and

engineers, second edition◦ R.P. Mukund, Wind and Solar Power Systems, CRC Press, New York, 1999.◦ Internet

Metode izvođenja nastave:Predavanja, konsultacije, računske vežbe, lab vežbe uz korišćenje računara.

Mesto izvođenja nastave:Predavanja i vežbe se organizuju u učionici 131 ili u TCAD laboratoriji (233) u sredu od 1015

sati.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 4


11/21/2019 SKIS - 2019/20. 5

Polaganje ispita

Kao domaći zadatak sudenti dobijaju po nekoliko problema iz odabranih oblasti. Student samostalno uređen domaći zadatak dostavlja predmetnom nastavniku ili asistentu u dogovorenom roku.

U toku semestra grupa studenata dobija seminarski rad/timski projekat koji treba da realizuje do kraja semestra.

Problem – GLOBALNO ZAGREVANJE!!!

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 6


11/21/2019 SKIS - 2019/20. 7


11/21/2019 SKIS - 2019/20. 8

REŠENJE

Fosilna goriva Obnovljivi izvori

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 9

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 10

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 11

Poredjenje

Neobnovljivi izvori energije◦ Ugalj

◦ Nafta

◦ Gas

◦ Nuklearno gorivo

◦ ...

Obnovljivi izvori energije◦ Solarna energija

◦ Energija vetra

◦ Geotermalna energija

◦ Hidroenergija

◦ Biomasa

◦ Energija talasa

◦ Energija plime i oseke

◦ Gorive ćelije

◦ ...

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 12

80%

20%

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 13

Istorijski pregled – solarna energija

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 14

Istorijski pregled

Prvi pisani tragovi o nekakvoj primeni solarne energije potiču od Sokrata (pisao o primeni solarne energije u gradjevini –pasivno solarno grejanje)

Xenophon, Memorabila, E. C. Marchant, Ed., Harvard University Press, 1923

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 15

Socrates (470-399 B.C.)

Xenophon (430-354 B.C.)

Istorijski pregled

Odbrana Syracuse 214 B.C.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 16

Arcimedes (287-212 B.C.)

Istorijski pregled

Praktična primena u periodu od I do IV veka n.e. u rimskim kupatilima koja su imala velike prozore kako bi se sunčanim danima što bolje zagrevala.

Slede istraživanja i projektovanje sistema za paljenje vatre – kombinacije ogledala i sočiva

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 17

Istorijski pregled

Francuski fizičar Bernard Forest de Belidor dao nacrt i opisao rad solarne vodene pumpe

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 18

B. Forest de Belidor (1698-1761.)

Istorijski pregled

1767. godine švajcarski naučnik Horace de Saussureje napravio prvi primitivni solarni kolektor (solarna pećnica – iznad 100oC) koji je koristio za spremanje hrane tokom ekspedicije po Južnoafričkoj Republici.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 19

Istorijski pregled

1839. francuski naučnik Edmond Becquerel je uočio se električna energija može dobiti kada se na neke hemijske rastvore usmeri snop svetlosti.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 20

Istorijski pregled

1871. godine John Ericsson je odredio vrednost solarne konstante koristeći svoj solarni kalorimetar

7.11 jedinica (Btu) po kvadratnom fitu što je 1332kW/m2

S0=1366kW/m2

Greška manja od 2.5%

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 21

Jon Ericsson (1803-1889.)

Istorijski pregled

1873. godine Willoughby Smithotkriva efekat fotoprovodnosti kod selena.

1877. Adams i Dayotkrivaju fotoefekat kod selena.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 22

Istorijski pregled

1878. Augustin Mouchot predstavio solarni generator na Svetskoj izložbi (Universal Exhibition) u Parizu

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 23

Istorijski pregled

1881. Edward Morse patentirao sistem za zagrevanje i provetravanje prostorija korišćenjem solarne energije.

US 246626 broj patenta

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 24

Istorijski pregled

Američki naučnik Charrles Fritts1883. godine daje opis prve solarne ćelije koja je proizvedena na pločici selena sa tankim slojem zlata.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 25

Istorijski pregled

1987. Heinrich Hertz ispitivao fotoprovodnost pri čemu otkriva fotoelektrični efekat.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 26

Istorijski pregled

1988. Edward Weston registruje patent solarne ćelije (US389125 Solar cell)

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 27

Istorijski pregled

1988-91. Aleksander Stoletov proizveo prvu solarnu ćeliju koja se bazira na istraživanjima spoljašnjeg fotoelektričnog efekta

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 28

Istorijski pregled

Clarens Kemp1891. godine patentira prvi komercijalni solarni kolektor za zagrevanje vode.

(US451384 broj patenta)

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 29

Istorijski pregled

Ekspanzija solarne tehnologije u XX veku!!!

1901. Philipp vonLenard primetio varijacije u energiji elektrona sa promenom frekvencije svetlosti.

1904. godine Wilhelm Hallwachs je otkrio da kombinacija bakra i bakar-oksida pokazuje foto-osetljive karakteristike.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 30

Istorijski pregled

1905. godine Albert Einstein publikovao rad o fotoelektričnomefektu – Nobelova nagrada 1921.

1916. godine Robert Millikan jeeksperimentalno potvrdio fotoelektričniefekat – Nobelova nagrada 1923.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 31

Istorijski pregled

1918. godine poljski naučnik Jan Czochralskipredlaže metodu za dobijanje monokristalnog silicijuma.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 32

Istorijski pregled

Godine 1932. Audobert i Storaotkrivaju fotonaponski efekat kod kadmijum sulfida (CdS)

1941. godine Russel Ohl dobija patent US2402662 Light sensitive device.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 33

Istorijski pregled

1953. godine Dan Trivich saWayna State University je uradio teorijske proračune efikasnosti za materijale sa različitim širinama zabranjene zone u funkciji spektra sunčevog zračenja.

25. april 1954. se smatra rođenjem fotonaponske tehnologije. U Bell lab. naučnici Daryl Chapin, CalcinFuller i Gerald Pearson su razvili Si fotonaponsku (PV) ćeliju koja je konvertovala dovoljno solarne energije da napaja neke električne uređaje. Njena efikasnost je bila 6%.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 34

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 35

Istorijski pregled

1955. WesternElectric licencira komercijalne tehnologije za proizvodnju solarnih ćelija. HoffmanElectronic –SemiconductorDivision proizvodi komercijalnu solarnu ćeliju čija je efikasnost 2%

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 36

Istorijski pregled

1957. kompanija Hoffman Electronicsproizvodi PV ćeliju čija je efikasnost 8%

1958. T. Mandelkornproizvodi Si n-on-p PVćeliju koja je otpornija na radijaciju.

Satelit Vanguard I 1958. godine koristi mali PV modul (1W), a kasnije sateliti Explorer III, Vanguard II iSputnik-3 koriste slične ali snažnije module.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 37

Istorijski pregled

Hoffman Electronic, u to vreme vodeća kompanija u ovoj oblasti 1959. godine komercijalnu PV ćeliju efikasnosti 10%, a već sledeće godine efikasnost je porasla na 14%.

Bell Telephone Labs 1962. godine lansira svoj prvitelekomunikacioni satelitTelstarsa PV modulom snage 14W.

Godine 1963. Sharp Corporation, danas najveći proizvođačsolarnih ćelija, počinje saproizvodnjom PV modula, a većsledeće godine u Japanu se instalira tada najveći PV modulsnage 242W koji služi zaosvetljenje objekata.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 38

Istorijski pregled

1964. knjiga Direct Use of the Sun`s Energy, Farrington Daniel.

1967. lansiran Soyuz 1 prvi svemirski brod sa ljudskom posadom koji je napajan solarnom energijom

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 39

Istorijski pregled

1970. proizvedena prva visokoefikasnaheterospojna GaAssolarna ćelija –Zhores Alferof, SSSR.

1973. NASA lansira svemirsku stanicu Skylab koja se napaja solarnom energijom.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 40

Istorijski pregled

1974. J. Baldwin pravi prvu zgradu na svetu u New Mwxico, koja se greje i napaja energijom koja je dobijena korišćenjem solarne energije i energije vetra.

1976. proizvedena prva solarna ćelija na amorfnom silicijumu čija je efikasnost bila 1.1%.

1977. godine proizvodnja solarnih ćelija prelazi granicu od 500kW.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 41

Istorijski pregled

1978. prvi solarni kalkulator.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 42

Istorijski pregled

1981. godine Paul MacCready izradio prvi solarni avion (Solar Challenger), kojim je preleteo Lamanš. Avion je na krilima imao preko16,000 solarnih ćelija koje su proizvodile 3kW snage.

1982. godine australijanac Hans Tholstrup vozio je prvi solarni automobil (Quiet Achiever) skoro 2,800 milja između Sidneja i Perta 20 dana, što je bilo 10 dana brže od automobila na gas.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 43

Istorijski pregled

1980. godine razvijena prva tankoslojna solarna ćelija (thin-film SC) efikasnosti oko 10% korišćenjem Cu2S/CdS tehnologije.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 44

Istorijski pregled

1983. godine proizvodnja solarnih ćelija prelazi granicu od 20MW – tržište je oko 250 miliona $.

1984. godine prvi put napravljen BI-PV (Building-Integrated Photovoltaic) na krovu Intercultural Center of Georgetown Universitz snage 300kW. Ovaj sistem je 2004. godine, posle 20 godina, davao oko 1MWh električne energije dnevno.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 45

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 46

Istorijski pregled

1985. godine na univerzitetu New South Wales je probijena granica od 20%efikasnosti za Si u uslovima 1-sun.

1992. godine na univerzitetu South Florida razvijena thin-film PV solarna ćelija efikasnosti 15.9%, čime je probijena granica od 15% za ovu tehnologiju.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 47

Istorijski pregled

1990. proizvedena prva CdTe solarna ćelija

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 48

Istorijski pregled

1994. godine The National Renewable Energy Laboratory razvija solarnu ćeliju sa koncentratorom (180 sun) na bazi GaInP/GaAs – prvu solarnu ćeliju koja je imala efikasnost preko 30%

1998. godine SubhenduGuha, naučnik poznat po pionirskom radu na amorfnim Si solarnim ćelijama je patentirao fleksibilan solarni crep pogodan za pokrivanje kuća.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 49

Istorijski pregled

1999. godine The National Renewable Energy Laboratory postavlja novi rekord što se tiče efikasnosti thin-film PV solarnih ćelija. Merenja su dala efikasnost od 18.8%.

1999. godine instalirana snaga PV sistema u celom svetu je premašila 1000MW.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 50

Istorijski pregled

2008. novi rekord u efikasnosti solarne ćelije – 40.8%.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 51

Istorijski pregled

2012 – napravljena najveća solarna energana na svetu u Kini (Golmud Solar Park) instaliranog kapaciteta od 200MW

Ovaj rekord nadmašuje solarna farma u Indiji (Gujarat Solar Park) sa instaliranom snagom od oko 860MW na 2.000 hektara (31. mart 2013)

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 52

Istorijski pregled

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 53

Grafen solarne ćelije – 15.6% (Oxford University) – prethodno 8.6%

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 54

1.2kW, mono-Si solarne ćelije

Efikasnost 24%

330 ćelija

Istorijski pregled – decembar 2019.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 55

Alta Devices - Hanergy

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 56

OPV – novi rekord, 17.3% - avgust 2018.

Istorijski pregled – 6. jul 2019.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 57

Toyota

Istorijski pregled – 8. jul 2019.

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 58

Istorijski pregled – 2019.

Naučnici (University of Tokyo) su otkrili novi materijal

Kada se formira u obliku nanocevi (nantube) generiše električnu struju kada se osvetli

tungsten disulfid

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 59

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 60

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 61

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 62

Izgled solarne ćelije11/21/2019 SKIS - 2019/20. 63

Struktura solarne ćelije11/21/2019 SKIS - 2019/20. 64




Tandem solarna ćelija11/21/2019 SKIS - 2019/20. 68



Struktura solarne ćelije - CNT11/21/2019 SKIS - 2019/20. 71

PVGU –Photovoltaic Glass Unit11/21/2019 SKIS - 2019/20. 72

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 73

Solarni paneli11/21/2019 SKIS - 2019/20. 74

Solarni panel - presek11/21/2019 SKIS - 2019/20. 75

Cene PV sistema u $/W11/21/2019 SKIS - 2019/20. 76

Stambeni objektiKomercijalni objekti

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 77

Cena solarni ćelija pada 20% sa dupliranjem kapaciteta

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 78

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 79

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 80

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 81

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 82

Korišćenje solarne energije u budućnosti11/21/2019 SKIS - 2019/20. 83

Neophodni uslovi za ispunjenje postavljenih ciljeva

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 84

Najveće svetske kompanije11/21/2019 SKIS - 2019/20. 85

Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 86

Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 87

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 88

Kako solarna ćelija radi?Posle prolaska kroz opterećenje elektron se sreće sa šupljinom i kolo se zatvara

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 89

Kako solarna ćelija radi?Verovatnoća “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 90

Kako solarna ćelija radi?Generisana struja zavisi od generacije nosilaca i verovatnoće “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 91

• G(x) – brzina generacije• CP(x) – verovatnoća prikupljanja nosilaca• q – naelektrisanje elektrona• W – debljina komponente• a(l) – koeficijent apsorpcije• H0 – broj fotona na određenoj talasnoj dužini

Kako solarna ćelija radi?Kvantna efikasnost (Q.E.) prestavlja odnos prikupljenih naelektisanja i ukupnog broja fotona

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 92

Kako solarna ćelija radi?Spektralni odziv predstavlja odnos generisane struje i incidentne snage koja dolazi na SC

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 93

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 94

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše snagu

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 95

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 96

Kako solarna ćelija radi?Struja kratkog spoja - ISC

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 97

• q – naelektrisanje elektrona• G – brzina generacije• Ln – difuziona dužina elektrona• Lp – difuziona dužina šupljina

Zavisi od:• površine SC• broja fotona• spektra incidentne svetlosti• optičkih osobina materijala

(apsorpcija i refleksija)• verovatnoće prikupljanja nosilaca

Kako solarna ćelija radi?Napon kratkog spoja - VOC

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 98

Kako solarna ćelija radi?Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 99

Empirijski izraz:

Kako solarna ćelija radi?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 100

11/21/2019 SKIS - 2019/20. 101

Documents

Solarne komponente i sistemimikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/SKIS_Lec01_Uvod... · 2019-11-21 · Istorijski pregled Hoffman Electronic, u to vreme vodeća kompanija u ovoj