Kapitel 2 Solceller. Solen

Transkript

1 Kapitel 2 Solceller Solceller-kapitel 02.w pd Solen Strålingen, der udgår fra et varmt legeme, er afhængig af overfladetemperaturen, og solens overflade (figur 1) er omkring 5800 K, hvor K er enheden for kelvin-temperaturen. Udstrålingens bølgelængder måles i enheden nanometer, enheden s stø rr else frem går af T abel I. Enhed (forkortelse) Størrelse 1 millimeter (mm) 1/1000 meter 1 micrometer (um) 1/1000 millimeter 1 nanometer (nm) 1/1000 micrometer Tabel I: Vigtige længdeenheder i arbejdet med indstråling og solceller. Figur 1: Solens energi er grundlaget for alt liv på jorden. Da jorden er ca. 150 million er kilom eter fra solen, er det kun en lille brøkdel af solens udstrålingsnergi, der når os. Når du nyder en solskinsdag i Danm ark, kan du, selv om du luk ker øjnene, føle, hvor solen står på himlen. Du m ærk er solens indstråling på huden. Strålingsenergien består af ultraviolet, synlig og nær infrarød stråling. Figur 3: Solens indstråling lige udenfor jordens atm o sfæ r e (lu ftm asse n u l: e n g. a ir m ass zero ). Indstrålingskurven fra solen (målt ude i rummet) ser ud som vist i figur 3. Læg mærke til, at udstrålingen har et maksimum ved omkr ing 500 nan ometer. Efter at indstrålingen er passeret jordens atm osfære, er der fjernet Figur 2: Solen s udstråling, der når frem til jordens overflade, består af ultraviolet, synlig og infrarød stråling i om rådet fra 280 til 3000 nanom eter. Energi og solc eller Kapitel 2 - Solceller

2 Figur 4: Absorption og spredning i atmosfæren æ ndrer solens spektrum. Især ilt, vanddam p, ozon og kuldioxid påvirker lyset ved absorption, og de korteste bølgelængder (UV og blåt) spredes ved Rayleigh spredning. dele af strålingen på grund af luftarterne, som strålingen skal igennem, dels ved absorption og dels ved spredning. For eksempel absorberer ilt og ozon en del af de korteste bølger, kaldet den ultrav iolette ( UV) stråling. De korteste bølgelængder (U V og blå stråling) spredes mest af luftens molekyler. Figur 4 viser, hvordan solens indstrålingsspektr um ser ud, efter at strålingen har passeret jordens atm osfære. Når man arbejder med solstråling og solceller, skal man især være opmæ rksom på følgende områder af solens i ndstråli ngsspektrum: Jordens omdrejningsakse hælder ca. 23,4 0 i forhold til baneplanen for jordens bane omkring solen. Dette giver variationer i dagens længde og solen elevationsvinkel i årets løb. Årstidsvariationerne er m est markant for de højer e breddegradstal. I Danm ark bety der dette, at solens m aksimale elevationsvink el er omk ring 57 0 ved sommersolhverv (21. juni) men k un ca ved vin tersolhverv (21. december). Figur 5 viser solens bane på himlen ved forskellige årstider i Danmark. St rålin gsområder og bølgelæn gder Ultraviolet (UV) nm Besk riv else Inddeles i UVA, UVB og UVC Synligt lys nm Nær t infr arødt (NIR) nm Øjet er mest fø l- somt ved 550 nm Trænger godt gennem atmosfæren Tabel II: Vigtige strålingsom råder af solens indstråling v ed jordens overflade. Figur 5: Solens elevationsvinkel ved m iddagstid i Dan m ark svinge r fr a ca v ed jule tid til c a ved m idsom m er. Belysningsforhold for et solcelleanlæg er altså meget variabel. Energi og solc eller Kapitel 2 - Solceller

3 Figur 6: Daglængden v ises for forskellige breddegradstal året igennem. Danm ark lig ge r o m krin g 56 0 N. Bem ærk, at daglængden er 12 timer ov er alt på jorden, dels ved forårsjævndøgn, og dels ved efterårsjævndøgn. Som det frem går af figur 5, æ ndres dagens længde - perioden, hvor solen er over horisonten - i løbet af året. I Danmark er daglængden kun ca. 6 timer ved vintersolhverv og 18 timer ved sommersolhverv. Figur 6 giver et overblik over dagens længde andre steder på jorden året igennem. Når solens indstråling når frem til jordens overflade på en solrig sommerdag i Danmark, er der tale om ca watt for hvert kvadratmeter vink elret på solens stråler. Ca. 90% af indstr åli ngen sv arer t il solens direkte stråler, mens de resterende 10% er diffus stråling fra him len, sky er og omgivelserne. O pgav e 1: Aflæs figur 6, og svar på følgende spørgsmål: a) Hvor på jorden er daglængden netop 12 tim er, hver dag året igennem? b) Beskriv daglængdens variation på polarcirklen (Arctic Circle). Hvad sker der på polarcirklen ved sommersolhverv? c) Du skal på vinterferie sydpå, hvor breddegradstallet er 25 0 N. H vor man ge tim ers dagslys kan du regne med midt i februar? d) Du sk al p å en som merr ejse til Tromsø (70 0 N). I hvor m ange måneder k an den evige sol opl eves? Figur 7: Den globale indstråling består, dels af direkte indstråling, og dels af diffus indstråling. Energi og solc eller Kapitel 2 - Solceller

4 Sollysets energi Solens lys er elektrom agnetisk stråling, hvor strålingens bølgelængde L måles, som vi har set i forrige afsnit, i nanom eter. Ly set udbr e- der sig med en fart C på kilometer i sekundet i rummet - en anelse mindre i atmosfærisk luft. Svingningsfrekvensen af lysbølgerne b etegnes F og måles i svingninger i sekundet. Sammenhængen er: F skal multipliceres med Plancks konstant h, og vi finder en fotonenergi på: E P = 3,613 E-19 joule Eksempel 1: Beregn svingn ingsfrekvensen F for gult ly s, der har en bølgelængde L = 550 nanometer. Ved indsættelse i formlen, sk al alle størrelser være i de rigtige enheder: meter, kilo og sekunder (MKS enheder). 550 nm svarer til 0, meter = 5,50 E-7 meter. Lysets hastighed C = k m/s = 3,0 E 8 m/s. Frekvensen F kan nu fin des: Figur 8: Lyset kan opfattes som en bølgeudbredelse, dog bestående af energibundter kaldet fotoner m ed energien h gange frekvensen. Nu er en energi på k un 3,613 E-19 joule en meget lille størrelse. A f denne gr und bru ger man ofte en anden energienhed, der betegnes elektronvolt (forkortet ev ). Én elektronvolt svarer til en energi på 1,602E-19 joule. Vort resu ltat fr a ek sempel 2 k an derfor også skri ves: altså en meget høj frekvens. Enheden H z kaldes hertz og svarer til antal svingn inger per sekun d (1 H z = 1/s). Ly set opfører sig, som om dets energi er samlet i bundter kaldet fotoner. Se figur 8. Det kan lade sig gøre at finde fotonenergien ved at multiplicere ly sets frekvens med en k onstant kaldet Plancks konstant: h = 6,63 E -34 jo ule sekun der Fotonernes energi i joule er: Eksempel 2: Hvad bliver fotonenergien for det gule lys omtalt i eksempel 1? Vi har allerede set, at lysets frekvens E P = 3,613 E-19 joule = 2,26 ev Fordi man i arbejdet med solceller og lys ofte bruger denne enhed, er det praktisk med følgende formel, der viser sammenhængen direkte mellem lysets bølgelængde i nanom eter og fotonenergien i elektron v olt: O pgav e 1: Benyt denne formel til at beregne fotonenergien i elek tronvolt for gult ly s (L = 550 nan om eter ). Bemæ rk, at m an finder samme resultat, men man slipper for først at finde frekvensen og bagefter at gange med Planck s konstant og at omregne til elektronvolt. F = 5,45 E 14 Hz Ener gi og solce ller Kapitel 2 - Solceller

5 Opgave 2: Anvend formlen på forrige side til at find fotonenergier i ev for bølgelængderne: a) L = 200 nm (dyb ultraviolet, UVC) b) L = 300 nm (UVB - der giver hudkræft) c) L = 400 nm (violet ly s) d) L = 2000 nm (næ r infr arødt ly s) Opgave 3: C harl es Fr itts solcellem odul bel y ses i fu ldt solskin (1000 watt per kvadratmeter). Forestil dig, at modulet fylder én kvadratmeter. Hvor man ge watt effekt, vil modulet kunne levere? Det var først efter opdagelsen af elektronen af James Thompson i 1897 og Albert Einsteins banebrydende forklaring på den fotoelektriske effekt i 1905, at det blev muligt at forstå de fysiske processer, der lå til grund for solcellens virkemåde. Det var dog ikke før 1960'erne og 1970'erne, at der kom virkelig fart i udviklingen på solcelleområdet. Figur 9: Det elektrom ag netiske spektr um. Lys ræ kker fra nm, heraf er om rådet fra ca. 400 til 700 n m syn ligt lys. Solceller Når fotoner ram mer overfladen af en solcelle, kan stråli ngsenergien om dan nes t il elektrisk energi. Fænomenet blev opdaget af den britiske videnskabsmand William Adams og hans elev Richard Day i 1870'erne, da de eksperimenterede med grundstoffet selen. Et par år senere lavede C harles Fritts i N ew York det første fotovoltaiske modul ved at belægge en kobberplade m ed selen overlagret m ed en ty nd guldhinde. Nyttevirk nin gen af den første solcelle var på omk ring 1%. Figur 10: Den første silicium solcelle blev lavet på Bell Labor ato ries i USA ca Figur 11: Solcellen består af to typer silicium: p- og n-type. Det følsom m e om råde er pn-overgangen m ellem de to lag. Ener gi og solce ller Kapitel 2 - Solceller

6 En silicium solcelle består af to forskellige typer silicium: p-type og n-type (se figur 11). P-type består af silicium, der normalt har fire elektroner i den y der ste sk al, tilsat små mængder bor, et stof med kun tre y dre elek - troner. N-type er tilsat fosfor, der har fem ydre elek troner. Når p- og n-type silicium fremstilles lige op ad h inanden, op står der et følsomt ov ergangsområde m ellem de to lag. N år ly s trænger ned i dette område, dannes der elektron-hul par, idet et hul er et sted i siliciummaterialet, hvor en elektron mangler. Elektron-hul parret udgør ladningsbærere i forskellige energiniveauer, og når cellen t ilsluttes et y dre k red s- løb, løber der en strøm fra cellen. Strømmen løber så læ nge cel len bel y ses, o g en ergien fra lysets fotoner omdannes hermed til nyttig elektrisk energi. M ed an dre or d går al indstråli ng, for ek s- empel fra solen, der har en bølgelængde, der er større end ca nanometer, til spilde. Det er blandt andet derfor, at silicium solceller aldrig får en ny ttevirk ning på over ca. 20%. Metalgitteret på forsiden og reflektion af lys fra overfladen samt rek ombination af ladningsbærere nedsætter også nyttevirknin gen. Desuden har de m eget korte bølgelængder (blåt ly s og ultraviolet) svært ved at trænge ned ti l pn-overgangen. En ty pisk silicium solcelle har en nyttevirkning på omk ring 12-14%. Opgave 4: Et solcellemodul består af silicium solceller, og modulet modtager en solindstråling på 1000 W /m 2. Modulet har et areal på 0,40 kvadratmeter. N yttevirk nin gen er 14% un der optimale betingelser. H vor man ge watt elek - tr isk energi kan man mak sim alt forv ente at få ud at dette modul? Figur 12: Til opsam ling af ladningsbærerne, skal der påsættes et m etalgitter på cellens forside, og en m etalelektrode på bagsiden. Antireflekslaget gør det lettere fo r lyset at træn ge ned til pnovergangen. For at der k an skabes et elek tron-hulpar i en silicium solcelle, skal fotonerne, der trænger ned i pn-overgangen, have en energi på mindst 1,15 elektronvolt. Ved at anvende formlen E(eV) = 1240/L(n m ) kan vi finde frem til den største bølgelæ ngde, der k an udnyttes af solcellen: Figur 13: Et solcellem odul, der kan levere ca. 50 watt i klart solskin er v ist. Ener gi og solce ller Kapitel 2 - Solceller

7 Moduler i drift Når solceller sammensættes i serie- og parallelforbindelse, kan man opnå højere spændinger og større strøm styrker. Cellerne skal indkapsles i en robust, vejrbestandig enh ed kaldet et modul, som vist i figur 13. U nder b ely sning opst år der en spændingsforskel på ca. 0,55 volt over en silicium solcelle. Sæ ttes 10 celler i serieforbindelse, bliver den samlede spænding til 5,5 volt. Dette gælder, når cellerne ikke leverer strøm - modulet siges at være ubelastet. Denne spæ nding betegnes U OC. Betegnelsen oc stamm er fra det engelsk e udtr yk open cir cuit - åbent kredsløb. En silicium solcelle på 10 x 10 cm kan i klart solsk in (1000 W /m 2 ) levere en strømstyrke på ca. 2,4 amper e, n år cellen kortsluttes. En ræk ke celler i serie vil kunne levere netop 2,4 ampere. Sk al der opnås større strøm styrk er, skal celler eller moduler parallelkobles. Denne kortslutningsstrøm (eng: short circuit cur ren t ) betegnes I SC. Mål kortslutningsstrømmen: Stiller man digitalvoltmetret på 10 ampere jævnstrømskalaen, virker den indre shunt som en kortslutning. Det er således ret ligetil at måle I SC. Tilslut det belyste solcellemodul 10 ampere indgangen. Kortslutningsstrømmen kan aflæses umiddelbart. N år et solcellemodu l tilsluttes en prak tisk opstilling, vil den aktuelle strøm-spænding kombination vær e afgørende for, hvor effektivt elektrisk energi overføres til forbruget (eller belastningen, som den også kaldes). Da fotovoltaisk solen ergi er ret dy rt, er det meget vigtigt, at k oblingen mellem solcellemodulet og belastningen er optimal. Figur 14 viser en opstilling, der muliggør, at man k an måle en hel rækk e sammenhørende værdier af strømsty rk e I og spænding U. Opgave 5: Betragt solcellemodulet i figur13. Modulet er samm ensat af 36 solceller på 10 x 10 cm i serieforbindelse. Hvad bliver U OC for dette modul? Hvad bliver I SC? Opgave 6: Om m uligt bør man eksper imentere med et solcellemodul for at efterprøve de næ vnte tommelfingerregler: Mål af åbentkredsspænding: Benyt et almindeligt digitalvoltmeter. Stil skalaen på 20 volt jævnspænding. N år man tilslutter det belyste modul, bør man kunne aflæse U OC direkte på instrumentet. Dette skyldes, at instrumentet ved spændingsmålinger har en meget høj indre resistans, svarende om trent til, at m odulet er i tilstanden åbent kredsløb. Figur 14: Denne opstilling v iser i princippet, hvordan m an kan udm åle en karakteristikkurve for et solcellem odul. Opstillingen i figur 14 kan med fordel ændres, således at Science Workshop eller tilsvarende datafangst udstyr beny ttes i stedet for manuel aflæsning. Det handler om at ændre på belastnin gen fra h elt åben t kreds (fjern en ledning) gennem en række værdier, normalt omkring ohm. Til sidst kan man kortslutte modu let for at m åle kortslutningsstrømmen I SC. Ener gi og solce ller Kapitel 2 - Solceller

8 Ty piske måleresu ltater er vist i figu r 15. D isse data blev optaget med Science Workshop. Figur 15: Samm enhørende v ærdier af spænding og strøm styrke er v ist for et lille solcellem odul. Grafen kaldes karakteristikkurven. Opgave 7: Sluttes et appar at (f.eks. en lille blæser eller lampe) direkte til modulet med karakteristikken i figur 15, har apparatet også en karakteristik. Dér, hvor de to grafer skærer hinanden er driftspunktet, hvor sy stemet arbejder. Figur 16 viser et eksempel på dette. Læg m ærke til, at effekten, hvor sy stemet arbejder, svarer til rektanglen med højden 0,108 ampere og bredden 1,80 volt. Hvis man prøver at tegne andre rektangler, svarende til andre driftspu nk ter, vil m an finde, at den maksimale effekt opnås, ca. dér, hvor modulets karakteristikkurve knækker. Punktet, hvor den mak simale effekt opnås, betegnes MPP (eng.: m axim um pow er point ), altså det maksimale effektpunkt. Opgave 8: Anvend et Excel regneark med sammenhørende væ rdier af strømsty rk en og spæ ndingen for et fotovoltaisk modul opstillet i to søjler. Dan en tredje søjle, hvor effekten U I beregnes, idet man finder strøm gange spænding. Tegn så en graf med spænding på førsteaksen og effekten på andenaksen. Hvor ligger grafens maksimumspunkt? I vir keli ge an læ g, anvendes et elek tronisk modul kaldet en vekselretter, der forbinder de fotovoltaiske moduler med belastningen. Elektronik ken har blandt andet til formål at sikre, at det fotovoltaiske anlæg så vidt muligt arbejder tæ t på driftspunktet, hvor effekten bliver så stor som muligt: MPP. U dstyr af den ne ty pe k aldes for en MPP tr ac ker. A nl ægget i figur 17 gør brug heraf. Figur 16: Solcellem odul karakteristik (rød) samt tilsluttet apparatkarakteristik (blå). De v andrette og lodrette streger v iser, hhv. strøm styrken og spændingen, når systemet er i drift. Dette punkt kaldes driftspunktet. Med hvilken effekt P = U I virker denne opstilling? Figur 17: Dette fotov oltaiske anlæg på Silkeborg Amtsgym nasium anvender en MPP tracker og lev erer elektricitet til skolen og til nettet. Ener gi og solce ller Kapitel 2 - Solceller