Článek se zabývá klíčovými faktory a také problémy, které provází implementaci systémů s multičlánkovými vs. jednočlánkovými solárními panely, určenými pro nízkopříkonové systémy sběru energie a také aplikace, provozované nezávisle na elektrické síti. Některá kritéria přitom nepatří čistě mezi fyzické vlastnosti solárního panelu, přesto je potřeba jim porozumět. Potřebujeme vyhodnotit ucelené řešení. Vícečlánkové panely generují větší výstupní napětí, zatímco jednočlánkové prvky nabídnou malé napětí, které bude hodně pod úrovní, přímo upotřebitelnou většinou dnes vyráběné elektroniky. Článek se postupně ubírá směrem k nadcházejícím výzvám, které bude potřeba řešit v souvislosti se solárními panely, a také pochopení kompromisů při návrhu zdařilého a účinného systému.
Základní předpoklady
Vícečlánkové solární panely
Z historického hlediska budou nejběžnější solární panely či fotovoltaické (PV, Photovoltaic) panely multičlánkové. Abychom dosáhli žádaného výstupního napětí, spojíme dohromady hned několik článků. 10 takových článků společně vyrábí přibližně 5,0 V. Zmíněné napětí již lze v případě současných elektronických systémů přímo využít, příp. je stabilizovat na nižší úroveň a podpořit tak rozšířené mikro – kontroléry, běžící na 3,3 V či 1,8 V. Jednoduché zapracování tohoto napětí přispělo k popularitě vícečlánkových aplikací. Vícečlánkové panely jsou však z titulu své konstrukce nákladnější a vykazují méně efektivní využití plochy. Zastínění konkrétního článku kromě toho snižuje celkovou účinnost panelu.
Jednočlánkové solární panely
V novodobější historii se jednočlánkovým panelům dostává větší pozornosti. S největší pravděpodobností se zde totiž jedná o sbližování několika činitelů. Cena jednočlánkového panelu je nižší než v případě vícečlánkového řešení. Konstrukce jednočlánkových panelů je jednodušší a také maximalizuje plochu článku, protože zde máme méně rozvodů, vyhrazených vnitřnímu propojení článků. I plocha, dostupná na současných elektronických zařízeních, bude menší, takže přídavná vnitřní propojení většího počtu článků zaberou drahocennou plochu, která mohla být jinak využita ke generování proudu. Jednočlánkové řešení konečně netrpí stejným problémem nejslabšího článku jako v případě multičlánků, zastíníme – li je. Jediný článek však generuje přibližně 0,5 V, což je docela málo, takže s takovou hladinou budeme stávající elektroniku napájet přímo jen s obtížemi.
Činnost solárního článku
Typickým solárním článkem rozumíme diodu s p – n přechodem a zapracovaným elektrickým polem přechodu. Vystavení světelným účinkům má pak za následek oddělení nosičů náboje nebo vytvoření párů elektron díra. Připojením článku k vnější zátěži následně vzniká obvod, ve kterém protéká proud, generovaný solárním panelem a dodávaný do připojené zátěže. Protože je solární článek diodou, budou jeho elektrické charakteristiky typu IV průběhu (v následujícím textu se budeme kvůli přehlednějšímu popisu obrázků držet původního označení, IV odpovídá naší A – V charakteristice, P pak odpovídá výkonu; pozn. překl.) podobné těm, které pozorujeme u standardní diody. Výjimku tvoří jen posun IV charakteristiky směrem dolů, vystavíme – li prvek světlu. Plocha pod křivkou je definována jako výkon, generovaný solárním článkem.
Solární články pro pokojové aplikace
Solární články se vyrábí z polovodičových materiálů. V současné době je trh ovládán solárními články z krystalického křemíku. Takový materiál však bude vhodný zejména pro aplikace, provozované pod širým nebem. Na druhé straně, pro nízkopříkonové aplikace, které jsou v první řadě používány uvnitř budovy, bude spektrální odezva odlišná. Spektrální odezvu definujeme jako poměr proudu solárním článkem vůči energii, dopadající na příslušný povrch. Tato závislost je způsobena zdrojem světla v domácích podmínkách, tj. ve většině případů zářivkami či žárovkovým osvětlením. To ukazuje, že materiály, použité k výrobě solárního článku, jsou silně ovlivněny spektrální odezvou, která má poté přímý dopad na dosahovanou účinnost. Důvod takového silného ovlivňování spočívá v tom, že pohlcování dopadajícího světla konkrétní vlnové délky závisí na šířce zakázaného pásma materiálu pro výrobu solárního článku. Venkovní podmínky, poplatné slunečnímu světlu, mají podstatnou část svého spektra v červené oblasti viditelného světla. To ukazuje, že krystalický křemík bude mít výraznou spektrální odezvu v této oblasti, zatímco na nižších vlnových délkách bude poněkud „trpět“. Naopak vnitřní podmínky, odpovídající zářivkovému osvětlení, budou představovat výrazný spektrální podíl v rozsahu 600 nm a níže. Solární články, založené na
- amorfním křemíku (a-Si),
- materiálech s citlivostí navýšenou barvivem (DSSC) a
- organických materiálech (OPV)
se pro tento režim hodí velmi dobře. Takové typy článků se proto budou pro vnitřní aplikace jevit jako vhodnější.
Tento dokument se zaměřuje na nízké příkony a tudíž na vnitřní světelné podmínky. Rozebírá charakteristiky solárních článků, využívajících materiály a-Si, DSSC a OPV. Zvláštní pozornost přitom věnujeme vlivu vícečlánkové topologie, teploty a také stínění (ve smyslu clonění).
Vymezení pojmů:
S odkazem na obr. 1:
- Napětí naprázdno, Open circuit voltage (VOC): Napětí na solárním článku, neteče – li svorkami žádný proud.
- Proud nakrátko, Short circuit current (ISC): Proud protékající články, budou – li jeho svorky zkratovány.
-
Maximální výkon, Maximum Power (PMAX): Maximální výkon, definovaný plochou A2. Napětí a proud, vymezující PMAX, je VMAX a IMAX. Změny PMAX závisí na intenzitě světelného záření. Podmínka, na které dosáhneme maximálního výkonu, se nazývá
- bod maximálního výkonu (Maximum Power Point, MPP) křivky IV / PV.
- Činitel plnění, Fill Factor (FF): ~ pravoúhlé vymezení A2
- PEIN = Výkon dopadajícího světelného záření
- Činitel plnění, Fill Factor, FF = A2 / A1
Takže dostáváme:
- Účinnost, Efficiency (μ): Množství výkonu, který jsme schopni dodat v rámci daných vstupních světelných podmínek.
- μ = PMAX / PEIN = (VOC*ISC*FF) / PEIN
Obr. 1: IV charakteristiky solárního článku
Nejvyšších účinností jsme schopni dosáhnout venku, resp. na sluníčku (zpravidla hovoříme o STC podmínkách s intenzitami 1 000 W/m2). V domácích podmínkách měříme osvětlení v luxech, místo W/m2. Luxové úrovně, používané pro vnitřní osvětlení, se pohybují od 50 do 1 000 luxů (empiricky pod 1 W/m2).
IV a PV charakteristiky
Obr. 2 zachycuje IV a PV charakteristiky solárního článku a-Si za podmínek zářivkového osvětlení (672 lux). Povšimněte si prosím, že se chování článku v podmínkách slabého osvětlení velmi podobá charakteristikám, tradičně získaným v souvislosti s STC. Obdobné křivky pozorujeme stejně tak pro DSSC a OPV.
Obr. 2: IV a PV charakteristiky pro a-Si v podmínkách slabého osvětlení
Obr. 3a a 3b zobrazují soubor IV a PV křivek pro různé luxové úrovně, čímž naznačujeme, že úvahy, využívané při určování MPP, stejně jako návrhové algoritmy k výpočtu MPP jako funkce intenzity, budou rovněž použitelné v rámci vnitřních aplikací s nižšími výkony.
Obr. 3a: Soubor IV křivek jako funkce osvětlení
Obr. 3b: Soubor PV křivek jako funkce osvětlení
Pokračování příště, viz Download a odkazy.
Download a odkazy:
- Solární panely s jedním nebo více články – jak na to? (2. část: Teplo a stín)
- Solární panely s jedním nebo více články – jak na to? (3. část: Když je 0,5 V málo)
Více informací o dalších solárních řešeních TI naleznete na www.ti.com/solar-ca.