Pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu – Fotonaponski sistemi

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

UNIVERZITETA U ISTOČNOM SARAJEVU

DIPLOMSKI RAD

PRETVARANJE ENERGIJE SUNČEVOG ZRAČENJA U 

ELEKTRIČNU - FOTONAPONSKI SISTEMI

Mentor:

Kandidat:

Doc. dr Slobodan Lubura

Nenad Jovančić

Istočno Sarajevo, oktobar 2009. godine

Diplomski rad

 Jovančić Nenad

Sadržaj

1. Uvod

............................................................................................................................................ 2

2. Energija sunčevog zračenja

......................................................................................................3

2.1 Sunčevo zračenje na granici Zemljine atmosfere..................................................................4
2.2 Sunčevo zračenje na površini Zemlje.................................................................................... 4
2.3 Spektri sunčevog zračenja.....................................................................................................7

2.3.1 Standardni AM1,5 spektar sunčevog zračenja...............................................................7
2.3.2 Standardni AM0 spektar i njegovo poređenje sa spektrom zračenja crnog tijela...........8

2.4 Mjerenje sunčevog zračenja................................................................................................ 11

3. Osnove solarne geometrije

...................................................................................................... 13

3.1 Rotacija Zemlje.................................................................................................................... 13
3.2 Geografska dužina i geografska širina.................................................................................15
3.3 Osnovni uglovi solarne geometrije......................................................................................16

3.3.1

Određivanje solarnih uglova.........................................................................................19

3.4 Ugao upada solarnih zraka..................................................................................................23
3.5 Solarno vrijeme....................................................................................................................27

4. Optimalan položaj prijemnika sunčevog zračenja

...............................................................29

4.1 Dostupnost podataka o energiji sunčevog zračenja.............................................................29
4.2 Optimalan položaj prijemnika sunčevog zračenja...............................................................30

4.2.1 Fiksni prijemnici sunčevog zračenja............................................................................30
4.2.1 Prijemnici sunčevog zračenja sa mogućnošću praćenja pozicije Sunca.......................32

5. Analiza i modelovanje fotonaponskih ćelija

..........................................................................34

5.1 Princip rada fotonaponske ćelije (fotonaponski efekat)........................................................34
5.2 Izlazni parametri FN ćelije..................................................................................................36

5.2.1 Snaga fotonaponske ćelije............................................................................................39
5.2.2 Efikasnost fotonaponske ćelije.....................................................................................40
5.2.3 Zavisnost parametara FN ćelije od temperature...........................................................40
5.2.4 Spektralna osjetljivost FN ćelije...................................................................................42

5.3 Fotonaponski moduli i paneli..............................................................................................43

5.3.1 Efekat sjenke.................................................................................................................44

5.4 Materijali i tehnologija izrade FN ćelija..............................................................................45

5.4.1 Silicijum c-Si FN ćelije................................................................................................ 45
5.4.2 Silicijum p-Si FN ćelije................................................................................................45
5.4.3 Amorfni silicijum a-Si FN ćelije.................................................................................. 45
5.4.4 Polikristalne tankoslojne FN ćelije...............................................................................46
5.4.5 Monokristalne tankoslojne FN ćelije i višeslojna struktura ćelija................................47

5.5 Modeli FN ćelija...................................................................................................................49

5.5.1 Jednodiodni model FN ćelije........................................................................................ 49
5.5.2 Dvodiodni model FN ćelije.......................................................................................... 49
5.5.3 Trodiodni model FN ćelije...........................................................................................50

5.6 Realizacija MATLAB modela FN sistema..........................................................................52

5.6.1 Jednodiodni model FN ćelije........................................................................................ 52
5.6.2 Jednodiodni model FN modula.....................................................................................53
5.6.3 Jednodiodni model FN panela......................................................................................55

6. Zaključak

..................................................................................................................................57

Prilog

.............................................................................................................................................58

PVGIS - Photovoltaic Geographical Information System.........................................................58

Literatura

..................................................................................................................................... 61

1

Diplomski rad

 Jovančić Nenad

2. Energija sunčevog zračenja

Sunce je velika užarena gasovita lopta prečnika 1,392 miliona

km koja se sastoji uglavnom 

od  vodonika  i helijuma.  Unutar  Sunca,  vodonik  se  nuklearnim  reakcijama fuzije  pretvara  u 
helijum,   što   rezultira   oslobađanjem   velikih   količina   energije,   usljed   kojih   temperatura   u 
unutrašnjosti   Sunca   premašuje   20   miliona   K.   Međutim,   to   nije   temperatura   koja   određuje 
elektromagnetska svojstva sunčevog zračenja, budući da zračenje iz unutrašnjosti u velikom 
dijelu apsorbuje sloj negativnih vodonikovih jona blizu površine. Dakle, temperatura površine 
Sunca   je   oko   6000   K,   a   spektar   sunčevog   zračenja   približno   odgovara   spektru   crnog   tijela 
ugrijanog na temperaturu 5760 K. Stoga se temperatura od 5760 K može uzeti kao efektivna 
temperatura sunčeve površine, a iz nje primjenom Plankovog zakona moguće je proračunati 
energetski spektar sunčevog zračenja. [1]

Plankov zakon

 je jednačina koja nam kaže koliki je intenzitet elektromagnetskog zračenja 

crnog tijela u zavisnosti od temperature i frekvencije, odnosno talasne dužine. Napisao ga je 
Maks Plank 1901. godine. [2]
Plankov zakon izražen preko frekvencije:

    (2.1)

isti zakon izražen preko talasne dužine:

    (2.2)

gdje je:

E 

- energija 

- frekvencija [Hz]

- talasna dužina [m]

T 

-

temperatura [K]

- Plankova konstanta 

 [Js]

c

 - brzina svijetlosti 

 [m/s]

k

 - Bolcmanova konstanta 

 [J/K]

Dakle, energija (snaga) kojom Sunce zrači sa svoje površine iznosi oko  

  i to se 

zračenje sastoji od različitih talasnih dužina. Većina (99 %) sunčevog zračenja se odnosi na 
talasne dužine iz opsega 0,275 – 4,6 μm. Spektar sun

č

evog zra

č

enja može da se podijeli na tri 

oblasti: ultraljubi

č

astu (0,01 



m <



< 0,39 



m), vidljivu (0,40 



m <



< 0,76 



m) i infracrvenu 

(0,76  



m   <



<   4,0  



m).   Od   ukupne   energije   koja   se   generiše   na   Suncu,  50%   odlazi   na 

infracrvenu, 40%

na vidljivu i oko 10%

na ultraljubi

č

astu oblast. Maksimum energije zra

č

enja je 

na talasnoj dužini od 



=0,476 



m.

3

Diplomski rad

 Jovančić Nenad

2.1 Sunčevo zračenje na granici Zemljine atmosfere

Sunčevo   zračenje   koje   dopire   do   vanjskog   ruba   Zemljine   atmosfere   naziva   se 

ekstraterestičko zračenje(iradijacija)

, te predstavlja veoma mali dio energije kojom Sunce 

zrači sa svoje površine. Budući da se udaljenost Zemlje od Sunca mijenja tokom godine, tako se 
mijenja i ekstraterestičko zračenje i kreće se od 1307 W/m² do 1399 W/m²

na površini koja je 

normalna na smjer zračenja. Ekstraterestičko zračenje na površinu koja je normalna na smjer 
zračenja,   za   srednju   udaljenost   Zemlje   od   Sunca   (149,68   miliona   km)   naziva   se  

sunčeva 

(solarna) konstanta

. Utvrđivanje solarne konstante i njene moguće

promjenjivosti počelo je na 

prelazu u 20. vijek. Nakon nekoliko desetina godina satelitskih mjerenja utvrđeno je da solarna 
konstanta i nije konstanta, nego se mijenja kako se i sunčeva aktivnost mijenja. Ipak, Svjetska 
meteorološka   organizacija   je   1981.   godine   standardizovala   solarnu   konstantu   i   ona  iznosi 
E

0sr

=1367,7 W/m². [1]

2.2 Sunčevo zračenje na površini Zemlje

Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca može se smatrati da se sunčevo zračenje prije 

ulaska   u   Zemljinu   atmosferu   sastoji   od   snopa   paralelnih   elektromagnetskih   talasa. 
Međudjelovanjem sa gasovima i česticama u atmosferi sunčevo zračenja se može upiti (oko 18 
%), odbiti (oko10 %) ili više manje nesmetano proći kroz atmosferu (oko 70 %).

Prilikom prolaska kroz atmosferu dolazi do apsorpcije sunčevog zračenja, i to 

x

 i 

y

 zraka u 

jonosferi,   ultraljubičastog   zračenja   u   ozonskom   omotaču   i   infracrvenog   zračenja   u   nižim 
slojevima atmosfere. Pored apsorpcije, dio sunčevog zračenja se rasijava na suvom vazduhu, 
vodenoj pari i česticama nečistoća koje se nalaze u vazduhu. Zbog apsorpcije i rasijavanja, 
dolazi do slabljenja energije sunčevog zračenja koja dospijeva do površine Zemlje. Stepen ovog 
slabljenja zavisi od fizičkih i hemijskih karakteristika atmosfere, kao i od dužine puta sunčevog 
zračenja kroz Zemljinu atmosferu. Put svjetlosti kroz atmosferu za neku lokaciju ekvivalentiran 
je  

masom zraka AM

  (od  

A

ir  

M

ass

), o čemu će više govora biti u nastavku.  Na putu kroz 

zemljinu atmosferu izgubi se oko 25 % – 50 % intenziteta sunčevog zračenja od onog koje je 
dospjelo na rub atmosfere.

Rasijavanjem sunčevog zračenja na atomima i molekulama gasova i česticama nečistoća u 

vazdušnom omotaču Zemlje, nastaje  

difuzno zračenje

. Kada sunčevo zračenje na svom putu 

dospije do molekule gasa ili čestice, pobuđuje je na titranje i zračenje, čime pobuđena čestica 
postaje   izvor   elektromagnetskog   zračenja   specifične   talasne   dužine.   Primljenu   energiju, 
molekula odnosno čestica, predaje nejednako u svim pravcima, dio se odbija nazad u svemir, a 
dio se raspršuje na Zemlji. Difuzno zračenje raste sa povećanjem oblačnosti, vodene pare i 
čestica   nečistoća   u   atmosferi.   Ukupno   sunčevo   zračenje   koje   dospijeva   do   površine   Zemlje 
sastoji se od dvije komponente: prva, kao što je već navedeno, predstavlja difuzno zračenje, a 
druga potiče direktno sa površine Sunca (direktno zračenje). 

Direktno zračenje 

kratkotalasnog 

je karaktera, za vrijeme sunčanog dana manifestuje se kao kombinacija žućkastog svjetlosnog 
snopa   i   topline.   Treba   napomenuti   da   direktno   sunčevo   zračenje   ne   utiče   na   povišenje 
temperature vazduha.

Pri kontaktu sa Zemljom, zavisno o svojstvima podloge, veći će dio sunčevog zračenja 

Zemlja upiti, a manji dio zračenja će se odbiti (reflektovati). Svojstvo podloge da odbija zračenje 
može se izraziti koeficijentom refleksije ili  

albedom

. Potpuno bijelo tijelo ima albedo 1,0 jer 

potpuno odbija sunčevo zračenje, a potpuno crno tijelo ima albedo nula. [3]

4

Diplomski rad

 Jovančić Nenad

Slika 2.1 

Karta BiH sa vrijednostima globalnog zračenja (izvor PVGIS)

6