Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA - FOTOWOLTAIKA

Transkrypt

1 SYSTEMY ENERGETYKI ODNAWIALNEJ B.21 Wykład: ENERGETYKA SŁONECZNA - FOTOWOLTAIKA Prowadzący: dr inż. Marcin Michalski kontakt: energetyka.michalski@gmail.com energetyka.michalski

2 2 PLAN PREZENTACJI 1.Wprowadzenie do fotowoltaiki 2.Systemy fotowoltaiczne 3.Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych 4.Eksploatacja i konserwacja systemów fotowoltaicznych 5.Zagadnienia ogólne 6.Dobór, montaż, regulacja systemów fotowoltaicznych 7.Komputerowe wspomaganie projektowania i aspekty ekonomiczne

3 3 Wprowadzenie do fotowoltaiki Fotowoltaika (PV) - dziedzina nauki i techniki zajmująca się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną czyli inaczej wytwarzanie prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu. zjawiska fotowoltaicznego PV - to międzynarodowy skrót nazwy efektu fotowoltaicznego (PV=PhotoVoltaic), innowacyjnej technologii produkcji energii elektrycznej na bazie światła, promieniowania słonecznego.

4 Wprowadzenie do fotowoltaiki 4

5 CZY ENERGETYKA ODNAWIALNA SIĘ OPŁACA?

6 USTAWA OZE - Prosument osoba fizyczna Mikroinstalacje do 40kW bez pozwolenia budowlanego! - Net-metering do 10kW 80%, 10-40kW 70% - Brak taryf gwarantowanych FiT - Obowiązek przyłączenia do sieci przez Dystrybutora - Darmowa wymiana licznika - 8% czy 23% VATu?

7 Wprowadzenie do fotowoltaiki 7

8 8 Wprowadzenie do fotowoltaiki Rys. Promieniowanie słoneczne całkowite w Polsce: od kwh/m2rok (średnia długoterminowa). Poszczególne sumy roczne energii promieniowania całkowitego mogą odbiegać od średniej: do 30%.

9 W 2014 r. zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrosło o 0,29% i wyniosło 159,4 TWh. 9 Wprowadzenie do fotowoltaiki

10 Wprowadzenie do fotowoltaiki 10

11 11 Wprowadzenie do fotowoltaiki Rys. Promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi

12 12 Wprowadzenie do fotowoltaiki Rys. Średnie dzienne sumy promieniowania całkowitego. Poszczególne sumy miesięczne energii promieniowania całkowitego mogą odbiegać od średniej: do 50%.

13 Wprowadzenie do fotowoltaiki 13

14 14 Wprowadzenie do fotowoltaiki MOC DOSTARCZANA PRZEZ SŁOŃCE

15 15 Wprowadzenie do fotowoltaiki Optymalny kąt ustawienia paneli PV: 1. Instalacja on-grid 30-35ᵒ 2. Instalacja off-grid całoroczna 45-60ᵒ CZERWIEC Kąt, ᵒ Strata, % 1,83 1,87 2,86 3,24 3,75 4,53 CAŁY ROK Kąt, ᵒ Strata, % -0,32 0,07 0,67 1,21 1,59 2,39

16 Wprowadzenie do fotowoltaiki 16

17 17 Systemy fotowoltaiczne

18 Systemy fotowoltaiczne Edmund Becquerel zauważa zjawisko generacji nośników prądu elektrycznego w niektórych materiałach poddanych naświetlaniu pierwsze ogniwo półprzewodnikowe, monokrystaliczne (Si CdS) o sprawności 6% -era zastosowań kosmicznych pierwsze zastosowania komercyjne (kryzys paliwowy) 18

19 Systemy fotowoltaiczne 19 19

20 Systemy fotowoltaiczne Generacje ogniw fotowoltaicznych: ogniwa fotowoltaiczne I generacji - są to klasyczne ogniwa złożone niemal 100% krzemu, posiadające tradycyjne złącze p-n. Stanową ok 82% rynku ogniw. Charakteryzują się sprawnością ok 18-22% oraz relatywnie niską automatyzacją procesu produkcyjnego ogniwa fotowoltaiczne II generacji - ogniwa oparte na złączu p-n, lecz złożone z innych pierwiastków niż krzem, tj. tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, galu, indu, selenu (CIGS) lub krzemu amorficznego. Charakteryzują się większą automatyzacją produkcji niż ogniwa I generacji i w związku z tym są znacznie tańsze w produkcji. Jednak ich główną wadą jest niższa sprawność sięgająca ok 7-15%. Udział w tynku tego typu ogniw to ok 18%. ogniwa fotowoltaiczne III generacji - ogniwa bazujące na różnorodnej technologii nie opartej na półprzewodnikach, a w związku z tym nie posiadają złącza p-n. Najpopularniejsze w tej chwili technologie to DSSC oraz ogniwa polimerowe. Charakteryzują się niską sprawnością ok 5%, ich największą zaletą są bardzo niskie koszty produkcji. Udział w rynku nie przekracza 0,5%. System fotowoltaiczny korzysta z energii słońca. Jego wielką zaletą jest to, że działa niezależnie od sieci energetycznej i gwarantuje stałe dostawy nawet w przypadku awarii. Co ciekawe produkuje energię nawet w pochmurne dni. 20

21 Systemy fotowoltaiczne ogniwa PV I generacji 21

22 22 Systemy fotowoltaiczne Zasada działania krzemowego ogniwa PV I generacji

23 23 Systemy fotowoltaiczne Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

24 24 Systemy fotowoltaiczne Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych

25 25 Metoda Jana Czochralskiego - technika otrzymywania monokryształów, która polega na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia warunków transportu masy i ciepła. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu (średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.

26 Systemy fotowoltaiczne Proces wzrostu kryształów krzemu zachodzi w temperaturze 1400 C 26

27 Systemy fotowoltaiczne 27

28 Systemy fotowoltaiczne 28

29 Systemy fotowoltaiczne ogniwa PV II generacji 29

30 Systemy fotowoltaiczne ogniwa PV III generacji 30

31 31 Systemy fotowoltaiczne Obecnie udział w rynku krystalicznych, słonecznych ogniw krzemowych (c-si) w różnych odmianach (monokrystaliczne, multikrystaliczne, taśmowe) przekracza 90%. Pozostała część przypada na technologie cienkowarstwowe (TF) (amorficzne ogniwa Si, CI(G)S, CdTe).

32 32 Systemy fotowoltaiczne Perowskity nowa technologia w fotowoltaice Perowskity to grupa nieorganicznych związków chemicznych. Nowa technologia zaproponowana przez Olgę Malinkiewicz charakteryzuje się szybkim czasem produkcji oraz nie wymaga zastosowania skomplikowanych urządzeń. Przeprowadzana jest w warunkach próżniowych niskotemperaturowych. Polega na naniesieniu sprayem cienkiej warstwy perowskitów na dowolny materiał np. folię. Aktualnie sprawność dochodzi do 20%, zaś w przyszłości może osiągnąć nawet 30%. Ogniwo perowskitowe. Foto: Olga Malinkiewicz.

33 Systemy fotowoltaiczne Moduły dwustronne Zdjęcie tyłu modułu 33

34 Systemy fotowoltaiczne Moduły dwustronne 34

35 35 Systemy fotowoltaiczne Dachówka fotowoltaiczna

36 36 Systemy fotowoltaiczne Dachówka fotowoltaiczna

37 37 Systemy fotowoltaiczne Ogniwa z krzemu monolitycznego Technologia produkcji

38 38

39 39 Systemy fotowoltaiczne Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych

40 Systemy fotowoltaiczne Klasy wykonania paneli: A ogniwa pozbawione skaz, B ogniwa z nielicznymi skazami, C ogniwa z licznymi skazami NORMY: Ogniwa krzemowe certyfikat IEC 61215:2005 (spełnia normę PN-EN 61215) Ogniwa cienkowarstwowe - certyfikat IEC 61646:2008 (spełnia normę PN-EN 61646) WSZYSTKIE - PN-EN :2007 wymagana do uzyskania przyłączenia do sieci!!!! Odporność na warunki atmosferyczne: Panele PV mimo lekkiej budowy mają znaczną wytrzymałość na uderzenia i wiatr. Typowe parametry wytrzymałościowe paneli to: Pa dla odporności mechanicznej na obciążenie (540kg/m2) Pa ciśnienia wiatru (wytrzymałość na wiatr o prędkości 130 km/h) - wytrzymałość na temperaturę od -40 do +85 C - wytrzymałość na grad do 25 mm poruszający się z prędkością 23 m/s 40

41 41 Systemy fotowoltaiczne Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych c.d. *1) STC = Standard Test Conditions (standardowe warunki kontrolne: Natężenie nasłonecznienia 1000 W/m2, temperatura ogniwa 25 C i masa powietrza AM 1,5). Masa optyczna atmosfery AM = 1,5 AM - masa powietrza, która oznacza kąt padania i drogę promieniowania słonecznego (AM = 1/cos φ) Φ=48,2 Rys. Masa optyczna atmosfery AM

42 42 Systemy fotowoltaiczne Przykłady wad paneli PV typu B i C

43 43 Systemy fotowoltaiczne Dane techniczne wybranych modułów polikrystalicznych c.d. *2) MPP = Maximum Power Point (moc maksymalna w warunkach standardowych). *3) NOCT = Nominal Operating Cell Temperature (nominalna temperatura pracy modułu: Natężenie nasłonecznienia 800 W/m2, masa powietrza AM 1,5, prędkość wiatru 1 m/s, temperatura otoczenia 20 C).

44 Systemy fotowoltaiczne 44

45 Systemy fotowoltaiczne 45

46 46 Systemy fotowoltaiczne Potencjał promieniowania słonecznego w Polsce: ok kwh/m2rok Instalacja fotowoltaiczna - 1kWp (7m2) =>1000kWh/rok z 1m2 PV ok 150 kwh/rok Sprawność PV ok 15% Elektrownia klasyczna 1kW 8760 kwh/rok Prawie 9 razy więcej!!!

47 47 Systemy fotowoltaiczne Dane techniczne wybranych ogniw polikrystalicznych c.d.

48 48 Systemy fotowoltaiczne Klasa zabezpieczenia : IP68 Pierwsza cyfra oznacza ochronę przed dotknięciem i przed ciałami obcymi (0= brak ochrony do 6= pyłoszczelność ) Druga cyfra ochronę przed wodą (0= brak ochrony do 8= ochrona przyciągłym zanurzeniu ).

49 49 RÓWNOLEGŁE SZEREGOWE

50 50 Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych

51 Instalacja do grzania CWU Prąd stały z panelu słonecznego przekazywany jest do ISG, który kontroluje parametry prądu przekazywane do grzałki (zespołu grzałek) podgrzewających 51

52 Instalacja do grzania CWU 52

53 nstalacja na prąd stały DC Prąd z panelu słonecznego przekazywany jest do regulatora ładowania, który przekazuje określoną wartość prądu do ładowania akumulatora (w zależności od stopnia jego naładowania). Odbiorniki podłączone do regulatora korzystają ze zgromadzonej energii w 53

54 Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych Instalacje na prąd stały DC Akumulator - rozłącznie zaczyna się od, podłączanie najpierw + UWAGA! Przy podłączaniu układu należy zawsze jako pierwszy podłączyć akumulator. Przy odłączaniu układu należy zawsze jako ostatni odłączyć akumulator. 54

55 Typy systemów i instalacji fotowoltaicznych Przetwornica prądu 55

56 Typy systemów fotowoltaicznych 56

57 Typy systemów fotowoltaicznych 57

58 Typy systemów fotowoltaicznych - mikroinstalacje (do 40 kw) - małe instalacje ( kw) oraz ( kw) - duże systemy 200 kw+ Sieć niskiego napięcia 230V: teoretycznie do 200kW, praktycznie do 100kW. Sieć średniego napięcia 15kV: teoretycznie do 10MW, praktycznie do 5MW. Sieć wysokiego napięcia 110kV: powyżej 5MW - Dobór ze względu na miejsce (dach lub grunt) - Dobór ze względu na inwerter mikroinwerter inwerter szeregowy inwerter centralny 58

59 Typy systemów fotowoltaicznych 59

60 60 Typy systemów fotowoltaicznych Rodzaje falowników Transformatorowe Sieciowe Bez transformatorowe Wyspowe Cięższe Mogą mieć uziemioną tablicę inwertera (moduły cieńkowarstwoe uziemie bieguna - ) Stosowane zazwyczaj do baterii cienkowarstwowych wysoka sprawność przy niskim obciążeniu synchronizują się z siecią i mogą oddawać energię do sieci nie ładują akumulatorów wyłączają się jak nie ma napięcia w sieci Lżejsze Wyższa sprawność w szerokim zakresie pracy Nie mogą mieć uziemionej tablicy inwertera Najpowszechniejszy typ inwertera nie synchronizują się z siecią przez co nie mogą oddawać energii do sieci mogą ładować akumulatory i kontrolują ich pracę zasilają urządzenia AC w budynku korzystając z energii z paneli PV jak i akumulatorów

61 61 Charakterystyka prądowo-napięciowa Falownik sterowanie MPP MPP (Maximum Power Point) falownik steruje punktem mocy maksymalnej. Czyli zapewnia pracę generatora solarnego zawsze z maksymalnie możliwą mocą. Moc generatora solarnego zależy od napromieniowania W/m2 (natężenia promieniowania słonecznego) oraz od temperatury ogniw. Rys. Charakterystyki ogniw

62 62 Charakterystyka prądowo-napięciowa Falownik sterowanie MPP c.d. Jeśli zmieni się intensywność napromieniowania lub temperatura ogniw, to falownik szuka nowego MPP, aby generator pracował zawsze z maksymalnie możliwą mocą (pole na wykresie). Rys. Zasada optymalizacji mocy (wyszukiwanie MPP)

63 Inwerter Urządzeniem współpracującym z obwodami stałoprądowymi jest beztransformatorowy inwerter dobierany do parametrów pracy sieci. Inwerter jest urządzeniem energoelektronicznym przekształcającym prąd stały w prąd przemienny o odpowiednich parametrach. Posiadający oprócz wbudowanej części przekształtnika DC/AC, przekształtnik DC/DC (do zapewnienia odpowiedniej wartości napięcia i prądu) oraz filtr AC (umożliwiający uzyskanie wielkości wyjściowych o odpowiednich parametrach). 63

64 64 Inwerter SMA Sunny Boy 1.5 / 2.5

65 65 Inwerter SMA Sunny Boy 1.5 / 2.5

66 66 Inwerter SMA Sunny Boy 1.5 / 2.5

67 67 Inwerter SMA Sunny Boy 1.5 / 2.5 Film dotyczący sposobu montażu i podłączenia nowego Sunny Boy 1.5 / 2.5: Konfiguracja przez innowacyjny interfejs WEB UI: Specyfikacja techniczna urządzenia: DPL1503-V10.pdf

68 Typy systemów fotowoltaicznych 68

69 Typy systemów fotowoltaicznych 69

70

71 71

72 Typy systemów fotowoltaicznych 72

73 Typy systemów fotowoltaicznych 73

74 74 Typy systemów fotowoltaicznych Oświetlenie uliczne, znaki drogowe

75 75

76 Typy systemów fotowoltaicznych 76

77 77 Typy systemów fotowoltaicznych Sygnalizacja drogowa, parkometry

78 78 Typy systemów fotowoltaicznych Namioty

79 79.Eksploatacja i konserwacja systemów fotowoltaicznych

80 80 CZĘŚĆ ELEKTRYCZNA W SYSTEMIE FOTOWOLTAICZNYM

81 81 Zabezpieczenia elektryczne Zabezpieczenia elektryczne Strona DC - zabezpieczenia nadprądowe - zabezpieczenia przeciwprzepięciowe Strona AC - zabezpieczenia nadprądowe - zabezpieczenia przeciwprzepięciowe - zabezpieczenie przed pracą wyspową

82 82 Zabezpieczenia nadprądowe: Istnieją trzy główne różnice pomiędzy instalacją fotowoltaiczną a innym tradycyjnym systemem DC: 1. Wyższe napięcie- zwykle dla instalacji fotowoltaicznych jest to V DC. 2. Prąd zwarciowy modułów fotowoltaicznych jest bliski ich prądowi znamionowemu. 3. Zmiana polaryzacji prądu płynącego przez wyłącznik lub rozłącznik podczas nieprawidłowej pracy systemu PV. Wszystkie te trzy kwestie stawiają zupełnie nowe wymagania dotyczące projektowania, budowy i działania elementów DC, takich jak wyłączniki lub rozłączniki

83 83 Zabezpieczenia nadprądowe: - prąd znamionowy zabezpieczenia - prąd zwarcia generatora prądu (modułów) - współczynnik korygujący w zależności od temperatury otoczenia Ważne aby zabezpieczenie nadprądowe miało charakterystykę gpv. Zabezpieczenie dobiera się według poniższego wzoru (norma IEC ):

84 84 Ochrona odgromowa instalacji na budynkach PN-EN :2008, Ochrona odgromowa Część 1: Wymagania ogólne. PN-EN :2008, Ochrona odgromowa Część 2: Zarządzanie ryzykiem PN-EN :2009, Ochrona odgromowa Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia. PN-EN :2009, Ochrona odgromowa Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.

85 85 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Ze względu na montaż instalacji na dachu, istnieje szczególnie zagrożenie, wynikające z bezpośredniego uderzenia pioruna. Uderzenie pioruna wywołuje skutki w otoczeniu w promieniu ok. 1 km. W przypadku systemów fotowoltaicznych montowanych w strefie narażonej na dachu płaskim, konieczne jest zainstalowanie właściwej ochrony odgromowej, ponieważ system PV jest najwyższym elementem na dachu. Jeżeli nie zainstalowano żadnej ochrony odgromowej, generator PV musi być uziemiony. Wyjątkiem są systemy PV o mocy poniżej 5 kw, moduły o klasie ochronnej II lub instalacje niskiego napięcia.

86 86 Ochrona odgromowa ochrona zewnętrzna Zadaniem zewnętrznej ochrony odgromowej jest przewodzenie energii uderzenia pioruna. System taki składa się z: zwodu, piorunochronu o przekroju min. 16 mm2, uziomu.

87 87 Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe:

88 88 Rozdzielnia AC z zabezpieczeniami nadprądowymi Falownik Rozdzielnia DC z ochronnikami przeciwprzepięciowymi i zabezpieczeniami nadprądowymi

89 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Współczynnik k i k m k c Wartości 0,08 dla I klasy LPS 0,06 dla II klasy LPS 0,04 dla III lub IV klasy LPS 1 dla powietrza 0,5 dla betonu, cegły 1 dla jednego przewodu odprowadzającego 1 0,5 dla dwóch przewodów odprowadzających 1 1/4 dla czterech i więcej przewodów 89

90 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Zachowane odstępy między modułami, a instalacją odgromową 90

91 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Odstępy między modułami, a instalacją odgromową nie są zachowane 91

92 92 Ochrona odgromowa instalacji na budynkach

93 93 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Ochrona odgromowa Wyliczane zgodnie z pkt 6.3 normy PN-EN instalacji na budynkach

94 94 Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych Ochrona odgromowa instalacji na budynkach

95 95 Dobór średnicy przewodu - Spadek napięcia Gdzie: Gdzie: Iz IB S IB l κ U ΔU% S = I B l 100 κ U U % - obliczany minimalny przekrój przewodu, - prąd płynący przez przewód prąd roboczy, - długość przewodu, - konduktywność przewodu (dla żył Cu 56 m/(ωmm²), dla żył Al 33 m/(ωmm²)), - napięcie generowane przez system, - dopuszczalny spadek napięcia w przewodzie, który według normy N-SEP-E-002 od licznika do dowolnego odbiornika nie powinien przekraczać 3%. I Z > I B - prąd dopuszczalny długotrwale, - prąd roboczy.

96 96

97 97

98 Przepisy bezpieczeństwa 98

99 Najważniejsze zasady BHP: - w czasie prac na dachu należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa, aby zapobiec wypadkom; - podczas pracy na dachu zawsze należy zabezpieczać się przed upadkiem; - montaż powinny wykonywać minimum dwie osoby; - w trakcie prac konieczna jest odzież ochronna; - po zakończeniu montażu należy sprawdzić, czy zestaw montażowy i moduły zostały stabilnie zamontowane, W przypadku, gdy moduły fotowoltaiczne i materiały montażowa są przez dłuższy czas narażone na działanie promieniowania słonecznego, istnieje ryzyko poparzenia się gorącymi elementami. 99

100 100 - każdy instalator powinien posiadać aktualne zaświadczenie stwierdzające ukończenie przeszkolenia w zakresie BHP; - przy pracy na wysokości powyżej 1,5 m, wymagane jest aktualne zaświadczenie dopuszczające instalatora do pracy na wysokości; - przy pracy z urządzeniami elektrycznymi każda osoba powinna posiadać aktualne uprawnienia elektryczne do 1 kv w zakresie montażu i eksploatacji urządzeń elektrycznych; - podczas prac na wysokości teren pod miejscem wykonywania prac musi być właściwie oznaczony i zabezpieczony.

101 101 - przy montażu i demontażu modułu fotowoltaicznego, urządzenia podporowe, zabezpieczające i drabiny należy stawiać na twardym podłożu i w położeniu zapewniającym bezpieczeństwo obsłudze, - należy stosować wyłącznie drabiny i urządzenia podporowa oraz zabezpieczające o określonej nośności i wytrzymałości, posiadające aktualne atesty i dopuszczenia, a w przypadku urządzeń mechanicznych, obsługiwanych przez pracowników mających odpowiednie kwalifikacje i uprawnienia, - w przypadku używania drabin urządzeń podporowych stosować się do instrukcji ich obsługi.

102 102 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ