Układy fotowoltaiczne

Transkrypt

1 Układy fotowoltaiczne dr inŝ. Janusz Teneta Wydział EAIiE Katedra Automatyki AGH Kraków 2009

2 Geometria słoneczna Stała słoneczna 1,37kW/m 2

3 Azymut i elewacja Słońca

4 Słońce dostępna energia Zimą ok. 200 W/m2 Latem ok W/m2 W ciągu roku: 1 MWh/m2 (KRAKÓW) 2.2 MWh/m2 (DAKAR) DANE DLA PŁASKIEJ POWIERZCHNI UMIESZCZONEJ HORYZONTALNIE

5 Dostępna energia słoneczna Kraków Dakar

6

7 Nasze pomiary Suma roczna 2007 ok. 966 kwh/m2 (ok. 91% danych) Suma roczna 2008 ok.1026 kwh/m2 (ok. 97% danych)

8

9 Struktura promieniowania słonecznego - Bezpośrednie - Rozproszone - Odbite - Zaabsorbowane (emisja wtórna)

10 Struktura promieniowania słonecznego - pomiary

11 Słońce metody przetwarzania energii Kolektory słoneczne produkują ciepło (sprawność do ok. 80%) Baterie słoneczne produkują prąd elektryczny (sprawność do ok. 20% Solarne elektrownie termo-elektryczne Fotosynteza

12 Budowa kolektora słonecznego 1 Kolektor słoneczny 2 szt. 2 uchwyt dachowy ocynkowany na jeden kolektor 2 szt. 3 podgrzewacz 1 szt. 4 śrubunek 3 2 szt. 5 zestaw przyłączeniowy kolektora 1 kpl. 6 zestaw przyłączeniowy podgrzewacza 1 kpl. 7 zespół pompowy ze sterownikiem 1 szt. 8 zespół naczynia przeponowego 1 kpl. 9 profil między kolektory 1 szt. 10 płyn do instalacji 20 kg 11 pompa do napełniania instalacji 1 szt. 12 otulina 18/9 źródło:

13 Typy kolektorów słonecznych źródło:

14 Solarna elektrownia termiczna Solucar Sevilla, Hiszpania 11MW 624 zwierciadła po 120m 2 kaŝde Źródło:

15 Trajektorie słoneczne widziane z Krakowa

16 Wpływ montaŝu paneli PV na dostępność energii słonecznej

17 Wpływ montaŝu paneli PV na dostępność energii słonecznej

18 Wpływ montaŝu paneli PV na dostępność energii słonecznej

19 Ogniwo fotowoltaiczne Oświetlone złącze półprzewodnikowe generujące energię w oparciu o wewnętrzne zjawisko fotowoltaiczne (generacja pary elektron-dziura gdy energia fotonu jest większa od szerokości pasma zabronionego) λ max =hc/w g

20 Ogniwo fotowoltaiczne materiały Krzem Monokrystaliczny Multikrystaliczny Cienkowarstwowy (amorficzny) Inne: Arsenek galu GaAs Tellurek kadmu CdTe Si krystaliczny (c-si i mc-si) 90% Si amorficzny 9% GaAs i inne III-V CuInSe2 i pochodne 1% CdTe Materiał Eg [ev] η [%] C-Si 1,15 24,4 A-Si:H 1,4-2,0 13,2 GaAs 1,4 27 Cu(In,Ga)Se 2 1,11 19,2 CdTe 1,50 15,8

21 Produkcja monokrystalicznego fotoogniwa słonecznego Krzem metalurgiczny (polikryształ) Wyciąganie monokryształów Wycinanie z walca prostopadłościanu Cięcie na płytki 0.2 do 0.5mm Teksturyzacja powierzchni Dyfuzja fosforu Nanoszenie kontaktów i warstwy antyodblaskowej

22 Fazy procesu produkcyjnego monokrystalicznego fotoogniwa słonecznego

23 Tworzenie modułu fotowoltaicznego Odpowiednie połączenie pojedynczych komórek fotowoltaicznych w szeregi Masa wypełniająca Szyba przednia Tworzywo tylne Rama wzmacniająca

24 Standard Test Conditions (STC) Nat ęż enie promieniowania słonecznego: 1000[W/m2] Widmo promieniowania słonecznego: AM=1.5 Temperatur emperatura pracy modułu: 25 C Dla warunków STC podaje się następujące parametry modułu: moc znamionową, napięcie układu otwartego (bez obciążenia), prąd zwarciowy modułu, optymalny punkt pracy (napięcie i prąd, przy których uzyskuje się z modułu moc znamionową)

25 Charakterystyka I/V modułu fotowoltaicznego SM55

26 Zastosowania fotowoltaiki Systemy wydzielone Syst. podłączone do sieci Zastosowania indywidualne Zastosowania przemysłowe Odległe miejsca zamieszkania Rozproszone Scentralizowane wewnętrzne zewnętrzne kalkulatory wagi elektroniczne zegarki narzędzia elektr. ładowarki fontanny latarki światła ogrodowe telekomunikacja sygnal. drogowa telematyka tablice ogłosz. światła nawigacyjne oświetlenie elektr. systemy domów słonecznych wiejskie źródła zasilania ładowanie akumulat. prywatne dachy pokazowe/ szkolne zintegrowane z fasadami elektrownie wspólnoty właścicieli bariery dźwiękochłonne telefony kom. numery domów wentylacja samochodowa ochrona katodowa zdalny nadzór górskie hotele i restauracje uzdatnianie wody nawadnianie lampy uliczne łodzie i jachty chłodnie medyczne szkoły

27 Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) Elementy fasady budynku wykonane z baterii słonecznych

28 Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) Pokrycia dachowe wykonane z baterii słonecznych

29 Markiza (fasada) słoneczna AGH budynek C3 Moc 2kWp 50 modułów Shell Solar ST40 Falownik SMA SB 1700E

30

31

32 System fotowoltaiczny ODB OD B 1. Bateria słoneczna 2. Akumulator 3. Kontroler ładowania 4. Falownik 5. Odbiornik prądu zmiennego 6. Odbiornik prądu stałego

33 Odbiornik DC zasilany bezpośrednio z baterii słonecznych ODB Zalety: prostota układowa, niski koszt Wady: odbiornik stałoprądowy zasilany jest tylko w sprzyjających warunkach oświetleniowych

34 Odbiornik AC zasilany bezpośrednio z baterii słonecznych ODB Zalety: prostota układowa Wady: odbiornik zasilany jest tylko w sprzyjających warunkach oświetlenia, a falownik powinien mieć układ dopasowania mocy chwilowej

35 System autonomiczny ODB Zalety: zapewnia zasilanie odbiornika nawet przy całkowitym braku oświetlenia (noc). Wady: spory koszt, konieczność kontroli stanu akumulatora Autonomia czas przez który odbiornik moŝe być zasilany tylko z akumulatora

36 Wyspa napięciowa ODB ODB Zalety: potrafi dostarczyć w miarę stabilne zasilanie róŝnego typu odbiornikom (np. w domku letniskowym) Wady: wysoki koszt uzyskanej energii zawsze wyŝszy od energii sieciowej

37 Elektrownia fotowoltaiczna podpięta do sieci publicznej Zalety: najprostszy układ konfiguracyjny, cała wyprodukowana energia oddawana jest do sieci Wady: w Polsce brak uzasadnienia ekonomicznego

38 Schemat elektrowni PV podpiętej do sieci

39 Systemy czysto fotowoltaiczne nie gwarantują ciągłości zasilania odbiornika!!!

40 W układach o krytycznym charakterze stosuje się hybrydowe systemy zasilania

41 Przykład hybrydowego systemu fotowoltaicznego z generatorem pomocniczym Generator PV Regulator ładowania Regulator napięcia Odbiornik DC Generator pomocniczy Akumulatory

42 Koncepcja systemu hybrydowego z połączeniem stałoprądowym Generator PV Regulator ładowania Odbiornik DC Turbina wiatrowa Prostownik / ładowarka Akumulator Inwerter Odbiornik AC Generator silnikowy Prostownik / ładowarka

43 Koncepcja systemu hybrydowego z połączeniem zmiennoprądowym Generator PV Inwerter Odbiornik AC Turbina wiatrowa Regulator ładowania Generator silnikowy Akumulator

44 Fotowoltaiczny system hybrydowy: Wybór odpowiedniego generatora pomocniczego NajwaŜniejsze kryteria przy wyborze generatora pomocniczego: Zakres mocy Przechowywanie energii (zapas paliwa) Koszty Wymagania obsługowe MoŜliwość zdalnego uruchamiania MoŜliwość sterowania podczas pracy Sprawność Wpływ na środowisko Paliwo (typ, dostępność, cena)

45 Fotowoltaiczny system hybrydowy: Wybór odpowiedniego generatora pomocniczego Jako generatory pomocnicze moŝna uŝyć: Generatory benzynowe Generatory diesla Generatory gazowe Generatory na biopaliwa Ogniwa paliwowe Generatory termoelektryczne Generatory termofotowoltaiczne Elektrochemiczne źródła energii Turbiny wiatrowe Mikroelektrownie wodne

46 Sposoby montaŝu paneli słonecznych Układy stacjonarne (zafiksowane) baterie słoneczne pozostają w niezmiennej pozycji przez cały rok. W niektórych przypadkach spotyka się moŝliwość sezonowej (lato zima) zmiany kąta elewacji baterii. Układy orientowane baterie codziennie podąŝają za Słońcem. Ruch odbywa się w jednej lub dwóch osiach. Napęd stanowią najczęściej silniki elektryczne ale spotyka się równieŝ napędy wykorzystujące zjawiska fizyczne związane z ciepłem promieniowania słonecznego. W układach elektrycznych występują dwa sposoby sterowania: - zegarowy zmieniający połoŝenie baterii niezaleŝnie od chwilowych warunków oświetleniowych - czujnikowy reagujący na odchylenie strumienia promieniowania słonecznego od aktualnego połoŝenia baterii

47 Układy orientowane zawieszenie biegunowe - oś obrotu równoległa do osi Ziemi; okresowa korekta kąta deklinacji Konstrukcja z osią obrotu równoległą do osi ziemi.

48 Układy orientowane zawieszenie azymut-elewacja układ bardziej złoŝony mechanicznie, niezaleŝny obrót w kaŝdej osi, moŝliwość ustawienia w bezpieczną pozycję spoczynkową (np. przy silnym wietrze); pozwala na symulację i testowanie wszelkich sposobów obrotu i algorytmów sterowania. Konstrukcja umoŝliwiająca obrót baterii w obu osiach.

49 Układ samonapędzający elektryczny TRAXLE rozmiar zainstalowanych paneli PV : 1-25m2 (0.1-3kW) dokładność śledzenia: ±10 (przy AM=1.5) kąt śledzenia :120 czas powrotu z ustawienia zachodniego do wschodniego: 5 min maks. dopuszczalna prędkość wiatru: 160km/h od wschodu do zachodu słońca

50 Pomysł na napęd w oparciu o zjawiska fizyczne - firma Poulek Solar International Rozwiązanie bazuje na stopach metali z pamięcią kształtu.

51 Hydrodynamiczny element napędowy Ogrzanie jednego ze zbiorników promieniami słonecznymi powoduje zwiększenie objętości znajdującej się w nim cieczy. Ciecz ta napiera na tłok połączony z mechanizmem obrotowym systemu powodując przestawienie całego układu do stanu chwilowej równowagi.

52 Jeden z naszych systemów orientowanych Kierunkowy czujnik oświetlenia Kąt wierzchołkowy ostrosłupa wynosi 60, przez co odchylenie stacji od optimum nie powinno przekroczyć ±30. W tym zakresie umożliwia on, dokładne określenie kierunku źródła światła oraz poziom oświetlenia. Poza tym zakresem wskazuje jedynie orientacyjne kierunek skąd przychodzi więcej światła.